Giáo trình vật liệu điện pptx

Rất nhiều trường hợp khác thiết bị điện lại hoạt động ở nhiệt độ rất thấp hoặc nhiệt độ làm việc của thiết bị thay đổi đột ngột, lực tác động cơ học cao, áp suất lớn hay có nhiều tia bức

Trong bất kì ngành sản xuất nào, nguyên vật liệu cũng giữ vai trò quan trọng

Điện môi hay vật liệu cách điện được hiểu là vật liệu mà trong đó có thể tồn tại lâu dài trường tĩnh điện Các vật liệu này có điện trở rất lớn Dòng điện đi qua chúng dưới tác dụng của điện áp một chiều có tính chất khác hẳn so với dây dẫn

Không thể có một mạch điện nào dù đơn giản nhất cũng không thể thực hiện được nếu không có dây dẫn và chất cách điện Công dụng của chất cách điện là không cho dòng điện đi qua những con đường mà sơ đồ điện không cho phép

Một vài chục năm trước đây về việc lựa chọn vật liệu cách điện cho thiết bị rất đơn giản Thông thường vật liệu cách điện được sử dụng là vật liệu thiên nhiên: gỗ, giấy, dầu thực vật, cao su thiên nhiên, nhựa thiên nhiên v.v…

Những năm gần đây yêu cầu của vật liệu điện- điện tử ngày càng khắt khe hơn Việc tăng điện áp làm việc cho máy móc thiết bị, tăng công suất,…làm cho kích thước của cách điện tăng theo, đồng thời tăng công suất trên đơn vị thể tích Điều này rất quan trọng cho các thiết bị chuyển động Trong trường hợp khác lại tăng nhiệt độ làm việc của cách điện Ngoài ra trong kỹ thuật điện tử ở tần số cao cần chính xác và ổn định theo tần số của vật liệu cách điện Rất nhiều trường hợp khác thiết bị điện lại hoạt động ở nhiệt độ rất thấp hoặc nhiệt độ làm việc của thiết bị thay đổi đột ngột, lực tác động cơ học cao, áp suất lớn hay có nhiều tia bức xạ cao,…Những tác động gây ra làm xấu tính cách điện của thiết bị và đẩy chúng vào điều kiện hoạt động khó khăn hơn dẫn đến việc tìm kiếm, chế tạo các vật liệu có tính chất tốt hơn, điều này đòi hỏi công nghệ chế tạo các vật liệu có tính chất tốt hơn, điều này đòi hỏi công nghệ chế tạo vật liệu mới Theo các công trình nghiên cứu các vật liệu cách điện có tính chất tốt nhất là các vật liệu tổng hợp nhân tạo-vật liệu polyme cao phân tử Ngoài ra còn sử dụng một số vật liệu vô cơ như thủy tinh, gốm sứ,…

Để chế tạo vật liệu điện trong số đó có bán dẫn và điện môi, trong thời gian hiện nay sử dụng nhiều phương pháp khác nhau hoặc điều chế hóa học hay gia công nhiệt, điện phân,…đã tạo ra những vật liệu mới có cấu trúc rất đa dạng và có những tính chất cực kỳ quí báu

Để có thể hiểu biết cặn kẽ hơn về tính chất của vật liệu, đầu tiên chúng ta phải nghiên cứu hiện tượng vật lý trong điện môi dưới tác dụng của điện trường cùng các tham số khác của điện môi Ngoài tính chất điện của vật liệu cần hiểu biết về tính chất cơ học, tính chất hóa lý, tính chịu nhiệt,

tính hút ẩm và tính bền vững của vật liệu với dung dịch hóa học và các tia bức xạ,…

Nghiên cứu tính chất của vật liệu và cấu tạo hóa học của vật liệu là

cơ sở để chế tạo những vật liệu mới có tính chất cách điện hoặc dẫn điện tốt hơn

CHƯƠNG 1

NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN 1.1.Kim loại :

- Đến nay , người ta đã biết được trên một trăm nguyên tố hóa học, tất cả đều chia làm hai lọai : Kim loại và không kim lọai, trong đó kim lọai chiếm tới

79 nguyên tố Kim lọai chứa nhiều nhất trong qủa đất là nhôm (7%), sau đó là sắt (5%)

1.2 Cấu tạo của kim loại và hợp kim

1 Cấu tạo nguyên tử của kim loại

- Kim loại có các tính chất khác nhau là do tổ chức bên trong của chúng khác nhau

- Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp bao gồm : hạt nhân mang điện duơng ở giữa và các điện tử mang điện âm quay xung quanh hạt nhân đó Hạt nhân bao gồm : prôtôn và nơtrôn

- Các điện tử quay xung quanh hạt nhân với vận tốc rất lớn và theo quỹ đạo hình Elip, số điện tử ở qũy đạo này có số lượng khác nhau từ 0 đến 8 điện tử

- Đối với kim loại, ở qũy đạo ngoài cùng thường có 1÷2 điện tử , các điện tử này dễ bị đi khỏi quỹ đạo để cho nguyên tử trở thành ion dương, và đó chính là chỗ khác nhau chủ yếu giữa kim loại và chất phi lim loại

- Như vậy , kim loại có cấu tạo như là các ion dương , có các điện tử tự do chạy xung quanh và các điện tử này dễ bật ra khỏi quỹ đạo của nó

- Các điện tử tự do này là nguyên nhân tạo nên tính chất dẫn điện và dẫn nhiệt cũng như tính dẽo dai của kim loại

2 Cấu tạo tinh thể của kim loại

- Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo mạng tinh thể , tức là các nguyên tử của nó sắp xếp trong không gian theo một vị trí hình học nhất định chứ không hỗn độn như các vật phi kim loại khác Phần nhỏ nhất và đặc trưng cho một loại mạng tinh thể được gọi là ô cơ bản

- VD: Mạng tinh thể lập phương đơn giản là gồm vô số những ô lập phương

cơ bản ( ô cơ bản) Liên tiếp nhau mà hợp thành

- Các kiểu mạng tinh thể thường giặp của kim loại là : lập phương thể tâm , lập phương diện tâm và lục phương dày đặc

a Lập Phương Thể Tâm :

- Trong ô cơ bản của kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các nút ( đỉnh) của hình lập phương và ở giữa mỗi hình lập phươnh có một nguyên tử khoảng cách A giữa tâm nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh thể được gọi là thông số mạng , độ lớn đo bằng Ao (đọc là Aêng trôn , một đơn vị A dài bằng 0.00000001cm Các kim loại có kiểu mạng tinh thể này là; sắt , crôm , vonfram môlipđen , vanađi …

b Lập Phương Diện Tâm:

- Trong ô cơ bản của kiểu mạng này , các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lập phương và nằm ở trung tâm các mặt của hình lập phương Các kiểu kim loại này là sắt γ , đồng , niken , côban β , chì , bạc vàng …

c Lục phương dày đặc :

- Trong ô cơ bản của kiểu mạng này gồm các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lục lăng , hai nguyên tử nằm ở trung tâm hai mặt đáy , và ba nguyên tử nằm ở trung tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách nhau Các kim loại có mạng này gồm có kẽm , côban α , magie , catđimi

3.Cấu tạo của hợp kim

- Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy 2 hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại và hợp kim có tính chất của kim loại Hợp kim được chế tạo chủ yếu bằng cách nấu chảy, ngoài ra cũng có thể bằng các phương pháp khác như: điện phân , thiêu kết …

1.3 Tính chất chung của kim loại và hợp kim

- Các tính chất của vật liệu có thể chia thành: tính chất vật lý, tính chất hóa học , tính chật cơ học và tính chất công nghệ

1 Tính chất lý học

- Vẽ sáng mặt ngoài, mật độ tính chảy loãng ,tính giãn dài khi đốt nóng , tính dẫn nhiệt , nhiệt dung độ dẫn điện, độ thấm từ

-Vẻ sáng của kim loại : theo vẻ sáng bề ngoài của kim loại có thể chia thành kim loại đen và kim loại màu Kim loại đen là gồm các hợp kim của sắt tức là gang và thép, còn kim loại máu là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại

- Tính nóng chảy: kim loại có tính chảy loãng khi đốt nóng và đông đặc lại khi làm nguội nhiệt độ ứng với kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy

- Tính dẫn nhiệt : là tính chất truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hoặc làm lạnh

Các vật có tính dẫn nhiệt kém , muốn đốt nóng hoàn toàn phải mất nhiều thời gian , và nếu làm nguội quá nhanh có thể gây nên nứt , vỡ

- Tính giản nở nhiệt : khi đốt nóng , các kim loại giản nở ra và khi nguội lạnh nó co lại

- Tính nhiễm từ : chỉ có một số kim loại có tính nhiễm từ Sắt và hầu hết các hợp kim của sắt đều có tính nhiễm từ Niken và Côban cũng có tính nhiễm từ

2 tính chất hoá học: Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu thị ở hai dạng chủ yếu:

- Tính chống ăn mòn: là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay ôxy của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao

- Tính chịu axit là khả năng chống lại môi trường của axit

3 Tính chất cơ học:

- Là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài bao gồm: độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng , độ dai, va chạm, độ chiụ mõi…

4.Tính chất công nghệ:

- Tính công nghệ của kim loại: là khả năng của kim loại thực hiện được các phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm Tính công nghệ bao gồm: tính cắt gọt, tính hàn, tính rèn, tính đúc, tính nhiệt luyện

- Tính nhiệt luyện: là khăû năng làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo… của kim loại

- Sau khi nhiệt luyện, mức độ thay đổi của kim loại cũng khác nhau, có kim loại hầu như không thay đổi, hoặc thay đổi rất ít, nhưng cũng có kim loại lại thay đổi rất nhiều sau nhiệt luyện

1.4 Một Số Phương Pháp Thử Kim Loại Và Hợp Kim:

1 Thử Kéo:

- Thử kéo là quá trình thử quan trọng để xác định cơ tính của kim loại Khi thử kéo , ta có thể xác định độ bền , độ đàn hồi và độ dẻo của kim loại

a Độ Bền:

- Là khả năng của kim loại chống lại tác dụng của lực bên ngoài mà không

bị phá hỏng Dạng phá hỏng của kim loại khi thử kéo là bị đứt

b Độ Đàn Hồi :

- Là khả năng của kim loại có thể thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực bên ngoài , rồi trở lại như cũ khi bỏ lực tác dụng

×

−

Trong đó: L0 là chiều dài tính toán ban đầu

L1 chiều dài tính toán sau của mẫu thử 2.Thử Độ Cứng (độ rắn)

-Có nhiều phương pháp thử độ cứng , nhưng nói chung các phương pháp đều dựa trên nguyên tắc ấn vào bề mặt kim loại cần thử một vật cứng hơn và sau đó đo kích thước của vết lõm Tùy theo kích thước của vết lõm mà ta xác định được độ cứng của kim loại

