Vị trí, tính chất môn học
Môn học được tổ chức học song song với các môn học và mô đun cơ sở như Điện kỹ thuật, Khí cụ điện, Kỹ thuật điện tử cơ bản và Kỹ thuật đo lường điện.
- Tính chất: Là môn học cơ sở của nghề.
Mục tiêu môn học
+ Trình bày được các đặc tính của các loại vật liệu điện
+ Trình bày đƣợc các dạng và nguyên nhân gây hƣ hỏng ở vật liệu điện
+ Nhận dạng đƣợc các loại vật liệu điện thông dụng
+ Phân loại đƣợc các loại vật liệu điện thông dụng
+ Sử dụng thành thạo các loại vật liệu điện
+ Xác định được các dạng và nguyên nhân gây hư hỏng ở vật liệu điện
+ Tính chọn, thay thế vật liệu điện
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Tích cực, chủ động trong công việc đƣợc giao
+ Có tinh thần hợp tác tích cực trong quá trình thực hiện công việc
KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN
Khái niệm về vật liệu điện
Vật liệu điện bao gồm các chất liệu được sử dụng để sản xuất thiết bị trong ngành điện Các vật liệu này thường được phân loại dựa trên đặc điểm, tính chất và công dụng, bao gồm vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ.
2.1.2 Cấu tạo nguyên tử của vật liệu
Mọi vật chất đều được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử, trong đó nguyên tử là phần tử cơ bản Theo mô hình nguyên tử của Bohr, nguyên tử bao gồm một hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (êlectron e) mang điện tích âm, di chuyển xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định Hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ các prôton và nơtron, trong đó nơtron không mang điện tích, còn prôton có điện tích dương với số lượng bằng Zq.
Trong bảng tuần hoàn Menđêlêép, Z đại diện cho số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời là số thứ tự của nguyên tố Điện tích của điện tử e được ký hiệu là q (qe = 1,601 x 10^-19 culông), trong khi đó, khối lượng của prôton là 1,67 x 10^-27 kg.
27 kg, êlêctron (e) có khối lượng bằng 9,1.10-31 kg
Nguyên tử trong trạng thái bình thường là trung hòa về điện, với tổng điện tích dương của hạt nhân bằng tổng điện tích âm của các điện tử Khi nguyên tử mất một hay nhiều điện tử, nó trở thành ion dương, trong khi nếu nhận thêm điện tử, nó sẽ trở thành ion âm Để hiểu rõ hơn về năng lượng của điện tử, chúng ta có thể xem xét nguyên tử hiđrô, được cấu tạo từ một prôton và một điện tử.
Hình 1.2 Mô hình nguyên tử Hydro
Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn với bán kính r xung quanh hạt nhân, nó sẽ chịu lực hút f1 từ hạt nhân, được xác định bởi công thức cụ thể.
Lực hút f1 được cân bằng bởi lực ly tâm của chuyển động f2, f2 được xác định bởi công thức sau:
Trong đó: - m: là khối lƣợng của điện tử;
- v: là tốc độ chuyển động của điện tử
Từ (1.1) và (1.2) ta có: f1 = f2 hay là: 𝑚𝑣 2 = 𝑞 2
Trong quá trình chuyển động điện tử có một điện năng: 𝑇 = 𝑚𝑉 2
𝑟 2 , nên năng lượng của điện tử sẽ bằng:
Mỗi điện tử trong nguyên tử có một mức năng lượng nhất định, với năng lượng tỉ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động Để di chuyển điện tử ra xa vô cùng, cần cung cấp năng lượng lớn hơn q²/2r Năng lượng tối thiểu để điện tử tách rời khỏi nguyên tử, gọi là năng lượng ion hóa (Wi), khiến nguyên tử trở thành ion dương Quá trình này được gọi là ion hóa Năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác nhau trong nguyên tử cũng khác nhau, với các điện tử hóa trị ở ngoài cùng có năng lượng ion hóa thấp nhất Khi nhận năng lượng thấp hơn năng lượng ion hóa, điện tử sẽ bị kích thích và có thể chuyển giữa các mức năng lượng, nhưng sẽ quay trở về vị trí ban đầu Năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được phát ra dưới dạng năng lượng quang học Trong thực tế, ion hóa và năng lượng kích thích có thể được nhận từ nhiều nguồn khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện năng, và năng lượng của các tia như α, β, γ hay tia Rơnghen.
Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết sau:
2.1.3.1 Liên kết đồng hóa trị
Liên kết đồng hóa trị là sự chia sẻ electron giữa các nguyên tử trong phân tử, tạo ra mật độ đám mây điện tử bão hòa và làm cho liên kết phân tử trở nên bền vững Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng, phân tử có thể là trung tính hoặc lưỡng cực Phân tử trung tính có trọng tâm điện tích dương và âm trùng nhau, trong khi phân tử lưỡng cực có trọng tâm điện tích không trùng nhau, cách nhau một khoảng cách nhất định Mô men lưỡng cực của phân tử được tính bằng công thức m = q.a, và dựa vào giá trị này, người ta phân loại thành chất cực tính yếu và cực tính mạnh Các chất được hình thành từ phân tử trung tính được gọi là chất trung tính, trong khi các chất được cấu tạo từ phân tử cực tính được gọi là chất cực tính Liên kết đồng hóa trị cũng xuất hiện trong các chất rắn vô cơ có mạng tinh thể từ các nguyên tử.
Hình 1.3 Một số liên kết đòng hóa trị 2.1.3.2 Liên két ion
Liên kết ion hình thành từ lực hút giữa các ion dương và ion âm trong phân tử, tạo ra một liên kết bền vững Điều này khiến các vật rắn có cấu trúc ion có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao, như các muối halôgen của kim loại kiềm Khả năng hình thành chất hoặc hợp chất mạng không gian phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dáng lớp điện tử ngoài cùng.
Liên kết kim loại tạo nên các tinh thể rắn, với cấu trúc gồm các ion dương và điện tử tự do Lực hút giữa các ion dương và điện tử mang lại tính nguyên khối và độ bền vững cho kim loại, dẫn đến độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao Sự hiện diện của điện tử tự do cũng giải thích tính ánh kim và khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt của kim loại Tính dẻo của kim loại được hiểu qua sự dịch chuyển và trượt giữa các lớp ion, cho phép kim loại dễ dàng được cán và kéo thành các lớp mỏng.
Hình 1.5 Liên kết kim loại đồng
2.1.3.4 Liên kết Van Der Waals
Liên kết Van Der Waals là một tương tác tĩnh điện yếu giữa các phân tử, ngay cả khi chúng đã bão hòa hóa trị Tương tác này dẫn đến cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững chắc.
Do vậy những liên kết dạng này có nhiệt độ nóng chảy và có độ bền cơ thấp
Hình 1.6 Hạt trung lập có tính hút nhau do lực Vander Waal 2.1.4 Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn
Các tinh thể vật rắn thường có cấu trúc đồng nhất, nhưng sự phá hủy cấu trúc này và hình thành các khuyết tật là hiện tượng phổ biến trong thực tế Những khuyết tật này có thể xuất hiện ngẫu nhiên hoặc do cố ý trong quá trình sản xuất vật liệu Khuyết tật được định nghĩa là bất kỳ hiện tượng nào làm gián đoạn tính chất chu kỳ của trường tĩnh điện trong mạng tinh thể, bao gồm việc phá vỡ cấu trúc hợp thức, sự hiện diện của tạp chất, áp lực cơ học, giao động đàn hồi, và lỗ xốp Những khuyết tật này có khả năng thay đổi các đặc tính cơ học, lý học, hóa học và điện của vật liệu, có thể tạo ra các tính năng đặc biệt hoặc làm suy giảm chất lượng của chúng.
Hình 1.7 Một số dạng khuyết tật trong cấu tạo của vật rắn
2.1.5 Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn
Lý thuyết phân vùng năng lượng giúp phân loại vật liệu thành ba nhóm chính: dẫn điện, cách điện và bán dẫn Trong trạng thái bình thường, các điện tử lấp đầy một số mức năng lượng nhất định, trong khi các mức khác chỉ có thể được lấp đầy khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài, dẫn đến trạng thái kích thích Nguyên tử có xu hướng trở về trạng thái ổn định, và khi điện tử chuyển từ mức kích thích về mức năng lượng thấp nhất, năng lượng dư thừa sẽ được phát ra Ở nhiệt độ 0 K, các điện tử hóa trị lấp đầy vùng hóa trị, trong khi các điện tử tự do có mức năng lượng cao hơn tạo thành vùng dẫn điện, nằm ở phần trên cùng của sơ đồ phân bố vùng năng lượng.
Hình 1.8 Các mức phân bố năng lượng trong vật rắn
Hình 1.9 Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn ở nhiệt độ 0 0 K
Phân loại vật liệu điện
2.2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện:
Dựa trên giản đồ năng lượng, vật liệu được phân loại thành bốn nhóm chính: vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn Trong đó, vật liệu dẫn điện là nhóm vật liệu cho phép dòng điện đi qua dễ dàng, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghệ hiện đại.
Vật liệu dẫn điện là những chất có vùng tự do gần sát với vùng đầy, với độ chênh năng lượng (ΔW) nhỏ hơn 0,2 eV Chúng chứa một lượng lớn điện tử tự do, cho phép các điện tử hóa trị dễ dàng chuyển sang vùng tự do ở nhiệt độ bình thường Dưới tác động của điện trường, các điện tử này tham gia vào dòng điện, làm cho vật liệu dẫn điện có tính dẫn điện tốt.
Vật liệu bán dẫn có đặc điểm là có vùng cấm hẹp hơn so với vật liệu cách điện, và chiều rộng của vùng cấm này có thể thay đổi khi chịu tác động của năng lượng từ bên ngoài.
