Để thấy rõ được bản chất cách điện hay dẫn điện của các loại vật liệu, chúng ta cần hiểu những khái niệm về cấu tạo của vật liệu cũng như sự hình thành các phần tử mang điện trong vật li
CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
CẤU TẠO NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ VẬT CHẤT
Để hiểu diễn biến các quá trình vật lý và tính chất của vật liệu, cần nắm vững cấu tạo vật chất, tác động của yếu tố bên ngoài, cũng như kiến thức về vật lý và hóa học.
Hiện nay, chúng ta đã có đủ hiểu biết về sự tương tác giữa các nguyên tử để giải thích các tính chất vĩ mô của vật liệu thông qua thuyết cơ học lượng tử và tương tác tĩnh điện giữa điện tử và hạt nhân.
Theo mô hình cấu tạo của nguyên tử của Bohr, nguyên tử bao gồm một hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm, di chuyển xung quanh hạt nhân trên các quỹ đạo xác định.
Hình 1-1 S đồ cấu tạo nguyên tử
Hạt nhân bao gồm các neutron và proton, trong đó proton mang điện tích dương, còn neutron không có điện tích Cả hai loại hạt này đều có khối lượng tương đương.
Nguyên tử thường ở trạng thái trung hòa điện, trong đó tổng điện tích âm của các electron bằng tổng điện tích dương của hạt nhân Electron (e) là một hạt mang điện tích âm, với giá trị điện tích q = 1,602 x 10^-19 coulomb.
19 Culong) có khối lƣợng bằng 9,1.10 -31 kg
Hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương với giá trị bằng Z.e, trong đó e là điện tích của một electron và Z là số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Mendelev Hạt nhân có khối lượng lớn hơn nhiều so với electron, và hầu hết khối lượng của nguyên tử được tập trung tại đây.
Nguyên tử có thể mất một vài điện tử và trở thành ion dương, còn khi nó nhận thêm điện tử nó sẽ trở thành ion âm
Tuy nhiên để đơn giản chúng ta sử dụng các yếu tố đơn giản hoá: thuyết cấu tạo nguyên tử dựa trên mô hình nguyên tử của Borh (1913)
Thuyết cấu tạo nguyên tử của Borh dựa trên những luận điểm cơ bản sau: a Luận điểm 1
Các điện tử chuyển động xung quang hạt nhân trên các quỹ đạo tròn
Hình 1-2 Lực tư ng tác giữ điện tử và hạt nhân
Giữa hạt nhân và điện tử tồn tại lực tương tác Coulomb theo các định luật điện từ
(1.1) Trong đó: F1 là lực tương tác giữa điện tử và hạt nhân
Lực hút do điện tích q là điện tích của điện tử r là khoảng cách từ điện tử đến hạt nhân
Lực này sẽ cân bằng với lực ly tâm của chuyển động tròn
Lực ly tâm F2 được xác định dựa trên khối lượng m của điện tử, vận tốc v của điện tử và khoảng cách r từ điện tử đến hạt nhân Động năng T của điện tử cũng được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Thế năng U của điện tử:
Năng lƣợng của một điện tử chuyển động trên quỹ đạo thứ n bán kính r n đƣợc xác định bằng tổng động năng T và thế năng U
Trong đó: r 1 là bán kính quỹ đạo của điện tử đầu tiên của nguyên tử b Luận điểm 2
Mỗi electron trong nguyên tử chuyển động trên quỹ đạo quanh hạt nhân, tương ứng với một mức năng lượng nhất định Để chuyển electron từ quỹ đạo n sang quỹ đạo m, cần cung cấp một năng lượng đủ lớn, được tính bằng h.f.
- W m , Wn : là năng lượng của điện tử ở quỹ đạo tương ứng;
Khi năng lượng cung cấp cho điện tử đủ lớn, điện tử có thể di chuyển đến quỹ đạo xa, tách khỏi nguyên tử và trở thành điện tử tự do Quá trình này khiến nguyên tử mất một điện tử và trở thành ion tích điện dương, được gọi là ion hóa Để gây ion hóa cho nguyên tử, cần cung cấp cho điện tử một năng lượng bằng r n q.
2 , năng lƣợng này gọi là năng lƣợng ion hoá W i
Năng lượng ion hóa của các điện tử trong cùng một nguyên tử khác nhau tùy thuộc vào quỹ đạo của chúng Các điện tử ở lớp ngoài cùng, hay còn gọi là điện tử hóa trị, có năng lượng thấp nhất và do đó, quá trình ion hóa thường diễn ra đầu tiên đối với những điện tử này Nếu năng lượng cung cấp cho điện tử thấp hơn năng lượng ion hóa, điện tử chỉ có thể di chuyển đến một quỹ đạo xa hơn hạt nhân.
Khi một hạt chuyển động từ quỹ đạo xa hạt nhân về quỹ đạo gần hạt nhân hơn, nó sẽ trả lại năng lượng đã nhận dưới dạng bức xạ quang học, với tần số xác định theo điều kiện của Plank.
Quá trình kích thích liên tục điện tử có thể tạo ra năng lượng lớn đủ để dẫn đến ion hoá Sự ion hoá diễn ra qua nhiều giai đoạn, được gọi là ion hoá từng cấp.
Năng lượng ion hóa và năng lượng kích thích nguyên tử có thể được thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nhiệt năng, quang năng, điện năng và năng lượng từ các tia sóng ngắn.
Phân tử là phần nhỏ nhất của một chất có thể tồn tại độc lập và mang đầy đủ tính chất của chất đó, với các nguyên tử liên kết thông qua liên kết hóa học Trong vật chất, có nhiều loại liên kết, trong đó liên kết cộng hóa trị là mối liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử hợp chất hoặc đơn chất thông qua các cặp electron chung Chẳng hạn, trong phân tử Clo, mỗi nguyên tử có 7 electron ở lớp ngoài; khi hai nguyên tử Clo lại gần nhau, chúng sẽ chia sẻ một electron để tạo thành cặp electron dùng chung.
Một số tính chất của vật liệu có thể giải thích đơn giản bằng các thuyết kinh điển về cấu tạo vật chất
Ví dụ: Phân tử Clo đƣợc hình thành từ 2 nguyên tử
Mối liên kết cộng hoá trị xảy ra giữa các nguyên tử các nguyên tố hoá học có tính chất gần giống nhau, ví dụ (
Ar, He, O2, Cl2, H2, H2O, CO2, NH3 )
Các phân tử được chia thành hai loại dựa trên cấu trúc đối xứng: phân tử không phân cực, trong đó trọng tâm điện tích âm và dương trùng nhau, và phân tử phân cực, với trọng tâm điện tích âm và dương cách nhau một khoảng l Bên cạnh đó, liên kết ion cũng là một yếu tố quan trọng trong việc xác định tính chất của các phân tử này.
PHÂN LOẠI VẬT CHẤT THEO KỸ THUẬT ĐIỆN
1.2.1 Lý thuyết phân vùng năng lượng
Lý thuyết phân vùng năng lƣợng cho rằng điện tử phân bố theo các vùng năng lƣợng khác nhau
Nghiên cứu quang phổ phát xạ cho thấy các nguyên tử khác nhau có các trạng thái năng lượng xác định Trong trạng thái bình thường, mỗi lớp vỏ điện tử tương ứng với một mức năng lượng cụ thể, trong đó một số mức đã được lấp đầy bởi điện tử Các mức năng lượng cao hơn chỉ có thể được đạt được khi nguyên tử hấp thụ năng lượng từ môi trường bên ngoài, dẫn đến trạng thái kích thích Khi nguyên tử mất kích thích, chúng có xu hướng trở về trạng thái ban đầu và phát ra năng lượng dưới dạng foton ánh sáng.
Khi các nguyên tử kết hợp để hình thành mạng tinh thể của vật rắn, sự tương tác giữa chúng dẫn đến sự phân chia các mức năng lượng và tạo ra nhiều mức năng lượng mới gần nhau Những mức năng lượng này hình thành các dải năng lượng khác nhau, trong đó hai dải chính là “dải hoá trị” (vùng chứa đầy điện tử) và “dải dẫn” (nơi các điện tử tự do di chuyển) Giữa hai dải này có một “dải cấm” hay còn gọi là vùng cấm, ngăn cách chúng.
Hình 1-5 S đồ phân bố mức năng lượng riêng biệt của vật rắn phi kim loại
1 Mức năng lượng bình thường của kim loại;
2 Vùng điện tử lấp đầy;
3 Mức năng lƣợng kích thích của nguyên tử;
Hình 1-6 S đồ phân chi vật liệu điện theo vùng năng lượng
Vùng hóa trị là khu vực có năng lượng thấp nhất trong thang năng lượng, nơi các electron được lấp đầy Các electron hóa trị trong vùng này gắn bó chặt chẽ với nguyên tử, do đó không có tính linh động.
Vùng dẫn là khu vực có mức năng lượng cao nhất trong thang năng lượng, nơi mà các điện tử có khả năng di chuyển tự do, tương tự như các điện tử tự do khác Các điện tử trong vùng này được gọi là điện tử dẫn.
Vùng cấm là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lƣợng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm
Do sự phân vùng năng lượng, tính chất điện của vật chất được xác định Dựa vào chiều rộng của vùng cấm, vật liệu được phân chia thành các loại: a Vật liệu dẫn điện.
Khoảng cách giữa vùng lấp đầy và vùng tự do rất nhỏ, bề rộng vùng cấm
Dưới tác động của chuyển động nhiệt, điện tử trong vùng lấp đầy có khả năng nhảy lên vùng tự do, trở thành điện tử tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện Do đó, vật liệu này có tính dẫn điện cao với điện trở suất trong khoảng 10^-6 đến 10^-3 Ω.m.
Bề rộng vùng cấm W = 1.5eV, do đó để 1 điện tử từ vùng hoá trị lên vùng tự do phải cung cấp một năng lƣợng = 3eV
Do yêu cầu năng lượng lớn, điện tử khó chuyển từ vùng hóa trị lên vùng tự do, dẫn đến khả năng dẫn điện kém với điện trở suất trong khoảng ρ = 10^9 ÷ 10^18 Ω.m Vật liệu bán dẫn.
Vật liệu này có bề rộng vùng cấm từ 0.2 đến 1.5 eV, cho phép một số điện tử từ vùng lấp đầy có thể di chuyển đến vùng tự do ở nhiệt độ bình thường, tạo ra tính dẫn điện Số lượng điện tử tự do phụ thuộc vào nhiệt độ, với tính dẫn điện tăng khi nhiệt độ cao hơn Khi một điện tử thoát khỏi vùng lấp đầy, nó tạo ra một "lỗ trống", và lỗ trống này sẽ được lấp đầy bởi điện tử từ nguyên tử lân cận, gây ra sự hình thành cặp "điện tử - lỗ trống" Sự di chuyển của cặp điện tử - lỗ trống này là nguyên nhân chính tạo nên tính dẫn điện của vật liệu, với điện trở suất trong khoảng 10^-4 đến 10^8 Ω.m.
