Giáo trình môn Vật liệu điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
... ...
BÀI GIẢNG
VẬT LIỆU ĐIỆN
Bậc học: TCCN
 GV: Trần Thị Ánh Duyên
Bộ môn: Điện - Điện tử
 Khoa: Kỹ thuật Công nghệ
Quảng Ngãi, năm 2015
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
... ...
BÀI GIẢNG
VẬT LIỆU ĐIỆN
Bậc học: TCCN (30 tiết)
 GV: Trần Thị Ánh Duyên
Bộ môn: Điện - Điện tử
 Khoa: Kỹ thuật Công nghệ
Quảng Ngãi, năm 2015
LỜI NÓI ĐẦU
Bài giảng “Vật liệu điện” thời lượng 30 tiết được biên soạn dùng làm tài liệu học
tập cho sinh viên bậc TCCN chính qui ngành Điện công nghiệp và dân dụng, trường đại
học Phạm Văn Đồng. Bài giảng sẽ trình bày các lý thuyết cơ bản trong môn vật liệu điện,
gồm 3 phần cơ bản: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu cách điện. Nội dung bài
giảng được biên soạn đúng theo đề cương chi tiết môn học do trường đại học Phạm Văn
Đồng ban hành. Bài giảng gồm 8 chương, trong đó:
Phần 1. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
Chương 1. Những vấn đề chung
Chương 2. Kim loại, hợp kim và các đặc tính của chúng
Chương 3. Kim loại và hợp kim có điện dẫn suất lớn
Chương 4. Lưỡng kim loại
Chương 5. Vật liệu dùng làm tiếp điểm điện
Phần 2. VẬT LIỆU BÁN DẪN
Chương 6. Chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật điện
Phần 3. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Chương 7. Những hiểu biết cơ bản trong kỹ thuật cách điện
Chương 8. Tính chất của vật liệu cách điện
Trong quá trình biên soạn bài giảng, tác giả đã cố gắng trình bày các nội dung rất
ngắn gọn và dễ hiểu. Ngoài ra, ở cuối mỗi chương đều có các câu hỏi ôn tập nhằm giúp các
sinh viên dễ dàng hệ thống lại các kiến thức đã được học.
Tuy nhiên, trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất
mong nhận được các góp ý về nội dung bài giảng để bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn.
Các ý kiến đóng góp của bạn đọc xin gởi về địa chỉ: Bộ môn Điện - điện tử, Khoa Kỹ thuật
công nghệ, Trường Đại Học Phạm Văn Đồng.
Tác giả xin chân thành cảm ơn.
Tác giả
Mục lục
Chương 1. Những vấn đề chung ............................................................ Trang 1
1.1. Khái niệm vật liệu dẫn điện .................................................................................1
1.2. Phân loại ...............................................................................................................1
1.3. Các đặc tính chính của vật liệu dẫn điện .............................................................2
1.4. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ................................................................2
Chương 2. Kim loại, hợp kim và các đặc tính của chúng ..............................7
2.1. Khái niệm chung ..................................................................................................7
2.2. Cấu tạo của kim loại.............................................................................................7
2.3. Cấu tạo của hợp kim.............................................................................................9
2.4. Tính chất chung của kim loại và hợp kim..........................................................10
2.5. Một số phương pháp thử kim loại và hợp kim...................................................12
Chương 3. Kim loại và hợp kim có điện dẫn suất lớn ...................................15
3.1. Đồng (Cu)...........................................................................................................15
3.2. Hợp kim của đồng .............................................................................................18
3.3. Nhôm (Al) ..........................................................................................................20
3.4. Kẽm (Zn) ............................................................................................................24
3.5. Sắt (Fe) ...............................................................................................................25
3.6. Vonfram (W) ......................................................................................................27
3.7. Chì (Pb) ..............................................................................................................29
3.8. Thủy ngân (Hg) ..................................................................................................30
3.9. Bạc (Ag) .............................................................................................................31
Chương 4. Lưỡng kim loại ...............................................................................33
4.1. Khái niệm lưỡng kim loại ..................................................................................33
4.2. Dây dẫn bằng lưỡng kim thép – đồng ................................................................33
4.3. Nhiệt lưỡng kim .................................................................................................34
Chương 5. Vật liệu dùng làm tiếp điểm điện..................................................36
5.1. Các yêu cầu chung đối với vật liệu dùng làm tiếp điểm điện ............................36
5.2. Sức bền của tiếp điểm và các yếu tố ảnh hưởng đến sức bền ............................36
Chương 6. Chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật điện ......................................39
6.1. Khái niệm chung ................................................................................................39
6.2. Chất bán dẫn thuần.............................................................................................39
6.3. Chất bán dẫn tạp ................................................................................................40
6.4. Chất bán dẫn điện dùng trong kỹ thuật điện ......................................................40
Chương 7. Những hiểu biết cơ bản trong kỹ thuật cách điện.......................45
7.1. Khái niệm chung ................................................................................................45
7.2.Tổn hao điện môi ................................................................................................47
7.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi .................................................50
7.4. Sự hóa già của vật liệu cách điện .......................................................................50
Chương 8. Tính chất của vật liệu cách điện ...................................................53
8.1. Phân loại vật liệu cách điện................................................................................53
8.2. Tính chất của vật liệu cách điện thể khí .............................................................54
8.3. Tính chất của vật liệu cách điện thể lỏng ...........................................................54
8.4. Tính chất của vật liệu cách điện thể rắn .............................................................56
8.5. Sự phóng điện trong điện môi ............................................................................57
Tài liệu tham khảo
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 1
Phần I. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
Chương 1
NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG
1.1. Khái niệm vật liệu dẫn điện
Vật liệu dẫn điện là loại vật chất mà ở trạng thái bình thường tồn tại các điện tử tự
do. Nếu đặt những vật liệu này vào trong một điện trường, các điện tích sẽ chuyển động
theo hướng nhất định và tạo thành dòng điện.