Ở nhiệt độ bình thường, một số điện tử hóa trị trong vùng đầy có thể nhận năng lượng từ chuyển động nhiệt và di chuyển vào vùng tự do, góp phần vào dòng điện dẫn Vật liệu cách điện, hay điện môi, có vùng cấm lớn đến mức không xảy ra hiện tượng dẫn điện bằng điện tử trong điều kiện bình thường, mặc dù các điện tử hóa trị vẫn được cung cấp thêm năng lượng.
2.2.2 Phân loại theo từ tính
Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: nghịch từ, thuận từ và dẫn từ a Vật liệu nghịch từ:
Các vật liệu có độ từ thẩm nhỏ hơn 1 và không bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài bao gồm hydrô, các khí hiếm, hầu hết các hợp chất hữu cơ, muối mỏ và một số kim loại như đồng, kẽm, bạc, vàng, thủy ngân, gali và antimoan.
Vật liệu dẫn từ là những chất có độ từ thẩm (μ) lớn hơn 1 và không bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài Các loại vật liệu này bao gồm oxy, oxit nitơ, muối đất hiếm, muối sắt, muối côban, niken, kim loại kiềm, nhôm và bạch kim Trong khi đó, vật liệu thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ bằng 1.
Các vật liệu có độ từ thẩm lớn hơn 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài bao gồm sắt, côban, niken cùng với các hợp kim của chúng như hợp kim crôm và mangan, gađôlônít, và pherit với các thành phần khác nhau.
2.2.3 Phân loạỉ theo trạng tháỉ vật thể
-Vật liệu điện theo trạng thái vật rắn
-Vật liệu điện theo trạng thái vật lỏng
-Vật liệu điện theo trạng thái thể khí
1 Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử, phân biệt chất trung tính và chất cực tính?
2 Trình bày nguyên nhân gây ra những khuyết tật trong vật rắn ?
3 Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất
4 Tính lực hút hướng tâm và lực hút ly tâm một nguyên tử biết mc= 9,1 10" 31 (Kg)qe
5 Tính năng lượng một nguyên tử biết me= 9,1 10" 31 (Kg), qe = 1,601 10" 19 (C),
6 Trình bày cách phân loại vật liệu điện ?
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
Vật liệu cách điện, hay còn gọi là chất điện môi, là những chất mà trong điều kiện bình thường, điện tích chỉ xuất hiện tại vị trí của chúng mà không di chuyển, nghĩa là chúng không dẫn điện Đặc điểm nổi bật của điện môi là khả năng dẫn điện rất thấp, gần như bằng không.
Vật liệu cách điện đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện và được ứng dụng rộng rãi Nghiên cứu các tính chất và đặc điểm của vật liệu cách điện là cần thiết để lựa chọn loại vật liệu phù hợp cho từng ứng dụng.
2.1.2 Phân loại vật liệu cách điện
2.1.2.1 Phân loại theo trạng thái vật lý
Theo trạng thái vật lý, có:
• Vật liệu cách điện thể khí,
• Vật liệu cách điện thể lỏng,
• Vật liệu cách điện thể rắn
Vật liệu cách điện ở thể khí và thể lỏng cần phải kết hợp với vật liệu cách điện ở thể rắn để tạo ra hiệu quả cách điện tối ưu, vì các phân tử kim loại không thể giữ chặt trong không khí.
Vật liệu cách điện rắn được chia thành nhiều nhóm, bao gồm cứng, đàn hồi, có sợi, băng và màng mỏng Ngoài ra, giữa thể lỏng và thể rắn, còn tồn tại thể trung gian gọi là thể mềm nhão, bao gồm các vật liệu có tính bôi trơn và các loại sơn tẩm.
2.1.2.2 Phân loại theo thành phần hóa học
Theo thành phân hoá học, người ta phân ra: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ
- Vật liệu cách điện hữu cơ: chia thành hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo
Nhóm sản phẩm này có nguồn gốc từ thiên nhiên, sử dụng các hợp chất cơ bản như cao su, lụa, phíp và xenluloit, hoặc giữ nguyên thành phần hóa học của chúng.
+ Nhóm nhân tạo thường được gọi là nhựa nhân tạo gồm có: nhựa phênol, nhựa amino, nhựa polyeste, nhựa epoxy, xilicon, polyetylen, vinyl, polyamit,
- Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại vật liệu rắn như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiăng
Tính chất chung của vật liệu cách điện
Khi lựa chọn và sử dụng vật liệu cách điện, cần chú ý đến không chỉ các phẩm chất cách điện mà còn cả tính ổn định của chúng dưới tác động của cơ học, hóa lý và môi trường xung quanh Những yếu tố này, được gọi là điều kiện vận hành, có thể làm giảm sút tính chất của vật liệu cách điện, dẫn đến hiện tượng ỉão hóa Do đó, tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ thay đổi đáng kể tùy thuộc vào các điều kiện sử dụng khác nhau.
Để ngăn chặn quá trình lão hóa và nâng cao tuổi thọ của vật liệu cách điện, việc nghiên cứu các tính chất cơ lý, hóa học và nhiệt của chúng là rất cần thiết.
2.2.1 Tính hút ẩm của vật liệu cách điện
Các vật liệu cách điện có khả năng hút ẩm và thấm ẩm khác nhau, với khả năng hút hơi nước từ môi trường không khí và cho phép hơi nước xuyên qua.
Nước là loại điện môi cực tính mạnh, hằng số điện môi tương đối £ = 80 - 81, độ điện dẫn Ỵ
" 5 -T- 10" 6 (1/cm) nên khi vật liệu cách điện bị ngấm ẩm thì phẩm chất cách điện bị giảm sút tràm trọng
Hơi ẩm trong không khí có khả năng ngưng tụ trên bề mặt điện môi, dẫn đến việc điện áp phóng điện bề mặt thường thấp hơn nhiều so với điện áp đánh thủng.
- Độ ẩm của không khí
Độ ẩm trong không khí, một tham số quan trọng, được xác định bởi lượng hơi ẩm có mặt Độ ẩm này bao gồm hai loại chính: độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối.
Độ ẩm tuyệt đối là khối lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí, được đo bằng gam trên mét khối (g/m³) Ở một nhiệt độ nhất định, độ ẩm tuyệt đối không thể vượt quá giá trị tối đa gọi là độ ẩm bão hòa (mmax) Khi khối lượng nước vượt quá mmax, hơi nước sẽ chuyển thành dạng sương.
Độ ẩm tương đối (RH) là tỷ lệ giữa áp suất riêng phần của hơi nước (PH20) và áp suất hơi bão hòa của nước (P*H20) tại cùng một nhiệt độ, được biểu thị dưới dạng phần trăm.
Độ ẩm tương đối, được biểu thị bằng phần trăm, cho biết mức độ ẩm của không khí; khi độ ẩm tương đối đạt 100%, không khí đã bão hòa hơi nước và ở điểm sương Khác với độ ẩm tuyệt đối, là khối lượng hơi nước trong 1 m³ không khí, độ ẩm tương đối phản ánh chính xác hơn mức độ ẩm do ảnh hưởng của nhiệt độ Để đo độ ẩm tương đối, người ta sử dụng thiết bị gọi là ẩm kế.
* Độ ẩm của vật liệu Độ ẩm của vật liệu là lượng hơi nước trong một đơn vị trọng lượng của vật liệu
Khi mẫu vật liệu cách điện được đặt trong môi trường không khí có độ ẩm cp% và nhiệt độ t (°C), sau một thời gian, độ ẩm của vật liệu sẽ đạt đến mức tối đa, được gọi là độ ẩm cân bằng.
Khi vật liệu khô ráo được đặt trong môi trường ẩm, nó sẽ hấp thụ hơi ẩm từ không khí, dẫn đến việc độ ẩm của vật liệu tăng lên cho đến khi đạt mức cân bằng.
Tính thấm ẩm là khả năng cho hơi ẩm xuyên thấu qua vật liệu cách điện Khi vật liệu bị
20 thấm ẩm thì tính năng cách điện của nó giảm
Vật liệu không thấm nước có khả năng hấp thụ nước hoặc hơi nước trên bề mặt Dựa vào góc biên dính nước 0 của giọt nước trên bề mặt phẳng, vật liệu cách điện được phân loại thành hai nhóm: hấp thụ tốt và hấp thụ yếu.
0 < 90°: vật liệu hấp thụ tốt
0 > 90°: vật liệu hấp thụ yếu
Vật liệu hấp phụ chất lượng cao thường dễ bị phóng điện và có dòng dò lớn do pị (yT) Mức độ hấp thụ của vật liệu cách điện chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như loại vật liệu, cấu trúc, áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường xung quanh.
Tính hút ẩm của vật liệu cách điện không chỉ phụ thuộc vào kết cấu và loại vật liệu mà còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của môi trường làm việc Sự thay đổi này có thể dẫn đến lão hóa và giảm chất lượng cách điện, đặc biệt là đối với vật liệu cách điện rắn Để hạn chế tác động tiêu cực của hơi ẩm, cần áp dụng các biện pháp bảo vệ phù hợp.
- Sấy khô và sấy trong chân không để hơi ẩm thoát ra bên ngoài
Tẩm các vật liệu xốp bằng sơn cách điện giúp lấp đầy các lỗ xốp, cho phép hơi ẩm thoát ra bên ngoài và đồng thời nâng cao khả năng cách điện của vật liệu.
