Khái ni ệ m, c ấ u t ạ o v ậ t li ệu điệ n
Khái ni ệ m
Vật liệu điện bao gồm tất cả các thành phần được sử dụng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn và phụ kiện đường dây Các loại vật liệu này được phân loại thành vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ Để hiểu rõ bản chất dẫn điện hay cách điện của từng loại vật liệu, cần nắm vững cấu tạo của chúng cũng như sự hình thành các phần tử mang điện bên trong.
C ấ u t ạ o nguyên t ử c ủ a v ậ t li ệ u
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 Bor, nguyên tử bao gồm hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm, chuyển động quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định Hạt nhân được tạo thành từ các proton mang điện tích dương và neutron không mang điện tích Ở trạng thái bình thường, nguyên tử có điện tích trung hòa Khi nguyên tử mất đi một hoặc nhiều electron, nó trở thành ion dương, trong khi nếu nhận thêm electron, nó sẽ trở thành ion âm.
Phân lo ạ i v ậ t li ệu điệ n
Phân lo ạ i v ậ t li ệu điệ n theo kh ả năng dẫn điệ n
Trên cơ sở giản đồ năng lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn
Vật liệu dẫn điện là chất có vùng tự do nằm sát với vùng điền đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy (W 0,2eV)
Vật liệu bán dẫn có vùng cấm hẹp hơn so với vật liệu cách điện, với độ rộng vùng cấm dao động từ 0,2 đến 1,5 eV Đặc biệt, vùng cấm này có thể thay đổi khi chịu tác động của năng lượng từ bên ngoài.
2.1.3 Vật liệu cách điện ( điện môi) Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xẩy ra Các điện tử hóa trị tuy đƣợc cung cấp thêm năng lƣợng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng địên dẫn Chiều rộng vùng cấm của vật liệu cách điện (W 1,5 2eV).
Phân lo ạ i v ậ t li ệ u theo t ừ tính
Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: vật liệu dẫn từ, vật liệu thuận từ và vật liệu nghịch từ
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Vật liệu thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ bằng 1
Phân lo ạ i v ậ t li ệu điệ n theo tr ạ ng thái v ậ t th ể
Theo trạng thái vật thể có vật liệu ở thể rắn, thể lỏng và vật liệu ở thể khí Ngoài ra ta cũng có thể phân loại vật liệu điện:
+ Theo công dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ và vật liệu bán dẫn
+ Theo nguồn gốc: có vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ.
1 Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử của vật liệu điện?
2 Trình bày các mối liên kết trong vật liệu điện? So sánh đặc điểm của các mối liên kết đó?
3.Thế nào gọi là khuyết tật trong cấu tạo vật rắn và các khuyết tật đó ảnh hưởng nhƣ thế nào tới các tính chất của vật rắn?
4.Trình bày lý thuyết phân vùng năng lƣợng trong vật rắn? Nêu cách phân loại vật liệu điện theo lý thuết phân vùng năng lƣợng?
5.Vật liệu điện đƣợc phân loại nhƣ thế nào? trình bày các cách phân loại đó?
T LI ỆU CÁCH ĐIỆ N
Tính ch ấ t chung c ủ a v ậ t li ệu cách điệ n
M ộ t s ố v ậ t li ệu cách điệ n thông d ụ ng
3 Chương 2 : Vật liệu dẫn điện 10 9 1
1 Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn điện
2 Tính chất chung của kim loại và hợp kim
3 Những hư hỏng thường gặp và cách chọn vật liệu dẫn điện
4 Một số vật liệu dẫn điện thông dụng
4 Chương 3: Vật liệu dẫn từ 9 8 1
1 Khái niệm và tính chất vật liệu dẫn từ 2 2
2 Mạch từ, tính toán mạch từ 4 4
3 Một số vật liệu dẫn từ thông dụng
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN
Vật liệu điện đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp điện, vì vậy việc hiểu rõ bản chất cách điện và dẫn điện của chúng là cần thiết Để làm điều này, chúng ta cần nắm vững cấu tạo của vật liệu và sự hình thành các phần tử mang điện Bên cạnh đó, việc phân loại và nguồn gốc của các loại vật liệu cũng rất quan trọng, giúp cho quá trình lựa chọn và sử dụng trở nên dễ dàng hơn Bài học này nhằm cung cấp cho học viên những kiến thức cơ bản, từ đó hỗ trợ hiệu quả cho việc học tập các bài học tiếp theo.
- Nêu bật đƣợc khái niệm và cấu tạo của vật liệu dẫn điện
- Phân loại đƣợc chính xác chức năng của từng vật liệu cụ thể
- R n luyện đƣợc tính chủ động và nghiêm túc trong công việc
1 Khái niệmvề vật liệu điện
Vật liệu điện là tất cả những nguyên liệu được sử dụng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn và phụ kiện đường dây Nó bao gồm vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ Để hiểu rõ bản chất dẫn điện hay cách điện của các vật liệu này, chúng ta cần nắm vững khái niệm về cấu tạo vật liệu và sự hình thành các phần tử mang điện trong chúng.
1.2 Cấu tạo nguyên tử của vật liệu
Mọi vật chất 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 hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (êlectron e) mang điện tích âm, chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định Hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ các hạt prôton, có điện tích dương, và nơtron, không mang điện tích Ở trạng thái bình thường, nguyên tử trung hòa về điện Tuy nhiên, khi nguyên tử mất đi một hoặc nhiều điện tử, nó trở thành ion dương, trong khi nếu nhận thêm điện tử, nó sẽ trở thành ion âm.
Phân tử đƣợc tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết sau:
11 a Liên kết đồng hóa trị:
Liên kết đồng hóa trị được hình thành khi các nguyên tử trong phân tử chia sẻ điện tử, tạo ra mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân Sự bão hòa này dẫn đến liên kết phân tử bền vững Trong khi đó, liên kết ion xảy ra khi có sự chuyển giao điện tử giữa các nguyên tử.
Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử c Liên kết kim loại:
Liên kết kim loại tạo ra các tinh thể rắn, trong đó kim loại được cấu tạo từ các ion dương trong môi trường điện tử tự do Lực hút giữa các ion dương và điện tử là yếu tố chính tạo nên tính nguyên khối của kim loại Do đó, liên kết kim loại rất bền vững, giúp kim loại có độ bền cơ học cao và nhiệt độ nóng chảy lớn.
Liên kết yếu này có cấu trúc mạng tinh thể phân tử không ổn định, dẫn đến việc các liên kết phân tử, như liên kết Van der Waals, có nhiệt độ nóng chảy thấp và độ bền cơ học kém.
1.3.2 Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn
Các tinh thể rắn có thể có cấu trúc đồng nhất, nhưng sự phá hủy các cấu trúc này và hình thành khuyết tật trong vật rắn là hiện tượng phổ biến trong thực tế.
Những khuyết tật có thể đƣợc tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình chế tạo vật liệu
1.3.3 Lý thuyết phân vùng năng lƣợng
Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, các điện tử lấp đầy một số mức năng lượng, trong khi ở các mức khác, điện tử chỉ có mặt 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 Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích về mức năng lượng thấp nhất, nguyên tử phát ra năng lượng dư thừa.
Hình 1.1: Sơ đồ phân bốvùng năng lƣợng của vật rắn ở nhiệt độ 0 0 K
Vùng các m ứ c năng lƣợ ng t ự do
Vùng các m ứ c năng lƣợ ng t ự do
N ăn g lƣ ợ n g eV N ăn g lƣ ợ n g eV
Vùng các m ứ c năng lƣợ ng t ự do
2 Phân loại vật liệu điện
2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện
Trên cơ sở giản đồ năng lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn
Vật liệu dẫn điện là chất có vùng tự do nằm sát với vùng điền đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy (W 0,2eV)
Vật liệu bán dẫn có vùng cấm hẹp hơn so với vật liệu cách điện, với chiều rộng vùng cấm dao động từ 0,2 đến 1,5 eV Đặc biệt, vùng cấm này có thể thay đổi nhờ tác động của năng lượng từ bên ngoài.
2.1.3 Vật liệu cách điện ( điện môi) Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xẩy ra Các điện tử hóa trị tuy đƣợc cung cấp thêm năng lƣợng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng địên dẫn Chiều rộng vùng cấm của vật liệu cách điện (W 1,5 2eV)
2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính
Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: vật liệu dẫn từ, vật liệu thuận từ và vật liệu nghịch từ
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Vật liệu thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ bằng 1
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài 2.3 Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể
Theo trạng thái vật thể có vật liệu ở thể rắn, thể lỏng và vật liệu ở thể khí Ngoài ra ta cũng có thể phân loại vật liệu điện:
+ Theo công dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ và vật liệu bán dẫn
+ Theo nguồn gốc: có vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ.
1 Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử của vật liệu điện?
2 Trình bày các mối liên kết trong vật liệu điện? So sánh đặc điểm của các mối liên kết đó?
3.Thế nào gọi là khuyết tật trong cấu tạo vật rắn và các khuyết tật đó ảnh hưởng nhƣ thế nào tới các tính chất của vật rắn?
4.Trình bày lý thuyết phân vùng năng lƣợng trong vật rắn? Nêu cách phân loại vật liệu điện theo lý thuết phân vùng năng lƣợng?
5.Vật liệu điện đƣợc phân loại nhƣ thế nào? trình bày các cách phân loại đó?
CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Vật liệu cách điện đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện, được sử dụng để bao bọc các bộ phận dẫn điện và tách biệt các phần có điện thế khác nhau Chức năng chính của cách điện là hướng dòng điện theo các mạch đã được thiết kế Thiếu vật liệu cách điện, việc chế tạo bất kỳ thiết bị điện nào, kể cả đơn giản nhất, sẽ không khả thi Để sử dụng vật liệu cách điện một cách hiệu quả, người công nhân cần nắm vững tính chất và đặc tính kỹ thuật của từng loại Bài học này nhằm cung cấp kiến thức cơ bản về vật liệu cách điện và ứng dụng của chúng.
- Nhận dạng, phân loại đƣợc chính xác các loại vật liệu cách điện dùng trong công nghiệp và dân dụng
- Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu cách điện thường dùng
- Sử dụng phù hợp các loại vật liệu cách điện theo từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể
- Xác định được các nguyên nhân gây ra hư hỏng và có phương án thay thế khả thi các loại vật liệu cách điện thường dùng
- R n luyện đƣợc tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong công việc
1.Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
Phần điện của thiết bị bao gồm hai thành phần chính: phần dẫn điện và phần cách điện Phần dẫn điện là hệ thống các vật dẫn tạo thành mạch kín để cho dòng điện lưu thông Để đảm bảo mạch hoạt động hiệu quả, các vật dẫn cần được cách ly khỏi những vật dẫn khác trong cùng mạch, mạch khác, cũng như các vật dẫn trong không gian xung quanh Đồng thời, việc cách ly vật dẫn với nhân viên làm việc gần mạch điện cũng rất quan trọng Do đó, các vật dẫn cần được bảo vệ bằng các vật liệu cách điện thích hợp.
Vật liệu cách điện còn đƣợc gọi là điện môi Điện môi là những vật liệu làm cho dòng điện đi đúng nơi qui định
1.2 Phân loại vật cách điện
1.2.1 Phân loại theo trạng thái vật thể
- Vât liệu cách điện (điện môi) có thể ở thể khí, thể lỏng và thể rắn
Giữa thể lỏng và thể rắn, tồn tại một thể trung gian được gọi là thể mềm nhão, bao gồm các vật liệu có tính chất bôi trơn và các loại sơn tẩm.
1.2.2 Phân loại theo thành phần hóa học
Theo thành phần hoá học, ngƣòi ta chia vật liệu cách điện thành: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ
- Vật liệu cách điện hữu cơ: chia làm hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo
Vật liệu cách điện vô cơ bao gồm các chất khí, chất lỏng không cháy và các loại vật liệu như sứ gốm, thủy tinh, mica, amiăng Phân loại vật liệu cách điện này có thể dựa trên tính chịu nhiệt của chúng.
Khi chọn vật liệu cách điện, điều quan trọng đầu tiên là xác định khả năng chịu nhiệt của vật liệu, dựa trên bảy cấp độ chịu nhiệt được liệt kê trong bảng 1.1.
B ả ng 1.1.Các c ấ p ch ị u nhi ệ t c ủ a v ậ t li ệu cách điệ n
Cấp cách điện Nhiệt độ cho phép
Các vật liệu cách điện chủ yếu
VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
Khái ni ệ m và tính ch ấ t c ủ a v ậ t li ệ u d ẫn điệ n
Tính ch ấ t chung c ủ a kim lo ạ i và h ợ p kim
Nh ững hư hỏng thườ ng g ặ p và cách ch ọ n v ậ t li ệ u d ẫn điệ n
gặp và cách chọn vật liệu dẫn điện
M ộ t s ố v ậ t li ệ u d ẫn điệ n thông d ụ ng
4 Chương 3: Vật liệu dẫn từ 9 8 1
1 Khái niệm và tính chất vật liệu dẫn từ 2 2
2 Mạch từ, tính toán mạch từ 4 4
3 Một số vật liệu dẫn từ thông dụng
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN
Vật liệu điện đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp điện, và để hiểu rõ tính chất cách điện hay dẫn điện của chúng, cần nắm vững cấu tạo và sự hình thành các phần tử mang điện Ngoài ra, việc phân loại và nguồn gốc của các loại vật liệu cũng rất cần thiết để hỗ trợ quá trình lựa chọn và sử dụng hiệu quả Bài học này nhằm cung cấp cho học viên những kiến thức cơ bản, giúp họ chuẩn bị tốt cho các bài học tiếp theo.
- Nêu bật đƣợc khái niệm và cấu tạo của vật liệu dẫn điện
- Phân loại đƣợc chính xác chức năng của từng vật liệu cụ thể
- R n luyện đƣợc tính chủ động và nghiêm túc trong công việc
1 Khái niệmvề vật liệu điện
Vật liệu điện bao gồm tất cả các vật liệu được sử dụng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn và phụ kiện đường dây Các loại vật liệu này được phân loại thành vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ Để hiểu rõ bản chất dẫn điện hay cách điện của chúng, cần nắm bắt khái niệm về cấu tạo vật liệu và sự hình thành các phần tử mang điện bên trong.
