Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 1 - Phạm Thành Chung

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 1 - Phạm Thành Chung được biên soạn bao gồm các nội dung kiến thức về: Cấu tạo của nguyên tử; Cấu tạo phân tử và các dạng liên kết; Lý thuyết phân vùng năng lượng. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.

VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN Presented by PHAM THANH CHUNG Introduction ★ Pham Thanh Chung ★ School of Electrical Engineering ★ Hanoi University of Science and Technology ★ Email: chung.phamthanh1@hust.edu.vn ★ Phone: 0912021209 Kiến thức cần thiết ★ Vật lý I, II, ★ Hóa học ★ Lý thuyết trường Tài liệu học tập ★ Giáo trình VLKTĐ- PGS.TS.Nguyễn Đình Thắng ★ Vật lý chất rắn- Nguyễn Thị Bảo Ngọc Schedule ★ PHẦN VẬT LIỆU ĐIỆN • Chương Cấu tạo vật chất • Chương Vật liệu dẫn điện • Chương Vật liệu bán dẫn • Chương Vật liệu từ • Chương Vật liệu siêu dẫn ★ PHẦN VẬT LIỆU ĐIỆN MƠI • Chương Các q trình điện lý điện mơi • Chương Các đặc tính cơ-lý-hóa điện mơi • Chương Vật liệu điện mơi • Chương Điện mơi khí • Chương 10 Điện mơi lỏng • Chương 11 Điện mơi rắn • Chương 12 Cách điện dùng thiết bị điện Giới thiệu chung Muc đích mơn học: Thơng qua mơn học này, hiểu tính chất đặc điểm vật liệu:  Vật liệu dẫn điện  Vật liệu bán dẫn điện  Vật liệu từ  Vật liệu siêu dẫn  Vật liệu cách điện Học để trả lời - Vì cách điện? - Vì dẫn điện? - Vì dẫn từ…? Giới thiệu chung Tại phải sử dụng loại vật liệu khác nhau? Cấu tạo MBA Lõi thép (mạch từ) Lõi thép: Fe, thép, tôn silic, titan… Dây quấn: Cu Vỏ: Nhựa, gỗ, thép, gang tôn mỏng Cách điện: Sứ dây quấn cao áp dây quấn hạ áp Ê may, phủ sơn cách điện, giấy dầu, tơ cách điện… Dầu máy biến áp Dây quấn Giới thiệu chung Cách chúng liên kết lại với để tốt hơn? VD: Sắt (Fe) bình thường dẫn điện tốt Nếu trộn thêm Carbon (C) → thép cacbon (cacbua sắt Fe3C) Nếu trộn thêm Silic (Si) → thép silic (tôn silic) → dẫn điện tốt Nếu trộn thêm Crôm (Cr)→ thép không gỉ Fe Tôn silic Thép mạ Crôm Cấu trúc tinh thể xếp khác nhau? Một số dạng đặc thù Cacbon (C) Cấu trúc tinh thể xếp khác nhau? Một số dạng đặc thù Cacbon (C) CaCO3 (hàng triệu n/tử →viên phấn) Giới thiệu chung Lịch sử phát triển khoa học vật liệu ★ Loài người thơng minh ∼35 nghìn năm (thời kỳ đồ đá): ★ ★ ★ ★ sử dụng gỗ, đá, da để săn bắn, hái lượm trồng trọt Chữ viết & số học:3000 năm TCN (nền văn minh Ai Cập cổ đại – dọc dịng sơng Nile) Thuyết KHVL cửa Empedocles (Hy Lạp) ∼450 TCN – Khởi nguồn lý thuyết vũ trụ nguyên tố (gốc rễ) nước, đất, kk lửa →tạo tất cấu trúc TG ∼420 TCN, Leucippe- ptriển cấu tạo nguyên tử Trong T/học: cho tồn (ng tử) tồn tại, không tồn (chân không) tồn tại… Trong T/học Trung Hoa, tất vạn vật phát sinh từ ng tố bản: Kim, Mộc, Thủy, Hỏa,Thổ (thời nhà Chu, T/kỷ 12 TCN ÷256 TCN) 10 Chương Cấu tạo vật chất Yếu điểm mơ hình? Mơ hình ngun tử Borh khơng giải thích được: -Vì e cđ quỹ đạo xq hạt nhân? -Có nguyên tử sáng nguyên tử khác? Các mức lượng e gián đoạn: -Khi e nằm a/hg hạt nhân, e phép c/đ sang quỹ đạo 1,2,3 (ko thể 1.5, 2.5 ko liên tục) - Khi e di chuyển mức Wion hóa nhận mức NL 14 Chương Cấu tạo vật chất 1.2 Thuyết học lượng tử Theo Borh: e có tính hạt (quan tâm đến bán kính & khoảng cách) e đập vào →khơng to Lượng tử: e có