1.2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính
Ngoài các vật liệu dẫn điện, cách điện và bán dẫn, vật liệu kỹ thuật điện còn bao gồm vật liệu từ tính, một tính chất quan trọng dưới tác động của từ trường Vật liệu từ tính được phân loại thành ba loại chính: nghịch từ, thuận từ và dẫn từ Nghịch từ là những chất có độ từ thẩm nhỏ hơn 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài, bao gồm hydro, các khí hiếm, hầu hết các hợp chất hữu cơ và một số kim loại như đồng, kẽm, vàng, bạc và thủy ngân Thuận từ là những chất có độ từ thẩm lớn hơn 1 và cũng không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài, ví dụ như oxy, nitơ oxit, kim loại kiềm và nhôm Cuối cùng, chất dẫn từ có độ từ thẩm rất lớn và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài, bao gồm sắt, niken, coban và các hợp kim của chúng.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1
Câu 1 Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử của vật liệu
Câu 2 Trình bày các mối liên kết trong vật liệu So sánh đặc điểm của các mối liên kết đó
Câu 3 Trình bày lý thuyết phân vùng năng lƣợng trong vật rắn Sử dụng lý thuyết đó để giải thích khả năng dẫn điện của vật liệu
Câu 4 Trình bày nội dung phân loại vật liệu theo khả năng dẫn điện và theo khả năng dẫn từ
Câu 1 Vật liệu nghịch từ là loại vật liệu có hệ số từ thẩm tương đối:
A à > 1 và khụng phụ thuộc vào từ trường bờn ngoài
B à > 1 và phụ thuộc vào từ trường bờn ngoài
C à < 1 và khụng phụ thuộc vào từ trường bờn ngoài
D à < 1 và phụ thuộc vào từ trường bờn ngoài
Câu 2 Vật liệu thuận từ là loại vật liệu có hệ số từ thẩm tương đối:
A à > 1 và khụng phụ thuộc vào từ trường bờn ngoài
B à > 1 và phụ thuộc vào từ trường bờn ngoài
C à < 1 và khụng phụ thuộc vào từ trường bờn ngoài
D à < 1 và phụ thuộc vào từ trường bờn ngoài
Câu 3 Theo lý thuyết phân vùng năng lƣợng, vật liệu dẫn điện là vật liệu có độ rộng vùng cấm:
Chương 2 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Chương này cung cấp kiến thức cơ bản về điện môi, bao gồm tính dẫn điện, sự phân cực, tổn hao điện, và phóng điện trong điện môi Bên cạnh đó, nó cũng giới thiệu các vật liệu cách điện phổ biến trong ngành điện và ứng dụng của chúng.
Khi điện môi được đặt trong điện trường, nó sẽ chịu ảnh hưởng bởi cường độ điện trường, có thể là mạnh hay yếu, một chiều, xoay chiều hoặc xung kích Thời gian tác động của điện trường cùng với các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ và áp suất của môi trường sẽ quyết định các hiện tượng cơ bản xảy ra trong điện môi, bao gồm hiện tượng dẫn điện và phân cực điện môi.
Hiện tượng phân cực là sự dịch chuyển có giới hạn của điện tích liên kết hoặc định hướng phân tử lưỡng cực dưới tác động của điện trường Trong quá trình này, dòng phân cực xuất hiện và thường được đánh giá qua hằng số điện môi cùng với góc tổn thất điện môi Nếu quá trình phân cực đi kèm với phân tán năng lượng, điện môi sẽ bị nóng lên.
Trong điện môi kỹ thuật, luôn tồn tại một lượng điện tích tự do nhất định Khi chịu tác động của điện trường, các điện tích này sẽ dịch chuyển về phía điện cực ngược dấu, tạo ra dòng điện rò với trị số nhỏ chạy xuyên qua bề dày và bề mặt của điện môi Dòng điện rò này kết hợp với dòng phân cực, từ đó hình thành tính dẫn điện của điện môi.
Trong điện môi, dòng điện rò và dòng phân cực gây ra tổn thất năng lượng, dẫn đến việc toả nhiệt và làm nóng điện môi Năng lượng bị tổn thất này được gọi là tổn hao điện môi và được đánh giá qua hệ số tổn thất điện môi, ký hiệu là tgδ.
Mỗi điện môi chỉ duy trì tính chất cách điện trong một giới hạn điện áp nhất định Khi điện áp vượt quá giá trị này, điện môi sẽ mất hoàn toàn thuộc tính cách điện và xảy ra hiện tượng đánh thủng Đánh thủng điện môi được đánh giá thông qua độ bền điện Eđt.
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI
Khi đặt điện môi vào trong điện trường E tương ứng với điện áp U, sẽ xảy ra dòng điện I chạy qua điện môi Dòng điện này bao gồm hai thành phần chính: dòng điện phân cực và dòng điện rò.
Dòng điện chạy qua khối điện môi
Dòng điện rò là sự chuyển động của các điện tích dưới tác động của điện trường, tương tự như dòng điện trong vật dẫn Tiêu chí đánh giá chất lượng điện môi dựa vào dòng điện rò; giá trị Irò càng nhỏ thì vật liệu cách điện càng tốt.
Khi đặt trong điện trường, điện môi sẽ xảy ra hiện tượng dịch chuyển phân cực hoặc định hướng các phân tử lưỡng cực Dòng điện phân cực (Ipc) là sự chuyển dịch của các điện tích ràng buộc khi có phân cực hoặc định hướng Với điện áp một chiều, Ipc chỉ tồn tại trong thời gian ngắn sau khi đóng - ngắt mạch điện Ngược lại, đối với điện áp xoay chiều, Ipc là dòng điện xoay chiều duy trì trong suốt thời gian điện áp tồn tại.
Hình 2-1 Quan hệ giữ dòng điện với thời gi n trong thí nghiệm
Chú thích: ( 1) dòng điện trong điện môi khi U đặt vào điện môi là một chiều h U
Dòng điện trong điện môi khi có điện áp xoay chiều được định nghĩa là sự chuyển động có hướng của các điện tích do tác động của điện trường Bản chất vật lý của hiện tượng này liên quan đến sự dẫn điện trong các vật chất.
Thiết lập công thức để tính mật độ dòng điện trong vật chất:
Giả thuyết về đơn vị thể tích vật chất cho thấy rằng với mật độ điện tích n và điện tích mỗi hạt là q, tổng điện tích trong một đơn vị thể tích sẽ được tính bằng công thức n.q.
* Khi chưa đặt điện trường vào vật liệu: các điện tích sẽ dịch chuyển hỗn loạn dưới tác dụng nhiệt với vận tốc Vt
Khi một cường độ điện trường vuông góc được đặt vào một khối vật chất, các hạt trong vật chất sẽ chịu tác động của lực F = qE, dẫn đến sự dịch chuyển của điện tích với vận tốc V.
Khi một hạt điện tích được đặt trong một điện trường E, nó sẽ di chuyển với vận tốc V.e Theo định nghĩa về mật độ dòng điện, ta có công thức J = n.q.Ve.
Bản chất của sự dẫn điện trong vật chất là sự di chuyển của các hạt mang điện dưới tác động của điện trường Để xảy ra hiện tượng dẫn điện, vật chất cần có các điện tích tự do và phải chịu tác động của một điện trường.
Trong lĩnh vực vật liệu kỹ thuật điện, có nhiều loại điện tích tự do tham gia vào quá trình dẫn điện Dựa vào thành phần của dòng điện, điện dẫn được phân chia thành ba loại chính.
- Điện dẫn điện tử: thành phần của nó là các điện tử tự do trong điện môi
- Điện đẫn ion: thành phần của loại điện dẫn này là các ion dương và ion âm
Điện dẫn điện di là hiện tượng liên quan đến các molion, bao gồm các nhóm phân tử hoặc tạp chất tích điện trong điện môi, được hình thành qua ma sát trong quá trình chuyển động Điện trở cách điện của điện môi (Rcđ) là đại lượng phản ánh khả năng cách điện của vật liệu, được xác định bằng tỷ số giữa điện áp áp dụng và dòng rò qua khối điện môi.
(2.2) c Điện trở suất và điện dẫn suất
Điện trở suất khối (ρv) là điện trở của một khối lập phương có cạnh 1 cm khi dòng điện chạy qua hai mặt đối diện của khối Đơn vị của điện trở suất là ρv (Ω.cm) Để xác định điện trở suất của một khối điện môi phẳng, cần thực hiện các bước cụ thể.
Trong đó : Rv là điện trở của khối điện môi đo đƣợc ()
S là diện tích của điện cực (cm 2 ) h là bề dày của khối điện môi (cm)
- Điện trở suất mặt (s): là điện trở của 1 hình vuông cạnh 1 cm đƣợc tách ra 1 cách tưởng tượng trên bề mặt khối điện môi khi dòng điện chạy qua
2 mặt đối diện của hình vuông đó s ()
Trong đó: R S là điện trở của bề mặt khối điện môi () l: là bề rộng của khối điện môi (cm) h: là bề dày của khối điện môi (cm)
- Điện dẫn suất khối (γv): là đại lƣợng nghịch đảo của điện trở suất khối
- Điện dẫn suất mặt: là đại lƣợng nghịch đảo của điện trở suất mặt
2.1.2 Tính dẫn điện củ điện môi khí, lỏng, rắn a Tính dẫn điện của điện môi khí Đối với chất khí, đặc điểm nổi bật là do mật độ phân tử rất bé Cho nên, khi cường độ điện trường bé thì dòng rò trong điện môi khí chỉ do các điện tử tự do và các ion tạo ra bỡi các yếu tố bên ngoài nên dòng rò rất bé Do đó điện dẫn bé và điện dẫn này đƣợc gọi là điện dẫn không tự duy trì
Khi điện trường đạt đến mức gây ion hóa trong môi trường khí, quá trình va chạm tạo ra các điện tích theo cấp số nhân, dẫn đến sự gia tăng điện dẫn, được gọi là điện dẫn tự duy trì.
Tại một thời điểm nhất định trong một đơn vị thể tích khí, số lượng ion dương (n0) bằng với số lượng ion âm, trong khi đó số ion tái hợp (n1) trong cùng một đơn vị thể tích được tính trong một khoảng thời gian nhất định.
Trong đó: v là hệ số tái hợp (đối với không khí: v = 1,6.10 -6 cm 3 /giây)
Gọi n2: là số ion đƣợc tạo ra bởi quá trình ion hóa, trong điều kiện cân bằng:
Khi một chất khí được đặt giữa hai điện cực phẳng song song có điện áp một chiều U (V) và khoảng cách giữa chúng là S (cm), điện trường tạo ra giữa hai điện cực sẽ được xác định.
SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI
Phân cực điện môi xảy ra khi các điện tích liên kết dịch chuyển có giới hạn hoặc các lưỡng cực được định hướng dưới tác động của điện trường Cơ chế này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ tính chất của vật liệu điện môi.
Các phân tử không phân cực thường không có cực tính, nhưng khi chịu tác động của cường độ điện trường, lớp vỏ điện tử và hạt nhân sẽ dịch chuyển theo hướng của điện trường, với lớp vỏ điện tử di chuyển ngược chiều và hạt nhân di chuyển cùng chiều Sự dịch chuyển này tăng cường độ khi điện trường mạnh hơn, dẫn đến hiện tượng phân cực Đối với các chất có cấu tạo lưỡng cực, các lưỡng cực thường chuyển động hỗn loạn do nhiệt, nhưng khi có điện trường, chúng sẽ định hướng theo chiều điện trường Trong khi đó, các ion trong chất có cấu tạo ion sẽ dịch chuyển theo hướng của điện trường khi bị tác động.
Khi có điện trường tác động lên bề mặt điện môi, sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu so với điện tích trên bản cực, tạo ra một cường độ điện trường phụ E’ bên trong điện môi, ngược chiều với điện trường bên ngoài Đây là quá trình tích điện của tụ điện.
Hình 2-4 minh họa quá trình phân cực điện môi Đặc điểm chính của hầu hết các điện môi là sự phụ thuộc giữa cảm ứng điện D và cường độ điện trường E bên trong điện môi.
Khi điện trường ⃗ thay đổi, cảm ứng điện ⃗⃗ cũng biến đổi không tuyến tính với ⃗ Đặc biệt, khi ⃗ tăng đến một giá trị nhất định, hằng số điện môi D không thay đổi Những chất này được gọi là điện môi "Xenhit", điển hình là muối xen nhít NaKC4H4O6(H2O)6.
Trong tụ điện, môi trường giữa hai điện cực được gọi là điện môi Khi một điện áp U được áp dụng lên tụ điện, sẽ xuất hiện điện tích Q trên các bản cực Mối quan hệ giữa điện tích Q và điện áp U được xác định rõ ràng.