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 hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (êlectron e) mang điện tích âm, di chuyển quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định Hạt nhân nguyên tử được hình thành từ các hạt prôton và nơtron, trong đó nơtron không mang điện tích còn prôton có điện tích dương với số lượng bằng Zq Ở trạng thái bình thường, nguyên tử có điện tích trung hòa Khi nguyên tử mất một hoặc nhiều điện tử, nó trở thành ion dương, trong khi nếu nhận thêm điện tử, nó sẽ trở thành ion âm.
Phân tử đƣợc tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết sau:
11 a Liên kết đồng hóa trị:
Liên kết đồng hóa trị được hình thành khi các nguyên tử trong phân tử chia sẻ điện tử, tạo ra một mật độ đám mây điện tử bão hòa giữa các hạt nhân Điều này dẫn đến sự hình thành liên kết phân tử bền vững Bên cạnh đó, liên kết ion cũng đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc của các hợp chất.
Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử c Liên kết kim loại:
Liên kết kim loại tạo ra các tinh thể rắn, trong đó các ion dương được bao quanh bởi các điện tử tự do Lực hút giữa các ion dương và điện tử giúp duy trì tính nguyên khối của kim loại, dẫn đến sự bền vững của liên kết này Do đó, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao.
Liên kết này thuộc loại yếu, với cấu trúc mạng tinh thể phân tử không ổn định Vì vậy, các liên kết phân tử như liên kết Van der Waals có nhiệt độ nóng chảy thấp và độ bền cơ học kém.
1.3.2 Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn
Các tinh thể rắn có thể có cấu trúc đồng nhất, tuy nhiên, trong thực tế, sự phá hủy cấu trúc này và sự hình thành các khuyết tật trong vật rắn là hiện tượng thường gặp.
Những khuyết tật có thể đƣợc tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình chế tạo vật liệu
1.3.3 Lý thuyết phân vùng năng lƣợng
Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường không bị kích thích, các mức năng lượng được lấp đầy bởi điện tử, trong khi một số mức năng lượng khác chỉ có thể được điện tử chiếm giữ 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 năng lượng kích thích về mức năng lượng thấp nhất, nguyên tử phát ra năng lượng dư thừa.
Hình 1.1: Sơ đồ phân bốvùng năng lƣợng của vật rắn ở nhiệt độ 0 0 K
Vùng các m ứ c năng lƣợ ng t ự do
Vùng các m ứ c năng lƣợ ng t ự do
N ăn g lƣ ợ n g eV N ăn g lƣ ợ n g eV
Vùng các m ứ c năng lƣợ ng t ự do
2 Phân loại vật liệu điện
2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện
Trên cơ sở giản đồ năng lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn
Vật liệu dẫn điện là chất có vùng tự do nằm sát với vùng điền đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy (W 0,2eV)
Vật liệu bán dẫn có vùng cấm hẹp hơn so với vật liệu cách điện, với chiều rộng vùng cấm dao động từ 0,2 đến 1,5 eV Đặc biệt, vùng cấm này có thể được điều chỉnh thông qua tác động của năng lượng từ bên ngoài.
2.1.3 Vật liệu cách điện ( điện môi) Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xẩy ra Các điện tử hóa trị tuy đƣợc cung cấp thêm năng lƣợng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng địên dẫn Chiều rộng vùng cấm của vật liệu cách điện (W 1,5 2eV)
2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính
Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: vật liệu dẫn từ, vật liệu thuận từ và vật liệu nghịch từ
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Vật liệu thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ bằng 1
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài 2.3 Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể
Theo trạng thái vật thể có vật liệu ở thể rắn, thể lỏng và vật liệu ở thể khí Ngoài ra ta cũng có thể phân loại vật liệu điện:
+ Theo công dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ và vật liệu bán dẫn
+ Theo nguồn gốc: có vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ.
1 Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử của vật liệu điện?
2 Trình bày các mối liên kết trong vật liệu điện? So sánh đặc điểm của các mối liên kết đó?
3.Thế nào gọi là khuyết tật trong cấu tạo vật rắn và các khuyết tật đó ảnh hưởng nhƣ thế nào tới các tính chất của vật rắn?
4.Trình bày lý thuyết phân vùng năng lƣợng trong vật rắn? Nêu cách phân loại vật liệu điện theo lý thuết phân vùng năng lƣợng?
5.Vật liệu điện đƣợc phân loại nhƣ thế nào? trình bày các cách phân loại đó?
CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Vật liệu cách điện đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện, được sử dụng để tạo ra lớp cách điện bảo vệ các bộ phận dẫn điện trong thiết bị điện và tách biệt các bộ phận có điện thế khác nhau Chức năng chính của cách điện là hướng dẫn dòng điện theo mạch điện đã được thiết kế Thiếu vật liệu cách điện, việc chế tạo thiết bị điện, kể cả những loại đơn giản nhất, sẽ không thể thực hiện Để sử dụng vật liệu cách điện một cách hiệu quả, người công nhân cần nắm rõ tính chất và đặc tính kỹ thuật của từng loại vật liệu Bài học này nhằm cung cấp kiến thức cơ bản về vật liệu cách điện và ứng dụng của chúng.