- Quét lên bề mặt các vật liệu rắn lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn hơi ẩm lọt vào bên trong
- Tăng bề mặt điện môi, thường xuyên vệ sinh bề mặt vật liệu cách điện, tránh bụi bẩn bám vào
2.2.2 Tính chất cơ học của vật liệu cách điện
Trong nhiều tình huống thực tế, vật liệu cách điện không chỉ cần đáp ứng yêu cầu về điện trở mà còn phải chịu được tải cơ học Do đó, việc nghiên cứu vật liệu cách điện cần xem xét kỹ lưỡng các tính chất cơ học của chúng.
Một số vật liệu cách điện thông dụng
Sợi thủy tinh là loại vật liệu được kéo thành sợi mềm, thường được sử dụng trong ngành dệt và nhiều ứng dụng khác Mặc dù thủy tinh ở dạng tấm có tính chất giòn và dễ vỡ, nhưng khi được kéo thành sợi mảnh, nó có độ uốn cao, cho phép dệt thành vải và băng thủy tinh Các sản phẩm này, với độ dày từ 0,025 đến 0,28 mm, thường được sử dụng làm cách điện cho các cuộn dây Sợi thủy tinh có ưu điểm vượt trội như khả năng chịu nhiệt cao, độ bền tốt và ít hút ẩm so với các sợi hữu cơ khác, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong môi trường có nhiệt độ và độ ẩm cao.
Sợi thủy tinh có nhược điểm là độ đàn hồi kém, khả năng uốn dẻo hạn chế và ít chịu mài mòn hơn so với sợi hữu cơ Do đó, cách điện thủy tinh dễ bị hỏng khi va chạm với các cạnh sắc.
Vật liệu cách điện giấy, được sản xuất từ xenlulo (sợi thực vật) với công thức phân tử (CóHioOsV), được chia thành hai loại chính: giấy tụ điện và giấy cáp, tùy thuộc vào ứng dụng trong kỹ thuật điện.
Giấy tụ điện là loại giấy chuyên dụng làm điện môi trong tụ điện giấy, có độ dày rất mỏng (0,007-0,022mm) và được thiết kế để hoạt động ở cường độ cao trong khoảng nhiệt độ từ 70 đến 100 độ C Do đó, yêu cầu về chất lượng của loại giấy này là rất cao, khác biệt so với các loại giấy cách điện thông thường.
Giấy cáp có độ dày từ 0,08 đến 0,17mm, được sử dụng làm cách điện cho cáp điện lực và cáp thông tin Khi lựa chọn giấy cáp, cần chú ý đến sức bền cơ giới và khả năng chịu đựng số làn xoắn của nó.
Nhìn chung, để làm việc được đảm bảo, các loại giấy này đều phải tẩm dầu hoặc hỗn hợp dàu-nhựa thông.
- Các tông: dùng trong kỹ thuật điện và cũng được chế tạo từ sợi thực vật như giấy nhưng có độ dày lớn hơn
Có hai loại giấy các tông:
+Loại dùng trong không khí có độ rắn và đặc tính cao, được sử dụng lót rãnh các máy điện, vỏ cuộn dây, tấm đệm
Loại tông dùng trong dầu có độ mềm mại hơn so với các tông sử dụng trong không khí và khả năng thấm dầu tốt Tùy thuộc vào độ dày yêu cầu, loại tông này được chế tạo thành cuộn với kích thước từ 0,1-0,8mm hoặc thành tấm với độ dày từ 1-3mm.
Phíp là một loại vật liệu được sản xuất từ giấy ngâm trong dung dịch clorua kẽm (ZnCl2) nóng, sau đó quấn quanh tang quay thép để đạt độ dày cần thiết, rồi ép và gia công thành sản phẩm mịn, đồng nhất Phíp chủ yếu được sử dụng để chế tạo các chi tiết cách điện phức tạp với màu sắc đa dạng như đen, nâu, đỏ Tính chất cơ của phíp khá tốt với độ kéo từ 550 đến 750 kG/cm², độ nén từ 1500 đến 2000 kG/cm², và độ uốn từ 800 đến 1000 kG/cm², cùng với ứng suất dai va đập khoảng 20 đến 30 kG/cm² Phíp dễ gia công và có thể được cưa, cắt, bào, tiện, và ren Khi ngâm trong nước nóng, phíp trở nên mềm và dễ định hình Tỉ trọng của phíp dao động từ 1 đến 1,5 G/cm², với tỉ trọng cao hơn mang lại đặc tính cơ và tính cách điện tốt hơn Tuy nhiên, nhược điểm của phíp là độ háo nước cao (50 đến 60)%, khiến cho các chi tiết làm từ phíp dễ bị biến dạng trong môi trường ẩm ướt, tạo ra điện dẫn điện phân lớn Để giảm độ háo nước, phíp có thể được tẩm bằng dầu biến áp hoặc parafin.
Amiăng là nhóm khoáng vật có cấu trúc xơ, nổi bật với khả năng chịu nhiệt độ cao, vẫn bền và uốn được ở nhiệt độ mà các xơ hữu cơ khác bị phá hủy Tuy nhiên, khi nhiệt độ đạt từ 300 đến 400 độ C, amiăng sẽ mất đi độ bền cơ học Amiăng rất thấm nước, do đó cần được tẩm khi sử dụng Loại amiăng thông thường (crizotin) có thể hòa tan trong axit, ngoại trừ một số loại hiếm có tính chịu axit Mặc dù có tính cách điện, nhưng khả năng này không đủ cao để sử dụng trong điện cao thế và cao tần, với điện trở suất từ 10^10 đến 10^12 Ω.cm Để đáp ứng nhu cầu sử dụng, amiăng được sản xuất thành các sản phẩm như giấy, vải và băng.
Ximăng amiăng là một vật liệu phổ biến trong kỹ thuật điện, được tạo thành từ việc ép nguội các thành phần dẻo Chất chính trong ximăng amiăng là các hợp chất vô cơ, trong đó amiăng đóng vai trò là chất độn và ximăng là chất kết dính Sản phẩm từ ximăng amiăng thường bao gồm tâm, ống và các hình mẫu khác.
Vật liệu này có độ bền cơ học không cao nhưng chịu nhiệt tốt và có khả năng chống lại sự phóng điện của hồ quang Tuy nhiên, nó có tính cách điện thấp và dễ hút ẩm Thông thường, vật liệu này được sử dụng để làm bảng phân phối và tấm chắn ngăn cách các buồng dập hồ quang.
2.3.5 Vải sơn và bằng cách điện
Vải sơn cách điện, được làm từ bông, lụa và thủy tinh có tẩm sơn, có độ đàn hồi và mềm mại, được sử dụng để cách điện cho các máy điện có điện áp thấp Trong các máy điện áp cao, vải sơn được áp dụng để cách điện ở đầu dây quấn và giữa các cuộn dây, cũng như cho các bộ phận có độ uốn cong lớn Độ bền điện của băng sợi bông dao động từ 35 đến 50 kV/mm, trong khi loại bằng tơ có độ bền điện từ 55 đến 90 kV/mm Vải sơn cách điện thường được sản xuất dưới dạng cuộn rộng từ 700 đến 1000 mm với độ dày khoảng 0,15 mm.
0,24) mm Gần đây có khuynh hướng thay thế vải sơn và giấy sơn cách điện bằng vật liệu cách điện dẻo đó là màng dẻo
Chất dẻo là vật liệu phổ biến trong kỹ thuật và đời sống, được sử dụng để tạo hình sản phẩm theo khuôn ép dưới tác động của sức ép Trong lĩnh vực kỹ thuật điện, chất dẻo thường được dùng làm vật liệu cách điện và các kết cấu thuần túy.
Hêtinắc là vật liệu được sản xuất bằng cách ép nóng giấy tẩm nhựa bakêlít, có khối lượng riêng từ 1,25 đến 1,4 G/cm3, độ bền điện cao khoảng 20-25 kV/mm và hệ số điện môi từ 5 đến 6 Vật liệu này thường được sử dụng trong chế tạo thiết bị điện cao áp và hạ áp, cũng như trong kỹ thuật thông tin Téctôlít, tương tự như Hêtinắc nhưng được sản xuất từ vải tẩm nhựa bakêlít, có giới hạn bền kéo dọc và ứng suất dai va đập thấp hơn Hêtinắc nhưng lại có độ bền nhiệt cao hơn Gần đây, nhiều loại chất dẻo nhiều lớp với đặc tính cách điện và độ bền cơ cao đã được phát triển, sử dụng các loại nhựa như polieste, êpoxi, poliimít và nhựa silíc hữu cơ Những chất kết dính này tạo ra tổ hợp cách điện compozit có đặc tính điện và cơ học xuất sắc, khả năng chịu ẩm, và được ứng dụng rộng rãi trong thiết bị điện cao áp.
+ Cáp rôn: vật liệu có tính chịu hồ quang cao được dùng chế tạo làm khung cuộn dây, màng và sợi cách điện
+ Cáp san: vật liệu trong suốt theo dạng màng cách điện thường dùng để cách điện rãnh máy điện hạ áp và trong tụ điện
Polyfocmandêhit là một loại vật liệu rắn và cứng, nổi bật với khả năng chống mài mòn và chống ma sát cao Các chi tiết được sản xuất từ chất liệu này thường được chế tạo thông qua phương pháp đúc áp lực.