Q = C.U Trong đó: C là điện dung của tụ điện
Q 0 : là điện tích trên bản cực của tụ điện khi điện môi bên trong tụ là chân không
Hằng số điện môi tương đối được xác định bằng tỷ số giữa điện tích bề mặt Q và điện tích ban đầu Q0, do quá trình phân cực trong điện môi tạo ra.
Như vậy bất kì một chất nào cũng lớn hơn 1, trừ trường hợp điện môi là chân không = 1 Hằng số điện môi tuyệt đối:
Hằng số điện môi của một chất điện môi được xác định bằng tỷ lệ giữa điện dung của tụ điện sử dụng chất đó làm điện môi và điện dung của tụ điện có cùng kích thước nhưng sử dụng chân không làm điện môi.
2.2.2 Các dạng phân cực điện môi
Phân loại theo thời gian phân cực: Dựa theo thời gian phân cực có 2 dạng phân cực là phân cực nhanh và phân cực chậm
Dạng phân cực nhanh là hiện tượng xảy ra khi các phân cực được thực hiện trong điện môi dưới tác động của điện trường một cách tức thời, hoàn toàn đàn hồi và không gây tổn hao năng lượng.
Dạng phân cực chậm là quá trình phân cực xảy ra trong điện môi khi chịu tác động của điện trường một cách từ từ Quá trình này kéo dài thời gian và dẫn đến việc phát tán năng lượng, khiến cho điện môi bị nóng lên.
Dựa theo phần tử tham gia phân cực, ta có các loại phân cực sau: a Phân cực điện tử nhanh
Sự dịch chuyển đàn hồi và định hướng của lớp vỏ điện tử trong nguyên tử hoặc ion xảy ra khi có điện trường tác động Trước khi đặt điện trường, điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân, với tâm điện tích âm trùng với tâm điện tích dương Khi điện trường được áp dụng, điện tử dịch chuyển ngược chiều với điện trường, trong khi hạt nhân di chuyển cùng chiều Kết quả là tâm điện tích dương và âm lệch nhau một khoảng a.
Hình 2-5 Sự dịch chuyển điện tích khi có điện trường tác động Đặc điểm: Thời gian phân cực diễn ra rất bé t = 10 -15 (s)
+ Quá trình phân cực không phát tán năng lƣợng, không tổn hao => thuộc dạng phân cực thứ nhất
+ Những chất có phân cực điện tử chủ yếu thì = n 2 (n hệ số khúc xạ ánh sáng)
+ Khi nhiệt độ tăng thì sự phân cực tăng
+ Phân cực điện tử thường xảy ra đối với chất khí b Phân cực ion nhanh
Phân cực ion đặc trưng cho các điện môi có cấu trúc tinh thể ion, được hình thành từ sự dịch chuyển đàn hồi của các ion liên kết dưới tác động của điện trường ngoài Quá trình dịch chuyển này diễn ra mà không phát tán năng lượng, ví dụ như trong tinh thể ion NaCl.
Phân cực ion của tinh thể NaCl diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn, t = 10^-12 giây, và thuộc dạng phân cực thứ nhất do không phát tán năng lượng Khi nhiệt độ tăng, mức độ phân cực cũng tăng theo Phân cực ion thường xuất hiện ở các chất có cấu trúc ion liên kết chặt chẽ.
Sự phân cực này được hình thành do sự định hướng một phần của lưỡng cực dưới tác động của cường độ điện trường trong quá trình chuyển động nhiệt hỗn loạn.
Quá trình phân cực chậm diễn ra với thời gian và tổn hao năng lượng, đặc trưng cho các chất có liên kết ion không chặt chẽ Sự phức tạp của quá trình này được thể hiện qua mối quan hệ giữa ε và thời gian t Nhiệt độ tại đó ε đạt giá trị cực đại được gọi là điểm Curri.
Khi chƣa đặt điện trường
TỔN HAO ĐIỆN MÔI
Công suất tổn hao điện môi là năng lượng tỏa ra bên trong điện môi trong một đơn vị thời gian, dẫn đến hiện tượng nóng lên khi có điện áp áp dụng Ký hiệu của công suất này là P (W).
Suất tổn hao điện môi là công suất điện môi được tính cho mỗi đơn vị thể tích, thể hiện năng lượng tỏa ra bên trong điện môi trong một khoảng thời gian nhất định khi có điện áp tác dụng.
Góc tổn hao điện môi: là góc phụ của góc lệch pha giữa dòng điện chạy trong điện môi và điện áp tác dụng lên điện môi
Hình 2-14 Mối quan hệ giữ góc φ và góc
2.3.2 S đồ th y thế và tính toán tổn h o điện môi a Sơ đồ thay thế Đối với một khối điện môi bất kì, dưới tác dụng của điện trường đều đƣợc đặc trƣng bởi 2 đại lƣợng cơ bản: điện dung C và điện trở R của điện môi Để đơn giản trong tính toán, 2 đại lƣợng đó có thể ghép nối tiếp hoặc song song nhau, sao cho khi thay thế phải không làm thay đổi bản chất vật lí của các quá trình diễn ra trong điện môi (giá trị 2 đại lƣợng trên có thể khác nhau) Nghĩa là công suất tổn thất phải bằng công suất thực và góc tổn thất không đổi khi có cùng điện áp và tần số Ta có 2 dạng sơ đồ
Sơ đồ mắc nối tiếp Sơ đồ mắc song song
Hình 2-15 S đồ thay thế điện môi
C s và C p đại diện cho các đại lượng đặc trưng cho hiện tượng phân cực trong điện môi, trong khi rs và Rp thể hiện tính dẫn điện của điện môi.
Khi điện áp được áp dụng lên điện môi, để tính toán dòng điện IR và IC, ta sử dụng sơ đồ mạch song song Khi dòng điện chạy qua điện môi, việc tính toán các thông số này trở nên cần thiết để hiểu rõ hơn về hành vi của điện môi trong mạch điện.
U R và U C ta dùng sơ đồ nối tiếp
Trong sơ đồ nối tiếp rs =0 thì không có tổn thất điện môi, khi rs càng tăng lên thì tổn thất càng tăng
Trong sơ đồ nối song song, khi giá trị của Rp rất lớn, tổn thất điện môi sẽ không xảy ra Ngược lại, khi Rp giảm, tổn thất điện môi sẽ gia tăng Việc tính toán tổn hao điện môi là rất cần thiết để hiểu rõ hơn về hiệu suất của hệ thống.
Nếu điện áp đặt vào điện môi là một chiều thì tổn hao điện môi đƣợc xác định nhƣ sau:
Nếu điện áp đặt vào điện môi là xoay chiều thì tổn hao điện môi đƣợc xác định nhƣ sau:
P = U 2 ω.C.tg (2.20) Trong đó ω = 2πf với f là tần số của dòng điện
2.3.3 Các nguyên nhân gây tổn h o điện môi a Tổn hao điện môi do phân cực
Tổn hao này do hiện tượng phân cực chậm gây ra, thường thấy ở các chất có cấu tạo lƣỡng cực và cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ
Tổn thất năng lượng xảy ra khi chuyển động nhiệt của các ion hoặc phân tử lưỡng cực bị phá hủy dưới tác động của điện trường Sự phá hủy này dẫn đến mất mát năng lượng và làm nóng điện môi.
Tổn hao do phân cực tăng theo tần số điện áp áp dụng lên điện môi và phụ thuộc vào nhiệt độ Mỗi loại điện môi có một nhiệt độ đặc trưng tại đó tổn hao đạt cực đại Bên cạnh đó, tổn hao do điện dẫn rò cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.
Trong mọi chất điện môi, luôn có sự hiện diện của các điện tử tự do Khi có điện trường tác động, các điện tử này sẽ di chuyển theo hướng của điện trường, dẫn đến việc hình thành dòng điện rò Dòng điện rò này, kết hợp với điện trở của điện môi, sẽ gây ra tổn thất nhiệt đáng kể.
Tổn hao do dòng rò đƣợc xác định:
: là hằng số điện môi f: là tần số dòng điện
: là điện trở suất của khối điện môi (.cm)
Khi nhiệt độ tăng thì tổn hao điện môi càng tăng
Trong đó: Po là tổn hao ở nhiệt độ 20 o C α: là hệ số nhiệt t: là độ chênh nhiệt so với 20 o C c Tổn hao do ion hoá
Tổn thất này thường gặp trong chất khí, khi trong môi trường khí có xảy ra ion hoá Tổn thất này đƣợc tính theo công thức:
A i : là hằng số đối với từng chất khí f là tần số điện áp đặt vào
U o : là điện áp bắt đầu gây ion hoá chất khí
Trị số U o phụ thuộc vào loại khí, nhiệt độ và áp suất làm việc, cũng như mức độ đồng nhất của điện trường Khi áp dụng cùng một giá trị điện áp, điện trường không đều sẽ khó gây ion hóa hơn so với điện trường đều Điều này dẫn đến tổn hao do cấu trúc không đồng nhất.
Tổn thất điện môi xảy ra trong các vật liệu có cấu trúc không đồng nhất, và để xác định tổn hao này, cần xem xét điện môi như hai điện môi được ghép nối tiếp nhau.
Hình 2-16 S đồ thay thế điện môi có cấu tạo không đồng nhất
Góc tổn hao điện môi đƣợc xác định:
2.3.4 Tổn h o điện môi khí Ở điều kiện bình thường và điện trường thấp, tổn hao điện môi khí chỉ do dòng rò gây ra còn tổn hao do phân cực trong điện môi khí hầu nhƣ không đáng kể (vì mật độ phân tử rất thấp nên dưới tác dụng của điện trường các phân tử lƣỡng cực phân cực không gây nên tổn thất ) Khi đó góc tổn hao điện môi xác định theo:
Ví dụ: không khí có = 10 18 (.cm); 1; f = 50Hz => tg 4.10 -8
Khi điện áp cao được áp dụng lên điện môi, quá trình ion hóa va chạm xảy ra, dẫn đến tổn hao do dòng rò và tổn hao do phân cực Điều này khiến tổn thất công suất trong điện môi khí trở nên đáng kể Tổn thất công suất được xác định theo công thức cụ thể.
Nhƣ vậy ta thấy lúc này tg sẽ là hàm phụ thuộc vào điện áp Quan hệ tg= f(U) nhƣ sau:
Hình 2-17 Mối quan hệ giữa tổn h o điện môi và điện áp Đường cong được chia làm thành 3 đoạn:
Khi điện áp U nhỏ hơn Uo trong điện môi, tổn hao chủ yếu do dòng rò gây ra Số lượng điện tích tự do trái dấu ít, dẫn đến hiện tượng tái hợp giảm khi điện áp tăng Vì vậy, hệ số tổn hao tgδ tăng lên theo điện áp.
Khi U = Uo trong chất khí xảy ra quá trình ion hoá va chạm, tạo ra số lƣợng điện tích tự do lớn, nên tg tăng lên
Khi U > UB, hầu hết các phân tử bị ion hóa, dẫn đến giảm số phân tử tham gia ion hóa và giảm tgδ Ở tần số cao, hiện tượng ion hóa và tổn hao trong điện môi gia tăng, có thể gây ra hiện tượng cháy và phá hủy điện môi.
2.3.5 Tổn h o điện môi rắn a Điện môi rắn có cấu tạo phân tử
PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
Hiện tượng đánh thủng điện môi xảy ra khi điện áp vượt quá ngưỡng cho phép, dẫn đến việc mất tính chất cách điện của vật liệu Đây là hiện tượng phá huỷ điện môi, gây ra sự suy giảm hiệu suất và an toàn trong các ứng dụng điện.
Khi điện môi xảy ra hiện tượng phóng điện, điện áp sẽ giảm nhẹ và tại điểm bị chọc thủng, chúng ta có thể thấy sự xuất hiện của tia lửa điện hoặc hồ quang Hiện tượng này có thể dẫn đến việc làm nóng chảy hoặc phá hủy cả điện môi lẫn điện cực.