- Nhận dạng, phân loại đƣợc chính xác các loại vật liệu cách điện dùng trong công nghiệp và dân dụng
- Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu cách điện thường dùng
- Sử dụng phù hợp các loại vật liệu cách điện theo từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể
- Xác định được các nguyên nhân gây ra hư hỏng và có phương án thay thế khả thi các loại vật liệu cách điện thường dùng
- R n luyện đƣợc tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong công việc
1.Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
Phần điện của thiết bị bao gồm hai thành phần chính: phần dẫn điện và phần cách điện Phần dẫn điện là hệ thống các vật dẫn tạo thành mạch kín cho dòng điện lưu thông Để đảm bảo mạch hoạt động ổn định, các vật dẫn cần được cách ly với nhau, cũng như với các vật dẫn khác trong mạch hoặc không gian xung quanh Hơn nữa, việc cách ly vật dẫn với nhân viên làm việc gần mạch điện cũng rất quan trọng Do đó, các vật dẫn cần được bao bọc bằng vật liệu cách điện để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.
Vật liệu cách điện còn đƣợc gọi là điện môi Điện môi là những vật liệu làm cho dòng điện đi đúng nơi qui định
1.2 Phân loại vật cách điện
1.2.1 Phân loại theo trạng thái vật thể
- Vât liệu cách điện (điện môi) có thể ở thể khí, thể lỏng và thể rắn
Trong giữa thể lỏng và thể rắn, tồn tại một thể trung gian được gọi là thể mềm nhão, bao gồm các vật liệu có tính chất bôi trơn và các loại sơn tẩm.
1.2.2 Phân loại theo thành phần hóa học
Theo thành phần hoá học, ngƣòi ta chia vật liệu cách điện thành: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ
- Vật liệu cách điện hữu cơ: chia làm hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo
Vật liệu cách điện vô cơ bao gồm các chất khí, chất lỏng không cháy và các loại vật liệu như sứ gốm, thủy tinh, mica, amiăng, v.v Chúng có thể được phân loại theo tính chịu nhiệt, phản ánh khả năng chống lại sự ảnh hưởng của nhiệt độ cao trong quá trình sử dụng.
Khi chọn vật liệu cách điện, điều quan trọng đầu tiên là xác định khả năng chịu nhiệt của vật liệu, dựa trên bảy cấp độ chịu nhiệt được quy định trong bảng 1.1.
B ả ng 1.1.Các c ấ p ch ị u nhi ệ t c ủ a v ậ t li ệu cách điệ n
Cấp cách điện Nhiệt độ cho phép
Các vật liệu cách điện chủ yếu
V Ậ T LI Ệ U D Ẫ N T Ừ
Khái ni ệ m chung và tính ch ấ t c ủ a v ậ t li ệ u d ẫ n t ừ
Một trong những tác dụng cơ bản của dòng điện là tác dụng từ, là cơ sở để chế tạo các loại máy điện Để truyền tải năng lượng từ trường, cần có vật liệu từ tính, hay còn gọi là vật liệu sắt từ Kim loại chính có từ tính bao gồm sắt cacbon, niken và các hợp kim của chúng, bên cạnh đó, côban cũng được xem là chất sắt từ đã qua tinh luyện.
1.2 Tính chất của vật liệu dẫn từ
Trạng thái sắt từ của các chất được đặc trưng bởi độ nhiễm từ tự phát, ngay cả khi không có từ trường bên ngoài Mặc dù các momen từ của các đômen có hướng khác nhau, sự tổng hợp của chúng trong vật liệu dẫn đến giá trị bằng 0, do đó không tạo ra từ trường xung quanh.
1.3 Các đặc tính của vật liệu dẫn từ
Các nguyên tố có tính chất sắt từ bao gồm sắt cacbon, niken, các hợp kim của chúng và côban Từ tính của vật liệu chủ yếu do các điện tích chuyển động theo quỹ đạo kín, tạo ra dòng điện vòng Điều này liên quan đến sự quay của các điện tử quanh trục và sự quay theo quỹ đạo của chúng trong nguyên tử.
Hiện tượng sắt từ xảy ra khi một số vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn một ngưỡng nhất định phân chia thành các vùng, trong đó các điện tử trong từng vùng đều có hướng song song với nhau Những vùng này được gọi là đômen tử.