Bảng 2.1 Đặc tính của Hêtiắc, Téctôlít, Téctôlít thủy tinh
Hêtinắc Téc tolit Tec tolit thủy tinh
Giới hạn bền kéo theo chiều dọc, kG/cm 2 , không nhỏ hơn
Giới hạn bền uốn theo chiều thẳng góc với lớp cách điện, kG/cm 2 , không nhỏ hơn
1000 1300 1200 1100 Ứng suất dai và đập theo chiều thẳng góc với lớp cách điện, kG/cm 2 , không dưới
13 20 25 50 Độ bền nhiệt 0 C không tháp hơn 150 150 125 185 Điện trở suất khối ρv (Ω.cm) không dưới 10 11 10 10 10 9 10 10
Nhựa là một nhóm vật liệu đa dạng về nguồn gốc và bản chất, nhưng có nhiều đặc điểm chung về hóa học và vật lý Ở nhiệt độ thấp, nhựa tồn tại dưới dạng vô định hình, trong khi ở nhiệt độ cao, nó trở nên dẻo và sau đó hóa lỏng, cho thấy nhiệt độ hóa lỏng không rõ ràng Hầu hết nhựa dùng trong kỹ thuật cách điện không hòa tan trong nước và ít hút ẩm, nhưng lại hòa tan trong các dung môi hữu cơ Nhựa có tính kết dính và khi chuyển từ lỏng sang rắn, nó gắn chặt vào bề mặt tiếp xúc Trong lĩnh vực cách điện, nhựa là thành phần quan trọng trong sơn, hỗn hợp, chất dẻo, và vật liệu xơ tổng hợp Nhựa được phân loại thành nhựa tự nhiên, nhựa nhân tạo và nhựa tổng hợp dựa trên nguồn gốc của chúng.
VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn điện
2.1.1 Khái niệm về vật liệu dẫn điện a Khái niệm:
Vật liệu dẫn điện là những chất có điện tích tự do trong trạng thái bình thường, cho phép chúng tạo thành dòng điện khi đặt trong trường điện Các loại vật liệu dẫn điện bao gồm chất rắn, chất lỏng và trong một số điều kiện, có thể là chất khí Ở dạng chất rắn, vật liệu dẫn điện chủ yếu là kim loại và hợp kim của chúng Ngoài ra, cũng có những chất không phải kim loại, như chất lỏng dẫn điện, kim loại ở trạng thái lỏng và các chất điện phân.
- Khí là hơi có thể trở nên dẫn điện ở cường độ điện trường lớn, chúng tạo nên ion hóa do va chạm hay sự ion hóa quang
- Vật liệu dẫn điện thể rắn (kim loại, hợp kim): 2 loại:
•Loại có điện dẫn cao: làm dây dẫn điện, cáp điện, dây quấn máy biến áp, máy điện…
•Loại có điện trở cao: dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện, đèn thắp sáng, biến trở, điện trở mẫu…
- Vật liệu dẫn điện thể lỏng (kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân): chỉ có thủy ngân là kim loại được sử dụng trong thực tế
2.1.2 Tính chất của vật liệu dẫn điện a Điện trở R Điện trở là đại lượng đặc trƣng cho khả năng cản trở dòng điện của vật dẫn; nó thể hiện mối quan hệ giữa điện thế không đổi đặt lên vật và dòng điện chạy qua trong vật dẫn đó
𝑆 trong đó: - điện trở suất của vật liệu mm 2 /m; l - là chiều dài dây dẫn (m)
S - tiết diện dây dẫn mm 2
Công thức thể hiện theo định luật ôm:
𝑅 =𝑈 𝐼 b Điện dẫn G Điện dẫn G của một dây dẫn là đại lượng nghịch đảo của điện trở R Điện dẫn G được tính với đơn vị là (1/Q) = (S) – Simen
Là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài và tiết diện là một đơn vị diện tích
Dòng điện đi trong vật dẫn được cho bởi công thức: i = n o S.V tb e trong đó: n0- nhiệt độ phàn tử mang điện; s - tiết diện vật dẫn;
Vtb- tốc độ chuyển động trung bình của điện tử dưới tác dụng của điện trường E; e - điện tích của phần tử mang điện
Thay Vtb = uE (u - độ di chuyển của phàn tử mang điện) vào, ta được dạng tổng quát
Điện dẫn suất, ký hiệu là Y, được định nghĩa là khả năng dẫn điện của vật liệu và là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất Công thức tính điện dẫn suất là Y = Iio.e.u.E = 1/ρ, trong đó ρ là điện trở suất.
𝜌 Điện trở suất và điện dẫn suất thay đổi rất lớn theo nhiệt độ e Tính dẫn điện:
Tính dẫn điện được phân biệt theo cơ cấu sự dẫn điện ở một trong hai dạng sau:
Vật dẫn loại một bao gồm kim loại rắn và lỏng, trong đó sự dẫn điện được hình thành nhờ vào sự chuyển động của các điện tử tự do Điều này cho thấy rằng vật liệu này có khả năng dẫn điện tốt nhờ vào cấu trúc điện tử của nó.
Vật dẫn loại hai, bao gồm các chất điện phân như dung dịch acid, bazơ và muối, dẫn điện nhờ sự di chuyển của các ion dưới tác động của điện trường Quá trình này dẫn đến sự thay đổi thành phần của dung dịch, đồng thời tạo ra các sản phẩm điện phân trên các điện cực.
2.1.3 Các tác nhân môi trưởng ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu a Ảnh hưởng của nhiệt độ: Điện trở suất của đa số kim loại và hợp kim đều tăng theo nhiệt độ, riêng điện trở suất của cácbon và của dung dịch điện phân giảm theo nhiệt độ
Thông thường, điện trở suất ở nhiệt độ sử dụng t2 được tính toán xuất phát từ nhiệt độ ti(ti thường là 20°C) theo công thức:
P t =P t i [ l+a(t 2 -ti)] (3.1) a - là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ (1/°C)
Qua nghiên cứu, người ta thấy: Các kim loại tinh khiết thì hệ số a gần như giống nhau và được lấy bằng: x = 4 10' 3 (1/°C) (3.2)
Bảng 3.1 trình bày nhiệt độ nóng chảy, điện trở suất p và hệ số thay đổi điện trở suất a theo nhiệt độ của các kim loại phổ biến trong kỹ thuật điện.
Bảng 3.1 Các đặc tỉnh vật ỉỷ chủ yếu của kìm ỉoạì (ở 20°C) dùng trong kỹ thuật điện
Kim loại Nhiệt độ nóng chảy
Điện trở suất có thể giảm do tác động của sự biến dạng, giúp cấu trúc kim loại trở nên chặt chẽ hơn và làm giảm sự hình thành các màng oxit Ảnh hưởng của áp suất cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Khi vật dẫn bị kéo hoặc nén, điện trở suất của nó sẽ thay đổi theo công thức p = po (l ± kơ), trong đó po là điện trở suất ban đầu, ơ là ứng suất cơ khí, và k là hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất Dấu (+) biểu thị biến dạng do kéo, trong khi dấu (-) thể hiện biến dạng do nén.
Sự thay đổi của áp suất (p) khi kéo hoặc nén kim loại liên quan đến biên độ dao động của mạng tinh thể: khi kéo, áp suất p tăng lên, trong khi khi nén, áp suất p giảm xuống Các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình này.
- Tạp chất phi kim có trong kim loại cũng có thể làm p tăng
- Thực nghiệm cho thấy điện trở suất còn chịu ảnh hưởng của trường từ và ảnh hưởng của ánh sáng
2.1.4 Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt động
Khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc, chúng tạo ra một hiệu điện thế gọi là hiệu điện thế tiếp xúc Hiện tượng này xảy ra do sự khác biệt trong công thoát của từng kim loại, dẫn đến số lượng điện tử tự do không giống nhau giữa các kim loại hoặc hợp kim.
Suất điện động nhiệt điện:
Hiện tượng nhiệt điện xảy ra khi một mạch điện kín gồm hai vật dẫn khác nhau được giữ ở hai nhiệt độ khác nhau, tạo ra suất điện động nhiệt điện E Trong hiện tượng này, E đại diện cho suất điện động, và cặp dây dẫn hàn ở hai đầu được gọi là cặp nhiệt điện.
Công thức tính suất điện động nhiệt điện là:
E- suất điện động nhiệt điện (V); αT- : hệ số nhiệt điện động, phụ thuộc vào bản chất của hai loại vật liệu dùng làm cặp nhiệt điện Đơn vị: V.K -1 ;
T1-T2- hiệu nhiệt độ ở đầu nóng và đầu lạnh (K)
Các loại cặp nhiệt điện thường dùng được biểu diễn trong bảng 3.2
Bảng 3.2 Các loại cặp nhiệt điện thường dùng
Hiệu điện thế tiếp xúc là yếu tố quan trọng trong hiện tượng ăn mòn điện hóa và được ứng dụng trong các thiết bị đo lường, đặc biệt trong việc chế tạo các cặp nhiệt ngẫu để đo nhiệt độ Bảng thế điện hóa của các kim loại so với Hydro (bảng 3.3) cung cấp thông tin cần thiết cho các ứng dụng này.
Bảng 3.3 Bảng thể điện hóa của các kìm loại so với Hyđrô
Kim loại Thê điện hóa Kim loại Thê điện hóa
Tính chất chung của kim loại và hợp kim
2.2.1 Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim Đầu tiên, vật liệu kim loại có vai trò quyết định đến sự phát triển của xã hội và kỹ thuật Đó là vật liệu cơ bản để chế tạo ra những máy móc và những công cụ phục vụ cho sản xuất và hầu hết các ngành kinh tế quốc dân
Kim loại và hợp kim là nguyên liệu thiết yếu trong việc sản xuất máy móc và thiết bị cho mọi lĩnh vực kinh tế, đời sống và xã hội Sự thiếu hụt các nguyên vật liệu này sẽ dẫn đến sự không tồn tại của xã hội và cơ sở vật chất hiện đại như chúng ta thấy ngày nay.