Sau khi điện môi bị phá huỷ thì tuỳ điện môi, ta đƣa điện môi ra khỏi điện trường tuỳ loại điện môi sẽ có đặc điểm khác nhau
Rắn: Nếu quan sát thấy vết chọc thủng, việc tiếp tục cung cấp điện áp U sẽ dẫn đến việc đánh thủng tại vị trí cũ với giá trị U thấp hơn, do đó cần tiến hành sửa chữa nghiêm túc Lỏng và khí: Ngược lại với chất rắn, trị số điện áp mà tại đó điện môi bắt đầu hoạt động sẽ khác biệt.
Điện áp đánh thủng điện môi (Uđt) được xác định bằng giá trị 2.28 kV và phụ thuộc phi tuyến vào độ dày và bản chất của điện môi Điều này là cơ sở quan trọng để xác định các tham số của vật liệu cách điện cũng như điện trường đánh thủng (E đt).
Trong đó: h là bề dày của điện môi [mm]
Khi lựa chọn chiều dày điện môi cho thiết bị hoạt động ở điện áp định mức (U đm), cần tính đến hệ số an toàn K để đảm bảo hiệu suất và độ bền của thiết bị.
Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ điện trường cách điện của điện môi, bao gồm dạng điện trường, loại điện áp, thời gian tác dụng điện áp và các điều kiện môi trường như áp suất, nhiệt độ và độ ẩm.
2.4.2 Sự phóng điện trong điện môi khí a Hiện tượng Ion hoá và kích thích của nguyên tử trong chất khí
Theo thuyết nguyên tử Bor:
Nguyên tử là đơn vị cơ bản của vật chất, bao gồm hạt nhân và lớp vỏ điện tử Mỗi electron di chuyển theo quỹ đạo nhất định và có năng lượng cố định Trong trạng thái bình thường, nguyên tử không thu nhận hay phát ra năng lượng Tuy nhiên, khi electron hấp thụ năng lượng W, nó sẽ chuyển động ra quỹ đạo xa hơn hạt nhân.
Khi điện tử di chuyển từ quỹ đạo xa hạt nhân về quỹ đạo gần hạt nhân, nó sẽ phát ra năng lượng tương ứng với độ chênh lệch giữa hai mức năng lượng.
Hiện tượng ion hoá xảy ra khi điện tử trong nguyên tử hoặc phân tử nhận năng lượng từ bên ngoài và tách ra khỏi nguyên tử Khi điện tử rời khỏi lực hút của hạt nhân, nó trở thành điện tử tự do, trong khi phần còn lại của nguyên tử trở thành ion dương do mất cân bằng điện tích.
Trong quá trình ion hóa khí, các hạt mang điện được tạo ra sẽ khuyếch tán trong môi trường khí dưới tác dụng của điện trường Khi các hạt mang điện tích trái dấu gặp nhau trong quá trình này, sẽ xảy ra hiện tượng tái hợp, dẫn đến việc phát ra năng lượng dưới dạng photon ánh sáng Năng lượng này được biểu thị bằng công thức hf=dW Cả hai hiện tượng trên đều góp phần làm giảm mật độ hạt mang điện trong không gian.
Hình 2-20 Hiện tượng ion hó
Muốn thực hiện đƣợc quá trình ion hoá chất khí, yêu cầu năng lƣợng cung cấp vào phân tử trung hoà phải lớn lơn năng lƣợng ion hoá W > Wi
Năng lượng ion hóa là năng lượng cần thiết để vượt qua lực hút của hạt nhân Trong lý thuyết phóng điện, chúng ta thường gặp các dạng ion hóa điện khác nhau.
Ion hoá va chạm là hiện tượng xảy ra khi hạt mang điện va chạm với phân tử trung hoà, dẫn đến việc trao đổi động năng giữa chúng và gây ra hiện tượng ion hoá.
Ion hoá quang: Năng lƣợng cần thiết để ion hoá có thể lấy từ bức xạ sóng ngắn nếu bức xạ có năng lƣợng thoả mãn:
Trong đó: λ là độ dài sóng ngắn (λ = c/v); v: tần số bức xạ của sóng ngắn; c: tốc độ ánh sáng; h = 6,62.10 -34 J.s là hằng số Planck
Ion hoá nhiệt: Năng lƣợng cung cấp để gây ion hoá là năng lƣợng nhiệt
T là nhiệt độ tuyệt đối của chất khí;
Ion hoá từng cấp: Năng lƣợng cung cấp là năng lƣợng tổng hợp của nhiều lần va chạm hoặc kết hợp giữa các dạng ion hoá ở trên
Ion hóa bề mặt phụ thuộc vào công thoát của kim loại làm điện cực Hiện tượng kích thích xảy ra khi điện tử chuyển sang quỹ đạo xa hạt nhân hơn nhưng vẫn nằm trong phạm vi kiểm soát của hạt nhân, khi nguyên tử nhận năng lượng bên ngoài với điều kiện W < W i Khi phân tử khí trung tính chuyển về trạng thái kích thích, sau một thời gian ngắn, nó sẽ trở về trạng thái bình thường và năng lượng ban đầu được trả lại dưới dạng photon ánh sáng, với công thức W’ - Wo = hf Phóng điện trong điện môi khí được định nghĩa là sự hình thành dòng điện liên tục giữa các điện cực, biến môi trường khí từ cách điện thành dẫn điện, tạo ra plasma.
Một số giả thuyết ban đầu cho rằng trong khe hở giữa các điện cực có ít nhất một điện tử tự do, điều này giải thích sự tồn tại của các điện tử tự do Ngoài ra, bài viết không xem xét hiện tượng ion hóa nhiệt, ion hóa quang, hay ion hóa từng cấp.
* Quá trình hình thành thác điện tử và sự phóng điện trong điện môi khí
Giả thuyết ban đầu cho rằng tại cực âm có một điện tử tự do Khi có điện trường tác động, điện tử này sẽ di chuyển về phía cực dương và trong quá trình di chuyển, nó sẽ gây ion hóa khi va chạm với các phân tử khí trung hòa với hệ số ion hóa va chạm α Những điện tử mới được sinh ra tiếp tục di chuyển và tạo ra hiện tượng ion hóa va chạm, dẫn đến số lượng điện tử sinh ra giữa hai bản cực ngày càng tăng.
Sự ion hoá xảy ra trong chất khí dẫn tới hình thành thác điện tử với số lƣợng điện tử n tăng lên theo hàm số mũ:
Trong đó: n 0 là số lƣợng các điện tử ban đầu đƣợc tạo ra ở cực âm; α là hệ số ion hoá; x là độ dài thác điện tử
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ
Không khí là một trong những vật liệu cách điện thể khí quan trọng nhất, thường được sử dụng để cách điện cho các đường dây tải điện trên không và các thiết bị hoạt động trong môi trường khí Ngoài ra, không khí còn được kết hợp với các chất cách điện rắn và lỏng để nâng cao hiệu quả cách điện.
Dưới cùng điều kiện áp suất, nhiệt độ và độ ẩm, các loại khí khác nhau có cường độ điện trương khác nhau Nếu coi cường độ cách điện của không khí là một đơn vị, bảng dưới đây trình bày các tính chất và cường độ cách điện của một số khí thường gặp trong kỹ thuật.
Bảng 2-8 So sánh đặc tính củ không khí với các chất khí
Các đặc tính tư ng đối Không khí
Hệ số tỏa nhiệt từ vật rắn sang khí Độ bền nhiệt
Không khí là vật liệu cách điện chủ yếu cho các đường dây tải điện trên không, đồng thời cũng được sử dụng để cách điện cho các thiết bị điện hoạt động trong không khí Ngoài ra, không khí có thể kết hợp với các chất cách điện rắn và lỏng để nâng cao hiệu quả cách điện.
Nhiệt độ sôi là 1at là - 194,5 o C
Không khí là chất khí phổ biến, có sẵn trong tự nhiên, không độc, không gây phản ứng với đồng, thép
Không khí có cường độ cách điện ở trường đồng nhất là 32 kV/cm
Khí Nitơ, với điểm sôi ở 1 atm là -195,8°C, chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất Đây là một loại khí không màu, không mùi, không vị và có tính trơ, tồn tại chủ yếu dưới dạng phân tử N2 Nitơ không phản ứng hóa học với các kim loại như đồng, thép và chì.
Nitơ là một phi kim, với độ âm điện 3,04, hoá lỏng ở t 0 77 0 K (-196 0 C) trong điều kiện áp suất khí quyển
Eđt = 33 kV/cm (ở trường đồng nhất) b Ứng dụng
Cường độ cách điện của các chất khí thường kém hơn không khí Tuy nhiên, nitơ thường được sử dụng thay thế không khí để lấp đầy các tụ điện khí và các thiết bị khác, nhờ vào đặc tính tương tự không khí nhưng không chứa ôxy.
N 2 đƣợc sử dụng trong quá trình sản xuất các linh kiện điện tử nhƣ tranzito, điốt, IC
N2 còn đƣợc sử dụng trong công nghệ sản xuất thép không gỉ vì N2 tạo ra sự ổn định cho thép không gỉ ở môi trường lạnh
2.5.3 Khí Êlêg z (SF6) a Tính chất
Hình 2-30 Cấu tạo phân tử khí êlêg z
+ Eđt = 80 kV/cm (ở trường đồng nhất)
Chất này có độ bền nhiệt lớn gấp 2,5 lần so với không khí và nặng hơn không khí 5 lần Nhiệt độ sôi của nó khoảng -64 độ C (209 độ K), và ngay cả khi nén tới 20 atm ở nhiệt độ bình thường, nó cũng không chuyển thành dạng lỏng.
+ Êlêgaz không độc, chịu đƣợc tác dụng hóa học, không bị phân hủy khi đốt nóng tới 800 o C b Ứng dụng
Eelêgaz đƣợc sử dụng trong các tụ điện, cáp điện, máy cắt có những ƣu điểm lớn ở áp suất cao, đem lại hiệu quả kinh tế cao
Khi nhiệt độ đạt từ 500 oC trở lên hoặc khi tiếp xúc với hồ quang điện, SF6 sẽ phân tách thành các nguyên tử lưu huỳnh và flo Phần lớn các nguyên tử này sẽ kết hợp với nhau, tạo ra quá trình làm mát và thu nhiệt, sau đó phục hồi trở lại thành SF6.
Hình 2-31 Ứng dụng củ SF6 trong máy cắt điện
2.5.4 Khí frêôn (CCl2F2) (R-12) a Tính chất
Khí Frêôn có E đt = 68 kV/cm (ở điện trường đồng nhất)
Có độ bền nhiệt gần bằng khí êlêgaz nhƣng nhiệt độ sôi là -28 o C
(245 o K), ở nhiệt độ bình thường chịu được áp suất nén tới 6at
Nó có thể ăn mòn 1 số vật liệu hữu cơ thể rắn, cần chú ý khi dùng trong tủ lạnh, máy làm lạnh, máy điều hòa b Ứng dụng
Khí Frêôn đƣợc dùng trong tủ lạnh, máy điều hoà, máy lạnh
Ngày nay hay dùng gas R22 (CHClF2), R134a (CH2FCF3) và R410A
Hiệp định Kyoto tháng 12/1997 yêu cầu các nước phát triển giảm thiểu tác động tiêu cực đến tầng ozon nhằm bảo vệ môi trường Đặc biệt, lệnh cấm sử dụng ga R22 sẽ có hiệu lực tại các nước đang phát triển, bao gồm cả Việt Nam, vào năm 2045.