Chiều của dòng điện được qui ước ngược chiều chuyển động của các điện tử tự do
(hay cùng chiều chuyển động của các điện tích dương trong điện trường)
* Chứng minh sự tồn tại trực tiếp của các điện tử tự do được phát hiện năm 1913.
Đó là sự tồn tại của hiện tượng quán tính. Nếu dây dẫn kim loại nằm ở không gian được
che chắn toàn bộ với điện từ trường nguồn, cho dây dẫn chuyển động thật nhanh và sau
đó dừng lại đột ngột thì các điện tử còn chuyển động theo quán tính. Đồng hồ chỉ thị nối
với 2 đầu dây có chỉ thị đột biến trong giây lát.
Ngoài ra, các thí nghiệm đều kết luận rằng: Tỉ số điện tích của điện tử trên khối
lượng m của nó đều bằng nhau cho tất cả các kim loại.
e = 1,602.10-19 C, me = 9,1.10-31 kg , suy ra: )kg/C(10.759,1
m
e 11
e
 giống nhau
cho tất cả các kim loại.
Vật liệu dẫn điện có thể tồn tại ở cả 3 trạng thái rắn, lỏng hoặc khí.
1.2. Phân loại
Vật liệu dẫn điện được phân thành hai loại:
- Vật liệu với tính dẫn điện tử hay vật dẫn loại 1 (còn gọi là vật dẫn kim loại).
- Vật liệu với tính dẫn ion hay vật dẫn loại 2 (còn gọi là vật dẫn điện phân).
a) Vật dẫn với tính dẫn điện tử:
Là loại vật dẫn mà sự hoạt động của điện tích không làm biến đổi thực thể đã làm
nên vật dẫn đó. Bao gồm: các kim loại, hợp kim ở trạng thái rắn hay lỏng và một số chất
không phải kim loại ( như than).
Kim loại và hợp kim có tính dẫn điện tốt được chế tạo thành dây dẫn điện, dây cáp,
các dây để quấn máy điện và khí cụ điện, Kim loại và hợp kim có điện trở suất lớn
được sử dụng ở các khí cụ điện dùng để sưởi, để đốt nóng, ở các đèn chiểu sáng và các
biến trở,
b) Vật dẫn với tính dẫn ion:
Là loại vật dẫn mà khi cho dòng điện đi qua sẽ tạo nên sự biến đổi hóa học trong vật
dẫn đó. Thông thường là các dung dịch (có cơ sở là nước) axit, bazơ và muối.
Đặc biệt, khí và hơi có cường độ điện trường lớn sẽ có tính cả tính dẫn điện tử và
tính dẫn ion.
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 2
1.3. Các đặc tính chính của vật liệu dẫn điện
a) Điện trở R
Là quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi ở 2 đầu của dây dẫn và cường độ dòng điện
một chiều tạo nên trong dây dẫn đó.
Theo định luật Ohm, ta có:
I
UR 
Trong đó:
R: điện trở của đoạn mạch (Ω)
U: là điện áp giữa 2 đầu đoạn mạch (V)
I: là cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch (A)
b) Điện dẫn G
Là đại lượng nghịch đảo của điện trở. Kí hiệu: G
R
1G 
Đơn vị của G: S (Simen)
c) Điện trở suất ρ
Là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài và tiết điện là một đơn
vị diện tích.
