VẬT DẪN ĐIỆN VÀ CÁCH ĐIỆN
Trong kỹ thuật người ta chia vật liệu thành 2 loại chính:
Vật cho phép dòng điện đi qua gọi là vật dẫn điện
Vật không cho phép dòng điện đi qua gọi là vật cách điện
2.1.1 Vật dẫn điện và cách điện
Vật dẫn điện là chất có khả năng dẫn điện trong trạng thái bình thường, nhờ vào sự hiện diện của các điện tích tự do Những điện tích này cho phép vật dẫn điện tạo thành dòng điện khi có sự chênh lệch điện thế.
Các đặc tính của vật liệu dẫn điện: Điện trở suất
Ví dụ: sắp xếp theo sự dẫn điện giảm dần: Đồng đỏ hay đồng kỹ thuật – Thau- Nhôm – Bạc – Niken- Thiếc- Chì – Sắt- Maganin – Contantan – hợp chất Niken crom …
Các đặc tính của vật cách điện Độ bền về điện
Ví dụ: sắp xếp theo sự cách điện giảm dần: Mica – Sứ- Thủy tinh- Gốm- Bakêlit- Êbonit – Pretspan
Điện trở cách điện của linh kiện và mạch điện tử là khả năng chịu đựng điện áp tối đa mà không gây ra hiện tượng đánh thủng Điều này đảm bảo an toàn cho các linh kiện và mạch khi hoạt động dưới điều kiện điện áp cao.
Các linh kiện có giá trị ghi trên thân linh kiện kèm theo các đại lượng đặc trưng
Vớ dụ: Tụ điện được ghi trờn thõn như sau: 47à/25v Cú nghĩa là giỏ trị là 47 àà điện áp lớn nhất có thể chịu đựng được không quá 25v
Các linh kiện không có giá trị điện áp ghi trên thân thường được sử dụng cho cả dòng điện một chiều (DC) và xoay chiều (AC) Do đó, điện áp đánh thủng liên quan đến dòng điện và thường được thể hiện bằng công suất.
Điện trở có ghi 100 Ω/2W nghĩa là giá trị điện trở là 100 Ω và công suất tối đa mà nó có thể chịu đựng là 2W Tỷ số giữa điện áp (U) và dòng điện (I) qua điện trở được thể hiện bằng công thức U/I Khi điện áp U tăng, dòng điện I sẽ giảm và ngược lại.
Các linh kiện bán dẫn có nhiều thông số kỹ thuật và kích thước nhỏ, do đó thông số thường được ghi trong bảng tra cứu thay vì trên thân sản phẩm Để xác định điện trở cách điện, cần tra bảng Điện trở cách điện của mạch điện là điện áp lớn nhất cho phép giữa hai mạch dẫn gần nhau mà không xảy ra hiện tượng phóng điện hoặc dẫn điện.
CÁC HẠT MANG ĐIỆN VÀ DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG
2.2.1 Dòng điện trong kim loại
Kim loại ở thể rắn có cấu trúc mạng tinh thể bền vững, trong đó các nguyên tử kim loại liên kết chắc chắn, chỉ có các electron ở trạng thái tự do Khi có điện từ trường bên ngoài tác động, các electron này sẽ di chuyển dưới ảnh hưởng của lực điện trường, tạo thành dòng điện Tính chất điện của kim loại có thể được giải thích nhờ sự hiện diện của các electron tự do trong cấu trúc của chúng.
Như vậy: Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các êlectron (e - ) dưới tác dụng của điện trường ngoài
Trong quá trình chuyển động, các êlectron tự do va chạm với các ion dao động tại các nút mạng, truyền một phần động năng cho chúng Những va chạm này gây ra điện trở trong dây dẫn kim loại và tạo ra tác dụng nhiệt Đặc biệt, điện trở suất của kim loại có xu hướng tăng lên khi nhiệt độ tăng.
