TIỂU LUẬN KIM LOẠI dẫn điện NHÔM tìm hiểu thêm khái niệm về các loại vật liệu dẫn điện như kim loại nói chung và nhôm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CHẤT LƯỢNG CAO  MÔN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN-ĐIỆN TỬ TIỂU LUẬN KIM LOẠI DẪN ĐIỆN NHÔM GVHD: Phạm Xuân Hồ SVTH: Đỗ Thanh Hoàng Vỹ 19161199 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN ĐIỂM: …………………………… KÝ TÊN MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 BỐ CỤC 1.5 GIỚI HẠN CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Vật liệu dẫn điện 2.1.1 Khái niệm .6 2.1.2 Phân loại 2.1.3 Sự dẫn điện vật dẫn 2.1.4 Điện trở điện dẫn 10 2.1.4 Điện trở suất điện dẫn suất 12 2.2 Vật liệu dẫn điện nhôm .14 2.2.1 Khái niệm 14 2.2.2 Đặc điểm nhôm 16 2.2.3 Tính chất vật lý nhơm: 17 2.3 Ứng dụng nhôm 24 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Các thành phần cấu trúc làm từ nhơm hợp kim quan trọng cho ngành công nghiệp hàng không vũ trụ quan trọng lĩnh vực khác giao thông vận tải vật liệu cấu trúc Các hợp chất hữu ích nhơm oxide sunfat Vì tầm quan trọng mở kỷ nguyên cho người, nhơm cịn vật liệu dẫn điện tốt sử dụng rộng rãi nhóm em chọn đề tài vật liệu dẫn điện nhôm 1.2 MỤC TIÊU Theo u cầu nhóm em tìm hiểu cấu tạo thành phần, số đặc tính, tìm hiểu thêm khái niệm loại vật liệu dẫn điện kim loại nói chung nhơm nói riêng 1.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Tìm hiểu biết cấu trúc mạng tinh thể nhơm, cấu tạo thành phần hóa học nắm rõ lại dẫn điện tốt từ nghĩ ứng dụng thích hợp vào thực tế 1.4 BỐ CỤC Bố cục gồm chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết: - Vật liệu dẫn điện - Vật liệu dẫn điện nhôm - Ứng dụng Nhôm - Video giới thiếu nhôm - Tài liệu tham khảo 1.5 GIỚI HẠN Giới hạn mức lý thuyết thực hành tiểu luận chủ yếu lý thuyết cấu tạo vật liệu dẫn điện nhôm CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Vật liệu dẫn điện 2.1.1 Khái niệm Khi trạng thái bình thường, chất dẫn điện (là vật chất) mang điện tích tự do, điện tích chuyển động theo hướng xác định tạo thành dòng điện trường điện Người ta gọi vật liệu có tính dẫn điện Theo nắm bắt khái niệm vật liệu dẫn diện sau Vật liệu dẫn điện cho phép dịng điện chạy qua theo hướng nhiều hướng khác Vật liệu dẫn điện chất rắn, chất lỏng chất khí điều kiện định Trong tất loại chất dẫn điện kim loại hợp kim có tính dẫn điện cao Chúng thường sử dụng để chế tạo dây điện, dây cáp điện đồng, thép, nhơm… Để đảm bảo tính dẫn điện, kim loại hợp kim phải có độ tinh khiết cao Trong tạp chất cho phép khơng có oxy, oxit kim loại Bởi chúng làm giảm khả dẫn điện sản phẩm Đồng, nhôm, thép kim loại có thuộc tính dễ gia cơng áp lực (nóng nguội) Để có tính dẫn điện cao, kim loại cần có độ tinh khiết bắt buộc, tạp chất cho phép oxy Các oxit kim loại làm giảm lý tính vật liệu 2.1.2 Phân