Giáo trình Vật liệu điện (Nghề Điện công nghiệp Trình độ Trung cấp nghề)

Untitled Trang 1 ỦY BAN NHÂN DÂN HUYỆN CỦ CHI TRƯỜNG TRUNG CẤP NGHỀ CỦ CHI GIÁO TRÌNH MÔN HỌC VẬT LIỆU ĐIỆN NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP NGHỀ Ban hành kèm theo Quyết định số 48/QĐ TCNCC ng[.]

ỦY BAN NHÂN DÂN HUYỆN CỦ CHI TRƯỜNG TRUNG CẤP NGHỀ CỦ CHI GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP NGHỀ Ban hành kèm theo Quyết định số: 48/QĐ-TCNCC ngày 04 tháng 10 năm 2021 Hiệu trưởng trường Trung Cấp Nghề Củ Chi Tp Hồ Chí Minh, năm 2021 Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Trang LỜI GIỚI THIỆU Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp trình độ TCN, giáo trình Mơn học Vật liệu điện giáo trình mơn học sở chun ngành Điện công nghiệp biên soạn theo nội dung chương trình khung Sở Lao động - Thương binh Xã hội TPHCM Trường trung cấp nghề Củ Chi ban hành dành cho hệ Trung Cấp Nghề Điện công nghiệp Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức kỹ Năng chặt chẽ với nhau, logíc Khi biên soạn, nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết thực hành biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 30 gồm có: Chương 1: Khái niệm vật liệu điện Chương 2: Vật liệu cách điện Chương 3: Vật liệu dẫn điện Chương 4: Vật liệu dẫn từ Trong trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu khoa học cơng nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiên thức cho phù hợp Trong giáo trình, Tơi có đề nội dung thực tập để người học cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, cô giáo, bạn đọc để người biên soạn hiệu chỉnh hoàn thiện Tp HCM, ngày 30 tháng 10 năm 2022 Giáo viên biên soạn Nguyễn Đoan Thùy Như Hồng Ngọc Trang MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC .3 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VẬT LIỆU ĐIỆN Khái niệm vật liệu điện 16 1.1 Khái niệm 17 1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu 17 1.3 Cấu tạo phân tử 17 1.4 Khuyết tật cấu tạo vật rắn 18 1.5 Lý thuyết phân vùng lượng vật rắn 18 Phân loại vật liệu điện 19 2.1 Phân loại theo khả dẫn điện 19 2.2 Phân loại theo từ tính 19 2.3 Phân loại theo trạng thái vật thể 19 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 2.1 Khái niệm phân loại vật liệu cách điện 20 2.1.1 Khái niệm 20 2.1.2 Phân loại vật liệu cách điện 20 2.2 Tính chất chung vật liệu cách điện 20 2.2.1 Tính hút ẩm vật liệu cách điện 25 2.2.2 Tính chất học vật liệu cách điện 25 2.2.3 Tính chất hóa học vật liệu cách điện 25 2.2.4 Hiện tượng đánh thủng điện môi độ bền cách điện 25 2.2.5 Độ bền nhiệt 25 2.2.6 Tính chọn vật liệu cách điện 25 2.2.7 Hư hỏng thường gặp 25 2.3 Một số vật liệu cách điện thông dụng 25 2.3.1 Vật liệu sợi 30 2.3.2 Giấy tông 30 2.3.3 Phíp 30 2.3.4 Amiăng, xi măng amiăng 30 2.3.5 Vải sơn băng cách điện 30 2.3.6 Chất dẻo 30 2.3.7 Nhựa cách điện 30 2.3.8 Dầu cách điện 30 2.3.9 Sơn hợp chất cách điện: 30 Trang 2.3.10 Chất đàn hồi 30 2.3.11 Điện môi vô 30 2.3.12 Vật liệu cách điện gốm sứ 32 2.3.13 Mica vật liệu sở mica 32 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 3.1 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn điện 32 3.1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện 32 3.1.2 Tính chất vật liệu dẫn điện 32 3.1.3 Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến tính dẫn điện vật liệu 32 3.1.4 Hiệu điện tiếp xúc sức nhiệt động 33 3.2 Tính chất chung kim