Tính chất đặc trưng của các chất sắt từ là sự xuất hiện của độ nhiễm từ tự phát ngay cả khi không có từ trường bên ngoài Trong các chất sắt từ, mặc dù tồn tại những vùng từ hóa tự phát, nhưng mômen từ của các đômen lại có hướng 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 khác nhau Đối với các chất sắt từ đa tinh thể, tính dị hướng thể hiện rõ rệt, dẫn đến cấu trúc 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 khác nhau.
Tăng thể tích của các đômen có mômen từ theo hướng từ trường góc nhỏ nhất sẽ làm giảm kích thước của các đômen khác, dẫn đến quá trình chuyển dịch mặt phân cách giữa các đômen.
- Quay các véc tơ mômen từ hóa theo hướng từ trường ngoài (quá trình định hướng)
Quá trình từ hóa vật liệu sắt từ có thể đặc trưng bằng đường cong từ hóa B f(H), có dạng tương tự với tất cả các vật liệu sắt từ
Khi từ hóa chất sắt từ đơn tinh thểthì kích thước của chúng có thay đổi
Quá trình từ hóa lại vật liệu sắt từ trong từ trường biến đổi luôn xảy ra với tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt, bao gồm tổn hao từ trễ và tổn hao động học.
Tổn hao động học trong vật liệu sắt từ chủ yếu do dòng điện xoáy cảm ứng và hiệu ứng từ hoá, hay còn gọi là độ nhớt từ Mức độ tổn hao dòng điện xoáy tỷ lệ nghịch với điện trở suất của chất sắt từ; nghĩa là, điện trở suất càng cao thì tổn hao dòng điện xoáy càng thấp.
Công suất tổn hao dòng điện xoáy có thể tính theo công thức:
Trong đó: : là hệ số phụ thuộc vào loại chất sắt từ (trong đó phụ thuộc vào điện trở suất) và hình dáng của nó f: là tần sốdòng điện
Bmax: cảm ứng từ lớn nhất đạt đƣợc trong một chu trình
V: thể tích chất sắt từ
Chú ý đến các tổn hao có liên quan tới hậu quả từ hoá khi chất sắt từ làm việc ở chếđộ xung
Độ từ thẩm, ký hiệu là 67, là tỉ số giữa đại lượng cảm ứng từ B và cường độ từ trường H tại một điểm cụ thể trên đường cong từ hóa cơ bản Trong hệ thống SI, hằng số từ trường được xác định là μ0 = 4π × 10^-7 H/m.
Trên hình vẽ, trục dọc bên trái thể hiện giá trị cảm ứng từ tính theo đơn vị gauss, trong khi bên phải sử dụng hệ SI với đơn vị tesla (T), với tỷ lệ 1 gauss tương đương 0,0001 tesla Trục ngang biểu thị cường độ từ trường.
H đơn vị là ơcstet, tương ứng với hệ SI là A/m, trong đó 1 ơcstet = 79,6 A/m, xấp xỉ 80 A/m Việc chuyển đổi giữa các trị số của cảm ứng từ và cường độ từ trường giữa các hệ đơn vị rất đơn giản Độ từ thẩm bđ khi H = 0 được gọi là độ từ thẩm ban đầu, với trị số khoảng 0,001 ơcstet trong trường yếu Giá trị lớn nhất của độ từ thẩm, được ký hiệu là max, xuất hiện trong vùng bảo hòa từ, nơi độ từ thẩm tiến tới bằng 1.
Hệ số từ thẩm động (μ) là đại lượng đặc trưng cho vật liệu sắt từ trong từ trường xoay chiều, được xác định bằng tỉ số giữa biên độ cảm ứng từ và biên độ cường độ từ trường.
Hình 1 : ĐƯỜ NG CONG T Ừ HÓA VÀ ĐƯỜNG CONG CƯỜNG ĐỘ TRƯỜ NG
TH Ấ M T Ừ CƠ BẢ N C Ủ A M Ộ T S Ố V Ậ T LI Ệ U T Ừ a) Đường cong từ hóa b) Đường cong cường độtrường thấm từ
1 Sắt đặc biệt tinh khiết
3 Sắt kỹ thuật tinh khiết (99,92%Fe)
6 Hợp kim sắt - Niken (26%Ni)
Với sự tăng của tần số từ trường xoay chiều, độ từ thẩm động giảm vì quán tính của các quá trình từ
Khi tiến hành từ hóa vật liệu sắt từ trong từ trường ngoài, cảm ứng từ sẽ giảm chậm hơn so với đường từ hóa cơ bản do hiện tượng từ trễ Khi từ trường được tăng theo chiều ngược lại, mẫu vật có thể bị khử từ và sau đó được từ hóa lại, trong khi nếu đổi chiều từ trường, cảm ứng từ có thể quay lại điểm ban đầu Điều này tạo ra một đường cong kín đặc trưng cho tình trạng từ hóa của mẫu, được gọi là vòng từ trễ trong chu trình từ hóa Ở giai đoạn đầu, khi dòng điện từ hóa trong cuộn dây tăng lên, cường độ từ trường H và cảm ứng từ B sẽ tăng tỉ lệ thuận.
