GIÁO TRÌNH MÔN HỌC VẬT LIỆU ĐIỆN NGÀNH NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

SỞ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔN HỌC VẬT LIỆU ĐIỆN NGÀNH NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số 234. GIÁO TRÌNH MÔN HỌC VẬT LIỆU ĐIỆN NGÀNH NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

SỞ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN NGÀNH/ NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG/ TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: 234 /QĐ – CĐN ngày tháng năm 2020 Trường Cao Đẳng Nghề Hà Nam Hà Nam, năm 2020 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo nhằm phục vụ cho giáo viên sinh viên Trường Cao Đẳng Nghề Hà Nam Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Dựa theo giáo trình này, giảng dạy cho trình độ ngành/nghề khác nhà trường LỜI GIỚI THIỆU Trên sở chương trình khung đào tạo, giảng viên Khoa Điện trường Cao đẳng nghề Hà Nam có nhiều kinh nghiệm, thực biên soạn giáo trình Vật liệu điện phục vụ cho cơng tác dạy nghề Chúng xin chân thành cám ơn đội ngũ giảng viên Khoa Điện Trường Cao nghề Hà Nam góp nhiều cơng sức để nội dung giáo trình hồn thành Giáo trình thiết kế theo mơn học thuộc hệ thống mô đun/ môn học chương trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp cấp trình độ Cao đẳng nghề dùng làm giáo trình cho học viên khóa đào tạo Mơn học thiết kế gồm chương Chương 1.Vật liệu cách điện Chương 2.Vật liệu dẫn điện Chương 3.Vật liệu dẫn từ Mặc dù cố gắng, song sai sót khó tránh Tác giả mong nhận ý kiến phê bình, nhận xét bạn đọc để giáo trình hồn thiện Hà Nam, ngày 18 tháng năm 2020 Tham gia biên soạn Chủ biên: Trần Nhữ Mạnh MỤC LỤC Trang LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: Vật liệu điện Mã môn học: MH 10 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học Mục tiêu Nội dung môn học CHƯƠNG MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Khái niệm, cấu tạo vật liệu điện 1.1 Khái niệm 1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu 1.3 Cấu tạo phân tử Phân loại vật liệu điện 2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả dẫn điện 2.2 Phân loại vật liệu điện theo từ tính 2.3 Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể CHƯƠNG 1:VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 11 Mã chương: MH 10-01 11 Khái niệm phân loại vật liệu cách điện 11 1.1 Khái niệm 11 1.2 Phân loại vật liệu cách điện 11 Tính chất chung, nguyên nhân gây hư hỏng vật liệu cách điện 13 2.1 Tính hút ẩm vật liệu cách điện 13 2.2 Tính chất học vật liệu cách điện 13 2.3 Tính chất hóa học vật liệu cách điện 14 2.4 Hiện tượng đánh thủng điện môi độ bền cách điện Hiện tượng đánh thủng điện môi 15 2.5 Tính chọn vật liệu cách điện 18 2.6 Hư hỏng thường gặp 18 Một số vật liệu cách điện thông dụng 18 3.1 Vật liệu sợi 19 3.2 Giấy cáctông 19 3.3.Giấy cáp: 19 3.4 Giấy cáp điện thoại 19 3.5 Phíp 20 3.6 Amiăng, xi măng amiăng 20 3.7 Vải sơn băng cách điện 21 3.8 Chất dẻo 21 3.9 Nhựa cách điện: 23 3.10 Dầu cách điện 26 3.11 Sơn hợp chất cách điện: 28 3.12 Chất đàn hồi 30 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 38 Mã chương MH: 10-02 38 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn điện 38 1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện 38 1.2 Tính chất vật liệu dẫn điện 39 1.3 Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến vật liệu dẫn điện 41 1.4 Hiệu điện tiếp xúc sức nhiệt động 41 Tính chất chung kim loại hợp kim 43 2.1 Tầm quan trọng kim loại hợp kim 43 2.2 Các tính chất 43 2.3 Những hư hỏng thường gặp cách tính chọn vật liệu dẫn điện 45 Một số Vật liệu dẫn điện thông dụng 48 4.1 Đồng hợp kim đồng 48 4.2 Nhôm hợp kim nhôm 52 4.4 Sắt (thép) 57 4.5 Wonfram: (Còn gọi Tungstene) ký hiệu là:W 58 4.6 Kim loại dùng làm tiếp điểm cổ góp 58 4.7 Hợp kim có điện trở cao chịu nhiệt 62 4.8 Lưỡng kim 64 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU DẪN TỪ 66 Mã chương MH: 10-03 66 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn từ 66 1.1 Khái niệm vật liệu dẫn