Trong kỹ thuật điện, chiều của dòng điện được qui ước là chiều chuyển động của các hạt mang điện dương Do đó, dòng điện trong kim loại thực tế lại chuyển động ngược với chiều qui ước này.
Sơ đồ mô tả hoạt động được trình bày như hình 1.1
Hình 1.1: Dòng điện trong kim loại
Hiện tượng siêu dẫn xảy ra khi nhiệt độ giảm xuống dưới một mức nhất định, được gọi là Tc, khiến cho điện trở của kim loại hoặc hợp kim giảm đột ngột đến giá trị bằng không.
2.2.2 Dòng điện trong chất lỏng, chất điện phân
Dòng điện trong chất điện phân là sự di chuyển có hướng của các ion, với ion dương di chuyển về catôt và ion âm di chuyển về anôt Các ion này hình thành từ sự phân li của các phân tử chất tan trong dung môi.
Khi ion đến các điện cực, chúng sẽ trao đổi electron và có thể bị giải phóng hoặc tham gia vào các phản ứng phụ Một trong những phản ứng phụ đó là phản ứng cực dương tan, xảy ra trong các bình điện phân khi anôt là kim loại và cầu muối có mặt trong dung dịch điện phân Định luật Fa-ra-đây về điện phân mô tả quá trình này.
Khối lượng M của chất được giải phóng ra ở các điện cực tỉ lệ với đương lượng gam n
A của chất đó và với điện lượng q đi qua dung dịch điện phân
Biểu thức của định luật Fa-ra-đây n It
Ví dụ: Hai cốc thủy tinh, một cốc chứa 50 ml dung dịch CuSO4 1M, cốc kia chứa
Để thực hiện thí nghiệm, chuẩn bị 50 ml dung dịch ZnSO4 1M Nhúng một lá đồng (Cu) vào dung dịch CuSO4 và một lá kẽm (Zn) vào dung dịch ZnSO4 Kết nối hai dung dịch này bằng một ống hình chữ U chứa dung dịch.
Na2SO4 hoặc KNO3 được sử dụng trong ống cầu muối Thiết bị này được gọi là pin điện hóa, khi hai lá kim loại được kết nối bằng dây dẫn, dòng điện sẽ chảy từ lá đồng (điện cực dương) đến lá kẽm (điện cực âm).
Khi không có điện trường, các ion trong dung dịch chuyển động một cách hỗn loạn, được gọi là chuyển động nhiệt tự do Tuy nhiên, khi có một điện trường một chiều, như khi cho hai lá đồng (Cu) và kẽm (Zn) vào bình điện phân, các ion sẽ chịu tác động của lực điện và chuyển động theo hướng nhất định, tạo thành dòng điện trong chất điện phân Sơ đồ mô tả hoạt động này được thể hiện trong hình 1.2.
Hình 1.2: Dòng điện trong chất điện phân
Như vậy: Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương và âm dưới tác dụng của điện trường ngoài
2.2.3 Dòng điện trong chân không
Dòng điện trong chân không là sự di chuyển có hướng của các êlectron được phát ra từ catôt nung nóng dưới tác động của điện trường Đặc điểm nổi bật của dòng điện này là nó chỉ di chuyển theo một chiều nhất định, từ anôt sang catôt.
2.2.4 Dòng điện trong bán dẫn
Dòng điện trong bán dẫn tinh khiết là dòng dịch chuyển có hướng của các êlectron tự do (e - ) và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường ngoài
Bán dẫn được phân loại thành hai loại chính: bán dẫn loại n và bán dẫn loại p, tùy thuộc vào loại tạp chất được pha vào bán dẫn tinh khiết Trong bán dẫn loại n, dòng điện chủ yếu do êlectron mang lại, trong khi ở bán dẫn loại p, dòng điện chủ yếu do các lỗ trống tạo ra.