2.2.2.1 Tính chất lý học: a Vẻ sáng mặt ngoài của kim loại:
Theo vẻ sáng bề ngoài của kim của kim loại đƣợc chia thành hai loại sau:
- Kim loại và hợp kim đen: gồm sắt và các hợp kim của sắt, tức là gang và thép
- Kim loại màu và hợp kim màu: là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại b Trọng lượng riêng:
Trọng lượng riêng là trọng lượng của một đợn vị thể tích của vật:
Kim loại có tính chảy loảng khi được đốt nóng và đông đặc khi làm nguội, với điểm nóng chảy là nhiệt độ mà kim loại chuyển từ thể rắn sang thể lỏng hoàn toàn, rất quan trọng trong công nghệ đúc Điểm nóng chảy của các hợp kim thường khác biệt so với từng kim loại tạo nên chúng Ngoài ra, tính dẫn nhiệt của kim loại cho thấy khả năng truyền nhiệt khi bị đốt nóng hoặc làm lạnh; kim loại có tính dẫn nhiệt tốt sẽ nóng lên nhanh và đồng đều, đồng thời cũng nguội nhanh hơn Cuối cùng, tính giãn nở nhiệt của kim loại thể hiện sự giản nở khi bị đốt nóng và co lại khi làm nguội.
Sự giản nở nhiệt của các kim loại khác nhau được đánh giá thông qua việc đo độ giản dài của vật khi nhiệt độ thay đổi 1 độ C, với giá trị này được gọi là hệ số giản nở nhiệt theo chiều dài Bên cạnh đó, tính dẫn điện của kim loại cũng là một yếu tố quan trọng, phản ánh khả năng dẫn điện của chúng khi nhiệt độ tăng cao.
Tính dẫn điện của kim loại giảm khi nhiệt độ giảm, và ở nhiệt độ 0 K, điện trở của kim loại trở về không Tính nhiễm từ là khả năng của kim loại bị từ hóa khi đặt trong từ trường; sắt và hầu hết các hợp kim của sắt có tính nhiễm từ, trong khi niken và coban cũng thuộc loại này và được gọi là chất sắt từ Ngược lại, hầu hết các kim loại khác không có tính nhiễm từ Nhiệt dung riêng của kim loại là nhiệt độ cần thiết để tăng nhiệt độ của kim loại lên 1 độ C.
Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim thể hiện khả năng phản ứng với môi trường hóa học khác nhau, được phân loại chủ yếu thành hai dạng.
Tính chống ăn mòn: là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay ôxi của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao
Tính chịu axít: là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axít
Cơ tính của kim loại, hay còn gọi là tính chất cơ học, là khả năng của kim loại trong việc chống lại các tác động từ bên ngoài Các yếu tố chính của cơ tính bao gồm độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va chạm và độ mỏi.
Tính công nghệ của kim loại là khả năng thực hiện các phương pháp sản xuất sản phẩm, bao gồm tính cắt gọt, tính hàn, tính rèn, tính đúc và tính nhiệt luyện Tính cắt gọt thể hiện khả năng gia công của kim loại qua tốc độ cắt, lực cắt và độ bóng bề mặt sau khi cắt Tính hàn liên quan đến khả năng tạo liên kết khi nung nóng chỗ nối đến trạng thái chảy hoặc dẻo Tính rèn là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại dưới tác dụng của lực mà không bị phá hỏng, trong khi tính đúc được xác định bởi độ chảy loãng của kim loại khi nấu chảy và các yếu tố như độ co và tính thiên tích Cuối cùng, tính nhiệt luyện là khả năng thay đổi độ cứng, độ dẻo và độ bền của kim loại.
Những hư hỏng thường và cách chọn vật liệu dẫn điện
Nung nóng kim loại đến nhiệt độ nhất định và giữ trong thời gian quy định trước khi làm nguội sẽ tạo ra những thay đổi khác nhau ở các kim loại Một số kim loại có sự thay đổi lớn, trong khi một số khác chỉ thay đổi ít hoặc gần như không thay đổi Tính kéo giãn là khả năng của vật liệu được gia công thành sợi, đòi hỏi cấu trúc chắc chắn và độ dẻo dai cao, đặc biệt quan trọng trong công nghệ chế tạo dây dẫn điện.
2.2.2.5 Tính già hóa của kim loại:
Tính già hóa của kim loại là sự biến đổi của các đặc tính kim loại hoặc hợp kim theo thời gian Ở nhiệt độ môi trường xung quanh, quá trình này diễn ra tự nhiên sau một thời gian dài, trong khi ở nhiệt độ cao hơn, tính già hóa xảy ra nhanh chóng hơn, được gọi là tính già hóa nhân tạo.
2.3 Những hư hỏng thường gặp và cách chọn vật liệu dẫn điện
2.3.1 Những hư hỏng thường gặp
Trong vật liệu dẫn điện thường gặp những hiện tượng hư hỏng sau:
- Tính dẫn điện của chúng giảm đi đáng kể sau thời giam là việc lâu dài
- Hay bị gãy hoặc bị biến dạng do chịu tác dụng của lực cơ khí, lực điện động và nhiệt độ cao gây ra
- Bị ăn mòn hóa học do tác dụng của môi trường hoặc của các dung môi
2.3.2 Cách chọn vật liệu dẫn điện
Khi chọn vật liệu dẫn điện, cần đảm bảo các yêu cầu về tính chất lý hóa phù hợp với mục đích sử dụng Thông thường, vật liệu phải đáp ứng các tiêu chí như độ dẫn điện, độ bền cơ học và khả năng chịu nhiệt để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong ứng dụng.
- Độ dẫn điện phải tốt
- Có sức bền cơ khí, đảm bảo được điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt
- Có khả năng kết hợp được với các kim loại khác thành hợp kim
- Phải đảm bảo được tính chất lý học như: tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở nhiệt
- Đảm bảo được tính chất hóa học: tính chống ăn mòn do tác dụng của môi trường và các dung môi gây ra
- Đảm bảo được tính chất cơ học
Một số vật liệu dẫn điện thông dụng
Kim loại có điện trở suất ρ nhỏ (hay điện dẫn suất Y lớn) là vật dẫn điện tốt Đồng, nhôm,
45 sắt, kẽm, vàng, bạc và hợp kim của chúng là những chất dẫn điện tốt
2.4.1 Đồng và hợp kim của đồng a Đồng (Cu) Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất trong tất cả các vật liệu dẫn điện dùng trong kỹ thuật điện vì nó có những ưu điểm nổi trội so với các vật liệu dẫn điện khác
- Là kim loại có màu đỏ nhạt sáng rực
- Điện trở suất peu nhỏ (chỉ lớn hơn so với bạc Ag nhưng do bạc đắt tiền hơn nên ít được dùng so với đồng)
- Có sức bền cơ giới đủ lớn
- Trong đa số trường hợp có thể chịu được tác dụng ăn mòn (có sức đề kháng tốt đối với sự ăn mòn)
- Dễ gia công: cán mỏng thành lá, kéo thành sợi
- Có khả năng tạo thành hợp kim tốt
Đồng là một kim loại hiếm, chiếm khoảng 0,01% trong lòng đất Để sử dụng trong kỹ thuật điện, đồng cần được tinh luyện qua quá trình điện phân, vì ngay cả một lượng tạp chất rất nhỏ cũng có thể làm giảm đáng kể tính dẫn điện của nó.
Nghiên cứu cho thấy rằng khi đồng chứa 0,5% Zn, Ni hoặc Al, điện dẫn suất của nó (Ỵcu) sẽ giảm từ 25% đến 40% Đặc biệt, nếu đồng có 0,5% Ba, As, P hoặc Si, mức giảm điện dẫn suất có thể lên đến 55%.
Vì vậy để làm vật dẫn, thường chỉ dùng đồng điện phân chứa trên 99,9% Cu
* Điện trở suất và các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suấtt Đồng được tiêu chuẩn hóa trên thị trường quốc tế ở 20°c có:
Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất
- ảnh hưởng của các tạp chất
- ảnh hưởng của gia công cơ khí
- ảnh hưởng của quá trình sử lý nhiệt
Nhìn chung các ảnh hưởng trên đều giảm điện dẫn suất của đồng
- Đồng khi kéo nguội được gọi là đồng cứng: nó có sức bền cao, độ giãn dài nhỏ, rắn và đàn hồi (khi uốn)
Đồng mềm là loại đồng được nung nóng và sau đó để nguội, có tính chất ít rắn hơn đồng cứng Loại đồng này có sức bền cơ giới kém, độ giãn dài khi bị đứt rất lớn và đặc biệt có điện dẫn suất cao.
Đồng công nghiệp là loại đồng tinh chế, được phân loại dựa trên mức độ tinh khiết và các tạp chất có trong nó.
Bảng 3.4 Mức độ tinh khiết của đồng
Trong kỹ thuật người ta sử dụng đồng điện phân CuE và Cu9 để làm dây dẫn điện
* Tính chẩi cơ học và các yếu tố ảnh hưởng:
Chất thêm vào như Al, Zn, Ni có tác động tích cực đến sức bền cơ khí của đồng, vì vậy việc sử dụng các hợp kim đồng ngày càng phổ biến.
- Ảnh hưởng của gia công cơ khí:
+ Ở trạng thái ủ nhiệt (mềm) độ bền đứt khi kéo: 𝜎k = 22kG/cm 2
Khi kéo thành sợi đồng ở nhiệt độ thường, sức bền cơ khí đạt 45 kG/cm² Tuy nhiên, để dễ dàng sử dụng, cần gia nhiệt vật liệu đồng Cần lưu ý rằng sức bền cơ khí của đồng sẽ giảm xuống 35 kG/cm² khi nhiệt độ đạt 77°C sau khoảng 80 ngày Do đó, các quy định kỹ thuật cần đảm bảo rằng nhiệt độ của dây dẫn trần không vượt quá 70°C để duy trì hiệu suất và độ bền của vật liệu.
