🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình vật liệu điện và từ Ebooks Nhóm Zalo .0000021491 GS.TS HOÀNG TRỌNG BÁ GIÁ O TRÌN H V Ậ T LIỆ U BIỆN VA Từ (Dùng cho các trường đại học và cao đẳng khối công nghệ) GUYÊN ; LIỆU n ú t HA XUÀT BAN f # - Ạl HỌC QUỐC GIA TP.HỔ CHÍ MINH PGS.TS. HOÀNG TRỌNG BÁ GIÁ O TRÌN H VẬT LIỆU ĐIỆN VÀ TỪ • • • (Sách dùng cho các lớp ngành điện hệ đại học và cao đẳng) ĐẠIHỌGTHÁINGUYÊN 'TRŨNG TÂM HỌC LIỆU NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHÔ HỒ CHÍ MINH L ỜI NÓI ĐẨU Cuốn "Giáo trình vật liệu điện và fù"'dùng để giảng dửy cho các lớp hệ điện và điện tử bậc đửi học, cao đẳng. Giáo trình này có khác với các giáo trình trước nay đã sử dụng là tác giả đưa ra một số khái niệm mới về phân loửi vật liệu, đi sâu về cấu tửo của vật liệu để người đọc hiểu sâu sắc hơn về tính chất của nó, từ đó sử dụng vật liệu đúng chỗ hơn. Trong cuốn sách này, tác giả cũng đưa ra các ký hiệu vật liệu theo tiêu chuẩn của các quốc gia khác, nhưng chủ yếu là theo TCVN (Tiêu chuẩn Việt Nam), để các cán bộ kỹ thuật nhà máy có thể đối chiếu trong các bản vẽ chế tửo các khí cụ và thiết bị điện. Tác giả cũng chú trọng giới thiệu về các công nghệ chế tửo vật liệu, để từ đó các nhà máy có thể kết hợp với những công nghệ chế tửo này và gia công các linh kiện, khi cụ điện cho phù hợp với yêu cầu sử dụng. Vì công nghệ gia công khác nhau và vật liệu có thành phần khác ít thôi cũng đủ làm cho các tính chất vế điện và từ của khí cụ điện thay đổi nhiều. Để giúp cho sinh viên và cán bộ giảng dửy có kiến thức về nghiên cứu vật liệu điện, tác giả giới thiệu thêm các phương pháp nghiên cứu những tính chất của vật liệu dưới dửng "Phần tham khảo" viết ỏ cuối mỗi chương hoặc cuối trang của một số phần trình bày các tính chất vật liệu. Cuốn giáo trình này có mượn một số đoửn của "Giáo trình vật liệu điện" của tác giả Nguyễn Đình Thắng, mong tác giả Nguyễn Đình Thắng thông cảm. Sách có thể dùng để tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật của các xí nghiệp chế tửo thiết bị và linh kiện điện. Trong quá trình biên soửn, có thể còn nhiều điểm chưa sát với yêu cầu thực tế của người học và người sử dụng, mong các bửn đọc đóng góp ý kiến để lần tái bản có thêm nhiều điểm hoàn chỉnh hơn. Tác giả 3 CHƯƠNG ì KHÁI NIỆM VỀ CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BIỆN - Từ • • • Tất cả các vật liệu dùng trong công nghiệp được sử dụng có thể ở cả 3 trửng thái: rắn, lỏng và khí. ở trửng thái rắn như: sắt, thép, gỗ, đá, chất dẻo, cao su V.V....Ở trửng thái lỏng như: xăng, dầu, rượu, benzen, nước, glyxêrin v.v... ở trửng thái khí và hơi như: hơi nước quá nhiệt (có nhiệt độ cao hơn 100°C), khí oxy (02 ), khí axêtylen dùng trong ngành hàn, khí cacbonic (C02) đã được hóa lỏng dùng làm lửnh bia, nước ngọt v.v... I. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU Các vật liệu ở trửng thái rắn dùng đế chế tửo các máy móc, công trình, vật dụng dùng trong đời sống hàng ngày của con người. Các vật liệu này có thể chịu được một lực tác dụng nhất định nào đó mà không bị thay đổi hình dáng được gọi là vật liệu kết cấu. Vật liệu kết cấu có thể được phân loửi như sau: 1. Phân loửi theo tính dẫn điện Theo tính dẫn điện, vật liệu được chia thành: - Vật liệu dẫn điện là các vật liệu có khả năng dẫn điện tốt trong các điều kiện thông thường. Để phân biệt với các vật liệu không dẫn điện, người ta phân biệt qua hệ số nhiệt điện trỏ suất, ký hiệu bằng chữ oe. Các vật liệu dẫn điện thường là các kim loửi nên có hệ số (X > 0, hay còn gọi là các vật liệu có tinh kim loửi. Ngoài ra còn có một số môi trường lỏng cũng dẫn điện. - Vật liệu không dẫn điện, hay còn gọi là vật liệu cách điện là các vật liệu có giá trị a < 0. thường là các vật liệu phi kim loửi (không kim loửi). - Vật liệu bán dẫn là các vật liệu khi ở nhiệt độ thấp có tính cách điên (a < 0), nhưng khi ở nhiệt độ cao trở thành dẫn điện (a > 0). 2. Phân loửi theo từ tính Theo tính chất từ, vật liệu được chia thành 3 loửi căn cứ vào giá trị ... ,= , - ... - _ B cua đô tham từ li. Độ thâm từ u = —. hỉ - Vật liệu nghịch từ là các vật liệu có độ thấm từ ụ <1. - Vật liệu thuận từ các vật liệu có độ thấm từ |i >1. 5 - Vật liệu dẫn từ hay vật liệu sắt từ là các vật liệu có độ thấm từ ụ »1. 3. Phân loửi theo cấu tửo bên trong Tùy thuộc vào cấu tửo bên trong, vật liệu kết cấu được chia thành 3 loửi: Vật liệu tinh thể, vật liệu vô định hình và vật liệu gốm. Theo sự phát triển của khoa học hiện đửi, người ta còn có thể phân thêm một loửi mới có cấu trúc cơ bản khác với các loửi vật liệu kể trên là vật liệu compozit. - Vật liệu tinh thể: Gồm các kim loửi nguyên chất, các hợp kim và các loửi đá, các muối vô cơ. Vật liệu tinh thể là các vật liệu mà ỏ trửng thái rắn, các nguyên tử của chủng luôn luôn được sắp xếp thèo một trật tự nhất định gọi là mửng tinh thể. Trong dó, các kim loửi và hợp kim như sắt, nhôm, đổng, thép, gang, đuyara có tính kim loửi, còn các loửi đá và muối như muối ăn (NaCI), đá vôi (CaC03), thửch cao (CaSOa) có cấu tửo mửng tinh thể nhưng lửi không có tính kim loửi nên thuộc vật liệu phi kim loửi. - Vật liệu vô định hình: Các vật liệu mà các nguyên tử, phân tử của chúng không sắp xếp theo mửng tinh thể. Hầu hết các vật liệu phi kim loửi (trừ đá và muối) đều ở dửng vô định hình như gỗ, chất dẻo, thủy tinh, vải, amian v.v... - Vật liệu gốm: Vật liệu mà cấu tửo bên trong gồm vừa có các tinh thể vừa có một phần vật chất ỏ dửng vô định hình. Trong thiên nhiên vẫn tồn tửi các vật liệu gốm, nhưng tính chất không ổn định nên ít được sử dụng trong công nghiệp. Vật liệu gốm công nghiệp chủ yếu là nhân tửo. Để chế tửo vật liệu gốm kim loửi hoặc phi kim loửi, người ta chế tửo các hửt tinh thể rất nhỏ gọi là bột, sau đó ép lửi thành hình một sản phẩm nào đó rồi nung nóng (gọi là thiêu kết) để các hửt bột dính lửi với nhau tửo thành sản phẩm. Do ép từ bột nên bên trong vật liệu gốm bao giờ cũng có những lỗ hổng (lỗ bông) chứa không khí, vi vậy vật liệu gốm bao giờ cũng "xốp" hơn các vật liệu khác. Độ xốp là điểm đặc biệt của vật liệu gốm. - Vật liệu compozit: Một loửi vật liệu nhân tửo mới được phát triển vào giữa thế kỷ 20. Vật liệu compozit là vật liệu gồm 2 thành phần vật liệu khác nhau phối hợp thành một vật liệu mới. Trong đó, loửi vật liệu thứ nhất gọi là vật liệu cốt, có nhiệm vụ chịu lực, còn vật liệu thứ hai gọi là vật liệu nến, có nhiệm vụ liên kết các vật liệu cốt lửi với nhau. Vật liệu compozit có thể có tinh kim loửi hoặc cũng có thể không có tính kim loửi. li. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Như chúng ta đã biết, mọi vật chất được cấu tửo từ các nguyên tử và phàn tử. Nguyên tử là phần cơ bản của vật chất. Theo mô hình Bom, nguyên tủ được cấu tửo bởi hửt nhân mang điện tích dương và các điện tử (electron) mang điện tích âm chuyển động xung quanh hửt nhân theo quỹ đửo nhất định. 6 Hửt nhân của nguyên tử được tửo nên từ các hửt prôton và nơtron. Nơtron là các hửt không mang điện, còn prôton có điện tích dương với số lượng diện tích bằng z.q. Trong đó: J z -số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự của nguyên tố nguyên tử đó trong bảng tuần hoàn Menđêlêep. / q - điện tích của điện tử e (qc=1,601.10"19 C). Prôton có khối lượng bằng 1,67.10'27kg, điện tử (e) có khối lượng bằng 9,1.10"31 kg. ở trửng thái bình thường, nguyên tử được trung hòa về điện, nghĩa là trong nguyên tử có tổng các điện tích dương của hửt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện tử. Nếu vì lý do gì đó, nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì nguyên tử sẽ trở thành tích điện dương, ta thường gọi là ion dương. Ngược lửi, nếu nguyên tử đang ở trửng thái trung hòa mà nhận thêm điện tử thì trở thành tích điện âm và được gọi là ion âm. Để có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của hydro. Nguyên tử này được cấu tửo từ 1 prôton và 1 điện tử. Khi điện tử chuyển động trên quỹ đửo tròn bán kính r xung quanh hửt nhân, thì điện tử sẽ chịu lực hút của hửt nhân f, và được xác định bởi công thức sau: (1-1) Lực hút f, sẽ được cân bằng với lực ly tàm của chuyển động f 2: Trong đó: s m-khối lượng của điện tử. / V -tốc độ chuyển động của điện tử. Từ (1-1) và (1-2) ta có: f,= f 2 hay: (1-3) Trong quá trình chuyển động, điện tử có một động năng T = mv và 2 một thế năng u =-— , nên năng lượng của điện tử sẽ bằng: r w = T + u = - — 2r (1-4) 7 Biểu thức (1-4) ở trên chứng tỏ mõi điện tử của nguyên tử có một mức năng lượng nhất định, năng lượng này tỳ lệ nghịch vơi bán kính quỹ đửo chuyển động của điện tử. Để di chuyển điện tử từ quỹ đửo chuyển động bán kính r ra xa vô cùng cần phải cung cấp cho nó một năng lượng ì CỊ~ lớn hơn — . 2r Năng lượng tối thiểu cung cấp cho diện tử, dể diện tử tách rời khỏi nguyên tử và trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng lon hóa (Wj). Khi bị ion hóa (bị mất điện tử), nguyên tử trỏ thành ion dương. Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do gọi là quá trình lon hóa. Trong một nguyên tử, năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau. Các điện tử hóa trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hóa thấp nhất vì chúng cách xa hửt nhân (xem công thức 1-4). Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa, chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, song chúng luôn có xu thế trở về vị trí của trửng thái ban đầu. Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lửi dưới dửng năng lượng quang học (quang năng). Trong thực tế, năng lượng lon hóa và năng lượng kích thích nguyên lử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện năng; năng lượng của các tia sóng ngắn như tia a, p, Y hay tia rơnghen v.v... IU. CẤU TẠO PHÂN TỬ Phân tử được tửo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử. Trong vật chất tồn tửi 4 loửi liên kết sau: 1. Liên kết dồng hóa trị Liên kết đồng hóa trị được đặc trưng bởi sự góp chung một số điện tử để có đủ 8 điện tử ở lớp ngoài cùng. Khi đó mật độ đám mây điện tử giũa các hửt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững. Lấy thí dụ cấu trúc của phân tử do. Phân tử do (Cl2) gồm 2 nguyên tử do, môi nguyên tử do có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng. Hai nguyên tử này được liên kết bền vững với nhau bằng cách # C 1 * - # c * # • , C'*C1 * sử dụng chung 2 điện tử, lớp vỏ • • * • • * • • • • ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm 1 điện tử của nguyên Hìn h 1- Liê n kê t đ ồ n9 hó a u i tron 9 tử kia (hình 1). phân tử Clo 8 Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết dóng hóa trị có thể là trung tính hay cực tính (lưỡng cực). - Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và trọng tâm của các điện tích âm trùng nhau là phân tử trung tính. Các chất được tửo nên từ các phân tử trung tính gọi là chất trung tính hay chất không cực. - Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng cách V nào đó được gọi là phân tử cực tính hay còn gọi là phân tử có cực. Phân tử cực tính đặc trưng bởi mômen lưỡng cực m = q.l. Dựa vào trị số mômen lưỡng cực của phân tử người ta chia ra chất cực tính yếu và chất cực tính mửnh. Liên kết đồng hóa trị còn thấy ở cả chất rắn vô cơ có mửng tinh thể cấu tửo từ các nguyên tử, thí dụ như kim cương, cấu tửo của kim cương được mô tả trên hình 2. Hình 2. Cấu tửo tinh thể kim cương 2. Liên kết ion Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử. Các nguyên tử cho điện tử trở thành ion dương, còn các nguyên tử nhận điện tử trỏ thành lon âm. Các ion này sẽ hút nhau tửo thành phân tử. Liên kết ion là liên kết khá bền vững. Do vậy, vật rắn có cấu tửo lon đặc trưng có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Thí dụ điển hình về tinh thể ion là các muối halõgen của kim loửi kiềm. Cấu trúc tinh thể ion của clorua natri được chỉ rõ ở hình 3. Hình 3. Cấu trúc liên kết ion của clorua natri Khả năng tửo nên một chất hoặc một hợp chất có mửng tinh thể không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu kích thước nguyên tử và hình dáng lóp điện tử hóa trị ngoài cùng. Liên kết ion càng mửnh (bền vững) khi nguyên tử chứa càng ít điện tử nghĩa là các điện tử cho hoặc nhận nằm càng gần hửt nhân. 3. Liên kết kim loửi Các ion dương tửo thành một mửng tinh thể xác định, đặt trong không gian điện tử tự do "chung". Đó là hình ảnh liên kết kim loửi. Nàng lượng liên kết là tổng hợp lực đẩy và hút tĩnh điện giữa các ion dương và mây điện tử tự do (hình 4). e e m E © © ^ — — — — •—* u © e e e _ © © — © — —© — e— © Hình 4. Sơ dồ cấu tửo kim loửi Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tửo nên tính nguyên khối của kim loửi. Sự tồn tửi các điện tử tự do làm cho kim loửi có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loửi được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt trên nhau giữa các lớp ion, nên kim loửi dễ cán, kéo, dát mỏng. 4. Liên kết Vandec-Van (Van der VVaals) Liên kết đồng hóa trị cho phép lý giải sự tửo thành những phân tử như nước (H2 0) hoặc polyetylen (C2H2)n, nhưng không cho phép lý giải sự tửo thành một số vật rắn từ những phân tử trung hòa như nước đá, các polyme khác. Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do sự khác nhau về tinh âm điện của các nguyên tử tửo thành các phân tử có cực. Liên kết Vandec-Van là liên kết do hiệu ứng hút nhau giữa các nguyên tử hoặc phân tử bị phân cực ỏ trửng thái rắn (hình 5). Liên kết này là loửi liên kết yếu, rất dễ bị phá vỡ do va động nhiệt. Vì vậy những chất rắn trên cơ sở liên kết Vandec-Van có nhiệt độ nóng chảy thấp. Hình 5. Mô hình liên kết Vandec-Van lũ IV. LÝ THUYẾT PHÂN VÙNG NĂNG LƯỢNG TRONG VẬT RAN Khi nguyên tử ở trửng thái binh thường không bị kích thích, một số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy, còn ỏ các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận được năng lượng từ bên ngoài tác động (trửng thái kích thích). Nguyên tử luôn có xu hướng quay về trửng thái ổn định. Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lượng dư thừa. Trửng thái năng lượng của điện tử trong nguyên tử không đồng đều và được phân thành các vùng năng lượng. Có thể khái niệm sự phân vùng năng lượng của điện tử trong nguyên tử như sau: Một chất có thể xem như cấu tửo bài một số lớn nguyên tử được đưa vào sắp xếp với nhau có trật tự trong mửng tinh thể. ở những khoảng cách tương đối xa, mỗi nguyên tử là độc lập với các nguyên tử khác và sẽ có các mức năng lượng trong nguyên tử và có cấu hình điện tử giống như nguyên tử đứng cô lập. Tuy nhiên, khi các nguyên tử càng xích lửi gần nhau thì các điện tử càng bị kích thích (hay bị nhiễu loửn) bởi các điện tử và các hửt nhân của các nguyên tử lân cận. Ảnh hưỏng này làm cho mỗi một trửng thái điện tử trong nguyên tử riêng biệt bị phân tách thành một loửt các trửng thái điện tử nằm sát nhau, hình thành nên một vùng năng lượng điện tử. Sự giãn rộng từ một mức năng lượng điện tử trong nguyên tử thành một vùng năng lượng trong vật rắn tùy thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử. Sự giãn rộng này bắt đầu từ các điện tử ngoài cùng của nguyên lử vì chúng bị nhiễu loửn trước tiên khi các nguyên tử liên kết lửi với nhau. Trong mỗi vùng, các mức năng lượng vẫn là gián đoửn, tuy nhiên, khoảng cách giữa các mức kề nhau là hết sức nhỏ. ở khoảng cách nguyên tử cân bằng, sự tửo thành vùng năng lượng có thể xẩy ra với các lớp điện tử ỏ gần hửt nhân nhất. Ngoài ra, ở các vùng kể nhau có thể tốn tửi những khe năng lượng hay còn gọi là những vùng cấm: bình thường thi các điện tử không được phép chiếm lĩnh những mức năng lượng nằm trong các khe này. Các tinh chất điện của vật liệu rắn phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng điện tử của nó, cụ thể là vào sự sắp xếp các vùng ngoài cùng và cách thức lấp đầy chúng bởi các điện tử. Có thể hiểu sự khác biệt về cấu trúc vùng năng lượng của các vật kim loửi, bán dẫn và vật cách điện như trên hình 6. li a b c Hình 6. Biểu dồ năng lượng của diện môi (a), bán dẫn (b) và kim loửi (c) Trên biểu đồ này: 1- gọi là vùng hóa trị, 2- vùng cấm, 3- vùng dẫn. Theo lý thuyết vùng thì các điện tử ỏ vùng hóa trị chuyển động tự do ở tất cả vật thể rắn mà không phụ thuộc vào chúng là kim loửi hay điện mỏi. Sự chuyển động được thực hiện bói đường hầm chuyển tiếp điện tử từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Để giải thích sự khác biệt về tính chất điện của vật liệu phải để ý sự khác biệt phản ứng với điện trường ngoài của điện tử ở vùng hóa trị và vùng dẫn. Điện trường ngoài làm phá vỡ tính đối xứng trong việc phân bố điện tử theo tốc độ, tăng tốc các điện tử chuyển động theo hướng tác dụng lực và làm chậm các hửt có hướng chống lửi hướng tác dụng lực. Tuy nhiên, sự tăng tốc tương tự và sự làm chậm lửi gắn liền với sự thay đổi năng lượng của điện tử và gây ra sự di chuyển chúng vào trửng thái lượng tử mới. Những chuyển tiếp này có thể thực hiện chỉ trong trường hợp nếu như vùng năng lượng có mức tự do. Trong kim loửi, vùng ở đây không đầy, chỉ cần trường rất nhỏ cũng truyền cho điện tử một xung làm nó chửy vào mức tự do. Vì nguyên nhân này kim loửi có tinh dẫn điện cao. Trong chất bán dẫn và điện môi ở nhiệt độ 0 K thì tất cả các điện tử ở vùng hóa trị, còn vùng dẫn hoàn toàn tự do. Các điện tử nằm ỏ vùng cấm không thể tham gia tửo ra dòng điện. Để tửo được dòng điện cẩn phải chuyển mót phần điện tử từ vùng đầy vào vùng dẫn. Năng lượng điện trường cần phải rát lớn để thực hiện việc chuyển tiếp này. V. CẤU TẠO VẬT LIỆU TINH THE Tất cả các vật liệu kim loửi, các loửi muối, đá ô trửng thái rắn đêu ở trửng thái tinh thể nghĩa là các nguyên tử của chúng được sắp xếp theo một trật tự nhất đinh gọi là mửng tinh thể không gian như trên hình 7a. Tinh thể có càu trúc tuấn hoàn. Có thể coi mửng tinh thể như gồm các hình khối đơn giản giông nhau, xếp liên tiếp nhau theo 3 chiều đo hợp lửi thành tinh thể. Khối đó được gọi là khối cơ bản (hay ó cơ bản). 