Lớp tiếp xúc giữa hai loại bán dẫn p và n (lớp tiếp xúc p – n) có tính dẫn điện chủ yếu theo một chiều nhất định từ p sang n
Chất bán dẫn loại P là loại chất bán dẫn trong đó dòng điện chủ yếu được dẫn truyền qua các lỗ trống Các lỗ trống này hình thành do việc pha trộn với các nguyên tố có ba electron ở lớp ngoài cùng, dẫn đến sự thiếu hụt electron trong các liên kết hóa trị, tạo ra lỗ trống trong cấu trúc tinh thể.
Chất bán dẫn loại N là loại chất bán dẫn mà dòng điện chủ yếu được dẫn bởi các electron (e-) Điều này xảy ra nhờ vào việc thêm các tạp chất có 5 electron ở lớp ngoài cùng, tạo ra sự thừa electron trong các liên kết hóa trị trong cấu trúc tinh thể Kết quả là, chất bán dẫn loại N cho phép dòng điện đi qua chủ yếu là các electron.
I Dòng điện trong kim loại
1 Khi nhiệt độ của dây kim loại tăng, điện trở của nó sẽ
D Ban đầu tăng lên theo nhiệt độ nhưng sau đó lại giảm dần
2 Nguyên nhân gây ra hiện tượng toả nhiệt trong dây dẫn khi có dòng điện chạy qua là:
A Do năng lượng của chuyển động có hướng của electron truyền cho ion(+) khi va chạm
B Do năng lượng dao động của ion (+) truyền cho eclectron khi va chạm
C Do năng lượng của chuyển động có hướng của electron truyền cho ion (-) khi va chạm
D Do năng lượng của chuyển động có hướng của electron, ion (-) truyền cho ion (+) khi va chạm
3 Nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại là:
A Do sự va chạm của các electron với các ion (+) ở các nút mạng
B Do sự va chạm của các ion (+) ở các nút mạng với nhau
C Do sự va chạm của các electron với nhau
4 Khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất của thanh kim loại cũng tăng do:
A Chuyển động vì nhiệt của các electron tăng lên
B Chuyển động định hướng của các electron tăng lên
C Biên độ dao động của các ion quanh nút mạng tăng lên
D Biên độ dao động của các ion quanh nút mạng giảm đi
5 Một sợi dây đồng có điện trở 74 ở 50 0 C, có điện trở suất ỏ = 4,1.10 -3 K -1 Điện trở của sợi dây đó ở 100 0 C là:
6 Phát biểu nào sau đây là không đúng?
A Hạt tải điện trong kim loại là electron
B Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm nếu nhiệt độ trong kim loại được giữ không đổi
C Hạt tải điện trong kim loại là iôn dương và iôn âm
D Dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại gây ra tác dụng nhiệt
7 Một sợi dây bằng nhôm có điện trở 120 ở nhiệt độ 20 0 C, điện trở của sợi dây đó ở 179 0 C là 204 Điện trở suất của nhôm là:
8 Phát biểu nào sau đây là đúng?
Khi cho hai thanh kim loại có bản chất khác nhau tiếp xúc với nhau thì:
A Có sự khuếch tán electron từ chất có nhiều electron hơn sang chất có ít electron hơn
B Có sự khuếch tán iôn từ kim loại này sang kim loại kia
C Có sự khuếch tán eletron từ kim loại có mật độ electron lớn sang kim loại có mật độ electron nhỏ hơn
D Không có hiện tượng gì xảy ra
9 Để xác định được sự biến đổi của điện trở theo nhiệt độ ta cần các dụng cụ:
A Ôm kế và đồng hồ đo thời gian
B Vôn kế, ampe kế, cặp nhiệt độ
C Vôn kê, cặp nhiệt độ, đồng hồ đo thời gian
D Vôn kê, ampe kế, đồng hồ đo thời gian
II Dòng điện trong chất điện phân Định luật Fa-ra-đây
10 Phát biểu nào sau đây là đúng?
A Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dịch có hướng của các iôn âm, electron đi về anốt và iôn dương đi về catốt
B Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dịch có hướng của các electron đi về anốt và các iôn dương đi về catốt
C Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dịch có hướng của các iôn âm đi về anốt và các iôn dương đi về catốt
D Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dịch có hướng của các electron đi về từ catốt về anốt, khi catốt bị nung nóng
11 Công thức nào sau đây là công thức đúng của định luật Fara-đây?
Trong một bình điện phân chứa dung dịch AgNO3, với cường độ dòng điện I = 1 A và thời gian điện phân là 16 phút 5 giây, lượng bạc (Ag) bám vào catốt có thể tính toán được Với hằng số điện phân AAg8 (đvc) và số mol bạc nAg = 1, kết quả cho thấy lượng bạc bám vào catốt trong thời gian này là một giá trị cụ thể.
Trong một bình điện phân chứa dung dịch CuSO4 với anốt làm bằng đồng, điện trở của bình điện phân là R = 8 (Ω) Khi được kết nối với nguồn điện có điện áp E = 9 (V) và điện trở trong r = 1 (Ω), khối lượng đồng (Cu) bám vào catốt sau 5 giờ sẽ được tính toán dựa trên các thông số này.
TỤ ĐIỆN
3.2.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo
Tụ điện gồm có hai bản cực bằng kim loại đặt song song và ở giữa là một lớp cách điện (gọi là chất điện môi)
Tụ có loại điện dung cố định và loại điện dung biến đổi
Tụ thường Tụ biến đổi Tụ hóa
Hình 2.14: Kí hiệu các loại tụ Trong thực tế đơn vị Fara rất lớn nên người ta thường dùng các ước số của
Tụ điện được chia thành 2 loại chính :
- Loại không phân cực với nhiều dạng khác nhau
- Loại phân cực có cực tính xác định khi làm việc và có thể bị hỏng nếu nối ngược cực
Ứng dụng một số loại tụ:
+ Tụ giấy: Được dùng để phân đường , ngăn nối tầng, lọc trong những mạch điện tần số thấp và một chiều
+ Tụ mica: Tổn hao năng lượng rất bé , điện trở cách điện cao Được dùng chủ yếu trong mạch có tần số cao
+ Tụ gốm sứ cao tần: Tụ này chịu điện áp cao , kích thướt không lớn, được dùng trong các mạch cao tần, siêu cao tần
+ Tụ màng nhựa, màng nhựa kim loại: Trị số điện dung ổn đinh, điện trở cách điện lớn, nhiệt độ làm việc thấp
Tụ hóa là linh kiện quan trọng trong các mạch điện, thường được sử dụng làm bộ lọc trong mạch nắn điện và nối tầng trong mạch tần số thấp Tuy nhiên, nếu không sử dụng trong thời gian dài, trị số điện dung của tụ sẽ giảm Đặc biệt, việc đấu ngược cực của tụ hóa có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng.
Tụ biên đổi (tụ xoay) là linh kiện quan trọng trong các mạch cộng hưởng cao tần, thường được sử dụng trong máy thu và phát Loại tụ này có khả năng thay đổi trị số điện dung từ 10 đến 60 pF, giúp điều chỉnh các trị số điện dung, thường được gọi là tụ tinh chỉnh.
* Trên tụ hóa và tụ giấy người ta có ghi các tham số như :
Những thông số cơ bản của tụ điện
1 Điện dung danh định Đại lượng đặt trưng cho khả năng chứa điện tích của tụ điện gọi là điện dung của tụ điện Kí hiệu : C Đơn vị : Fara ( F )
2 Dung kháng của tụ điện
Tụ điện không cho phép dòng điện một chiều đi qua, chỉ cho phép một dòng nạp ban đầu trước khi ngừng khi đã nạp đầy Trong trường hợp dòng điện xoay chiều, tụ điện sẽ hoạt động bằng cách tiếp nhận dòng điện trong hai nửa chu kỳ ngược nhau, từ đó cho phép dẫn điện qua tụ.