* Các đặc tính hóa học và sự đề kháng đối với sự ăn mòn :
- Ơ nhiệt độ thường , đồng là vật liệu có sức đề kháng tốt với sự ăn mòn ( do Đồng có điện hóa lớn +0,340 so với H là +0,000)
Đồng có khả năng chống chịu tốt trước tác động của nước và thời tiết xấu, nhờ vào việc hình thành lớp ôxit đồng bảo vệ.
Đồng cứng được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cơ học cao và khả năng chống mài mòn, chẳng hạn như trong cổ góp điện, thanh dẫn tại tủ phân phối, thanh cái ở trạm biến áp, lưỡi dao chính của cầu dao và các tiếp điểm trong thiết bị bảo vệ.
Đồng mềm là vật liệu lý tưởng cho những ứng dụng yêu cầu độ uốn lớn và sức bền cơ giới cao, như trong ruột dẫn điện cáp, thanh góp điện áp cao, dây dẫn điện và dây quấn trong các máy điện.
Ký hiệu CuE Cu9 Cu5 CuO
Hợp kim của đồng là loại hợp kim có thành phần chính là đồng, nổi bật với sức bền cơ khí cao, độ cứng lớn và tính dẻo dai tốt Ngoài ra, hợp kim này còn có màu sắc đẹp và khả năng nóng chảy dễ dàng, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Hợp kim đồng có khả năng được đúc thành các hình dạng phức tạp và dễ dàng gia công bằng máy công cụ Ngoài ra, chúng có thể được phủ lên bề mặt kim loại khác thông qua phương pháp mạ điện Các hợp kim đồng chủ yếu được sử dụng trong kỹ thuật điện bao gồm đồng thanh, đồng thau và các hợp kim chuyên dụng để làm điện trở.
Ngoài việc sử dụng đồng tinh khiết làm vật dẫn, các hợp kim đồng với thiếc, silic, phốtpho, bêrili, crôm, mangan, và cadmi cũng được ứng dụng, trong đó đồng giữ vai trò chủ yếu Các hợp kim này được phân loại dựa trên hàm lượng và thành phần của các chất có trong đồng.
Đồng thanh, hay còn gọi là đồng đỏ, là một hợp kim được tạo thành từ đồng kết hợp với một số kim loại khác nhằm tăng cường độ cứng, sức bền và khả năng nóng chảy.
Tuỳ theo các vật liệu thêm vào, người ta phân biệt:
Bảng2.5 Các tính chất vật lỷ hóa học chính của đồng điện phân Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu
Trọng lượng riêng Kg/dm 3 8,90 Điện trở suất ở nhiệt độ 20°c Qmm 2 /m
- Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt l/°c 0,00393 độ(ỞO° c- 150°c) 3,92
- Nhiệt dẫn suất w/cm.grd 0,938
- Nhiệt độ nóng chảy Calo/cm.s.grd °c 1083
- Nhiệt lượng riêng trung bình ở 25°c °c 0,0918
- Điểm sôi ở 760mm cột thủy ngân Kcal/kg.grd 2325
- Hệ số giãn nở dài trung bình ở 20°c °c 16,42.10" 6
- Nhiệt độ kết tinh lại 1/độ (grd) 200
- Sức bền đứt khi kéo kG/mm 2
Thế điện hóa so với H V +0,34
+ Đồng thanh với thiếc và kẽm
Đồng thanh là vật liệu chủ yếu được sử dụng trong việc chế tạo các chi tiết dẫn điện cho máy điện và thiết bị điện Nó đóng vai trò quan trọng trong việc gia công các chi tiết nối và giữ dây dẫn, bao gồm ốc vít, đai cho hệ thống nối đất, cổ góp điện, cũng như các giá đỡ và giữ khác.
VẬT LIỆU DẪN TỪ
Khái niệm và tính chất vật liệu dẫn từ
Khi dòng điện đi qua một môi trường vật chất, cảm ứng từ trong môi trường này sẽ khác với cảm ứng từ trong chân không do cùng một dòng điện gây ra.
Khi môi trường vật chất nằm trong từ trường của dòng điện, nó sẽ xuất hiện thêm một từ trường phụ, và được gọi là môi trường nhiễm từ Chất có khả năng nhiễm từ được gọi là chất từ hay vật liệu từ Ampe là người đầu tiên đưa ra giả thuyết về các dòng điện kín trong nam châm, gọi là dòng điện phân tử, cho rằng từ trường của nam châm chính là từ trường của các dòng điện này Ngày nay, chúng ta hiểu rằng dòng điện phân tử được hình thành từ sự chuyển động của các điện tử trong nguyên tử, phân tử Khái niệm dòng điện phân tử có thể giải thích sự nhiễm từ của các chất thuận từ và nghịch từ, nhưng sự nhiễm từ của các chất sắt từ cần một lý thuyết khác để giải thích.
Tuy nhiên cái chính của giả thuyết Ampe là dòng điện sinh ra từ trường thì vẫn giữ nguyên giá trị
2.1.2 Tính chất của vật liệu dẫn từ
- Hệ số từ thẩm μ của vật liệu sẳi từ rẩt lớn
Hệ số từ thẩm lớn nhất μ của một số chất ở bảng 4.1
Bảng 4.1 Hệ số thẩm từ của một số chất
TT Vật liệu sắt từ Hệ số μ
3 Thép Silic Kỹ thuật điện 15.000
5 Siêu hợp kim (79%Ni, 15% Fe, 5% Mo, 0,5% Mn) 1.500.000
- Hệ số từ thẩm μ của vật liệu sắt từ không phải là hằng số
Quá trình từ hoá của vật liệu từ được thể hiện qua mối quan hệ giữa từ cảm B và cường độ từ trường H, được mô tả bằng đường cong từ hoá B = f(H), không phải là đường thẳng Đường cong từ hoá của các vật liệu sắt từ thường có hình dạng tương tự nhau Đường cong này được gọi là đường cong từ hoá ban đầu, trong đó khi tăng dòng điện từ hoá trong cuộn dây, cường độ từ trường H và cảm ứng từ B đều tăng theo, thể hiện qua đoạn OA của đồ thị.
Khi cường độ từ trường H tiếp tục tăng, độ từ hóa B tăng chậm lại, cho thấy giai đoạn gần bão hòa Hệ số từ thẩm giảm dần và khi H đạt đến giá trị đủ lớn Q, độ từ cảm B gần như không còn tăng thêm, bước vào giai đoạn bão hòa Hình 4.1 minh họa đường cong từ hóa cơ bản trong quá trình này.
2.1.3 Các đặc tính của vật liệu dẫn từ
Các nguyên tố có tính chất sắt từ bao gồm sắt cacbon, niken, và các hợp kim của chúng, cùng với côban Tính từ tính của vật liệu chủ yếu xuất phát từ sự chuyển động của các điện tích theo quỹ đạo kín, tạo ra dòng điện vòng, bao gồm sự quay của các điện tử quanh trục và sự quay theo quỹ đạo trong nguyên tử Hiện tượng sắt từ xảy ra ở một số vật liệu khi nhiệt độ giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định.
Khi đạt đến 60 độ nhất định, các điện tử trong vật liệu sắt từ sẽ phân thành các vùng gọi là đômen tử, trong đó chúng định hướng song song với nhau Tính chất đặc trưng của trạng thái sắt từ là sự xuất hiện của độ nhiễm từ tự phát ngay cả khi không có từ trường bên ngoài Mặc dù các đômen có mômen từ tự phát, hướng của chúng lại rất khác nhau Các chất sắt từ đơn tinh thể cho thấy khả năng từ hóa dị hướng, với mức độ từ hóa khác nhau theo các trục Đối với các chất sắt từ đa tinh thể, tính dị hướng thể hiện rõ rệt, được gọi là cấu tạo thớ từ tính Việc tạo ra thớ từ theo ý muốn có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật, giúp nâng cao đặc tính từ của vật liệu theo hướng xác định Quá trình từ hóa vật liệu sắt từ dưới ảnh hưởng của từ trường bên ngoài bao gồm nhiều hiện tượng phức tạp.
Tăng thể tích các đômen có mômen từ theo hướng từ trường góc nhỏ nhất và giảm kích thước các đômen khác là quá trình chuyển dịch mặt phân cách giữa các đômen.
Quá trình định hướng véc tơ mômen từ hóa trong vật liệu sắt từ diễn ra dưới tác động của từ trường ngoài, được đặc trưng bởi đường cong từ hóa B = f(H) tương tự cho tất cả các vật liệu sắt từ Khi tiến hành từ hóa đơn tinh thể, kích thước của chúng có thể thay đổi Tuy nhiên, quá trình từ hóa lại trong từ trường biến đổi luôn gây ra tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt, chủ yếu do tổn hao từ trễ và tổn hao động học Tổn hao động học xuất phát từ dòng điện xoáy cảm ứng trong vật liệu sắt từ và ảnh hưởng của độ nhớt từ Đặc biệt, tổn hao dòng điện xoáy tỷ lệ thuận với điện trở, do đó, điện trở suất cao của vật liệu sắt từ sẽ dẫn đến tổn hao dòng điện xoáy thấp hơn.
1 Chẩt thuận từ: là chất có độ từ thẩm μ > 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài Loại này gồm có oxy, nitơ, oxyt, muối sắt, muối côban, muối niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim
2 Chất nghịch từ: là chất có độ từ thẩm μ < 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài Loại này gồm có hydro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, antimon, gali,
Chất thuận từ và nghịch từ đều có độ từ thẩm gần bằng 1, với ví dụ điển hình là nhôm có độ từ thẩm μ = 1,000023, trong khi đồng, một chất nghịch từ, có μ = 0,999995.