• Thử độ cứng theo phương pháp Brinell

-Dùng một viên bi cầu bằng thép đã tôi cứng có đường kính 2,5; 5; hoặc 10mm , ấn vào bề mặt vật cần thử với một lực nhất định P Tỉ số giữa lực P và diện tích của vết lõm F gọi là độ cứng Brinell của vật Ký hiệu là : HB

HB =F

p kG/mm2

Trong đó : P là lực đặt vào viên bi

F là diện tích của mặt lõm có hình chõm cầu

Lực P phụ thuộc vào đường kính viên bi và loại vật liệu mà ta cần thử F là diện tích của chõm cầu , tính theo công thức :

P

−

−πTrong đó : D là đường kính viên bi ,(mm)

h là chiều sâu của vết lõm ,(mm)

d là đường kính của vết lõm ,(mm)

1.5 Một số định nghĩa hay gặp trong vật liệu kỹ thuật điện

1 Nhiệt lượng và nhiệt độ nóng chảy

- Nhiệt độ nóng chảy (điểm nóng chảy ) bình thường là giá trị nhiệt độ , tính bằng 0C, mà ở đây vật liệu chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng trong điều kiện áp suất bình thường

- Nhiệt lượng nóng chảy tiềm tàng riêng là nhiệt lượng nhận được của một đơn vị khối lượng trong vật thể chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng khi nhiệt độ áp suất không đổi

Đơn vị : J/kg hay Kcal/kg

2 Nhiệt lượng riêng

- Nhiệt lượng riêng của một vật thể là số lượng cần thiết cho một đơn vị khối lượng của vật thể đó để nâng nhiệt độ lên một độ Celcius

Đơn vị : J/kg.grd hay kcal/kg.grd

- Tính già hóa cơ khí ( tính già hóa khi rèn nguội) : Là sự biến đổi tính chất cơ đặc biệt của một số kim lọai do rèn nguội

5 Tính Rão:

- Là tính chất của kim lọai đối với sự biến dạng chậm và liên tục theo thời gian , dưới tác động của lực không đổi chưa đạt đến giới hạn đàn hồi Tính chất này được biến đổi theo nhiệt độ

6 Sức Bền Đứt (Ứng suất đứt khi kéo):

- Là sức bền tuương ứng với giá trị lớn nhất của lực (Pmax) tạo nên sự kéo đứt của mẫu vật liệu có tiết diện A0

8 Tính Vuốt Giãn:

- Là tính chất của vật liệu có thể gia công được thành sợi Yêu cầu vật liệu phải có cấu trúc dính chắc và dễ dát

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.1 Định Nghĩa:

- Vật liệu dẫn điện là vật chất mà ở trang thái bình thường có các điện tích tự do Nếu đặt những vật này vào trong một trường điện, các điện tích sẽ chuyễn động theo hướng nhất định của điện trường và tạo thành dòng điện

- Vật dẫn điện có thể là chất rắn, chất lỏng và trong một số điều kiện phù hợp có thể là chất khí

2.2 Phân loại:

1 Vật liệu với tính dẫn điện tử hay còn gọi vật dẫn loại 1 (vật dẫn kim

loại): Là vật chất mà sự hoạt động của các điện tích không làm biến đổi thực thể đã làm nên vật thể đó Bao gồm những kim loại ở trạng thái rắn hay lỏng, hợp kim và một số chất không phải là kim loại

2 Vật liệu với tính dẫn ion hay còn gọi là vật dẫn loại 2 (vật dẫn điện

phân) Là vật chất mà dòng điện đi qua sẽ tạo nên sự biến đổi hóa học Đó là các dung dịch Axít, kiềm và muối

2.3 Các đặc tính của vật liệu dẫn điện:

ρ là điện trở suất : Ω.mm2 / m

L là chiều dài dây dẫn: m

S là tiết diện của ây dẫn: mm2

Điện dẫn G của một dây dẫn là đại lượng nghịch đảo của điện trở:

2 Điện trở suất ρ:

- Là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài và tiết diện là một đơn vị diện tích

- Trên thực tế, điện trở suất của dây dẫn được tính theo Ω mm2/m và trong một số trường hợp được tính bằng Ω.cm Trong hệ CGS điện, điện trở suất được tính bằng Ωcm; còn ở hệ MKSA, tính bằng Ω m

- Những đơn vị nêu trên, chúng được liên hệ qua biểu thức sau đây: 1Ω.cm = 104

Ω.mm2 / m = 106

µΩ.cm = 10-2 Ω.m

- Điện dẫn suất γγγγ: là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất

γ = ρ1

- Điện dẫn suất ρ được tính theo:m/ Ω.mm2, Ω-1cm-1,Ω-1m-1

a Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ(ααα)

- Điện trở suất của kim loại và của rất nhiều hợp kim tăng theo nhiệt độ,

điện trở suất của Cacbon và của dung dịch điện phân giảm theo nhiệt độ

- Thông thường, điệ trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ theo quy luật

- Trong đó, α là số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ đối với vật liệu

tương ứng và ứng với những khoảng nhiệt độ được nghiên cứu

- Hệ số α gần như giống nhau đối với các kim loại tinh khiết và có trị số

gần đúng bằng

4.10-3 1/ oC

- Đối với khoảng chênh lệch nhiệt độ (t2 - t1 ), thì hệ số α trung bình sẽ là

α =

) t t ( t

t - t 2 1 1

1 2

−ρ

ρρ

Giá trị ααα và ρρρ theo nhiệt độ đối với những kim loại dùng trong kỹ thuật điện

được tình bày ở bảng sau:

Kim loại

Điện trở suất

ρ ở 200C Ω.mm2 / m

Hệ số thay đổi của điện trở suất theo nhiệt độ

- Về phương diện lý thuyết, ở độ không tuyệt đối , kim loại tinh khiết

không còn điện trở

- Sự biến dạng đàn hồi , mức độ tinh khiết của kim loại sẽ ảnh hưởng

đến giá trị của điện trở suất

- Khi nóng chảy , điện trở suất của kim loại biến đổi, Thông thường, giá

trị tăng lên (ngoại trừ: ăng –ti-moan , Gali và bitmut Khi nóng chảy , điện trở

-Sự không tinh khiết của kim loại dẫn đến làm tăng điện trở suất

b Hệ số thay đổi của điện trơ suất theo áp suất :

- Khi kéo hoặc nén đàn hồi , điện trở xuất của kim loại biến đổi theo công thức

ρ = ρo (1± kσ)

- Dấu “+” ứng với biến dạng do kéo ; dấu “−” do nén

- Ở đây , σ -ứng suất cơ khí của mẫu, đơn vị kG/ mm2

K – hệ số cho ở bảng 11

Kim loại Hệ số thay đổi của điện

trở suất theo áp suất :k

Nhận Xét

oo và 100oC Wolfram Từ – 1,346 10-6 đến –

0o và 100oC Thiếc - 9,79 10-6

Magie - 3,9 10-6 Ở 0oC và áp xuất giữa 0 và

12000 kG/cm2Bảng 11: Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất

2.4 Vật liệu có tính dẫn điện cao

2.4.3 Đồng

Đồng được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện do có những đặc điểm sau:

- Điện trở suất nhỏ

- Độ bền vững cơ học cao

- Bền vững hoá học

- Dễ gia công cán, kéo thành các kích thước khác nhau theo ý muốn

- Dễ hàn nối

Tính chất của đồng

- Điện trở suất của đồng nhạy cảm với tạp chất

- Sức bền cớ khí tương đối lớn, dễ dát, dễ vuốt giãn, gia công dễ dàng khi nóng và khi nguội

- Bề mặt tiếp xúc với không khí dễ bị ăn mòn và hình thành màng sunphit.Tốc độ ăn mòn nhanh khi bị đốt nóng

Ứng dụng của đồng

- Đồng sử dụng trong kỹ thuật điện để sản xuất dây dẫn, cáp, các thiết bị phân phối…

- Đồng cứng được sử dụng trong các trường hợp cần có độ bền cơ học cao, có độ cứng và chống mài mòn

- Đồng mềm được sử dụng khi cần có độ dẻo, độ bền kéo dãn

- Nhôm là vật liệu có nhiều trong thiên nhiên, do đó giá thành thấp

- Nhược điểm của Al là sức bền cơ khí thấp và gặp khó khăn trong việc thực hiện tiếp xúc điện tốt khi nối nhau

Tính chất của Al

- Dễ dát mỏng, vuốt giãn được, có thể gia công dễ dàng khi nóng và khi nguội

- Có sức bền đối với sự ăn mòn

- Khó khăn trong việc hàn và dính kết dây dẫn

Ứng dụng

- Nhôm được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật làm dây dẫn, làm dụng cụ gia đình

2.2.3 Hợp kim

a/ Hợp kim có điện trở cao

Hợp kim có điện trở cao là hợp kim ở nhiệt độ bình thường cóρ≥ 0,03µΩ.m Được sử dụng để sản xuất dụng cụ đo lường, điện trở mẫu, thiết

bị đốt nóng Khi sử dụng hợp kim làm thiết bị đo không chỉ yêu cầu điện trở

suất cao mà cón phải có hệ số nở dài nhỏ, và sức nhiệt điện động nhỏ so với đồng Dây điện trở phải có khả năng hoạt động ở nhiệt độ 10000C trong không khí ở thời gian dài Những vật liệu có điện trở suất cao được sử dụng rộng rãi trong thực tế là Mn với Cu và Ni, Constantan và Crom-Niken

b/ Hợp kim dùng làm cặp nhiệt ngẫu

Khi tiếp xúc hai kim loại khác nhau thì giữa chúng xuất hiện hiệu điện thế tiếp xúc, hiệu điện thế này không phụ thuộc vào hình dáng hay kích thước mà chỉ phụ thuộc vàobản chất của chúng

Hiệu điện thế tiếp xúc đối với những kim loại khác nhau, phụ thuộc vào mức độ tinh khiết của chúng và đặc biệtmức độ tinh khiết của các bề mặt tiếp xúc

Nhiệt ngẫu được sử dụng trong các kết cấu nhiệt kế dùng để đo nhiệt độ, được sử dụng ở những dụng cụ đo điện đối với dòng điện xoay chiì©u không sin có tần số lớn đến 107Hz

2.3 Kim loại và hợp kim có công dụng khác

2.3.1 Kim loại khó nóng chảy

Những kim loại có nhiệt độ nóng chảy lớn hơn 17000C thì được gọi là kim loại khó nóng chảy.Để sử dụng ở nhiệt độ cao phải đặt vào môi trường khí trơ hoặc chân không

Những kim loại khó nóng chảy: volfram, molipden, tantal, crom, reni 2.3.2 Những kim loại quí

Là những kim loại có độ bền vững hoá học cao nhất gồm có: vàng, bạc, platin, paladin.Thường gặp trong tự nhiên ở dạng nguyên chất hoặc trong các quặng.Các kim loại này nhận dược từ lò luyện bằng phương pháp điện hoá, điện phân và đạt được độ tinh khiết cao