Đơn vị của ρ theo hệ SI là: Ω.m
Thông thường nó được tính theo đơn vị Ω.mm2/m và trong một số trường hợp được
tính bằng μΩ.cm
- Theo hệ CGS : ρ (Ω.cm)
- Theo hệ MKSA : ρ (Ω.m)
1 Ωcm = 104 Ω.mm2/m = 106 μΩ.cm = 10-2 Ωm
d) Điện dẫn suất γ: Là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất.
 
1
1.4. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ
Xét về bản chất vật lý: Điện trở của vật dẫn chính là biểu hiện của mức độ va chạm
của các điện tử với các nguyên tử, phân tử của vật dẫn đó. Nó phụ thuộc vào chiều dài,
tiết diện và bản chất vật liệu của vật dẫn đó (điện trở suất).
S
l
.R (Ω)
Trong đó:
R: điện trở (Ω)
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 3
ρ: điện trở suất
l : chiều dài dây dẫn (m)
S: tiết diện dây dẫn (m2).
Vậy điện trở của 1 vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trở suất, với chiều dài dây dẫn và tỉ lệ
nghịch với tiết diện dây dẫn.
* Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ:
Khi nhiệt độ tăng lên, các phần tử cấu thành vật chất kim loại sẽ gia tăng mức độ
chuyển động nhiệt nên các điện tử trong kim loại sẽ di chuyển khó khăn hơn, va chạm
nhiều hơn. Do đó điện trở suất của kim loại sẽ tăng theo nhiệt độ.
- Chú ý: Cacbon và các dung dịch chất điện ly có điện trở suất giảm khi nhiệt độ
tăng.
Thông thường điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ theo quy luật sau:
...)ttt(t   320 1
Ở nhiệt độ t2, điện trở suất sẽ được tính toán xuất phát từ nhiệt độ t1 theo công thức:
 )tt(tt 12112 
Với α là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ đối với từng loại vật liệu tương
ứng.
Đối với khoảng nhiệt độ chênh lệch (t2 – t1) thì hệ số α trung bình sẽ là:
)tt(t
tt
121
12
 Thiết lập công thức tính điện trở của vật dẫn khi nhiệt độ thay đổi:
- Giả sử tại nhiệt độ t1, điện trở của vật dẫn là r1.
- Tại nhiệt độ t2, điện trở của vật dẫn là r2.
=> Khi nhiệt độ thay đổi 1 lượng là 12 ttt thì điện trở thay đổi 1 lượng là
12 rrr .
Lập tỉ số: t.
r
rr
r
r
1
12
1
Trong đó: α là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ đối với từng loại vật liệu
tương ứng (tra bảng).
121 rrt..r 
Hay )t1(rr 12 
Ở gần nhiệt độ 0 tuyệt đối (00K), điện trở suất của kim loại tinh khiết giảm đột ngột,
chúng thể hiện hiện tượng siêu dẫn. Về phương diện lý thuyết, ở 00K kim loại tinh khiết
không còn điện trở.
00 K = - 2730 C
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 4
Năm 1891, nhà bác học người Hà Lan Kamerlingh Onnes khi nghiên cứu tính dẫn
điện của thủy ngân siêu sạch ở nhiệt độ cực thấp (nhiệt độ hóa lỏng của Hêli ), đã phát
hiện ra rằng, khi hạ nhiệt độ tới 1 giá trị T0K nào đó, khoảng 4,150K = - 268,750C thì
điện trở suất của thủy ngân giảm xuống đột ngột đến 1 giá trị cực nhỏ, thực tế bằng 0.
Trạng thái không bình thường của vật chất ở nhiệt độ cực thấp gọi là hiện tượng
siêu dẫn. Dây dẫn có khả năng chuyển trạng thái ở nhiệt độ cực thấp gọi là dây siêu dẫn.
Ở nhiệt độ bình thường, Cu và Al dẫn điện rất tốt nhưng không có được trạng thái
siêu dẫn.
Nguyên tố có tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao nhất là Niobi (Nb), nó đạt trạng thái siêu
dẫn ở nhiệt độ + 9,40K ( - 263,60K).
- Chú ý: Khi nóng chảy, điện trở suất của kim loại biến đổi, thông thường giá trị
tăng (ngoại trừ ăngtimoan, gali, bitmut: khi nóng chảy điện trở suất ρ giảm).
Bảng 1.1. Bảng đặc tính của một số vật liệu dẫn điện.