Tụ có điện dung nhỏ cho tần số cao đi qua dễ
Tụ có điện dung lớn cho tần số thấp đi qua dễ
Dung kháng của tụ được tính theo công thức : Xc = 1/2лfC Trong đó : Xc là điện kháng của tụ (Ω) f là tần số dòng điện xoay chiều qua tụ ( Hz )
Là điện áp lớn nhất cho phép đặt lên hai đầu của tụ điện mà tụ điện vẫn làm việc bình thường
3.2.2 Cách đọc, đo và cách mắc tụ điện
Tụ hoá là loại tụ điện có phân cực âm (-) và dương (+), thường có hình dạng trụ Giá trị điện dung của tụ hoá được ghi trực tiếp trên thân tụ, giúp người dùng dễ dàng nhận biết và sử dụng.
Hình 2.15: Tụ hoá ghi trên thân tụ
Với tụ giấy , tụ gốm : Tụ giấy và tụ gốm có trị số ghi bằng ký hiệu
Hình 2.16: Tụ gốm ghi trị số bằng ký hiệu
Cách đọc : Lấy hai chữ số đầu nhân với 10(Mũ số thứ 3 )
Ví dụ: tụ gốm bên phải hình ảnh trên ghi 474K nghĩa là:
Giá trị = 47 x 10 4 = 470000 p ( Lấy đơn vị là picô Fara)
Chữ K hoặc J ở cuối là chỉ sai số 5% hay 10% của tụ điện
Tụ giấy và tụ gốm còn có một cách ghi trị số khác là ghi theo số thập phân và lấy đơn vị là MicroFara: Ví dụ
Ý nghĩ của giá trị điện áp ghi trên thân tụ :
Mỗi tụ điện đều được ghi rõ giá trị điện áp ngay sau giá trị điện dung, đây là điện áp cực đại mà tụ có thể chịu đựng Nếu vượt quá mức điện áp này, tụ điện sẽ bị nổ.
Khi lắp tụ điện vào mạch điện có điện áp U, cần chọn tụ có giá trị điện áp tối đa cao gấp khoảng 1,4 lần điện áp đó.
Ví dụ: Mạch 12V phải lắp tụ 16V, mạch 24V phải lắp tụ 35V vv
+ Cách đo tụ điện bằng đồng hồ V.O.M: Chuyển núm xoay về thang đo điện trở
Thực hiện thao tác đo 2 lần và có đổi chiều đo, ta thấy:
- Kim vọt lên rồi trả về hết: khả năng nạp xả của tụ còn tốt
- Kim vọt lên 0: Tụ bị nối tắt ( bị đánh thủng, bị chạm)
- Kim vọt lên nhưng không trở về: tụ bị rò
+ Các kiểu mắc tụ điện
Tụ điện mắc nối tiếp
Các tụ điện mắc nối tiếp có điện dung tương đương C tđ được tính bởi công thức: 1 / C tđ = (1 / C1 ) + ( 1 / C2 ) + ( 1 / C3 )
Trường hợp chỉ có 2 tụ mắc nối tiếp thì C tđ = C1.C2 / ( C1 + C2 )
Khi mắc nối tiếp thì điện áp chịu đựng của tụ tương đương bằng tổng điện áp của các tụ cộng lại U tđ = U1 + U2 + U3
Khi mắc nối tiếp các tụ điện, đặc biệt là tụ hóa, cần chú ý đến chiều kết nối Cực âm của tụ điện trước phải được nối với cực dương của tụ điện sau để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Hình 2.17: Tụ điện mắc nối tiếp
Tụ điện mắc song song
Khi các tụ điện được mắc song song, điện dung tương đương sẽ bằng tổng điện dung của tất cả các tụ, được tính theo công thức C = C1 + C2 + C3 Tuy nhiên, điện áp chịu đựng của mạch sẽ tương đương với điện áp của tụ có điện áp thấp nhất trong số các tụ điện.
