ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Bài giảng
VẬT LIỆU ĐIỆN
(LƯU HÀNH NỘI BỘ)
Mã mơn học: ELE309
Số tín chỉ: 02
Sử dụng cho năm học: 2014 - 2015

Biên soạn: ThS. NGUYỄN TIẾN DŨNG

Thái Nguyên – 2014


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Bài mở đầu: CẤU TẠO VẬT CHẤT - PHÂN LOẠI
1. Cấu tạo nguyên tử
Mọi vật chất đều cấu tạo từ các hạt cơ bản là Proton, nơtron và điện tử. Hạt
nhân nguyên tử cấu tạo bởi Proton và nơtron mang điện tích dương và bao quanh
hạt nhân là các điện tử mang điện tích âm cân bằng với điện tích dương của hạt
nhân. Thơng qua các dạng liên kết cơ bản mà hình thành nên vật chất.
Mơ hình ngun tử của Bohr.
Trong ngun tử điện tử chỉ có thể chuyển động trên những
quỹ đạo xác định, có bán kính nhất định, khi quay trên những quỹ
đạo đó năng lượng được bảo tồn.
Hình 0.1: Các lớp e trong nguyên tử Si

Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng xác định, quỹ đạo ở gần hạt nhân
có mức Nlượng nhỏ và ngược lại.

Khi điện tử CĐ từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì xảy ra sự hấp thụ hoặc
giải phóng năng lượng.
Theo cơ học lượng tử: chuyển động của các điện tử được mô tả bởi một hàm
sóng. Đối với một nguyên tử biệt lập thì hàm số này có tính đối xứng cầu, do đó
điện tích của điện tử phân bố tản và tạo thành một đám mây.
2. Các dạng liên kết
a. Liên kết cộng hoá trị:
Là mối liên kết của các nguyên tử hình thành phân tử bằng cách góp chung vác
điện tử.
Phân tử có trọng tâm điện tích âm và dương trùng nhau là phân tử trung tính
(trung hồ). Các chất cấu tạo từ các phân tử này gọi là chất trung tính.
Phân tử có trọng tâm điện tích âm và dương khơng trùng nhau là phân tử lưỡng
cực (cực tính).
Phân tử lưỡng cực được đặc trưng bởi mô men lưỡng cực: m = q.l. Được tính
bằng tích số của điện tích với khoảng cách giữa 2 trọng tâm điện tích âm và dương.
b. Liên kết ion:
Được xác lập bởi lực hút giữa các ion trái dấu: NaCl = Na+ + ClVật rắn có cấu tạo ion được đặc trưng bởi tính chất khá bền vững về cơ học và
nhiệt độ nóng chảy tương đối cao.
c. Liên kết kim loại:
Dạng liên kết này tạo nên tinh thể rắn. Kim loại được xem như 1 hệ thống cấu
tạo từ các ion (+) nằm trong môi trường các điện tử tự do chung. Lực hút giữa các
ion (+) và điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại.
Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính óng ánh và tính dẫn điện
dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bằng sự dịch chuyển và trượt
lên nhau giữa các lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng.
d. Liên kết Vanđecvan:

Bài giảng Vật liệu điện

2



Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Dạng liên kết này yếu, được tạo nên nhờ lực hút giữa các phân tử trung hịa,
mạng tinh thể khơng vững chắc. Thường có ở những chất có nhiệt độ nóng chảy
thấp như: Parapin ...
3. Phân loại vật liệu
a. Phân loại vật chất theo lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn:
Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau đã chứng tỏ rằng
các nguyên tử khác nhau có những trạng thái (mức) năng lượng xác định, khác
nhau. Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, mỗi lớp vỏ điện tử ứng với một trạng
thái năng lượng xác định (1 số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy)
còn ở các mức năng lượng khác cao hơn điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử
nhận năng lượng từ bên ngồi. Khi mất kích thích ngun tử trở về trạng thái ban
đầu và phát ra năng lượng thừa.
Khi các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành mạng tinh thể của vật rắn, do
sự tương hỗ giữa chúng lamg phân chia các mức năng lượng, dẫn đến sự xuất hiện
nhiều mức năng lượng mới nắm gần nhau
trong phạm vi một lớp. Các mức năng lượng
đó tạo nên các dải năng lượng khác nhau.
Trong đó người ta quan tâm đến hai dải chính
đó là “dải hóa trị” (vùng điền đầy các điện tử)
và “dải dẫn” (các điện tử được tự do ở vùng
này), giữa hai dải này được ngăn cách bởi
“dải cấm”.

Hình 0.2: Mơ hình dải năng lượng của nguyên tử (a),
và của vật rắn (b).


Người ta dựa vào chiều rộng của dải cấm, để phân chia vật liệu.
Điện mơi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn
điện bằng điện tử không xảy ra. Chiều rộng vùng cấm của điện môi trong khoảng từ
1,5 đến vài eV (1 eV = 1,60207.10-19J)
Chất bán dẫn: Là chất có vùng cấm khá nhỏ có thể khắc phục nhờ nguồn
năng lượng bên ngoài.Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé: (0,2 ÷1,5) eV
Chất dẫn điện (Vật dẫn): Là chất có vùng đầy điện tử và vùng các mức năng
lượng tự do nằm kề nhau hoặc chồng lên nhau một phần. Vì vậy chỉ cần một tác
động rất nhỏ điện tử dễ dàng chuyển trạng thái.
b. Phân loại theo từ tính: 3 loại.
Nghịch từ: Là chất có độ từ thẩm  < 1 và khơng phụ thuộc vào cường độ từ
trường ngồi. Ví dụ: Cu, Ag, Au, H2, khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, …
Thuận từ: Là chất có độ từ thẩm  > 1 (  1) và không phụ thuộc vào cường
độ từ trường ngồi. VD, muối sắt, các muối Cơban và Niken,kim loại kiềm
Chất dẫn từ: Là chất có độ từ thẩm  >>1 và phụ thuộc vào cường độ từ
trường ngồi. Ví dụ: Fe, Ni, Coban và các hợp kim của chúng.

Bài giảng Vật liệu điện

3


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

PHẦN 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
0.1. ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG

Khi đặt vật liệu cách điện vào trong điện trường, tuỳ theo dạng cường độ điện
trường(mạnh hay yếu, 1 chiều hay xoay chiều hay xung kích, tần số của điện
trường...), thời gian tác động của điện trường cũng như các yếu tố môi trường: độ

ẩm (%), nhiệt độ (T), áp suất (P) … mà trong điện môi xảy ra những hiện tượng
với bản chất vật lý rất khác nhau. Trong đó có hai hiện tượng cơ bản là hiện tượng
dẫn điện và hiện tượng phân cực điện mơi.
Hiện tượng phân cực: Là sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích liên kết
hoặc sự định hướng của các phân tử lưỡng cực.
Trong quá trình phân cực tạo nên dòng phân cực, và thường được đánh giá
bằng hằng số điện mơi  và góc tổn thất điện mơi  (nếu q trình phân cực kèm
theo phân tán năng lượng sẽ làm cho điện mơi nóng lên)
Do trong điện mơi kỹ thuật bao giờ cũng có điện tích tự do nên dưới tác động
của điện áp trong nó sẽ xuất hiện dịng điện dẫn có trị số nhỏ chạy xuyên qua bề dày
điện môi và theo bề mặt của nó. Dịng điện rị, kết hợp với dịng phân cực tạo nên
tính dẫn điện của điện mơi.
Do trong điện mơi xuất hiện dịng dẫn nên gây nên tổn thất điện mơi, làm cho
điện mơi nóng lên. Tổn thất điện môi được đánh giá thông qua hệ số tổn thất điện
môi, tg
Mỗi điện môi ứng với chiều dày nhất định chỉ chịu được một giá trị điện áp
nhất định. Khi điện áp vượt quá giá trị tới hạn đó điện mơi sẽ bị đánh thủng, vật liệu
mất hồn tồn các thuộc tính cách điện. Được đánh giá thơng qua độ bền điện Eđt
Trong q trình vận hành ngồi tác động của điện trường, điện mơi cịn chịu
tác động của các yếu tố môi trường và các tác động cơ, nhiệt khác… Sau một thời
gian các tính chất cơ, lí, hố và điện.. của điện mơi bị thay đổi (thường là kém đi) đó là sự hố già điện mơi.
Chương I

SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI
1.1. SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MƠI

1. Sự phân cực điện mơi
Xét 1 điện môi đặt giữa 2 bản cực nối vào 1 mạch
điện. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các điện tích
của điện mơi dịch chuyển về các điện cực cùng chiều

hoặc ngược chiều điện trường tuỳ theo dấu của chúng.
Các phân tử lưỡng cực (nếu có) sẽ định hướng
theo hướng điện trường.
Hình 1.1. Hiện tượng phân cực điện mơi
Bài giảng Vật liệu điện

4


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Khi điện trường càng tăng mật độ di chuyển càng lớn, sự phân cực càng
mạnh. Khi điện trường giảm sự phân cực giảm dần cho đến khi điện trường ngồi =
0 thì các điện tích trở về trạng thái ban đầu.
Kết quả của quá trình phân cực: tại bề mặt tiếp giáp của điện môi với các điện
cực xuất hiện các lớp điện tích trái dấu. Trong điện môi xuất hiện điện trường phụ
E’ ngược chiều với điện trường ngồi.
Khi điện mơi được đặt giữa 2 điện cực và nối vào mạch điện thì có thể xem
như 1 tụ điện và điện tích Q của tụ được xác định:
Q = C.U
với
C: Điện dung của tụ
U: Điện áp đặt vào tụ
Điện lượng Q ở giá trị điện áp xác định có 2 thành phần: Q = Q0 + Q’
(1.1)
Q0: Điện tích của tụ có cùng kích thước, nhưng giữa 2 điện cực là chân khơng.
Q’: Điện tích tạo bởi sự phân cực điện môi.
2. Hằng số điện môi
Để đánh giá mức độ phân cực của điện môi, người ta đưa ra khái niệm hằng
số điện môi tương đối, ký hiệu là , gọi tắt là “Hằng số điện mơi”. Nó được dùng để

đặc trưng cho chất lượng điện môi và không phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị.



