Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 2 - Phạm Thành Chung

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 2 - Phạm Thành Chung được biên soạn bao gồm các nội dung kiến thức về: Dòng điện; Mật độ dòng điện; Vận tốc chuyển động có hướng của các điện tích; Điện trở suất; Quan hệ của điện trở suất với nhiệt độ; Tính chất vật lý của kim loại;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.

Chương Vật liệu dẫn điện Giải thích lại dẫn điện – thông số đặc trưng? Khi đặt V -> I chạy qua V=1 V -> I=1 A V=1 V -> I= A (dẫn điện tốt hơn) Theo Đl Ohm: I = V/R -> đặc trưng cho vật liệu dẫn điện I Dòng điện Cùng R V2 > V1 I2 > I1 Nếu có điện tích dq chuyển qua mặt phẳng tưởng tượng thời gian dt, dịng điện định nghĩa : Về hướng: Là dòng chuyển dời có hướng điện tích (Từ Vcao đến Vthấp) Theo quy ước lịch sử, mũi tên chiều dòng điện vẽ theo chiều chuyển động điện tích dương, chí hạt chuyển động khơng mang điện tích dương 29 Chương Vật liệu dẫn điện Mật độ dòng điện Khái niệm cường độ dòng điện cho ta biết độ mạnh dịng điện qua đơn vị diện tích cho trước nhiên khơng cho biết độ mạnh hướng dòng điện điểm vật liệu có dịng điện chảy qua Để đặc trưng cho độ mạnh dịng điện vị trí người ta đưa vào khái niệm mật độ dòng điện 30 Chương Vật liệu dẫn điện Vận tốc chuyển động có hướng điện tích • Độ lớn I phụ thuộc vào vận tốc cđ có hướng điện tích • Dưới tác dụng E, số điện tử thoát khỏi liên kết với nguyên tử chuyển động tinh thể kim loại để tạo nên dịng điện • Trong q trình di chuyển chúng va chạm với thành phần khác tinh thể Các va chạm bao gồm: - Va chạm điện tử-phonon - Va chạm điện tử-sai hỏng mạng tinh thể - Va chạm điện tử-tạp chất mạng tinh thể 31 Chương Vật liệu dẫn điện Vận tốc chuyển động có hướng điện tích Gọi thời gian trung bình hai lần va chạm τ Gọi quãng đường tự trung bình mà điện tử chuyển động trước chịu va chạm Nếu gọi n0 mật độ khối hạt mang điện, le l độ lớn điện tích hạt Trong đơn vị thời gian số hạt mang điện dn di qua diện tích dS số hạt mang điện nằm đoạn ống có đáy dS chiều dài Như cường độ dịng điện chạy qua diện tích dS đơn vị thời gian Như biểu thức mật độ dịng điện viết lại thành: 32 Chương Vật liệu dẫn điện Vận tốc chuyển động có hướng điện tích Mà vận tốc trung bình có hướng hạt mang điện tính: Trong a gia tốc hạt mang điện mn khối lượng hạt mang điện Mặt khác, theo định luật Ohm ta có: Với σ điện dẫn suất vật liệu Từ biểu thức ta rút ra: Với độ linh động hạt mang điện, đặc trưng cho khả chuyển động hạt mang điện đặt điện trường Biểu thức điện dẫn suất viết cho trường hợp tổng quát hạt mang điện có chất khác (điện tử, ion, lỗ trống…) sau: 33 Chương Vật liệu dẫn điện Điện trở suất Điện trở suất đại lượng đặc trưng cho khả cản trở dòng điện chất Chất có điện trở suất thấp dễ dàng cho dịng điện truyền qua (chất dẫn điện) chất có điện trở suất lớn có tính cản trở dịng điện lớn (chất cách điện) Điện trở suất nói lên tính cản trở dịch chuyển có hướng hạt mang điện chất Đơn vị điện trở suất hệ đơn vị chuẩn SI (Ω.m) Với R điện trở, S tiết diện ngang (m2), l chiều dài khối vật dẫn Định luật ôm vi phân cho định nghĩa điện trở suất theo công thức: Với E cường độ điện trường, J mật độ dòng điện Người ta định nghĩa điện trở suất nghịch đảo điện dẫn suất: 34 Chương Vật liệu dẫn điện Các xác định điện trở suất vật liệu 35 Chương Vật liệu dẫn điện Điện trở suất số vật liệu Điện trở suất 20o C số chất 36 Chương Vật liệu dẫn điện Quan hệ điện trở suất với nhiệt độ  R vật liệu rối loạn chuyển động điện tử điện tử chịu ba va chạm  Thời