Tên vật liệu Điện trở suất ở
200C
( m/mm2 )
Hệ số thay đổi của điện trở suất theo
nhiệt độ )C/1( 0 trong khoảng
nhiệt độ thay đổi từ 0 -> 1000C
Bạc 0,016 0,004
Đồng 0,0175 0,004
Vàng 0,022 0,0035
Nhôm 0,029 0,004
Vônfram 0.056 0,004
Thủy ngân 0,952 0,0009
 Ví dụ 1.1: Xác định điện trở của 1 dây dẫn bằng nhôm dài 50 km, tiết diện 100mm2
tại nhiệt độ -50C và + 400 C.
Giải:
- Xác định điện trở của dây dẫn tại nhiệt độ tiêu chuẩn, t0 = 200C, ta có:
)(5,14
10.100
10.50
.10.029,0
S
l
.R 6
3
6
00  
với 0 là điện trở suất của nhôm tại nhiệt độ 200C.
- Xác định điện trở của dây dẫn tại nhiệt độ t1 = - 50C, ta có:
    )(05,13)205(004,015,14)t(t1R)t1(RR 01001  
- Xác định điện trở của dây dẫn tại nhiệt độ t2 = + 400C, ta có:
    )(66,15)2040(004,015,14)t(t1R)t1(RR 02002  
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 5
Ví dụ 1.2: Xác định điện trở của dây dẫn bằng nhôm biết ở nhiệt độ 200C nó có điện
trở là 1,2  , còn ở nhiệt độ đang xét nó có điện trở là 1,44 .
Giải:
Áp dụng công thức: )tt.(t.
r
rr
12
1
12 
Trong đó: r2 = 1,44( )
r1 = 1,2( )
t1 = 200C
)C/1(004,0 0 
Suy ra: C7020
004,0.2,1
2,144,1
t
r
rr
t 01
1
12
2 
Vậy nhiệt độ của dây đẫn tại thời điểm đang xét là 700C.
Ngoài ra điện trở của vật liệu còn phụ thuộc vào các thông số khác như:
 Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất.
Khi kéo hoặc nén đàn hồi, điện trở suất của kim loại được biến đổi theo công thức:
)k(  10
Trong đó:
(+): ứng với biến dạng do kéo
(-) : ứng với biến dạng do nén
δ : ứng suất cơ khí của mẫu KG/mm2
k : hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất
 Ảnh hưởng của từ trường và ánh sáng đối với ρ.
- Điện trở suất của kim loại có sự biến đổi khi được đặt trong một từ trường.
- Điện trở suất của một số vật liệu cũng biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng.
-----------------------------------------------------------------------------------------------
Câu hỏi chương 1
1. Trình bày khái niệm vật liệu dẫn điện.
2. Phân loại vật liệu dẫn điện. Ví dụ minh họa.
3. Phân tích sự thay đổi của điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
4. Xác định điện trở của 1 dây dẫn bằng đồng dài 50 km, tiết diện 100mm2 tại nhiệt
độ -50C và + 400 C. Nhận xét.
5. Xác định điện trở của dây dẫn bằng nhôm biết ở nhiệt độ 200C nó có điện trở là
1,2  , còn ở nhiệt ... m chí còn lớn hơn. Sự giảm sút tính chất cách điện gia tăng rất mạnh khi phụ tải tăng.
- Trên cơ sở quan hệ giữa sự hóa già và những phản ứng hóa học trong vật liệu, có
thể hiểu rằng những tác dụng hóa học từ bên ngoài hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp có ảnh
hưởng lớn đến sự hóa già của vật liệu.
Những tác dụng hóa học tác dụng đến vật liệu cách điện có thể phát sinh từ:
+ Những vật liệu cách điện ở gần, như sơn tẩm, dầu,
+ Môi trường bao quanh vật liệu cách điện, như: chất bẩn thể khí, sản phẩm sinh ra
từ phóng điện vầng quang, khí ozon, không khí ẩm, 
Những tác dụng hóa học từ bên ngoài có thể làm giảm hoặc làm tăng tuổi thọ của
vật liệu cách điện. Ví dụ: một số hóa chất làm tăng tuổi thọ của dầu biến thế vì chúng
ngăn cản quá trình oxy hóa của dầu, đối với các cách điện từ giấy thì độ ẩm làm giảm
tuổi thọ của cách điện, tuổi thọ của vật liệu cách điện dùng để bọc dây dẫn cũng chịu
ảnh hưởng từ vật liệu chế tạo dây dẫn,
- Những tác động cơ học trong quá trình chế tạo, quá trình vận hành cũng ảnh
hưởng đến sự hóa già của vật liệu.
7.4.2. Những quá trình hóa học chủ yếu gây nên sự hóa già của vật liệu cách điện
- Sự oxy hóa: Oxy làm cho những thành phần cấu tạo vật liệu cách điện bị oxy hóa.