Q  Q0
Q
Q'

1
Q0
Q0
Q0

(1.2)

Hằng số điện môi là tỷ số giữa điện tích của tụ chứa điện mơi ấy khi có điện
áp xác định với điện tích của tụ cùng kích thước cùng điện áp nhưng giữa các cực là
chân khơng.
1.2. CÁC CƠ CHẾ PHÂN CỰC CHÍNH CỦA ĐIỆN MƠI

1. Các dạng phân cực: Dựa vào thời gian phân cực ta có 2 dạng phân cực
điện mơi
*) Phân cực nhanh: Sự phân cực xảy ra tức thời, đàn hồi hoàn tồn, khơng
phát tán năng lượng. Trên sơ đồ thay thế được biểu diễn bằng một tụ điện.
*) Phân cực chậm: Sự phân cực không xảy ra tức thời, tăng giảm 1 cách chậm
chạp và có kèm theo sự phát tán năng lượng trong điện mơi và làm cho điện mơi
nóng lên. Trên sơ đồ thay thế được biểu diễn bằng một tụ điện mắc nối tiếp một
điện trở.
2. Các cơ chế phân cực
Một số cơ chế phân cực có thể thấy ở nhiều điện môi khác nhau, trong một

loại điện mơi có thể thấy tồn tại đồng thời nhiều cơ chế phân cực khác nhau.
a. Phân cực điện tử nhanh
Là sự chuyển dịch đàn hồi và sự biến dạng các lớp vỏ điện tử của nguyên tử
hoặc ion. Thời gian xảy ra rất nhanh (t  10-15s) do đó sự phân cực điện tử được coi
là tức thời. Sự phân cực điện tử có ở tất cả các loại điện môi và không gây tổn thất
năng lượng.
Hệ số phân cực điện tử phụ thuộc vào bán kính phân tử R0:  = 4..0R03 (1.5)
Bài giảng Vật liệu điện

5


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

b. Phân cực ion nhanh
Đặc trưng cho vật rắn có cấu tạo ion và được xác định bởi sự chuyển dịch đàn
hồi của các ion liên kết. Khi nhiệt độ tăng phân cực ion tăng. Thời gian xác lập phân
cực này: t  10-13s.
Hệ số phân cực:  = 4..0(a/2)3
(1.6)


Với a là khoảng các giữa các ion (+) và (-) khi E  0
c. Phân cực Lưỡng cực chậm
Xảy ra ở các điện mơi có cấu tạo phân tử lưỡng cực. Các phân tử lưỡng cực ở
trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn được định hướng 1 phần dưới tác dụng của
điện trường gây nên sự phân cực. Quá trình định hướng của các phân tử phải thắng
được lực của chuyển động nhiệt và vì vậy có kèm theo tổn hao năng lượng.
Hệ số phân cực phụ thuộc vào mômen lưỡng cực và nhiệt độ:  lc 


2
m0
3KT

(1.7)

Với: m0 - mơmen lưỡng cực trung bình; K =1,38. 10-23J/0K – hằng số
Bônzơmal; T- nhiệt độ tuyệt đối.
d. Phân cực ion chậm
Xảy ra trong các điện mơi có cấu tạo ion mà mối liên kết ràng buộc giữa các
ion không chặt chẽ. Các ion liên kết yếu của chất trong khi chuyển động nhiệt hỗn
loạn còn nhận thêm các chuyển dịch thừa theo hướng điện trường.
Thường quan sát thấy ở thuỷ tinh vô cơ và 1 số chất vô cơ mà tinh thể ion
ràng buộc không chặt.
Sau khi loại bỏ điện trường sự định hướng của các ion yếu dần theo quy luật
hàm số mũ.
Sự phân cực ion chậm tăng cùng với sự tăng của nhiệt độ.
e. Phân cực điện tử chậm
Đặc trưng cho các điện mơi có hệ số khúc xạ cao, trường bên trong lớn và có
tính dẫn điện - điện tử. Nói cách khác: là các điện mơi có các điện tử khuyết tật thừa
hoặc các lỗ hổng được kích thích bằng nhiệt năng.
Hằng số điện mơi phụ thuộc vào nhiệt độ và có 1 vài điểm cực đại thậm chí cả
khi nhiệt độ âm.
f. Phân cực cấu kết cấu
Xảy ra trong vật rắn có cấu tạo khơng đồng nhất và khi có tạp chất. Sự phân
cực này biểu hiện ở tần số thấp kèm theo tổn hao năng lượng đáng kể. Nguyên nhân
của sự phân cực này là do các chất dẫn điện và bán dẫn lẫn trong điện môi kỹ thuật,
sự tồn tại của các lớp có độ dẫn điện khác nhau.
g. Phân cực tự phát
Dạng phân cực này tồn tại ở dạng điện môi đặc biệt Xec-nhit kèm theo khuếch

tán năng lượng đáng kể (có toả nhiệt).
 của phân cực tự phát phụ thuộc không đường thẳng vào trị số cường độ điện
trường và đặc trưng bởi điểm cực đại ở 1 nhiệt độ xác định.
Bài giảng Vật liệu điện

6


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

*) Sơ đồ đẳng trị (Sơ đồ thay thế) của điện mơi mà trong đó xảy ra đầy đủ
các cơ chế phân cực được chỉ ra trên hình vẽ.

Hình 1.2: Sơ đồ đẳng trị của điện mơi

Trong đó: U là điện áp nguồn.
Nhánh 1: Điện dung C0 và điện tích Q0 của tụ khi điện mơi là chân khơng.
Nhánh 2÷ 8: Điện dung và điện tích của các cơ chế phân cực: Phân cực điện
tử, phân cực ion, phân cực lưỡng cực chậm, phân cực ion chậm, điện tử chậm, phân
cực tự phát và phân cực cấu (kết cấu).
Nhánh 9: RCĐ là điện trở cách điện hay cịn gọi là điện trở thật của điện mơi.
Nhánh này đặc trưng cho dịng điện rị qua điện mơi.
1.3. HẰNG SỐ ĐIỆN MƠI CỦA CÁC ĐIỆN MƠI KHÍ – LỎNG – RẮN

1. Hằng số điện môi của điện môi khí
Các chất khí có mật độ phân tử rất nhỏ do đó sự phân cực của chất khí khơng
đáng kể và hằng số điện mơi của chất khí  = 2  1.
Bảng 1.1: Hằng số điện môi của 1 số điện mơi khí
Tên khí


Hêli

Hyđro

Ơ xi

Agon

Nitơ

Cacbonic



1,000072

1,00027

1,00055

1,00056

1,00060

1,00096

Để xác định hằng số điện mơi, ta có thể sử dụng phương trình Claudiut  1 N .
Môxôpchi:
(1.8)


  2 3. 0
Đối với điện mơi khí 1, nên (1.8)   1 
Với N 

N .
P.
 1
0
K .T . 0

(1.9)

P
là mật độ phân tử, P (at), T(0K),  là hệ số phân cực
K .T

* Với điện mơi khí trung tính:
Chỉ tồn tại cơ chế phân cực điện tử nhanh, nên  = e=4..0R03
Từ (1.9), ta nhận thấy bán kính phân tử càng
lớn, hằng số điện môi càng lơn.
Hằng số điện môi tỷ lệ thuận với áp suất (P),
tỷ lệ nghịch với nhiệt độ (T), hình 1.2.
Hình 1.2: Quan hệ =f(P), khi T là hằng số và =f(T), khi P là hằng số

Bài giảng Vật liệu điện

7


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên


Để đánh giá ảnh hưởng của  vào nhiệt độ, người ta tính hệ số nhiệt của hằng
số điện môi: TK     

1 d
 dt

[độ-1]

Với chất khí trung hịa : TK 

(1.10)

1 d  (  1)

0
 dT
 .T

(1.11)

*Với chất khí cực tính tồn tại hai cơ chế phân cực chính đó là cơ chế phân cực
điện tử nhanh (là chủ yếu), và cơ chế phân cực lưỡng cực chậm. Do vậy  = e+lc,
phương trình (1.8)    1 

2
N
P. e
P.m0
( e   lc )  1 


0
K .T . 0 3( K .T )2 . 0

(1.12)

Hằng số điện môi phụ thuộc vào bán kính nguyên tử, mức độ cực tính, áp suất
và nhiệt độ.