loại Vật liệu dẫn điện vật liệu thể rắn, lỏng vài trường hợp đặc biệt thể khí - Các vật liệu thể rắn: gồm kim loại, hợp kim số biến thể cacbon (than kỹ thuật điện) Vật dẫn điện thể rắn hợp kim kim loại nên chia làm loại: + Loại có điện dẫn cao: thường dùng để làm dây dẫn, cáp điện, dây quấn máy điện khí cụ điện, + Loại có điện trở cao: thường sử dụng khí cụ điện dùng để sưởi đốt nóng, đèn chiếu sang biến trở, - Vật liệu thể lỏng: gồm kim loại lỏng (nóng chảy) dung dịch điện phân - Tất chất khí (kể khí kim loại) điện trường yếu chất dẫn điện Tuy nhiên điện trường vượt giá trị trở thành chất dẫn điện có tính dẫn điện tử tính dẫn ion 2.1.3 Sự dẫn điện vật dẫn Dẫn điện dịch chuyển có hướng hạt mang điện (electron ion) tác dụng điện trường ngồi để hình thành nên dịng điện Dịng điện có chiều chiều hạt mang điện tích dường ngược chiều hạt ang điện tích âm Sự dẫn điện điện tích tự hay cịn gọi tính dẫn điện điện tử xảy tỏng mơi trường, vật thể rắn có dẫn điện nhờ điện tishc tự mà không gây thay đổi chất vật kiệu sau trình dẫn điện Sự dẫn điện io xảy mơi trường có phân ly ion vật thể khí, lỏng, dung dịch Khí khí cường độ điện trường lớn có tính dẫn điện tử tính dẫn ion Khả môi trường cho phép di chuyển hạt điện tích qua nó, có lực tác động vào hạt, ví dụ lực tĩnh điện điện trường Sự di chuyển tạo thành dòng điện 2.1.4 Điện trở điện dẫn Là quan hệ hiệu điện không đổi đặt hai đầu dây dẫn cường độ dòng điện chiều tạo nên dây dẫn 10 I dòng điện (A) G= I U suy G= R Đối với nhiều vật liệu điều kiện, U I tỉ lệ thuận với nhau, R G số G có đơn vị −1 Ω cịn gọi siemen ký hiệu s mho (℧) 2.1.4 Điện trở suất điện dẫn suất - Điện trở suât: Mỗi loại vật liệu khác có đại lượng đặc trưng nói lên khả cản trở dịng điện theo kích cỡ (chiều dài, tiết diện), đại lượng gọi điện trở suất Những chất có điện trở suất cao thường sử dụng làm loại vật liệu cách điện, cịn chất có điện trở suất thấp thường ứng dụng làm vật dẫn điện (tiêu biểu đồng nhôm dùng làm lõi loại dây dẫn điện) Bản chất điện trở suất phản ánh khả cản trở dịch chuyển theo hướng hạt mang điện chất Đơn vị ký hiệu điện trở suất Ohm.met (Ω.m) 12 Điện trở dây dẫn tính theo cơng thức: R=ρ l A Trong đó: ℓ là chiều dài vật dẫn, tính bằng mét (m), A là diện tích tiết diện vật, tính bằng mét vng (m2), ρ (rho) là điện trở suất của chất làm nên vật, tính ohm-mét (Ω·m), 13 Tương tự điện dẫn suất nghịch đảo điện trở suất hay độ dẫn điện riêng Điện dẫn suất thường ký hiệu chữ Hy Lạp σ (sigma), đôi khi κ (kappa) (đặc biệt kỹ thuật điện) và γ (gamma) sử dụng Đơn vị SI điện dẫn suất là siemens trên mét (S/m) G=σ A l Trong đó: ℓ là chiều dài vật dẫn, tính bằng mét (m), A là diện tích tiết diện vật, tính bằng mét vng (m2), σ (sigma) là điện dẫn suất của chất làm nên vật, tính bằng siemens trên mét (S·m−1) 2.2 Vật liệu dẫn điện nhôm 2.2.1 Khái niệm