loại hợp kim 33 3.2.1 Tầm quan trọng kim loại hợp kim 33 3.2.2 Các tính chất 33 3.3 Những hư hỏng thường gặp cách chọn vật liệu dẫn điện 33 3.3.1 Những hư hỏng thường gặp 33 3.3.2 Cách chọn vật liệu dẫn điện 33 3.4 Một số vật liệu dẫn điện thông dụng 33 3.4.1 Đồng hợp kim đồng 33 3.4.2 Nhôm hợp kim nhôm 33 3.4.3 Chì hợp kim chì 35 3.4.4 Sắt (Thép) 35 3.4.5 Wonfram 35 3.4.6 Kim loại dùng làm tiếp điểm cổ góp 35 3.4.7 Hợp kim có điện trở cao chịu nhiệt 35 3.4.8 Lưỡng kim 35 CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU DẪN TỪ 4.1 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn từ 38 4.1.1 Khái niệm 38 4.1.2 Tính chất vật liệu dẫn từ 40 4.1.3 Các đặc tính vật liệu dẫn từ 40 4.1.4 Đường cong từ hóa 40 4.2 Mạch từ tính toán mạch từ 45 4.2.1 Các công thức 45 4.2.2 Sơ đồ thay mạch từ 47 4.2.3 Mạch từ xoay chiều 47 4.2.4 Những hư hỏng thường gặp 48 4.3 Một số vật liệu dẫn từ thông dụng 49 4.3.1 Vật liệu sắt từ mềm 50 4.3.2 Vật liệu sắt từ cứng 50 4.3.3 Các vật liệu sắt từ có cơng dụng đặc biệt 50 Trang MÔN HỌC VẬT LIỆU ĐIỆN Mã mơ đun: Mh 12 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: - Vị trí: Mơn học bố trí học sau mơn học An tồn lao động học song song với mơn Vẽ điện, Khí cụ điện - Tính chất: Là môn học kỹ thuật sở, thuộc môn học đào tạo nghề bắt buộc - Ý nghĩa mơ đun: Mơn học giúp người học có kiến thức vật liệu điện - Vai trò môn học: Là môn học chuyên ngành giúp người học phân loại vật liệu điện ngành điện công nghiệp Mục tiêu mô đun: * 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 * Kỹ - Xác định dạng nguyên nhân gây hư hỏng vật liệu điện - Lựa chọn vật liệu điện sử dụng * Năng lực tự chủ trách nhiệm - Rèn luyện tác phong công nghiệp làm việc nhóm - Rèn luyện tính tỉ mỉ, cẩn thận, xác khoa học Trang CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Giới thiệu: Vật liệu điện có vai trị to lớn cơng nghiệp điện Để thấy rõ chất cách điện hay dẫn điện loại vật liệu, cần hiểu khái niệm cấu tạo vật liệu nhƣ hình thành phần tử mang điện vật liệu Bên cạnh cần nắm rõ nguồn gốc, cách phân loại loại vật liệu nhƣ để tiện lợi cho trình lựa chọn sử dụng sau Nội dung học nhằm trang bị cho ngƣời họcnhững kiến thức nhằm giúp cho người họccó kiến thức để học tập học sau có hiệu Mục tiêu bài: + Trình bày khái niệm cấu tạo vật liệu dẫn điện + Phân loại xác chức vật liệu cụ thể + Rèn luyện tính chủ động nghiêm túc cơng việc Nội dung chính: Khái niệm 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 mô hình nguyên tử Bohr, nguyên tử đƣợc cấu tạo hạt nhân mang điện tích dƣơng 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 dƣơng với số lượng Zq Trong đó: - Tạo nhiệt thiết bị bình đun nước, lị sấy… Z: số lượng điện tử nguyên tử đồng thời số thứ tự ngun tố bảng tuần hồn Menđêlêép q: điện tích điện tử e (qe=1,601.1019 culơng) Prơton có khối lƣợng 1,67.10-27 kg, êlêctron (e) có khối lƣợng 9,1.10-31 kg Trang Hình 1.1: Mơ hình nguyên tử Bohr Ở trạng thái bình thường, nguyên tử đƣợc trung hòa điện, tức nguyên tử có tổng điện tích dương hạt nhân tổng điện tích âm điện tử Nếu lý đó, ngun tử hay nhiều điện tử trở thành điện tích dƣơng mà ta thường gọi ion dƣơng Ngược lại nguyên tử trung hòa 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: 1.3.1 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 Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kêt đồng hóa trị trung tính hay lưỡng cực Phân tử có trọng tâm