  1   2
Hệ số nhiệt của hằng số điện môi : TK   

(độ-1)
.T
.T

(1.13)

2. Hằng số điện môi của điện môi lỏng
Do đặc điểm cấu tạo phân tử, điện môi lỏng được phân thành hai nhóm: Điện
mơi lỏng trung tính (Dầu máy biến áp, benzen, toluene…) và điện mơi lỏng cực tính
(Dầu thầu dầu, xôvôn, xôvtôn, rượu, nước …)
*. Hằng số điện mơi của điện mơi lỏng trung tính
Điện mơi của chất lỏng trung tính được đặc
trưng bởi phân cực điện tử nhanh
do vậy  22÷ 2,5 và chỉ phụ thuộc vào
nhiệt độ mà không phụ thuộc vào áp suất và tần số.
Hình 1.3. Quan hệ giữa  của chất lỏng trung hoà với nhiệt độ và tần số

Về trị số tuyệt đối TK của chất lỏng trung tính gần bằng hệ số giãn nở thể

tích của chất lỏng  (nhưng ngược dấu).

1 d    1  2

TK v (độ-1)
 dT
3
1 dV
với TKv =
là hệ số nhiệt của thể tích.
V dT
TK  

(1.14)

*. Hằng số điện môi của chất lỏng cực tính
Chất lỏng cực tính tồn tại đồng thời phân cực điện tử và phân cực lưỡng cực
chậm (chủ yếu).
Có nhiều thuyết đưa ra để tính  của điện mơi cực tính, nói chung việc tính 
của chất lỏng cực tính rất phức tạp. Mỗi cơng thức trên đều kèm giả thiết nên đều có
tính chất gần đúng. Thường dùng phương trình Clauđiút-Mơxốtchi:

  1 
2

Bài giảng Vật liệu điện

m2 
N 
 e  0 

3 0 
3KT 



(1.15)

8


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Quan hệ giữa  và nhiệt độ của chất lỏng lưỡng cực phức tạp hơn của chất
lỏng trung hoà. Khi nhiệt độ tăng lúc đầu  biến đổi rất ít. Sau đó tăng mạnh theo
đường dốc đứng đạt cực đại rồi giảm dần. Nhiệt độ mà
ở đó  tăng nhanh ứng với khi đó chất lỏng có độ nhớt
giảm đột ngột  phân tử lưỡng cực có khả năng tự định
hướng tạo nên sự phân cực phụ của điện mơi.
Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì  giảm do chuyển
động nhiệt của phân tử tăng lên, cản trở sự định hướng
Hình 1.4: =f(t0), f1theo chiều điện trường.
Bảng 1.2: Hằng số điện môi của 1 số điện mơi lỏng
Tªn chÊt láng

Điện mơi lỏng trung tính

Điện mơi lỏng cực tính yếu

Dầu biến áp

Ben zen

Tuluen

Thầu dầu

Xơvơn

Xơvtơn

2,2

2,218

2,294

4,5

5,0

3,2

0

(20 c , 50hz)

3. Hằng số điện môi của điện môi rắn
Đặc điểm của điện môi rắn là rất đa dạng về cấu trúc và thành phần, do vậy
hằng số điện mơi có giá trị lớn và nằm trong một dải rộng.

a. Hằng số điện mơi của điện mơi rắn trung hồ
Điện mơi này cấu tạo từ các phân tử trung hoà và chỉ có phân cực điện tử:
2
= , là loại có  bé nhất. Quan hệ của  theo nhiệt độ được xác định bởi sự biến đổi
số phân tử trong 1 đơn vị thể tích.
Hệ số nhiệt của hằng số điện mơi vẫn có thể tính theo cơng thức (1.14)
b. Hằng số điện mơi của điện mơi rắn có kết cấu tinh thể ion
Điện môi rắn là các tinh thể ion mà các hạt được ràng buộc chặt chẽ có phân
cực điện tử và ion nhanh. Có hằng số điện mơi nằm trong 1 phạm vi rộng.
Khi nhiệt độ tăng không phải chỉ có mật độ của vật chất bị giảm mà còn xảy
ra hiện tượng tăng khả năng phân cực của các ion nên hệ số nhiệt độ của  có thể có
giá trị dương.
Điện mơi rắn là các tinh thể ion có kết cấu ion
khơng chặt chẽ ngồi phân cực điện tử và ion nhanh cịn
có phân cực ion chậm. Trong nhiều trường hợp đặc trưng
bằng  không cao và hệ số nhiệt độ dương có trị số lớn.
Hình 1.5: Quan hệ =f(t0) của sứ cách điện
c. Hằng số điện mơi của điện mơi rắn hữu cơ cực tính
Điện mơi này có phân cực lưỡng cực chậm ở trạng thái rắn (Xenlulo, và các
sản phẩm của nó như: Giấy, bơng vải, sợi, bìa cattong ....Ngồi ra cịn các chất nhựa
hữu cơ được trùng hợp như: phenol focmađêhyt, golovac...) và cả nước đá. Hằng số
điện môi của chúng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và tần số của điện áp đặt vào
giống ở các chất lỏng lưỡng cực.
Bài giảng Vật liệu điện

9


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

d. Hằng số điện môi của điện mơi rắn có cấu tạo khơng đồng nhất
Điện mơi loại này là hỗn hợp của các thành phần có hằng số điện môi khác
nhau.  của điện môi phức tạp này có thể tính gần đúng theo cơng thức tổng quát:
x = 11x + 22x (1.16a)
Trong đó: , 1, 2 là hằng số điện môi của hỗn hợp và của từng thành phần;
1, 2 là nồng độ theo thể tích của các thành phần: 1 + 2 = 1
x là hằng số đặc trưng cho sự phân bố các thành phần, có giá trị từ 1  -1
Khi mắc song song các thành phần (các điện môi đặt song song với phương
của điện trường nghĩa là mắc nối tiếp 2 tụ): x = +1   = 11 + 22 (1.16b)
Khi mắc nối tiếp các thành phần (các điện mơi đặt vng góc với phương của
điện trường nghĩa là mắc song song 2 tụ): x = -1 


1 1

 2
 1
2

(1.16c)

Khi các thành phần phân bố hỗn loạn: ln = 1ln1+ 2ln2
(1.16d)
Trường hợp tổng quát ta có tổ hợp cách điện gồm n chất điện mơi khác nhau
thì ta tính  cho từng cặp 2 chất một rồi tính tiếp cho đến n chất.
Hệ số nhiệt của  của tổ hợp cách điện: TK = TK11 + TK22
(1.17)
e. Hằng số điện môi của điện môi Xenhit:
 rất lớn và phụ thuộc rõ rệt vào cường độ điện trường và nhiệt độ.
Đặc điểm nổi bật của điện môi Xenhit là hiện tượng điện trễ (cảm ứng điện

biến đổi chậm sau cường độ điện trường)
Nhiệt độ mà ở đó  đạt trị số cực đại gọi là điểm Quyri. Với nhiệt độ lớn hơn
nhiệt độ Quyri thuộc tính Xenhit của vật liệu khơng cịn nữa.  khơng phụ thuộc
cường độ điện trường nữa.
Bảng 1.3: Hằng số điện môi của 1 số điện mơi rắn
Tên chất
rắn

0

 (20 c,
50hz)

Điện mơi rắn trung tính

Điện mơi rắn cực tính

Parafin

Lưu
huỳnh

Kim
cương

Nhựa
Fênolfoman
đêhit

Sáp Galovac

Xenlulo

1,9 - 2,2

3,6 - 4

5,6-5,8

4,5

5,0

6,5

Tên chất ĐM rắn có kết cấu tinh thể Ion
Điện mơi rắn Xéc - nhét
rắn
Muối mỏ
Cương
Rutin Muối
Barimetatitanat Barimetatitanat
(NaCl)
ngọc
(TiO ) Xéc -nhét
có thêm chất phụ
2
(Al O ).. .
gia
2

0

 (20 c,
50hz)

6

Bài giảng Vật liệu điện

3

10

110

500 - 600

1000 - 1500

7000 - 9000

10


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun

Chương 2

TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI

2.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG

Trước khi ổn định và đạt được trạng thái cân bằng
quá trình phân cực và chuyển dịch các điện tích ràng buộc
trong vật sẽ tạo nên dịng phân cực hoặc chuyển dịch trong
điện mơi.
Hình 2.1
Mặt khác: trong các điện môi kỹ thuật luôn tồn tại điện tích
tự do làm xuất hiện các dịng điện rị có trị số nhỏ.
*) Tóm lại: Khi đặt điện mơi trong điện trường E,
điện áp là U, đo trị số dòng điện đi qua điện mơi, ta thấy
dịng biến thiên theo thời gian và: i = irò+ipc
(2.1)
Quan hệ của dòng điện qua điện mơi theo thời gian, hình
Hình 2.2
2.2
Từ đồ thị ta thấy: Khi đặt điện áp 1 chiều sau khi q trình phân cực hồn
thành chỉ cịn dịng điện rị chạy qua điện mơi. Ở điện áp xoay chiều nó tồn tại trong
suốt thời gian có điện áp.
Cần chú ý, người ta thường dựa vào trị số dòng điện dò để đánh giá chất
lượng của vật liệu cách điện
Điện trở thật của điện mơi Rcđ tính như sau: RCĐ =