Những tác dụng bên ngoài đẩy nhanh quá trình oxy hóa (như O3, sản phẩm sinh ra từ
quá trình phóng điện trong môi trường cách điện, một số chất xúc tác) nhưng cũng có
trường hợp làm chậm lại quá trình oxy hóa với chất tẩm phù hợp.
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 50
Oxy hóa làm cho trong vật liệu cách điện sinh ra những hóa chất mang tính axit,
những hóa chất này làm suy giảm tính chất điện của cách điện và đẩy nhanh quá trình
hóa già bằng xúc tác.
- Sự trùng hợp: Chủ yếu trong nhựa tổng hợp, sự trùng hợp tiếp tục xảy ra cả trong
quá trình hóa già. Theo nguyên lý thì tính chất điện nhờ đó mà được cải thiện nhưng tính
chất cơ học thì bị suy giảm mạnh (vật liệu trở nên dòn), từ đó những thông số điện bị
suy giảm theo.
- Sự khử trùng hợp: Quá trình khử trùng hợp chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao, nó gây nên
sự đứt vụn của những dây chuyền phân tử. Do đó những thông số điện và cơ của vật liệu
cách điện bị suy giảm nhanh chóng. Sự khử trùng hợp đều có thể xảy ra đối với sự hiện
diện của oxy hoặc cả khi không có oxy.
- Sự thủy phân: Những phân tử nước làm cho cấu trúc phân tử bị lỏng lẻo, như vậy
vật liệu sẽ kém chịu đựng hơn đối với những tác dụng hóa học và dễ bị khử trùng hợp.
- Sự bay hơi: Những sản phẩm làm mềm hoặc dễ bay hơi trong vật liệu khi thoát đi
sẽ làm cho vật liệu bị dòn, bị co ngót, dẫn đến tính chất cơ bị suy giảm.
7.4.3. Tuổi thọ
Sự hóa già của vật liệu cách điện về cơ bản là kết quả của sự biến đổi hóa học bên
trong vật liệu.
Dựa vào những định luật phản ứng hóa học, chúng ta xác định quy luật của sự hóa
già, qua hệ của tốc độ hóa già với nhiệt độ.
Biểu thức Montsinger cho biết quan hệ giữa tuổi thọ và nhiệt độ.
b/)(.LL   00 2 .
Trong đó:
L : tuổi thọ ở nhiệt độ θ (0C).
0
L : tuổi thọ ở nhiệt độ so sánh θ0 (0C), ví dụ nhiệt độ ứng với cấp chịu
nhiệt.
b = 8 ÷ 12 là hằng số của vật liệu.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
Câu hỏi chương 7
1. Phân biệt hiện tượng phóng điện đánh thủng và hiện tượng phóng điện bề mặt.
Nêu các điểm giống nhau và khác nhau của 2 hiện tượng này.
2. Khái niệm độ bền cách điện.
3. Mô tả mối quan hệ giữa điện áp cách điện và bề dày cách điện.
4. Thiết lập biểu thức tính tổn hao điện môi trong tụ điện có điện dung C, điện trở
trong tụ là R.
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 51
Chương 8
TÍNH CHẤT VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
8.1. Phân loại vật liệu cách điện
Có rất nhiều tiêu chí phân loại vật liệu cách điện khác nhau.
a) Phân loại theo trạng thái vật lý
Vật liệu cách điện có thể ở thể rắn, lỏng hoặc khí. Vật liệu cách điện thể khí và lỏng
luôn luôn phải sử dụng với cách điện thể rắn thì mới hình thành được cách điện vì các
phần tử kim loại không thể giữ chặt được trong khí. Vật liệu cách điện thể rắn còn phân
thành nhiều loại: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng. Vật liệu cách điện giữa thể
rắn và thể lỏng còn có một loại trung gian, gọi là thể mềm nhão như vật liệu có tính bôi
trơn, các loại sơn tẩm,
b) Phân loại theo thành phần hóa học: gồm vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu
cách điện vô cơ.
+ Vật liệu cách điện hữu cơ: gồm 2 nhóm, nhóm nguồn gốc thiên nhiên và nhóm
nguồn gốc nhân tạo.
Nhóm nguồn gốc trong thiên nhiên sử dụng các chất cơ bản trong thiên nhiên hoặc
giữ nguyên thành phần hóa học như: vải sợi, sơn vecni, giấy, bitumhoặc biến đổi
thành phần hóa học như: cao su, xenlulôit, lụa Nhóm nhân tạo thường gọi là nhựa
nhân tạo, gồm: nhựa phenol, aminô, polieste, poliamit, vinyl, poliurêtan, nhựa epoxi,
silicon, polietilen
+ Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, chất lỏng không cháy, các loại vật liệu
rắn như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiăng.
c) Phân loại theo tính chịu nhiệt
Đây là kiểu phân loại cơ bản. Khi lựa chọn vật liệu, đầu tiên chúng ta phải biết vật
liệu có tính chịu nhiệt theo cấp nào trong bảng 8.1 dưới đây.