R410A là hỗn hợp của CH2F2 (R-32 hay HFC 32 ) và CHF 2 CF 3 (R-125 hay HFC125) thay thế cho R22
Ga R410A đƣợc chọn để dùng cho điều hoà chạy biến tần
Hình 2-32 Các môi chất được sử dụng trong ngành nhiệt lạnh
2.5.5 Khí hydroc cbon flo hó Đó là những hydrocacbon trong đó tất cả các nguyên tử hydro đƣợc thay thế bằng nguyên tử flo Trong điều kiện bình thường 1 số các chất đó là chất khí (CF 4 có nhiệt độ hóa lỏng -128 o C, nhiệt độ hóa rắn là -184 o C, C2F2 ,có nhiệt độ hóa lỏng -78 o C ) còn một số chất khác (C 7 F14; C7F8; C8F16;
Các chất lỏng này có độ bền nhiệt cao hơn không khí từ 6-10 lần Việc pha trộn một lượng nhỏ khí êlêgaz, frêôn hoặc các khí tương tự vào không khí tạo ra hỗn hợp khí với độ bền điện đáng kể, thường được sử dụng trong các thiết bị điện áp cao.
Khí nhẹ với khả năng truyền dẫn nhiệt hiệu quả được sử dụng để làm mát trong các máy điện công suất cao, giúp giảm thiểu tổn thất công suất do ma sát giữa roto và chất khí cũng như tác động của quạt gió.
Sử dụng hyđrô giúp làm chậm quá trình lão hóa của các chất cách điện hữu cơ trong dây quấn, giảm thiểu nguy cơ hỏa hoạn do hiện tượng ngắn mạch Đồng thời, việc làm mát bằng khí hyđrô cải thiện điều kiện làm việc của chổi than, từ đó nâng cao công suất và hiệu suất của máy điện.
Khí hyđrô có khả năng kết hợp với ô xy, tạo ra hỗn hợp nổ, do đó cần duy trì áp suất trong máy cao hơn áp suất khí quyển hoặc cho hyđrô hoạt động trong chu trình kín.
Hiện nay, khí trơ như argon và nêon, cùng với hơi thủy ngân, được sử dụng trong các dụng cụ điện chân không và bóng đèn Khí trơ có độ bền điện thấp, trong đó heli có độ bền điện thấp nhất, chỉ bằng khoảng 1/17 so với độ bền điện của không khí.
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ LỎNG
Dầu biến áp là vật liệu cách điện thể lỏng phổ biến nhất trong kỹ thuật điện, với chức năng chính là lấp đầy các khoảng trống trong vật liệu cách điện và giữa các dây dẫn của cuộn dây, đồng thời làm mát và tăng cường thoát nhiệt từ tổn hao công suất trong dây quấn và lõi thép Ngoài ra, dầu biến áp còn được sử dụng để cách điện và dập tắt hồ quang điện trong các máy cắt dầu điện áp cao.
Dầu biến áp là hỗn hợp hóa học của các hydrocarbon, có màu sắc biến đổi từ không màu đến vàng sẫm Tính chất của dầu phụ thuộc vào nguồn gốc và nhiệt độ, với độ nhớt của dầu biến áp thay đổi theo nhiệt độ Tiêu chuẩn độ nhớt động học của dầu không vượt quá 30.10² cm²/s ở 20°C và 9,6.10² cm²/s ở 50°C.
Dầu biến áp là chất lỏng dễ cháy, vì vậy nhiệt độ chớp cháy của nó phải đạt ít nhất 135°C và nhiệt độ đông đặc không được cao hơn -45°C.
Độ bền điện của dầu biến áp là một trong những đặc tính quan trọng trong thực tiễn, và trị số này rất nhạy cảm với độ ẩm có trong dầu.
Dầu máy biến áp có tỷ trọng từ 0,87 đến 0,89 g/cm³ và sở hữu các đặc tính nhiệt quan trọng Tỷ nhiệt của dầu nằm trong khoảng 0,43 đến 0,58 calo/g.độ, cho thấy khả năng truyền nhiệt của nó nhanh hơn khoảng 28 lần so với không khí Hệ số dãn nở nhiệt khối của dầu khoảng 0,00065 (độ -1), điều này cho thấy sự thay đổi thể tích của dầu khi nhiệt độ thay đổi.
Trong quá trình hoạt động, dầu biến áp có thể bị hóa già, dẫn đến sự giảm sút các tính chất của nó và làm cho màu sắc trở nên sẫm hơn Khi dầu già hóa, nó chứa các axit và chất nhựa hòa tan, có thể lắng xuống đáy thùng Các axit mới sinh ra sẽ gây hại cho cách điện của dây quấn và ăn mòn kim loại.
Tốc độ ăn mòn của dầu gia tăng trong một số trường hợp nhất định, bao gồm khi không khí lọt vào hệ thống, khi nhiệt độ làm việc tăng cao, khi dầu tiếp xúc với các bộ phận kim loại, khi có sự tác động của ánh sáng, và khi bị ảnh hưởng bởi cường độ điện trường cao.
Dầu tụ điện, đặc biệt là cho tụ điện giấy trong các tụ điện động lực, được sử dụng để bù công suất trong hệ thống điện Việc tẩm dầu cho lớp cách điện bằng giấy giúp tăng cường điện trở cách điện và độ bền điện, từ đó giảm kích thước, trọng lượng và chi phí sản xuất của tụ điện.
Dầu tụ điện, do được chế biến từ dầu mỏ, có nhiều đặc tính tương tự như dầu biến áp, nhưng cần được làm sạch đặc biệt bằng chất hấp thụ Theo tiêu chuẩn tgδ, dầu tụ điện phải có giá trị không lớn hơn 0.002 khi đo ở nhiệt độ ±100°C với tần số 1kHz, và nhỏ hơn 0.005 với tần số 50Hz Độ bền điện của dầu tụ điện được làm sạch trong chân không phải đạt trị số lớn hơn 20kV/mm.
Dầu cáp điện là thành phần quan trọng trong sản xuất cáp điện lực, giúp tẩm lớp giấy cách điện và tăng cường độ bền điện của cáp Có nhiều loại dầu cáp điện khác nhau, trong đó, để tẩm cho cáp cao áp (110kV), người ta sử dụng loại dầu ít nhớt đã được tẩy sạch và loại bỏ hoàn toàn các khí lẫn trong dầu.
Dầu có độ nhớt cao đƣợc dùng để tẩm cáp chứa dầu có áp suất cao (khoảng 15at) trong ống thép
Dầu mỏ nhớt hơn, thường được sử dụng cho cáp điện lực, có tính chất quánh và hoạt động dưới điện áp 35kV Để tăng độ nhớt, người ta thêm côlôfan hòa tan vào dầu, tạo thành hỗn hợp dầu côlôfan.
2.6.4 Điện môi lỏng tổng hợp a Hydro cacbonclo hóa
Hình 2-33 Quan hệ ε, tgδ, tỷ trọng đifenyl và số nguyên tử clo trong phân tử (n)
Quá trình clo hóa hydro cacbon diễn ra khi các nguyên tử clo thay thế nguyên tử hydro trong một số phân tử, tạo ra các sản phẩm khác nhau Difenyl là một trong những sản phẩm phổ biến nhất của quá trình này và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
C12H10 (H5C6 -C6H5) bao gồm hai gốc phenyl, và các đifenyl clo hóa có công thức chung C12H10-CLn, tạo thành những phân tử cực tính Thực tế, các vật liệu sử dụng là hỗn hợp của các đồng phân difenyl với mức độ clo hóa n khác nhau, được gọi chung là “ascaren” Xôvôn, có thành phần hóa học tương tự pentaclodifenyl với công thức C12H5Cl5, có hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số và nhiệt độ, tuân theo quy luật chung của các điện môi cực tính Khi hoạt động trong điện trường mạnh, xôvôn cho thấy sự ổn định cao hơn so với dầu mỏ.
Xôvôn là một chất lỏng không màu, có trọng lượng lớn hơn dầu mỏ, do đó không được sử dụng trong máy biến áp Hơn nữa, xôvôn cũng không thích hợp cho máy cắt vì khi dập hồ quang, nó tạo ra nhiều bồ hóng, hơi độc và chất ăn mòn.
Hình 2-34 Quan hệ tgδ = f(t 0 ) của dầu Xôvôn (với f = 50Hz)
Chất lỏng silic có tổn hao điện môi rất thấp, độ hút ẩm thấp và độ bền nhiệt cao, thường được sử dụng để tẩm và cách điện cho tụ điện cũng như các thiết bị điện khác hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ -60°C đến 1000°C Hai loại chính của chất lỏng silic hữu cơ là hỗn hợp plietilxilocxan có cấu trúc thẳng: (C2H5)3-Si-0-[-(C2H5)-Si-0]n-Si-(C2H5)3 và loại có cấu trúc mạch vòng: [-(C2H5)-Si-0]n với n=7 hoặc n=8.
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ RẮN
2.7.1 Điện môi hữu c c o phân tử a Nhựa tổng hợp
Nhựa PE, Poliizobutilen và Polistirol là những loại nhựa không cực, có tính cách điện cao và khả năng hút nước thấp, nên được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện cao tầng Tuy nhiên, chúng có đặc điểm giòn ở nhiệt độ thấp, dễ tạo vết nứt trên bề mặt và chịu nhiệt không tốt Những tính chất này làm cho chúng trở thành lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực điện.
Nhựa Poliacrilat(H2C=CH-COOH): đặc điểm là chịu lạnh, chịu dầu mỡ và kiềm Đại diện cho poliacrilat nó là Metimetylacrilat (CH2=C(CH3)-
COO-CH3, hay còn gọi là thuỷ tinh hữu cơ, có đặc tính trong suốt Khi tiếp xúc với hồ quang, nó sinh ra các khí như CO, H2, H2O và CO2, có khả năng dập tắt hồ quang Chính vì vậy, vật liệu này được ứng dụng trong việc chế tạo các thiết bị chống sét hiệu quả.
Nhựa thông có đặc điểm giòn và có điện trở suất cao từ 10^12 đến 10^13 m, với độ bền điện đạt 10-15 MV/m Nhiệt độ nóng chảy của nhựa thông nằm trong khoảng 50-70 oC và nó dần dần bị oxi hoá theo thời gian Nhựa thông cũng tan trong dầu mỡ và thường được sử dụng để tẩm cho cáp điện.
Bitum: Giòn và dễ tan trong benzol, tolnol, không tan trong rƣợu và nước, có tính hút nước thấp Bitum là một chất có cực yếu, Ebd%MV/m
13 ÷ 10 14 m Đƣợc dùng để sản xuất sơn và các hỗn hợp b Điện môi nến (Sáp)
Vật liệu này dễ nóng chảy, có cấu trúc tinh thể và độ bền cơ học thấp, đồng thời tính hút nước cũng rất hạn chế Chúng thường được sử dụng để tẩm hoặc lấp đầy các kẽ hở, tuy nhiên, sẽ xảy ra hiện tượng co rút đáng kể khi nguội.
Parafin: rẻ, không cực, không dính ƣớt, độ bền điện ổn định, t nc = 50-
Nhiệt độ 55 độ C, với tgδ từ 3-7.10^-4 và ε trong khoảng 1,5 - 2,3, parafin thường được sử dụng để tẩm cho giấy tụ điện có điện áp thấp, tẩm cho cây và giấy carton, cũng như để lấp đầy kẽ hở trong cuộn dây máy điện có nhiệt độ làm việc thấp.
Xerezin: Nhiệt độ nóng chảy cao, bền với không khí, điện trở suất lớn và tg thấp hơn Xerezin đƣợc sử dụng để sản xuất tụ giấy
Vazelin là một loại sáp có tính chất chung, ở nhiệt độ thường tồn tại dưới dạng nửa lỏng Nó thường được sử dụng để tẩm giấy tụ và là hỗn hợp của carbua hydro lỏng và rắn Ngoài ra, Vazelin còn được ứng dụng trong sơn cách điện và các hỗn hợp khác.
Sơn cách điện là dung dịch được pha trộn từ keo bitum và dầu bốc hơi, khi khô sẽ chuyển thành trạng thái rắn và hình thành một lớp màng mỏng Để đảm bảo hiệu quả, sơn cần có khả năng cách điện tốt và không được hút ẩm.