3 Chất đẫn từ: là chất cú độ từ thẩm μ ằ 1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài Loại
61 này gồm có sắt, niken, côban và các hợp kim của chúng, hợp kim crôm - mangan, gađôlonit và ferit có các thành phàn khác nhau
Tính từ dư thể hiện ở chỗ khi đã cắt bỏ từ trường ngoài (cho H = B
0, khi cắt bỏ dòng điện từ hoá trong A các cuộn dây) thì chất sắt từ vẫn còn giữ từ tính (duy trì một từ trường có từ cảm B)
Trong quá trình nghiên cứu, tỉnh chất từ dư được khảo sát thông qua việc thay đổi chiều và cường độ của từ trường H tác động lên môi trường sắt từ.
Đường cong B = f(H) trong vật liệu sắt từ thể hiện mối quan hệ giữa từ trường H và từ cảm B Khi dòng điện từ hoá trong cuộn dây tăng, từ trường H và từ cảm B đều tăng theo đoạn OA Tuy nhiên, khi H giảm, B cũng giảm theo đường ACA.
Khi tăng từ trường H tại điểm A’, cảm B cũng sẽ tăng theo đường A’C’A Đường cong ACA’C’A mô tả quá trình từ hoá và được gọi là chu trình từ trễ.
Khi từ hóa vật liệu sắt từ, sự thay đổi của cường độ từ trường về cả trị số và chiều sẽ dẫn đến sự biến thiên chậm trễ của từ cảm B trong vật liệu sắt từ.
Các kết quả của quá trình từ trễ cần chú ý:
- Từ dư Bđ : Khi từ trường H = 0 thì từ cảm B trong lõi thép vẫn còn trị số Bd gọi là cảm ứng từ dư
Mạch từ và tính toán mạch từ
2.2.1 Các công thức cơ bản
Các thiết bị điện như rơle, công tắc tơ, khởi động từ và áp tô mát đều có bộ phận chuyển đổi điện năng thành cơ năng, bao gồm cuộn dây và mạch từ, được gọi là cơ cấu điện từ Cơ cấu này được phân thành hai loại: xoay chiều và một chiều Để hiểu rõ các quy luật điện từ, cần nghiên cứu mạch từ và áp dụng các phương pháp tính toán liên quan.
Hình 4.3 Cấu tạo mạch từ
Mạch từ được chia làm các phần:
- Khe hở không khí phụ 5p và khe hở không khí chính
Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, từ thông trong cuộn dây được chia thành ba thành phần chính Thứ nhất, từ thông chính là thành phần đi qua khe hở không khí, được gọi là từ thông làm việc Thứ hai, từ thông tản là thành phần phát ra ngoài không gian xung quanh Cuối cùng, từ thông rũ là thành phần không đi qua khe hở không khí mà tồn tại trong không gian giữa lõi và thân mạch từ.
Tính toán mạch từ thực chất là gỉảỉ hai bàỉ toán:
- Bài toán thuận: Biết từ thông tính sức từ động
F = IW loại này gặp khi thiết kế một cơ cấu điện từ mới
- Bài toán nghịch : biết sức từ động F = IW tính từ thông (gặp khi kiềm nghiệm các cơ cấu điện từ có sẵn)
1- Thân mạch từ; 2 Nắp mạch từ ;3 Cuộn dây
63 Để giải quyết được hai bài toán trên cần phải dựa vào các cơ sở lí thuyết sau:
- Biết đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ
- Nắm vững các định luật cơ bản về mạch từ
- Biết được từ dẫn khe hở
Các lý thuyết cơ sở Đường cong từ hóa B = f(H) được biểu diễn trên hình 4.4
- Định luật Kiếc Khép 1 cho mạch từ: Tổng đại số các đường sức từ vào một nút bằng không.
Định luật Kiếc Khốp 2 cho mạch từ nêu rõ rằng tổng đại số độ sụt từ áp trong một mạch từ kín bằng tổng đại số các sức từ động tác dụng trong mạch đó.
Mạch từ có độ từ thẩm cao hơn nhiều so với không khí, do đó, từ trở của toàn bộ mạch từ chủ yếu phụ thuộc vào từ trở của khe hở không khí Trong các tính toán, thường áp dụng công thức từ dẫn G = 1/Rm để xác định giá trị này.
2.2.2 Sơ đồ thay thế của mạch từ
Để tính từ dẫn khe hở bằng phương pháp phân chia từ trường, ta chia từ trường thành 17 phần nhỏ, đảm bảo mỗi phần có từ trường phân bố đều với các đường sức từ song song nhau Nhờ đó, ta có thể áp dụng công thức cơ bản tính từ dẫn đã đề cập trước đó.
+) 1 hình hộp chữ nhật thể tích: a b ỗ
+) 4 hình 1/4 trụ tròn có đường kính 2 chiều cao a và b
+) 4 hình trụ 1/4 rỗng có đường kính trong 2𝛿 đường kính ngoài 2𝛿 +2m
Hình 4.4 Đường cong từ hó
Phương pháp này có ưu điểm là tính chính xác, rõ ràng và dễ kiểm tra Tuy nhiên, nhược điểm của nó là có nhiều công thức, nên chỉ nên được sử dụng cho mục đích kiểm nghiệm.
Mạch từ xoay chiều khác với mạch từ một chiều do một số đặc điểm quan trọng Trong mạch từ xoay chiều, dòng điện i biến thiên theo thời gian với biểu thức i = Im Sin αt, dẫn đến hiện tượng từ trễ và dòng xoáy Dòng điện trong cuộn dây phụ thuộc vào điện kháng, mà điện kháng lại chịu ảnh hưởng từ từ dẫn của mạch từ Khi từ trở toàn mạch từ tăng lên (do khe hở không khí lớn hơn), điện kháng giảm, dẫn đến dòng điện trong cuộn dây cũng giảm Khi nắp mạch từ mở, dòng điện có thể dao động trong khoảng I = (4-15) Iđm.
Chú ý: khỉ đóng điện cơ cấu điện từ, phải kiểm tra nắp xem đóng chưa, nếu nắp mở có thể làm cuộn dây bị cháy
Lực hút điện từ F biến thiên theo thời gian, với các thời điểm F = 0 và F = Fmax, dẫn đến hiện tượng rung lắc trong mạch từ Để hạn chế rung, người ta sử dụng vòng ngắn mạch Sự biến thiên của từ thông tạo ra sức điện động trong vòng ngắn mạch, gây ra dòng điện trong mạch khép kín, làm cho vòng ngắn mạch nóng lên Số vòng ngắn mạch được ký hiệu là Wnm, thường là 1 vòng, theo định luật toàn dòng điện.
𝑟 𝑛𝑚 là từ kháng của vòng ngắn mạch thì có: 2𝐼𝑊 ∅ 𝑚 [(𝑅 𝛿 + 𝑅 𝑡 ) + 𝑗𝑥 𝑡 ]
Trong mạch từ xoay chiều, công thức 𝑍 𝑡 = 𝑅 𝛿 + 𝑅 𝑡 + 𝑗𝑋 𝑡 cho thấy rằng Rt là từ trở mạch từ, với đặc điểm là từ kháng tiêu thụ công suất tác dụng Ngoài ra, tổn hao dòng xoáy và từ trễ trong mạch từ xoay chiều gây nóng mạch, có thể được xem như tổn hao trong vòng ngắn mạch Công suất hao tổn do dòng xoáy và từ trễ, ký hiệu là Pxt, có thể được biểu diễn tương đương như một vòng ngắn mạch.
𝜔∅ 𝑚 2 = 𝑋 𝑛𝑚 gọi là từ kháng thay thế tương đương đặc trưng cho tiêu hao công suất tác dụng do dòng xoáy và từ trễ d.Từ dẫn rò quy đổi
Khác với mạch một chiều vì:
- Sức từ động tổng F = IW sức từ động đoạn X là 𝐹 𝑥 = 𝐼𝑊 𝑥
𝑙 từ thông mắc vòng đoạn X là 𝜓 𝑟𝑥 = 𝑊 𝑥 ∅ 𝑟𝑥 Cuối cùng có: 𝐺 𝑟 = 𝑔.𝑙
3 là từ dẫn rò trong mạch xoay chiều.Cuối cùng có là từ dân rò trong mạch xoay chiều
Phương pháp tính toán mạch từ xoay chiều tương tự như mạch từ một chiều, nhưng cần lưu ý bốn đặc điểm quan trọng Ví dụ về mạch từ xoay chiều có thể tham khảo trong hình 4.5.
Hình 4.5 Mạch từ xoay chiều
1 Thân mạch từ; 2 Nắp mạch từ; 3 Cuộn dây; 4 Vòng ngắn mạch
Hình 4.6 Mạch từ đẳng trị a Khi nắp đóng; b Khi nắp mở
- Khi vẽ mạch từ đẳng trị phải xét đến tác dụng của vòng ngắn mạch, tổn hao dòng xoáy và từ trễ
- Khỉ nắp đóng, bỏ qua từ thông rò nhưng phải kể đến từ trễ và từ kháng mạch từ nên dạng như hình 4.6 a
Khi nắp mạch từ mở, có thể bỏ qua từ trở và từ kháng, nhưng cần xem xét từ thông lò Do đó, mạch từ đẳng trị sẽ có dạng như hình minh họa b.
2.2.4 Những hư hỏng thường gặp
- Mạch từ bị cong vênh nên mất nhiều từ thông tản
- Mạch từ bị lão hóa, cường độ từ cảm B giảm xuống dẫn đến khả năng dẫn từ kém
- Mạch từ ghép lỏng dẫn đến diện tích thực tế thiếu, khi làm việc sẽ tạo nên tiếng ồn và giảm công suất của thiết bị.