Cấp chịu
nhiệt
Nhiệt độ cho
phép 0C
Các vật liệu cách điện chủ yếu
Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, cao su, gỗ và các vật liệu tương tự,
không tẩm nhựa. Các loại nhựa polyetylen, PVC,
polystirol, anilin, cacbimit,
A 105 Giấy, vải sợi, lụa trong dầu; nhựa polyeste, cao su
nhân tạo, các loại sơn cách điện có dầu làm khô,
E 120 Nhựa tráng polyvinylphocman, polyamit, epoxi. Giấy
ép hoặc vải ép có nhựa phenolphocmandeh (gọi
chung là bakelit giấy). Nhựa melaminfocmandehit có
chất độn xenlulo. Vải có thấm polyamit. Nhựa
polyamit, nhựa phenol, 
B 130 Nhựa polyeste, amiang, mica, thủy tinh có chất độn.
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 52
Sơn cách điện có dầu làm khô, dùng ở các bộ phận
không tiếp xúc với không khí. Sơn cách điện từ nhựa
phenol. Các loại sản phẩm mica. Nhựa epoxy, sợi
thủy tinh, nhựa melamin focmandehit, amiang, mica
hoặc thủy tinh có chất độn,
P 155 Sợi amiang, sọi thủy tinh có chất kết dính
H 180 Silicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính
C > 180 Mica không có chất kết dính, thủy tinh, sứ,
8.2. Tính chất vật liệu cách điện thể khí
Vật liệu cách điện thể khí có các tính chất sau đây:
- Điện môi gần bằng 1, là hằng số.
- Điện trở cách điện rất lớn và phụ thuộc điện áp.
- Hệ số tổn hao phụ thuộc vào điện áp.
- Độ bền cách điện phụ thuộc nhiều vào áp suất, các thông số hình học của điện cực,
thời gian tác động của điện áp,
Vật liệu cách điện thể khí được sử dụng phổ biến nhất là không khí. Nó được sử
dụng làm cách điện đối với đường dây tải điện trên không, của các thiết bị làm việc
trong môi trường không khí, hoặc dùng để phối hợp với các cách điện rắn, lỏng.
Ngoài ra người ta còn sử dụng các cách điện thể khí như khí nitơ N2, khí hydro H2,
khí cacbonat CO2,.
Hiện nay cách điện thể khí được dùng chủ yếu là các hợp chất halogen, chúng có
cường độ cách điện cao hơn hẳn so với không khí, như:
- Florua lưu huỳnh (SF6) hay còn gọi là khí Êlêgaz có độ bền cách điện hơn không
khí khoảng 2,5 lần.
- Khí Frêôn (CCl2F2) có độ bền cách điện gần bằng khí Êlêgaz.
Trong kỹ thuật điện, khí hidro là khí nhẹ, có tính dẫn nhiệt tốt nên được dùng làm
mát thay cho không khí trong các máy điện công suất lớn nhằm làm giảm công suất tổn
hao do ma sát của rôto với chất khí và ma sát do quạt gió gây ra.
Ngoài ra, người ta còn sử dụng các khí trơ như argon, nêon, hêli,cũng như hơi
thủy ngân để làm các dụng cụ chân không và bóng đèn
8.3. Tính chất cách điện thể lỏng
Vật liệu cách điện thể lỏng được sử dụng phổ biến ở máy biến áp và các thiết bị
đóng ngắt.
a) Vật liệu cách điện thể lỏng được sử dụng nhiều nhất là dầu máy biến áp. Dầu máy
biến áp có 2 chức năng chính sau:
- Lấp đầy khoảng trống giữa các dây dẫn của cuộn dây, giữa cuộn dây và cuộn dây,
giữa cuộn dây và vỏ máy làm nhiệm vụ cách điện.
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 53
- Làm mát, tăng cường sự thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và tổn
hao trong lõi thép của máy biến áp gây ra.
* Các tính chất chính của dầu biến áp:
- Dầu biến áp có độ bền cách điện rất cao, có thể đạt 200 – 250kV/cm. Các chất bẩn
và độ ẩm làm giảm rất nhiều độ bền cách điện của dầu. Vì vậy trước khi cho dầu vào
máy, người ta phải làm sạch dầu rất kỹ và sấy trong chân không.
- Hằng số điện môi của dầu ε = 2,2 – 2,5, gần bằng hằng số điện môi của cách điện
thể rắn.
- Điện trở suất của dầu biến áp lớn nhưng lại giảm nhanh khi nhiệt độ tăng.