2.3.3 Kim loại có độ nóng chảy trung bình

Kim loại có nhiệt độ nóng chảy trung bình gồm có sắt, nikel và coban.Chúng là vật liệu sắt từ, ngoài ra có hệ số nhiệt điện trở cao

2.4 Vật liệu dẫn điện không phải là kim loại

Ngoài các kim loại và hợp kim dùng để chế tạo điện trở, các bộ phận tiếp xúc, dây dẫn còn sử dụng các vật liệu không kim loại.Theo nguyên tắc các vật liệu này có giá trị sử dụng trong lĩnh vực hẹp

- Vật liệu có nguồn gốc cacbon: dây dẫn không kim loại được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện là grafit (một trong số dạng cacbon sạch).Có điện trở suất nhỏ, có độ chịu nhiệt cao, tính dẫn nhiệt, bền vững với môi trường hoá học rất mạnh

- Grafit thiên nhiên: là vật liệu có tinh thể lớn, nhiệt độ nóng chảy cao (khoảng 39000C).Ở nhiệt độ cao kết hợp với oxy tạo thành CO hoặc CO2

- Cacbon nhiệt phân: nhận được bằng phương pháp nhiệt tách hơi Cacbon trong chân không hoặc môi trường khí trơ.Vật chất dùng để nhiệt phân thường được dùng là khí metan.Để có cấu trúc chặt cần nhiệt độ phân tích không dưới 9000C

1 Tầm Quan Trọng Trong Kỹ Thuật Điện:

- Đồng là lọai vật liệu quan trọng nhất trong tất cả những vật liệu dẫn điện được dùng trong kỹ thuật điện Nó có điện dẫn suất lớn, chỉ sau bạc Có sức bền cơ khí lớn, chống được sự ăn mòn của khí quyển, tính đàn hồi cao và đặc biệt có tính dẫn điện cao, đã làm cho đồng trở thành vật liêu quan trọng để sản xuất dây điện

- Đồng là một kim lọai hiếm, chỉ chiếm tỷ lệ 0,01% trong lòng trái đất

- Trong kỹ thuật điện, người ta thường dùng đồng E và Đồng 9

3 Sản Xuất và Chế Tạo:

- Đồng được tìm thấy trong thiên nhiên không nhiều và được sản xuất từ các mõ: Can- copirit (CuFeS2), Cancozin (Cu2S), cupric (Cu2O), malasit [CuCO3(OH2)2].v.v…

- Từ các mỏ trên, người ta thu được sunfua và xỉ thông qua phương pháp nấu chảy trong lò chuyển hay sunfua hóa

- Tùy theo phần trăm của đồng và tạp chất, người ta chia ra làm 2 loại sau:

• Loại A: Phần trăm đồng tối đa là 98%, dùng để chế tạo Cu 0, Cu 5, Cu

9 và CuE

• Loại B: Phần trăm đồng tối thiểu là 97,5%, dùng dưới dạng các điện cực dươngđể tinh luyện theo phương pháp điện phân để cho ra đồng điện phân và tinh luyện một số loại đồng thanh

3.1.2 Các đặc tính:

1 Đặc Tính Chung:

- Đồng có màu đỏ nhạt sáng rực, có điện dẫn và điện trở suất lớn, sức

bền cơ khí tương đối lớn, dễ dát mỏng, dễ vuốt giản, có sức bền khi va đập và

ăn mòn, sức đề kháng cao khi thời tiết sấu

- Đồng có tổ chức tinh thể lập phương thể tâm và tổ chức này được giữ

nguyên cho đến khi làm nguội đến nhiệt độ thường Tức là đồng không bị biến

đổi hình thù

- Ở 200C, đồng có các tính chất vật lý sau:

ρ = 0,01748Ωmm2/m dây mềm

0,01786Ωmm2/m dây cứng Điểm nóng chảy: 10830C

Sức bền đứt khi kéo: 21kg/mm2 dây mềm

45kg/mm2 dây cứng

Trọng lượng riêng D = 7,4 - 8,9kg/dm3 Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ: 0,003931/ 0C

2 Điện Trở Suất Và Các Yếu Tố Aûnh Hưởng Đến Điện Trở Suất:

- Sau Bạc, đồng thuần khiết có điện trở suất rất bé

ρ = 0,01682Ωmm2/m và hệ số thay đổi điện trở theo nhiệt độ α = 0,0041151

- Đồng điện phân ở 200C cần có điện trở suất ρ = 0,01748Ωmm2/m

- Đồng được chuẩn hoá trên thị trường quốc tế ở 200C có ρ =

0,017241Ωmm2/m

- Ảnh hưởng của tạp chất đối với điện trở suất của đồng điện phân : Việc

thêm cadmi vào đồng điện phân sẽ làm giảm rất ít điện trở suất và tăng thêm

độ cứng Do đó , trong chế tạo cổ góp máy điện làm bằng đồng , người ta pha

thêm cadmi vào đồng

- Ảnh hưởng của gia công cơ khí: Sự dát mỏng và đặc biệt là sự kéo khi

nguội sẽ làm giảm điện trở suất của đồng

- Ảnh hưởng của việc xử lý nhiệt:

Sự thay đổi điện dẫn suất tùy theo việc nung nóng trở lại (ủ nhiệt) Để

nhận được đồng mềm dùng làm dây quấn và cáp , thì cần phải nung trở lại với

nhiệt độ giữa 4000 và 5000C Nhưng khi nung nóng giữa 2000C và 3000C thì lại

có điện dẫn suất nhỏ hơn nhiều so với giữa 4000 và 5000C

3.1.3 Tính chất cơ học và các yếu tố ảnh hưởng:

- Tính chất cơ học của đồng phụ thuộc vào tính chất tinh khiết của đồng

, phương pháp gia công, xử lý nhiệt và nhiệt độ làm việc

- Ảnh hưởng của các chất thêm vào:

Việc thêm vào một số kim loại như cadimi (Cd), Al, Sn, Ni và Zn sẽ làm

tăng sức bền đứt khi kéo

Do hợp kim đồng làm tăng điện trở suất của đồng, nên việc sử dụng hợp kim đồng được hạn chế, và chỉ dùng cho những chi tiết cần có yêu cầu cơ khí cao và điện trở đóng vai trò không quan trọng

- Ảnh huởng của gia công cơ khí: Sự dát mỏng hay kéo sợi khi nguội sẽ làm tăng sức bề đứt khi kéo đến 40÷45mm2 (đồng cứng)

-Ảnh hưởng của sử lý nhiệt độ và của nhiệt độ:

Sử lý nhiệt sẽ ảnh hưởng đến tính chất cơ của đồng Aûnh hưởng này càng rõ rệt khi kim loại càng tinh khiết

3.1.4 Hàn đồng:

- Việc hàn các chi tiết bằng đồng có khó khăn, vì đồng bị oxýt hóa nhanh ở nhiệt độ 10830 và cho ta bọt khí, tính lỗ chỗ, xỉ.v.v… Những chi tiết lớn cần phải thực hiện nung nóng trước khi hàn (để nhận được nhiệt độ đồng nhất),

vì đồng dễ dàng tỏa nhiệt hanh

- Không nên hàn các chi tiết đồng cứng khi chúng làm việc ở tình trạng kéo (dây dẫn điện của đường dây trên không) Vì rằng sau khi nung nóng trong quá trình hàn thì phần đồng ở phần cạnh mối hàn sẽ bị giảm sức bền đứt cơ khí khi kéo

- Hàn đồng có thể thực hiện bằng cách : Rèn, điện và bằng lửa oxy axetylen

1 Hàn bằng cách rèn:

- Có thể thực hiện sau khi làm sạch đoạn tương ứng cần hàn Trên đoạn đã làm sạch, người ta sẽ nhúng hàn the, sau đó người ta đặt các chi tiết lên nhau và nung nóng đến mức đồng đỏ lên, cần lưu ý tránh dòng không khí, và đập mạnh bằnh búa

2 Hàn điện thông qua điện trở:

- Thực hiện ở dây mảnh hay ở đồng tấm( hàn nối tiếp đầu này với đầu kia)

- Ở các tấm được hàn, những đoạn được hàn phải được làm sạch Người ta đặt các tấm chồng lên nhau trên một điện cực cố định Sau đó ép chúng lại với nhau nhờ một điện cực di động với một áp suất cần thiết Sau đó cho dòng điện đi qua hai điện cực này để cho dòng điện đi qua các chi tiết hàn

-

3 Hàn bằng ngọn lửa oxy axetylen:

- Là quá trình thực hiện yêu cầu khéo léo đặc biệt Vì khuynh hướng của đồng dễ bị oxýt hóa ở nhiệt độ hàn (10830C ) và vì sự hoạt động của Hydrogen của ngọn lửa sẽ có thể làm nẩy sinh “Tính thất thường của hydrogen”

- Để tránh oxýt hóa mạnh , việc nung nóng ở nhiệt độ hàn, cần được tiến hành trong điều kiện không có luồng không khí hoặc có một lọai khí bảo vệ

3.2 Hợp kim của đồng :

3.2.1 Đặc điểm và phân loại:

- Hợp kim trong đó vật liệu đồng là chủ yếu, có các đặc điểm là sức bền

cơ khí lớn, độ cứng cao, độ dai tốt, màu đẹp và dễ nóng chảy Hợp kim của đồng có thể đúc thành các hình phức tạp, dễ gia công trên máy cắt gọt và dễ mạ v.v…

- Những hợp kim chính của đồng trong kỹ thuật điện là Đồng thau, Đồng thanh và các hợp kim dùng làm điện trở

3.2.2 Đồng thanh:

3.2.2.1.Thành phần và tính chất:

- Đồng thanh là thành phần hợp kim của đồng, có thêm 1 số kim loại khác để tăng cường độ cứng, tăng sức bền và dễ nóng chảy.Tùy theo các chất thêm vào, ta có các loại sau:

Đồng thanh với thiếc: Là hợp kim của đồng thanh với thiếc và đôi khi thêm vào một số chất khác để làm thay đổi tính chất cơ và hóa học v.v… chúng tạo nên sức chống ăn mòn

Đồng Thanh với Thiếc và Kẽm: Là hợp kim đồng và kẽm (3 ÷ 9%), Kẽm (4 ÷ 10%) và đôi khi với Chì (4 ÷10%)

Đồng thanh không có thiếc: Hợp kim với ít nhất 78% Cu và thêm một số chất khác như: Nhôm (Al), Beri (Be), Măng Gang (Mn), Cadimi (Cd), Niken (Ni) v.v…

- Ở 200C, đồng thanh có các tính chất vật lý sau:

ρ = 1,92 - 11,1Ωcm.10-6

γ = 0,52 - 0,09Ω-1cm-1.106Điểm nóng chảy: 900 - 12000C Sức bền đứt khi kéo: 50 - 85kg/mm2Trọng lượng riêng D = 7,4 - 8,9kg/dm3 Hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ: α = 0,0041/độ C 3.2.2.2 Ứng dụng:

- Đồng thanh được dùng để chế tạo máy và khí cụ điện, các chi tiết nối dây, giữ dây, đai ốc cho hệ thống nối đất v.v trong kỹ thuật điện , người ta dùng đồng thanh Bz10T, Bz6, BzAl5 và BzAl10T Ngoài ra đồng thanh còn dùng làm các tiếp diểm điện, Cổ Góp điện, các điện cực hàn, ổ cắm, phích cắm v.v…

- Đồng thanh dùng làm dây dẫn điện chứa 97÷99,9% Cu, còn lại là Thiếc (Sn), Magiê (Mg), Cadimi (Cd), Kẽm (Zn), Silic (Si) và Măng gang (Mn) và phải chịu được sức bền khi ăn mòn Những đặc tính của dây dẫn điện cho đường dây trên không được trình bày ở bảng 11

3.2.3 Đồng thau:

3.2.3.1 Thành phần và tính chất:

- Là hợp kim giữa Đồng với Kẽm, với lượng kẽm không quá 46% Nếu tỷ lệ phần trăm của Kẽm lớn hơn 25%, thì lớp bảo vệ của Oxýt kẽm sẽ tạo nên trên bề mặt của vật liệu càng nhanh khi nhiệt độ càng lớn Nếu tỷ lệ phần trăm

của Kẽm càng nhỏ thì trên lớp bề mặt của vật liệu sẽ tạo một lớp hơi đen giàu Oxýt đồng Tính chất này của đồng thau với tỷ lệ hơn 20% Zn, tạo nên lớp bảo vệ ở 300o C và chống ăn mòn của không khí khi có Amoniac

- Ở 200C , đồng thau có các tính chất vật lý sau:

ρ = 7,1Ωcm.10-6

γ = 0,14 ÷ 0,2Ω-1cm-1.106Điểm nóng chảy: 890 ÷ 9200C Sức bền đứt khi kéo: 18 ÷88 kg/mm2Trọng lượng riêng D = 8,2 ÷ 8,73kg/dm3 Hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ:

α = 0,0013 – 0,0021/độ C 3.2.3.2 Ứng dụng:

- Đồng thau được ứng dụng trong nghành điện giống như đồng thanh 3.3 Nhôm (Al):

3.3.1.Tầm quan trọng trong kỹ thuật điện:

- Sau đồng, Nhôm được xếp thứ hai trong trong kỹ thuật điện, nhôm có điện dẫn suất cao, trọng lượng riêng giảm Nhôm có cấu trúc tinh thể là lập phương diện tâm, hình thù không bị thay đổi cho đến khi nguội ở nhiệt độ thường

3.3.2 Sự tạo thành:

- Nhôm dùng làm dây dẫn điện phải gồm:

- Nhôm tinh khiết, tối thiểu 99,5%

- Sắt và Silic, tối đa 0,05%

- Đồng và kẽm tối đa 0,05%

- Nhôm dùng để chế tạo các điện cực cho các tụ điện phân , tạp chất không được quá 0,05%

3.3.3 Các hằng số vật lý và hóa học:

- Ở 200C , Nhôm có các tính chất vật lý sau:

ρ = 2,941Ωcm.10-6

γ = 0,34 Ω-1cm-1.106Điểm nóng chảy: 6570C Sức bền đứt khi kéo: 17 kg/mm2Trọng lượng riêng D = 2.7kg/dm3 Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ 0,0041/độ C 3.3.4 Các đặc điểm chung:

- Nhôm có màu trắng bạc, dễ dát mỏng, dễ gia công khi nóng và nguội Nhôm đúc có cấu trúc tinh thể, Nhôm có tính đề kháng kém khi va chạm, có sức bền với sự ăn mòn do có lớp màng Oxýt rất mỏng ở mặt ngoài khi tiếp xúc với không khí Lớp màng này có điện trở lớn nên nhôm khó tiếp xúc tốt giữa các dây dẫn và hàn dính các dây dẫn

3.3.5 Điện trở suất và các yếu tố ảnh hưởng:

- Nhôm làm dây dẫn điện ở 200C phải có điện trở suất là 0,02941Ω.mm2/ m , điện dẫn suất phải đạt 34m/Ω.mm2 So với đồng , nhôm có tính chất cơ và điện ít thuận lợi hơn, điện trở của nhôm gấp 1,68 lần so với đồng

02941 , 0

- Vậy, để có 1 dây dẫn nhôm có cùng chiều dài và cùng điện trở như dây dẫn đồng thì ở nhôm phải có tiết diện lớn gấp 1,68 lần so với dây dẫn đồng, tức đường kính lớn gấp 1,68 = 1,3 lần dây dẫn đồng

Ảnh hưởng của các chất có trong nhôm:

- Những chất như : Đồng (Cu), Bạc (Ag), Magiê (Mg), Titan (Ti), Crom (Cr) và Măng gang (Mn), ảnh hưởng rất nhiều đến điện trở suất của đồng

- Điện dẫn suất sẽ giảm khi tăng tỷ lệ phần trăm của các chất có trong nhôm Điện trở suất của nhôm chịu ảnh hưởng của sắt và nhôm được trình bày

ở bảng sau

Các chất thêm vào , %

Nhôm đã được sử

lý (ủ nhiệt )

Điện trở suất ở 200c Ω.cm.10-6

Hệ số thay đổi của điện trở suất

ở 200C Nhôm tinh khiết

Nhôm 99,5%

Nhôm 99%

Nhôm 98,5%

0,0005 0,34 0,56 0,96

0,0023 0,1 0,32 0,41

2,63 2,767 2,78 2,835

4,33.10-34,10.10-34,13.10-34,10.10-3

Ảnh hưởng của gia công cơ khí:

- Gia công cơ khí ít ảnh hưởng đến điện trở suất của nhôm Việc kéo thành sợi khi nguội dùng để tăng sức bền cơ khí của nhôm , nhưng cũng lảm điện dẫn suất của nhôm khoảng 1,2% và làm tăng trọng lượng riêng đến mức tối đa 0,2%

Ảnh hưởng của sử lý nhiệt:

- Điện trở suất của nhôm không ảnh hưởng nhiều khi gia nhiệt Ở 200C ,nhôm mềm có điện trở suất là 0,02788Ω.mm2/m, và nhôm cứng đối với dây dẫn trên không là 0,02941Ω.mm2/m Việc sử lý nhiệt chỉ ảnh hưởng đến điện trở suất của nhôm, nếu nhôm có nhiều tạp chất

3.3.6 Các đặc tính cơ học và các yếu tố ảnh hưởng:

- Sức bền của nhôm thấp hơn của đồng 3 lần và phụ thuộc vào:

- Mức độ tinh khiết

- Phương thức gia công

- Sử lý nhiệt

- Nhiệt độ làm việc

Ảnh hưởng của các tạp chất có trong nhôm:

Nhôm sẽ được tăng sức bề cơ học khi kéo là do sự có mặt các chất như:

Zn, Fe, Si, Cu và Mg có mặt trong nhôm

Ảnh hưởng của gia công cơ khí:

Nhôm tinh khiết được gia công và ủ nhiệt , có sức bền đứt khi kéo là 6kg/mm2, nhôm dùng làm dây dẫn điện với 0,5% tạp chất, ỏ trạng thái mềm ủ nhiệt có sức bền đứt từ 8 đến 11kg/mm2

Ảnh hưởng của sử lý nhiệt:

Sức bền cơ học của nhôm sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Sức bền cơ của nhôm bắt đầu giảm sẽ xảy ra giữa nhiệt độ từ 160 - 1800C Ở 2000C, sức bền đứt của nhôm dát mỏng là 9Kg/mm2, ở 4000C sức bền đứt của nhôm dát mỏng là 2kg/mm2, còn của nhôm nung nóng là 1,5kg/mm2

3.3.7 Tính chất hóa học và sức bền đối với ăn mòn:

Trong không khí, ở nhiệt độ thông thường, nhôm được bọc một lớp mỏng oxýt, lớp này có điện trở lớn và ngăn cản việc ôxýt hóa tiếp tục, do vậy nó bảo vệ tốt đối với sự ăn mòn, ngay cả trong môi trường ẩm ướt Nhôm tinh khiết 99,5% vẫn bị ăn mòn nhiều hơn đồng.Nếu độ tinh khiết dưới 99%, nhôm sẽ bị ăn mòn rất nhiều và gây giảm độ bền cơ học của nhôm rất nhiều

3.3.8.Các bán thành phẩm và công nghệ gia công:

- Trong kỹ thuật điện người ta sử dụng nhôm đúc dưới dạng hợp kim, nhôm dát mỏng và nhôm kéo sợi

- Nhôm đúc không được sử dụng ở trạng thái tinh khiết, do vì nó bị co nhiều khi đúc Đồng thời vì tính cơ học bị giới hạn (độ cứng Brinell từ 24 ÷ 32kg/mm2 , sức bền đứt từ 9 ÷ 12kg/mm2) Hợp kim của nhômvới sản phẩm đúc thuòng có trọng lượng riêng 2,6kg/dm3 điện trở suất ρ= 0,06÷0,0847Ωmm2 / m

- Đối với các rotor lồng sóc của động cơ không đồng bộ, đòi hỏi sử dụng hợp kim với mangang, vì chúng có điện trở tăng (ρ = 0,03 Ωmm2 / m), và ổn định đến nhiệt độ quá 2000C

- Nhôm dát mỏng được cung cấp dưới dạng tấm, thanh và ống, có thành phần tạp chất không quá 0,05%, sức bền đứt là 7kg/mm2

- Nhôm kéo thành sợi : Nhôm dùng làm dây dẫn được kéo khi nguội qua khuôn thép,

3.3.9.hàn nhôm:

Việc hàn các chi tiết bằng nhôm cần lưu ý :

+ Nhôm có điểm nóng chảy tương đối thấp (6570C)

+ Sự nóng chảy của nhôm tiến hành đột ngột

+ Có độ dẫn nhiệt lớn , dễ mất nhiệt khi hàn

+ Bị oxy hóa mạnh , tạo nên lớp oxýt khó nóng chảy, có điểm nóng chảy cao (20300C )

Nhôm có thể vừa được hàn theo cách nóng chảy, vừa được hàn bằng cách ép trên máy hàn điện trở Trước khi hàn, các bề mặt cần phải được làm sạch bằng cách phun cát, dũa hay lau bằng dung dịch sút ăn da Sau khi lau bằng sút, cần rửa lại bằng nước thông để tránh hiện tượng ăn mòn về sau

- Ở hàn nhôm , vật liệu thêm vào thông thường từ những đũa nhôm (99% Al) hay những đũa hợp kim 92%Al và 8%Cu có đường kính từ 2-3mm,

với chiều dài 50-100 cm Để tránh nứt mối hàn ,ta sử dụng hợp kim có thành phần 5% Si, 0.5%Fe, 0.2% Cu, còn lại là nhôm

- Sau khi hàn, chất khử cuối cùng phải được loại ra bằng cách lau nước hoặc đánh bằng bàn chải