Trong giai đoạn gần bảo hòa, từ cảm B tăng chậm lại và hệ số giảm dần Khi cường độ từ trường H đạt đến mức đủ lớn, sự tăng trưởng của từ cảm B gần như dừng lại Cuối cùng, trong giai đoạn bảo hòa từ, hệ số sẽ tiến tới giá trị 1.
Hệ số từ thẩm của chất sắt từ không phải là hằng số Quan hệ giữa từ cảm B và cường độ từ trường H không phải là đường thẳng.
M ộ t s ố v ậ t li ệ u d ẫ n t ừ thông d ụ ng
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN
Vật liệu điện đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp điện, và để hiểu rõ tính chất cách điện hay dẫn điện của chúng, cần nắm vững cấu tạo và sự hình thành các phần tử mang điện trong vật liệu Ngoài ra, việc phân loại và nguồn gốc của các loại vật liệu cũng cần được hiểu rõ để thuận tiện cho việc lựa chọn và sử dụng sau này Bài học này nhằm trang bị cho học viên kiến thức cơ bản, giúp họ học tập hiệu quả hơn trong các bài học tiếp theo.
- Nêu bật đƣợc khái niệm và cấu tạo của vật liệu dẫn điện
- Phân loại đƣợc chính xác chức năng của từng vật liệu cụ thể
- R n luyện đƣợc tính chủ động và nghiêm túc trong công việc
1 Khái niệmvề vật liệu điện
Vật liệu điện là tập hợp các vật liệu được sử dụng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn và phụ kiện đường dây Chúng bao gồm vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ Để hiểu rõ bản chất dẫn điện hay cách điện của các vật liệu này, cần nắm vững khái niệm về cấu tạo vật liệu và sự hình thành các phần tử mang điện trong chúng.
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 hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm, di chuyển xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định Hạt nhân được tạo thành từ proton mang điện tích dương và neutron không có điện tích Trong trạng thái bình thường, nguyên tử ở trạng thái trung hòa điện Khi nguyên tử mất một hoặc nhiều electron, nó trở thành ion dương, trong khi nếu nhận thêm electron, nó sẽ trở thành ion âm.
Phân tử đƣợc tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết sau:
11 a Liên kết đồng hóa trị:
Liên kết đồng hóa trị đặc trưng bởi việc các nguyên tử trong phân tử chia sẻ electron, tạo ra một mật độ đám mây điện tử dày đặc giữa các hạt nhân, từ đó hình thành liên kết phân tử bền vững Trong khi đó, liên kết ion xảy ra khi có sự chuyển giao electron giữa các nguyên tử, dẫn đến sự hình thành các ion mang điện tích trái dấu và tạo ra lực hút mạnh mẽ giữa chúng.
Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử c Liên kết kim loại:
Liên kết kim loại tạo ra các tinh thể rắn, trong đó kim loại được cấu thành từ các ion dương trong môi trường điện tử tự do Lực hút giữa các ion dương và điện tử là nguyên nhân chính tạo nên tính nguyên khối của kim loại Do đó, liên kết kim loại rất bền vững, giúp kim loại có độ bền cơ học cao và nhiệt độ nóng chảy lớn.
Liên kết này thuộc loại yếu, với cấu trúc mạng tinh thể phân tử không ổn định Do đó, các liên kết phân tử như liên kết Van der Waals có nhiệt độ nóng chảy thấp và độ bền cơ học kém.
1.3.2 Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn
Các tinh thể rắn có thể có cấu trúc đồng nhất, nhưng sự phá vỡ các cấu trúc này và sự hình thành các khuyết tật trong vật rắn là điều thường thấy trong thực tế.
Những khuyết tật có thể đƣợc tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình chế tạo vật liệu
1.3.3 Lý thuyết phân vùng năng lƣợng
Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, một số mức năng lượng được điện tử lấp đầy, trong khi các mức năng lượng khác chỉ có thể chứa điện tử khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài, gọi là trạng thái kích thích Nguyên tử có xu hướng trở về trạng thái ổn định Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích về mức năng lượng thấp nhất, nguyên tử sẽ phát ra năng lượng dư thừa.
Hình 1.1: Sơ đồ phân bốvùng năng lƣợng của vật rắn ở nhiệt độ 0 0 K
Vùng các m ứ c năng lƣợ ng t ự do
Vùng các m ứ c năng lƣợ ng t ự do
N ăn g lƣ ợ n g eV N ăn g lƣ ợ n g eV
Vùng các m ứ c năng lƣợ ng t ự do
2 Phân loại vật liệu điện
2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện
Trên cơ sở giản đồ năng lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn
Vật liệu dẫn điện là chất có vùng tự do nằm sát với vùng điền đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy (W 0,2eV)
Vật liệu bán dẫn có đặc điểm là có vùng cấm hẹp hơn so với vật liệu cách điện, với chiều rộng vùng cấm dao động từ 0,2 đến 1,5 eV Vùng cấm này có thể thay đổi khi chịu tác động của năng lượng từ bên ngoài.