- Nhiệt độ làm việc dài hạn ở 90 – 95 0C dầu không bị hóa già nhiều.
- Đồng là chất xúc tác tốt đối với quá trình oxy hóa của dầu, vì vậy không để dầu
tiếp xúc trực tiếp với dầu.
* Ưu điểm của dầu biến áp:
- Có độ bền cách điện cao, có thể đạt 160kV/cm hoặc lớn hơn tùy thuộc vào chất
lượng của dầu.
- Hằng số điện môi lớn, khoảng 2,2 - > 2,5.
- Sau khi bị đánh thủng, khả năng phục hồi cách điện của dầu là rất lớn mặc dù sau
nhiều lần bị đánh thủng một phần dầu bị cháy hoặc bị phân hủy hóa học.
- Có thể thâm nhập vào các khe rãnh vừa có tác dụng cách điện, vừa có tác dụng
làm mát trong trường hợp có dòng chảy mạnh.
- Có thể sử dụng ở các môi trường dập tắt hồ quang ở các máy cắt điện.
* Nhược điểm của dầu máy biến áp:
- Các chức năng của dầu biến áp biến đổi lớn nếu dầu bị bẩn.
- Dầu biến áp nhạy cảm với độ ẩm, lớp dầu trên bề mặt của dầu có tính hút ẩm
mạnh. Dầu biến áp nhạy cảm với độ ẩm vì lớp dầu trên bề mặt có tính chất hút ẩm.
- Ở nhiệt độ cao nhưng còn trong giới hạn cho phép, dầu vẫn có những thay đổi về
hóa học gây nên việc tạo bọt khí trong dầu làm cho khả năng cách điện cũng như khả
năng làm mát giảm. Đó là sự hóa già của dầu.
- Dầu biến áp dễ cháy, khi cháy phát sinh khói đen, hơi dầu bốc lên hòa lẫn với
không khí làm thành hỗn hợp nổ.
Trong quá trình làm việc, dầu máy biến áp trong các thiết bị sẽ già hóa, tốc độ già
hóa phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Khi có không khí lọt vào.
+ Nhiệt độ làm việc tăng, có sự tác dụng của ánh sáng.
+ Khi có tác dụng của điện trường cao.
+ Khi có sự tiếp xúc của dầu với một số kim loại.
b) Ngoài ra, còn có các cách điện lỏng khác cũng được sử dụng phổ biến như: dầu
tụ điện, dầu cáp điện
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 54
8.4. Tính chất vật liệu cách điện thể rắn
Vật liệu cách điện thể rắn đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật cách điện, bởi
vì không thể nào làm cách điện cho thiết bị điện mà không cần dùng vật liệu cách điện
thể rắn.
Có nhiều chủng loại vật liệu cách điện thể rắn khác nhau, có cấu tạo lý hóa khác
nhau, các thông số và tính chất điện khác nhau. Do đó ngoài những hiểu biết các tính
chất và quy luật khái quát, cần phải hiểu biết chi tiết về các loại vật liệu mà chúng ta
muốn sử dụng. Thông thường mỗi vật liệu gồm nhiều loại vật liệu khác nhau, tùy thuộc
vào vật liệu cơ bản và tỉ lệ thành phần của các vật liệu khác mà các thông số tính chất
của cách điện biến thiên trong phạm vi rộng. Ngoài các đặc tính về điện, ta cần phải biết
các đặc tính cơ của cách điện nữa.
Phân loại vật liệu cách điện thể rắn: gồm các hợp chất hữu cơ cao phân tử và các
hợp chất vô cơ.
a) Các hợp chất hữu cơ cao phân tử (hay cách điện rắn hữu cơ)
- Nhựa cách điện: gồm 2 loại: + Nhựa tổng hợp.
 + Nhựa thiên nhiên.
Nhựa tổng hợp như: nhựa phenol, cao su silicon, nhựa melamin,.
Nhựa thiên nhiên gồm: + Cánh kiến: do 1 số côn trùng phát ra.
+ Nhựa thông (hay colofan): là nhựa của cây thông
+ Nhựa copan.
- Dầu thực vật: Là chất lỏng nhớt thu được từ hạt của các loại thực vật khác nhau
như dầu gai, dầu trẩu, dầu thầu dầu,.Dưới tác dụng của nhiệt độ, ánh sáng, không khí
cũng như các yếu tố khác, dầu sẽ chuyển sang trạng thái rắn.
- Sơn và các hợp chất cách điện: chúng thường ở dạng lỏng trong quá trình chế tạo,
sau đó đông rắn lại.