Sơn tẩm: tẩm các lỗ mọt hoặc cách điện dạng sợi(giấy, carton,vải,cách điện cuộn dây máy điện)
Sơn che phủ tạo ra lớp bảo vệ bền vững, phẳng và không thấm nước trên bề mặt điện môi Sơn Emay có khả năng sơn trực tiếp lên dây dẫn để cách điện hoặc lên các lá thép trong mạch từ của máy biến áp.
Sơn kết dính: Dùng để kết dính các lớp của điện môi hoặc giữa điện môi với kim loại
Sơn nhựa: dung dịch nhựa tổng hợp hay nhựa thiên nhiên gồm các loại sau:
Sơn bakelit: dung dịch của bakelit trong rƣợu Sơn này dùng để kết dính, có độ bền cơ học cao, ít dẻo, dễ bị già cõi do nhiệt
Sơn Gliftan là dung dịch nhựa gliftan được pha trộn với rượu và hydro cacbua lỏng Chất liệu này được sử dụng để kết dính mica, có khả năng uốn dẻo tốt hơn so với bakelit, tuy nhiên, tính chịu ẩm của nó lại kém hơn.
Sơn silic: cần sấy ở nhiệt độ cao, nó có tính chịu nhiệt và chống ẩm tốt
+ Sơn Policlovinil: chịu đƣợc dầu mỡ và nhiều vật chất khác, dùng để sơn phủ cho cách điện hoạt động ở môi trường axit
Sơn xenlulo, đặc biệt là Nitroxenlulo, nổi bật với độ bền cơ học cao và khả năng chịu đựng tác động của không khí mà không bám dính vào kim loại Do đó, để đảm bảo hiệu quả, cần phải sơn một lớp gliftan lên bề mặt kim loại trước khi áp dụng sơn Nitroxenlulo.
Sơn dầu là loại sơn được chiết xuất từ dầu tự khô, kết hợp với các thành phần giúp tăng tốc độ khô Nó được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất giấy sơn, vải sơn, và được sử dụng để tẩm cho cuộn dây máy điện cũng như sơn cách điện cho các lá thép trong máy biến áp.
Sơn đen, với thành phần chính là bitum, có ưu điểm là giá thành rẻ, khả năng hút ẩm thấp và độ cách điện cao Tuy nhiên, sản phẩm này không chịu được xăng dầu và có khả năng chịu nhiệt thấp.
Hỗn hợp cách điện là hỗn hợp các loại nhựa khác nhau bitum, sáp, dầu, nến
Giấy cách điện được tẩm từ dầu mỏ, và để tăng độ nhớt của hỗn hợp, nhựa thông hoặc nhựa tổng hợp nhân tạo được thêm vào.
Để ngăn chặn cáp tiếp xúc với không khí, cần lấp đầy các măng sang rẽ nhánh và măng sang đầu cuối bằng một hỗn hợp chủ yếu gồm bitum và dầu thông.
Gỗ là vật liệu rẻ tiền, có độ bền cơ học cao, tính dẻo và dễ gia công Tuy nhiên, gỗ có nhược điểm là độ bền điện thấp và khả năng hút ẩm cao Để cải thiện tính chất cách điện của gỗ trong kỹ thuật điện, người ta thường tẩm gỗ bằng các loại sơn chuyên dụng.
VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
KHÁI NIỆM CHUNG
Khi nghiên cứu đặc tính dẫn điện của vật liệu, cần chú ý đến các yếu tố cơ bản như điện dẫn suất, điện trở suất, hệ số nhiệt của điện trở suất, nhiệt dẫn suất, hiệu điện thế tiếp xúc, sức nhiệt điện động, giới hạn bền khi kéo và độ dãn dài tương đối Những đặc tính này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá khả năng dẫn điện và ứng dụng của vật liệu trong các lĩnh vực khác nhau.
Vật liệu dẫn điện là những chất có điện tích tự do ở trạng thái bình thường, cho phép dòng điện lưu thông khi đặt vào điện trường Chúng được chia thành hai loại: vật dẫn điện bằng điện tử như kim loại, hợp kim và một số phi kim, và vật dẫn điện bằng ion như dung dịch axit, bazơ và muối Các kim loại và vật liệu dẫn điện thường có điện trở suất rất thấp, giúp tối ưu hóa khả năng dẫn điện.
Hệ số nhiệt của điện trở suất (α) cho thấy điện trở suất của kim loại và hợp kim tăng khi nhiệt độ tăng, trong khi điện trở suất của carbon và các chất điện phân lại giảm Hệ số α của các kim loại thường nằm trong khoảng từ 3.10^-3 đến 8.10^-3 K^-1 Khi đặt hai thanh kim loại cùng vật liệu dẫn điện, điện trở giữa hai điểm tiếp xúc lớn hơn nhiều so với giá trị tính theo định luật Ohm Nguyên nhân là do tiếp xúc giữa hai kim loại không phải là tiếp xúc bề mặt hoàn toàn mà chủ yếu là tiếp xúc vi điểm Khi áp dụng lực nén, các điểm tiếp xúc có thể bị phá vỡ, làm tăng diện tích tiếp xúc thực tế và giảm điện trở tiếp xúc.
Khi tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế tại điểm tiếp xúc do sự khác biệt về trị số công thoát của điện tử và mật độ điện tử không đồng nhất giữa các kim loại này.
Hình 3-1.Tiếp xúc giữa hai kim loại khác nh u
Trong một mạch điện với hai tiếp mối hàn tiếp xúc, nếu một đầu có nhiệt độ T1 và đầu kia có nhiệt độ T2, sức nhiệt điện động giữa các mối hàn sẽ được xác định bởi sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu.
Trong đó: C - đối với một cặp kim loại là sức nhiệt điện động
Khi kết hợp hai dây dẫn kim loại có sức điện động lớn, ta tạo ra một cặp nhiệt có khả năng đo nhiệt độ Dây dẫn nối giữa hai điểm với nhiệt độ khác nhau sẽ cho phép xác định nhiệt độ chính xác.
T1 (nóng) và nhiệt độ T2 (lạnh)
Các điện tử ở đầu nóng có năng lượng lớn hơn so với các điện tử ở đầu lạnh, dẫn đến chuyển động từ đầu nóng sang đầu lạnh Kết quả là đầu nóng tích điện dương, trong khi đầu lạnh tích điện âm, với điện áp giữa hai đầu dây A là UA Điện áp UA chỉ phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ T1 và T2, không bị ảnh hưởng bởi phân bố nhiệt độ dọc theo dây Để đo điện áp này, cần một dây dẫn thứ hai kết nối với một vôn mét Nếu dây dẫn B cùng loại với dây A, vôn mét sẽ chỉ 0 (UA - UA = 0) Tuy nhiên, nếu dây A và dây B làm từ vật liệu khác nhau, vôn mét sẽ hiển thị chênh lệch điện áp giữa hai dây (U12 = UA - UB).
3.1.2 Tính chất vật lý củ kim loại a Nhiệt độ và nhiệt lượng nóng chảy
Nhiệt độ ứng với khi kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt lượng cần thiết để kim loại chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng hoàn toàn ở áp suất bình thường được gọi là nhiệt lượng nóng chảy, được đo bằng J/kg hoặc kcal/kg.
Nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một đơn vị khối kim loại lên 1 độ Celsius được gọi là nhiệt lượng riêng, được đo bằng J/kg độ hoặc kcal/kg độ Tính dẫn nhiệt cũng là một yếu tố quan trọng trong việc hiểu và ứng dụng nhiệt lượng trong kim loại.
Tính dẫn nhiệt là tính chất truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hay khi làm nguội
Nhiệt dẫn suất là lượng nhiệt tỏa ra trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích vuông góc với hướng tỏa nhiệt trên một đơn vị khoảng cách có sự chênh lệch nhiệt độ Đơn vị đo nhiệt dẫn suất là W/m.độ C Giãn nở nhiệt cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Khi kim loại được đốt nóng, chúng sẽ nở ra, và khi làm nguội, chúng sẽ co lại Hiện tượng giãn nở này cần được chú ý trong nhiều trường hợp Bên cạnh đó, tính sáng của kim loại cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.
Kim loại không cho ánh sáng xuyên qua, ngay cả khi là tấm kim loại mỏng Theo đặc điểm ánh sáng, kim loại được phân loại thành kim loại đen và kim loại màu.
3.1.3 Tính chất hoá học củ kim loại
Tính chất hoá học của kim loại thể hiện khả năng chống lại tác động của môi trường hoá học, bao gồm tính chống ăn mòn, biểu thị khả năng chống lại sự ăn mòn do hơi nước hoặc oxy ở nhiệt độ thường và cao Đồng thời, tính chịu axit phản ánh khả năng của kim loại trong việc kháng lại tác động của môi trường axit.
3.1.4 Tính chất c học củ kim loại a Độ bền: Khả năng của kim loại chống lại tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá hỏng b Độ đàn hồi: Khả năng của kim loại thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực có khí rồi trở lại nhƣ cũ khi bỏ lực tác dụng c Độ dẻo: Là khả năng của kim loại thay biến dạng dưới tác dụng của lực có khí mà không bị phá hỏng , đồng thời vẫn giữ đƣợc hình dạng khi bỏ lực tác dụng Các kim loại dẫn điện thường được chia thành hai loại : loại có điện dẫn cao và loại có điện trở cao Các hợp kim có điện trở suất cao dùng cho các dụng cụ nung bằng điện, thắp sáng, biến trở
VẬT LIỆU CÓ ĐIỆN DẪN CAO
3.2.1 Đồng Đồng là vật liệu quan trọng nhất trong các vật liệu dẫn điện đƣợc dùng trong kỹ thuật điện Đồng là một kim loại có màu đỏ nhạt, nó có tính chất dẫn điện tốt (chỉ đứng sau bạc), lại có độ bền cơ khí lớn, chống đƣợc ăn mòn, dẫn nhiệt tốt, dễ dát, đễ gia công nên đồng là một vật liệu dẫn điện đƣợc sử dụng rộng rãi nhất Đồng đƣợc tìm thấy trong thiên nhiên không nhiều Từ quặng, qua phương pháp nấu nóng chảy sẽ thu được sulfua đồng và xỉ Loại đồng với tỷ lệ tối đa 97,5-98% được sử dụng dưới các điện cực dương (đồng anode) để tinh luyện theo phương pháp điện phân Đồng thô chứa từ 1 dến 9% các tạp chất nhƣ sắt Fe, nickel Ni, chì Pb, bạc Ag, bismuth, bạch kim, antimoire a Các tính chất cơ bản của đồng (Cu) Đồng sử dụng cho các mục đích làm các vật liệu dẫn điện là loại đồng tinh chế, có điện dẫn cao, chứa ít tạp chất Trong kỹ thuật điện chỉ sử dụng đồng được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch sulfat đồng Độ tinh khiết của đồng có thể đạt tới độ 99%.Trong các trường hợp đặc biệt để có một kim loại không bị oxy hoá đồng cần có độ tinh khiết 99,9%, thậm chí 99,99%
Các tấm âm cực (đồng cathode) thu được từ quá trình điện phân sẽ được chế biến thành thanh hoặc khối, sau đó được dát mỏng hoặc kéo thành sợi theo kích thước yêu cầu.
Các tính chất cơ khí của đồng chịu ảnh hưởng lớn từ độ tinh khiết của kim loại này Việc bổ sung một số nguyên tố như As, P, Sb, Ni, Fe, Mn, Si có thể nâng cao đặc tính cơ khí của đồng, nhưng đồng thời cũng làm giảm khả năng dẫn điện của nó.
Các tạp chất như chì (Pb), lưu huỳnh (S), selenium (Se), tellurium (Te), bismuth (Bi), đặc biệt là bitmut và chì, làm giảm điện trở suất cũng như các tính chất cơ khí của đồng Điện trở suất của đồng chịu ảnh hưởng từ mức độ tạp chất, quá trình gia công cơ khí và phương pháp xử lý nhiệt.