gian trung bình hai lần va chạm tỉ lệ nghịch với độ lớn xác suất mà điện tử chịu va chạm đơn vị thời gian hai lần va chạm α: τ=1/α  Thời gian trung bình hai lần va chạm viết bằng: cơng thức tính điện trở suất theo thời gian: Ở nhiệt độ từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ vài trăm độ C, người ta sử dụng xấp xỉ sau để tính điện trở suất vật liệu: Trong ρ0 điện trở suất nhiệt độ T0 T0 nhiệt độ môi trường thường chọn 200C α hệ số nhiệt điện trở suất 37 Chương Vật liệu dẫn điện Quan hệ điện trở suất với nhiệt độ Điện trở suất hệ số nhiệt số kim loại 20oC Ứng dụng Quy luật thay đổi điện trở suất cho phép xác định phương pháp thường sử dụng để tính giá trị nhiệt độ đạt cuộn dây thiết bị điện (máy biến áp động cơ) vận hành sau : • Đo điện trở mạch điện áp chiều nhiệt độ mơi trường, sau đo điện trở nhiệt độ làm việc bình thường; • Tính trị số nhiệt độ trung bình theo giá trị đo theo hệ số α biết 38 Chương Vật liệu dẫn điện Máy đo độ bền kéo, nén, uốn Model: Z0.5 – Đức 43 Chương Vật liệu dẫn điện Tính chất học kim loại  Độ bền: Là khả kim loại chống lại tác dụng lực bên mà không bị phá hỏng  Độ đàn hồi: Là khả kim loại thay đổi hình dạng tác dụng lực khí trở lại cũ bỏ lực tác dụng  Độ dẻo: Là khả kim loại bị biến dạng tác dụng lực khí mà khơng bị phá hỏng , đồng thời giữ hình dạng bỏ lực tác dụng 44 Vật liệu dẫn điện Vật liệu điện trở suất cao  Các hợp kim điện trở suất cao sử dụng để chế tạo phần dẫn điện dụng cụ đo lường điện trở mẫu Ngồi u cầu phải có điện trở suất cao để giảm kích thước, chúng cịn cần có hệ số nhiệt điện trở suất bé, khơng biến tính, suất sức nhiệt điện động phải bé dễ gia cơng Các u cầu thỏa mãn hợp kim mangan với đồng tỷ lệ Mn từ 11,5 ÷ 13,5% với 0,4 ÷ 0,9% tạp chất khác Al, Fe, Zn, Ni Hợp kim có điện trở suất từ 0,42 ÷ 0,53 µΩ.m Hệ số nhiệt điện trở suất thay đổi từ -2 ÷ 25.10-6 °C-1 dải nhiệt độ 10÷40°C 45 Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm a Khái niệm Tiếp xúc điện Tiếp xúc điện nơi mà dòng điện từ vật dẫn sang vật dẫn khác Bề mặt tiếp xúc hai vật dẫn gọi tiếp xúc điện Các yêu cầu tiếp xúc điện: Nơi tiếp xúc điện phải chắn, đảm bảo Mối nơi tiếp xúc phải có độ bền khí cao Mối nối khơng phát nóng q giá trị cho phép Ổn định nhiệt ổn định động có dịng điện cực đại qua Chịu tác động môi trường (nhiệt độ, chất hoá học ) 46 Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm a Để đảm bảo yêu cầu trên, vật liều dùng làm tiếp điểm có yêu cầu:  Có độ dẫn điện cao(giảm Rtx điện trở tiếp điểm)  Dẫn nhiệt tốt (giảm phát nóng cục điểm tiếp xúc)  Khơng bị oxy hóa (giảm Rtx để tăng độ ổn định tiếp điểm)  Có độ kết tinh nóng chảy cao (giảm độ mài mịn điện giảm nóng chảy hàn dính tiếp điểm đồng thời tăng tuổi thọ tiếp điểm)  Có độ bền cao (giảm độ mài mịn khí giữ nguyên dạng bề mặt tiếp xúc tăng tuổi thọ tiếp điểm)  Có đủ độ dẻo (đê giảm điện trở tiếp xúc)  Dễ gia công chế tạo giá thành rẻ Một số vật liều dùng làm tiếp điểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram 47 Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm c Phân loại tiếp xúc điện  Tiếp xúc cố định Các tiếp điểm nối cố định với chi tiết dẫn dòng điện là: cái, cáp điện, chỗ nối khí cụ vào mạch Trong trình sử dụng, hai tiếp điểm gắn chặt vào nhờ bu - lơng, hàn nóng hay nguội  Tiếp xúc đóng mở Là tiếp xúc để đóng ngắt mạch điện Trong trườnghợp phát sinh hồ quang điện, cần xác định khoảng cách tiếp điểm tĩnh động dựa vào dòng điện định mức, điện áp định mức chế độ làm việc khí cụ điện  Tiếp xúc trượt Là tiếp xúc cổ góp vành trượt, tiếp xúc