- Nhựa đường: Dựa vào nguồn gốc, người ta phân nhựa đường thành 2 loại:
+ Nhựa đường nhân tạo ( nguồn gốc dầu mỏ): là sản phẩm nặng khi chưng cất dầu
mỏ.
+ Nhựa đường thiên nhiên ( tồn tại dạng khoáng sản): thường gọi là nhựa đường
Atfan.
- Vật liệu xơ: Được chế tạo từ các phân tử nhỏ và dài như giấy, gỗ, cát tông, vải,
sợi,có nhiều thuận lợi như: rẻ tiền, độ bền cơ và độ dẻo cao, sản xuất dễ dàng,.
nhưng độ bền điện và tính dẫn nhiệt không cao, độ hút ẩm lớn,
- Chất đàn hồi: như cao su thiên nhiên, cao su lưu hóa (cho cao su tác dụng với lưu
huỳnh), cao su tổng hợp ( dùng rượu, cồn, dầu mỏ và khí thiên nhiên làm nguyên liệu để
sản xuất ra cao su tổng hợp thay thế cho cao su thiên nhiên)
b) Các cách điện rắn vô cơ (điện môi vô cơ)
- Thủy tinh.
- Vật liệu gốm, sứ.
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 55
- Meca
- Amiăng
- Xét nhét
- Cách điện oxit, cách điện Florua: cách điện oxit thường được sử dụng nhất là oxit
trên bề mặt nhôm(Al2O3).
8.5. Sự phóng điện trong điện môi
Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá 1 giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra
hiện tượng phóng điện chọc thủng điện môi.
* Yêu cầu chung đối với cách điện thể khí:
- Phải là khí trơ, nghĩa là không gây phản ứng hóa học với các cách điện khác trong
cùng kết cấu, hoặc với các kim loại của thiết bị.
- Có cường độ cách điện cao nhằm giảm kết cấu của cách điện.
- Nhiệt độ hóa lỏng thấp để sử dụng chúng ở trạng thái áp suất cao.
- Tản nhiệt tốt.
- Rẻ tiền, dễ sử dụng và chế tạo.
* Các dạng phóng điện khác nhau trong cách điện thể khí tùy thuộc vào công suất
nguồn, áp suất khí,gồm:
- Phóng điện tỏa sáng: Ứng dụng làm đèn nêon, đèn quảng cáo, trang trí, ống phát
sáng, xảy ra khi áp suất khí thấp.
- Phóng điện tia lửa: Xảy ra khi áp suất lớn, thường là một tia nhỏ nối giữa các điện
cực. Ứng dụng: làm thiết bị đốt lò gas, đánh lửa budi xe máy, ôtô,
- Phóng điện hồ quang: Xảy ra khi công suất lớn, thời gian dài và áp suất cao. Ứng
dụng: hàn hồ quang.
- Phóng điện vầng quang: Đây là dạng phóng điện không hoàn toàn vì tia lửa điện
không nối dài giữa 2 điện cực.
* Yêu cầu chung đối với cách điện thể lỏng:
Ở điều kiện bình thường, điện môi lỏng có cách điện lớn hơn nhiều so với điện môi
khí. Quá trình phóng điện trong điện môi khí xảy ra phức tạp hơn vì sau mỗi lần phóng
điện sinh ra các tạp chất là muội khói do chất lỏng bị cháy.
* Yêu cầu chung đối với cách điện thể rắn:
Đối với điện môi rắn, có thể sẽ xảy ra cả 2 quá trình phóng điện: phóng điện đánh
thủng và phóng điện bề mặt tùy thuộc vào điện áp đặt vào cách điện.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
Câu hỏi chương 8
1. Nêu các tiêu chí để phân loại vật liệu cách điện.
2. Trình bày các chất cách điện thể khí được sử dụng phổ biến trong thực tế. Nêu
các đặc tính chính của chúng.
3. Yêu cầu chung đối với cách điện thể khí. Phân tích.
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 56
4. Nêu công dụng của dầu máy biến áp. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hóa già của
dầu.
5. Hãy phân tích ưu nhược điểm của dầu biến áp.
6. Phân loại chất cách điện thể rắn. Các chất cách điện thể rắn vô cơ được sử dụng
trong thực tế.
7. Trình bày các cách điện rắn hữu cơ được sử dụng trong thực tế. Nêu các đặc tính
cơ bản của chúng.
Bài giảng Vật liệu điện
Trang 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Xuân Phú, Vật liệu kỹ thuật điện, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật,
1996.
[2] Vụ giáo dục chuyên nghiệp, Giáo trình vật liệu điện, NXB Giáo dục.
[3] Dương Vũ Văn, Vật liệu điện - điện tử, NXB Đại học Quốc gia Thành phố
HCM.