Nếu là tụ hoá thì các tụ phải được đấu cùng chiều âm dương
Hình 2.18: Tụ điện mắc song song
3.2.3 Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng
Tụ điện là linh kiện thiết yếu trong kỹ thuật điện và điện tử, đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị điện tử Mỗi mạch điện sử dụng tụ điện có chức năng cụ thể như truyền dẫn tín hiệu, lọc nhiễu, lọc điện nguồn và tạo dao động.
Dưới đây là một số những hình ảnh minh hoạ về ứng dụng của tụ điện
Tụ điện trong mạch lọc nguồn
Hình 2.19: Tụ hoá trong mạch lọc nguồn
Trong mạch lọc nguồn, tụ hoá đóng vai trò quan trọng trong việc làm phẳng điện áp một chiều sau khi đã được chỉnh lưu, nhằm cung cấp điện năng ổn định cho tải tiêu thụ Nếu không có tụ, điện áp DC sau đi ốt sẽ có dạng nhấp nhô, nhưng khi sử dụng tụ, điện áp này sẽ được lọc và trở nên tương đối phẳng Đặc biệt, kích thước của tụ càng lớn thì điện áp DC càng được làm phẳng hiệu quả hơn.
Tụ điện trong mạch dao động đa hài tạo xung vuông
1 Nhận dạng và kiểm tra, đọc trị số tụ điện
- Thiết bị đo: Đồng hồ vạn năng VOM
- Linh kiện: Tụ điện 10 con có giá trị khác nhau
2 Xác định giá trị của tụ:
Bài tập 1: Đọc giá trị các tụ điện: 4732G, 104-1A, 222-2D, 102, 273, 10, 331- 2H Bài tập 2: Ghi theo qui ước giá trị các tụ điện sau: 47P, 470pF, 10àF/25V, 3300pF, 10àF/50V,
Bài tập 3: Tính giá trị Ctđ của mạch điện sau:
3.3.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo
Hình 2.20: Kí hiệu cuộn cảm
Cuộn dây quấn trên lõi sắt từ với nhiều vòng sẽ tạo ra điện cảm lớn (L), được ứng dụng trong các mạch nắn điện để làm bộ lọc và trong các mạch điện xoay chiều âm tần.
Cuộn cảm cao tần có số vòng dây ít hơn so với cuộn cảm âm tần, thường được quấn trên ống sứ hoặc nhựa cách điện Bên trong, cuộn cảm này có thể không có lõi hoặc sử dụng lõi ferit Ứng dụng chính của cuộn cảm cao tần là trong các mạch cao tần và trung tần của máy thu phát vô tuyến.
3.3.2 Cách đọc, đo và cách mắc cuộn cảm
Xác định theo bảng mà quy ước quốc tế
I, II, III: ghộp theo vũng màu giống như điện trở Đợn vị là à
Hình 2.21: Cuộc cảm vòng màu
3.3.3 Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng
Tác dụng : Biến đổi điện áp và dòng điện xoay chiều
Phối hợp trở kháng giữa bên sơ cấp và thứ cấp
Khi dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây, nó tạo ra một từ trường biến đổi Nếu đặt cuộn dây thứ hai trong từ trường của cuộn dây thứ nhất, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong cuộn dây thứ hai Dòng điện này biến đổi tương tự như dòng điện trong cuộn dây thứ nhất, tạo nên hiện tượng cảm ứng điện từ Hiện tượng này trở nên mạnh mẽ hơn khi hai cuộn dây đặt gần nhau hoặc khi cả hai cuộn dây được quấn trên cùng một lõi sắt từ.
Nguyên lý làm việc của máy biến áp cũng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ
Nếu n1 là số vòng dây của cuộn sơ cấp và U1 là điện áp vào cuộn sơ cấp, trong khi n2 là số vòng dây của cuộn thứ cấp và U2 là điện áp ra ở cuộn thứ cấp, thì ta có tỉ số biến áp được xác định bởi mối quan hệ giữa các thông số này.
Trong đó: I1 là dòng điện sơ cấp, I2 là dòng điện thứ cấp
Nếu : K>1 (U1>U2) là biến áp giảm áp
K