từ 66 1.2 Tính chất vật liệu dẫn từ 66 Mạch từ tính tốn mạch từ 69 2.1 Các công thức 70 2.2 Sơ đồ thay mạch từ 73 2.3 Mạch từ xoay chiều 74 2.4 Những hư hỏng thường gặp 79 Một số vật liệu dẫn từ thông dụng 80 3.1 Vật liệu sắt từ cứng 84 3.2 Các vật liệu từ có cơng dụng đặc biệt 85 CHƯƠNG IV: VẬT LIỆU BÁN DẪN 89 Mã chương: MH 11 - 04 89 4.1 Khái quát vật liệu bán dẫn 89 4.2 Điện dẫn vật liệu bán dẫn 90 4.3 Chất bán dẫn 90 4.4 Chất bán dẫn loại P ( Positire – dương) 91 4.5 Chất bán dẫn loại N ( Negative-âm ) 91 4.6 Tiếp giáp P-N; điôt tiếp mặt 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: Vật liệu điện Mã môn học: MH 10 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học - Vị trí: Mơn học vật liệu điện bố trí học sau mơn học An tồn lao động học song song với môn học, mô đun: Mạch điện,Vẽ điện, Khí cụ điện - Tính chất: Là môn học kỹ thuật sở - Ý nghĩa vai trò: Cùng với phát triển điện năng, Vật liệu điện ngày phát triển đa dạng phong phú, có tác dụng tích cực việc nâng cao suất, an toàn hiệu sử dụng điện Môn học Vật liệu điện nhằm trạng bị cho học viên kiến thức về: Vật liệu cách điện, vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ Mục tiêu - Về kiến thức: + Nhận dạng loại vật liệu điện thông dụng + Phân loại loại vật liệu điện thơng dụng + Trình bày đặc tính loại vật liệu điện - Về kỹ năng: + Xác định dạng nguyên nhân gây hư hỏng vật liệu điện - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện tính cẩn thận, xác, chủ động công việc Nội dung môn học CHƯƠNG MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Giới thiệu: Vật liệu điện có vai trị to lớn công nghiệp điện Để thấy rõ chất cách điện hay dẫn điện loại vật liệu, cần hiểu khái niệm cấu tạo vật liệu hình thành phần tử mang điện vật liệu Bên cạnh cần nắm rõ nguồn gốc, cách phân loại loại vật liệu để tiện lợi cho trình lựa chọn sử dụng sau Nội dung học nhằm trang bị cho học viên kiến thức nhằm giúp cho học viên có kiến thức để học tập học sau có hiệu Mục tiêu: - Nêu bật khái niệm cấu tạo vật liệu dẫn điện - Phân loại xác chức vật liệu cụ thể - Rèn luyện tính chủ động nghiêm túc công việc Khái niệm, cấu tạo vật liệu điện Mục tiêu: Trình bầy khái niệm, cấu tạo vật liệu điện 1.1 Khái niệm Tất vật liệu dùng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn vật liệu dùng làm phụ kiện đường dây, gọi chung vật liệu điện Như vật liệu điện bao gồm: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ Để thấy chất dẫn điện hay cách điện vật liệu, cần hiểu khái niệm cấu tạo vật liệu hình thành phần tử mang điện vật liệu 1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu Như biết, vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử phần tử vật chất Theo mơ hình ngun tử Bor, nguyên tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích dương điện tử (êlectron e) mang điện tích âm, chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo định Hạt nhân nguyên tử tạo nên từ hạt prôton nơtron Nơtron hạt khơng mang điện tích cịn prơton có điện tích dương với số lượng Zq Ở trạng thái bình thường, ngun tử trung hịa điện Nếu lý đó, nguyên tử hay nhiều điện tử trở thành điện tích dương mà ta thường gọi ion dương Ngược lại nguyên tử trung hịa nhận thêm điện tử trở thành ion âm 1.3 Cấu tạo phân tử Phân tử tạo nên từ nguyên tử thông qua liên kết phân tử Trong vật chất tồn bốn loại liên kết sau: Liên kết đồng hóa trị: Liên kết đồng hóa trị đặc trưng dùng chung điện tử nguyên tử phân tử Khi mật độ đám mây điện tử hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững Liên kết ion: Liên kết ion xác lập lực hút ion dương ion âm phân tử Liên kết kim loại: Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn Kim loại xem hệ thống cấu tạo từ ion dương nằm môi trường điện tử tự Lực hút ion dương điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Chính liên kết kim loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Liên kết Vandec – Vanx: Liên kết dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững Do liên kết phân tử liên kết Vandec - Vanx