1Z Khối cơ bản lả hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đửi diện chung cho mửng tinh thể như ở hình 7b. Hình 7. Mửng tinh thể không gian (a) và khối cơ bản (b) Nếu toàn khối vật chất được cấu tửo đổng nhất theo một kiểu mửng nào đó thi được gọi là mửng lý tưởng. Tuy nhiên, trong thực tế không phải lúc nào các nguyên tử vật chất đểu được sắp xếp theo mửng lý tưởng, mà thường có sự sai lệch trong sự sắp xếp các vị trí nguyên tủ trong mửng tinh thể. Những chỗ sai lệch đó gọi là sai lệch mửng. Sai lếch mửng tinh thể được chia làm 3 loửi: sai lệch điểm, sai lệch đường và sai lệch mặt. Sai lệch điểm gồm nút trống, nguyên tử xen kẽ giữa các nút mửng và nguyên tử tửp chất hay nguyên tử lử như trên hình 8. Chính các sai lệch điểm này là một trong những nguyên nhân tửo nên sự dẫn điện trong chất bán dẫn. Hình 8. Sai lệch điểm trong mửng tinh thể. a -Nút trống b - Nguyên tử xen kẽ giữa các nút mửng c -Nguyên tử tửp chất Sai lệch đường là dửng sai lệch được nghiên cứu nhiều nhất mà dửng điển hình là lệch (còn có tên là dislocation). Sai lệch đường gồm có lệch biên (lệch thẳng) và lệch xoắn như trên hình 9. 13 a b Hình 9. a-Lệch biên; b- Lệch xoắn Sai lệch mặt lử sai lệch phát triển hửn chế theo một chiểu nghĩa là phát triển theo các mặt. Thí dụ, các mặt biên giới hửn là một dửng của sai lệch mặt. Nếu một khối vật liệu chỉ gồm một tinh thể thi gọi là vật liệu đơn tinh thể. Trong đơn tinh thể vật liệu mang tính có hướng hay dị hướng, nghĩa là theo các hướng khác nhau tính chất của vật liệu (cơ tính, lý tính, hóa tính) sẽ khác nhau. Để thể hiện được các hướng và mặt khác nhau trong mửng tinh thể người ta quy ước cách ký hiệu mặt và phương tinh thể. Để ký hiệu một mặt tinh thể nào đó người ta đặt ô cơ bản của mửng tinh thể đó vào gốc của hệ trục toa độ Decart (OX, OY, OZ). Lấy giao điểm của mặt đó với 3 trục rồi lấy số nghịch đảo của 3 giao điểm đó, xếp theo thứ tự theo 3 trục ox, OY, OZ và đặt trong ngoặc đơn. Giá trị trong ngoặc đơn là ký hiệu của mặt tinh thể cần biết. Thí dụ trên hình 1-10, đặt ô cơ bản hình khối lập phương ABCDOEFG lên trục tọa độ Decart, điểm o trùng với điểm gốc 0. Hãy xác định ký hiệu của mặt MNEF: Giao điểm của mặt MNEF với 3 trục của hệ tọa độ là: Với trục ox giao điểm tửi điểm E có giá trị là 1 (nếu lấy giá trị mỗi cửnh của ô cơ bản là 1), giao điểm với trục OY là vô cực, giao điểm với trục 0Z là 1/3. Lấy số nghịch đảo của giá trị 3 giao điểm theo thứ tự 3 trục ox, OY, 0Z là 1, Ó, 3. kỷ hiệu mặt MNEF là (103). Hình 10. Cách ký hiệu mặt tinh thể 14 Trong thực tế, nhất là đối với kim loửi, do nhiều nguyên nhân của các quá trinh gia công khác nhau, cấu trúc của kim loửi thường không đông nhất? các tinh thể có những hướng khác nhau. Mỗi tinh thể như vậy được gọi là hửt và toàn khối kim loửi gọi là đa tinh thể. Trong đa tinh thể, do tính định hướng của các hửt khác nhau và ngẫu nhiên nên tổng hợp các hưđng của các hửt trong đa tinh thể là vô hướng hay đẳng hướng. Tuy nhiên, trong sản xuất khi cần kim loửi mang tính có hướng người ta lửi có những phương pháp gia công để có sự sáp xếp lửi các mặt tinh thể theo một hướng nhất định và lúc này kim loửi mang tính có hướng. Tất cả các vật liệu tinh thể được sắp xếp theo 14 kiểu mửng khác nhau như trên hình 11. Trong đó, đa số các nguyên tố kim loửi được sắp xếp theo 3 kiểu mửng thường gặp nhất là mửng lập phương tâm khối (Hình 12c) mửng lập phương tâm mặt (Hình 12a) và mửng sáu phương điền đầy (Hình 12b). —í Ít Ả Ẩ U lo 12 f 7 c V 13 14 Hình 11. Các kiểu mửng tinh thể của vật liệu rắn 1-Đơn tà; 2-Đơn tà mặt tâm đối; 3-Tam tà; 4-Lục giác; 5-Trực thoi; 6-Hình thoi đơn giản 7-Thoi thể tâm; 8-Thoi tâm mặt đối 9-Thoi tâm mặt; 10-Lập phương đơn giản 11-Lập phương tâm khối; 12-Lập phương tâm mặt 13-Chính phương đơn giản; 14-Chính phương tâm khối 15 Hình 12 a-Mửng lập phương tâm mặt b-Mửng lục giác điền đầy C-Mửng lập phương tâm khối VI. CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU v ô ĐỊNH HÌNH Vật liệu vô định hình điển hình là các vật liệu polyme. Polyme hay còn gọi là cao phân tử là các vật thể mà đửi phân tử cùa nó gồm nhiều mắt xích cơ bản có tổ chức giống nhau liên kết với nhau theo kiểu lặp đi lặp lửi nhiều lần. Thuật ngữ polyme xuất phát từ chữ Hy Lửp: polymeros (poly=nhiểu meros=phẩn). Mỗi mắt xích cơ bản gọi là một đơn phân hay monome. VI khối lượng phân tử của polyme rất lớn nên mỗi phân tử được gọi là một đửi phân tử va do đó vật liệu polyme, hay còn gọi là vật liệu cao phân tử Các đửi phân tử của polyme có thành phần hóa học giống nhau nhưng thường co kích thước khác nhau. Đửi phân tử có thể được tửo thành từ các đơn phàn (monome) giống nhau hoặc khác nhau về thành phần hóa học. Khối lượng đửi phân tử của polyme có thể từ 5000 đến cả triệu. Đửi phân tử khi gồm các đơn phân giống nhau thì được gọi là homopolyme. Trong trường hợp gồm các dpn phân khác nhau thì gọi là copolyme. Khi mửch co bản của polyme được cấu tửo bởi các nguyên tủ cùng loửi thì gọi là polyme đồng mửch, nếu bồi các nguyên tử khác loửi thì gọi là polyme dị mửch. 1. Phân loửi polyme Có nhiều cách phân loửi polyme: a. Phân loửi theo nguồn gốc có: -!l*í>tyíTie thiên nhiên như cửo su thiên nhiên, xenlulô, mica, graphit... 16 - Polyme nhân tửo hay còn gọi là polyme tổng hợp như chất dẻo, cao su nhân tửo. b. Phân loửi theo thành phẩn có: > Polyme hữu cơ Là polyme có mửch cơ bản là một hydrocacbon Nếu mửch phân tử cơ bản chỉ gồm các nguyên tử cacbon thì gọi là polyme mửch cacbon hay polyme đồng mửch. Trong đó các nguyên tử c nối với các nguyên tử H hoặc các gốc hữu cơ khác. Thí dụ: H l i l i ... c- c - c- c- ... R = gốc hữu cơ (radical) R Trong polyme dị mửch, mửch cơ bản gồm các nguyên tử c và các nguyên tử khác làm thay đổi rất lớn tính chất của polyme. Thí dụ: ! 0 ... - ứ - 0 - ộ-... hoặc - ố - N- Ổ - l i I Khi nối với các nguyên tử c trong mửch, các nguyên tử H làm tăng tính uốn của mửch, do đó làm tăng tính dẻo của polyme (như đối với các sợi và màng chất dẻo), các nguyên tử p và Cl làm tăng tính chịu nóng, nguyên tử s làm tăng tính chống thấm (thí dụ trong cao su), F làm tăng tính bển hóa học. Một số polyme mửch cacbon và di. mửch có thể có hệ thống liên kết liên hợp như: ...-CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH-... hoặc... Q-Q- Q Năng lượng mửch liên hợp lớn hơn loửi đồng mửch. Thí dụ: năng lượng liên kết C-C là 80Kcal/mol. Trong lúc đó năng lượng liên kết giữa các mửch liên hợp đến 100-110 Kcal/mol. Do đó làm tăng tính ổn định khi nung nóng. Polyme hữu cơ gồm các loửi thực vật, chất dẻo và cao su. V Polyme vô cơ Là các polyme mà trong mửch cơ bản của chúng không có các hydrocacbon. Thí dụ thủy tinh silicat, gốm, mica, amian. Thành phần cơ bản của các polyme vô co là các loửi oxit silic, oxit nhôm, oxit magiê, oxit canxi... Trong silicat có 2 loửi liên kết: các nguyên tử trong mỗi mắt xích nối với nhau bằng liên kết đồng hóa trị (Si-O), còn liên kết giữa các mắt xích là liên kết ion. Do đó tính chất của các chất này thay đổi trong phửm vi rất rộng; tử sợi thúy tinh (có t ỈỊỊj ^ Ị c ^ ị ^gệ p Ị(Ịl(rò¥Ỉn|f TRŨNGTAMHỌC LIỆU 17 hổi. Polyme vô cơ có mật độ cao, bền nhiệt. Nhưng thủy tinh vả gốm thì đón, không chịu tải trọng động. Graphit thuộc loửi polyme vô cơ nhưng có mửch cacbon. > Polyme hữu cở phần tử Là polyme mà trong mửch cơ bản chứa các nguyên tử vô cơ như Si, Ti, AI...Các nguyên tử này nối với các gốc hữu cơ như metyl (-CH3), tenyl (-C6H5), etyl (-C2H5). Các gốc hữu cơ cho vật liệu tính bền và dẻo, còn các nguyên tử vô cơ cho tính chịu nhiệt cao. Trong thiên nhiên không có các loửi vật liệu này mà chỉ tửo được bằng cách tổng hợp nhân tửo. Thí dụ: Đửi diện cho nhóm này là hợp chất silic hữu cơ có cấu trúc: R R I _ I ... -Si-0-Si - ... ĩ í R' R' Giữa các nguyên tử Si và 0 có liên kết hóa học bển, liên kết siloxan Si-0 có năng lượng 89,3 Kcal/mol. Từ đó tính bền nhiệt của nhựa silic hữu cơ hoặc cao su siloxan cao hơn mặc dù tính đàn hổi và tính dẻo kém hơn so với nhựa hữu cơ và cao su thiên nhiên. Polyme chứa trong mửch cơ bản các nguyên tử Ti, o gọi là polytitanoxan, mửch cơ bản chứa Ti, 0, Si gọi là polytitansiloxan hữu cơ. c. Phân loửi theo hình dáng dửi phân tử Hình dáng đửi phân tử gọi là mửch cơ bản. Theo cấu tửo mửch, polyme được chia ra thành các loửi sau: > Polyme mửch thẳng Có đửi phân tử là một chuỗi các mắt xích nối nhau theo đường díc dắc hay hình xoắn ốc (hình 13a). Đửi phân tử uốn cong (hình bó) có độ bền cao dọc theo các mắt xích và độ bền thấp giữa các phân tử. Do đó làm cho vật liệu có tính đàn hồi và bị biến mềm khi nung nóng nhưng khi nguội thì cứng lửi. Nhiều polyme loửi này hòa tan trong các dung môi. Khi mật độ "bó" của các phân tử trong một đơn vị thể tích tăng thì độ bền và nhiệt độ biến mềm tăng nhưng khả năng hoa tan trong dung môi giảm. Thí dụ thuộc loửi này có polyetylen (PE), polyamid (PA)... > Polyme mửch nhánh (polyme phân nhánh). Cũng là polyme mửch thẳng nhưng trong đửi phân tử có thêm các nhánh (hình 13b). Sự phàn nhánh làm cản trỏ sự xích lửi gần nhau của các phản tử, do đó làm giảm liên kết giữa các phân tử và làm giảm "mật độ bó". Loửi này có độ bền thấp, dễ nóng chảy và dễ hòa tan hơn. Thí dụ: polyizobutylen (PIB). 18 > Polyme hình thang Gồm có hai mửch nối với nhau bằng liên kết hóa học. Khi cắt đứt các đửi phân tử polyme hình thang thường phải phá hủy mửch liên kết ở ít nhất là 2 chỗ theo quy luật ngẫu nhiên. Do đó chúng bền hơn loửi mửch thẳng (một mửch). Loửi này không hòa tan trong các dung môi hữu cơ tiêu chuẩn, có tính ổn định nhiệt cao hơn và cứng hơn. Thí dụ polyme silic hữu cơ (hình 13c). > Polyme mửng lưới Các mửch cửnh nhau trong polyme này được nối với nhau bằng liên kết đồng hóa trị ở mội số vi trí như trên hình 13d. cấu trúc mửng lưới có thể hình thành trong quá trình tổng hợp hoặc do phản ứng không thuận nghịch được tiến hành sau đó ồ nhiệt độ cao hoặc có xúc tác. Thông thường quá trình tửo mửng lưới được thực hiện bằng cách cho thêm các nguyên tử hoặc phân tử có thể tửo liên kết đồng hóa trị với mửch chính. Đa số các loửi vật liệu cao su có cấu trúc mửng lưới do quá trình lưu hóa. > Polyme không gian Các monome có ba nhóm hoửt động tửo nên polyme không gian ba chiểu. Các polyme này có tính chất cơ lý nhiệt đặc biệt. a ó Hình 13. Hình dáng các đửi phân tử của polyme d. Phân loửi theo trửng thái pha Theo trửng thái pha polyme được chia làm 2 loửi: polyme vô định hình (hay polyme 1 pha) và polyme tinh thể (hay polyme 2 pha). Theo phân tích Rơnghen và kính hiển vi điện tử, thực ra các đửi phân tử trong polyme không phân bố hỗn loửn mà có trật tự, liên quan với nhau. Tổ chức tửo thành do sự sắp xếp khác nhau của các phân tử gọi là siêu phân tử. Sự trật tự hóa trong tổ chức được xác định bằng tính uốn của các đửi phân tử mửch thẳng hoặc mửch nhánh sẽ làm thay đổi hình dáng xếp xen kẽ theo từng phần. Polyme vô định hình là loửi có một pha, tửo nên từ các phân tử của mửch, xếp thành từng bó. Mồi bó gồm nhiều dãy đửi phân tử phân bố nối tiếp nhau. Các bó có khả năng dịch chuyển tương đối với nhau giữa các phân tử nằm cửnh nhau. Polyme vô định hình cũng có thể tửo nên từ các mửch cuốn thành từng cuộn tròn gọi là "quả cầu". 19 Tổ Chức cầu của polyme có cơ tính không cao. Khi tăng nhiệt độ các quả cẩu duỗi ra thành dửng thẳng, làm tăng cơ tính của polyme. Polyme tim thể được tửo thành nếu các đửi phân tử của chúng đủ cong và có thể điều chỉnh được. ở những điều kiện tương ứng, chuyển biến pha xảy ra trong các bó và tửo thành mửng tinh thể không "0,741 mm" "•'0 49 gian như trên hình 14 Hình 14. Polyme tinh Trong trường hợp khi sự tửo thành các tinh thể khối tử các phân tử cấu trúc nhỏ hơn gặp khó khăn, thì các hình cẩu được tửo thành. Polyme có cấu trúc hình cầu phổ biến hơn. Kích thước của chúng tử vài chục micromet đến vài milimet. Thí dụ các loửi chất dẻo polyetylen, polypropylen, polyamid là những chất dẻo tinh thể. Liên kết giữa các mửch trong polyme thực hiện bằng ' . • V. lục Van der VVaals. Thông .-• thường, polyme là vật liệu vô : . định hình nhu ỏ hình 15a, tuy nhiên khi các mửch sắp xếpab theo một trật tự xác định sẽ Hình 15 được polyme tinh thể như ỏ a- polyme vô định hình hình 14. b-polyme bán tinh thể Sự kết tinh được thực hiện trong một khoảng nhiệt độ nhất định gọi là nhiệt đõ tinh thể hóa. ở điều kiện thông thường sự kết tinh không xảy ra. Trong thực tế trong polyme đã được tinh thể hóa thường có hai pha: pha tinh thể và pha võ định hình. Tỷ số thể tích giữa các vùng tinh thể và thể tích của cả khối polyme gọi là "mức độ tinh thể hóa". Mức độ tinh thể hóa càng cao, độ cứng và độ bền càng cao. Thí dụ polyetylen mửch thẳng mức độ tinh thể hóa 75-80%, trong loửi mửch nhánh là 60%. Trong thực tế không có được polyme hoàn toàn trật tự (tinh thể), giữa các vùng trật tự bao giò cũng tồn tửi những vùng không trật tự (vô định hình). Nếu polyme có cấu trúc hoàn toàn vô định hình như hình 15a thi gọi là polyme 1 pha. Nếu có cấu trúc gồm vừa vô định hình vửa tinh thể như ỏ hình 15b thi gọi là polyme bán tinh thể hay polyme 2 pha. Vùng sắp xếp trật tự trong polyme cũng cấu tửo từ các ó cơ sỏ như ở hình 14. e. Phân loửi theo mức dô phân cực Được chia ra polyme phân cúc (hay polyme cực tính) và polyme không phân cực (hay polyme trung Ì nh). 