- Việc nối cáp nhôm được thực hiện bằng phưông pháp đúc 2 đầu của cáp được đưa vào khuôn Ơû đó được rót nhôm nóng chảy ở nhiệt độ từ 850 -

9000C Sau khi nguội tháo khuôn ra

Khi hàn điện, sự hợp thành các lớp bọc các điện cực kim loại cần phải gồm có muối Liti Điện cực được chế tạo từ nhôm tinh khiết hoặc với 5-6% Si

Hàn điện thông qua điện trở thông thường tiến hành với tia lửa, sử dụng dòng điện với mật độ rất lớn (15000A/cm2)

+ Các lá nhôm làm tủ điện, máy biến áp

+ Làm rotor lồng sóc

+ Các đầu nối đai ốc, móc v.v…

3.3.10 Dây dẫn thép - nhôm :

Để tăng sức bền cơ khí của dây dẫn nhôm, người ta thêm phần lõi bằng thép 1 hay nhiều sợi Nhưng có những nhược điểm sau : trọng lượng sẽ tăng từ 1.38 đến 1.8 lần so với dây nhôm, dây bị cứng, hệ số giãn nở khác nhau Ưu điểm là : ít tổn thất thông qua hiệu ứng vành ở bề mặt dây dẫn

3.4Hợp kim của nhôm :

3.4.1 Đặc điểm và phân loại :

Các hợp kim chính của nhôm dùng để đúc có những loại sau : Al-Zn-Cu, Al-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Si-Cu, Al-Si-Mg, Al-Mg và Al-Mg-Mn

Các hợp kim nhôm dùng làm dây dẫn phải có đặc tính cơ tốt từ 16 - 17 Kg/mm2, tức là khoảng 65% so với Cu cùng điện dẫn suất

3.5.1 Các hằng số vật lý của kẽm :

- Ở 200C, kẽm có các tính chất vật lý sau:

ρ = 5,92 Ωcm.10-6

γ = 0.17Ω-1cm-1.106

Điểm nóng chảy: 419.50C Sức bền đứt khi kéo: 11.2 - 13.3kg/mm2Trọng lượng riêng D = 7,14 kg/dm3 Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ 0,004191/độ C

- Điện trở của dây dẫn kẽm lớn khoảng gấp 3 lần dây dẫn đồng và gấp 2 lần dây dẫn nhôm

3.5.2 Ứng dụng :

- Dùng làm dây dẫn thay thế cho đồng và nhôm, các thanh góp, điện cực, làm dây chảy

3.6 Sắt (Fe) :

3.6.1 Sản xuất và chế tạo :

- Sắt được chế tạo từ các quặng hematic (Fe2O3), limonit (2 Fe2O3 3H2O), siderit (FeCO3), pirit (FeS2) v.v…

Cho qua lò cao và có chất xúc tác CaCO3, CaCO3 + MgCO3… cho ra gang xám và gang trắng

3.6.2 Phân loại :

- Tùy vào lượng cacbon chứa trong sắt, được phân thành :

+ Gang với nhiều cacbon 1.7%

+ Thép chứa tỉ lê 0.5 đến 1.7% cacbon

+ Sắt rèn chứa ít hơn 0.5% cacbon

- Thép dùng làm dây dẫn hay thanh góp ở dòng điện một chiều cần phải

ít tạp chất, vì tạp chất sẽ làm tăng điện trở suất Đối với dòng điện xoay chiều, thành phần cacbon phải tăng hơn 0.1 đến 0.15%

3.6.3 Hằng số vật lý

- Ở 200C, Sắt có các tính chất vật lý sau:

ρ = 10Ωcm.10-6

γ = 0,1Ω-1cm-1.106Điểm nóng chảy: 15350C Sức bền đứt khi kéo: 22kg/mm2Trọng lượng riêng D = 7,86kg/dm3 Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ 0,006571/độ C 3.6.4 Đặc tính của sắt :

- Có màu trắng bạc dễ bị thay đổi ở nhiệt độ thường, dễ bị ăn mòn do bị

rỉ sét ở nhiệt độ thường và môi trường

- Dây dẫn bằng thép có thể chịu được tốt ở nhiệt độ 1000C với thời gian dài

- Để tránh sự ăn mòn người ta phủ trên bề mặt một lớp cadmi

3.6.5 Ứng dụng :

- Dây dẫn thép là loại thép mềm với lượng cacbon ít có điện trở suất gấp

7 đến 8 lần so với đồng Có sức bền cơ khí gấp 2 đến 2.5 lần so với đồng do đó

có thể dùng kéo dây ở khoảng cách cột lớn từ 1500m đến 1900m Độ võng bé hơn các dây dẫn khác do vậy cột có thể thấp hơn

- Thanh bằng thép được làm thanh góp, được làm bằng thép cacbon dát mỏng có điện trở suất 0.135 Ωmm2 / m Đối với thanh dẹt, có thể dùng các ống dày 2 đến 5mm và điện trở suất 0.12 - 0.13Ωmm2 / m Ở dòng điện xoay chiều , điện dẫn suất có thể đạt được 10m/Ωmm2

3.7 Magiê (Mg):

3.7.1 Sản Xuất Và Chế Tạo:

- Được tìm thấy ở mỏ dưới dạng tổ hợp magiê (MgCO3), Cacnalit (MgCl2KCl), Đilomit (MgCO3CaCO3).v.v

- Magiê được chế tạo từ phương pháp điện phân cloruamagie (MgCl2) hay bằng phương pháp nhiệt thông qua việc làm giảm oxy từ oxýt nhờ sự hổ trợ của cacbon

3.7.2 Hằng Số Vật Lý và Hóa Học:

- Ở 200C, Magiê có các tính chất vật lý sau:

ρ = 4,6 Ωcm.10-6

γ = 0,217Ω-1cm-1.106Điểm nóng chảy: 6510C Sức bền đứt khi kéo: 20kg/mm2Trọng lượng riêng D = 1,74kg/dm3 3.7.3 Các Đặc Tính :

- Magie là loại kim loại nhẹ nhất, có màu trắng bạc , có cấu trúc mạng tinh thể theo kiểu lục phương dày đặc Dễ dát mõng , ít dính chắc , dễ bị oxy hóa ở môi trường không khí khô , còn ở không khí ẩm thì dược bọc một lớp oxýt mỏng để bảo vệ

- Trong không khí sẽ bắt cháy ở nhiệt độ 8000C,với tia lữa sáng rực Với cùng một điện trở , dây dẫn bằng magiê có đường kính lớn hơn dây dẫn đồng 60%

- Sức bền so với sự ăn mòn của dây dẫn bằng magiê kém hơn nhiều so với nhôm , nên ít được sử dụng làm dây dẫn

3.8 Wonfram (W):

3.8.1 Sản Suất và Chế Tạo:

- Wonfram tìm thấy trong thiên nhiên dưới dạng mỏ: wonframit ( FeOMnO)WO3 , quặng Selit (CaOWO3) Thông qua các phản ứng hóa học , các quặng này chuyển thành trioxýt wonfram (WO3), từ đây , người ta lấy wonfram dưới dạng bụi

- Wonfram tinh khiết có tỷ lệ 99,6 ÷ 99,7%, có thể sản suất bằng phương pháp điện phân wonframit hay selit ở 1050÷13000C

3.8.2 Các đặc tính:

- Ở 200C, WONFRAM có các tính chất vật lý sau:

ρ = 5.55Ωcm.10-6

γ = 0,18Ω-1cm-1.106Điểm nóng chảy: 33800C Sức bền đứt khi kéo: 350kg/mm2Trọng lượng riêng D = 19.32kg/dm3

- Wonfram là một kim loại rất cứng, có màu tro chiếu sáng, không thay đội ở nhiệt độ thông thường dù có hơi nước Wonfram bị ôxy hóa ở 7000C, tạo nên oxýt màu trắng

- Wonfram không hòa tan trong Axit mà hòa tan trong Na2CO3 nóng chảy Wonfram có sức bền đứt rât cao và có nhiệt độ nóng chảy cao nhất Sức bền cơ khí và sự kéo dài thay đổi theo nhiệt độ Sức bền đứt của wonfram đda tinh thể dưới dạng dây tóc mảnh thay đổi theo nhiệt độ như sau:

- Ngoài ra , wonfram còn dùng làm cá điện cực catot, điện trở nung nóng và các tiếp điểm điện

3.9.Niken (Ni)

- Niken trong thiên nhiên được tồn tại dưới dạng mỏ:

+ Sulfua đa kim loại: quặng penlandit [(Fe, Ni)2S8] , milerit (NiS)

+ Silicat : Canarit (2NiO3SiO2.H2O) Gacnierit (NiMgSiO3)

+ Sulfua và asenua : Nikelen NiAs, NiAs2

3.9.1.Các đặc tính:

- - Ở 200C, Niken có các tính chất vật lý sau:

ρ = 8,69 - 9,52 Ωcm.10-6

γ = 0,105 - 0,15Ω-1cm-1.106Điểm nóng chảy: 14530C Sức bền đứt khi kéo: 40 - 80kg/mm2Trọng lượng riêng D = 8.9kg/dm3

- Niken có màu trắng xám tro, được bảo vệ trong không khí ẩm, không

bị oxy hóa trong không khí và nước ở nhiệt độ thường Như vậy nó có sức bền đức ở mọi thời tiết, bị oxy hóa ở 5000C và bị hơi dòn

- Trong chân không, bị bay hơi ở 7500C Niken là kim loại bền, dễ dát mỏng ở nhiệt độ cao và nguội

- Niken có tính từ hóa ít hơn sắt, ở 3500C , niken mất tính từ tính 3.9.2 Ưùng dụng:

- Trong kỹ thuật điện chân không: Dưới dạng thanh và dây dẫn có đường kính từ 2 - 0,07mm, dùng làm thanh đỡ của các dây tóc bóng đèn nung sáng

- Chế tạo tiếp điểm điện trong môi trường của Hydro cacbua có điện áp lớn và dòng điện nhỏ Chế tạo điện trở phát nóng đến nhiệt độ 9000C

- Đối với công suất lớn, người ta dùng tiếp điểm bằng hợp kimniken với bạc

3.10 Bạc(Ag):

- Bạc tìn thấy trong thiên nhiên dưới dạng mỏ hay tự nhiên ( cục kim loại có 98 - 100%Ag), hoặc trong các mỏ đồng , chì và kẽm, đồng thời có thể tìm thấy trong nước biển (0,001mg/lit)

- Bạc theo tiêu chuẩn trên thị trường , được cung cấp dưới dạng thỏi (10 - 12Kg) hay viên và đảm bảo độ tinh khiết tối thiểu là 99,95% 3.10.1 Các đặc tính:

- Bạc có màu trắng và chiếu sáng, chiếu sáng này không bị mất đi trong môi trường không khí Không bị oxy hóa ở nhiệt độ thường và cao, bay hơi ở