có nhiệt độ nóng chảy có độ bền thấp Khuyết tật cấu tạo vật rắn: Các tinh thể vật rắn có cấu tạo đồng Sự phá hủy kết cấu đồng tạo nên khuyết tật vật rắn thường gặp nhiều thực tế Những khuyết tật tạo nên ngẫu nhiên hay cố ý trình chế tạo vật liệu Lý thuyết phân vùng lượng vật rắn: Khi nguyên tử trạng thái bình thường khơng bị kích thích, số mức lượng điện tử lấp đầy, mức lượng khác điện tử có mặt nguyên tử nhận lượng từ bên tác động (trạng thái kích thích) Ngun tử ln có xu hướng quay trạng thái ổn định Khi điện tử chuyển từ mức lượng kích thích sang mức lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát phần lượng dư thừa Hình 1.1: Sơ đồ phân bố vùng lượng vật rắn nhiệt độ 00K Phân loại vật liệu điện Mục tiêu: - Phân loại vật liệu điện theo khả dẫn điện, từ tính, trạng thái vật thể 2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả dẫn điện Trên sở giản đồ lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện vật liệu bán dẫn Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện chất có vùng tự nằm sát với vùng điền đầy, chí chồng lên vùng đầy ( W 0,2eV) Vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn chất có vùng cấm hẹp so với vật liệu cách điện, vùng thay đổi nhờ tác động lượng từ bên Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé ( W = 0,2 1,5eV) Điện môi (vật liệu cách điện) Điện mơi chất có vùng cấm lớn đến mức điều kiện bình thường dẫn điện điện tử khơng xẩy Các điện tử hóa trị cung cấp thêm lượng chuyển động nhiệt di chuyển tới vùng tự để tham gia vào dòng địên dẫn Chiều rộng vùng cấm vật liệu cách điện ( W = 1,5 2eV) 2.2 Phân loại vật liệu điện theo từ tính Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: nghịch từ, thuận từ dẫn từ Vật liệu nghịch từ vật liệu có độ từ thẩm khơng phụ thuộc vào từ trường bên Vật liệu thuận từ vật liệu có độ từ thẩm khơng phụ thuộc vào từ trường bên ngồi Vật liệu thuận từ nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ Vật liệu dẫn từ vật liệu có độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trường bên 2.3 Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể Theo trạng thái vật thể có vật liệu thể rắn, thể lỏng vật liệu thể khí Ngồi ta phân loại vật liệu điện: Theo cơng dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ vật liệu bán dẫn Theo nguồn gốc: có vật liệu vơ vật liệu hữu Các loại vật liệu dẫn từ sử dụng để chế tạo mạch từ thiết bị điện, máy điện khí cụ điện, nên sử dụng lâu ngày bị hư hỏng ta thường gặp dạng hư hỏng sau: + Hư hỏng bị ăn mòn kim loại: đa phần chúng chất sắt từ hợp chất sắt từ nên chúng bị tác dụng môi trường xung quanh tác dụng diễn hai hình thức ăn mịn, ăn mịn hóa học ăn mịn điện hóa kim loại khác bề mặt chúng có sơn lớp sơn cách điện + Hư hỏng điện: trình làm việc xẩy tương điện áp, bị ngắn mạch nên cuộn dây đặt mạch từ bị cháy nên làm hỏng mạch từ + Hư hỏng bị già hóa kim loại: tác dụng tời gian môI trường làm cho tính chất vật liệu từ thay đổi + Hư hỏng lực tác động từ bên ngoài: tác dụng ngoại lực làm cho vật liệu từ bị biến dạng bị hỏng + Dưới tác dụng nhiệt độ: nhiệt độ tăng lên (khoảng 1250C) vật liệu có từ tính từ tính Một số vật liệu dẫn từ thơng dụng Mục tiêu: Trình bầy tính chất, cơng dụng loại vật dẫn từ thông dụng - Vật liệu sắt từ mềm: Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao, lực kháng từ tổn hao từ trễ nhỏ Được dùng để chế tạo mạch từ thiết bị điện, đồ dùng điện Đặc điểm loại vật liệu độ dẫn từ lớn, tổn hao bé Các vật liệu là: a Sắt (thép cácbon thấp) Nhìn chung sắt thỏi chứa lượng nhỏ tạp chất, cácbon, sulfur, mangan, silíc, nguyên tố khác làm yếu tính chất từ tính Bởi điện trở suất tương đối thấp, thép thỏi phần lớn dùng cho lõi từ Nó thường làm sắt đúc tinh chế lò luyện kim lò thổi với tổng lượng chứa (0,08 – 0,1)% tạp chất Vật liệu biết đến tên thép armco sản xuất theo nhiều cấp độ khác Thép điện cácbon thấp, điện, loại khác thép thỏi, độ dày từ 0,2 đến 4mm, không chứa 0,04% cácbon không 0,6% nguyên tố khác Độ thẩm từ cao loại thép khác không mức 3500 4500, lực kháng từ tương ứng không cao (100 62)A/m Sắt đặc biệt tinh khiết sản xuất cách điện phân dung dịch sulfát sắt hay clorua sắt Nó chứa 0,05 tạp chất 80 Vì có điện trở tương đối thấp nên sắt tinh khiết kỹ thuật sử dụng tương đối ít, chủ yếu làm mạch từ từ thông không đổi Bảng 3.1 Các thành phần hóa học tính chất từ vài loại sắt Các tính chất từ Tạp chất (%) Vật liệu Độ thẩm từ Ban đầu O2 C Lực kháng Lớn max từ HC (A/m) Sắt thỏi 0,02 0,06 250 7000 64 Sắt điện phân 0,02 0,01 600 15000 28 Sắt cacbonyl 0,005 0,005 3300 21000 6,4 Sắt điện phân nóng chảy chân không 0,01 - - 61000 7,2 Sắt tinh chế hyđrô 0,005 0,003 6000 200000 3,2 Sắt tinh chế cao hyđrô - - 20000 340000 2,4 Tinh chế đơn sắt tinh khiết ủ ram hyđrô - - - 1430000 0,8 b.Thép kỹ thuật điện - Tính chất Từ thép cacbon thấp có thành phần C < 0,04% tạp chất khác < 0,6%) có trị số từ thẩm tương đối từ 3500 4500, cường độ từ trường khử từ (64 96)A/m Người ta đưa thêm silic vào thành phần thép Hàm lượng silic dùng để hạn chế tổn hao từ trễ tăng điện trở thép để giảm tổn hao dịng điện xốy Nếu thành phần silic nhiều (trên 5%) làm tăng độ dịn, giảm độ dẻo nên vật liệu khó gia cơng Tùy theo thành phần silic có thép nhiều hay mà tính chất từ thay đổi khác Thép có hàm lượng silic cao chủ yếu làm mạch từ cho máy biến áp Thép có hàm lượng silic nhỏ dùng làm mạch từ trường hợp từ thông không đổi - Phân loại Theo thành phần ta có: sắt kỹ thuật; thép silic Theo cơng nghệ chế tạo ta có loại: thép cán nóng thép cán nguội Trong thép cán nóng thép cán nguội ta có: 81 + Thép đẳng hướng: có tính từ tính tốt thường dùng làm lõi thép máy biến áp + Thép vô hướng: thường dùng máy điện quay - Giải thích ký hiệu Nếu thép kỹ thuật điện có hàm lượng C< 0,4% tạp chất < 0,6% ta gọi sắt kỹ thuật Thép silic: có ký hiệu chữ số Con số thứ hàm lượng gần silíc theo phần trăm; tăng hàm lượng silíc, khối lượng riêng giảm điện trở suất tăng lên Con số thứ hai đặc trưng cho tính chất điện từ thép + Các số 1, 2, đảm bảo suất tổn hao xác định từ hoá lại tần số Pécmaloi50Hz) cảm ứng từ từ trường mạnh + Chữ A ký hiệu suất tổn hao thấp + Số cho biết thép định mức tổn hao từ hóa tần số 400Hz cảm ứng từ từ trường trung bình + Thép có ký hiệu số 5, dùng từ trường yếu từ (0,002 0,008)A/cm trị số bđ chúng đảm bảo + Con số 7, đặc điểm chủ yếu độ từ thẩm cường độ từ trường trung bình từ (0,03 10)A/cm + Con số thứ thép cán nguội (thép có thớ) + Có hai số liên tiếp thép cán nguội thớ c Công dụng Thép với hàm lượng silic cao chủ yếu dùng để làm lỏi thép máy biến áp mà ta thường gọi tơn silic Thép có thớ đẳng hướng: có tính từ tính tốt thường dùng làm lõi thép máy biến áp Sử dụng thép làm máy biến áp điện lực giảm trọng lượng kích thước Thép có thớ vơ hướng: thường dùng máy điện quay Các kích thước thường dùng thép kỹ thuật điện cho bảng Bảng 3.2 Kích thước thường dùng thép kỹ thuật điện Kích thước Đơn vị đo Trị số thường dùng Dày mm 0,1; 0,2; 0,35; 0,5, Rộng m 0,24; 0,6; 0,7; 0,75; 0,86; Dài m 0,72; 1,2; 1,34; 1,5; 1,75; 82 Các tiêu chuẩn quy định tính chất điện từ nhãn hiệu thép kỹ thuật điện là: Cảm ứng từ (ký hiệu chữ B với số cường độ từ trường tương ứng tính theo A/cm); Tổng suất tổn hao cơng suất dịng điện xoay chiều tính W 1kg thép đặt từ trường xoay chiều, ký hiệu chữ P với số dạng phân số; tử số giá trị biên độ cảm ứng từ tính theo kilơgam, mẫu số tần số tính héc Bảng 3.3.Giá trị cảm ứng từ số loại thép kỹ thuật điện Nhãn hiệu thép Bề dày (mm) B 0,002 –B 0,009 gauss, không nhỏ B0,1 – B10 gauss, không nhỏ 45 46 0,2 – 0,35 1,2 – 8,8 – 47 48 0,2 – 0,35 – 0,3 – 1,3 370 380 0,2 – 0,5 – 1,4 –1,7 Pécmaloi: (permallois): Là hợp kim sắt - niken có độ từ thẩm ban đầu lớn từ trường yếu, chúng khơng có tượng dị hướng từ giảo Pécmalôi chia làm loại: Loại nhiều niken: (72 80)%Ni dùng làm lỏi cuộn cảm có kích thước từ nhỏ, mạch từ máy biến áp âm tần nhỏ, mạch từ máy biến áp xung máy khuếch đại từ Loại niken: (40 50)%Ni có cường độ từ cảm bảo hịa lớn gấp lần loại có nhiều niken Được dùng làm mạch từ cho máy biến áp điện lực, lõi cuộn cảm dụng cụ có mật độ từ thơng cao Alusife: Hợp kim sắt với silíc nhơm có tên gọi alusife Thành phần tốt alusife 9,5% Si, 5,6% Al lại Fe Hợp kim có đặc tính cứng giịn, chế tạo dạng đúc định hình Các sản phẩm chế từ alusife như: từ, thân dụng cụ v.v chế tạo phương pháp đúc với thành chi tiết khơng mỏng (2-3) mm hợp kim giòn Điều làm hạn chế nhiều sử dụng vật liệu Vf vật liệu giịn nên nghiền thành bột để sản xuất lõi ép cao tần Ferit: Là vật liệu sắt từ bột oxýt sắt, kẻm số vật liệu dạng mịn, định dạng theo ý muốn thơng qua cơng nghệ kết dính dồn kết dính bột kim loại Ferit có điện trở suất lớn nên dịng điện xốy 83 chạy nhỏ Dùng làm mạch từ cuộn dây máy móc điện tử, máy khuếch đại tần số 3.1 Vật liệu sắt từ cứng Các vật liệu sắt từ cứng thường có tổn hao từ trễ lớn, cường độ từ trường khử từ cao, độ từ thẩm nhỏ so với vật liệu sắt từ mềm Tùy theo thành phần trạng thái phương pháp chế tạo vật liệu sắt từ cứng chia làm nhiều loại: Thép hợp kim hóa, tơi đến trạng thái máctenxít Các hợp kim từ cứng alni, alnisi, alnico, macnico Các nam châm dạng bột Là loại có độ dẫn từ thấp hơn, có từ dư lớn, có khả luyện từ, chủ yếu dùng để chế tạo nam chậm vĩnh cửu máy điện, cấu đo Vật liệu chủ yếu thép cácbon, thép crom, thép vonfram, thép côban Hợp kim làm nam châm vĩnh cữu a Thép hợp kim hóa tơi đến trạng thái mactenxít Là loại thép hợp kim hoá với chất như: vonfram, crôm, molipden, côban Loại thép vật liệu đơn giản dễ kiếm để làm nam châm vĩnh cửu Thành phần tính chất thép cho bảng Các tính chất cho bảng (bảng4.6.) đảm bảo thép mactenxít sau nhiệt luyện đặc biệt loại sau ổn định nước sơi b Các hợp kim từ cứng Thường gọi hợp kim aluni: (Al - Ni - Fe) Loại có lượng từ lớn Nếu cho thêm cơban silic tính chất từ hợp kim tăng lên Hợp kim aluni, cho thêm silic gọi alunisi, cho thêm côban gọi alunico Nếu hợp kim alunico có hàm lượng cơban lớn ta gọi macnico Bảng 3.4 Thành phần, tính chất thép Mactenxit làm nam châm vĩnh cửu Thành phần hóa học % Cáctính chất từ (khơng nhỏ hơn) Nhãn hiệu C Cr VV Co Mo Cảm ứng từ Lực kháng dư Bd từ Hk k.gauss ơcstet EX 0,95 đến 1,10 1,30 đến 1,60 - - - 9,0 58 EX3 0,90 đến 1,10 2,80 đến 3,60 - - - 9,5 60 E7B6 0,68 đến 0,30 đến - - 10,0 62 5,20 đến 84 EX5K5 EX9K15M 0,78 0,50 0,90 đến 1,05 5,50 đến 6,50 - 8,0 đến 10,0 - 0,90 đến 1,05 6,20 5,50 đến 6,5 13,5 đến 16,5 - 8,5 100 1,20 đến 1,70 8,0 170 Tất hợp kim có khuyết điểm khó chế tạo thành chi tiết có kích thước xác hợp kim có tính chất cứng giịn Nên gia công phương pháp mài Tùy theo thành phần phương pháp gia cơng mà tính chất từ thay đổi Nam châm hợp kim manicô nhẹ nam châm aluni lượng lần nhẹ nam châm thép crôm thông thường 22 lần c Các nam châm dạng bột Chế tạo nam châm vĩnh cửu phương pháp luyện kim bột đề hợp kim đúc sắt – niken – nhôm chế tạo sản phẩm nhỏ có kích thước chinh xác Chúng ta cần phân biệt hai loại nam châm bột kim loại gốm nam châm bột có hạt gắn chất kết dính (nam châm kim loại dẻo) Loại thứ chế tạo cách ép bột nghiền từ hợp kim từ cứng, sau đố thiêu kết nhiệt độ cao Các chi tiết nhỏ chế tạo cơng nghệ có kích thước tương đối xác, khơng cần gia cơng thêm Loại thứ hai chế tạo phương pháp ép giống ép chi tiết chất dẻo chất độn nghiền từ hợp kim từ cứng Vì chất độn cứng nên cần áp suất riêng để ép cao ( /cm2) Nam châm kim loại bột kinh tế sản xuất tự động hóa hàng loạt nam châm có cấu tạo phức tạp kích hước khơng lớn Cơng nghệ hợp kim dẻo chế tạo nam châm có lõi Tính chất từ nam châm kim loại dẻo nhiều, lực kháng từ giảm (10 15)%, từ dư giảm (35 50)%, lượng tích lũy giảm (40 60)% so với nam châm đúc Nam châm kim loại dẻo có điện trở cao, sử dụng thiết bị có trường biến đổi tần số cao 3.2 Các vật liệu từ có cơng dụng đặc biệt 3.2.1.Các chất sắt từ mềm đặc biệt Các vật liệu từ mềm chia thành nhóm dựa vào tính chất từ đặc biệt chúng là: a Các hợp kim có đặc tính độ từ thẩm thay đổi cường độ từ trường khơng đổi Loại hợp kim thuộc nhóm có tên gọi pecminva, hợp kim ba nguyên tố: Fe – Ni – Co với hàm lượng thành phần 25; 45 30% Hợp kim 85 ủ nhiệt độ 10000C, sau giữ nhiệt