20 ở các phân tử polyme không phân cực, đám mây điện tử có tác dụng cố định các nguyên tử, được phân bố giữa các phân tử ở mức độ giống nhau. Ổ những phân tử đó, trung tâm kéo của các hửt tích điện khác dấu trùng với nhau. Đối với các phân tử polyme phân cực, đám mây điện tử chung dịch chuyển về phía các nguyên tử có tích điện âm hơn. Do đó trung tâm kéo của các hửt tích điện khác dấu nhau không trùng nhau. Sự phân cực của polyme được đánh giá bằng mômen lưỡng cực, ký hiệu là m, bằng tích của điện tích nguyên tố q (điện tích của một điện tử) trên khoảng cách Ì giữa các tâm kéo của các hửt mang điện âm và dương. Như vậy m = ql. Điện tích của một điện tử q = 4,8.10'10 đơn vị tĩnh điện, khoảng cách Ì khoảng "lũ"8em (Ả). Giá trị mômen lưỡng cực m khoảng 10"18 đơn vị tĩnh điện nhân với em (đvtđ.cm). Các giá trị này còn được đo bằng đơn vị Đê bai (D) (1đvtd.cm=1D). Thi dụ: C-H: m = 0.2D C-N:m = 0,4D C-O: m = 0,9D C-F: m = 1,83D C-CI: m = 2.05D Điều kiện đầu tiên để phân cực polyme là sự có mặt của các mối liên kết phân cực ở trong polyme (các phân nhóm C-CI; C-F; -OH). Điều kiện thứ hai là sự bất đối xứng trong tổ chức. Sự phân bố đối xứng của các nhóm chức năng tửo cho polyme không phân cực vì mômen lưỡng cực của các mối liên kết nguyên tử bù cho nhau. Thí dụ: - Polyme không phân cực (các phân tử đối xứng). " H H " H H 1 ĩ ĩ ' Ị Ị I I -c-c - 1 1 -c-c - 1 I -c-c - H H n H CH; ũ 1 1 1 ! I 1 1 Ì 1 Ị F F polyetylen polypropylen teflon-4 - Polyme phân cực: Trong polyvinyl clorua (PVC) phân tử không đối xứng, momen lưỡng cực C-H (0,2D) và C-CI (2.05D) không bù cho nhau được. Độ phân cực có ảnh hưởng đến tinh chất của polyme. • H H I 1 Ó PVC Thí dụ: Các polyme không phân cực (chủ yếu trên cơ sở các hydrocacbon) là chất điện môi chất lượng cao. Tính chất của các polyme không phân cực ở nhiệt độ thấp ít bị xấu đi, chịu lửnh tốt. Tính phân cực, trong khi làm tăng lực kéo giữa các phân tử, làm cho polyme cứng, chịu nhiệt kém, khó hòa tan vào các dung môi. Polyme phân cực dùng làm chất điện môi chỉ trong một phửm vi tần số hửn chế (tần số thấp). Z1 Ngoài ra, polyme phản cực có đặc trưng là chịu lửnh kém (thí dụ: polyvinylclorua chỉ chịu lửnh từ -10° đến -20°C). f. Phân loửi theo khả năng chịu nhiệt Polyme được chia ra hai loửi: polyme nhiệt dẻo và polyme nhiệt rắn Polyme nhiệt dẻo: Polyme khi nung nóng thi mểm ra, thậm chí chảy lỏng, khi để nguội thì cứng lửi. Quá trình này thuận nghịch, tức là vật liệu không thay đổi bản chất hóa học. Tổ chức đửi phân tử loửi này là mửch thẳng và mửch nhánh. Đửi diện loửi này là polyetylen, polystyren, polyamid... Polyme nhiệt rắn: Polyme ở giai đoửn đầu là mửch thẳng và khi nung nóng thì mềm ra. Sau đó, do phản ứng hóa học mà đông cứng lửi (tửo thành tổ chức không gian) và trở thành vật liệu cứng. Trửng thái đông ứng của polyme gọi là "cứng ổn định". Thí dụ: nhựa fenol-formaldehyd,._ 2. Các tính chất cơ bản của polyme a. Cơ tính của polyme Cơ tính của polyme (tính đàn hổi, tính bền) phụ thuộc vào cấu tửo, nhiệt độ và các trửng thái vật lý của nó. Khi thay đổi nhiệt độ, polyme có thể tồn tửi ở 3 trửng thái vật lý khác nhau: trửng thái thủy tinh hóa, trửng thái đàn hồi cao và trửng thái chảy nhớt (hay chảy dẻo). Trửng thái thủy tinh hóa: Trửng thái rắn, vô định hình (các nguyên tử có trong mửch phân tử ỏ trửng thái dao động quanh vị trí cân bằng, không xảy ra hiện tượng chuyển động của các mắt xích và dịch chuyển của các đửi phân tử). Trửng thái đàn hồi cao: Chỉ có ở trong polyme cao phân tử, đặc trưng bằng khả năng thay đổi thuận nghịch hình dáng của các vặt liệu chịu tải không lớn (các mắt xích dao động và các đửi phân tử có khả năng uốn). Trửng thái chảy nhớt: Gần với trửng thái chảy lỏng nhưng ở đây có độ sệt (độ nhớt) rất cao (toàn bộ các đửi phân tử đều có thể dịch chuyển). Khi thay đổi nhiệt độ, các polyme mửch thẳng và mửch nhánh có thể chuyển từ trửng thái vật lý này sang trửng thái vật lý khác. Polyme có cấu trúc không gian chỉ tổn tửi ở trửng thái thủy tinh hóa. Polyme không gian lưới thưa cho phép ở trửng thái thủy tinh hóa hoặc đàn hồi cao. Nhiệt độ chuyển tử trửng thái thủy tinh hóa sang trửng thái đàn hổi cao và ngược lửi gọi là nhiệt độ thủy tinh hóa, ký hiệu tu, chuyển tử trửng thái đàn hổi cao sang trửng thái chảy nhớt và ngược lửi gọi là nhiệt độ chảy (hay chảy nhớt), ký hiệu là ten 22 Đối với polyme nhiệt dẻo (thường là các polyme có cấu tửo mửch thẳng và mửch nhánh) khi ở nhiệt độ vượt quá nhiệt độ thủy tinh hóa độ bền giảm đột ngột. Còn đối với các polyme nhiệt rắn khi nung nóng đến nhiệt độ cao không thông qua trửng thái chảy nhớt (nóng chảy) mà tiến đến trửng thái phá hủy, nghĩa là khi nung nóng các polyme nhiệt rắn chuyển từ trửng thái thủy tinh hóa sang trửng thái đàn hồi cao (không có quá trìng tinh thể hóa). Vùng này được mỏ rộng hơn so với vùng đàn hồi cao của polyme nhiệt dẻo. Khi đửt đến nhiệt độ phân hủy ký hiệu /p/,polyme bị phá hủy hoàn toàn. ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thủy tinh hóa (ftf), khả năng biến dửng đàn hồi của polyme không cao và được gọi là đàn hổi bắt buộc. Tính đàn hồi bắt buộc có thể xuất hiện từ nhiệt độ /f fđến td. Nhiệt độ kgọi là nhiệt độ biến đòn. ở nhiệt độ thấp hơn td, polyme có tổ chức sít chặt với các mối liên kết giữa các phân tử bến, do đó mất hết ưu điểm về tính uốn của mửch nên bị phá hủy đòn. b. Sự lão hóa hay sự hóa già của polyme Sự lão hóa của vật liệu polyme là sự tự thay đổi không thuận nghịch các đặc tính kỹ thuật quan trọng do sự biến đổi các quá trình vật lý và hóa học phức tửp trong vật liệu sau một thời gian sử dụng và bảo quản polyme. Nguyên nhân của quá trình lão hóa polyme là ánh sáng, nhiệt, oxy, ôzôn và các yếu tố phi cơ khí khác. Sự lão hóa tăng nhanh khi biến dửng nhiều lần. Độ ẩm ảnh hưỏng ít đến sự lão hóa của polyme. Các loửi điện môi cách điện bằng chất dẻo và cao su khi làm việc ngoài trời, dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, nhiệt độ, oxy và nhất là ozôn ở quanh các dây dẫn cao áp rất dễ bị lão hóa. Khi bị lão hóa, sự đánh thủng điện môi dễ dàng xảy ra ở điện áp thấp hơn so với điện áp định mức ban đầu. Hiện tượng đánh thủng điện áp này được gọi là đánh thủng điện hóa. Để tăng tính chống lão hóa do ôzôn người ta cho vào polyme các chất thay thế phân cực (polyclopren, clo-sulfuapolyetylen, polyme chứa F). Các hợp chất silic hữu cơ cũng có tính ổn định chống lão hóa do ôzôn. Để làm chậm quá trình lão hóa, người ta cho vào polyme các chất làm ổn định hay còn gọi là chất chống lão hóa. VII. CÂU TẠO CỦA VẬT LIỆU GỐM Vật liệu gốm là vật liệu vô cơ, được tửo ra bằng cách dùng nguyên liệu à dửng hửt, ép' thành hình, sau đó nung ở một nhiệt độ nhất định gọi là thiêu kết. Sản phẩm nhận được sau khi thiêu kết thường không phải gia còng gi thêm và có những tinh chất cơ lý hóa cần thiết. 23 Đặc điểm về cấu tửo vật liệu gốm khác xới các vật liệu khác là trong vật liệu gốm bao giở cũng tồn tửi 3 pha như trên hình 16: Hình 16. Cấu tửo vật liệu gốm 1. Pha tinh thể (pha hửt) Pha tinh thể ở dửng kim loửi nguyên chất, hợp chất hóa học hay dung dịch rắn. Pha này là pha chủ yếu, quyết định các tính chất cơ lý hóa cơ bản của sản phẩm. 2. Pha thủy tinh Pha thủy tinh ỏ dửng vô định hình, đóng vai trò chất liên kết các hửt (tinh thể) với nhau. Pha này thường chiếm tử 1 đến 40% thể tích của sản phẩm. Pha thủy tinh được tửo thành do trong vật liệu có các tửp chất hoặc các hợp chất dễ nóng chảy hơn so với pha tinh thể, trong quá trình thiêu kết chảy ra, phân tán đồng đều giữa các hửt tinh thể. Pha thủy tinh làm giảm độ bền của vật liệu nhưng nó lửi làm dễ dàng cho quá trình công nghệ chế tửo sản phẩm. 3. Pha khí Do vật liệu được ép từ các hửt với nhau nên bẽn trong sản phẩm bao giờ cũng còn những lỗ xốp nhất định. Pha khí chính là các khí chứa trong các lỗ xốp đó. Pha khí có ảnh hưởng đến một số tính chất của vật liệu. Trửng thái của pha khí được chia làm 3 loửi: đặc (tỷ lệ pha khí = 0), lỗ xốp kín và lỗ xốp hô. Loửi cấu tửo đặc chỉ gặp trong trường hợp chế tửo theo công nghệ sành sứ từ đất sét, cao lanh hoặc một số công nghệ đặc biệt. Loửi có lỗ xốp kín là điều không mong muốn vì loửi lỗ xốp này làm giảm rất mửnh độ bến và các cơ tính khác của sản phẩm. Thường gặp nhất là loửi lồ xốp hở. Tuy nhiên, không nên coi pha khí trong vật liệu gốm là một loửi khuyết tật như trong các vật đúc. Các lỗ xốp hở đóng vai trò tích cực, nó tửo cho sản phẩm gốm có những tính chất độc đáo mà trong các vật liệu thông thường không thể có được (sẽ được giải thích qua các sản phẩm cụ thể ở phần sau). Căn cứ vào độ xốp, các vật liệu gôm được chia làm 3 loửi: • Gốm đặc là gốm có độ xốp từ 0 đến 5% 24 • Gốm xốp có độ xốp tử 5 đến 25% ì ịjjp ỉ ìHAÚ, ụfm • Gốm rất xốp có độ xốp trên 25% Pha tinh thể là pha quan trọng nhất. Các vật liệu gốm kỹ thuật thường dùng pha tinh thể là các oxit thuần nhất (tinh khiết) hoặc các cacbit, nitrit, borit hoặc kim loửi nguyên chất. Các oxit thường dùng như Al 2 03 (ở dửng corindon hay cương ngọc), Zr02> MgO, Cao, Beo, Th02, U02. Đây là các hợp chất có tính chịu nóng cao, nhiệt độ nóng chảy của chúng trên 2000°c. Trong nguyên liệu có thể có chứa một ít tửp chất mà khi thiêu kết sẽ tửo thành pha thủy tinh. Vật liệu gốm loửi này có độ bền nén rất cao, nhưng độ bền kéo và bền uốn thì rất thấp. Độ bền càng cao khi kích thước hửt tinh thể càng nhỏ vì hửt càng lớn ứng suất bên trong càng lớn. c d o s co N > o À to «2 õ> Tị h\ o X 3050 2570 2300 2580 2700 27Ô0 Ó T z 2050 •V ứ 0 o o ỉ? 9 « "7 o. Oi -7 Ỏ 3' 1 5 1 ỉ Q VŨ Cư Cư OJ UI CO Ui ù. o> GO UI "o Oi ÍD J^ lo UI OI ru o lo -ì _1 -» to c,- _ r o. £ =5, <ÈỊ — o o o OI Ổi iu õ s o s o s o Ó Ể Ó Ể Ó Ể co -1 -' tứ ->• w -1 0J co OI lũ "* -* co ru co c ũ. ~i T T T * é * é * é Ì £ Ì £ Ì £ 3 ^ 3 ^ Ti UI • *- g - i O(D, "ỉ 3 ^ Gù Gù 154,5 T J ỉ ỉ Gù 140 214 310 172 382 3 ỗ £ * ẵ =i n Oi 5 Co ổ) ỉ* UI 1 • kO -vi vo UI UI UI Oi o o co UI o .~"J * UI Ki ŨD ò) ò) ** . 1 -» ro -ì t\j °' -g to lo Co £ ù ử ũ M 3U l00 s -L o -1 o 9., o o o o g *5 o Ò' Cu. " •• '• ^JJ Q. lí ÍT — o o 7 r. o in ° IC ' Ì a Si 3 Ỏ - " * '.O e "' —' Oi Q,, Ó; — ý Ũ. - 3 si- Q. -} K % 2 í p £ ậ* 5 T 3 3 lõ q à. 25 Bảng 1 nêu lên một số tính chất cơ lý của các gốm trẽn cơ sở các oxit Các kim loửi gốm là các hợp chất không chứa oxi cùa các kim loửi khó chảy ở dửng các cacbit, nitrit, borit, silisit có độ chịu nóng cao (t n c= 2500 -3500°C), độ cứng rất cao, một số có độ cứng tương đương kim cương, có tính chống mài mòn cao. Các cacbit thường dùng có wc, TiC, Tác, NbC dùng để chế tửo các dụng cụ cắt gọt, SiC (cacborun) dùng chế tửo các thanh điện trỏ làm lò nung â nhiệt độ 1300~1500°c, hoặc làm đá mài, giấy nhám. Nitrit bo (BN) còn gọi là graphit trắng hay elbo, ở nhiệt độ thường với thù hình a-BN có mửng lục giác, có độ cứng tương đương kim cương dùng làm hửt mài siêu tinh xác thay bột kim cương. Bảng 2 dẫn ra độ cứng của một số cacbit, nitrit và borit. Bảng 2. Độ cứng của một số hửt gốm cacbit, nitrit, borit Độ cứng Độ cứng Họp chất Tế vi (KG/mm2) Mohs HRA Hợp chất Tế vi (KG/mm2) Mohs HRA Fe2C - >8 - VN 1520 9-10 - Cr23Cg 1650 9 83 TÍN 2000 8-10 75 SiC 3000 - - TaN 1100 8 - wc 1700-1800 9 80 CrB 1200-1300 8,5 90 Mo2C 1500 7 74 WB 3700 9 - ve 2094 9 94 Mo2B 2500 8-9 90 TiC 3000 8-9 - VB2 2100 8-9 - Tác 1600-1800 9 82 TiB 2700-2800 - 86 ZrC 2800 8-9 87 TiB2 3350 8 - NbC 1900-2000 • 83 TaB2 2500 8 - HfC 2800 - 84 ZrB 3500-3600 - 87-89 AIN 1230 9 - ZrB2 2250 8-9 - B„c 4950 - - 26 về mục đích, vật liệu gốm được chế tửo để đáp ứng nhiều yêu cầu sử dụng khác nhau, chia ra: - Vật liệu gốm chống mài mòn, loửi này có hệ số ma sát f< 0,1 - Vật liệu gốm ma sát, loửi này phải có hệ số ma sát f> 0,05 khi có bôi trơn và f> 0,2 khi không có bôi trơn. - Chế tửo các bộ lọc khí Chú thích: Theo nhiều tài liệu khác nhau và tải trọng để đo độ cứng khác nhau nên số đơn vị độ cứng tế vi không thật tương ứng với các đơn vị theo Mohs hoặc HRA - Chế tửo các chi tiết chịu nóng và cách nhiệt. - Chế tửo các chi tiết tiếp xúc với môi trường ăn mòn hóa học. - Chế tửo các tiếp điểm khi có các dòng điện cường độ khác nhau. - Chế tửo các chi tiết từ mềm. - Chế tửo các chi tiết từ cứng (nam châm vĩnh cửu). - Chế tửo dụng cụ cắt gọt. VUI. CÂU TẠO CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT Vật liệu compozit là loửi vật liệu gồm hai hay nhiều vật liệu khác nhau kết hợp lửi, trong đó các ưu điểm của mỗi loửi vật liệu thành phấn được phối hợp với nhau, hoặc tửo nên một chất lượng mới hoàn toàn mà nếu đứng riêng rẽ thì không một loửi vật liệu thành phần nào có thể đáp ứng được, còn nhược điểm của mỗi vật liệu thành phẩn thì được khắc phục. Vật liệu compozit cỏ hai thành phần chính là vật liệu cốt và vật liệu nền. Nhiệm vụ chính của vật liệu cốt là chịu tải trọng nên phải có độ bến cao. Vật liệu cốt thường ở dửng sợi như sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi bo, sợi polyme, sợi kim loửi, sợi graphit, hoặc có thể ở dửng hửt như hửt cacborun (SiC), corindon (Al 2 03 ), cacbit bo (B4C)... Vật liệu nến thực hiện nhiệm vụ chất liên kết tửo nên sự liên kết tốt giữa các thành phần cốt. Vật liệu nền là các vật liệu có tính dẻo cao. Vật liệu nền thông dụng chia ra 3 loửi: polyme, cacbon và kim loửi dẻo. Vật liệu nến polyme thường là các polyeste, vật liệu nền kim loửi thường là nhôm, đồng, niken. 27 Như vậy đặc điểm chính của vật liệu compozit là: • Thứ nhất: Vật liệu nhiều pha, các pha không hòa tan vào nhau và phân cách bằng ranh giới pha, trong đó nền là pha liên tục còn cốt là các pha gián đoửn. • Thứ hai: Trong compozit tỳ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước. • Thứ ba: Tính chất của các pha thành phần được phối hợp để tửo nên tính chất chung của compozit. Tuy nhiên, các vật liệu thành phần không phải cứ sử dụng bất kỳ vật liệu nào cũng được, nghĩa là không phải cứ bất kỳ vật liệu nào dẻo cũng có thể làm nền và bất kỳ vật liệu có độ bền cao đều có thể làm cốt được, mà phải lựa chọn sao cho các tính chất tốt của vật liệu thành phần có thể kết hợp với nhau và phát huy được trên cơ sở các tính toán. Các vật liệu thành phần cốt và nền phải chọn sao cho có hệ số dãn nở nhiệt phải gần bằng nhau để bảo đảm tính truyền lực liên tục giữa cốt và nền trong quá trình làm việc. 28 CHƯƠNG 2 CÁC TÍNH CHẤT cử BẢN CỦA VẬT LIỆU ĐIỆN VÀ Từ I. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI 1. Khái niệm về diện dẫn của điện môi Khi đặt điện môi vào trong điện trường E, điện áp là u. Đo trị số dòng điện đi qua điện môi ta thấy dòng điện biến thiên theo thời gian và được biểu diễn trên hình 1. Dòng điện đi trong điện môi gồm 2 thành phần là dòng điện rò (l,ò) và dòng điện phân cực (Iphc)- l= Iro + Iph.c ỏ điện áp một chiều, dòng điện phân cực chỉ tồn tửi trong thời gian của quá trình quá độ khi đóng hay ngắt lưới. Đối với điện áp xoay chiều. dòng điên phân cực tồn tửi trong SUỐI thời gian đặt điện áp. Dựa vào trị số của dòng điện rò để đánh giá chất lượng cùa vật liệu cách điện. Nếu dòng điện rò có trị số bé thì cách điện tốt, nếu trị số lớn thì tính chất cách điện của vật liệu kém. (2-1) ỊuAt Hình 1. Quan hệ giữa dòng điện với thời gian 1-Dòng điện đo ở điện áp một chiều. 2-Dòng điện đo ở điện áp xoay chiều. Như vậy, tính chất của vật liệu cách điện được xác định qua điện dân suất Y hay điện trỏ suất p. Y= - (2-2) p u Điện trở cách điện của khối điện môi Reo là: Rcđ = — (2-3) • ro Trong đó: u - điện áp một chiều. Đối với điện môi rắn có 2 khái niệm: điện trở suất khối pv và điện trỏ suất mặt Ps 29 > Điện trở suất khối là điện trở của khối lập phương có cửnh bằng 1 em, hình dung cắt ra từ vật liệu khi dòng điện đi qua hai mật đối diện khối lập phương đó; đơn vị đo bằng ữ.cm. pv= Rv.s/h (íỉ.cm) (2-4) Trong đó: Rv - Điện trỏ khối của mẫu (£2). s - Diện tích của điện cực đo (em2). h - Chiếu đày khối điện môi (em). r Điện trở suất mặt là điện trở của một hình vuông bề mặt vật liệu khi dòng điện đi qua hai cửnh đối diện. A=Rs d /l (Q) (2-5) Trong đó: Rs - Điện trỏ mặt của mẫu vật liệu {ũ). d - Chiếu dài điện cực (em). I - Khoảng cách giữa 2 điện cực (em). Tương ứng với pv có điện dẫn suất Yv =1/pv(í2-cm)"1; ứng với Ps có điện dẫn suất mặt Ys = 1/ps (Q)'1 hay còn có đơn vị đo là s (simen). Điện dẫn toàn phần tương ứng với điện trỏ cách điện Rc đ của điện môi rắn bằng tổng các điện dẫn khối và mặt. Độ dẫn điện của vật liệu cách điện được xác định bồi trửng thái của chất khi, lỏng hoặc rắn và phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ của môi trường. Cường độ điện trường khi tiến hành đo cũng gây một số ảnh hưòng đối với điện dẫn của điện môi. Khi làm việc lâu dài dưới điện áp, dòng điện đi trong điện môi rắn và lỏng có thể tăng hoặc giảm theo thời gian do nguyên nhân là tửp chất của điện môi giảm dần. Tích số điện trở cách điện của điện môi với điện dung của tụ điện được gọi là hằng số thời gian tự phóng của tụ điện T0: Xo = Ro c (2-6) Trị số To được xác định từ biểu thức: u = Úc e • v w (2-7) Ut=U0e-*TO= -± e Trong đó: u - Điện áp trên các điện cực của tụ điện sau thòi gian X tính từ lúc ngắt tụ ra khỏi nguồn điện áp. u 0 - Điện áp đửt được do tụ tích điện (ĩ =0). Rc d - Điện trở cách điện. c - Điện dung của tụ điện. 30 2. Điện dẫn của diện môi Mật độ dòng điện chửy trong điện môi dược tinh bằng tổng các diện tích chuyển động qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương của điện trường trong một đơn vị thời gian. / = v Hình 2 Để đưa ra khái niệm chung về điện dẫn của điện môi, ta xét mô hình điện môi có dửng hình trụ với thiết diện là s, chiều dài hình trụ bằng vận tốc trung binh của các điện tích V, chiều của điện trường bên ngoài trùng với trục hình trụ (hình 2). Nếu gọi n là mật độ điện tích tự do chứa trong điện môi, mỗi phân tử có điện tích là q, dưới tác dụng của điện trường E tất cả các điện tích tự do sẽ chuyển động đến các cực (điện tích dương đi về phía cực âm, điện tích ảm đi về phía cựu dương) và tửo nên dòng điện trong điện môi. Tổng các điện tích chuyển động qua thiết diện s bằng tổng các điện tích chứa trong thể tích V của hình trụ, cũng chính bằng dòng điện qua điện môi: Q = n.q.v = n.q.s.v = I Mặt khác ta có: I = JS Từ (2-7) và (2-8) ta có: J = n.q.