Nhôm (bắt nguồn từ tiếng Pháp: aluminium, phiên âm tiếng Việt: a-luy-mi-nhơm) tên ngun tố hóa học bảng tuần hồn ngun tố có ký hiệu Al số nguyên tử 13 14 Nhôm thuộc kim loại, có màu sắc trắng ánh bạc, mềm nhẹ Nhơm có độ phản chiếu cao có tính dẫn nhiệt dẫn điện lớn Nhôm kim loại khơng độc có tính chống mài mịn Nhơm kim loại có nhiều thành phần Trong tự nhiên khó để tìm được nhơm ngun chất, thơng thường kim loại tìm thấy kết hợp oxygen với nguyên tố khác Người ta thường gọi là hợp kim nhôm trong sống hàng ngày Các nguyên tử kim loại tạo thành ma trận mà thơng qua đó, electron bên ngồi dễ dàng di chuyển tự Thay quay quanh nguyên tử tương ứng chúng tạo thành biển eletron bao quanh hạt nhân dương ion kim loại tương tác, sau eletron di chuyển tự khắp biển eletron Điều khiến cho kim loại có khả dẫn điện tốt 15 2.2.2 Đặc điểm nhơm Trong bảng tuần hồn hóa học, nhơm vị trí số 13, chu kỳ thuộc nhóm IIIA Đây chất thường thấy tự nhiên Chính khả dẫn điện, dẫn dẫn nhiệt tuyệt vời mà nhôm dùng làm dây tải điện có độ tinh khiết lên đến 99,5% Bởi, độ tinh khiết nhơm có ảnh hưởng vơ lớn đến hiệu suất điện trở tính chống ăn mịn Trạng thái tự nhiên nhơm: Nhơm kim loại thường thấy phía bên vỏ trái đất (chiếm khoảng 8%) Trong tự nhiên, nhơm thường có 16 hợp chất đất sét, boxit hay criolit Bảng tuần hồn nhơm (AL) 2.2.3 Tính chất vật lý nhôm: + Đặc điểm nhôm có cấu trúc mạng lập phương tâm diện 17 + Ngồi ra, nhắc tới tính chất nhơm, cụ thể tính chất vật lý, ta khơng thể khơng nhắc tới tính dẫn điện nhơm hay dẫn nhiệt tốt hợp chất + Nhiệt độ nóng chảy: 660oC + Màu nhôm: Màu trắng bạc + Tính chất: Cứng, bền dai + Khối lượng riêng nhơm: 2,7 g/cm3 18 Tính chất hóa học hợp chất có nhơm: Những tính chất hóa học nhôm giúp hiểu rõ nhôm phản ứng với chất nhơm có hợp chất Tác dụng với phi kim Trên thực tế, vật liệu làm từ nhơm có lớp oxit bảo vệ bề mặt Nhôm phản ứng với oxi bề mặt Vì phản ứng, nhơm tạo lớp màng oxit bao phủ bề mặt Qua bảo vệ ngăn cản nhơm tác dụng với oxi để tạo oxit Tác dụng với nước: Trên thực tế, Al không phản ứng với nước bảo vệ lớp oxit mỏng Khi lớp oxit phá bỏ, nguyên tố ALphản ứng trực tiếp với nước 19 Tác dụng với oxit kim loại hoạt động (phản ứng nhiệt nhôm) Al khử oxit kim loại đứng sau dãy hoạt động hóa học: 2Al + 3FeO => Al2O3 + 3Fe Tác dụng với dung dịch axit Với axit khác nhau, nhơm có phản ứng khác Tác dụng với dung dịch bazơ: Al dễ dàng tham gia phản ứng với dung dịch kiềm: Al + NaOH + H2O => NaAlO2 + 1,5 H2 Tác dụng với dung dịch muối: Al đẩy kim loại đứng sau dãy hoạt động kim loại khỏi dung dịch muối chúng 20 Phản ứng nhiệt nhôm: + Phản ứng nhiệt nhơm phản ứng hóa học toả nhiệt nhơm chất khử nhiệt độ cao Ví dụ bật phản ứng nhiệt nhơm oxit sắt III nhôm + Phản ứng lần sử dụng để khử oxit kim loại mà không sử dụng cacbon Phản ứng toả nhiệt cao, có lượng hoạt hóa