U

(2.2)

i   i pc

i: Dòng điện đo được; U: Điện áp đặt vào

iPC: Tổng các dòng điện do các cơ chế phân cực chậm gây nên
Việc xác định các dòng phân cực gặp khó khăn nên điện trở của điện mơi
thường được tính: RCĐ 

U
I'

(2.3)

Với I’ là dịng đo được sau 1 phút kể từ lúc đóng điện áp một chiều.
Độ dẫn điện của vật liệu cách điện được xác định bởi trạng thái của chất khí,
lỏng, rắn và phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ của môi trường xung quanh.
Để so sánh, đánh giá các vật liệu khác nhau ta có thể dùng điện trở suất khối
v và điện trở suất mặt s.
Về trị số điện trở suất khối v bằng điện trở của khối lập phương có cạnh
bằng 1 cm khi dòng điện chạy qua 2 mặt đối diện của khối đó. (cm). Với mẫu vật
liệu phẳng và điện trường đồng nhất ta có: v  R v

S
(cm)
h

(2.4)

(với: Rv là điện trở khối của khối mẫu (), S là diện tích điện cực (cm2), h là
chiều dày khối mẫu (cm)). Điện dẫn suất khối  v   v1 (-1cm-1).

Bài giảng Vật liệu điện

11

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Về trị số điện trở suất mặt s bằng điện trở của 1 hình vng trên bề mặt của
vật liệu khi dòng điện chạy qua 2 cạnh đối diện của hình vng đó. (). Có thể tính
điện trở suất mặt s theo cơng thức:  s  R s

d
()
l

(2.5)

(Rs là điện trở bề mặt của mẫu vật liệu giữa các điện cực song song có chiều
rộng d nằm cách nhau 1 khoảng l),  s   s1 (-1).
2.2. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MƠI KHÍ

Trong các chất khí ln tồn tại các điện tử tự do, các ion dương va ion âm.
Những điện tích này được tạo nên nhờ q trình ion hóa và kết hợp tự nhiên
Q trình ion hóa là q trình tách các điện tử ra khỏi phân tử hoặc ion khi
phân tử hoặc ion nhận được năng lượng tác động từ bên ngồi. (bức xạ mặt trời, các
tia phóng xạ, điện trường... ). Q trình ion hóa tự nhiên là q trình ion hóa xảy ra
dưới tác động của các yếu tố tự nhiên.
Ngược lại, quá trình tái hợp là quá trình kết hợp các điện tích trái dấu tạo
thành phân tử trung hịa, khi đó năng lượng được giải phóng dưới dạng các photon.
Số lượng điện tích xuất hiện trong q trình ion hóa tự nhiên là rất nhỏ, do
vậy điện dẫn của điện mơi khí là rất bé, hầu hết các chất khí ở một điều kiện nào đó
là những điện mơi tốt.
do nào đó q trình ion

hóa phát triển mạnh thì lượng điện tích trong điện mơi khí
tăng nhanh và điện dẫn cũng tăng lên đáng kể.
Đặc tính Von-Ampe (V-A) của điện mơi khí được
thể hiện như hình vẽ 2.3
Ở đoạn đầu đường cong quan hệ dòng và áp là tuyến
tính
Hình 2.3
Khi điện áp đạt giá trị U1 các ion chưa kịp tái hợp đã bị kéo về các điện cực
và bị trung hoà trên các điện cực (dịng bão hồ).
Khi điện áp đạt giá trị U2 (giới hạn thứ hai) điện dẫn tự duy trì xuất hiện làm
cho dịng trong chất khí lại tăng.
Điều này có thể giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng ion hóa do va chạm
khi cường độ điện trường đặt lên điện mơi có trị số lớn sẽ gây nên phóng điện tạo
thành dòng Plasma nối liền giữa 2 điện cực, chất khí trở nên dẫn điện, dịng tăng lên
theo hàm số mũ.
2.3. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MƠI LỎNG

Độ dẫn điện của điện mơi lỏng có liên quan chặt chẽ với cấu tạo phân tử của
chất lỏng. Nhiệt độ, nồng độ tạp chất có ảnh hưởng đáng kể tới điện dẫn của điện
mơi lỏng. Dịng điện trong chất lỏng có thể xác định được bởi sự chuyển dịch của
các ion hoặc hạt mang điện tương đối lớn ở dạng keo.
2.3.1 Điện dẫn ion của điện môi lỏng.
Bài giảng Vật liệu điện

12


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun

Khác với điện mơi khí, trong điện mơi lỏng các điện tích tự do xuất hiện

khơng chỉ do q trình ion hóa tự nhiên mà cịn do q trình phân ly các phân tử của
chính bản thân chất lỏng và tạp chất.
Trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng tồn tại một số lượng
tạp chất nhất định. Thông thường các phân tử tạp chất rễ bị phân
ly hơn các phân tử của chính điện mơi đó. Do vậy điện dẫn của
điện môi lỏng bao gồm điện dẫn của điện mơi chính và điện dẫn
của tạp chất.
Trên hình vẽ biểu diễn mối quan hệ giữa dịng và áp của
Hình 2.4: Đặc tính
điện mơi lỏng.
V-A của điện mơi
Đường (1): Đặc tuyến V-A của điện mơi lỏng có chứa
lỏng
nhiều tạp chất. Trên đồ thị ta khơng thấy dịng điện bão hịa,
dịng điện tăng tuyến tính với
điện áp đến giá trị Uth, sau đó xuất hiện q trình ion hóa va chạm, điện tích tăng
theo hàm mũ, I tăng nhanh và dẫn tới phóng điện trong điện mơi lỏng.
Đường (2): Các chất lỏng tinh khiết (Được điều chế trong phòng thí nghiệm),
trên đường đặc tuyến V-A vẫn xuất hiện một đoạn nhỏ giống như đoạn bão hịa của
điện mơi khí.
Điện dẫn ion của điện môi lỏng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ
tăng, chuyển động nhiệt của các phân tử điện môi lỏng sẽ tăng, lực liên kết giữa các
phân tử giảm, độ nhớt cũng giảm theo, mức độ phân ly của các phân tử do nhiệt sẽ
tăng lên và làm tăng điện dẫn của điện môi lỏng.
Bảng 2.1: Giá trị điện trở suất khối (v) và hằng số điện môi () của một số điện môi lỏng
Điện trở suất khốiv
Chất lỏng
Cấu tạo

(cm) ở 200C

Ben zen
1013 - 1014
2,2
12
15
Trung hồ
Dầu biến thế
10 - 10
2,2
12
15
Dầu xăng
10 - 10
2,0
Xơvơn
1010 - 1012
4,5
Cực tính yếu
10
12
Thầu dầu
10 - 10
4,6
6
7
Axêtơn
10 - 10
22
Cực tính mạnh
6

7
Rượu Êtylíc
10 - 10
33
5
6
Nước cất
10 - 10
82
2.3.2. Điện dẫn điện di
Được tạo nên bởi sự chuyển động có hướng của các phân tử mang điện tích
dưới tác dụng của điện trường bên ngồi
Điện mơi lỏng chứa các tạp chất ở dạng keo, xơ, sợi, bụi bẩn, huyền phù ... lơ
lửng bên trong, do quá trình chuyển động nhiệt các tạp chất này ma sát với phân tử
điện môi và chúng bị nhiễm điện. Tùy theo () của tạp chất lớn hay nhỏ so với ()
của điện môi lỏng mà tạp chất có thể bị nhiễm điện tích dương hay âm.
Bài giảng Vật liệu điện

13


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Dưới tác dụng của điện trường các khối điện tích này sẽ chuyển động (Khối
điện tích + sẽ chuyển động về phía bản cực – và ngược lại), chúng tạo nên dòng
điện dẫn điện di. Thực chất dòng điện này là sự chuyển động của khối mang điện
tích dưới tác dụng của điện trường. Đối với điện áp một chiều, sẽ xảy ra hiệu ứng
lam sạch điện mơi, với điện áp xoay chiều thì khơng có.
Ngồi những yếu tố trên thì điện dẫn của điện mơi lỏng cịn phụ thuộc vào
tính chất cực tính của điện môi. Điện dẫn của điện môi sẽ tăng lên nếu () lớn.