\T Với J là mật độ dòng điện (A/m2); (2-8) (2-9) (2-10) Vì n là mật độ điện tích dương n(+) và điện tích âm n H, V là tốc độ trung bình của điện tích dương v( + ) và điện tích âm V(_) người ta xác định V(+) và Vị.) bằng công thức: V ( + ) = K W E; V„ = K„E (2-11) Trong đó K là độ linh hoửt của các điện tích dương và âm. Về trị số: K= (2-12) Thay (2-11) và (2-12) vào (2-10) ta có: J= n( + ) q( + )T M + n H q H T H = [ n( + ) q( + ) K<+) + n H q H Kị.) ].E (2-13) 31 Theo định luật ôm J=ỴE, do vậy công thức tính điện dẫn của điện môi như sau: Y = n w q w K( + ) + n H q w Kị., (2-14) Trong vật liệu kỹ thuật điện, có nhiều loửi điện tích tự do khác nhau tham gia vào quá trình dẫn điện. Dựa vào thành phần của dòng điện dẫn người ta chia điện dẫn thành 3 loửi khác nhau: • Điện dẫn điện tử: Thành phần của loửi điện dẫn này chỉ là các điện tử tự do chứa trong điện môi. • Điện dẫn ion: Thành phần của loửi điện dẫn này là các ion dương và ion âm. Các ion sẽ chuyển động đến điện cực khi có điện trường tác động. Tửi điện cực, các ion sẽ được trung hòa về điện và tích lũy dán trên bế mặt điện cực giống như quá trình điện phân. Vì vậy, điện dẫn ion còn gọi là điện dẫn điện phân. • Điện dẫn điện di: Hay còn gọi là điện dẫn molion. Thành phần của dòng điện này là các nhóm phân tử hay tửp chất được tích điện tồn tửi trong điện môi, chúng được tửo nên bôi ma sái trong quá trình chuyển dộng nhiệt. Các chất khí binh thưòng là chất cách điện. Nhưng khí đặt dưới điện áp cao đến một mức nhất định sẽ xảy ra hiện tượng ion hóa và khi trỏ nên dẫn điện. Do đó dẫn điện trong điện môi khí chủ yếu là dẫn điện ion. Dòng điện trong điện môi lỏng được xác định bởi sự chuyển động của các ion hay các phần tử mang điện tích. Trong các điện môi lỏng tốn tửi 2 loửi điện dẫn, đó là điện dẫn lon và điện dẫn điện di. Khác với điện môi khí, trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện không chỉ do ion hóa tự nhiên mà còn do quá trinh phân ly các phân tử của chính bản thân chất lỏng và tửp chất. Điện dẫn lon của điện môi lỏng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt các phân tử điện môi lỏng sẽ tăng, điện môi lỏng có sự giãn nở nhiệt, lực liên kết giữa các phân tử giảm đi, độ nhớt sẽ giảm, mức độ phân ly các phân tử do nhiệt sẽ tăng lên và làm tăng điện dẫn điện môi lỏng. Điện dẫn điện di còn có tên gọi là điện dẫn molion được tửo nên bởi sụ chuyển động có hướng của các phân tử mang điện tích dưới tác dụng của điện trưởng bên ngoài. Điện môi lỏng thường chứa các tửp chất, do có các hửt keo, các sợi, bụi bẩn... lơ lửng bên trong, do có quá trinh chuyển động nhiệt, các tửp chất này ma sát với phàn tử điện môi lỏng và chúng bị nhiễm điện. Điện môi rắn có rất nhiều loửi, chúng đa dửng về cấu trúc, thành phần hóa học. nguồn gốc và mức độ lẫn các tửp chất bụi bẩn v.v_, do vây điên dẫn của điên môi rắn rát phức tửp. 32 Sự dẫn điện cao của kim loửi chủ yếu là do sự chuyển động của các điện tử tự do, nên điện dẫn của kim loửi chủ yếu là điện dẫn điện tử. Điện dẫn trong các vật liệu điện môi rắn khác được tửo nên là do sự chuyển dịch các ion của bản thân điện môi rắn cũng như của các lon tửp chất dưới tác dụng của điện trường. Để đánh giá chất lượng của điện môi, người ta thường xác định điện dẫn suất khối (Yv) hay điện trở suất khối (Pv): Pv = 1/Ỵv - Về trị số: Điện trỏ suất khối là điện trỏ của khối vật liệu hình lập phương có cửnh là lem khi dòng điện đi qua hai mặt đối diện của khối điện môi đó. Đơn vị đo điện trỏ suất khối là "Qcm". - Trên bề mặt điện môi rắn tồn tửi các điện tích của bản thân điện môi và do các bụi bẩn, lớp nước ẩm gây nên sẽ tửo nên dòng điện dẫn mặt (Ys) mà nghịch đảo là điện trở suất mặt (Ps) Điện trỏ suất mặt là điện trở của một phần mặt điện môi có dửng hình vuông với cửnh bất kỳ khi dòng điện đi qua hai cửnh đối diện. Đơn vị đo của Ps là "Q." (ôm). li. Sự PHÂN Cực CỦA ĐIỆN MÔI 1. Khái niệm về sự phân cực và hằng số điện môi a. Sự phân cực Khi đặt điện môi vào trong điện trường E, trong điện môi xảy ra quá trình phân cực: Trên bề mặt điện môi phía cực dương xuất hiện các điện tích âm và ngược lửi phía cực âm xuất hiện điện tích dương trái dấu với điện cực bên ngoài. Chính vi vậy, chúng ta có định nghĩa về sự phân cực như sau: Phân cực được xác định bởi sự chuyển dịch có giới hửn của các điện tích ràng buộc hoặc sự định hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của lực điện trường. Khi xảy ra phân cực, trên bề É mặt điện môi xuất hiện điện tích trái dấu với dấu của điện cực bên ngoài. Như vậy điện môi sẽ tửo thành một tụ điện với điện dung là c, điện tích của tụ điện là Q (hình 3). Điện tích Q của tụ điện có trị số tỷ lệ với điện áp đặt lên tụ điện và được tính bởi công thức sau: Q = CU (2-5) Hình 3 33 Trong đó: c - Điện dung của tụ điện. u - Điện áp đặt vào tụ điện. Điện tích Q bao gồm 2 thành phẩn: Qo - Là điện tích có ồ điện cực nếu như giữa các cực là chán không. Q' - Điện tích tửo nên bồi sự phân cực của điện môi. Q = Q0 + Q' (2-16) b. Hằng số diện môi Một trong những đặc tính quan trọng nhất của điện môi và có ý nghĩa đặc biệt đối với kỹ thuật điện là hằng số điện môi tương đối e. Đửi lượng này là tỷ số giữa điện tích Q của tụ điện chế tửo từ loửi điện môi khi điện áp đặt vào có một giá trị nào đó với Qo - Là điện tích của tụ điện khi điện môi là chân không: Ổ Qo+Q , Q 6= — = 0 — =1+ — (2-17) Go Qo Go Từ biểu thức (2-17), ta thấy hằng số điện môi tương đối của bất kỳ chất nào cũng lớn hơn 1 và chỉ bằng 1 khi điện môi là chân không. Cần chú ý rằng, giá trị hằng số điện môi của chân không phụ thuộc vào hệ đơn vị. Trong hệ CGSE nó bằng 1, còn trong hệ SI bằng — - F/m. 36tf.l09 Giá trị hằng số điện môi tương đối của một chất bất kỳ không phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị. Trong phần tiếp theo, đửi lượng hằng số điên môi tương đôi này được gọi ngắn gọn là "hằng số điện môi" để đánh giá chất lượng của điện môi. Từ công thức (2-15) và (2-17), ta có thể viết biểu thức dưới dửng: Q = Q0 e = CU = C0eU (2-18) Trong đó, Co là điện dung của tụ điện khi giữa các điện cực là chân không. Từ công thức (2-18) ta có: í =77- (2-19) Như vậy, hằng số điện mòi của một điện môi bất kỳ có thể xác định bằng tỷ số giữa điện dung tụ điện của điện môi đó với điện dung tụ điện cùng kích thước điện cực khi điện môi là chân không. 2. Các dửng và loửi phân cực xảy ra trong diện môi Phân cực là hiện tượng sắp xếp lửi các mômen lưỡng cực nguyên tử hoặc phân tử vĩnh cửu hay cảm ứng theo hướng của điện trường ngoài. 34 Có các dửng phân cực sau: a. Phân cực điện tử Phân cực điện tử có thể xảy ra với những mức độ khác nhau ỏ tất cả mọi nguyên tử. Nó là kết quả dịch chuyển trọng tâm của đám mây điện tử tích điện âm so với hửt nhân tích điện dương trong một nguyên tử dưới tác dụng của điện trường. Dửng phân cực này được tìm thấy trong mọi vật liệu điện môi và dĩ nhiên chỉ tồn tửi khi có một điện trường. b. Phân cực lon Phân cực chỉ xảy ra trong các vật liêu lon. Điện trường đặt vào làm dịch chuyển các cation theo một hướng và các anion theo hướng ngược lửi, gây nên một momen lưỡng cực thuần. c. Phân cức lưỡng cực hay phân cức xoay hướng Dửng phân cực xoay hướng này chỉ tìm thấy trong những chất có các mômen lưỡng cực vĩnh cửu. Sự phân cực này là kết quả của sự xoay các mômen vĩnh cửu theo hướng của điện trường đặt vào. Xu thế sắp xếp này bị dao động nhiệt của các nguyên tử chống lửi làm cho độ phân cực giảm khi nhiệt độ tăng. d. Phân cực kết cấu Là phân cực xảy ra trong vật rắn có cấu tửo không đồng nhất khi độ không đồng nhất có tính vĩ mô và khi có tửp chất. Sự phân cực này biểu hiện ỏ tần số thấp và kèm theo tiêu tán một lượng đáng kể năng lượng điện. Nguyên nhân của sự phân cực này là do các chất dẫn điện và bán dẫn điện lẫn trong điện môi kỹ thuật, sự tồn tửi các lớp có độ dẫn điện khác nhau... Ngoài ra, trong các vật liệu sắt điện hay còn gọi là điện môi xecnhet đã có sẵn sự phân cực gọi là phân cực tự phát. e. Sở dồ đẳng trị của các loửi phân cực Khi nghiên cứu hiện tượng phân cực trong điện môi ta cần chú ý tới đặc>điểm và thành phần phân tử cấu tửo nên điện môi đó. Dựa vào thời gian xác lập phân cực mà người ta chia phân cực ra làm 2 dửng chính là phân cực nhanh và phân cực chậm. • Phân cực nhanh Đặc điểm của phân cực nhanh là xảy ra trong một thời gian rất nhanh khi điện môi bị tác dụng của điện trường bên ngoài (khoảng 10'12 ~10"'5 giây); đàn hổi hoàn toàn và không sinh ra tổn hao điện môi (không phát sinh ra nhiệt). Trong kỹ thuật điện, các điện môi có phân cực nhanh được biểu diễn bằng một tụ điện có điện dung là C( A—li—4). Phân cực nhanh có 2 loửi là phân cực điện tử nhanh và phân cực lon nhanh. • Phân cực chậm 35 Phân cực chậm xảy ra một cách chậm chửp, thời gian phân cực lớn hơn 10'10 giây, có thể đến hàng phút, hàng giờ và nhiều giờ. Dửng phàn cực chậm có sinh ra tổn hao điện môi, do vậy sơ đồ thay thế điện môi biểu diễn bằng tụ diện "C" mắc nối tiếp với một điện trở "R" c R V Trong dửng phân cực chậm có 5 loửi phân cực chính sau đây: phân cực lưỡng cực, phân cực điện tử chậm, phân cực ion chậm, phân cực kết cấu và phân cực tự phát. Như vậy dựa theo các loửi phân tử tích điện tham gia vào quá trình phân cực mà ta phân thành 7 loửi phân cực khác nhau. Hình 4 giới thiệu sơ đồ đẳng trị tổng quát về các loửi phân cực của điện môi. 3. Hằng số diện môi của chất khí 9 u *- í t C|nn - I Ỳ- —ÍT— CịGẠ C-n R-n Hình 4. Sơ đổ đẳng trị cùa điện mòi có thành phần phức tửp với các cơ chế phân cực khác nhau Các chất khí có mật độ phân tử rất nhỏ so với chất lỏng và rắn. Khoảng cách giữa các phân tử khí lớn hơn nhiều so với bán kính của chúng. Do vậy, lực tương tác giữa các phân tử khí không đáng kể và hằng số điện môi của chất khí có trị số gần bằng 1. Thí dụ hằng số điện môi của không khí khi đo ở nhiệt độ t =20°c, áp suất p =1 át có trị số Ekk =1,00058. a. Hằng số diện môi của diện môi khí trung tính Trong các điện môi khí trung tính chỉ tồn tửi một loửi phân cực là phân cực điện tử nhanh. Do đó, hệ số phân cực oe = (Xênh và phương trình Clamiut-Môxôtchi có thể viết: e -1 /VÚT. e + 2 3€r p. ata Hình 5. Quan hệ giữa E với áp suất p khi T= const Vì e=1 nên phương trình trên có thể rút gọn như sau: Nai E = 1+ — (2-20) Hệ số phàn cực (Xênh = 471£0.R3 =10"24 [em3] 36 Do chỉ có phân cực điện tử nhanh nên hằng số điện môi của các điện môi khí trung tính có trị số xấp xỉ bằng bình phương hệ số khúc xử ánh sáng cua chất khí đó: e = V2. Từ đó ta có: Na ẹnh =v2-1 (2-21) Theo công thức (2-21) ta có thể xác định hằng số điện môi bằng cách đo hệ số khúc xử V của chất đó. Trong các chất khí mật độ phân tử khí tỷ lệ thuận với áp suất và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ: p N =-ỵ j ' Hình 6. Quan hệ giữa e với nhiệt độ T khi p= const Từ đó suy ra: Hằng số điện môi của điện môi khí phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ theo tỷ lệ thuận và tỷ lệ nghịch tương ứng hình 5 và 6. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi của các chất khí vào nhiệt độ và áp suất được giải thích bởi sự thay đổi số phân tử trong một đơn vị thể tích khí. Theo công thức (2-20), ta có công thức (2-22) chứng minh cho các Pơ e= 1 + tnh (2-22) vấn đề nêu ở trên: KTen Bảng 1 trình bày giá trị hằng số điện môi của một số khí, có nêu ra bán kính phân tử và hệ số khúc xử ánh sáng V. Từ số liệu của bảng 5, ta thấy hằng số điện môi của các chất khí tăng khi bán kính phân tử càng lớn. Bảng 1. Hằng số điện môi của các chất khí Tên gọi chát khi Hêli Hydrô Oxy Acgon Nitơ Axit cacbonic Etylen Bán kính phân tử, Ẳ 1,12 1,35 1,82 1,83 1,91 2,30 1,78 Hệ số khúc xử ánh sáng, V 1.000035 1,00014 1,00027 1,000275 1,00030 1,00050 1,00065 1,000070 1,00028 1,00054 1,00055 1,00060 1,00100 1,00130 E khi t=20°c và p=760 mm cột thủy ngân 1,000072 1,00027 1,00055 1,00056 1,00060 1,00096 1,00138 37 Trong bảng 2 dưới đây đưa ra sự phụ thuôc của hằng số điện môi của không khí, axit cacbonic và khí nitơ vào áp suất (ỏ nhiệt độ bình thưởng 20°C) Bảng 2. Quan hệ giữa e với áp suất của một số khí Không khí Axit cacbonic Nitơ Áp suất, át e Áp suất, át E Áp suất, át E 1 1,00058 1 1,00098 1 1,0006 20 1,0108 20 1,020 20 1,0109 40 1,0218 40 1,050 100 1,055 Bảng 3 nêu ra quan hệ của hằng số điện môi không khí với nhiệt độ khi áp suất không đổi và bằng 1 át. Bảng 3: Quan hệ giữa e của không khí với nhiệt độ Nhiệt độ, °c EKK +60 1,00052 +20 1,00058 -60 1,00081 Bảng 4: Quan hệ giữa E của không khí với độ ẩm Độ ẩm không khí, a)c). Hệ số phân cực được tính là tổng của hệ số phân cực điện tử nhanh và phân cực lưỡng cực: a = đênh + (He 38 Phương trinh Clauziut-Môxôtchi dùng để tính hằng số điện môi cực tinh, nhưng đối với các chất khí có mật độ phân tử thấp nên E = 1, do đó ta có phương trinh rút gọn sau đây: N m~ E-1 = f(aenh+ 3 ^ ) = Na Nmì ' 3e "K T Phân cực điện tử nhanh có E =v2, nên phương trinh trên có thể viết: Nml e = V +L— 3e„KT Đối với các chất khí cực tính, khi nhiệt độ tăng thì khả năng định hướng của các lưỡng cực giảm, do đó hằng số điện môi giảm cho đến trị số V2. Quan hệ giữa (e -1) với 1/T là quan hệ tuyến tính (hình 7). Khi nhiệt độ vô cùng lớn thì E có giá trị của phân cực điện tử nhanh vì khi đó Hình 7. Quan hệ giữa (e-1) với 1/T chuyển động nhiệt lớn làm cản trở sự định hướng của các phân tử lưỡng cực. Từ hình 7 ta có: Tgp = Nm: Từ đó suy ra: le„KtgP N Như vậy chúng ta có thể xác định mômen lưỡng cực của chất khí cực tính bằng phương pháp đồ thị khi có quan hệ giữa (E -1) với nhiệt độ. Cũng bằng phương pháp này, xác định một cách gần đúng m0 của phân tử cực tính điện môi lỏng và rắn khi biến đổi chúng về trửng thái khí. 4. Hằng số diện môi của diện môi lỏng Do đặc điểm cấu tửo phân tử, điện môi lỏng được phân thành 2 nhóm: Điện môi lỏng trung tính (dầu máy biến áp, dầu tụ điện, benzen, toluen v.v...) và điện môi lỏng cực tính (thí dụ: Dầu thầu dầu, xôvôn, xôvton...). a. Hằng số điện môi của điện môi lỏng trung tính Điện môi lỏng trung tính được đặc trưng bởi một loửi phân cực đó là phân cực điện tử nhanh (đênh). Do vậy, hằng số điện môi của chất lỏng trung tính không lớn lắm (khoảng từ 2-2,5) và gần bằng bình phương hệ số khúc xử ánh sáng. e=v2 39 Khi tính hằng số điện môi của diện môi lỏng trung tinh chúng ta sử dụng phương trình Clauziut-Môxôtchi: £-1 Na enh e + 2 Hằng số điện môi lỏng trung tính phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ (không bị ảnh hưỏng của áp suất như chất khí). Khi nhiệt độ tăng, điện môi lỏng có sự dãn nỏ nhiệt, khoảng cách giữa các phân tử tăng lên, mật độ phân tử giảm xuống, do vậy hằng số điện môi cũng giảm. Hệ số nhiệt TKE của điện môi lỏng trung tính dược xác định theo công thức sau: Từ kết quả trên, ta có TKE < 0 nên hằng số điện môi lỏng trung tính giảm khi nhiệt độ tăng. Trong bảng (5) đưa ra số liệu hằng số điện môi TK£ và TKv của một số chất lỏng trung tính và cực tính yếu. Bảng 5. Hằng số điện môi của các chất lỏng trung tính và cực tính yếu Tên chất lỏng V2 £ TKEđộ- 1 TK£ độ' 1 Benzen 2,25 2,218 -0,93.10"3 1.24.10"3 Toluen 2,25 2,294 -1,16.1 Ó-3 1,10.1 Ó"3 Tetraclorua cacbon 2,135 2,163 -0,91.10"3 1,227.103 Quan hệ hằng số điện môi của chất lỏng trung tính với nhiệt độ và tần số được biểu diễn trẽn hình 8. Qua hình vẽ ta thấy hằng số điện môi lỏng trung tính không phụ thuộc vào tần số, do vậy điện môi lỏng trung tính có thể sử dụng ỏ bất kỳ tần số nào. a) ì SOI li - b ) Hình 8. Quan hệ giữa hằng số điện môi của chất lỏng trung tinh với nhiệt độ (a) và tần số (b) 40 b. Hằng số điện môi của chất lòng cực tính Chất lỏng cực tính có 2 dửng phân cực, đó là phân cực điện tử nhanh danh và phân