Một số vật liệu dẫn từ thông dụng
Vật liệu từ mềm được sử dụng làm mạch từ của các thiết bị và dụng cụ điện có từ trường không đồi hoặc biến đồi
Vật liệu từ mềm có đặc điểm là từ trường khử từ Hk nhỏ (dưới 400 A/m), độ từ thẩm μ lớn và tổn hao từ trễ nhỏ Các loại vật liệu sắt từ mềm bao gồm thép kỹ thuật, thép ít carbon, thép lá kỹ thuật điện, hợp kim sắt - niken (pecmaloi) và ferit Thép kỹ thuật, bao gồm cả gang, thường được sử dụng làm từ trường trong mạch từ không đổi nhờ vào cường độ từ cảm bão hoà cao (lên đến 2,2 Tesla) và hằng số từ thẩm lớn.
Thép lá kỹ thuật điện là hợp chất sắt-silic với tỷ lệ silic từ 1-4% Silic cải thiện các đặc tính từ của sắt, giúp tăng hằng số từ thầm, giảm cường độ khử từ và tăng điện trở suất, từ đó giảm dòng điện.
Fucô hay dòng điện xoáy là hiện tượng liên quan đến vật liệu từ tính Pecmaloi, một hợp kim sắt - niken với 22% Ni, có hằng số từ thẩm lớn gấp 10-50 lần so với thép lá kỹ thuật điện, cho phép đạt cường độ từ cảm bão hòa chỉ với cường độ từ trường nhỏ Ferit, được tạo ra từ bột oxýt sắt, kẽm và các nguyên tố khác, có điện trở suất rất lớn, gần như không dẫn điện, giúp dòng điện xoáy trong ferit rất nhỏ Điều này cho phép ferit được sử dụng trong mạch từ của từ trường biến thiên với tần số cao Ferit niken-kẽm, còn gọi là Oxyfe, có hằng số từ thẩm lớn, từ dư nhỏ và từ trường khử từ nhỏ, được ứng dụng rộng rãi trong các linh kiện điện tử, khuếch đại từ và máy tính.
2.3.2 Vật liệu sắt từ cứng
Vật liệu từ cứng được sử dụng để sản xuất nam châm vĩnh cửu, nổi bật với đặc tính có từ dư lớn Bảng 4.2 cung cấp thông tin về thành phần, từ dư và trường khử từ của một số vật liệu từ cứng.
Bảng 4.2 Thành phần một số vật liệu từ cứng
Thành phần tạp chất (%) trong sắt Từ trường khử từ
Cường độ từ từ cảm dư Bd
Al Cr Co Ni Cu Si
2.3.3 Các vật liệu sắt từ có công dụng đặc biệt
2.3.3.1 Các chất sắt từ mềm đặc biệt
Các vật liệu từ mềm được phân loại thành các nhóm dựa trên các tính chất từ đặc biệt của chúng Một trong những nhóm đó là các hợp kim có độ từ thẩm thay đổi rất ít khi cường độ từ trường không đổi Hợp kim tiêu biểu cho nhóm này là pecminva, được tạo thành từ ba nguyên tố.
Hợp kim Fe – Ni – Co với tỷ lệ thành phần 25%, 45% và 30% được ủ ở nhiệt độ 1000 °C, sau đó giữ ở khoảng 400 đến 500 °C và làm nguội chậm Pecminva có lực kháng từ nhỏ, với độ từ thẩm ban đầu là 300, giữ ổn định trong cường độ trường đến 3 oersted và cảm ứng từ 1000 gauss Tuy nhiên, Pecminva có độ ổn định từ kém, nhạy cảm với nhiệt độ và ứng suất cơ, trong khi độ từ thẩm của các hợp kim này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.
Hợp kim nhiệt từ bao gồm Ni – Cu, Fe – Ni và Fe – Ni – Cr, được sử dụng để bù đắp sai số nhiệt độ trong các thiết bị Sai số này phát sinh do sự biến đổi từ tính của nam châm vĩnh cửu hoặc điện trở của dây dẫn khi nhiệt độ môi trường khác với nhiệt độ lúc khắc độ Độ từ thẩm của các hợp kim này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, với tính chất của các chất sắt từ là cảm ứng từ giảm khi nhiệt độ tăng gần đến điểm Quy ri Điểm Quy ri của các chất sắt từ nằm trong khoảng 0 đến 100 độ C, tùy thuộc vào nguyên tố hợp kim hóa phụ Hợp kim Ni – Cu với hàm lượng 30% Cu có khả năng bù sai số trong khoảng nhiệt độ từ 20 độ C.
80) 0 C; với 40% Cu từ (- 50 đến 10) 0 C c Các hợp kim có độ từ giảo cao
Các hợp kim Fe – Cr, Fe – Co và Fe – Al được sử dụng làm lõi cho máy phát dao động âm ở tần số âm thanh và siêu âm, với độ từ giảo dương Để chế tạo, niken lá mỏng tinh khiết có độ từ giảo âm có thể được sử dụng Những hợp kim này có độ từ giảo bảo hòa rất cao, đặc biệt là hợp kim Fe – Co có từ cảm bảo hòa lên đến 24000 gauss Mặc dù điện trở của hợp kim không lớn, nhưng hợp kim Pecmenđuyara, chứa 50-70% côban, có giá thành cao và thường chỉ được sử dụng trong các thiết bị đặc biệt như loa động, màng ống điện thoại và dao động ký.
Ferít là loại gốm có khả năng dẫn điện rất thấp, thuộc nhóm vật liệu bán dẫn điện tử Với trị số điện trở suất cao, ferít gây ra tổn hao năng lượng đáng kể ở các tần số cao.
Ferít có kích thước tương đối nhỏ và tính chất từ tốt, nên được sử dụng rộng rãi ở tần số cao Có ba loại ferít: ferít từ mềm, có từ cảm lớn (trên 3000 gauss) và lực kháng từ nhỏ (khoảng 0,2 oersted) Ferít với trị số độ từ thẩm lớn có tổn hao lớn và tăng nhanh khi tần số tăng, trong khi hằng số điện môi tương đối lớn nhưng giảm khi tần số tăng Tang góc tổn hao của ferít dao động từ 0,005 đến 0,1, và hiện tượng từ giảo xuất hiện với mức độ khác nhau ở các loại ferít khác nhau Thông số đặc tính của vật liệu ferít được trình bày trong bảng 4.3.
Bảng 4.3 Các đặc tính vật liệu của Ferit
Hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài αl.độ -1 Điện trở suất ρ, Ω.cm
Hiện nay người ta thường sử dụng các nhóm ferít hỗn hợp như: mangan – kẽm; niken – kẽm, liti – kẽm b Ferít từ cao tần
Ngoài ferít từ mềm, vật liệu kỹ thuật điện như thép kỹ thuật điện và pecmalôi cán nguội có thể được sử dụng ở tần số cao, với bề dày tấm thép đạt từ 25-30μm Tính chất từ của vật liệu cán mỏng tương tự như khi chưa cán, nhưng chi phí cao hơn và công nghệ lắp ghép mạch từ phức tạp hơn Vật liệu điện môi từ được chế tạo bằng cách nén bột sắt từ kết hợp với chất kết dính cách điện hữu cơ hoặc vô cơ, như sắt cácbonyl, pécmalôi, và alusife Chất dính cách điện thường là nhựa phenol-formandehit, polistirol, hoặc thủy tinh Các chất sắt từ cần có từ tính cao, trong khi chất kết dính phải tạo thành lớp cách điện liên tục giữa các hạt ferít, với độ dày đồng nhất và độ bền kết dính tốt Ferít có vòng từ trễ chữ nhật.
Ferít có vòng từ trễ chữ nhật đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật máy tính, đặc biệt là trong việc chế tạo bộ nhớ Vật liệu này và các sản phẩm liên quan yêu cầu nhiều tiêu chuẩn đặc biệt Để mô tả chúng, người ta thường sử dụng một số tham số phụ, trong đó hệ số chữ nhật Kcn của chu trình từ trễ là một tham số cơ bản, được định nghĩa là tỉ số giữa cảm ứng từ dư Bdư và cảm ứng từ lớn nhất Bmax.
𝐵 𝑚𝑎𝑥 Để xác định Bmax thường đo nó ở trị số Hmax= 5Hk Hệ số Kcn càng gần tới 1 càng tốt
Ferít từ trễ chữ nhật khi sử dụng cần chú ý đến sự thay đổi tính chất của chúng theo nhiệt độ
Ví dụ khi nhiệt độ biến đổi từ -20 0 C đến 60 0 C thì lực kháng từ giảm (1,5 2) lần, cảm ứng từ giảm (5 35)%
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4
1 Trình bày khái niệm vật liệu từ? Nêu các đặc tính chủa vật liệu dẫn từ?
2 Thế nào là đường cong từ hóa? Trình bày đường cong từ hóa của một số vật liệu từ điển hình?
3 Trình bày khái niệm về mạch từ? Nêu các cách tính toán một số mạch từ đơn giản?
4 Nêu các định luật cơ bản về mạch từ? Thế nào là bài toán thuận, bài toán nghịch?
5 Từ một mạch từ hãy vẽ ra sơ đồ thay thế và nêu các đại lượng có trong sơ đồ?
6 Cho biết các hư hỏng thường xẩy ra của mạch từ?
7 Thế nào là vật liệu từ mềm, từ cứng và vật liệu từ có công dụng từ đặc biệt?
8 Nêu tính chất của thép lá kỹ thuật điện? Cách phân loại và giải thích các ký hiệu của thép lá kỹ thuật điện?
9 Nêu tính chất và công dụng của các loại vật liệu từ đã học?