1400 - 16000C, nhưng trong hydro, nó bay hơi ở 7500C

- Bạc rất dễ vuốt giãn, mềm và dễ uốn cong, dễ rót ,rèn và kéo sợi

- Ở 200C, Bạc có các tính chất vật lý sau:

ρ = 1,6Ωcm.10-6 hay 0,016Ωmm2/m

γ = 0,0625Ω-1cm-1.106 hay 6,25m/Ωmm2 Điểm nóng chảy: 960,80C

Sức bền đứt khi kéo: 29kg/mm2Trọng lượng riêng D = 10,5kg/dm3 3.10.2 Ưùng dụng:

- Làm dây dẫn dùng trong tần số cao làm dây chảy trong cầu chì Hợp kim với mangan hay niken được dùng làm dây dẫn trong các máy đo.v.v Ngoài

ra bạc còn được dùng để mạ lên một số kim loại để tăng cường tính oxy hóa của kim loại

3.11.Vàng (Au) :

- Vàng được tìm thấy trong thiên nhiên có dạng hạt , lá , bột bụi hay dưới dạng mỏ Từ các mỏ vàng , thông qua phương pháp rữa và chưng cất thủy ngân cho ra vàng thô

- Một phương pháp khác để sản xuất vàng từ mỏ vàng là hòa tan vang trong dung dịch xianua kiềm hay đất kiềm, sau đó kết tủa từ dung dịch nhờ sự hổ trợ của kẽm , nhôm hay than củi

- Vàng thô được nấu chảy trở lại và tinh luyện qua điện phân, sẽ thu được vàng tinh khiết 99,88% , bằng phương pháp điện phân lại , ta thu được vàng tinh khiết 99,998%

3.11.1 Các tính chất:

- Vàng có màu vàng đặc trưng, sáng rực và màu sáng này không bị mất trong Axit hay trong không khí Vàng không bị Oxy hóa ở nhiệt độ cao Vàng chỉ hòa tan trong hỗn hợp của Axit clohydric, Axit nitric và trong dung dịch xianua- kali

- Ở 200C, Vàng có các tính chất vật lý sau:

ρ = 2,2Ωcm.10-6

γ = 0,45Ω-1cm-1.106 Điểm nóng chảy: 10630C Sức bền đứt khi kéo: 14kg/mm2Trọng lượng riêng D = 19,29kg/dm3 3.11.2 Ưùng dụng:

- Vàng có điện dẫn suất rất cao và có sức bền với sự ăn mòn nên đôi khi được dùng làm các tiếp điển điện Ngoài ra còn dùng làm dây dân dùng ở các điện trở trong điện kế

3.12 Chì (Pb):

- Chì nhận được từ cá mỏ : Galen (PbS) , Xeruzit (PbCO3) v.v… và thông qua nhiều phương pháp để nhận được chì thô (92 - 96%Pb) Từ chì thô người ta dùng phương pháp điện phân loại bỏ tạp chất cho ra chì tinh khiết (99,5 - 99,994%)

3.12.1 Các đặc tính:

- Chì có màu tro sáng , rất mềm, có sức bền với thời tiết xấu , không bị tác dụng bởi Axit clohydric , sulfuaric , Amoniac , sút v.v….Dễ hòa tan trong Axit Nitric pha loãng hay Axit Axetic pha loãng

- Sự bay hơi của chì rất độc hại

- Chì rất dễ dát mõng , dễ kéo sợi Ở trạng thái lỏng , chì rất dễ chảy nên dùng làm vật liệu hàn rất tốt

- Chì có sức đề kháng dao động kém , đặc biệt là ở nhiệt độ cao vì chì rất mềm và dễ nóng chảy

- Ở 200C, Chì có các tính chất vật lý sau:

ρ = 20,8Ωcm.10-6

γ = 0,048Ω-1cm-1.106 Điểm nóng chảy: 327,30C Sức bền đứt khi kéo: 1,5kg/mm2Trọng lượng riêng D = 11,34kg/dm3 3.12.2 Ưùng dụng:

- Chì và hợp kim chì dùng làm lớp bảo vệ ở cáp điện nhằm chống ẩm ướt Bề dầy lớp chì ở võ cáp phụ thuộc vào đường kính danh nghĩa của cáp và thay đổi từ 0,9 - 2,3mm

- Chì còn được chế tạo Ắc quy , làm dây chảy của cầu chì bảo vệ và làm vật liệu hàn dính kim loại v.v…

3.13 Thiếc (Sn):

- Thiếc có màu trắng bạc, sáng Có sức bền tốt với ảnh hưởng môi trường, bị oxy hóa rất chậm và chỉ xảy ra khi đặt trong môi trường không khí tự nhiên, khi đó nó tạo thành màng oxyt rất mỏng, nhằm gảo vệ bị oxy hóa tiếp tục nữa

- Sau chì, thiếc là kim loại rất mềm, rất dễ dát mỏng và uốn dẻo Thép không bị tác dụng bởi axit và kiềm Ở 2000C thiếc rất dòn, có thể đập thành bụi Thiếc có hai trạng thái:

+ Thiếc màu trắng: Ổn định ở nhiệt độ lớn hơn 13,20C

+ Thiếc màu tro xám: ồn định dưới 13,20C

- Điện trở suất của thiếc rất bé ở nhiệt độ thấp, nhưng ở -269,370C thì trở thành kim loại siêu dẫn

- Ở 200C, Thiếc có các tính chất vật lý sau:

ρ = 11,4Ωcm.10-6

γ = 0,087Ω-1cm-1.106 Điểm nóng chảy: 231,90C Sức bền đứt khi kéo: 2,75kg/mm2Trọng lượng riêng D = 7,3kg/dm3 Ưùng dụng:

- thiếc được dùng chế tạo đồng thanh, hợp kim dùng để dính chặt, dùng tẩm thiếc dây dẫn đồng được bọc cao su, làm dây chảy cầu chì 3.14 Thủy ngân:

3.14.1 Sản xuất và chế tạo:

- Thủy ngân được tìm thấy trong thiên nhiên ở trạng thái tự nhiên hoặc trong các mỏ bạc, vàng Quá trình sản xuất được thực hiện bằng cách nung nóng trong các lò đặc biệt, sau đó được lọc tạp chất qua tấm dạ rồi khử bằng xăng, cồn, hoặc nước chưng cất Sau đó được chưng cất ở 1800C-2000C sau đo đem sấy khô

3.14.2Hằng số vật lý và hoá học của thủy ngân:

- Ở 200C, Thủy Ngân có các tính chất vật lý sau:

ρ = 95.8 Ωcm.10-6

γ = 0,010438Ω-1cm-1.106Điểm nóng chảy: -38.870C Trọng lượng riêng D = 13.546kg/dm3 3.14.3 Đặc tính:

- Thuỷ ngân là kim loại duy nhất lỏng ở nhiệt độ bình thường Khi tinh khiết Thuỷ ngân có màu trắng bạc, chiếu sáng Ở điểm nóng chảy Thuỷ ngân đông rắn lại, tạo nên một khối tinh thể dễ dát mỏng và dễ kéo dãn Thuỷ ngân rất bền trong không khí khô nhưng ở nhiệt độ thường chúng dễ bay hơi, hơi của nó rất độc hại Thủy ngân hoà tan được với nhiều kim loại, nếu kim loại nào hoà tan được dù rắn hay lỏng đều gọi là hỗn hống Thủy ngân không hoà tan với sắt hay vônfram nhưng tan trong axit sulfuric loãng hoặc axit sulfuric đậm đặc nóng

3.14.4 Ứng dụng:

- Thuỷ ngân dùng chế tạo đèn chính lưu thuỷ ngân, hoặc được trồn với hổn hợp khí khác để chế tạo đèn cao áp, đèn chiếu sáng có đủ màu sắc, máy photocopy dùng chế tạo các đèn đặc biệt trong ngành y tế để sinh ra các tia cực tím, làm máy cắt điện trong chân không, các tiếp điểm kỹ thuật trong phòng thí nghiệm, hoặc trong các khí cụ điện…

4.2 Dây dẫn và thanh góp bằng lưỡng kim – thép – đồng

- Quan hệ giưã điện trở và dòng điện xoay chiều với tần số f = 5000Hz và điện trở ở dòng điện một chiều đối với dây dẫn đồng có đường kính 5mm là:

9 3 R

R me

xe

=

- Dòng điện chạy qua lớp mặt ngoài có chiều dày 0.5 – 0.6mm, còn trung tâm của tiết diện trở thành mất tác dụng việc dẫn điện Kết quả cho thấy: lõi của dây dẫn có thể được làm bằng thép, như vậy sẽ tiết kiệm được đồng mà vẫn không ảnh hưởng đến điện trở của dòng điện xoay chiều, đồng thời làm tăng sức bền cơ khí của dây dẫn, và lớp đồng ở bên ngoài, cũng là lớp bảo vệ rất tốt đối với sự ăn mòn

- Việc bọc lõi thép của dây dẫn thép có thể thực hiện theo:

+ Phương pháp dát mỏng khi nóng

+ Phương pháp điện phân

1 Phương pháp bọc khi nóng:

- Thanh thép được làm sạch bằng cách thổi cát, cho vào khuôn, xung quanh được rót đồng nóng chảy từ 1200 – 12800C vào không gian giữa lõi và bờ tường của khuôn, để nguội rối kéo thành sợi theo các kích cở mong muốn

2 Phương pháp bọc theo cách điện phân ( mạ kẽm nhún nóng):

- Đồng sẽ bám vào dây thép trong bể ganvanic sulfat đồng, đảm bảo có một lớp bọc đồng nhất, song không cho một sự dính chặt hoàn toàn Phương pháp này tốn nhiều điện năng

Sức bền đứt khi kéo σ của dây dẫn lưỡng kim cần phải đãm bảo từ 55 – 70Kg/mm2 đối với toàn bộ tiết diện, còn sự kéo dài khoảng 2% Đối với dây dẫn trong thông tin liên lạc bằng thép mạ kẽm theo tiêu chuẩn của một số nước là σ = 40kG/mm2 và δ = 10% Dây dẫn bằng lưỡng kim có tính chất cơ và điện nằm ở khoảng giữa của dây đồng và dây thép có cùng tiết diện

4.3Dây dẫn lưỡng kim đồng – nhôm:

- Tổ hợp lưỡng kim đồng nhôm được chế tạo đặc biệt dưới dạng các tấm có một hoặc cả hai mặt có độ phản chiếu dùng trong các lò sưởi hoặc chi tiết dùng để nối…

- Vật liệu lưỡng kim này có thể dùng để chế tạo các chi tiết trong thiết

bị thu và phát thanh như làm cuộn dây ăng ten, bộ cảm biến…

4.4 Nhiệt lưỡng kim:

- Nhiệt lưỡng kim là sự ghép nối từ 2 dải băng hẹp có cùng chiều dày bằng những kim loại hay hợp kim có hệ số giãn nở theo chiều dài rất khác nhau Chúng được chế tạo bằng phương pháp dát mỏng khi nóng, tỉ lệ trọng lượng giữa các lớp là: 1:1