độ (400  500)0C làm nguội chậm Pecminva có lực kháng từ nhỏ, độ từ thẩm ban đầu 300 giữ không đổi khoảng cường độ trường đến ơcstet với cảm ứng từ 1000 gauss Pecminva ổn định từ kém, nhạy cảm với nhiệt độ ứng suất b Các hợp kim có độ từ thẩm phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Là hợp kim nhiệt từ gồm: Ni – Cu; Fe – Ni; Fe – Ni – Cr Các hợp kim dùng để bù sai số nhiệt độ thiết bị, sai số gây biến đôi từ cảm nam châm vĩnh cửu hay điện trở dây dẫn dụng cụ điện nhiệt độ môi trường khác với nhiệt đọ lúc khắc độ Để có độ từ thẩm phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, ngưịi ta sử dụng tính chất chất sắt từ cảm ứng từ giảm tăng nhiệt độ đến gần điểm Quyri Đối với chất sắt từ điểm Quyri nằm khoảng đến 1000C tùy thuộc vào nguyên tố hợp kim hóa phụ Hợp kim Ni – Cu với hàm lượng 30% Cu bù sai số giới hạn từ (20 đến 80) 0C; với 40% Cu từ (- 50 đến 10)0C c Các hợp kim có độ từ giảo cao Là hợp kim Fe – Cr; Fe – Co Fe – Al Các hợp kim dùng làm lõi máy phát dao động âm tần số âm siêu âm Độ từ giảo hợp kim có dấu dương Để chế tạo vật liệu dùng niken mỏng tinh khiết với độ từ giảo âm d Các hợp kim có độ từ giảo bảo hòa cao Là hợp kim Fe – Co có từ cảm bảo hịa từ cao đến 24000 gauss Điện trở hợp kim không lớn Hợp kim có tên gọi Pecmenđuyara với hàm lượng cơban từ 50 đên 70% Pecmenđuyara có giá thành cao nên dùng thiết bị đặc biệt, phận loa động, màng ống điện thoại, dao động ký v.v 3.2.2.Ferít Ferít gốm từ có điện dẫn điện tử khơng đáng kể, xếp vào loại bán dẫn điện tử Trị số điện trở suất lớn với tính chất từ tương đối tốt làm cho ferít dùng rộng rãi tần số cao Người ta chia ferít thành loại: a Ferít từ mềm Loại ferít từ mềm có từ cảm lớn (hơn 3000gauss) lực kháng từ nhỏ khoảng 0,2 ơcstet Ferít với trị số lớn có trị số tổn hao lớn tăng nhanh tần số tăng Ferít có số điện mơi tương đối lớn, trị số phụ thuộc vào tần số thành phần ferít Khi tần số tăng số điện mơi giảm Tang góc tổn hao ferít từ 0,005 đến 0,1 Ferít có tượng từ giảo ferít khác hiệu ứng khác Đặc tính vật liệu Ferít cho bảng sau Bảng 3.5.Các đặc tính vật liệu Ferit 86 Mật độ Nhiệt dung riêng J(g.độ) Nhiệt dẫn Hệ số giãn riêng nở nhiệt theo W(cm.độ) chiều dài Điện trở suất , cm l.độ-1 0,7 102 10-5 10 107 Hiện người ta thường sử dụng nhóm ferít hỗn hợp như: mangan – kẽm; niken – kẽm, liti – kẽm b Ferít từ cao tần Ngồi ferít từ mềm, tần số cao dùng thép kỹ thuật điện pecmalôi cán nguội điện môi từ Bề dày thép đạt tới (25-30) m Các tính chất từ vật liệu cán mỏng gần giống với chưa cán giá thành chúng cao công nghệ lắp ghép mạch từ vật liệu mỏng phức tạp Vật liệu điện môi từ chế tạo cách nén bột sắt từ có chất kết dính cách điện hữu hay vơ Các chất sắt từ thường dùng sắt cácbonyl, pécmalơi, alusife v.v Chất dính kêt cách điện nhưa fenol – foócmalđêhyt, polistirol, thủy tinh v.v Các chất sắt từ cần phải có từ tính cao, cịn chất kết dính phải tạo thành lớp cách điện liên tục khơng gián đoạn hạt ferít Các lớp cần có bề dày đồng độ bền kết dính hạt với c.Ferít có vịng từ trễ chữ nhật Ferít có vịng từ trễ chữ nhật đặc biệt ý kỹ thuật máy tính để làm nhớ Vật liệu sản phẩm có loạt yêu cầu đặc biệt Để đặc trưng cho chúng thường dùng vài tham số phụ Trong số phải kể đến tham số hệ số chữ nhật Kcn chu trình từ trễ, tỉ số cảm ứng từ dư Bdư cảm ứng từ lớn Bmax Để xác định Bmax thường đo trị số Hmax= 5Hk Hệ số Kcn gần tới tốt Ferít từ trễ chữ nhật sử dụng cần ý đến thay đổi tính chất chúng theo nhiệt độ Ví dụ nhiệt độ biến đổi từ -200C đến 600C lực kháng từ giảm (1,5  2) lần, cảm ứng từ giảm (5 35)% 87 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Câu hỏi: Trình bày khái niệm vật liệu từ? Nêu đặc tính chủa vật liệu dẫn từ? Thế đường cong từ hóa? Trình bày đường cong từ hóa số vật liệu từ điển hình? Trình bày khái niệm mạch từ? Nêu cách tính tốn số mạch từ đơn giản? Nêu định luật mạch từ? Thế toán thuận, toán nghịch? Từ mạch từ vẽ sơ đồ thay nêu đại lượng có sơ đồ? Cho biết hư hỏng thường xẩy mạch từ? Thế vật liệu từ mềm, từ cứng vật liệu từ có cơng dụng từ đặc biệt? 8.Nêu tính chất thép kỹ thuật điện? Cách phân loại giải thích ký hiệu thép kỹ thuật điện? Nêu tính chất cơng dụng loại vật liệu từ học? Bài tập: Mạch từ hình vẽ (hình BT: 4.1) có kích thước S = S = cm2, = 0,050 cm, LC = 30cm N = 500 vòng Giả sử sắt r = 70000 a Hãy xác định từ trở RC R Giả sử mạch từ làm việc BC = 0,1T b Hãy xác định từ thơng dịng điện I Hinh BT: Đối với mạch từ (hình BT: 4.1) Hãy xác định: a Tự cảm L b Năng lượng dự trữ w BC =1T c Điện áp cảm ưng e Cho tần số f = 60Hz, BC = 1,0 sint với  = /60=377 88 CHƯƠNG IV: VẬT LIỆU BÁN DẪN Mã chương: MH 11 - 04 Giới thiệu: Vật liệu bán dẫn có ý nghĩa quan trọng kỹ thuật điện Chúng dùng để tạo cách điện bao bọc quanh phận dẫn điện thiết bị điện đẫn điện tới phận có điện khác Nhiệm vụ Vật liệu bán dẫn có ý nghĩa quan trọng muốn sử dụng đạt hiệu cao địi hỏi người cơng nhân phải am hiểu tính chất, đặc tính kỹ thuật loại vật liệu bán dẫn Nội dung học nhằm trang bị cho người học kiến thức vật liệu bán dẫn ứng dụng Mục tiêu: - Nhận dạng, phân loại xác loại linh kiện (vật liệu bán dẫn) dùng công nghiệp dân dụng -Trình bày đặc tính số loại vật liệu bán dẫn thường dùng - Sử dụng phù hợp loại vật liệu bán dẫn theo yêu cầu kỹ thuật cụ thể -Xác định nguyên nhân gây hư hỏng có phương án thay khả thi loại vật liệu bán dẫn thường dùng -Rèn luyện tính cẩn thận, xác, chủ động cơng việc 4.1 Khái qt vật liệu bán dẫn a Định nghĩa Chất bán dẫn loại vật liệu mức lượng ∆W trung bình, điều kiện thường khơng dẫn điện ta tác động vào điện tử mức lượng điện trường, nhiệt độ trở thành vật dẫn điện Hay chất bán dẫn chất mà cấu tạo ngun tử tầng ngồi có electron, chất bán dẫn có điện trở lớn chất dẫn điện nhỏ chất cách điện b Đặc tính chất bán dẫn Điện trở suất () - Hai chất bán dẫn thông dụng chất Silivium Germanium với: Si = 104  mm2/m Ge = 8,9 104  mm2/m Trị số  lơn so với chất dẫn điện đồng ( Cu = 0,017  mm2/m) lại nhỏ so với chất cách điện thuỷ tinh (thuỷ tinh = 1018  mm2/m) Ảnh hưởng nhiệt độ 89 Điện trở chất bán dẫn thay đổi lớn theo nhiệt độ, nhiệt độ tăng lên điện trở chất bán dẫn giảm xuống nhiệt độ cao mức điện trở giảm lớn Nhờ tính chất mà người ta chế tạo điện trở có trị số thay đổi theo nhiệt độ gọi điện trở nhiệt ( Thenmistor ) Ảnh hưởng ánh sáng Điện trở chất bán dẫn đặt vỏ kín khơng có ánh sáng chiếu vào có trị số lớn Khi chiếu ánh sáng vào chất bán dẫn điện trở giảm xuống, độ chiếu sáng mạnh mức điện trở giảm xuống lớn Nhờ vào tính chất mà người ta chế tạo điện trở có trị số thay đổi theo ánh sáng gọi điện trở quang ( photo-resistor ) Ảnh hưởng độ tinh khiết Một khối bán dẫn tinh khiết có điện trở lớn pha thêm vào tỉ lệ thấp chất thích hợp điện trở chất bán dẫn giảm xuống rõ rệt Tỉ lệ pha cao điện trở giảm nhỏ Nhờ vào tính chất người ta chế tạo linh kiện bán dẫn như: diode, transistor 4.2 Điện dẫn vật liệu bán dẫn Phụ thuộc vào đặc tính chất bán dẫn 4.3 Chất bán dẫn a Cấu tạo nguyên tử Si Ge Chất Si Ge ngun tố hố học phân nhóm thuộc nhóm IV bảng tuần hồn Mendelep nên chúng có 4e lớp ngồi ( hố trị ) Si có 14e bao quanh hạt nhân tầng (3 lớp) Ge có 32e nhân bao quanh nhân e xếp lớp Hình 4.1 Cấu tạo nguyên tử Si b Chất bán dẫn Trong chất bán dẫn nguyên tử gần liên kết chặt chẽ với làm cho điện tử không tách rời Trong khối bán dẫn tinh khiết, nguyên tử gần liên kết theo kiểu cộng hoá trị Bốn electron nguyên tử mắc nối cới electron 90 nguyên tử xung quanh tạo thành mối nối làm cho e khó tách rời khỏi nguyên tử để trở thành e tự Như vậy, chất bán trở dẫn tinh khiết có điện lớn 4.4 Chất bán dẫn loại P ( Positire – dương) a Khái niệm Nếu ta pha chất bán dẫn phân nhóm nhóm ( có 4e ngồi ) với lượng chất có cấu tạo nguyên tử với 3e lớp ( phân nhóm III ) Indium Bore ( Bo ) Khi In có lớp ngồi liên kết với 4e Si có mối nối thiếu điện tử, chố thiếu điện tử gọi lỗ trống Lỗ trống mối lối thiếu electron dễ dàng nhận electron Như vậy, ta pha thêm nguyên tử chất In có lỗ trống Nếu pha thêm nhiều nguyên tử In có nhiều lỗ trống Chất bán dẫn có lỗ trống gọi chất bán dẫn loại P ( loại dương ) Hình 