Bảng 3-1 Một số thông số kỹ thuật củ Đồng
Số thứ tự 29 Hệ số giãn nở °C -1 16,4.10 -6
Năng lƣợng ion hoá , eV 7,724 Nhiệt dung riêng,
Khối lƣợng riêng, kg/m 3 8890 Nhiệt dẫn suất
W/(cm.K) 394,3 Điện trở suất đồng tinh khiết ở nhiệt độ 20 C, .m 0.0168 Nhiệt độ nóng chảy, °C 1083 Điện trở suất đồng kỹ thuật, .m 0,017241
Sức nhiệt điện động với Pt (0-100 °C), mV
Hệ số nhiệt của điện trở suất, K -1 3,93.10 -3 Độ bền kéo, MPa 240
Sự dát mỏng và kéo nguội của đồng điện phân làm giảm điện dẫn suất, và sự thay đổi này phụ thuộc vào nhiệt độ nung nóng lại Xử lý nhiệt ảnh hưởng đến tính chất cơ khí của đồng, với độ bền đứt giảm đột ngột khi nung nóng lại ở nhiệt độ 300-400°C Để tránh oxy hóa, quá trình ủ cần được thực hiện trong lò không có không khí hoặc đã được khử bớt oxy.
Trong thực tế, có hai loại đồng được sử dụng: đồng mềm và đồng cứng Đồng mềm được nung và sau đó để nguội, có độ cứng thấp hơn và sức bền cơ học kém, nhưng lại có độ giãn lớn khi bị đứt và khả năng dẫn điện cao Loại đồng này thường được sử dụng để chế tạo dây dẫn cho cáp điện và dây quấn của máy điện.
Hình 3-2 Hình ảnh ứng dụng củ đồng mềm
Hình 3-3 Ứng dụng củ đồng mềm làm dây quấn st to và rôto
Cấu tạo củ máy biến áp sử dụng đồng cứng, được ưa chuộng ở những khu vực cần độ bền cơ giới cao và khả năng chịu mài mòn Đồng cứng thường được ứng dụng trong các dây dẫn trần không bọc cách điện, thanh góp tại các trạm phân phối, nhà máy điện, cũng như thanh góp của máy điện.
Hình 3-5 Th nh cái đồng trong tủ điện
Trong môi trường bình thường, đồng có độ bền cao với ăn mòn Tuy nhiên, khi tiếp xúc với môi trường, đồng dễ bị oxy hóa, dẫn đến sự hình thành lớp oxit đồng nâu Cu2O, làm giảm khả năng dẫn điện của nó.
Trong môi trường nhiệt độ từ 100-120 °C trở lên, lớp oxit đồng CuO sẽ hình thành để bảo vệ Khi tiếp xúc với không khí ẩm, lớp hydroxit đồng cũng xuất hiện Đồng là kim loại phổ biến nhất trong kỹ thuật điện nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
- Điện trở suất nhỏ nhất (nó chỉ lớn hơn điện trở suất của bạc 5% nhƣng rẻ hơn bạc)
- Độ bền cơ khí khá cao yêu cầu trong đa số các trường hợp
Đồng có độ bền cao hơn sắt khi tiếp xúc với môi trường xung quanh, đặc biệt là trong điều kiện độ ẩm cao, vì nó bị oxy hóa chậm hơn Chỉ khi gặp nhiệt độ cao, đồng mới bắt đầu bị oxy hóa, cho thấy khả năng chống chịu tốt của nó trong nhiều điều kiện khác nhau.
- Công nghệ sản xuất: dễ gia công, có thể kéo thành sợi, cán mỏng
- Tương đối dễ hàn: việc hàn nối được thực hiện tương đối dễ b Các hợp kim của đồng
Đồng vàng hoặc đồng thau (laiton) là hợp kim giữa đồng và kẽm, trong đó tỷ lệ kẽm dao động từ 4-45%, đôi khi có thêm một lượng nhỏ các kim loại khác như chì, nhôm, nickel, natri và sắt Hợp kim này có giá thành thấp hơn đồng nguyên chất nhưng lại có độ bền cơ học và độ cứng cao hơn, cho phép gia công bằng cả phương pháp nguội và nóng.
Khi hàm lượng kẽm trong đồng tăng lên 45%, độ bền kéo sẽ tăng liên tục cho đến khi tỷ lệ thiếc đạt 32%, sau đó bắt đầu giảm Để cải thiện độ bền cơ học, các kim loại như nhôm, thiếc, sắt, mangan, nikel và silic thường được bổ sung.
Đồng thau được phân loại dựa trên thành phần và ứng dụng của hợp kim đồng với kẽm, bao gồm đồng thau dùng để đúc, đồng thau dùng để cán mỏng và đồng thau dùng cho hàn.
Pb giúp đồng thau dễ nóng chảy hơn trong quá trình đúc, nhưng lại giảm độ bền cơ khí của nó Sắt và mangan cải thiện cấu trúc của đồng thau, mang lại sự mịn màng hơn cho vật liệu.
Niken tạo điều kiện cải thiện tính chất cơ khí
Thiếc giúp nâng cao độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn, trong khi việc thêm nhôm với tỷ lệ lên đến 2% có tác dụng cải thiện độ bền và độ cứng của đồng thau.
VẬT LIỆU CÓ ĐIỆN TRỞ CAO
Các hợp kim điện trở suất cao là thành phần quan trọng trong việc chế tạo các phần dẫn điện của dụng cụ đo lường và điện trở mẫu Để đáp ứng yêu cầu giảm kích thước, các hợp kim này cần có điện trở suất cao, hệ số nhiệt của điện trở suất nhỏ, không biến tính, suất sức nhiệt điện động thấp và dễ dàng gia công.
Các hợp kim điện trở suất cao và bền nhiệt là lựa chọn lý tưởng cho sản xuất dây điện trở trong các lò nung với nhiệt độ vượt quá 1000 °C Những hợp kim này không chỉ có điện trở suất cao mà còn sở hữu hệ số nhiệt điện trở suất thấp, đáp ứng yêu cầu khắt khe về khả năng chịu nhiệt.
Là hợp kim gốc Đồng
Thành phần: 86% Cu, 12% Mn, 2% Ni Khối lƣợng riêng 8,1 g/cm 3 , điện trở suất 0,420,48 mm 2 / m Nhiệt độ làm việc cho phép 100200 0 C, giới hạn bền kéo 4560 kG/mm 2
Hợp kim Manganin là một vật liệu quan trọng trong thiết bị nung và điện trở mẫu nhờ vào khả năng duy trì độ chính xác trong các phép đo Hợp kim này không gây sai lệch kết quả đo lường, bất kể dòng điện hoặc nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi.
Hợp kim Đồng – Niken có thành phần 60% Cu và 40% Ni, với khối lượng riêng đạt 8,9 g/cm³ Điện trở suất của hợp kim này nằm trong khoảng 0,48 đến 0,52 Ω.mm²/m Nhiệt độ làm việc cho phép của hợp kim là từ 450 đến 500 độ C, và giới hạn bền kéo dao động từ 40 đến 50 kG/mm².
Hợp kim Conxtantan có khả năng hàn dễ dàng và bám dính chặt chẽ Hệ số biến đổi điện trở suất a theo nhiệt độ của nó rất nhỏ, với giá trị âm, điều này cho thấy tính ổn định của hợp kim này.
Hợp kim Conxtantan khi kết hợp với đồng hoặc sắt tạo ra sức nhiệt điện động lớn, điều này gây ra nhược điểm trong việc sử dụng điện trở bằng hợp kim Conxtantan trong các sơ đồ đo Sự chênh lệch nhiệt độ tại các điểm tiếp xúc dẫn đến sự xuất hiện của sức nhiệt điện động, từ đó tạo ra nguồn sai số Điều này đặc biệt quan trọng trong các cầu đo chỉ không và sơ đồ phân điện áp.
Hợp kim Conxtantan là lựa chọn phổ biến cho cặp nhiệt ngẫu, cho phép đo nhiệt độ lên đến 700 độ C Bên cạnh đó, hợp kim này cũng được sử dụng trong các ứng dụng như biến trở và phần tử nung nóng Tuy nhiên, cần lưu ý rằng hợp kim Conxtantan không nên được sử dụng ở nhiệt độ trên 450 độ C do nguy cơ bị oxy hóa.
Là hợp kim gốc Niken Thành phần : 5578% Ni, 1523% Cr, 1.5%
Mn, còn lại là Fe Khối lƣợng riêng 8,28,5 g/cm 3 , điện trở suất 1,01,2 m mm /
Nhiệt độ làm việc cho phép 10001100 0 C, giới hạn bền kéo 65
Hợp kim Nicrom có sức bền tốt ở nhiệt độ cao, điện trở suất và hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ
Hợp kim Nicrom là vật liệu lý tưởng cho các phần tử nung điện, được sử dụng trong thiết bị nung, lò điện, bếp điện và mỏ hàn, với khả năng chịu nhiệt độ lên đến 1000 độ C Sợi hợp kim Nicrom có đường kính từ 0,02 mm trở lên và các tấm có tiết diện 0,1 x 1,0 mm hoặc lớn hơn Đặc biệt, hợp kim Nicrom có khả năng chống oxy hóa tốt ở nhiệt độ cao trong không khí, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến trong ngành công nghiệp.
Hợp kim Fecral Croman, được tạo thành từ Crôm và Nhôm, là một lựa chọn kinh tế cho việc chế tạo thiết bị nung lớn và lò điện trong công nghiệp So với hợp kim Nicrom, Fecral Croman cứng và giòn hơn, điều này khiến cho việc kéo sợi và tạo băng dài trở nên khó khăn hơn.
Hợp kim Nikenin là hợp kim gốc đồng với thành phần 67% Cu, 25-35% Ni và 2-3% Mn Hợp kim này có giá thành rẻ hơn hợp kim Constantan, dễ gia công, và có điện trở suất nhỏ hơn, cùng với hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ lớn hơn so với Constantan Thường được sử dụng làm biến trở khởi động và điều chỉnh, hợp kim Nikenin là lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng.
Than kĩ thuật điện thực chất là sản phẩm từ bồ hóng, Grafít (than chì) hay than gầy tự nhiên a Đặc điểm
Grafít, hay còn gọi là than chì, là một chất dẫn điện quan trọng được sử dụng làm điện cực cho đèn hồ quang Ngoài ra, khi kết hợp với các phụ gia khác, grafít đóng vai trò thiết yếu trong các vật liệu composite và trong việc bảo vệ lò phản ứng hạt nhân.
Nhiệt độ nóng chảy của Grafít rất cao, dao động từ 3800 đến 3900 độ C Ở nhiệt độ từ 1000 đến 2000 độ C, Grafít có sức bền cơ học vượt trội so với nhiệt độ thường và giữ được tính ổn định ở nhiệt độ cao lên đến 4500 độ F mà không bị oxy hóa Mặc dù các lớp mỏng của Grafít dẻo nhưng không đàn hồi, chúng có khả năng để lại dấu vết màu đen trên tay và giấy, đồng thời dẫn điện và có độ nhớt cao.
Hệ số ma sát thấp và khả năng tự bôi trơn của graphit đã được nghiên cứu gần đây, cho thấy hiệu ứng siêu nhớt Tính chất này được ứng dụng trong việc sản xuất mỡ chì, chẳng hạn như mỡ PLC Grafít, nổi bật với khả năng chịu ma sát trượt hiệu quả.
Các khoáng chất tự nhiên chứa grafít bao gồm thạch anh, calcit, mica, thiên thạch chứa sắt và tuamalin Grafít có khả năng dẫn nhiệt cao khi ở dạng rắn, nhưng khả năng dẫn nhiệt sẽ giảm khi được chế biến thành các sản phẩm như vải hoặc băng cuộn xốp.
Có khả năng điều chỉnh nhanh chóng tỷ lệ neutron từ nhanh sang chậm và có khả năng hấp thụ lượng lớn neutron Hệ thống này có hiệu quả cao trong việc hấp thụ các tán xạ neutron nhiệt trong buồng hấp thụ nhiệt.