điện tích dương âm trùng phân tử trung tính Các chất tạo nên từ phân tử trung tính gọi chất trung tính Phân tử có trọng tâm điện tích dương điện tích âm khơng trùng nhau, cách khoảng cách „‟a‟‟ gọi phân tử cực tính hay cịn gọi lưỡng cực Phân tử cực tính đặc trƣng mơ men lƣỡng cực m = q.a Dựa vào trị số mô men lƣỡng cực phân tử ngƣời ta chia thành chất cực tính yếu cực tính mạnh Những chất đƣợc cấu tạo phân tử cực tính gọi chất cực tính Liên kết đồng hóa trị cịn thấy chất rắn vơ có mạng tinh thể cấu tạo từ nguyên tử Hình 1.3: Một số liên kết đồng hóa trị 1.3.2 Liên kết ion Liên kết ion xác lập lực hút ion dương ion âm phân tử Liên kết ion liên kết bền vững Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ muối halơgen kim loại kiềm Trang Hình 1.4: Liên kết ion Khả tạo nên chất hợp chất mạng không gian phụ thuộc chủ yếu vào kích thước ngun tử hình dáng lớp điện tử ngồi 1.3.3 Liên kết kim loại Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn Kim loại đƣợc xem hệ thống cấu tạo từ ion dƣơng nằm môi trƣờng điện tử tự Lực hút ion dƣơng điện tử tạo nên tính ngun khối kim loại Chính liên kết kim loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Sự tồn điện tử tự làm cho kim loại có tính ánh kim tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo kim loại đƣợc giải thích dịch chuyển trượt lớp ion, kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng Hình 1.5: Liên kết kim loại Đồng 1.3.4 Liên kết Van Der Waals Giữa phân tử, cho dù bão hịa hóa trị, luôn tồn tương tác tĩnh điện yếu đƣợc gọi liên kết Van Der Waals có cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững Do liên kết dạng có nhiệt độ nóng chảy có độ bền thấp Hình 1.6: Hạt trung lập có tính hút lực Vander Waal 1.4 Khuyết tật cấu tạo vật rắn Trang Các tinh thể vật rắn có cấu tạo đồng Sự phá hủy kết cấu đồng tạo nên khuyết tật vật rắn thƣờng gặp nhiều thực tế Những khuyết tật đƣợc tạo nên ngẫu nhiên hay cố ý trình chế tạo vật liệu Khuyết tật vật rắn tƣợng phá vỡ tính chất chu kỳ trường tĩnh điện mạng tinh thể như: phá vỡ thành phần hợp thức; có mặt tạp chất lạ; áp lực học; lƣợng tử giao động đàn hồi, lỗ xốp v.v Khuyết tật làm thay đổi đặc tính học, lý học, hóa học tính chất điện vật liệu Khuyết tật tạo nên tính đặc biệt tốt làm cho tính chất vật liệu Hình 1.7: Một số dạng khuyết tật cấu tạo vật rắn 1.5 Lý thuyết phân vùng lƣợng vật rắn Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành nhóm vật liệu dẫn điện, cách điện vật liệu bán dẫn Khi nguyên tử trạng thái bình thƣờng khơng bị kích thích, số mức lượng điện tử lấp đầy, mức lượng khác điện tử có mặt nguyên tử nhận đƣợc lượng từ bên ngồi tác động (trạng thái kích thích) Ngun tử ln có xu hƣớng 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 Do khơng có lượng chuyển động nhiệt nên vùng lượng bình thường ngun tử vị trí thấp đƣợc gọi vùng hóa trị hay gọi vùng điền đầy (ở 00K điện tử hóa trị nguyên tử lấp đầy vùng này) Những điện tử tự có mức lượng hoạt tính cao hơn, dải lượng chúng tập hợp thành vùng điện dẫn (phần sơ đồ phân bố vùng lƣợng hình sau) Trang 10 ... loại vật liệu điện theo khả dẫn điện: Trên sở giản đồ lƣợng, ngƣời ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện vật liệu bán dẫn a Vật liệu dẫn điện: Vật liệu dẫn điện. .. 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 vô vật liệu hữu + Theo trạng thái vật thể: có vật liệu. .. 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