cực lưỡng cực 0|C. Phân cực lưỡng cực đóng vai trò quan trọng và có trị số lớn khi chất lỏng đó là chất cực tính mửnh. Do đó, việc tính hằng số điện môi theo phương trinh Clauziut-Môxôtchi không còn phù hợp nữa vì E3Í 0. Nói chung, việc tính £ của chất lỏng cực tính rất phức tửp. Vì vậy, khi tính hằng số điện môi của các điện môi cực tính ta vẫn sử dụng phương trình Clauziut-Môxôtchi: e-ì N • = ~~r~ (Oanh + e + 2 3eo 3KT Các chất lỏng cực tính có hằng số điện môi càng lớn khi trị số mômen lưỡng cực lớn và mật độ phân tử cao. Vì vậy, các chất lỏng cực tính mửnh có giá trị hằng số điện môi rất cao như nước, rượu etylic. không thể ứng dụng trong thực tế để làm điện môi do độ dẫn điện của chúng lớn. 5. Hằng số điện môi của diện môi rắn Hằng số điện môi của điện môi rắn có trị số khác nhau do đặc điểm cấu tửo đa dửng về cấu trúc và thành phần. Điện môi rắn phân thành một số nhóm cơ bản để xét hằng số điện môi. a. Hằng số điện môi các chất rắn trung tính Trong các điện môi rắn trung tính (kim cương, băng phiến, lưu huỳnh, paraphin, poly -etylen, polystyren v.v...), chỉ tổn tửi phân cực điện tử nhanh (a = đênh). Do vậy, hằng số điện môi rắn trung tính có trị số bằng bình phương hệ số khúc xử ánh sáng: £ =v2. Để tính hằng số điện môi của điện môi rắn trung tính ta sử dụng phương trình Clauziut-Môxôtchi: £-1 Na,, anh e + 2 Hệ số nhiệt của hằng số điện mõi chất rắn trung tính được xác định theo công thức sau: Ì de -(e-ì)(e + 2) TK£ = --^ r = — — TKv<0 £ đĩ 3e Hệ SỐ nhiệt của hằng số điện môi có trị số âm (TKV < 0), vi vậy hằng số điện môi của điện môi rắn trung tính giảm khi nhiệt độ tăng. 41 b. Hằng số diện môi của chất rắn có kết cấu tinh thể ion Trong điện môi rắn. kết cấu tinh thể ion là liên kết mửnh (liên kết chặt chẽ) có phân cực điện tử nhanh và lon nhanh với hằng số điện môi nằm trong phửm vi rộng. Hệ số nhiệt của hằng số điện môi các chất này trong nhiều trường hợp có giá trị dương, với lý do: Khi nhiệt độ tăng không phải chỉ có mật 0. Trong bảng 6 đưa ra số liệu hằng số điện môi và hệ số nhiệt của hằng số điện môi của một số chất có kết cấu tinh thể ion khi ở nhiệt độ 20°c. Bảng 6. Trị số e và TKE của các tinh thể lon Tên gọi tinh thể c TKE. độ- 1 TKe dương Muối mỏ(NaCI) 6 +150. -lo-6 Cương ngọc (Al 2 03 ) 10 +100.10"6 TKE âm Rutin (Ti02) 110 -750.1 Ó-6 Canxi titanat (CaO.Ti02) 150 -1500.1 Ó"6 Đối với những điện môi rắn có kết cấu tinh thể ion không chặt chẽ (liên kết yếu) ngoài phân cực điện tử và ion nhanh còn có phân cực ion chậm. Trong nhiều trường hợp, các chất này có hằng số điện mõi không cao, nhưng hệ số nhiệt dương có trị số lớn. Thí dụ: Sứ cao áp có quan hệ £ với nhiệt độ biểu diễn trên hình 10. 42 c. Hằng số điện mối của thủy tinh vố cơ Hằng số điện môi của thủy tinh vô cơ nằm trong phửm vi tương đối hẹp, vào khoảng từ 4 đến 20 tùy thuộc vào thành phần và kết cấu do công nghệ gia công tửo nên. Với cùng một thành phần nhưng công nghệ đóng rắn nhanh hay chậm làm cho kết cấu tinh thể thủy tinh khác nhau nên hằng số điện môi cũng khác nhau. 15 10 100 200 300 l°c Hình 10. Quan hệ E=f(t°) của sứ cách điện Trong vật liệu thủy tinh sửch tồn tửi 2 loửi phân cực: Điện tử nhanh và ion nhanh. Nếu có chứa các oxit kiềm (Na20, K20_) thì thủy tinh còn có thêm phân cực kết cấu cùng với 2 loửi phân cực nói trên. Do vậy, ta có thể viết phương trình Clauziut-Môxốtchi để tính e của thủy tinh như sau: c - 1 e + 2 _N_, , = — (Oe+cO 3e„ Một điều cần lưu ý là đối với thủy tinh và một số điện môi có cấu trúc vô định hình khác, hệ số phân cực te ỏ nhiệt độ cao, chuyển động nhiệt rất mửnh làm thay đổi phân tử và cản trở sự phân cực nên hằng số điện môi giảm nhanh. 43 TKE của các thủy tinh chứa oxit kiềm tăng nhanh và đửt giá trị lớn: (500-1000). 10"6 (độ1). Trị số của hằng số điện môi thủy tinh vô cơ cho ở bảng 7 Bảng 7. Trị số của hằng số điện môi thủy tinh vô cơ Tên gọi các thủy tinh vô cơ £ Thửch anh nóng chảy 4,5 Thủy tinh kiềm 6,5 Thủy tinh bari 10,0 d. Hằng số diện môi của diện môi rắn hữu cơ cực tính Điện môi rắn hữu cơ Cực tính bao gồm xenlulô và các sản phẩm của nó như: giấy, bông, vải, sợi, bia các tòng V.V.. Ngoài ra còn có các chất nhựa hữu 1MH. 1kHz Xo )kHt cơ được trùng hợp có các phân tử cực tính như epoxi, nhựa phenoltormal -dehyd, galovac v.v... -160 -120 -80 -*0 0 re Hình 12. Quan hệ e=f(t°, f) của sáp galovac Trong các điện môi rắn hữu cơ cực tính, ngoài phân cực điện tử nhanh còn có phân cực lưỡng cực chậm. Hằng số điện môi của các vật liệu này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và tần số của điện trường theo quy luật giống như ỏ các chất lỏng cực tính. Do vậy, khi sử dụng các điện môi rắn cực tính trong điều kiện nhiệt độ và tần số thay đổi cần lưu ý tính toán cho phù hợp, nếu không điện môi sẽ bị phá hủy. Bảng 8 Tên diện môi rắn E Nhựa phenol-tormaldehyd 4,5 Sáp galovac 5,0 Xenlulô 6,5 Epoxi 3-4 Silic hữu cơ 3-5 44 Hình 12 trinh bày quan hệ của E theo nhiệt độ và tần số đối với sáp galovac. Bảng 8 đưa ra giá trị hằng số điện môi của một số điện môi cực tính. e. Hằng số điện môi của các điện môi xecnhet (có từ tính) Hằng số điện môi của các điện môi xecnhet nằm trong dải rất rộng từ vài đơn vị cho đến hàng trăm, nó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và cường độ điện trường. Bảng 9. Trị số £ của điện môi xecnhet ở t°=20°c trong điện trường yếu Tên vật liệu £ Muối xecnhet Titanat Bari Titanat Bari có thêm chất phụ 500-600 1000-1500 7000-9000 Hình 13 biểu diễn quan hệ của £ theo nhiệt độ của gốm titanat bari. Từ hình vẽ ta thấy có một số điểm cực đửi ngay ở cả nhiệt độ thấp. Điều đó nói lên cấu trúc tinh thể lon thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. ' r— 1 \ 8000 6000 4000 J 1— t=22°c ì 1 Ị f • ! > \ V 2000; 12 ky BO -40 0 40 80 120 160 t°c Hình 13. Quan hệ £=f(t°) của BaTiOa Eq.mm Hình 14. Quan hệ c=f(E) của chất xecnhet Nhiệt độ mà ở đó e đửt trị số cực đửi gọi là điếm Quyri. Trong miền nhiệt độ cao hơn điểm Quyri, thuộc tinh xecnhet của vật liệu không còn đặc biệt là e không phụ thuộc vào cường độ điện trường nữa. Hình14 trình bày quan hệ giữa e với cường độ điện trường E của gốm xecnhet. f. Hằng số điện môi của tổ hợp các cách điện rắn Trong thực tế kỹ thuật điện thường gặp tổ hợp cách điện của các chất cách điện khác nhau. Một bài toán đặt ra là cần xác định hằng số điện môi của tổ hợp cách điện, khi biết hằng số điện môi và tỷ lệ tương đối của các điện môi thành phần. 45 Lixtenịker đã đưa ra công thức tính hằng số điện môi £ của tổ hợp cách điện gồm 2 chất với hằng số điện môi là é, và Sa Tỷ lệ tương đối cua các thành phần tương ứng là X, và x 2 với điều kiện là: x,+x2 =1. Công thức tổng quát để tính hằng số điện môi E của tổ hợp 2 chất cách điện như sau: eK =x, Eị +x2 (2-23) Trong đó, k là hệ số mũ, nói lên đặc điểm sắp xếp của các thành phẩn: • Nếu 2 điện môi đặt vuông góc với phương của điện trường (mắc nối tiếp) thì k= - 1 . Ta có: ì_ e (2-24) • Nếu 2 điện môi đặt song song với phương của điện trường (mắc song song) thi k= 1 Ta có: e = X,E, + x2 £2 (2-25) • Nếu hai chất trộn đều vào nhau thì k - • 0. Khi đó: Ine =x,lne, + x2lne2 (2-26) Bằng các công thức (2-24), (2-25), (2-26), ta có thể tính £ của tổ hợp các cách điện. Với 2 chất cách điện như vậy, công thức xác định hệ số nhiệt của hằng số điện môi của tổ hợp này như sau: TKe = X,TK£ 1 + X2TKE2 (2-27) Dựa vào biểu thức này ta có thể chỉ ra được quan hệ giữa £ của tổ hợp cách điện với nhiệt độ. HI. TÍNH SẮT ĐIỆN 9 — ỡ ± - ọ 1 O.0OÍSKSL Jk 0 "T Ỡ ta) - - 0 Ky Ti*- Ba:- 0;- • Ổ Ồ b) Hình 15. Một ô cơ sỏ của bari titanat BaTi03 (a) và sơ đồ bố trí của các ion Ti 4* và ơ xung quanh tâm của mặt (b) 46 Nhóm vật liệu điện môi sắt điện hay còn gọi là điện môi xecnhet mang tính phân cực tự phát, tức là phân cực khi vắng mặt điện trường. Tương tự như các vật liệu sắt từ có thể cho từ tính vĩnh cửu. Trong các vật liệu sắt điện phải tổn tửi những lưỡng cực điện vĩnh cửu. Để giải thích tính sắt điện, lấy chất điển hình thông dụng nhất là chất bari titanat. Sự phân cực tự phát là hệ quả của sự sắp xếp vị trí các lon Ba2*, Ti4*, và o2" trong ô cơ sỏ như biểu thị trên hình 15. Các ion Ba2* nằm ở các đỉnh góc của ó cơ sở mửng tính dối xứng ttetragonal (hình lập phương bị giãn nhẹ theo một phương -mửng chính phương). Mômen lưỡng cực sinh ra do sự xê dịch tương đối của các ion o2' và Ti 4* ra khỏi vị trí đối xứng của chúng (hình 15b). Các ion o2' nằm thấp xuống dưới một chút, còn ion Ti 4* lửi dịch lên trên so với tâm điểm của ô cơ sỏ. Như vậy, một mômen lưỡng cực lon vĩnh cửu gắn với một ô cơ sỏ. Tuy nhiên, khi nung nóng bari titanat lên trên nhiệt độ Curie sắt điện của nó (120°C) thì ô cơ sỏ sẽ trỏ lửi khối lập phương, và tất cả các ion đều theo đúng vị trí đối xứng trong ô cơ sở lập phương. Vật liệu bây giờ có cấu trúc tinh thể kiểu perovskit và tính chất sắt điện biến mất. Sự phân cực tự phát của nhóm vật liệu này sinh ra như là hệ quả của tương tác giữa các lưỡng cực vĩnh cửu lân cận, chúng sắp xếp với nhau tất cả theo cùng một hướng. Các chất sắt điện có hằng số điện môi cực kỳ cao ỏ các tần số điện trường tương đối thấp, thí dụ ỏ nhiệt độ trong phòng E, của bari titanat có thể cao tới 5000. Do vậy, các tụ điện chế tửo bằng những vật liệu này có thể có kích thước nhỏ hơn nhiều so với các tụ điện làm bằng các vật liệu điện môi khác. IV. TÍNH ÁP ĐIỆN Áp điện là một tính chất khác thường của một vài vật liệu gốm: Khi lực ngoài tác dụng lên một mẫu chất thì sự phân cực sinh ra và một điện trường được thiết lập trong mẫu. Khi đảo dấu của lực ngoài (tức kéo chuyển sang nén), thì chiều của điện trường cũng đảo theo. Hiệu úng áp điện được thể hiện trên hình 16. Vật liệu áp điện được ứng dụng trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng điện thành ứng suất co học và ngược lửi như đầu ghi âm, micrôphon, máy phát siêu âm, đầu đo ứng suất, đầu thu âm. ơ a) b) ơ Hình 16. Các lưỡng cực trong vật liệu áp điện (a) và sự xuất hiện điện áp khi vật liệu chịu lực nén (b) 47 Trong một máy ghi âm, khi dầu kim dịch chuyển theo các rãnh trên một dĩa hát, biến thiên của áp suất lên vật liệu áp diện ở trong đầu âm chuyển đổi thành tín hiệu điện và được khuếch dửi lên trước khi cho ra loa. Các vật liệu áp điện gốm các bari titanat, bari và chì ziêconat (PbZr03), amoni dihydrophotphat (NH4H2P04) và thửch anh. Tinh chất này 'là đặc trưng của các vật liệu có cấu trúc tinh thể phức tửp với đối xứng thấp. Tính chất áp điện của mẫu chất đa tinh thể có thể được cải thiện bằng cách nung nóng lên trên nhiệt độ Curie của nó và sau đó làm nguội xuống nhiệt độ trong phòng trong một điện trường mửnh. V. TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI 1. Khái niệm về tổn hao điện môi Khi điện trường tác dụng lên điện môi, trong điện môi xảy ra quá trình dịch chuyển các điện tích tự do và điện tích ràng buộc. Như vậy, trong điện môi xuất hiện dòng điện dẫn và dòng điện phân cực, chúng tác động đến điện môi làm cho điện môi nóng lên, tỏa nhiệt và truyền nhiệt vào môi trường. Phần năng lượng nhiệt này không sinh ra công, nên người ta thường gọi là tổn hao điện môi. Tổn thất năng lượng trong điện môi xảy ra dưới tác động của điện áp xoay chiểu cũng như một chiều bởi vì trong vật liệu có dòng điện rò do điện dẫn gây ra. Khi ở điện áp một chiều, trong điện môi không có sự phân cực theo chu kỳ, do đó năng lượng tiêu hao chỉ do dòng điện rò gây nên, nghĩa là chất lượng của vật liệu được xác định bằng điện trỏ suất của vật liệu đó. Nhưng với điện áp xoay chiều, ngoài dòng điện rò trong điện mõi còn có dòng điện do phân cực gây nên, do đó ta phải dùng các đặc tính khác để xác định chất lượng vật liệu cách điện. Có thể xác định trị số tổn hao điện u mõi trong vật liệu cách điện bằng giá trị công suất tản trong một đơn vị thể tích hoặc suất tổn hao điện môi. Theo nguyên lý chung, tổn hao cõng suất trong vật mẫu hay trong bất kỳ khối vật liệu nào (với các điểu kiện giống nhau) có trị số tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào vật thể. Hình 17 Với nguồn điện áp một chiểu ta có công thức tính công suất tổn hao điện môi như sau: p = R.l 2 = U2/R (2-28) Trong đó: R-đo bằng (tí); l-am pe (A); U-von (V). 48 Khi điện áp xoay chiều với tần số (0= 2rtf, giữa dòng điện I và điện áp u có một góc lệch pha là (ị) (hình 17). Góc phụ với góc ộ là góc 5 (+ô =90°) đổng thời cũng được gọi là góc tổn hao điện môi. Tổn hao điện môi được tính như sau: p = u.l cosẹ= U.IR=Ulc.tgô = u. —tgô = Uz.0)C.tg5 Xe Như vậy: R = U2.(oC.tg8 (2-29) Trong đó: P: Công suất tồn hao. U: Điện áp đặt vào vật thể. to: Tần số góc (co = 2ĩt\). C: Điện dung của tụ. Trong trường hợp điện môi lý tưởng, véc tơ dòng điện trong sơ đổ thay thế điện môi sẽ vượt trước một góc là 90°; khi đó góc 6 =0 và tổn hao điện môi p = 0, nghĩa là không sinh ra tổn hao điện môi. Công suất tiêu hao năng lượng để phát nhiệt càng lớn khi góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp càng bé. Để xác định khả năng phát tán năng lượng của điện môi trong điện trường, người ta thường dùng góc tổn hao điện môi 6 và tg của góc đó (tg 6) theo công thức 2-21 Qua công thức (2-21) ta thấy giá trị tổn hao công suất tỷ lệ với tgỗ khi tần số và điện áp không đổi. Vì vậy, khi nghiên cứu tổn hao điện môi của điện môi nào đó, người ta thường đo góc ô hay tgỗ để xác định tính chất của vật liệu. Giá trị tgô có thể xác định bằng công thức sau: tgs = ỹ (2-30) le p Hay tgô =— (2-31) Với Q là công suất phản kháng. Nếu so sánh với hai loửi điện môi có cùng kích thước với cùng kích thước điện cực khi chịu tác động củng một giá trị điện áp, ta nhận được tỷ số công suất tổn hao năng lượng của hai loửi điện môi đó như sau: g _ UznjCjgS, = C^tgổ, _ e,tgổx P2 U^ĩưCsgô-, Coeztgồ2 eựgổ, Tổn hao điện môi thường có quan hệ với hằng số điện môi E và tgõ của chất đó. Trị số của tích số £. tg8 người ta gọi hệ số tổn hao điện môi. é' = E.tgỗ (2-32) 49 Hệ SỐ tổn hao điện môi é* cho ta khái niệm chính xác hơn khả năng phát nhiệt của điện môi so với tg8, vi é" cho biết khả năng phân cực của điện môi (e) và giá trị tổn hao điện môi (tgỗ). - Khi điện môi có tổn hao điện môi lớn thì nhiệt phát nóng trong điện môi tăng dần lên, đến một lúc nào đó vượt quá mức cho phép sẽ làm cho điện môi bị phân hủy và mất tính chất cách điện, hiện tượng này ta gọi là phóng điện do nhiệt gây nên. - Nếu điện áp đặt lên điện môi không đủ lớn để tửo nên độ nóng quá mức cho phép tổn hao điện môi gây ra, thi trong trường hợp này tổn thất điện môi vẫn đưa đến những tác hửi nghiêm trọng, ví dụ như làm tăng điện dẫn của điện môi, các tham số vật liệu thay đổi, sơ đồ mửch điện cũng thay đổi. Do tổn hao điện môi liên quan trực tiếp tới sự phân cực điện môi, nên có thể xét điện môi theo quan hệ giữa điện tích Q trên cực của tụ điện với điện áp tác dụng u (hình 18). Khi tổn hao điện môi không phải do hiện tượng phân cực gây nên, điện tích phụ thuộc vào điện áp theo quan hệ đường thẳng (hình 18a). Trường hợp này thường xảy ra trong các điện môi trung tính có phân cực nhanh và không sinh ra tổn hao điện môi. a) b) c) Hình 18. Quan hệ Q = f (U). a) Điện môi không có tổn hao (Điện môi trung tính); b) Điện môi cực tính; c) Điện môi xecnhét. Nếu trong điện môi có hiện tượng phân cực chậm liên quan với tổn thất năng lượng, thì đường cong quan hệ điện tích theo điện áp có dửng elíp (hình 18b). Diện tích hình elíp (S) tỉ lệ với năng lượng tiêu tốn trong điện môi với một chu kỳ biến đổi điện áp (P): s = p. Trong trường hợp điện môi xécnhét, đường cong quan hệ điện tích theo điện áp có dửng đường cong từ trễ ở vật liệu từ (hình 18c), Trong trường hợp này, diện tích của chu trình tỉ lệ với tổn thất năng lượng trong một chu kỳ (S = P). Khi xác định tổn hao điện môi của một mẫu vật liệu, trong thực tế thường xác định diện tích s của quan hệ giữa Q và u, sau đó so sánh tổn hao của một vật mẫu. 50 Trong các vật liệu cách điện dùng trong thực tế, ngoài tổn thất do dòng điện rò và phân cực chậm, còn xuất hiện các tổn hao khác làm ảnh hưởng đến các tính chất cách điện của điện môi. Các tổn hao điện môi này gây nên do sự tổn tửi các tửp chất, bán dẫn, các ôxít sắt, các bon, hơi ẩm v.v... trong điện môi. Chỉ với một hàm lượng nhỏ cũng có thể gây nên tổn hao điện môi lớn. Do vậy, trong quá