2.1.3 Vật liệu cách điện ( điện môi) Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xẩy ra Các điện tử hóa trị tuy đƣợc cung cấp thêm năng lƣợng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng địên dẫn Chiều rộng vùng cấm của vật liệu cách điện (W 1,5 2eV)
2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính
Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: vật liệu dẫn từ, vật liệu thuận từ và vật liệu nghịch từ
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Vật liệu thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ bằng 1
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài 2.3 Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể
Theo trạng thái vật thể có vật liệu ở thể rắn, thể lỏng và vật liệu ở thể khí Ngoài ra ta cũng có thể phân loại vật liệu điện:
+ Theo công dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ và vật liệu bán dẫn
+ Theo nguồn gốc: có vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ.
1 Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử của vật liệu điện?
2 Trình bày các mối liên kết trong vật liệu điện? So sánh đặc điểm của các mối liên kết đó?
3.Thế nào gọi là khuyết tật trong cấu tạo vật rắn và các khuyết tật đó ảnh hưởng nhƣ thế nào tới các tính chất của vật rắn?
4.Trình bày lý thuyết phân vùng năng lƣợng trong vật rắn? Nêu cách phân loại vật liệu điện theo lý thuết phân vùng năng lƣợng?
5.Vật liệu điện đƣợc phân loại nhƣ thế nào? trình bày các cách phân loại đó?
CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Vật liệu cách điện đóng vai trò thiết yếu trong kỹ thuật điện, được sử dụng để tạo lớp cách điện quanh các bộ phận dẫn điện và tách biệt các phần có điện thế khác nhau Chức năng chính của cách điện là hướng dòng điện theo mạch điện đã được thiết kế Thiếu vật liệu cách điện, việc chế tạo thiết bị điện, kể cả những loại đơn giản nhất, sẽ không thể thực hiện Để sử dụng vật liệu cách điện hiệu quả, người công nhân cần hiểu rõ về tính chất và đặc tính kỹ thuật của từng loại Bài học này cung cấp kiến thức cơ bản về vật liệu cách điện và ứng dụng của chúng.
- Nhận dạng, phân loại đƣợc chính xác các loại vật liệu cách điện dùng trong công nghiệp và dân dụng
- Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu cách điện thường dùng
- Sử dụng phù hợp các loại vật liệu cách điện theo từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể
- Xác định được các nguyên nhân gây ra hư hỏng và có phương án thay thế khả thi các loại vật liệu cách điện thường dùng
- R n luyện đƣợc tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong công việc
1.Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
Phần điện của thiết bị bao gồm phần dẫn điện và phần cách điện Phần dẫn điện là hệ thống các vật dẫn tạo thành mạch kín cho dòng điện lưu thông Để mạch hoạt động hiệu quả, các vật dẫn cần được cách ly khỏi nhau, cũng như khỏi các mạch khác và môi trường xung quanh Hơn nữa, việc cách ly vật dẫn với nhân viên làm việc với mạch điện là rất quan trọng Do đó, vật dẫn cần được bảo vệ bằng các vật liệu cách điện phù hợp.
Vật liệu cách điện còn đƣợc gọi là điện môi Điện môi là những vật liệu làm cho dòng điện đi đúng nơi qui định
1.2 Phân loại vật cách điện
1.2.1 Phân loại theo trạng thái vật thể
- Vât liệu cách điện (điện môi) có thể ở thể khí, thể lỏng và thể rắn
Giữa thể lỏng và thể rắn, tồn tại một thể trung gian được gọi là thể mềm nhão, bao gồm các vật liệu có tính chất bôi trơn và các loại sơn tẩm.
1.2.2 Phân loại theo thành phần hóa học
Theo thành phần hoá học, ngƣòi ta chia vật liệu cách điện thành: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ
- Vật liệu cách điện hữu cơ: chia làm hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo
Vật liệu cách điện vô cơ bao gồm các chất khí và chất lỏng không cháy, cùng với các loại vật liệu như sứ gốm, thủy tinh, mica, và amiăng Ngoài ra, vật liệu này còn được phân loại theo tính chịu nhiệt, giúp xác định khả năng chịu đựng nhiệt độ cao trong ứng dụng thực tế.
Khi chọn vật liệu cách điện, điều quan trọng đầu tiên là xác định khả năng chịu nhiệt của vật liệu đó theo một trong bảy cấp độ chịu nhiệt được liệt kê trong bảng 1.1.
B ả ng 1.1.Các c ấ p ch ị u nhi ệ t c ủ a v ậ t li ệu cách điệ n
Cấp cách điện Nhiệt độ cho phép
Các vật liệu cách điện chủ yếu