dễ sinh hồ quang điện Một số cấu hình tiếp xúc trượt phổ biến sử dụng thử nghiệm trắc nghiệm 48 Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm d Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc Vật liệu làm tiếp điểm: vật liệu mềm tiếp xúc tốt Kim loại làm tiếp điểm khơng bị ơxy hóa Lực ép tiếp điểm lớn tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc Nhiệt độ tiếp điểm cao điện trở tiếp xúc lớn Diện tích tiếp xúc Thơng thường dùng hợp kim để làm tiếp điểm 49 Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm e Hồ quang điện Hồ quan điện khơng có tác hại với thiết bị điện mà cịn gây ảnh hưởng không tốt lên người động vật, đặc biệt người thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với hồ quang điện Vật liệu dẫn điện điều kiện xuất hồ quang điện: dòng điện điện áp cao trị số 50 bảng phát sinh hồ quang điện Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm f Diện tích tiếp xúc Xét đặt hai vật dẫn tiếp xúc nhau, ta có diện tích bề mặt tiếp xúcSbk= a l Nhưng thực tế S >>a.l hai bề mặt tiếp xúc dù gia cơng có độ nhấp nhô, cho tiếp xúc hai vật với có số điểm tiếp giáp tiếp xúc Do diện tích tiếp xúc thực nhỏ nhiều diện tích tiếp xúc biểu kiến Sbk= a.l Diện tích tiếp xúc cịn phụ thuộc vào lực ép lên tiếp điểm vật liệu làm tiếp điểm, lực ép lớn diện tích tiếp xúc lớn 51 Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm g Lực ép tiếp xúc 52 Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm h Điện trở tiếp xúc (Công thức kinh nghiệm) Điện trở tiếp xúc tiếp điểm kiểu tính theo cơng thức K: hệ số phụ thuộc vật liệu tình trạng bề mặt tiếp điểm ( theo bảng tra) F: Lực ép vào tiếp điểm (N) m: hệ số phụ thuộc số điểm tiếp xúc kiểu tiếp xúc với: +Tiếp xúc mặt m = +Tiếp xúc đường m = 0,7 +Tiếp xúc điểm m = 0,5 53 Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm i Điện trở tiếp xúc (Cơng thức giải tích) Điện trở tiếp xúc tiếp điểm kiểu tính theo cơng thức Trong ρ: điện trở suất vật dẫn (Ωcm) n: số điểm tiếp xúc F: Lực nén δd: Hệ số chống dập nát (slide 52) 54 Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm j Nhiệt độ tiếp điểm Nhiệt độ tiếp điểm thay đổi làm Rtx thay đổi theo kết thí nghiệm với nhiệt độ nhỏ 2000oC tính Rtx qua cơng thức: Trong Rtx(0): điện trở tiếp xúc 0oC (Ω) q: Nhiệt độ tiếp điểm 55 Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm k Mật độ dịng điện Diện tích tiếp xúc xác định tùy theo mật độ dòng điện cho phép Theo kinh nghiệm dẫn đồng cho tiếp xúc nguồn tần số 50 Hz mật độ dịng điện cho phép là: Trong : I giá trị dịng hiệu dụng ; S=Sbk diện tích tiếp xúc biểu kiến Biểu thức dòng điện biến thiên khoảng từ 200 đến 2000A Nếu ngồi trị số lấy: I < 200 A lấy Jcp = 0,31 [A/ mm2] I > 2000 A lấy Jcp = 0,12 [A/ mm2] 56 Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm k Mật độ dòng điện cho phép theo thời gian ngắn mạch Thời gian cố ngắn mạch tăng mật độ dịng điện cho phép giảm 57 ... điện dẫn suất: 34 Chương Vật liệu dẫn điện Các xác định điện trở suất vật liệu 35 Chương Vật liệu dẫn điện Điện trở suất số vật liệu Điện trở suất 20 o C số chất 36 Chương Vật liệu dẫn điện Quan... dòng điện biến thiên khoảng từ 20 0 đến 20 00A Nếu ngồi trị số lấy: I < 20 0 A lấy Jcp = 0,31 [A/ mm2] I > 20 00 A lấy Jcp = 0, 12 [A/ mm2] 56 Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm tiếp điểm k Mật độ dòng... [kg.cm/cm2] S Với: A - lượng để bẻ gãy mẫu vật có tiết diện S (kg.cm) S - diện tích mẫu vật (cm2) Độ cứng: Biểu thị khả bề mặt vật liệu chống lại biến dạng gây lực nén truyền từ vật liệu có kích