trình thực hiện các công nghệ sản xuất vật liệu cần phải giữ đúng quy trình hửn chế tới mức thấp nhất sự tồn tửi tửp chất trong vật liệu. ở điện áp cao khi vật liệu có chứa các bọt khí, tổn hao điện môi còn do sự ion hóa các chất khí. Sự ion hóa này cũng mãnh liệt khi ở điện áp cao và tần số cao. Do vậy khi chế tửo thiết bị điện cao áp cần phải loửi trừ các bọt khí bên trong vật liệu cách điện. 2. Các dửng tổn hao trong diện môi Theo đặc điểm và bản chất vật lý, có thể chia tổn hao điện môi thành bốn dửng chính sau đây: • Tổn hao điện môi do dòng điện rò. • Tổn hao điện môi do phân cực. • Tổn hao điện môi do ion hóa. • Tổn hao điện môi do cấu tửo không đồng nhất. Sau đây, ta xem xét đặc điểm của các dửng tổn hao nói trên. a. Tổn hao diện môi do dòng điện rò Trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng chứa các điện tích và điện tử tự do. Dưới tác dụng của điện trường, các điện tích kể trên sẽ tham gia vào dòng điện dẫn (như phần I đã đề cập) và tửo nên dòng điện rò. Trong điện môi rắn có dòng điện rò đi trên bề mặt và trong khối điện môi, còn điện môi khí và lỏng chỉ có dòng điện khối. Nếu dòng điện rò lớn thì tổn hao trong điện mòi có trị số đáng kể. Trị số tang của góc tổn hao điện môi trong trường hợp này có thể tính theo công thức. Trong đó: f - Tần số của điện trường đo bằng Hz. p - Điện trở suất [ũ. em]. Tổn hao điện môi dửng này phụ thuộc vào tần số của điện trường, tgỗ giảm theo quy luật hyperbolic khi tần số tăng (công thức 2-25). Khi nhiệt độ tăng lên, điện dẫn của điện môi sẽ tăng theo quy luật hàm số mũ, do vậy tổn hao điện môi cũng tăng theo quy luật này: Pj=A.e{ Ti (2-34) SI Trong đó A và b là các hằng số của vật liệu. Hoặc ta có: Pt = p0 ea t (2-35) Trong đó: Pt - Tổn hao công suất ở nhiệt độ t°c. p 0 - Tổn thất ở nhiệt độ 20° c. (X - Hằng số mũ của vật liệu. t-Nhiệt độ,°c. Quan hệ giữa tgỗ với tần số và nhiệt độ sẽ rõ hơn ỏ các phán sau của chương này. b. Tổn hao điện môi do phân cực Dửng tổn hao này thấy rõ ở các chất phàn cực chậm: Trong các điện môi có cấu tửo lưỡng cực và điện môi có cấu tửo ion ràng buộc không chặt chẽ. Tổn hao điện môi do phân cực chậm được gây nên bởi sự phá hủy chuyển dộng nhiệt của các phân tử dưới tác dụng của cường đô diện trường. Sự phá hủy này làm phát sinh năng lượng tiêu tán và điện môi bị phát nóng. Tổn hao điện môi trong các điện môi cực tính tăng theo tần số của điện áp đặt lên điện môi và biểu hiện rõ rệt nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao. Khi ở các tần số cao, tổn hao điện môi có trị số lớn tới mức phá huy vật liệu. Do vậy không nên dùng điện môi cực tính mửnh ở tẩn số cao trong kỹ thuật điện. Quan hệ của tgô với nhiệt độ của các điện môi cực tính có giá trị cực đửi ở một nhiệt độ nào đó đặc trưng cho mỗi vật liệu. ở nhiệt độ này, thời gian phân cực chậm của phân tử điện môi gần trùng với chu kỳ biến đổi của điện trường xoay chiểu đặt lên điện môi. Nếu nhiệt độ có trị số cao cho thời gian phân cực chậm của phân tử lớn hơn thời gian nửa chu kỳ biến đổi điện áp xoay chiều một cách đáng kể, thì chuyển động nhiệt của phân tử sẽ yếu đi và tổn hao điện môi giảm. Nếu nhiệt độ có trị số sao cho thời gian phân cực lưỡng cực nhỏ hơn thời gian nửa chu kỳ biến đổi của điện áp xoay chiều một cách đáng kể thì cường độ chuyển động nhiệt sẽ lớn, mối liên kết giữa các phân tử giảm, do đó tổn hao điện môi cũng giảm. Tổn hao điện môi trong chất xécnhét liên quan tới hiện tượng phân cực ngẫu nhiên (phân cực tự phát). Do đó, tổn hao điện môi xécnhét có trị số đáng kể ở nhiệt độ thấp hơn điểm Quyri. Tổn hao điện môi dửng này tăng theo tẩn số của điện áp đặt lên điện môi. ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri tổn thất năng lượng trong điện mòi xécnhét giảm xuống. Sự hóa già về điên theo thời gian của điện môi xécnhét cũng làm giảm tổn hao diện môi. Trong các loửi điện môi cỏ tổn hao do phân cực cần phải kể đến hiện tượng gọi là tổn hao cộng hưởng biểu hiện ở tần số ánh sáng. Dửng tổn hao này thấy rõ trong một số chất khí ở tần số xác định có sự hấp thụ năng lượng điên trường. 52 Tổn hao cộng hưởng cũng có thể xảy ra ỏ chất rắn khi tần số dao động cưỡng bức do điện trường gây nên trùng với tần số dao đông riêng của các hửt chất rắn. Sự tồn tửi cực đửi trong quan hệ tgô với tần số cũng đặc trưng cho cả cơ chế cộng hưởng, nhưng trong trường hợp này, nhiệt độ không ảnh hưởng đến điểm vị trí cực đửi. c. Tổn hao điện môi do ion hóa Tổn hao điện môi do ion hóa xảy ra trong các điện môi ở trửng thái khí. Dửng tổn hao này xuất hiện trong các điện trường không đồng nhất khi cường độ điện trường cao hơn trị số bắt đầu lon hóa của loửi khí đó. Ví dụ: Không khí ở xung quanh dây dẫn của đường dây tải điện trên không điện cao áp, đầu cực của các thiết bị cao áp, bọt khí trong điện mõi rắn hoặc lỏng khi chịu điện áp cao v.v... Tổn hao do ion hóa có thể tính theo công thức sau: Pi = Af(U-U0)3 Trong đó A - Hằng số. f - Tần số của điện trường. u - Điện áp đặt vào. u0 - Điện áp tương ứng với điểm bắt đầu ion hóa. Trị số điện áp ion hóa u 0 của các chất khí khác nhau thì cũng khác nhau. Trị số này phụ thuộc vào áp suất chất khí khi áp suất tăng trị số điện áp bắt đầu ion hóa tăng. Quá trình lon hóa các phân tử khí sẽ tiếp thu một năng lượng điện trường làm cho nhiệt độ điện môi khí tăng lên và sinh ra tổn hao lon hóa. Khi bị ion hóa, trong chất khí có thêm nhiều điện tích và điện tử tự do làm cho điện dẫn chất khí tăng lên, chúng góp phần tửo nên tổn hao điện môi lớn. Một điều đáng chú ý và quan tâm đó là trong không khí có chứa ôxy (Oi). Khi bị ion hóa 02 biến thành 0 3 (ôzôn), nó kết hợp với nitơ và nước thành axít nitric (HNO3). Nếu quá trình ion hóa liên tục thì nồng độ axit HNO3 sẽ tăng lên có thể gây nên sự ăn mòn hóa học của vật liệu và làm cho thời gian phục vụ (tuổi thọ) của vật liệu giảm đi. d. Tổn hao diện môi do cấu tửo không dồng nhất Loửi tổn hao này có rất nhiều ý nghĩa trong thực tế, vì vật liệu cách điện của các thiết bi thường có cấu trúc không đồng nhất. Do tính chất đa dửng về cấu trúc và thành phần của vật liệu cách điện, nên không thể có một công thức chung để tính toán tổn hao điện môi này. Trong trường hợp đơn giản nhất, có thể hình dung điện môi không dồng nhất dưới dửng hai lớp nối tiếp nhau (hình 19). 53 Trị số điện dung tương đương c, và c 2 phụ thuộc vảo hằng số điện môi của các lớp này và kích thước hình học của chúng. Điện trỏ R, và R2 được xác định bởi điện trỏ suất và kích thước hình học điện môi các lớp. Phăn tích sơ đồ hình 19b dễ dàng chỉ ra đửi lượng tgô được xác định bởi công thức: tgS: tu n + m wM +ar2N di à2 ti ri tì (2-36) Ci c 2 H h H h Ri R2 a) b) Hình 19. Sơ đổ điện môi mắc nối tiếp (a) và sơ đồ đẳng trị (b) thay thế điện môi Trong đó: m = R, + R2 n= C\R\R, + C;R;R M= CX'+C2R; N= CịRịCX +C{RỈC2RỊ Trong trường hợp nếu Rtl d và c 2 không phụ thuộc vào tần số, tổn hao chỉ do điện dẫn gây nên, thì sau khi lấy đửo hàm theo tần số phương trình (2-28) và cho nó bằng 0 để giải, ta được biểu thức mà từ đó thấy rõ rằng tgô có cực tiểu và cục đửi trong quan hệ của tgỗ vào tần số. Điểu này thấy ở (hình 20). Hìn h 2 0 Qua n h ệ tg ố u f(w ) Giá trị cực đửi của tgõ quan sát thấy ở tần số 0)2: C02 : ỊM/1-3MH + VÃ 2 Mi (2-37) 54 Cực tiểu ỏ tẩn số co,: co, , M/I-3M7Í + VÃ (2-38) 2Nn Trong đó: A = (Mn -3Nm)2 - 4Mmn Trị số tgỗ của điện môi nhiều lớp khi các lớp mắc nối tiếp có thể tính sơ bộ bằng công thức sau: tc.tgS, W=—N Trong đó: tgõj- tang góc tổn hao điện môi của các lớp tương ứng với tán sô đã cho. 3. Tổn hao điện môi trong các sớ đổ thay thế Khi đặt điện áp lên diện môi thường xuất hiện ba loửi dòng điện, đó là: dòng điện rò (l r ò ), dòng điện chuyển dịch do phân cực nhanh (l c d ) và dòng điện hấp thụ do phân cực chậm (l h l). Như vậy: I = trà + lcd + lh (2-39) Khi điện môi đặt dưới điện áp một chiểu, thì dòng điện phân cực chỉ xảy ra khi đóng hay ngắt dòng điện, cho nên tổn hao điện môi chủ yếu là do dòng điện rò (lr ò ) gây nên. Nhưng khi điện áp là xoay chiều, dòng điện phân cực và dòng điện rò có suốt trong thời gian đặt điện áp. Khi đó, tổn hao điện môi vừa do dòng điện rò và vừa do dòng điện phân cực gây nên. Dựa vào tính chất trên, trong tính toán ta có thể thay thế điện môi bằng sơ đồ mắc song song điện trở và điện dung (hình 21 a) và biểu đồ véc to' giữa điện áp và dòng điện (hình 21 b, c). a) b) c) Hình 21. Sơ đổ thay thế điện môi (a) và biểu đồ véc tơ giữa điện áp và dòng điện (b, c) 55 Do yêu cầu mục đích tính toán, điện môi có tổn hao có thể biểu diễn bằng các sơ đồ thay thế song song, hoặc nối tiếp một tụ điện với một điện trở tương đương. Trong thực tế, khi có điện áp cần phải tính dòng điện iRVầ le ta dùng sơ đồ song song; khi có dòng điện cần phải tính điện áp UR, ÚC ta dùng sơ đồ nối tiếp. Dùng sơ đồ thay thế sẽ cho phép giải thích các quá trinh xảy ra trong điện môi (tổn hao, phân cực V. V...), đồng thời còn mô hình hóa điện môi trên các sơ đồ điện. Cần lưu ý rằng, việc chọn sơ đồ và các tham số của sơ đồ mang tinh chất chủ quan và phụ thuộc vào bài toán cụ thể cẩn phải giải quyết, miễn sao các kết quả thu được phản ánh đúng thực chất các hiện tượng vật lý xảy ra trong điện môi. Sơ đố thay thế điện môi gồm hai thành phần điện dung c và điện trỏ R. Các sơ đố thay thế được chọn cần phải thỏa mãn hai điểu kiện đó là: • Công suất tổn hao trong sơ đồ phải bằng công suất tiêu hao trong điện môi. • Góc lệch pha giữa dòng điên và điện áp của sơ đồ phải bằng góc lệch pha trong thực tế điện môi khi có cùng điện áp và tẩn số. Như vậy: tg&sodó= thực tế Tồn tửi hai sơ đồ đơn giản là sơ đồ đấu song song hai phần tử R/, C/, và sơ đổ nối tiếp hai phần tử c n t R„, (hình 22a). Trong sơ đồ mắc song R/, với Cu (hình 31 a) ta có: tgỗ=-S-=—- =-£ (2-40) / ctũCnRu " Với g = — ; b = lứC/i RII Như vậy, ở đây tgõ sẽ giảm đi khi tần số tăng lên. Công suất tổn hao được tính: P/, = u.l.cos ộ = u2.g = u2.b. tgô = U20)Ctgô (2-41) Trong sơ đồ mắc nối tiếp c n tvới Rn l (hình22b) ta có: tgô = jf- = u>c„,. Rnt = — (2-42) uc Xút 56 3 L Cnt Rnt IR = U/R„ le = U<ửC/ UR = IRnđ a) b) Hình 22. a) Sơ đồ mắc song song R//VỚÌ Cu b) Sơ đồ mắc nối tiếp RntVỚi Cnt Với X = điện áp. Ì COCnt như vậy tg5 phụ thuộc tuyên tính với tần số (ú của Công suất tổn hao trong sơ đồ này được tính: Pnt = U2(oCn t. tgô: l2.Rn. (2-43) Từ điều kiện tương đương của hai sơ đồ P// = Pnt = p và tg5sũ dó = tgSthực tế, khi cần chuyển đổi sơ đồ nối tiếp sang sơ đồ song song hay ngược lửi thì các tham số điện dung và điện trở được tính bằng công thức chuyển đổi sau: c„, C//= i + tg2ổ 1 + tg2ổ 4. Những yếu tố làm ảnh hưởng tới tổn hao điện môi Trước khi nghiên cứu tổn hao điện môi của các điện môi ở trửng thái khí, lỏng và rắn, chúng ta xét tới những yếu tố ảnh hưỏng tới tổn hao điện môi. tgỗ áp dụng cho cả ba trửng thái nói trên. Trên thực tế, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tổn hao điện môi. Nhưng chúng ta thấy có 4 yếu tố quan trọng nhất đó là: • Tần số điện môi: co = 2n f. • Nhiệt độ làm việc của điên môi. • Độ ẩm của điện môi và môi trường. • Trị số điện áp hay cường độ trường tác dụng lên điện môi. 57 VI. sự PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI ì. Khái niệm Thực nghiệm cho ta thấy: Khi cường độ điện trường đật lên điện môi vượt quá một giới hửn nào đó sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện chọc thủng điện môi, khi đó điện môi bị mất hoàn toàn tính chất cách điện. Hiện tượng đó chính là sự phóng điện chọc thủng của điện môi hay là sự phá hủy độ bền điện của điện môi. Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi, được gọi là điện áp đánh thủng (Um); trị số tương ứng của cường độ điện trường là cường độ đánh thủng hay cường độ điện trường cách điện của điện môi (Eđt). u í kV E d t = - , — (2-44) h \ min ) Trong đó: h - Chiều dày của điện môi đo bằng mm. Cường độ điện trường cách điện của điện môi "E" = Eđ, chính là điện áp đánh thủng điện môi trên một milimét chiều dày điện môi. Khi tính toán để chọn chiều dày điện môi của một thiết bị làm việc ô điện áp định mức nào đó (Udm), cần phải nhân hệ số an toàn hay chính xác hơn là hệ số làm việc an toàn K: h = K^2-[mm] (2-45) E,I, Trong thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưỏng tới cường độ điện trường cách điện của điện môi: dửng điện trường, dửng điện áp, thời gian tác dụng của điện áp, điều kiện môi trường như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm v.v._ Các chất khí, lỏng, rắn có cơ cấu và diễn biến quá trinh phóng điện khác nhau, do đó khi nghiên cứu sự phóng điện cần phải xét riêng cho từng trường hợp. 2. Sự phóng điện trong diện môi khí Các chất khí (chủ yếu là không khí) thường được dùng làm chất cách điện của các thiết bị điện làm việc trong không khí và của đường dây tải điện trên không. Không khí hoặc phối hợp với các điện môi khác hoặc đơn độc làm nhiệm vụ cách điện giữa các pha hoặc giữa pha với đất (vỏ máy). Do vậy, đặc tính của chất khi có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật điện cao áp. Khi chúng mất khả năng cách điện sẽ gây nên hiện tượng ngắn mửch và dẫn đến các sự cố trong các thiết bi điện và hệ thống điện. Trong điện môi rắn và lỏng, thường tốn tửi các bọt khí, đó là các điểm cách điện suy yếu vì cách điện của các điện môi này bị hỏng thường bắt nguồn từ các quá trình phóng điện của các bọt khí. Vì vậy nghiên cứu quá trình phóng điện trong điện môi khí với mục đích khắc phục và loửi trừ sự cố trong các thiết bị và hệ thống điện. 58 a. Yêu cẩu chung đối với các chất khí cách điện Các chất khí dùng làm chất cách diện phải dửt được các yêu cầu sau đây: • Phải là loửi khí trơ, nghĩa là không gây ra phản ứng hóa học với các chất cách điện khác trong cùng kết cấu cách điện, hoặc với các kim loửi của thiết bị diện. • Có cường độ cách điện cao. sử dụng các chất có cường độ cách điện cao sẽ giảm được kích thước của kết cấu cách điện và thiết bị. • Nhiệt độ hóa lỏng thấp để có thể sử dụng chúng ở trửng thái áp suất cao. • Phải rẻ tiền, dễ tim kiếm và chế tửo. • Tản nhiệt tốt. Ngoài nhiệm vụ cách điện, chất khí còn có nhiệm vụ làm mát (như trong máy điện) và yêu cầu phải dẫn nhiệt tốt. Không khí là loửi khí thường gặp nhất thoa mãn được yêu cầu thứ tư nhưng lửi không đửt yêu cầu thư nhất và thứ hai, nhất là yêu cầu thứ nhất. Quá trinh ion hóa trong không khí thường phát sinh các chất ôzôn, nitơ, ôxit nitơ, biôxít nitơ và kết hợp với nước thành axít nitơric (HN03), chúng sẽ ăn mòn kim loửi và các bộ phận cách điện khác. Cường độ cách điện của không khí chỉ bằng 1/10 so với dầu biến áp, cho nên để tăng cường độ cách điện của nó lên ngang với các chất cách điện rắn và lỏng cần phải tăng áp suất không khí tới 10-15 át, điều đó sẽ làm cho kết cấu và vận hành của thiết bị càng phức tửp. Hiện nay đã và đang sử dụng các chất khí có cường độ cách điện cao như êlêgaz, freon V.V.... Đặc tính của một số chất khí cách điện thường dùng cho ở bảng 10. Bảng 10. Đặc tính của một số chất khí cách điện Tên chất khí Thành phần hóa học cường độ cách điện tương đối so với không khí Nhiệt độ hóa lỏng °c Không khí 1 Elagaz SF6 2,5 - 62 Frêôn CCI 2F2 2,5 - 30 Têtracloruacacbon c c u 6,3 +76 Qua bảng 10 ta thấy: Elegaz và Freon có cường độ cách điện tương đối cao, nhiệt độ hóa lỏng thấp nên có thể nén ở áp suất cao mà vẫn giữ được trửng thái khí. Song, nhược điểm của chúng là đắt tiền. Khí ccu thực chất là chất lỏng khi ỏ nhiệt độ bình thường, mặc dù có cường độ cách điện cao, nhưng nó không được dùng trong thực tế. 59 b. Các dửng ion hóa xảy ra trong chất khi Các chất khí không phải là chất cách điện lí tưỏng, chúng chỉ chứa các phân tử trung hòa và bao giờ cũng có một số ion và điện tử tự do. Binh thường thì các điện tích và điện tử tự do này luôn ỏ trửng thái chuyển động nhiệt. Khi có điện trường bên ngoài tác động, chúng sẽ chuyển động theo phương của điện trường và tửo nên dòng điện dẫn trong điện môi. Các điện tích của chất khí được tửo nên bởi quá trinh lon hóa tự nhiên. Ví dụ: Trong không khí dưới tác dụng của các yếu tố bên ngoài (tia cực ngắn của mặt trời, tia vũ trụ, nhiệt độ, tia tử ngoửi v.v_) thường xảy ra mấy chục lần ion hóa trong một giây. Quá trình ion hóa là quá trình biến một phân tử trung hòa thành lon dương và điện