tính hạt + sóng (quan tâm đến khơng gian thời gian) Có số lượng tử (n, l, m, ms) -Số lượng tử n với giá trị 1, 2, …xác định kích cỡ quỹ đạo (orbit) điện tử lượng - Số lượng tử orbital l (hay cịn gọi số lượng tử mơmen góc quỹ đạo) mơ tả mơmen góc chuyển động quỹ đạo - Số lượng tử từ m mô tả thành phần mơmen góc quỹ đạo l theo phương định, cịn gọi phương lượng tử hóa Đa số trường hợp phương lượng tử hóa chọn trùng với phương trường - Số lượng tử spin ms mô tả thành phần spin điện tử theo phương định, 15 thông thường phương trường đặt vào Chương Cấu tạo vật chất Cấu tạo phân tử dạng liên kết Phân tử cấu tạo mối liên kết nguyên tử với 2.1 Liên kết ion Liên kết ion xác lập lực hút tĩnh điện ion (+) ion (-) phân tử Lực liên kết lớn nên liên kết bền vững, có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao (ví dụ: Na+Cl- …) Nguyên tử Na (stt11):cấu trúc 2/8/1 Nguyên tử Cl (stt17): 2/8/7 Trong tự nhiên, nguyên tử có xu hướng (hồn thiện) phải có đầy đủ số điện tử lớp (hoàn hảo) → tồn lâu dài Cấu trúc liên kết ion clorua natri Mơ hình mạng tinh thể NaCl 16 Chương Cấu tạo vật chất 2.2 Liên kết cộng hóa trị Liên kết cộng hoá trị đặc trưng dùng chung điện tử nguyên tử phân tử H + Cl H Cl Tuỳ thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hố trị trung tính hay cực tính (lưỡng cực): - Phân tử có trọng tâm điện tích dương âm trùng phân tử trung tính (khơng cực tính) Các chất tạo nên từ phân tử trung tính gọi chất trung tính (chẳng hạn như: Cl2, H2…) - Phân tử có trọng tâm điện tích dương âm không trùng nhau, cách khoảng a phân tử cực tính (lưỡng cực) Các chất tạo nên từ phân tử cực tính gọi chất cực tính (chẳng hạn như: HCl…) 17 Chương Cấu tạo vật chất 2.2 Liên kết cộng hóa trị Liên kết cộng hóa trị cịn thấy chất rắn vơ có mạng tinh thể cấu tạo từ nguyên tử, ví dụ kim cương Tinh thể nguyên tử cấu tạo từ nguyên tử xếp cách đặn, theo trật tự định không gian tạo thành mạng tinh thể Ở điểm nút mạng tinh thể nguyên tử liên kết với liên kết cộng hóa trị 18 Chương Cấu tạo vật chất 2.3 Liên kết kim loại Đặc trưng cho kim loại thực tế Các nguyên tử kim loại lên kết với qua liên kết kim loại Mơ hình liên kết kim loại với ion dương cố định nút mạng liên kết với “biển điện tử” xung quanh Ví dụ: Fe có 26 e • Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn (kim loại) • Lực hút ion dương điện tử tự tạo nên tính ngun khối kim loại Vì liên kết bền vững, 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 giải thích dịch chuyển trượt lớp ion, kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng 19 Chương Cấu tạo vật chất a Cấu trúc tinh thể dạng ô lưới Cubic Dạng đơn giản Cubic Đối xứng qua tâm Monoclinic Dạng đơn giản Monoclinic Đối xứng qua mặt Cubic Đối xứng qua mặt Hexagonal Triclinic Tetragonal Dạng đơn giản Rhombohedral Tetragonal Đối xứng qua tâm 20 Chương Cấu tạo vật chất b Sai hỏng mạng tinh thể Sai hỏng điểm (point defect) hay sai hỏng khơng có chiều Sai hỏng đường (line defect) hay sai hỏng 1,2,3 chiều Trật khớp đường viền, trật khớp xoay trật khớp hỗn hợp 21 Chương Cấu tạo vật chất 2.4 Liên kết thứ cấp (liên kết yếu) a Liên kết Hydro Liên kết hydro hình thành lực hút nguyên tử hydro liên kết với nguyên tử mang điện tích âm nguyên tố nguyên tử mang điện tích âm nguyên tố