- Khi nung nóng lưỡng kim loại sẽ cong và do đó sẽ tác động lên các chi tiết để mở relay nhiệt, hay những thiết bị tự động… Việc uốn cong của tấm lưỡng kim khi nung nóng sẽ phụ thuộc vào bề dày của thanh và độc lập với bề rộng của thanh Để tránh ứng suất cục bộ thì thanh lưỡng kim phải được sử lý nhiệt trước

CHƯƠNG 5

VẬT LIỆU DÙNG LÀM ĐIỆN TRỞ

5.1 Khái quát và phân loại:

- Vật liệu được dùng để chế tạo các điện trở phải cóđiện trở suất lớn, và hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ phải nhỏ để đãm bảo sự ổn định của điện trở đối với sự biến đổi của nhiệt độ

Tuỳ theo mục đích sử dụng, người ta phân loại:

- Vật liệu dùng làm điện trở chính xác, được sử dụng ở những dụng cụ đo lường điện và điện trở chuẩn

- Vật liệu dùng làm bộ biến trở khởi động

- Vật liệu được sử dụng ở những khí cụ điện sưởi nóng và nung nóng

- Các vật liệu này yêu cầu phải có một sức nhiệt điện động nhỏ so với những vật liệu khác và đặc tính không được thay đổi theo thời gian để nó không taọ nên những sai số trong các phương pháp đo

- Cần phải có sức bền khi rung, sức bền đối với sự ăn mòn trong quá trình nung nóng và phải có giá thành hạ

- Cần phải có sức bền đối với thời gian kéo dài ở nhiệt độ cao 9 không được nóng chảy và không được ôxy hoá) Chúng phải gia công đựơc dễ dàng, phải có sức bền theo quan điểm cơ học ở nhiệt độ làm việc và không được rút ngắn chiều dài

- Theo bản chất của vật liệu, người ta phân biệt:

• Kim loại tinh khiết hay ít hợp kim dùng làm điện trở

• Hợp kim dùng làm điện trở

5.2 Những kim loại tinh khiết được dùng làm điện trở:

- Những kim loại tinh khiết hay ít hợp kim có giới hạn trong việc sủ dụng và dùng ở kết cấu điện trở Vì chúng có điện trở suất nhỏ hơn và hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ hơn hợp kim của chúng và bị ăn mòn ở nhiệt độ cao

- Lĩnh vực và điều kiện sử dụng làm điệ trở đối với kim loại tinh khiết được trình bày ở bảng sau:

Kim Loại Lĩnh vực và điếu kiện sử dụng

Nhôm Dây dẫn bị oxýt hóa ở bề mặt, trong dụng cụ nung nóng gia đình ở

nhiệt độ 5500C

Sắt Dây dẫn mạ kẽm hay tráng thiếc có đường kính từ 0,5÷4mm, dùng ở

biến trở khởi động, uốn thành các vòng và nung nóng đến 300÷5000C

Gang Điện trở cho biến trở với nhiệt độ dưới 4000C để không tạo nên xỉ Niken Quấn thành các vòng dùng cho lò điện đến 9000c

Wonfram Quấn thành vòng dùng cho lò chân không, Hydro bay hơi cồn đến

18000C

Molipden Quấn thành vòng dùng cho lò chân không, Hydro bay hơi cồn đến

14000C

Platin Quấn thành vòng và băng dùng cho lò chân không khi đến 13500C

5.3 Hợp kim dùng làm điện trở:

- Hợp kim dùng làm điện trở phải là những hợp kim khó nóng chảy, điện trở suất lớn và hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ rất bé

1 Hợp Kim Dùng Làm Điện Trở Chính Xác Và Dùng làm Bộ Biến Trở:

a Phân Loại : Nười ta phân các loại sau :

_ Hợp kim loại manganin

_ Hợp kim loại constantan vá niken

_ Hợp kim cơ sở kim loại quý

_ Hợp kim đồng - kẽm và đồng - niken - kẽm

b Hợp Kim Loại Mangan : ( 86% Cu , 2% Mn ) có màu cà phê - đỏ nhạt ; người ta kéo thành băng và dây mảnh rất dễ

- Người ta sử dụng để chế tạo các điện trở chính xác , vì nó không làm sai lệch kết qủa đo lường ở những dòng điện khác nhau và ở nhiệt độ của môi trường xung quanh khác nhau

- Những điện trở mẫu , cần đảm bảo tính bất biến của những giá trị điện trở ở thời gian làm việc lâu dài và không được vượt quá nhiệt độ làm việc 60°

C ; còn đối với biến trở thì khoảng 3000° C

c Hợp Kim Loại Constantan Và Nikelin

α

α Constantan : chưá 60% Cu và 40% Ni

- Có thể kéo thành sợ mảnh đến đường kính 0,02 mm và thành dải băng có chiều dày 0,02 mm Dễ hàn và dính chặt ; hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ rất bé và không được dùng ở nhiệt độ quá 4500C, vì sẽ bị xýt hóa

β Nikelin : chứa 25 – 35% Ni, 2 ÷ 3% Mn, 67% Cu nên rẻ tiền hơn constantan Có điện trở suất nhỏ hơn và hệ số biến đổi cuả điện trở suất đối với nhiệt độ lớn hơn constantan Dùng làm biến trở khởi động và điều chỉnh

d Hợp Kim Trên Cơ Sở Kim Loại Quý :

- Đó là các hợp kim có vàng với crôm( 20%) , bạc với mangan và thiếc , bạc với niken

- Có điện trở suất lớn và hệ số biến đổi của điện trở suất đối với nhiệt độ bé tùy thuộc vào việc xử lý già hóa

- Người ta sử dụng hợp kim này để làm điện trở chính xác

Sau khi xử lý già hóa đến 270°C, điện trở suất trở nên 0,46 Ω mm2/hệsốbiến đổi điện trở suất đối với nhiệt độ rất bé (α ≈ 0)

e Hợp Kim Đồng Niken- Kẽm:

- Được sử dụng trong các dụng cụ đo lường thông dụng và làm bộ biến trở đối với dòng điện lớn

- Điện trở suất của những hợp kim này khoảng 0,3- 0,4 Ω mm2/m còn hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ α = 0,00027 ÷ 0,000361/ độ

5.4.Hợp kim dùng làm điện trở sưởi nóng và nung nóng:

1 Phân Loại:

- Những dây có sức bền tốt ở nhiệt độ cao được chế tạo từ : + Hợp kim trên cơ sở niken và crôm (nicrom , crômniken) hay niken - sắt crôm (feronicrom)

+ Hợp kim crom -silic -sắt + Dựa trên cơ sở cácbua-silic

2 Hợp Kim Trên Cơ Sở Niken Và Crôm :

-Hợp kim này có sức bền tốt ở nhiệt độ cao, điện trở suất lớn và hệ số biến

đổi của điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ Có thể sử dụng với nhiệt độ 1000°C

3 Hợp Kim Trên Cơ Sở :Niken-Sắt Và Crôm :

Hợp kim feronicrom chứa 60 - 70% Ni, 15 - 20% Cr , 15 - 25%Fe Hay chứa

60 - 70% Ni, 15 - 20% Cr , 12 - 15%Fe và 5 - 8%Mo

Điện trở suất của nó khoảng 1Ω mm2/m, và thay đổi tùy theo tỉ lệ các thành phần chứa trong nó Nó có sức bền đối với sự Oâxy hoá

- D = 8,1 - 8,2 (kg/dm3)

- σ = 70kg/mm2( Ở 200C)

- σ = 6,5kg/mm2( Ở 10000C)

CHƯƠNG 6 VẬT LIỆU DÙNG LÀM TIẾP ĐIỂM ĐIỆN

6.1 KHÁI QUÁT

Vật liệu dùng làm tiếp điểm điện cần phải thỏa mãn các điều kiện sau :

- Có sức bền cơ khí và độ rắn tốt

- Có điện dẫn suất và dẫn nhiệt tốt để không nung nóng quá nhiệt độ cho phép khi những tiếp điểm này có dòng điện định mức đi qua lâu dài

- Có sức bền đối với sự ăn mòn do tác nhân bên ngoài

- Có nhiệt độ nóng chảy và hoá hơi cao

- Oxit của có phải có điện dẫn suất lớn

- Có thể gia công dễ dàng

- Giá thành hạ

Bê cạnh những điểm nêu trên nó còn phải thỏa mãn những điều kiện khác nữa tùy thuộc vào dạng tiếp điểm

• Đối với tiếp điểm cố định :

+ Phải có sức bền khi nén để có thể chịu áp suất ép lớn

+ Phải có điện trở ổn định trong thời gian làm việc lâu dài

• Đối với tiếp điểm di động : Chúng làm việc theo cách ấn ( đóng , mở những những máy cắt điện , các contactor , rơ le …)

+ Phải có sức bền đối với sự ăn mòn , do tác động cơ khí hoặc va chạm khi đóng và mở

+ Phải có độ bền đối với sự tác động của hồ quang điện

+ Không bị hàn chặt

• Đối với các tiếp điểm trượt (dao cắt , vòng cổ góp , cổ góp máy điện vv…) phải có sức bền đối với sự mài mòn cơ khí do ma sát

6.2 SỨC BỀN CỦA CÁC TIẾP ĐIỂM VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG Sức bền của các tiếp điểm diện bị ảnh hưởng bởi :

1/ Bản chất bề mặt

Ứng suất nghiền đập σ của vật liện có ảnh hưởng đến điện trở suất của vật liệu : vật liệu càng mềm thì sự biến dạng của vật liệu càng dể dàng , vì vậy số lượng điểm tiếp xúc do vậy tổng diện tích tiếp xúc tăng lên do vậy điện trở suất giảm xuống

360

37200

1060

9000

Trong một số trường hợp , các tiếp điểm điện được làm bằng các vật liệu cứng hơn nhưng được bọc bằng vật liệu mềm hơn

Bản chất của vật liệu ảnh hưởng đến điện trở tiếp điểm

Bản chất vật liệu ở những điều kiện làm việc khác nhau ảnh hưởng đến sự ăn mòn của các tiếp điểm vì vậy điện trở sẽ tăng lên

Khi bị ngắn mạch , phụ tải thay đổi có thể sinh ra ứng lự rất lớn , có thể dẫn đến quá giới hạn đàn hồi

Sự ăn mòn thể hiện khá rỏ ở những tiếp điện ngắt điện , vì nó tạo nên tia lửa , hồ quang điện

Để tránh sự ăn mòn người ta bảo vệ các tiếp điển bằng cách mạ điện , phủ lên nó một số kim loại , hợp kim mà có sức chịu ăn mòn cao, hoặc cho chúng làm việc trong những môi trường khí trơ

2/ Lực ấn : là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến điện trở tiếp điểm , nhưng nó có khuyết điểm là làm cho ứng suất bề mặt tiếp điểm tăng