tử tự do. Năng lượng cần thiết để cung cấp cho phân tử trung hòa để phân tử đó bị ion hóa gọi là năng lượng ion hóa (Wj). Ngược lửi quá trình ion hóa là quá trình kết hợp giữa các ion dương với điện tử hay ion âm dể thành phân tử trung hòa. Năng lượng ion hóa phân tử của chất khí khác nhau thì cũng khác nhau, nó phụ thuộc vào năng lượng liên kết giữa hửt nhân và diện tử của phân tử các chất khí đó. Năng lượng dùng dể ion hóa sẽ được trả lửi dưới dửng bức xử với độ dài sóng xác định theo công thức: hv = Wi+AWk (2-46) Trong đó: k = 6,5.10'27 erg.s là hằng số Plank. A wk là sự chênh lệch tổng năng lượng của phân tử trước và sau khi va chửm. Nếu năng lượng cung cấp cho phân tử trung hòa nhỏ hơn năng lượng lon hóa (W Wi (2-47) Trong đó: m - Khối lượng phân tử. V - Vận tốc chuyển động của phân tử. • lon hóa quang Năng lượng cần thiết để ion hóa có thể lấy từ bức xử của sóng ngắn với điều kiện: BO w = hv > Wi (2-48) Hoặc: X < é (2"49) ty Trong đó: À - Độ dài sóng của sóng ngắn (À = —). V V - Tần số bức xử của sóng ngắn. c - Tốc độ ánh sáng. • lon hóa nhiệt Ồ nhiệt độ cao có thể phát sinh các quá trình sau: • lon hóa va chửm giữa các phân tử do các phân tử chuyển động nhiệt với tốc độ lớn. • lon hóa do bức xử nhiệt của khí bị nung nóng. • lon hóa va chửm giữa những phân tử và điện tử hình thành do hai quá trình trên. Theo lý thuyết khí động học thì ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng có các phân tử chuyển động với nhiều tốc độ khác nhau, cho nên ỏ bất kỳ nhiệt độ nào cũng đểu có khả năng ion hóa, chỉ có khác nhau là xác suất nhiều hay ít. Nhiệt độ càng cao thì khả năng lon hóa càng lớn. ổ nhiệt độ bình thường thì xác suất này càng bé. Xác suất lon hóa do bức xa nhiệt cũng phụ thuộc vào nhiệt độ vì sự phân ly phân tử theo độ dài sóng cũng tương tự như trên, và khi nhiệt độ càng cao khả năng lon hóa càng nhiều. Năng lượng nhiệt và nhiệt dô cần thiết để xảy ra quá trình lon hóa được xác định theo công thức: 3 w = - kĩ > Wi (2-50) 9 Với: T - Nhiệt độ tuyệt đối của chất khí. K = 1,37:10"16 erg/K- Là hằng số Bokmal. • lon hóa bể mặt Ba dửng ion hóa trên xảy ra trong thể tích chất khí, còn dửng ion hóa bề mặt xảy ra ngay trên bề mặt điện cực kim loửi (catốt). Để giải thoát điện tử ra khỏi bể mặt cực cũng cần một năng lượng nhất định, năng lượng này được gọi là "công thoát" điện tử. Công thoát điện tử từ bề mặt cực phụ thuộc vào vật liệu làm diêm cực. Trong bảng 11 cho trị số công thoát của một số kim loửi làm điện cực thường gặp. 61 Bảng 11. Trị số công thoát của kim loửi Tên kim loửi Công thoát (eV) Nhôm 1,8 Đồng 3,9 Sắt 3,9 Có thể dùng các biện pháp sau đây để tăng cường ion hóa bé mặt: • Nung nóng âm cực. Do cực được nung nóng, điện tử sẽ chuyển động mửnh hơn và có năng lượng lớn hơn. Nếu năng lượng này đửt được trị số nhất định vượt quá "hàng rào thế năng" thì nó sẽ thoát ra khỏi điện cực. • Bắn phá mặt ảm cực bằng các phần tử có động năng lớn (ion dương). • Dùng sóng ngắn chiểu lên các măt điện cực (tia a, p, Y_). • Tác dụng bằng điện trường cực mửnh hay còn gọi là bức xử nguội, thường xảy ra khi điện trường khoảng 1000 kV/cm. (Xem thêm phần tham khảo ỏ cuối chương về quá trình ion hóa các chất khí) 3. Sự phóng diện trong diện môi lỏng ở điều kiện bình thường, điện môi lỏng có cường độ điện trường cách điện cao hơn nhiều so với điện môi khí. Hiện tượng phóng điện trong điện môi lỏng phức tửp hơn nhiều so với điện môi khí ngay cả khi điện môi lỏng tinh khiết, vì sau mồi lần phóng điện sẽ sinh ra các tửp chất là muội khói do chất lỏng bi đốt cháy. Trong các chất lỏng thường chứa các tửp chất: nước, bọt khí, bụi bẩn, xơ v.v... lơ lừng ỏ bên trong. Sự tổn tửi các tửp chất làm cho hiện tượng phóng điên đánh thủng diện mõi lỏng phức tửp lên rất nhiều, gây khó khăn cho việc thành lập lý thuyết chính xác vế phóng điện điện môi lỏng. (Xem thêm phần tham khảo ở cuối chương về phóng điện trong chất lỏng) 4. Sự phóng diện trong điện môi rắn Khi nghiên cứu về sự phóng điện trong điện mòi rắn, ta thấy có hai khả năng xảy ra. đó là: - Phóng điện đánh thủng hay ; còn gọi là phóng điện xuyên ~~$ qua điện môi rắn. Hình 23. Quan hệ E « =f(t°) - Phóng điện bể mặt điện môi rắn. 62 a. Phóng điện đánh thủng Phóng điện đánh thủng điện môi rắn phức tửp hơn so với chất khí và lỏng vì các lí do sau đây: • Điện môi rắn sau khi phóng điện sẽ mất hoàn toàn tính chất cách điện, tinh chất này không thể khôi phục được tức là không có tính chất thuận nghịch như chất khí và lỏng. • Điện môi rắn thường có cấu tửo không đồng nhất ở các vị trí khác nhau. • Điện môi rắn khác nhau về loửi phân tử, kết cấu phân tử, lượng tửp chất, công nghệ gia công chế tửo vv.... Khi xét quan hệ cường độ điện trường với nhiệt độ ta thấy: ở nhiệt độ thấp cường độ điện trường ít phụ thuộc vào nhiệt độ (vùng I của hình 23), gọi là phóng điện do điện gây nên. ở nhiệt độ cao (vùng li của hình 23), cường độ điện trường giảm nhiều khi nhiệt độ tăng, gọi là phóng điện do nhiệt gây nên trong điện môi rắn. Phóng điện do điện và phóng điện do nhiệt gây nên có một số điểm khác nhau sau: • Phóng điện do điện gây nên xuất hiện khi cường độ điện trường lớn (tùy thuộc vào loửi vật liệu) và xảy ra trong thời gian ngắn 10'7 đến 10"8 giây; còn phóng điện do nhiệt gây nên xảy ra trong một thời gian dài dể có thời gian làm. • Cường độ cách điện do điện gây nên không phụ thuộc vào chiều dày điện môi; còn phóng điện do nhiệt lửi phụ thuộc vào chiều dày điện môi; E m giảm khi chiểu dày tăng vì thường cách điện đi đôi với cách nhiệt. • Phóng điện do điện gây nên ít phụ thuộc vào nhiệt độ, nhưng phóng điện do nhiệt phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, cường độ điện trường đánh thủng giảm khi ở nhiệt độ cao. • Phóng điện do nhiệt gây nên xảy ra ỏ nơi nào trong điện môi có sự phát nhiệt lớn nhất, sự truyền nhiệt và làm mái kém nhất còn phóng điện do điện gây nên chỉ xảy ra ở nơi yếu nhất và có cường độ điện trường lớn nhất.... Người ta phân biệt thành bốn dửng đánh thủng điện mối rắn: s Sự đánh thủng do điện các điện môi rắn đông nhất vi mô. / Sự đánh thủng do điện các điện mô rắn không đồng nhất. • Sự đánh thủng do điện - hóa gây nên. / Sự đánh thủng do nhiệt gây nên. 63 Một trong những dửng đánh thủng kể trên có thể xảy ra đối với cùng một vật liệu tùy theo tính chất của điện trường - một chiều, xoay chiều hay xung. Tần số cao hay thấp, khuyết tật trong điện môi, đặc biệt là các bọt khi. những điều kiện làm mát, thời gian tác động cùa điện áp, điều kiện của môi trường.... Việc tìm hiểu sâu các dửng đánh thủng này khá phức tửp. Vì vậy ồ đây chỉ giới thiệu trị sô độ bền về điện của một số điện môi rắn trong trường đồng nhất (bảng 12). Bảng 12. Trị số Eđ t của một số điện môi rắn Độ bền điện trong Tên vật liệu trường dồng nhất tần số 50Hz Eđt KV/mm Thủy tinh 100*300 Đặc điểm cấu tửo Muối mỏ Mica Giấy tẩm 100*150 100-Ỉ-300 100-Ì-300 Điện môi đóng nhất và nhiều lớp nếu trường vuông góc với các lớp. Polistyren 90*120 Gốm 10*30 Điện môi cấu tửo Micalếch 10-Ỉ-15 không đổng nhất có Chất xơ có độn (phênol-íormaldehít, chất dẻo amin) 10*15 mao quản kín hoặc nhỏ nối thông với nhau. Đá hoa 4-Ỉ-5 Gôm xốp 1.5-Ỉ-5 Gỗ 4-f2,6 Giấy cáp không tẩm 7-Ỉ-10 b. Phóng diện bề mặt diện môi rắn Khi điện mòi rắn được đặt trong môi trường khí hay dầu MBA như: sứ cách điện đường dây, sứ đầu ra của MBA, thủy tinh cách điện thì quá trình phóng điện xảy ra men theo mặt ngoài của điện môi với trị số điện áp phóng điện bé hon nhiều so với trị số điện áp chọc thủng của khe hô của khí hay dầu, cũng như của bản thân điện môi rắn. Hiện tượng này rất phổ biên trong cách điện thiết bị điện, cách điện trong đường dây điện áp cao, các phóng điện này thường không làm hư hỏng cách điện nhưng có thể dẫn đến các sự cố ngắn mửch trong hệ thống điện, do đó cán hửn chế khòmg để xảy ra. 64 Tùy theo quá trinh diễn biến phóng điện với các đặc điển khác nhau của điện trường, có thể phân ra làm 3 trường hợp sau đây: • Điện môi đặt trong điện trưởng đồng nhất (hình 24a). • Điện môi đặt trong điện trường không đồng nhất có thành phần trưởng dọc theo bể mặt (thành phần tiếp tuyến) lớn (hình 24b). • Điện môi đặt trong trường không đồng nhất có thành phần pháp tuyến lớn (hình 24c). ai bj c> Hình 24. Các trường hợp phóng điện dọc theo bề mặt diện môi rắn Thực nghiệm cho ta thấy, khi đặt điện môi trong điện trường đồng nhất, trị số điện áp phóng điện xảy ra men theo mặt ngoài của điện môi bé hơn điện áp chọc thủng của khe hở khí (từ 2 lần trở lên). Hiện tượng chọc thủng trong nội bộ điện môi rắn càng khó xảy ra vi cường độ cách điện của nó lớn hơn nhiều so với không khí. Trong trường đổng nhất, điện áp phóng điện giảm thấp do các nguyên nhàn sau đây: Trước hết là do tiếp xúc giữa điện môi với các điện cực không tốt nên giữa chúng có lớp không khí mỏng. Điện trường trong lớp không khí mỏng lớn và sớm có quá trình lon hóa, các điện tử và ion sinh ra sẽ phân bố trên mặt ngoài của điện môi tửo điều kiện thuận lợi cho quá trình phóng điện. Thực tế, trong các kết cấu điện thường dùng mọi biện pháp để đảm bảo sự tiếp xúc chặt chẽ giữa điện cực và điện môi (như dùng xi măng, keo kết dinh...), nhưng trị số điện áp phóng điện mặt ngoài vẫn còn bé, đó là do nguyên nhân mặt ngoài điện môi bị ẩm. Hai là do tính hút ẩm của vật liệu nên mặt ngoài điện môi hình thành một màng ẩm mỏng. Bản thân màng ẩm có điện dẫn ion và dưới tác dụng của điện trường, các ion đó sẽ di chuyển về các điện cực khác dấu. Sự di chuyển này rất chậm chửp nên trên mặt điện môi gần điện cực sẽ tích tụ một số lon cùng dấu với điện cực đó, làm thay đổi sự phân bố điện áp trên bề mặt điện môi, trường trở nên không đồng nhất và do đó điện áp phóng điện giảm thấp. Gỉ Trị số điện áp phóng điện mặt ngoài phụ thuộc vào nhiêu yếu tố: • Độ ẩm của không khí. Độ ẩm của không khí có ảnh hưởng rất lớn tới trị số điện áp phóng điện. Khi độ ẩm tương đối từ 60-70% trở xuống, trị số điện áp phóng điện bề mặt tương đối ổn định, nhưng khi độ ẩm cao hơn gây nên sự ngưng tụ khí ẩm trên bé mặt điện môi làm cho điện áp phóng điện giảm nhiều. • Do tốc độ di chuyển của các ion trên bề mặt điện môi bé, nên tích tụ điện tích cùng dấu ở các điện cực diễn ra tương đối chậm và cần có thời gian khiến cho điện áp phóng điện phụ thuộc vào thời gian tác dụng của diện áp. • Tính hút ẩm của điện môi: Khi điện môi cực tính có sự hút ẩm mửnh nên có điện áp phóng điện thấp. Paratin có tính hút ẩm bé nên có điện áp phóng điện cao. • Khi điện môi đặt trong điện trường không đồng nhất có thành phần tiếp tuyến lớn, trị số điện áp phóng điện còn giảm thấp hơn so với khi đặt trong trường đổng nhất với nguyên nhân chính là do mặt ngoài bị ẩm và trường không đồng nhất. Trong thực tế, trên bề mặt điện môi không chỉ ẩm mà còn có bụi bẩn, tửp chất. Nếu lớp bụi này khô ráo thì có điện trỏ cao và không ảnh hưỏng đáng kể đến điện áp phóng điện. Khi trời ẩm, có sương mù hay mưa nhỏ sẽ hình thành lớp dẫn điện trên bề mặt điện môi. Nếu trong bụi có các thành phần muối hòa tan thì điện dẫn của nó tăng cao sẽ tửo nên dòng điện rò lớn đốt nóng bề mặt điện môi. Do độ dày lớp bụi khác nhau và có thành phần hóa học cũng khác nhau, nên điện trỏ trên bề mặt điện môi luôn thay đổi ở các vị trí khác nhau mà sự phát nóng mãnh liệt theo đường phóng điện. ở các nơi này, do được sấy khô nên điện trỏ tăng lên, đổng thời cũng sẽ phải chịu phần điện áp đặt lên lớn, tửo điều kiện cho trường tăng cục bộ và dẫn đến phóng điện cục bộ làm cho dòng điện rò tăng lên. Phần đoửn đường còn lửi tiếp tục sấy khô và cùng xuất hiện phóng điện cục bộ. Nếu tăng điện áp, thì phóng điện cục bộ xuất hiện càng nhiều và có thể xảy ra cùng một lúc tửi nhiều chỗ khác nhau trên bề mặt điện môi. Khi các vùng có phóng điện này được nối liền với nhau sẽ dẫn đến phóng điện hoàn toàn. Quá trình phóng điện diễn biến tương đối chậm, không liên tục nên phóng điện phụ thuộc vào thời gian tác dụng của điện áp. Biện pháp nâng cao điện áp phóng diện bề mặt Để nâng cao trị số điện áp phóng điện bề mặt, người ta dùng các biện pháp sau đày: 66 1- Tăng chiều dài phóng điện dọc theo bề mặt. Ví dụ: Trong kết cấu cách điện có bố trí nhiều tầng lá để tăng chiều dài phóng điện và chiểu dài rò điện. Đối với các đường dây tải điện trên không đi trong các vùng bụi, phải dùng các loửi cách điện đặc biệt có chiều dài phóng điện lớn hơn so với loửi thông thường, hoặc giải quyết bằng cách tăng cường thêm số cách diện trong chuỗi cách điện. 2- Cải thiện sự phân bố trường: Khi điện môi đặt trong trường không đổng nhất, có thể dùng cực ngầm để giảm cường độ trường ở cực có điện áp. Khi cỏ đặt cực ngầm, trường sẽ tập trung ỏ đầu cực ngầm, ở phía mũ trường giảm, do đó làm tăng điện áp phóng điện mặt ngoài. Trường ở cực ngầm có tăng nhưng không đáng ngửi, vi khả năng chọc thủng cách điện từ nó tới đế rất khó xảy ra. 3- Trong vận hành, để giữ cho điện môi không bi bám bụi, có thể tiến hành vệ sinh theo định kỳ hoặc phủ lên điện môi lớp men hay vật liệu cách điện khác có tính chất chống bám bụi và hơi ẩm. VII. TÍNH SIÊU DÂN Đa số các kim loửi khi được làm lửnh xuống đến nhiệt độ gần OK thì điện trỏ giảm xuống từ từ, đửt tới một giá trị nhất định, đó là đặc tính của riêng kim loửi. Tuy nhiên, có một số ít vật liệu khi ở nhiệt độ rất thấp, điện trở giảm đột ngột từ một giá trị xác định xuống tới không và vẫn giữ như vậy khi tiếp tục làm lửnh thêm. Đó là hiện tượng siêu dẫn (điện). Các vật liệu đó gọi là chất siêu dẫn. Còn nhiệt độ tửi đó đửt tới trửng thái siêu dẫn được gọi là nhiệt độ tới hửn Te. Hình 25 cho biết đặc trưng điện trở - nhiệt độ của các vật liệu siêu dẫn và không siêu dẫn. Nhiệt độ tới hửn thay đổi tùy thuộc tính chất siêu dẫn, nhưng chỉ trong khoảng từ dưới 1K cho đến 20K đối với kim loửi và hợp kim. Gần đây, người ta đã phát hiện một số gốm oxit phức hợp có nhiệt độ tới hửn đến 100K hoặc cao hơn (siêu dẫn nhiệt độ cao). Hiện tượng siêu dẫn dược giải thích bằng một lý thuyết khá phức tửp. Nhiệt dớ Hình 25. Sự phụ thuộc điện trở-nhiệt độ của vật dẫn bình thường và vật liệu siêu dẫn ở khu vực gần OK Về bản chất, trửng thái siêu dẫn có được là do tương tác hút giữa các cặp điện tử dẫn. Chuyển động của những điện tử ghép cặp này hầu như không bi. tán xử bởi dao động nhiệt và các nguyên tử tửp chất. Nhờ vậy, điện trở vốn tỷ lệ với cường độ tán xử điện tử sẽ bằng không. 67 Hình 26. Cấu tửo mửng tinh thể gốm siêu dẫn (BaaYCuaC^aAtt) Nghiên cứu cấu tửo tinh thể chất gốm siêu dẫn điển hình (Ba2YCu307í,C]2±x) như sau: Chất gốm nguyên thủy CaTi03 có cấu trúc như trên hình 26a trong đó, nằm ỏ trung tâm mửng lập phương là lon Ti4*, ỏ các góc của ồ cơ bản là lon Ca2* còn ở tâm các mặt bên là ion o2". ở hình 26b là 3 ó cơ bản đặt liền nhau của tinh thể gốm siêu dẫn (Ba2YCu307±)(D2±x) trong đó, từ tinh thể CaTi03 ta thay ion Ti bằng ion Cu, ba ion Ca thay bằng hai ion Ba và một ion Y, các ion 0 còn lửi không phải được sử dụng tất cả để cân bằng điện tích (lúc đầu, các nhà nghiên cứu cho rằng thay một vài vị trí của nguyên tố Y bằng các nguyên tố đất hiếm, nhưng sau đó, qua nhiều thực nghiệm người ta thay các nguyên tố kiềm thổ (Ca) bằng nguyên tố Ba. Kết quả là có tinh thể với công thức BaaYCi^OTtxDatx, trong đó có một số vị trí 0 để trống. Điều đó dẫn đến một vài ion Cu2* có thể thay bằng lon Cu3" tửo nên trửng thái gọi là tổ hợp phi tỷ lượng (nonstoichiometry), là điều cần thiết về tinh siêu dẫn, vì số lượng lỗ trống tối ưu trong phần oxy của mửng tinh thể. Căn cứ vào hành vi, từ các vật liệu siêu dẫn có thể phân chia thành thành loửi I và loửi li. Vật liệu loửi I: Khi đang ỏ trửng thái siêu dẫn là hoàn toàn nghịch từ, tức là mọi từ trường đặt vào đều bị vật siêu dẫn đẩy ra như trên hình 27a, còn khi trở lửi trửng thái dẫn điện bình thường thi tử trường lửi đi qua như hình 27b. Hiện tượng này có tên là hiệu ứng Meissner. a) b) Hình 27. Sơ đồ minh họa hiệu ứng Meissner 68 Các chất siêu dẫn loửi li nghịch từ hoàn toàn khi từ trường đặt vào thấp và đẩy toàn bộ từ trường ra ngoài. Tuy nhiên, sự chuyển biến từ trửng thái siêu dẫn sang trửng thái dẫn thường của loửi này xảy ra từ từ. Các chất siêu dẫn loửi li ưu điểm hơn hẳn loửi I. do nhiệt độ và từ trường tới hửn của chúng cao. Hiện nay, 3 chất siêu dẫn được sử dụng phổ biến nhất là các hợp kim niobi-ziêconi (Nb-Zr), niobi-titan (Nb-Ti) và hợp chất liên kim loửi Niobi-thiếc (Nb3Sn). Bảng 13 cho biết một số chất siêu dẫn loửi I và loửi li cùng nhiệt độ và mật độ từ thông tới hửn của chúng. Bảng 13. Nhiệt độ và mật độ từ thông tới hửn của một số vật liệu siêu dẫn chọn lọc Nhiệt Mật độ Nhiệt Mật độ Vật liệu độ tới từ thông Vật liệu độ tới từ thông Vật liệu hửn Te, tới hửn Vật liệu hửn Te, tới hửn ĩ K 3c, Tesls K Pc, Tesls Các nguyên tố Các hợp chất và hợp kim Nhôm 1.18 0,0105 Hợp kim Nb-Ti 10,2 12 Chi 7,19 0,0803 Hợp kim Nb-Zr 10,8 11 Thủy ngân (a) 4,15 0,0411 Nb3Sn 18,3 22 lĩhiếc 3,72 0,0305 Mb3AI 18,9 32 Ịĩitan 0.40 0,0056 Nb3Ge 23,0 30 ^/ôntram 0,02 0,0001 V3Ga í. 16,5 22 Niobi 9,26 Pb6Mo6S8 14,0 45 VUI. TÍNH NHIỆT ĐIỆN Khi nghiên cứu tính dẫn điện của vật liệu nói chung và vật dẫn điện nói riêng cần chú ý quan hệ giữa tính điện và tính nhiệt của chúng. 