khác Liên kết hydro phân tử nước cấu trúc nước tự nhiên VD: H + O-> phân tử H2O Vậy phân tử nước lk với liên kết cộng hóa trị bất đối xứng Do Oxi có 6e lớp ngồi Hydro có 1e -> cặp e dùng chung lệch phía O 22 Chương Cấu tạo vật chất 2.4 Liên kết thứ cấp (liên kết yếu) b Liên kết Vanderwaals • Liên kết Van der Waals có mặt tất vật liệu yếu so với liên kết sơ cấp Năng lượng liên kết nhỏ 40kJ/mol Nó nguyên nhân dẫn tới hoá lỏng hay hoá rắn khí H2, N2, O2… • Trong liên kết sơ cấp, nguyên tử có xu hướng tạo nên cấu hình điện tử ngun tử khí cách cho nhận chia sẻ điện tử • Thực tế ngun tử tạo thành liên kết với mà không cần cho nhận hay chia sẻ điện tử Liên kết gọi liên kết Van der Waals dạng liên kết thứ cấp 23 Chương Cấu tạo vật chất Lý thuyết phân vùng lượng 3.1 Cơ chế hình thành vùng lượng vật liệu o Theo Borh: Điện tử nhận NL quỹ đạo xa ( Ví dụ: eV, eV…) o Mỗi điện tử nguyên tử có mức lượng định o Nguyên tử chất đặc trưng vạch quang phổ hoàn toàn xác định-> C/tỏ ngtử khác có trạng thái lượng hay mức NL khau o Trong vật chất điện tử giống tập hợp lại thành dải (vùng) gọi vùng lượng o Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn điện môi (cách điện) 24 Chương Cấu tạo vật chất Lý thuyết phân vùng lượng 3.1 Cơ chế hình thành vùng lượng vật liệu W Vùng tự (điện dẫn) ΔW Nguyên tử Vật thể Vùng cấm (vùng trống) Với vật chất chia thành vùng sau: - Vùng hoá trị (vùng đầy): Ở điện tử hố trị có mức lượng thấp - Vùng tự (vùng điện dẫn): điện tử vùng có mức lượng cao (tập hợp Vùng hoá trị (vùng đầy) mức NL từ ion hóa trở lên) - Vùng cấm (vùng trống): nằm vùng hoá trị vùng tự Căn vào độ lớn vùng-> chia VL làm loại: 25 Chương Cấu tạo vật chất Lý thuyết phân vùng lượng 3.2 Phân loại vật liệu a Theo cấu trúc phân vùng lượng Cách điện: ∆W=5÷8 eV Dẫn điện: ∆W=0.1÷0.2 eV Bán dẫn: ∆W=1÷2 eV (cần cung cấp NL đủ lớn để e di chuyển lên vùng dẫn) VD: Diot với V ngưỡng V V> V diot dẫn điện V 108 Ω.m Dẫn điện: ρ < 10-5 Ω.m Bán dẫn: Nằm 27 Chương Cấu tạo vật chất Lý thuyết phân vùng lượng 3.2 Phân loại vật liệu c Theo độ thẩm từ vật liệu Dựa vào độ từ thẩm µ vật liệu người ta chia: - Vật liệu nghịch từ: µ < 1, không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngồi Bao gồm: hydrơ, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, muối mỏ kim loại như: đồng, kẽm, vàng, bạc, thuỷ ngân, gali, antimoan - Vật liệu thuận từ: µ > 1, khơng phụ thuộc vào cường độ từ trường bên Bao gồm: oxy, nitơ oxit, muối côban niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim - Vật liệu dẫn từ: µ >> 1, phụ thuộc vào cường độ từ trường bên Bao gồm: sắt, niken, coban hợp kim chúng, hợp kim crơm, mangan, gađolonít, pherit 28 ... Chương Vật liệu bán dẫn • Chương Vật liệu từ • Chương Vật liệu siêu dẫn ★ PHẦN VẬT LIỆU ĐIỆN MÔI • Chương Các trình điện lý điện mơi • Chương Các đặc tính cơ-lý-hóa điện mơi • Chương Vật liệu điện... điểm vật liệu:  Vật liệu dẫn điện  Vật liệu bán dẫn điện  Vật liệu từ  Vật liệu siêu dẫn  Vật liệu cách điện Học để trả lời - Vì cách điện? - Vì dẫn điện? - Vì dẫn từ…? Giới thiệu chung. .. Tài liệu học tập ★ Giáo trình VLKT? ?- PGS.TS.Nguyễn Đình Thắng ★ Vật lý chất rắn- Nguyễn Thị Bảo Ngọc Schedule ★ PHẦN VẬT LIỆU ĐIỆN • Chương Cấu tạo vật chất • Chương Vật liệu dẫn điện • Chương Vật