4.2 Cấu tạo nguyên tử Ge Hình 4.3 Chất bán dẫn 4.5 Chất bán dẫn loại N ( Negative-âm ) a Khái niệm Nếu pha vào chất bán dẫn có 4e lớp ngồi với chất có 5e lớp ngồi ( hoá trị ) chất arsenic hay photphor Các chất photphor có 5e 4e liên kết với 4e nguyên tử Si khác nhau, lại 1e thừa không liên kết với electron chất bán dẫn trở thành electron tự Như vậy, pha thêm nguyên tử phosphor có nhiều electron tự Chất bán dẫn có electron tự gọi chất bán dẫn loại N ( loại âm ) b Cấu trúc 91 Hình 4.5 Cấu trúc chất bán dẫn loại N ( Negative-âm ) 4.6 Tiếp giáp P-N; điôt tiếp mặt 4.6.1 Tiếp giáp P-N a Tiếp giáp P-N chưa có điện trường Khi cho miếng bán dẫn loại P loại N tiếp xúc công nghệ với vùng tiếp xúc xảy tượng đặc biệt Hình 4.6 Tiếp giáp P-N chưa có điện trường ngồi Do chênh lệch lớn nồng độ điện tử vùng tiếp xúc xảy tượng khuếch tán điện tử đa số Lỗ trống bán dẫn P qua tiếp giáp sang bán dẫn N điện tử bán dẫn N qua tiếp giáp sang bán dẫn điện tử bán dẫn N qua tiếp giáp sang bán dẫn P tạo thành dòng khuếch tán có chiều P N Khi xảy tượng khuếch tán bán dẫn loại P gồm phạm vi tiếp xúc xuất miền chủ yếu loại ion âm bán dẫn loại N phạm vi gần mặt tiếp xúc xuất miền chủ yếu ion dương, điện tử trái dấu miền tiếp xúc, thiếu điện tử đa số nên gọi lớp chắn (tiếp giáp PN) Trong phạm vi lớp chắn miền điện tích trái dấu ( hàng điện có hiệu điện tiếp xúc ) tương ứng với điện trường tiếp xúc ( Etx ) có chiều từ NP 92 Quá trình khuếch tán tiếp tục Etx lớn dẫn đến Ikhuếch tán tăng Itrôi đến lúc đạt cân Ikhuếch tán = Itrơi Kết dịng điện tổng qua tiếp giáp P-N ( gọi trạng thái cân ) b Tiếp giáp P-N có điện trường ngồi Hình 4.7 Tiếp giáp P-N chưa có điện trường ngồi * Phân cực ngược cho tiếp giáp P-N Ta đặt vào tiếp giáp điện áp phân cực ngược ( âm nối với bán dẫn P, dương nguồn nối với bán dẫn N ) Điện trường điện áp ngồi tạo chiều với Etx Do đẩy điện tử đa số xa khỏi miền tiếp xúc bề rộng khuếch tán tăng, Ikt giảm, Itrơi tăng nhanh chóng bão hồ có trị số bão hồ Tóm lại phân cực ngược dịng điện qua tiếp giáp nhỏ gọi dòng điện ngược ( Ingược ) * Phân cực thuận cho tiếp giáp P-N Hình 4.8 Phân cực thuận cho tiếp giáp P-N Ta đặt điện áp từ vào tiếp giáp P-N (+) nối với P, (-) nối với N Khi E ngược chiều với Electrontx nên điện trường tổng lớp chắn giảm làm tăng chuyển động khuếch tán lên điện tử đa số ( Ikhuếch tán tăng  bề rộng lớp chắn giảm ) Tóm lại: phân cực thuận dòng điện qua tiếp giáp lớn Ikhuếch tán tăng với bề dày lớp chắn giảm c Kết luận -Tiếp giáp P-N đặt điện trường ngồi có tính dẫn điện khơng đối xứng -Khi phân cực thuận dòng qua tiếp giáp lớn -Khi phân cực ngược dịng qua tiếp giáp nhỏ nhanhchóng bị bão hoà -Vậy tiếp giáp P-N dẫn điện theo chiều 4.6.2 Điôt tiếp mặt a Cấu tạo 93 Cho Indium (In) tiếp xúc công nghệ với miếng bán dẫn loại N cách nung nóng chảy In, nguyên tử In khuếch tán vào N tạo vùng bán dẫn loại P hình thành tiếp giáp P-N đưa hai điện cực b Đặc điểm - Do diện tích tiếp xúc lớn nên cho dịng qua diode có trị số lớn, dịng điện chạy từ A K phân cực thuận - Do diện tích tiếp xúc lớn nên tồn tụ điện ký sinh lớn diode làm việc với lưới điện âm tần ( tần số thấp ) 4.6.3 Ứng dụng - Dùng để chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành chiều - Diode tiếp xúc mặt dùng làm diode chỉnh lưu, diode âm tần, diode nắn điện Câu hỏi tập Câu 1: Định nghĩa vật liệu bán dẫn? Câu 2: Khái niêm, cấu trúc chất bán dẫn N? Câu 3: Khái niêm, cấu trúc chất bán dẫn P? TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]- Nguyễn Trọng Thắng, Công nghệ chế tạo tính tốn sửa chữa máy điện 1, 2, 3, NXB Giáo Dục 2000 [2]- Trần Khánh Hà, Máy điện 1, 2, NXB Khoa học Kỹ thuật 2004 [3] -Nguyễn Xuân Phú (chủ biên), Quấn dây, sử dụng sửa chữa động điện xoay chiều chiều thông dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật 2000 [4]- Đặng Văn Đào, Kỹ Thuật Điện, NXB Giáo dục 2004 [5]-Trần Thế San, Nguyễn Đức Phấn, Thực hành kỹ thuật điện lạnh, NXB Đà Nẵng 2001 [6] Nguyễn Xuân Phú, Khí cụ Điện - Kết cấu, sử dụng sửa chữa, NXB Khoa học Kỹ thuật 2002 94