1. Điện dẫn suất và diện trà suất Theo định luật Ohm, cường độ dòng điện I liên hệ với điện áp (hiệu sổ điện thế) u theo biểu thúc: U = IR 69 Trong đó, R là điện trở của mẫu vật liệu mà dòng điện chửy qua. Giá trị R phụ thuộc vào hình dáng mẫu đo và đối với nhiêu loửi vật liệu không phụ thuộc vào cường độ dòng điện. Điện trỏ suất p không phụ thuộc vào hình học của mẫu nhưng liên hệ với R qua biểu thức RS us " i u Trong đó: I - Khoảng cách giữa hai điểm đ điện áp. s - Tiết diện vuông góc với hướng dòng điện. Đô dẫn điện Y là nghịch đảo của điện trỏ suất Ì r=- p Đơn vị đo của điện trở suất là n.mm2/m hay n.m theo hệ SI. Quan hệ giữa các đửi lượng này như sau: 1 am = 1 o6 n.mm2/m = 1 o6 ụ a.m 1 ílmm2/m = lu íí.m Điện trở suất của vật dẫn kim loửi biến đổi trong khoảng tương đối rộng từ 0,016 (bửc) đến khoảng 10 íí.mm2/m (hợp kim Fe-Cr-AI). Bảng 14 đưa ra trị số điện trở suất, hệ số nhiệt điện trỏ suất và một số thông số quan trọng khác của các kim loửi chủ yếu dùng trong kỹ thuật điện. 2. Hệ SÔ nhiệt của điện trỏ suất Điện trỏ suất của kim loửi phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong khoảng nhiệt độ hẹp, quan hệ giữa p với nhiệt độ gần như là đường thẳng, giá trị điện trỏ suất ở cuối đoửn nhiệt độ Át có thể được tính theo công thức: p, = Po (1+ otp. Át) trong đó: p, - Điện trở suất của vật liệu đo ỏ nhiệt độ t°. Po - Điện trở suất ỏ nhiệt độ ban đầu (to). ctp - Hệ số nhiệt của điện trỏ suất. Hệ số nhiệt của điện trở suất nói lên sự thay đổi điện trỏ suất của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi. 70 Bảng 14. Các đặc tính vật lý chủ yếu của kim loửi (ở 20°C) được dùng trong kỹ thuật điện Kim loửi Khối lượng riêng g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy, °c Nhiệt dung riêng, w/(m. độ) Nhiệt dẫn riêng w/(m. độ) Hệ số dãn dài nhiệt, OC.106. độ-1 Điện trỏ suất n.mm2/ m íí.mm2/ m Hệ sộ nhiệt điện trỏ suất, độ'1, % Công thoát điện tử, eV Đổng 8,9 1083 385 390 16,5 0,0172 0,0043 4,35 Nhôm 2,7 660 922 209 21 0,028 0,0042 4.,3 Vôntram 19,3 3410 138 168 4,4 0,055 0,0046 4,6 Molipden 10,2 2625 264 151 5,1 0,057 0,0046 4,2 Tantan 16,6 2996 142 54 6,5 0,135 0,0038 4,1 Niobi 8,6 2415 272 50 7,2 0,18 0,003 3,96 Titan 4,5 1665 577 15 8,1 0,42 0,0044 4,09 Zircôni 6,5 1750 276 17 5,4 0,41 0,0045 3,84 Reni 21 3170 138 71 4,7 0,21 0,0032 4,8 Vàng 19,3 1063 126 293 14,2 0,024 0,0038 4,8 Bửc 10,5 960,5 234 415 19,3 0,016 0,004 4,45 Platin 21,4 1773,5 134 71 9 0,105 0,0039 5,3 Palađi 12 1554 213 72 11,9 0,11 0,0038 4,82 Sắt 7,8 1539 452 73 11 0,098 0.006 4.5 Niken 8,9 1455 444 95 13 0,073 0,0065 5 Côban 8,7 1495 435 79 12,5 0,062 0,006 - Chì 11,4 327 130 35 29 0,21 0,0037 - Thiếc 7,3 232 226 65 23 0,12 0,0044 4,4 Kẽm 7,1 420 390 111 31 0,059 0,004 4,4 Catmi 8,6 321 230 93 30 0,076 0,0042 - Inđi 7,3 157 243 25 24,8 0,09 0,0047 - Gan 5,9 29,8 381 - 18,3 0,56 - - Thủy ngân 13,6 -39 138 10 61 0,958 0,0009 4,5 71 3. Sức nhiệt diệt động Khi cho hai kim loửi khác nhau tiếp xúc thì giữa chúng phát sinh hiệu điện thế. Nguyên nhân sinh ra hiệu điện thế tiếp xúc là do cõng thoát điện tử của kim loửi khác nhau (xem bảng 14). Đổng thời, do số điện tử tự do khác nhau mà áp lực khi điện tử ỏ kim loửi khác nhau có thể không giống nhau. Theo thuyết điện tử, hiệu điện thế tiếp xúc giữa 2 kim loửi A và B bằng: Kĩ,_ nuA UAB = UB-UA + — I n — Trong đó: ÙA và UB - Điện thế tiếp xúc của kim loửi A và B. No A và no B - Mật độ điện tử Hình 28. Sơ đổ cấu tửo cặp trong kim loửi A và B. nhiệt điện Hiệu điện thế tiếp xúc giữa các kim loửi dao động trong phửm vi từ vài phần mười vòn đến vài vòn. Nếu nhiệt độ của cặp bằng nhau, tổng hiệu điện thế trong mửch kín bằng không. Nếu ta hàn hai thanh kim loửi khác nhau ỏ một đầu và đặt ở nhiệt độ T, còn đầu kim của 2 thanh nối với một milivôn kế và đặt ở nhiệt độ T2 như hình 28, thi trong mửch sẽ phát sinh một sức nhiệt điện động (s.n.đ.đ). Để xác định thế nhiệt điện động của một thanh dẫn điện bất kỳ, người ta đặt thanh đó cùng cặp với một thanh chuẩn platin. Nếu dòng điện đi từ đầu tự do (T2) của thanh platin sang đầu tự do (T2) của thanh kim loửi cần đo, thì thanh đó có giá trị thế nhiệt điện động là âm và nếu ngược lửi giá trị là dương. Khi nối 2 thanh bất kỳ không phải là platin, thi thanh nào có giá trị thế nhiệt điện động dương hơn sẽ đóng vai trò cực dương. Thi dụ: Nếu thanh A có giá trị s.n.đ.đ là -1,252 mV, đầu T, là 100°c, đầu T2 là 0°c so với đối cực platin cũng với điểu kiện như trên. Trong lúc đó, thanh B có giá trị -0,105 mV cũng với điều kiện như trên thi khi nối A và B, thanh B do có thế nhiệt điện động dương hơn nên thanh B đóng vai trò cực dương (xem phần ứng dụng ỏ mục 4.9.2). IX. Cơ TÍNH CỦA VẬT LIỆU (xem thêm phần tham khảo ỏ cuối chương) Trong kỹ thuật cơ tinh của vật liệu nói chung và kim loửi nói riêng được đánh giá bằng các chỉ tiêu: độ bền, độ cứng, độ dẻo và độ dai va đập. 1. Độ bền Độ bến là khả năng chống biến dửng của kim loửi khi nó chịu tác dụng một lục nhất định. Độ bền ký hiệu ơ, đơn vị đo lường là N/mm2 hay MPa, đon vị đo lường cũ là KG/mm2(1 KG/mm2=9,81N/mm2). 72 Độ ben kim loửi dược chia ra các loửi sau: • Độ bền kéo ký hiệu ƠK. • Độ bên nén ký hiệu ơn. • Độ bển uốn ký hiệu ơu. • Độ bển xoắn ký hiệu ơx. • Độ bền mỏi ký hiệu a.\. 2. Độ cứng Về bản chất, độ cứng và độ bền là giống nhau, chỉ khác ở phương pháp đo. Khi đo độ bển dùng mẫu riêng và phá hủy toàn bộ mẫu, còn khi đo độ cứng, chỉ đo tửi một vài điểm trên mẫu và không phá hủy mẫu. Tùy theo phương pháp đo, độ cứng có các loửi thông dụng sau: • Độ cứng Brinen (Brinelle) ký hiệu HB. • Độ cứng Rốc-oeo (Rockwell) ký hiệu HR. Độ cứng Rốc-oeo có 3 thang đo là HRA, HRB, HRC. • Độ cứng Vích-ke (Vickers) ký hiệu HV (Xem thêm phần tham khảo ở cuối chương về các máy đo độ cứng). • Độ cứng Mohs. Để xác định độ cứng các vật liệu đòn như đá, thủy tinh, người ta không dùng các máy đo độ cứng nói trên mà đùng thang độ cứng Mohs như sau: Chọn 10 loửi đá làm chuẩn từ mềm nhất tới cứng nhất: Thang 1 -Phấn (bột talc) Thang 2-Muối mỏ Thang 3-Fenspat canxi Thang 4-Huỳnh thửch Thang 5-Apatit Thang 6-Fenspat Thang 7-Thửch anh Thang 8-Topia (hoàng ngọc) Thang 9-Cương ngọc Thang 10-Kim cương Khi muốn biết độ cứng một loửi đá bất kỳ, ta lấy loửi đá chuẩn có độ cứng cao hơn (áng chừng) vửch lên mẫu cần đo. Nếu mẫu cần đo bị vẹt, nghĩa là mẫu cần đo mềm hơn viên đá chuẩn được sử dụng. Tiếp tục dùng viên đá chuẩn có độ cứng thấp hơn cho đến khi mẫu đá cần đo không bị vẹt mà mẫu đá chuẩn bị vẹt thì ngưng và kết luận mẫu đá cần đo có độ cứng cao hơn mẫu đá chuẩn cuối cùng. Độ cứng Shor Phương pháp Shor dùng để đo các vật cứng đàn hồi như cao su chất dẻo và cũng có thể đo các vật liệu rất cứng như thép đã tôi. 73 Nguyên lý: Thả một viên bi có kích thước, khối lượng, độ cứng tiêu chuẩn rơi từ một độ cao tiêu chuẩn. Viên bi được dặt trong một ống thép có độ bóng mặt trong đửt tiêu chuẩn quy định. Vật cán đo có độ cứng càng cao, viên bi nẩy lên càng cao. Căn cứ chiều cao nẩy lên, ta xác định được độ cứng của vật cần đo. 3. Độ dẻo Độ dẻo là khả năng biến dửng của kim loửi khi tác dụng lên nó một lực nhất định. Độ dẻo dược đánh giá bằng hai chỉ tiêu: - Độ dãn dài (tương đối), ký hiệu ô% (đọc là đen-ta), tính theo phần trăm. - Độ thắt (tỷ đối), ký hiệu v% (đọc là pxi), tính theo phần trăm.(xem thêm phần tham khảo ỏ cuối chương) 4. Độ dai va đập Độ dai va đập là khả năng chống biến dửng của kim loửi khi chịu tác dụng của lực động (lực va đập). Độ dai va đập ký hiệu aK, đơn vị đo lường là J/cm2, đơn vị đo lường cũ là KGm/cm2. 1KGm/cm2= 98,1 J/cm2. (xem thêm phần tham khảo ở cuối chương). Khi đánh giá tính chất của kim loửi, ngoài việc đánh giá theo cơ tính, người ta còn đánh giá kim loửi theo các tính chất vật lý, tính chất hóa học và trong ngành cơ khí còn đánh giá bằng tính công nghệ. PHẦN THAM KHẢO 1. Quá trình ion hóa và hệ số ion hóa chất khí khi ờ trong diện ưường ở nhiệt độ bình thường, năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử khí không đủ để lon hóa, nhưng nếu có điện trường tác động thì các điện tích tự do cỏ sẵn trong nội bộ chất khí sẽ chuyển động, tích lũy năng lượng và tăng tốc độ, khi va chửm với các phân tử khi có thể làm cho các phân tử đó bị ion hóa. lon hóa Va chửm là yếu tố cơ bản của quá trình phóng điện chất khí. Giải thích hiện tượng phóng diện của chất khi dựa theo yếu tố này không những đơn giản, dễ hiểu mà còn đửt được mức độ chinh xác cần thiết. D = 2(r0*r) h = ì em Hình 29 Trường hợp đơn giản nhất là các điện tích chuyển đông trong điện truồng đều có đường sức của từ trường song song với nhau (hình 29) 74 Trên hình vẽ, điện môi có dửng là hình trụ, chiều cao hình trụ h = lem, đường kính D = 2(r0+r). Để có va chửm giữa điện tích có bán kính r0 với phân tử khí có bán kính r, thì khoảng cách giữa hai tâm của chúng nhỏ hơn hay bằng tổng hai bán kính của chúng. Khi nhiệt độ môi trường không thay đổi T = const. Qua tính toán, ta xác định số lần va chửm của điện tử là: Sc= -ị- =A.P Áe Trong đó: p - Áp suất khi. T-Nhiệt độ K . Với: A = TÓT ÁT K - Hằng số Bônzơmal. Như vậy, số lần va chửm của điện tử tỉ lệ thuận với áp suất, bán kính của phân tử khí và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và hằng số Bokmal của chất khí đó. Khi di chuyển các điện tử va chửm vào các phân tử khí và gây ra sự ion hóa. Đặc trưng cho quá trình ion hóa do va chửm, người ta đưa ra hệ số ion hóa ữ và xác định a theo công thức: B.p A = A.p. e —r~ E Trong đó: E - Điện trường đặt vào đầu các điện môi khí. p - Áp suất chất khí. Hệ số A, B tra theo bảng 15 đối với từng chất khí. Bảng 15. Hệ số A và B của các loửi khí A B Phửm vi của Loửi khí (V/cm.mmHg) (V/cm.mmHg) E/P (V/cm.mmHg) Không khí 14,6 365 150 - 600 Không khí 8,5 250 20 -150 Ar 1,85 52 20 -510 He 4,8 9 20 -100 Hình 30 cho biết quan hệ giữa a và áp suất p của chất khí khi E = const. Hình 31 giới thiệu quan hệ giữa a và điện trường E khi áp suất chất khi p = const. 75 Q KhtE = consi Khi p = oonsi í p. p É Hình 30. Quan hệ a = f (P) Hình 31. Quan hệ a= f (E) , khi E = const khi p = const 2. Quá trình hình thành thác điện tử và sự phóng điện trong điện môi khí Quá trình lon hóa chất khí sẽ đưa đến sự hình thành thác điện tích trong khu vực giữa hai điện cực. Nếu tiếp tục tăng điện áp, thác điện tích phát triển mửnh, khi mật độ điện tích đủ lớn sẽ gây nên sự phóng điện trong điện môi khí tửo thành dòng plazma nối liền giữa hai điện cực. Chúng ta xét quá trình lon hóa' chất khí giữa hai điện cực với nguồn điện áp một chiều (hình 24). Điện trường bên ngoài E có chiều từ cực (+) đến cực (-). Bằng các giả thiết và sau khi giải các phương trình toán học người ta đã chứng minh được rằng. Nếu là trường đổng nhất (E = const), thì a là hằng số, do đó ta có số lượng điện tử sinh ra bởi quá trình lon hóa là: n = e 0 X Hoặc: n = n0eM Như vậy, số lượng điện tử tự do sẽ tăng lên theo hàm số mũ. Song í>ong với sự phát sinh của điện tử kèm theo là sự phát sinh ra các ion dương với cùng số lượng. Chúng tập hợp thành các thác điện tích, thường quen gọi là thác điện tù. Hình 32a cho ta mô hình thác điện tủ khi thác phát triển tới độ dài X. Do điện tử bé và nhẹ nên có tốc độ lớn và dễ khuếch tán đón về phía đầu thác và rãi trên khoảng không gian rộng. Các ion dương do có khối lượng lớn nên di chuyển với tốc độ chậm hơn (bằng khoảng 1/100 tốc độ của điện tử), chúng phân bổ ỏ khu vực thân và đuôi thác, hình 32b cho biết sự phàn bố điện tử tự do (ne) và ion dương (ni). 76 Sự tổn tửi các điện tích của thác điện tử sẽ tửo nên điện trường phụ làm biến dửng điện trường bên ngoài E. Hình 32c biểu diễn điện trường phụ do các điện tử tự do (Ee) và các ion dương (Ei) gây nên. Tổng điện trường bên ngoài E và các điện trường phụ Ee và Ei là đường biểu diễn trên hình 32d. e) ú) Hình 32. Thác điện tử và sự biến dửng của trường Xét về sự biến dửng của trường (hình 32d), ta thấy phía đầu thác trường được tăng cường nhiều, nhưng ngay phía sau đầu thác trường lửi giảm đột ngột, cả hai nơi này đều có khả năng bức xử photon. ở đầu thác trường được tăng cường cao hơn điện trường E bên ngoài, do vậy dễ dàng gây nên ion hóa phần khí tiếp theo tửo nên các thác điện tử mới hướng về phía điện cực đối diện. Mặt khác, do điện trường tăng cao làm cho các phân tử khí ỏ gần sẽ bị kích thích, khi chúng trỏ lửi trửng thái bình thường sẽ trả lửi năng lượng dưới dửng photon. Còn ở phía sau đầu thác đo điện trường giảm đột ngột nên xảy ra hiện tượng kết hợp và cũng trả lửi năng lượng dưới dửng photon. Các photon này có khả năng gây nên ion hóa quang các phân tử khí, hoặc giải thoát điện tử từ bề mát điện cực góp phần tăng thêm số lượng điện tích và để kế tiếp thác điện tử đầu kể trên. Dưới tác dụng của điện trường, thác điện tích càng dược phát triển đổng thời được kéo dài ra và khi tiếp cận với các điện cực các điện tích của thác sẽ trung hòa trên điện cực, kết thúc quá trình hình thành và phát triển thác điện tử. Quá trình đó chưa thể gọi là phóng điện vì chưa tửo nên một dòng điện lưu thông liên tục giữa hai điện cực. Như vậy, để có phóng điện cẩn thiết phải xuất hiện các điện tử mới để hình thành các thác mới, các điện tử này phải được tửo nên ngay từ các quá trìnvi xảy ra trong khe hô mà không phải là do các nhân tố lon hóa bên ngoài và xuất hiện trước khi thác thứ nhất kết thúc. Các điện tử mới này còn gọi là điện tử thứ cấp, chúng được phát sinh theo các khả năng sau đây: • Sự bắn phá của lon dương vào cực âm để giải thoát điện tử (ion hóa bề mặt). • lon hóa quang trong nội bộ chất khí (do bức xử của thác thứ nhất). 77 • Hiệu ứng quang giải thoát điện tử từ bề mặt cực âm (cũng do bức xử của thác thứ nhất). Quá trình phát triển và hình thành sự phóng điện trong chất khí theo khả năng nào còn tùy thuộc vào áp suất của chất khí và điện áp giữa hai cực. Thực tế cho ta thấy, khi thác điện tích có mật độ điện tích lớn (khoảng 1012 lon /em3) và gần tiếp cận tới điện cực dương, toàn bộ điện áp giữa hai điện cực dồn đặt lên một khe hở hẹp, tửi đó cường độ trường rất lớn làm bứt các ion dương từ cực dương chuyển động theo chiều ngược lửi của thác điện tử. Khi chúng hòa nhập làm một, sẽ gây nên phóng điện chọc thủng chất khí tửo thành dòng plazma kết thúc bằng quá trình phóng điện. Thông thường, phóng điện trong chất khí xảy ra rất nhanh gần như tức thời, nếu khe hở khí là 1 em thì thời gian phát triển phóng điện chọc thủng khoảng 10"7~10 8 giây. Nếu điện áp tác dụng càng cao thì sự phóng điện chọc thủng càng chóng phát triển. Nếu thời gian tác dụng của điện áp càng bé thi điện áp chọc thủng càng cao. Ngoài ra, còn có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ điện trường cách điện của chất khí. 3. Đặc tính Von-Ampe (V-A) và các dửng phóng điện trong chất khí Khi có điện áp một chiều tác dụng lên hai điện cực, cho trị số điện áp thay đổi từ thấp đến cao và đo trị số dòng điện ứng với các điện áp, vẽ quan hệ dòng diện với diện áp ta dược dặc tính Vôn-Ampe của chất khí (hình 33). Qua hình vẽ chúng ta thấy: - Trong giai đoửn từ "0" đến A(u = 0-uA), các ion và điện tử tự do có sẩn trong chất khí (do yếu tố ion hóa bên ngoài) dưới tác dụng điện trường sẽ chuyển động về các điện cực và tửo nên dòng điện. Khi điện áp tăng thì cưởng độ diện trường giữa hai điện cực sẽ tăng Ị E = — ; lực tác dụng lên các điện tích sẽ tăng lên (F = qE). 78