2.4. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MƠI RẮN
2.4.1. Điện dẫn của điện mơi rắn có cấu trúc mạng lưới ngun tử phân tử.
Trong các điện mơi có mạng lưới nguyên tử hoặc phân tử tính dẫn điện chỉ tồn
tại khi có tạp chất.
Trong các chất kết tinh có mạng phân tử (lưu huỳnh, parafin...) điện dẫn xuất
nhỏ và được xác định chỉ bởi tạp chất.
Điện dẫn của các chất khơng định hình liên quan trước hết đến thành phần của
chúng. Các chất hữu cơ cao phân tử có điện dẫn suất phụ thuộc mạnh vào các yếu
tố: thành phần hoá học, các tạp chất, mức độ trùng hợp, mức độ lưu hố... Các thuỷ
tinh vơ cơ hợp thành 1 nhóm lớn các chất khơng kết tinh. Độ dẫn điện của nó liên
quan chặt chẽ tới thành phần hố học, cho phép nhận được điện dẫn xuất theo yêu
cầu định trước.
Nếu đưa vào thành phần của thuỷ tinh những axít kim loại kiềm sẽ làm điện
dẫn suất tăng mạnh, độ tăng phụ thuộc vào bán kính của các ion: bán kính nhỏ thì
điện dẫn suất tăng nhiều hơn. Nếu đưa vào các a xít kim loại nặng (bari, chì ...) sẽ
làm giảm đáng kể điện dẫn suất của thuỷ tinh.
Điện dẫn suất của các điện môi rắn xốp khi bị hút ẩm với 1 lượng không
đáng kể cũng tăng lên rất mạnh.
Điện dẫn của nhóm điện mơi này phụ thuộc nhiều vào độ ẩm khơng khí
Bảng 2.2: Ảnh hưởng của độ ẩm khơng khí (%), và nhiệt độ tới v của điện môi rắn xốp
Điện trở suất khối v (cm)
Tên vật liệu
Độ ẩm tương đối
%=70%, t=20oC
%=0%, t=100oC
%=0%, t=20oC
Đá hoa
1014  1016
108  1010
10121014

Gỗ
Phíp

1013  1014
1013  1014

108  109
108  109

10121013
10101011

2.4.2. Điện dẫn của điện mơi rắn có cấu trúc tinh thể ion.
Trong điện mơi rắn có cấu trúc tinh thể ion độ dẫn điện được xác định chủ yếu
do sự chuyển dịch các ion đã được giải phóng bởi ảnh hưởng dao động của chuyển
động nhiệt.

Bài giảng Vật liệu điện

14


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Ở nhiệt độ thấp các ion chuyển dịch là các ion liên kết yếu (ion của tạp chất).
Ở nhiệt độ cao cả 1 số ion của mạng tinh thể cũng được giải phóng.
Trên đây ta nghiên cứu độ dẫn điện của vật rắn khi cường độ điện trường
tương đối thấp. Khi cường độ điện trường có trị số lớn cần phải tính đến khả năng
xuất hiện dịng điện từ trong điện mơi tinh thể. Dịng này sẽ tăng nhanh khi cường
độ điện trường tăng.

2.4.3. Điện dẫn bề mặt của điện môi rắn
Khi điện môi rắn đăt trong mơi trường khí hoặc lỏng, trên bề mặt điện mơi rắn
tồn tại các điện tích của bản thân điện môi và do các bụi bẩn hay lớp nước gây nên.
Các điện tích này sẽ tạo nên dịng điện dẫn bề mặt
Điện dẫn này phụ thuộc chủ yếu vào bề dày của lớp ẩm, lượng tạp chất, tình
trạng bề mặt và bản chất của điện môi.
Trị số độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh là yếu tố quyết định đối
với điện dẫn suất mặt của điện môi. Khi độ ẩm tương đối > 60  80% thì điện dẫn
suất mặt tăng rõ rệt.
Điện dẫn suất mặt càng thấp khi cực tính của vật liệu càng yếu, bề mặt điện
mơi càng sạch và nhẵn.
Theo điện dẫn mặt có thể phân tích vật liệu thành 3 nhóm:
+ Điện mơi khơng hồ tan trong nước: Các điện mơi trung hồ và cực tính yếu
khơng bị nước thấm ướt (parafin, polystirol...). Các điện mơi có cực tính bị nước
thấm ướt (1 số loại gốm). Loại này có điện trở suất bề mặt cao, ít phụ thuộc độ ẩm
của mơi trường xung quanh (điện mơi cực tính chỉ có thể có điện trở suất bề mặt cao
trong môi trường ẩm nếu bề mặt khơng bẩn).
+ Điện mơi hồ tan 1 phần trong nước (thuỷ tinh kỹ thuật): có điện trở suất
mặt thấp hơn và phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm.
+ Điện môi có cấu tạo xốp (sợi, chất dẻo, đá hoa ...): Trong mơi trường ẩm
loại này có điện dẫn suất mặt lớn.
*) Nhận xét: Muốn nâng cao điện trở suất mặt người ta dùng phương pháp
làm sạch bề mặt: Rửa bằng nước, bằng các chất hồ tan, xấy khơ trong chân khơng
(ở 600  7000C) sau đó ngâm trong sơn tẩm hoặc dầu, sử dụng sơn quét hoặc tráng
men, thường xuyên vệ sinh thiết bị nếu có thể, cũng có thể đun lâu trong nước cất
với những vật liệu không thấm nước.

Bài giảng Vật liệu điện

15

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun

Chương 3
TỔN THẤT ĐIỆN MƠI
3.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

*) Khái niệm: Tổn thất điện môi là phần năng lượng tản
ra trong điện môi trên 1 đơn vị thời gian làm cho điện mơi
nóng lên khi có điện trường tác động.
Đối với điện áp 1 chiều tổn thất điện mơi chủ yếu do
dịng điện rị: P = R.I2 (3.1)
Hình 3.1
Đối với điện áp xuay chiều tổn thất do cả dòng điện rò và dòng phân cực gây
nên P  U .I . cos  (3.2a)
Từ hình vẽ 3.1 ta thấy Ptt  U .I . cos   U .I R  U .I C .tg  U 2 .C..tg
Với tg 

IR
1

I C R.C .

(3.2b)

(3.3a)

Từ (3.2b), ta nhận thấy công suất tổn thất tỷ lệ thuận với tg, do vậy tg được
gọi là “Hệ số tổn thất cơng suất”

Khi điện mơi có tổn thất điện mơi lớn thì nhiệt độ phát nóng trong điện mơi
tăng, đến một giá trị nào đó vượt mức cho phép làm cho điện mơi bị phân huỷ nhiệt,
và mất tính chất cách điện, người ta gọi đó là hiện tượng phóng điện vì nhiệt
Tổn thất điện mơi liên quan chặt chẽ với hằng số điện môi, thông thường nếu
hằng số điện mơi lớn thì tổn thất điện mơi cũng lớn.
Cơng thức (2.2b) có thể viết P  U 2 . .C 0 ..tg
(3.2c)
Ngồi ra tổn thất điện mơi cịn có thể được xác định thơng qua “suất tổn hao”,
đó là giá trị cơng suất tản trong 1 đơn vị thể tích hoặc suất tổn hao.
3.2. CÁC DẠNG TỔN THẤT ĐIỆN MÔI
3.2.1. Tổn thất điện mơi do điện dẫn rị.
trong điện mơi kỹ thuật bao giờ cũng chứa các điện tích và điện tử tự do. Dưới
tác dụng của điện trường chúng tạo nên dịng rị. Trong điện mơi rắn có dịng điện
rị đi trên bề mặt và trong khối điện mơi, cịn điện mơi khí và lỏng chỉ có dịng điện
khối. Nếu dịng rị lớn thì tổn hao có giá trị đáng kể. tg 

1,8.1012
 . f .

(3.4)

Tổn thất dạng này tỷ lệ nghịch với tần số của điện trường, hằng số điện môi và
1
1
 
tăng theo nhiệt độ theo quy luật hàm số mũ:
(3.5)
  0 .et
Với 0 là điện dẫn suất ở 250C và P= 1 at,  - hệ số mũ, t - Nhiệt độ (0C)
3.2.2. Tổn thất điện mơi do phân cực.

Thấy rõ ở các chất có phân cực chậm, trong các điện mơi có cấu tạo lưỡng cực
và các điện mơi có cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ.
Bài giảng Vật liệu điện

16


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Tổn thất điện môi do phân cực chậm được gây bởi sự phá huỷ chuyển động
nhiệt của các hạt dưới ảnh hưởng của cường độ điện trường. Sự phá huỷ này làm
năng lượng tiêu tán và điện mơi bị nóng lên. Tổn thất phân cực chậm tăng theo tần
số của điện áp đặt. (Rõ nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao)
Quan hệ của tg=f(t0) của các điện mơi cực tính có giá trị cực đại ở nhiệt độ
nào đó, đặc trưng cho mỗi loại.
3. Tổn thất do ion hoá.
Dạng tổn thất thấy rõ trong điện mơi khí hoặc trong các điện mơi lỏng và rắn
nhưng có tồn tại các bọt khí. Trong q trình ion hóa, các phân tử khí tiếp thu năng
lượng điện trường và gây tổn thất điện môi. Khi bị ion hố trong chất khí có thêm
điện tích và điện tử tự do làm cho điện dẫn khí tăng lên, chúng góp phần tạo nên tổn
hao điện mơi lớn.
Tổn hao có thể tính theo cơng thức:
Pi = A.f. (U - U0)3 (3.6)
Với UU0, A - Hằng số, f - Tần số điện trường
U, U0: Điện áp đặt vào và điện áp ứng với điểm bắt đầu ion hoá
4. Tổn thất điện mơi do tính khơng đồng nhất của điện mơi.
Loại tổn hao này có rất nhiều trong thực tiễn, gây bởi các tạp chất ngẫu nhiên
hoặc các thành phần riêng biệt được chủ định đưa vào điện môi để làm biến đổi theo
yêu cầu định trước các thuộc tính của nó. Do đặc điểm cấu tạo nên khơng có cơng
thức chung để tính tổn thất.