cao liên kết nguyên tử chất rắn phải phá vỡ trước Oxit kim loại đun nóng 21 với nhơm lị đun Phản ứng sử dụng để sản xuất số lượng nhỏ vật liệu + Phản ứng nhiệt nhơm cịn sử dụng để điều chế kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như crơm hay Von farm) Do tính chất thụ động với H2SO4 đặc nguội HNO3 đặc nguội, người ta sử dụng thùng nhôm để chuyên chở hai loại axit + Người ta thường sử dụng phản ứng để hàn đường sắt chỗ, hữu ích cho việc cài đặt phức tạp sửa chữa chỗ mà thực cách sử dụng cách hàn đường sắt liên Phản ứng nhiệt nhôm sử dụng để sản xuất phần lớn hợp kim sắt, ví dụ ferroniobium từ niobium pentoxit ferrovanadium từ Vanadi oxit Các kim loại khác sản xuất phương pháp 22 Nhôm thuộc vào top vật liệu kim loại dẫn điện tốt nay: Bạc ( Kí hiệu hóa học Ag) Đồng (Kí hiệu hóa học Cu) Vàng (Kí hiệu hóa học Au) Nhơm (Kí hiệu hóa học Al) Natri (Kí hiệu hóa học Na) Wolfram (Kí hiệu hóa học W) 23 Đồng thau (Kí hiệu hóa học CuZn37) Sắt (Kí hiệu hóa học Fe) Có thể thấy nhôm dẫn điện thua Bạc, Đồng Vàng ρ = 2,9.10-6 (Ωcm), dẫn nhiệt tốt λ = 3,12 w/cm.°C, tương đối nhẹ γ = 2,7 g/cm 2.3 Ứng dụng nhôm Những đặc điểm dẫn nhiệt, điện cao, khả chống ăn mòn, với khả tái chế cao, giúp cải thiện việc quản lý vịng đời giảm chi phí góp phần bảo vệ môi trường Trong số trường hợp, nhôm chế tạo làm dây dẫn điện Tuy nhiên với đặc tính chịu nhiệt cao mà nhơm thường ứng dụng rộng rãi cơng trình kiến trúc vách ngăn xây dựng, chế tạo tôn lợp mái nhà, cột, trụ nhà,… Ngồi nhơm có tác dụng để lưu trữ thực phẩm sản xuất dụng cụ nấu ăn để lưu trữ nhiệt nhanh chóng 2.3.1 Đường dây điện Nhơm lựa chọn lý tưởng để làm dây lưới điện, bao gồm đường dây tải điện không đường dây phân phối điện cục mang lại tỷ lệ dẫn điện trọng lượng tốt đồng - vật liệu phổ biến sử dụng ứng dụng điện 24 Độ dẫn điện nhôm nửa so với đồng, với trọng lượng 30%, dây dẫn trần nhôm có điện trở tương tự nặng nửa Nhôm rẻ đồng, điều làm cho trở nên hấp dẫn từ khía cạnh kinh tế tài chính.    Do tính vượt trội, từ phong phú đến khả chịu nhiệt độ bền kéo, nhôm sử dụng loạt hàng hóa thương mại đáng kể Nó tái chế vô hạn tạo nên phần sở hạ tầng tảng giới.  25 Nhôm kim loại phổ biến giới đại, nhờ đặc tính tỷ lệ độ bền trọng lượng cao, độ dẫn nhiệt điện cao 26 ... 2.1 Vật liệu dẫn điện 2.1.1 Khái niệm .6 2.1.2 Phân loại 2.1.3 Sự dẫn điện vật dẫn 2.1.4 Điện trở điện dẫn 10 2.1.4 Điện trở suất điện dẫn suất 12 2.2 Vật liệu dẫn điện. .. Ngồi điện trở cịn đại lượng thể cản trở dòng điện vật dẫn điện, vật liệu dẫn điện tốt điện trở nhỏ, vật dẫn điện điện trở lớn, vật cách điện điện trở vơ lớn Điện trở R của vật định nghĩa tỉ số điện. .. - Các vật liệu thể rắn: gồm kim loại, hợp kim số biến thể cacbon (than kỹ thuật điện) Vật dẫn điện thể rắn hợp kim kim loại nên chia làm loại: + Loại có điện dẫn cao: thường dùng để làm dây dẫn,