3/ Nhiệt độ tiếp điểm : Tùy theo các giá trị nhiệt độ đối với từng vật liệu , khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất tăng nhưng vật liệu mềm hơn và điện trở suất sẽ giảm (hai vấn đề này phụ thuộc vào từng vật liệu và các mức nhiệt độ

4/ Trạng thái bề mặt trong lúc tiếp xúc: Phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc và ảnh hưởng của các yếu tố vật chất có trên bề mặt vật liệu

6.3 VẬT LIỆU DÙNG LÀM TIẾP ĐIỂM

- Đồng : Thường dùng với những điện áp nhỏ , điều kiện làm việc bình thường , thường người ta mạ Niken , hoặc bọc bạc

- Nhôm : Thường dùng trong trường hợp có dòng ngắn mạch lớn

- Thép : Dùng trong trường hợp có dòng bé và điện áp lớn

6.4 VẬT LIỆU TỔNG HỢP DÙNG LÀM NHỮNG TIẾP ĐIỂM CÓ CÔNG SUẤT LỚN

Dùng cho những tiếp điểm có công suất lớn , sử dụng những vật liệu kim loại gốm tạo nên từ những hỗn hợp kim loại khó nóng chảy với kim loại dẫn điện tốt, một kim loại có điện dẫn suất lớn và kim loại kia có sức bền cơ khí lớn Tạo nên những vật liệu tổng hợp có tính cơ học rắn chắc với điện dẫn suất lớn và độ ỗn định nhiệt cao

Những hỗn hợp kim loại hay dùng như : Bạc - Wonfram , Bạc - molipđen , Bạc

- niken , Đồng - Wonfram , Đồng - molipđen

Các vật liệu tổng hợp trên được gia công từ các phương pháp kim loại gốm sau :

- Sự kết hạch hỗn hợp của các bụi kim loại

- Sự thấm tẩm thành phần khó nóng chảy (B) với thành phần chảy lỏng (A)

6.5 VẬT LIỆU DÙNG LÀM CÁC TIẾP ĐIỂM TRƯỢT

Yêu cầu có sức bền cơ khí cao , có sức chống lại sự mài mòn lớn

Dùng trong : Cổ góp máy điện , dao cách ly (Cu) Các hợp kim của đồng nhôm vv…

Chương7 Vật Liệu Bán Dẫn

7.1 Chất bán dẫn

Chất bán dẫn là chất trung gian giữa vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện Trong kỹ thuật điện người ta hay dùng các nguyên tố thuộc nhóm IV của bảng hệ thống tuần hoàn (C, Si , Ti , Ge , Sn …) Và chỉ sử dụng những chất bán dẫn có tính chất dẫn điện tử Hiện nay chất bán dẫn được sử dụng nhiều nhất là Si ( chiếm 28% trng vỏ quả đất )

Các chất bán dẫn điển hình như Gecmanium(Ge),Silicium(Si)… có cấu tạo từ những tinh thể có hình dạng xác định.Xung quanh mỗi nguyên tử bán dẫn luôn có 4 nguyên tử khác kế cận, liên kết chặt chẽ với nguyên tử đó.Mỗi nguyên tử này đều có 4 điện tử hoá trị ở lớp vỏ ngoài cùng.Do khoảng cách giữa các nguyên tử rất gần, các điện tử này chịu ảnh hưởng của các nguyên tử xung quanh.Vì vậy điện tử hoá trị của hai nguyên tử cạnh nhau cùng có những quỹ đạo chung.Quỹ đạo chung đó ràng buộc nguyên tử này với nguyên tử khác, tạo nên mối liên kết hoá trị (còn gọi là liên kết đôi điện tử)

Do liên kết với 4 nguyên tử xung quanh, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử Si như được bổ sung thêm 4 điện tử, nghĩa là đủ số điện tử tối đa của

lớp vỏ (8 điện tử) và do đó, lớp này trở thành bền vững ( ít có khả năng nhận thêm hoặc mất bớt điện tử).Trong trạng thái như vậy, chất bán dẫn không có điện tích tự do và không dẫn điện

Tình trạng trên xảy ra trong một bán dẫn thuần khiết (không lẫn tạp chất) có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh và ở nhiệt độ rất thấp (T=00K).Khi chất bán dẫn ở nhiệt độ cao hơn (hoặc đang cung cấp năng lượng dưới các dạng khác: chiếu ánh sáng, bị bắn phá bởi chùm tia…), một số nguyên tử hoá trị nhận thêm năng lượng sẽ thoát khỏi mối liên kết với các nguyên tử, trở thành tự do,mang điện âm và sẵn sàng chuyển động theo hướng khi có tác dụng của điện trường.Ta gọi đó là điện tích tự do.Khi một điện tử tự do xuất hiện, tại mối liên kết mà điện tử vừa thoát ra sẽ thiếu một điện tích âm, nghĩa là dư ra một điện tích dương, ta gọi đó là một lỗ trống

Như vậy, trong chất bán dẫn thuần khiết có hai loại điện tích tự do cùng xuất hiện khi được cung cấp năng lượng: điện tử và lỗ trống.Mật độ lỗ trống và điện tử bằng nhau

Điện tử và lỗ trống là hai loại hạt mang điện, khi chuyển động có hướng sẽ tạo nên dòng điện, vì vậy thường được gọi chung là hạt dẫn

7.2 Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P

7.2.1 Bán dẫn loại N

Chất bán dẫn thuần khiết (Si hoặc Ge) nếu pha thêm tạp chất thuộc nhóm 5 (ví dụ Asenic đối với Ge hoặc Phosphore đối với Si) với hàm lượng thích hợp sao cho các nguyên tử tạp chất này chiếm chỗ một trong những nút của mạng tinh thể thì cơ chế dẫn điện sẽ thay đổi.Khác với chất cơ bản (ví dụ Si), nguyên tử tạp chất (ví dụ phosphore) vỏ ngoài cùng có 5 điện tử, trong đó

4 điện tử tham gia liên kết hoá trị với các nguyên tử lân cận (tương tự như liện kết trong mạng Si thuần khiết).Điện tử thứ 5 liên kết yếu hơn với hạt nhân và các nguyên tử xung quanh, cho nên chỉ cần được cung cấp một năng lượng nhỏ (nhiệt độ, ánh sáng…) điện tử này sẽ thoát khỏi sự ràng buộc, trở thành điện tử tự do.Nguyên tử tạp chất đó bị ion hoá và trở thành ion dương.Nếu có điện trường đặt vào, các hạt dẫn tự do nói trên sẽ chuyển động có hướng, tạo nên dòng điện

Như vậy ở bán dẫn loại N, mật độ lỗ trống ít hơn một độ điện tử tự do

7.2.2 Bán dẫn loại P

Chất bán dẫn loại thuần khiết (Si hoặc Ge) nếu pha thêm tạp chất thuộc nhóm 3 của bảng tuần hoàn (ví dụ Bore đối với Si, hoặc Indium đối với Ge), do lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử tạp chất chỉ có 3 điện tử, khi tham gia vào mạng tinh thể của chất cơ bản chỉ tạo nên 3 mối liên kết hoàn chỉnh, còn mối liên kết thứ 4 bị bỏ hở.Chỉ cần một kích thích nhỏ( nhờ nhiệt độ, ánh sáng…) là một trong những điện tử của các mối liên kết hoàn chỉnh bên cạnh sẽ đến thế vào liên kết bỏ hở nói trên.Nguyên tử tạp chất lúc đó trở thành một ion âm Tại mối liên kết mà điện tử vừa tách ra sẽ dư một điện tích dương, nghĩa là xuất hiện một lỗ trống.Nếu có điện trường đặt vào, các lỗ trống sẽ tham gia dẫn điện

Như vậy, đối với bán dẫn loại P, mật độ lỗ trống nhiều hơn mật độ điện tích

7.3 Các chất bán dẫn chính dùng trong kỹ thuật điện

7.3.1 CACBON (than )

a/ Phân loại

Các bon được trình bày ở 3 dạng : Kim cương (diamant), graphit, cacbon vô định hình(carbone amorphe)

b/ Hằng số vật lý và hoá học

Khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất giảm

Tính chất Đơn vị

đo lường bằng cacbon Điện cực

vô định hình

Điện cực bằng graphit Các điện cực dương để gia

công Al Trọng lượng riêng

Sức bền khi nén

Sức bền khi uốn cong

Sức bền khi kéo

Điện trở suất

Mật độ dòng điện cho phép

ở 100 0 C

Hàm lượng tro

Hệ số giản nở dài(20 -

1000 0 C)

% 1/ 0 C (4,3 - 5,5) 3,5 - 6

x10 -6

< 1 (3,5 - 5,5)10 -6 < 1

-

Tính chất của điện cực bằng cacbon c/ Ứng dụng

Chế tạo :

- Điện cực cacbon

- Chổi than

- Tiếp điểm điện bằng cácbon

- Dây tóc bằng cacbon ở các đèn chiếu sáng

- Điện trở bằng cacbon cho các bộ phận đốt nóng

- Điện trở bằng cacbua-silic

d/ Điện cực bằng cacbon

- Điện cực từ cacbon vô định hình

- Điện cực graphit với khối lượng được kết tụ khi nguội

- Điện cực điện - graphit

- Điện cực kim loại cácbon

- Điện cực bằng cácbon để hàn hồ quang điện

- Điện cực đối với các đèn hồ quang và đối với các d0èn chiếu sáng

- Nhũng điện cực dành cho các phần tử ganvanic

- Những điện cực bằng graphit đối với các chỉnh lưu thủy ngân

e/ Những tiếp điểm bằng cácbon

Cacbon có tính dẻo tốt, có sức bền cơ khí cao , dẫn nhiệt và dẫn điện tốt

Không nóng chảy và hàn dính, không bị tạo nên các lổ trống trên bề mặt khi có tia lửa hay hồ quang điện

Có thể trượt trên bề mặt , có thể dùng làm các chổi than

Các tính chất của cacbon dùng trong máy điện

Tốc độ

ở ngoại

vi cổ góp m/s

Aùp suất max trên cổ góp Kg/cm2

Điện trở suất Ωmm2/m

Hệ số

ma sát

Lĩnh vực ứng dụng

180

15 - 45 0,1

0,2

Động cơ đường sắt, động cơ có vòng thép

ở điện xoay chiều

Graphit Cứng

Mềm

8 - 12 25 - 50 120 - 160

100 - 160 và max

180

15 - 30 0,1 Máy điện

cở trung bình và lớn Điều kiện làm việc nặng nề Kim loại

7.3.2 GIÉC MANI

Hằng số vật lý của Giec mani được cho ở bảng

Trong lượng riêng ở 200C

Điện trở suất ở 300C

Điện dẫn suất ở 300C

Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ

Nhiệt độ nóng chảy bình thường

Kg/dm3Ω.Cm

Ω-1.Cm-11/0C

0C

5,36 0,01178

85 0,0014 958,5