VD: Giấy tẩm, chất dẻo có lớp độn, chất cách điện xốp có chứa khơng khí và
tạp chất ẩm...
Đơn giản nhất có thể hình dung điện môi không đồng nhất dưới dạng 2 lớp nối
tiếp nhau. Sơ đồ thay thế có thể gồm 2 tụ điện mắc nối tiếp nhau. Trị số tg của
điện môi nhiều lớp khi đó có thể tính: tg 

C 2 tg 1  C 1 tg 2
C1  C 2

(3.7)

3.3. SƠ ĐỒ THAY THẾ VÀ TÍNH TỐN TỔN THẤT ĐIỆN MÔI

3.3.1. Sơ đồ thay thế và đồ thị véc tơ
Bất kỳ một khối điện mơi nào đều có thể thay thế bằng một tụ điện mắc nối
tiếp hoặc song song với một điện trở (hình 3.2), sao cho khi thay thế phải khơ
lý của các q trình diễn ra trong điện môi. Nghĩa là công
suất tổn thất phải bằng công suất thực và góc tổn thất  khơng đổi.

Hình 3.2. Sơ đồ thay thế
và đồ thị véc tơ
Bài giảng Vật liệu điện

I

17


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

3.3.2. Cách xác định tổn thất điện môi.
*) Sơ đồ nối tiếp
Ptt  U .I . cos   I .U R  I .U C .tg  I 2 .

Với tg 

UR
 Rn .C n .
UC

U 2 .Cn ..tg
1
.tg 
Cn .
( Rn .Cn . ) 2  1

(3.8)

(3.9)

*) Sơ đồ song song
Từ (3.2) và (3.3a) ta có: Ptt  U 2 .C s . .tg (3.2d)
Với tg 

IR
1

I C Rs .C s .

(3.3b)

*) Cân bằng (3.8) với (3.2d) và (3.9) với (3.3b) ta có
Cs 

1
1
1
và Rs  Rn (1  2 )
 2
2
tg 
( Rn .C n . )  1 tg   1

(3.10)

Công thức (3.10) cho ta mối quan hệ thông số mạch song song và nối tiếp.
3.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI TỔN THẤT ĐIỆN MƠI

Trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tổn thất điện mơi, trong đó có
bốn yếu tố quan trọng nhất, đó là: Nhiệt độ, tần số điện trường, độ ẩm khơng khí, và
giá trị điện áp.
1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tổn thất điện môi.
Nhiệt độ được xem là yếu tố quan trọng nhất, khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm cho
các tính chất của điện môi thay đổi.
Đối với điện môi trung tính hoặc cực tính yếu, tổn thất điện mơi chủ yếu do
dòng điện rò gây nên, hệ số tổn thất có thể tính theo cơng thức sau:
tg 

 .e .t


 0
 A.e .t
 0 .  .  0 .  .

Với  0 

4. .9.10 9

(3.11)

(F/m) hằng số điện môi tuyệt

đối của chân không,  Hằng số điện môi đo ở tần số
cao vơ cùng,  tần số góc,  và 0 - điện dẫn suất tại
nhiệt độ t và tại t0 =250C, P=1 at,  - hệ số mũ
Hình 3.3: tg = f(t0)
0
Từ (3.11) ta nhận thấy, khi  là hằng số, tg =f(t ) có dạng đường số (1) hình 3.3
Đối với điện mơi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ, tổn thất điện mơi chủ
yếu do dịng phân cực gây nên, tg có thể tính theo
công thức (3.12)
(    )..
(3.12)
tg  bd
 bd    . 2 . 2
Với bđ – Hằng số điện môi đo ở tần số thấp (một
chiều),  - Thời gian tích thốt năng lượng, nó tăng
Hình 3.4: tg=f()
Bài giảng Vật liệu điện

18


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun

tuyến tính với thời gian và ngược lại. Do vậy tg =f(t0), khi  là hằng số có dạng
đường số (2) hình 3.3.
Đối với điện mơi cực tính mạnh và có điện dẫn cao, tổn thất điện mơi do cả
dịng rị và dịng phân cực gây nên. tg=f(t0) khi  là hằng số có dạng đường số
(3)=(1)+(2), hình 3.3.
2. Ảnh hưởng của tần số điện trường tới tổn thất điện mơi.
Đối với điện mơi trung tính hoặc cực yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do dịng
điện rị gây nên, tg có thể xác định theo (3.11), khi t0 là hằng số thì  cũng là hằng
số, do vậy tg =f() có dạng đường số (1) hình 3.4.
Đối với điện mơi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ tổn thất điện mơi chủ
yếu do dịng phân cực gây nên, ở miền tần số thấp các phân tử lưỡng cực được định
hướng hoàn toàn, nhưng ở miền tần số cao các phân tử lưỡng cực không kịp định
hướng theo hướng điện trường do vậy tổn thất điện môi giảm. từ (3.12) ta thấy khi
t0 là hằng số, tg =f() có dạng đường số (2) hình 3.4.
Đối với điện mơi cực tính mạnh và có điện dẫn lớn, ở vùng tần số thấp tổn
thất điện môi chủ yếu do dòng rò gây nên, ở vùng tần số cao lại chủ yếu do dòng
phân cực, khi tần số quá cao các phân tử không kịp định hướng nên tg giảm.
tg=f() khi t0 là hằng số có dạng đường số (3)=(1)+(2), hình 3.4.
3. Ảnh hưởng của độ ẩm khơng khí
Khi điện mơi đặt trong mơi trường có độ ẩm %,
sau một thời gian điện môi sẽ bị ngấm ẩm, hoặc hấp phụ
một lớp hơi nước trên bề mặt, điều đó làm tăng điện dẫn
khối và điện dẫn mặt của vật liệu và làm tổn thất điện
môi tăng khi % tăng. Mối quan hệ tg=(%) có dạng
Hình 3.5: tg=f(%)

hình 3.5.
4. Ảnh hưởng của điện áp tới tổn thất điện môi.
Ở vùng điện áp thấp tổn thất điện môi gần như ít
phụ thuộc vào điện áp, nhưng khi điện áp tăng cao q
trình ion hóa trong các chất khí nói chung và trong các
điện mơi lỏng và rắn có chứa các bọt khí, sẽ phát triển
mạnh làm tổn thất điện mơi tăng nhanh. Khi điện áp quá
cao thì điện dẫn của chất khí tăng cao làm cho sụt áp
trên nó giảm đi, do vậy tổn thất điện môi lại giảm. Mối Hình 3.6: tg=f(U)
quan hệ tg=f(U) có dạng hình 3.6.
3.5. TỔN THẤT ĐIỆN MƠI TRONG CHẤT KHÍ

Các chất kh
y tưởng. Ngun nhân gây nên tổn thất
điện mơi khí chủ yếu là do dòng điện dò, còn sự định hướng của các phân tử lưỡng
cực ít kèm theo năng lượng. Do vậy tg có thể xác định theo cơng thức (3.4)
Bài giảng Vật liệu điện

19


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Ở điện áp cao và điện trường không đồng nhất,khi cường độ điện trường vượt
quá trị số tới hạn các phân tử khí sẽ bị ion hóa và có thể tính theo cơng thức (3.6),
Mối quan hệ tg=f(U) có dạng hình 3.6.
Ở tần số cao hiện tượng ion hoá và tổn thất năng lượng trong chất khí tăng
đến mức làm cho các vật có khí cách điện bị cháy và phá huỷ nếu điện áp vượt trị số
ion hố.
3.5. TỔN THẤT TRONG ĐIỆN MƠI LỎNG

Trong các chất lỏng trung tính: tổn thất điện mơi chỉ do dịng điện rị gây nên
nếu như chất lỏng khơng chứa tạp chất có các phân tử lưỡng cực. Điện dẫn suất của
điện mơi lỏng trung tính tinh khiết vơ cùng bé nên tổn thất điện mơi cũng bé, tg có
thể tính theo cơng thức (3.4)
Các điện mơi có cực tính tuỳ theo điều kiện (nhiệt độ, tần số) ngoài tổn thất do
điện dẫn cịn có tổn thất do sự phân cực lưỡng cực chậm gây nên. Các điện môi
dùng trong kỹ thuật là hỗn hợp của 2 loại trên.
Ở điện môi lỏng lưỡng cực tổn thất điện môi phụ thuộc vào độ nhớt. Tổn hao
trong các chất lỏng nhớt khi điện áp xoay chiều đặc biệt là khi tần số cao lớn hơn
tổn thất do điện dẫn gây nên rất nhiều. Đó là tổn thất phân cực lưỡng cực chậm.
Tổn thất phân cực lưỡng cực chậm trong chất lỏng có độ nhớt bé và tần số
thấp không đáng kể và có thể nhỏ hơn tổn thất do điện dẫn rị. ở tần số cao tổn thất
phân cực lưỡng cực chậm sẽ rất lớn so với tổn thất do điện dẫn ngay cả khi độ nhớt
bé. Vì vậy chất lỏng lưỡng cực khơng sử dụng trong trường hợp có tần số cao.
3.6. TỔN THẤT ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN MÔI RẮN

3.6.1. Tổn thất điện mơi trong điện mơi có cấu tạo phân tử
Phụ thuộc vào loại phân tử:Trong các chất trung tính khi khơng có tạp chất thì
tổn thất điện mơi nhỏ không đáng kể, chúng được dùng làm điện môi cao tần.
VD: Parafin, lưu huỳnh, các chất cao phân tử không phân cực: polietylen, chất
dẻo chứa flo...
Khi điện môi cấu tạo từ những phân tử cực tính: do sự phân cực lưỡng cực
chậm nên có tổn thất lớn đặc biệt ở tần số vô tuyến. Tổn thất điện môi trong các
điện mơi này có liên quan tới nhiệt độ.
VD: Các vật liệu dựa trên cơ sở xenlulo như giấy, các tông, các chất cao phân
tử cực tính, các vật liệu cao su: êbônit...
Ở 1 vài trị số nhiệt độ tổn thất có giá trị cực đại và cực tiểu, sau điểm cực tiểu
tổn thất tăng lên do sự tăng của tổn thất điện dẫn.
3.6.2. Tổn thất điện môi của chất rắn có cấu tạo ion

Liên quan đến đặc điểm sắp xếp các ion trong mạng.
Các chất cấu tạo tinh thể có các ion ràng buộc chặt chẽ: khi khơng có tạp chất
thì tổn thất điện mơi rất nhỏ. Ở nhiệt độ cao sẽ xuất hiện tổn thất do điện dẫn. Chỉ
cần 1 lượng tạp chất rất nhỏ gây biến dạng mạng lưới tinh thể cũng làm tăng tổn
thất điện môi lên rất nhiều.
Bài giảng Vật liệu điện

20


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Loại này gồm nhiều hợp chất tinh thể có ý nghĩa to lớn trong sản xuất gốm kỹ
thuật hiện nay (bột đá mài nằm trong thành phần của sứ cao tần), hoặc là muối mỏ...
Các chất cấu tạo tinh thể có các ion khơng ràng buộc chặt chẽ bao gồm 1 loại
chất kết tinh. Chúng được đặc trưng bởi các loại phân cực chậm làm tăng tổn thất
điện mơi.
Mulit trong sứ cách điện, khống siricon trong gốm chịu lửa...
Tổn thất điện môi trong các chất không kết tinh có cấu tạo ion (thuỷ tinh vơ
cơ) liên quan với hiện tượng phân cực và sự tồn tại của điện dẫn.
Yếu tố chủ yếu xác định tổn thất trong thuỷ tinh vô cơ phụ thuộc vào cách kết
hợp của các ơxit chứa trong nó, vì cách kết hợp ảnh hưởng đến cấu tạo của thuỷ
tinh.
3.6.3. Tổn thất trong điện mơi xec- nhét
Tổn thất điện mơi có giá trị lớn,do đặc điểm của điện mơi này là có hiện tượng
phân cực tự phát phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ và có điểm cực đại ở nhiệt độ nhất
định (điểm Quyri). Sau điểm Quyri phân cực tự phát mất đi, thuộc tính Xenhit cũng
mất.
Tổn thất trong điện mơi xenhit ít biến đổi theo nhiệt độ ở vùng phân cực tự
phát và giảm đột ngột sau điểm Quyri.

3.6.4. Tổn thất điện mơi trong chất rắn có cấu tạo khơng đồng nhất
Chất rắn dùng làm điện môi này gồm vật liệu mà trong thành phần của nó
chứa khơng ít hơn 2 chất gốc bị xáo trộn cơ học với nhau (các chất gốm)
Một vật liệu gốm bất kỳ đều là hệ phức tạp nhiều pha. Trong thành phần của
gốm ta phân biệt pha tinh thể, pha thuỷ tinh, pha thể khí (khí trong các lỗ hổng kín).
Tổn thất điện mơi trong gốm phụ thuộc vào tỷ lượng của pha tinh thể và pha
thuỷ tinh. Pha thể khí trong gốm làm tăng tổn thất điện mơi khi điện trường có
cường độ cao hơn do sự ion hoá tăng lên.
Tổn thất trong gốm tăng nếu nó chứa các tạp chất lẫn tính bán dẫn với tính
dẫn điện bằng điện tử. Tổn thất cũng tăng do hút ẩm khi có các lỗ xốp hở.
Ngồi ra cịn có giấy tẩm, mica ... Hiện nay người ta dùng nhiều điện môi
không đồng nhất gồm chất dẻo với các chất độn khác nhau, chất dẻo nhiều lớp, vật
liệu cao su có chất độn khác nhau ...

Bài giảng Vật liệu điện

21


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun

CHƯƠNG 4
SỰ PHĨNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MƠI
4.1. KHÁI NIỆM VỀ SỰ PHĨNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MƠI

Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá một giới hạn nào đó sẽ
xảy ra hiện tượng phóng điện đánh thủng, khi đó điện mơi mất hồn tồn các thuộc
tính cách điện. Hiện tượng đó chính là sự phóng điện trong điện mơi, hay cịn gọi là
hiện tượng đánh thủng điện mơi.
Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi được gọi là điện áp đánh

thủng (Uđt), trị số cường độ điện trường tương ứng gọi là cường độ điện trường
đánh thủng (Eđt) hoặc độ bền điện của điện môi. E đt 

U đt
(KV/mm)
h

(4.1)

h là chiều dày điện mơi (mm)
Vậy, độ bền điện chính là khả năng chịu đựng giá trị điện áp giới hạn trên một
milimét chiều dày mà điện môi chưa bị đánh thủng.
Khi tính tốn để chọn chiều dày cách điện của một thiết bị làm việc ở điện áp
định mức nào đó (Uđm), ta cần nhân thêm với hệ số an toàn. h  K.

U đm
, (mm)
E đt

Trong thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới cường độ điện trường cách
điện của điện môi: Dạng điện trường, dạng điện áp, thời gian tác động của điện áp,
điều kiện mơi trường….
Đối với điện mơi khí sự đánh thủng xảy ra do hiện tượng ion hoá do va chạm
và ion hoá quang. Trong điện trường đồng nhất hiện tượng đánh thủng khí xảy ra
đột ngột, trong điện trường khơng đồng nhất trước khi chất khí bị đánh thủng có
hiện tượng vầng quang điện.
Đối với điện môi lỏng hiện tượng đánh thủng xảy ra do kết quả của quá trình
nhiệt và ion hố. Một trong những ngun nhân chính gây nên hiện tượng đánh
thủng chất lỏng là do sự tồn tại của tạp chất.
Đối với điện môi rắn hiện tượng đánh thủng có thể do q trình nhiệt hoặc q

trình điện dưới ảnh hưởng của điện trường.
+) Hiện tượng đánh thủng về điện liên quan đến quá trình điện tử trong điện
mơi nó xuất hiện ở điện trường mạnh và làm tăng mạnh mẽ, đột ngột, có tính chất
cục bộ mật độ dòng điện lúc đánh thủng.
+) Hiện tượng đánh thủng về nhiệt là hậu quả của sự giảm bớt điện trở tác
dụng của điện mơi khi nó bị đốt nóng trong điện trường. Điều đó làm tăng thành
phần tác dụng của dịng điện và làm cho điện mơi càng bị đốt nóng cho đến khi bị
phân huỷ vì nhiệt.
+) Dưới tác dụng lâu dài của điện áp hiện tượng đánh thủng cịn gây bởi các
q trình điện hố xảy ra trong điện môi dưới tác dụng của điện trường.

Bài giảng Vật liệu điện

22


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun

4.2. SỰ PHĨNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MƠI KHÍ

4.2.1.u cầu chung của các chất khí cách điện
+ Phải là khí trơ, nghĩa là khơng phản ứng hố học với các chất cách điện
khác trong cùng kết cấu cách điện hoặc với kim loại của thiết bị điện.
+ Có cường độ cách điện cao để giảm kích thước của kết cấu cách điện và
thiết bị.
+ Nhiệt độ hoá lỏng thấp để có thể sử dụng chúng ở trạng thái có áp suất cao.
+ Tản nhiệt tốt.
+ Phải rẻ tiền và dễ kiếm.
4.2.1. Điều kiện xác định khả năng ion hố và các dạng ion hóa chất khí
Ở điều kiện bình thường, các phân tử khí chuyển động hỗn loạn dưới tác động

của năng lượng nhiệt, khi đặt trong điện trường chúng nhận thêm một năng lượng
bổ xung: Wbx  q.U 
(4.3)
với q- Điện tích, U- Điện áp giáng trên đoạn đường chuyển động tự do của hạt
Nếu trong điện trường đồng nhất: U = E. 
(4.4)
Với: E- Cường độ điện trường, - Khoảng cách trung bình mà hạt mang điện đã di
chuyển qua không gặp va chạm.=> Wbx = q. E.
(4.5)
Năng lượng này truyền cho các phân tử khí mà nó va chạm phải. Nếu năng
lượng đủ lớn thì phân tử bị ion hố. Nếu năng lượng cịn nhỏ, các phân tử khí chỉ bị
kích thích và khi trở về trạng thái ban đầu năng lượng sẽ được giải phóng dưới dạng
các photon.
Vậy: Điều kiện để xác định khả năng ion hố chất khí: W  Wi
(4.6)
W- Bao gồm cả năng lượng của chuyển động nhiệt, Wi - Năng lượng ion hố,
vác chất khí khác nhau thì Wi cũng khác nhau và thường bằng (4÷25) ev
*. Các dạng ion hố trong chất khí
Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng cung cấp cho chất khí trong q trình ion hố,
có thể có các dạng ion hố sau:
a. Ion hố va chạm:
Khi các phần tử đang chuyển động va chạm nhau, động năng của chúng sẽ

mv 2
chuyển cho nhau và có thể xảy ra ion hoá nếu:
 Wi
2

(4.7)

m - khối lượng hạt, v - Tốc độ chuyển động của hạt.
b. Ion hố quang:
Năng lượng cần thiết để ion hố có thể lấy từ bức xạ sóng ngắn với điều kiện:
h.f  Wi hoặc  

c.h
Wi

(4.8)

Với:  - Độ dài sóng của sóng ngắn  

C
, f - Tần số bức xạ của sóng ngắn,
f

c - Tốc độ ánh sáng, h= 6,63.10-34J.s là hằng số Planck
Bài giảng Vật liệu điện

23


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun

c. Ion hố nhiệt:
Ở nhiệt độ cao có thể phát sinh các khả năng sau:
- Ion hoá va chạm do các phân tử, điện tử chuyển động nhiệt với tốc độ lớn.
- Ion hoá quang do các bức xạ nhiệt gây nên.
- Cả hai quá trình trên
Trên thực tế, ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng có khả năng xảy ra ion hóa, chỉ có ít

hay nhiều. Theo Nhiệt động học, nhiệt độ cần thiết để có q trình ion hố được xác
định theo cơng thức: W 

3
kT  Wi
2

(4.9)

Với T - nhiệt độ tuyệt đối của chất khí, k =1,38.10-23 J/0K - hằng số Boltzman.
d. Ion hoá bề mặt:
Ba dạng ion hoá trên xảy ra trong thể tích chất khí cịn dạng ion hố bề mặt thì
xảy ra ngay trên bề mặt của các điện cực.
Muốn giải phóng điện tử ra khỏi bề mặt điện cực cũng cần 1 năng lượng nhất
định gọi là "công thốt". Trị số cơng thốt này phụ thuộc vào loại vật liệu làm điện
cực và trạng thái bề mặt của điện cực.
4.2.3. Quá trình hình thành, phát triển thác điện tử và q trình phóng
điện trong điện mơi khí:
Q trình ion hố chất khí sẽ đưa đến sự hình thành thác điện tích trong khu
vực giữa 2 điện cực. Nếu tiếp tục tăng điện áp thác điện tích phát triển mạnh, khi
mật độ điện tích đủ lớn sẽ gây nên sự phóng điện trong điện mơi khí tạo thành dịng
Plazma nối liền giữa 2 điện cực.
Chúng ta xét quá trình ion hố chất khí giữa
hai điện cực với nguồn điện áp một chiều như hình
4.1. Giả thiết rằng ban đầu vì lý do nào đó có tồn tại
một điện tử tự do ở phía cực âm. Dưới tác dụng của


điện trường E , điện tử bay về phía cực dương.
Trong quá trình chuyển động điện tử sẽ va chạm với

các phân tử khí và gây nên ion hố với hệ số ion hoá
là . Sau mỗi lần ion hoá xuất hiện thêm điện tử tự
do và ion dương. Các điện tử tự do mới được sinh ra Hình 4.1: Thác điện tử và sự phân bố
cũng được gia tốc, tích luỹ năng lượng và gây nên điện tích và điện trường
ion hoá, đồng thời các ion dương mới được sinh ra
cũng được sinh ra sẽ chuyển động theo chiều ngược lại bay về phía cực âm cũng có
thể gây ion hố chất khí với hệ số  (thường <<)… Do đó số lượng điện tích (ion
dương và điện tử tự do) trong khoảng không gian giữa hai điện cực tăng lên nhiều
lần, chúng tập hợp thành thác điện tích; thường gọi là thác điện tử.
Trên hình 4.1a cho ta mơ hình thác điện tử khi thác phát triển tới độ dài x. Do
điện tử bé và nhẹ nên tốc độ lớn và dễ khuếch tán dồn về phía đầu thác và rải trên
khoảng khơng gian rộng. Cịn các ion dương do có khối lượng và kích thước lớn,
Bài giảng Vật liệu điện

24


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

nên di chuyển chậm với tốc độ chậm hơn (bằng khoảng 1/100 tốc độ của điện tử),
chúng phân bố ở khu vực thân và đuôi thác. Hình 4.1b cho sự phân bố điện tử tự do
(ne) và ion dương (ni). Sự tồn tại các điện tích của thác điện tử sẽ tạo nên điện
trường phụ do các điện tử tự do (Ee) và ion dương (Ei) gây nên (hình 4.1c). Chúng
làm biến dạng điện trường tổng, đường biểu diễn trên hình 4.1d
Xét về sự biến dạng của trường (hình 4.1d) ta thấy phía đầu thác trường được
tăng cường nhiều, nhưng ngay sau đầu thác trường lại giảm đột ngột, cả hai nơi này
đều có khả năng bức xạ phô tôn. Ở đầu thác trường được tăng cường cao hơn điện
trường E bên ngoài, do vậy dẽ dàng gây nên ion hố phần khí tiếp theo tạo nên các
thác điện tử mới hướng về phía điện cực đối diện. Mặt khác, do trường tăng cao làm
cho các phân tử khí ở gần sẽ bị kích thích, khi chúng trở lại trạng thái ban đầu sẽ trả

lại năng lượng dưới dạng các phơ tơn. Cịn ở phía sau đầu thác do trường giảm đột
ngột nên xảy ra hiện tượng kết hợp và cũng trả lại năng lượng đươi dạng phô tôn.
Các phô tôn này chuyển động với tốc độ tương đương tốc độ ánh sáng, nên trong
khi thác ban đầu đang phát triển (giả thiết một đoạn là x) thì các phơ tơn dã vượt
trước thác, gây ion hóa và hình thành các thác thứ cấp phía trước thác ban đầu hoặc
cũng có khả năng giải thốt các điện tử từ bề mặt điện cực góp phần tăng thêm số
lượng điện tích và để kế tiếp thác điện tử ban đầu kểt trên.
Dưới tác dụng của điện trường, thác điện tích càng được phát triển đồng thời
được kéo dài ra và khi tiếp cận với các điện cực các điện tích của thác điện tử sẽ
trung hồ trên điện cực, kết thúc quá trình hình thành và phát triển thác điện tử.
Q trình đó chưa thể gọi là phóng điện vì chưa tạo nên dịng điện lưu thơng
liên tục giữa hai điẹn cực. Như vậy để có phóng điện cần thiết phải có xuất hiện các
điện tử mới để hình thành các thác mới, trước khi thác thứ nhất kết thúc và hình
thành các thác thứ cấp ngay phía trước thác ban đầu.
Trong giai đoạn tiếp theo, các thác này đuổi kịp nhau và hình thành “dịng”
hướng từ cực âm đến cực dương. Đồng thời hình thành dịng các điện tích dương
hướng ngược lại (gọi là dịng dương). Thực tế cho ta thấy khi thác điện tích có mật
độ điện tích lớn (khoảng 1012 ion/cm3) và gần tiếp cận tới điện cực dương, toàn bộ
điện áp giữa hai điện cực dồn đặt lên một khe khí hẹp ở tại đó cường độ điện trường
rất lớn làm bứt các ion dương từ cực dương chuyển động theo chiều ngược lại của
thác điện tử. Khi chúng hoà nhập làm một sẽ gây nên phóng điện chọc thủng điện
mơi khí tạo thành dịng plazma, kết thúc bằng q trình phóng điện.
Thường phóng điện trong chất khí xảy ra rất nhanh gần như tức thời, nếu khe
hở khí là 1 cm thì thời gian phát triển phóng điện chọc thủng khoảng 10-8÷10-7giây.
4.2.4. Các dạng phóng điện của điện mơi khí
Tuỳ thuộc vào cơng suất nguồn, áp suất khí và dạng của điện trường, q trình
hình thành dịng Plasma có khác nhau và đưa đến các dạng phóng điện khác nhau:
*) Phóng điện toả sáng

Bài giảng Vật liệu điện

25