SIÊU DẪN
Siêu dẫn là hiện tượng xảy ra khi vật thể đạt nhiệt độ thấp và từ trường nhỏ, dẫn đến điện trở của vật dẫn giảm xuống bằng 0 Hiện tượng này làm suy giảm từ trường nội tại theo hiệu ứng Meissner Chất siêu dẫn là vật liệu có tính siêu dẫn, tức là trạng thái vật chất không có điện trở và không cho phép từ trường xuyên qua.
3.4.2 Đặc tính củ vật liệu siêu dẫn a Đặc tính thứ nhất
Năm 1911, nhà vật lý H.K Onnes từ Đại học Leiden, Hà Lan, đã phát hiện rằng điện trở của thủy ngân hoàn toàn biến mất khi nhiệt độ giảm xuống 4,2 K (-268,95 °C) Phát hiện này cho thấy dòng điện có thể chạy trong thủy ngân mà không bị suy giảm, dẫn đến hiện tượng siêu dẫn của vật chất.
Chất siêu dẫn có khả năng truyền tải dòng điện mà không tiêu hao năng lượng do không có trở kháng, điều này mở ra cơ hội nghiên cứu và ứng dụng mới nhằm giảm tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải.
Mặc dù siêu dẫn đã được phát hiện sớm, đến năm 1950, lý thuyết về nó mới được làm sáng tỏ Công bố đầu tiên về nguyên lý hoạt động của chất siêu dẫn theo mô hình GLAG (Ginzburg - Landau - Abrikosov - Gorkov) đã đặt nền tảng cho ứng dụng thực tiễn của siêu dẫn Mô hình này dự đoán thành công các tính chất siêu dẫn ở cấp độ vĩ mô, trong khi các hiện tượng vi mô vẫn chưa được giải thích Năm 1957, J Bardeen, L.N Cooper và J.R Schrieffer phát triển lý thuyết BCS, lý thuyết vi mô hoàn chỉnh về siêu dẫn Theo lý thuyết BCS, vật liệu trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ rất thấp nhờ sự tương tác giữa các dao động mạng hay “phonon”, cho phép các điện tử tự do bắt cặp và sắp xếp thành chuỗi nối tiếp, dẫn đến chuyển động định hướng mà không có điện trở.
Chất siêu dẫn có đặc tính nổi bật đầu tiên là khả năng duy trì dòng điện mà không bị suy giảm, nhờ vào việc không gặp trở kháng trong mạch Điều này có nghĩa là năng lượng điện được truyền tải từ nơi này sang nơi khác mà không bị tiêu hao.
Kể từ khi phát hiện hiện tượng siêu dẫn, các nhà vật lý đã dành nhiều thập kỷ nghiên cứu để hiểu bản chất và nguyên nhân của nó Nhiều nguyên tố và vật liệu có thể trở nên siêu dẫn khi được làm lạnh dưới một "nhiệt độ chuyển tiếp", tại đó điện trở hoàn toàn biến mất Một phát hiện quan trọng vào năm 1933 của W Meissner và R Ochsenfeld đã chỉ ra rằng khi đặt chất siêu dẫn trong một từ trường, các đường sức từ bị đẩy ra khỏi vật liệu khi đạt đến trạng thái siêu dẫn Điều này giải thích hiện tượng vật thể rắn "lơ lửng" nhờ lực từ vô hình, tạo nên một cảnh tượng đầy mê hoặc.
Hình 3-14 Thí nghiệm về hiện tượng siêu dẫn
Đặc tính thứ hai của vật liệu siêu dẫn là khả năng tạo ra từ trường mạnh mẽ khi ở nhiệt độ thấp Tất cả các chất siêu dẫn đều phát sinh từ trường, và dòng điện trong chúng không gặp phải kháng trở nào Điều này dẫn đến việc từ trường siêu dẫn được sản sinh ra rất mạnh.
Nhờ đó mà ngay nay, con người có thể tạo ra từ trường nhân tạo mạnh gấp tới
200 ngàn lần so với từ trường của Trái đất c Đặc tính thứ 3
Năm 1962, nhà vật lý B.D Josephson tại Đại học Cambridge đã phát hiện "hiệu ứng Josephson", một đặc tính thứ ba của siêu dẫn Hiệu ứng này cho phép các điện tử chạy qua giữa hai chất siêu dẫn được phân cách bởi một lớp cách điện mỏng hoặc hàng rào kim loại Dòng điện qua lớp phân cách này rất nhạy cảm với biến đổi của điện trường và từ trường ngoài, tạo cơ sở cho việc phát triển các thiết bị đo điện trường chính xác như thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUYD) Thiết bị này được sử dụng để đo những từ trường rất nhỏ và cung cấp chuẩn điện áp cho các phòng thí nghiệm đo lường trên toàn thế giới.
3.4.3 Các ứng dụng củ vật liệu siêu dẫn
Giúp đoàn tàu hoạt động êm ái trên đệm từ
Hình 3-15 Đoàn tàu chuyển động trên đệm từ
Tạo ra máy gia tốc mạnh
Máy đo điện trường siêu chuẩn xác
Dụng cụ ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử siêu tốc
Máy quét MRI dùng trong y học
Hình 3-17 Máy gi tốc mạnh được chế tạo bằng vật liệu siêu dẫn
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3
Câu 1 Trình bày vật liệu dẫn điện Wonfram (ký hiệu Tungstene) Nêu ƣu nhƣợc điểm
Câu 2 Trình bày tính chất một số hợp kim thường sử dụng (Maiso, Constantan, Niken, Sắt-Niken-Crôm, Niken-Crôm)
Để tính giá trị điện trở và điện dẫn của đoạn dây dẫn đồng dài 800m với điện trở suất 0,0182 Ωmm²/m và tiết diện 35mm², ta áp dụng công thức điện trở Khối lượng riêng của đồng là 8,9g/cm³ và nhiệt độ nóng chảy đạt 1083°C.
Câu 4 So sánh Đồng và Nhôm về tính chất, ưu nhước điểm và ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật điện
Câu 1: Vật liệu có thành phần gồm ( 60% Cu + 40% Niken ) có tên gọi là:
Câu 2: Vật liệu có thành phần gồm ( 80% Niken + 20% Crôm ) có tên gọi là:
Câu 3: Vật liệu có thành phần gồm ( 74% Fe + 25% Niken + 1% Cr ) có tên gọi là :
Câu 4: Vật liệu có thành phần gồm ( 60% Cu + 25% Zn + 15% Ni ) có tên gọi là:
Hợp kim điện trở được sử dụng chủ yếu trong các thiết bị như bàn ủi, bếp điện và mỏ hàn, với khả năng tỏa nhiệt hiệu quả Chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao lên đến 900°C và có điện trở suất là 1,02 Ωmm²/m tại nhiệt độ 20°C.
Lực ấn tiếp điểm là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc Khi lực ấn tăng, điện trở tiếp xúc sẽ giảm, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của thiết bị Việc duy trì lực ấn phù hợp là cần thiết để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy trong các ứng dụng điện.
Câu 7: Đồng thau là hợp kim của Đồng với:
VẬT LIỆU BÁN DẪN
NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BÁN DẪN
Theo lý thuyết phân vùng năng lƣợng, vùng cấm nằm trong phạm vi
Năng lượng của điện tử trong khoảng 0,02eV đến 1,5eV cho phép điện tử vượt qua vùng lấp đầy để lên vùng dẫn, tạo ra tính dẫn điện cho vật liệu Sự khác biệt chính giữa vật liệu bán dẫn và vật liệu dẫn điện nằm ở cách điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng, điện trở suất của vật liệu dẫn điện tăng, trong khi điện trở suất của vật liệu bán dẫn lại giảm.
Bảng 4-1 Điện trở suất củ các vật liệu kỹ thuật điện ở 20oC, điện áp một chiều
Loại vật liệu ρ, Ω.cm Số bậc trị số củ ρ
Dấu αρ trong khoảng nhiệt độ rộng
14 Âm Điện tử Điện môi 10 9 ÷
Âm điện tử và ion điện dẫn trong bán dẫn chịu ảnh hưởng lớn từ năng lượng bên ngoài và tạp chất Các yếu tố như nhiệt độ, độ chiếu sáng, điện trường và lực cơ học có thể làm thay đổi điện trở suất của chất bán dẫn, từ đó tạo nền tảng cho nguyên lý hoạt động của các thiết bị như nhiệt điện trở, điện trở phi tuyến và cảm biến điện trở.
Chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong các mạch điện tử nhờ vào điện trở suất trung gian giữa vật dẫn và cách điện, cùng với nhiều tính chất đặc biệt khác Các tính chất chính của chất bán dẫn bao gồm khả năng dẫn điện, tính nhạy cảm với nhiệt độ, và khả năng điều chỉnh điện trở suất, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công nghệ cao.
- Điện trở suất bé hơn điện trở suất một chất cách điện và lớn hơn so với vật dẫn
- Hệ số nhiệt độ của điện trở âm
- Khi tạp chất đƣợc thêm vào một chất bán dẫn, điện trở suất của chất bán dẫn thay đổi mạnh
Chất bán dẫn được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như chỉnh lưu công suất, vi mạch điện tử, cảm biến, khuếch đại và phát sóng Bên cạnh đó, chúng còn được sử dụng làm sợi nung nóng để kích thích điểm catot trong đèn inhitron và trong việc đo cường độ từ trường.
4.1.2 Điện dẫn củ bán dẫn Độ dẫn điện của vật liệu phụ thuộc vào nồng độ các điện tích tự do trong nó Vật dẫn tốt bao gồm nồng độ lớn các điện tích (electron) tự do, chất cách điện có nồng độ nhỏ các điện tích (electron, ion) tự do Nồng độ của điện tích (electron, lỗ trống) tự do trong chất bán dẫn nằm giwuax giá trị mật độ của electron trong chất dẫn điện và mật độ electron-ion trong chất cách điện Điều này giải thích cho độ dẫn điện của chất bán dẫn ở mức không quá cao, không quá thấp
Theo lý thuyết phân vùng năng lượng, để trở thành dẫn điện, các electron hóa trị cần có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm Bề rộng của vùng cấm trong chất bán dẫn thường nằm trong khoảng từ 1 đến 3 eV.
Bảng 4-2 Bề rộng vùng cấm của một số nguyên tố bán dẫn
Nguyên tố Thuộc nhóm (bảng tuần hoàn Menđêleep
Bề rộng vùng cấm, eV
Khi một điện tử xuất hiện trong vùng dẫn, nó tạo ra một lỗ trống mang điện tích dương trong vùng hóa trị Sự lấp đầy lỗ trống này hình thành dòng chảy lỗ trống cùng chiều với điện trường E, trong khi điện tử tự do di chuyển ngược chiều Sự xuất hiện đồng thời của hai dòng chuyển động này khiến cho vật liệu cách điện trở thành chất dẫn điện.
Hình 4-1 Sự chuyển động củ điện tích khi có điện trường tác động
Chất bán dẫn thuần là chất bán dẫn ở dạng tinh khiết, tại nhiệt độ 0 K, dải hóa trị chứa đầy electron trong khi dải dẫn trống, khiến chúng hoạt động như chất cách điện Ở nhiệt độ bình thường 300 K, nhiệt độ môi trường tạo ra các cặp electron - lỗ trống do sự phá hủy liên kết cộng hóa trị trong mạng tinh thể, dẫn đến độ dẫn điện rất thấp Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng, số lượng liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ tăng lên, tạo ra nhiều cặp electron - lỗ trống hơn, làm tăng độ dẫn điện của chất bán dẫn thuần.
Hình 4-2 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp (T = 0 0 K)
Hình 4-3 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao (T = 300 0 K)
Khi năng lượng vượt quá năng lượng của dải cấm (0,7 eV cho Ge và 1,12 eV cho Si), điện tử có khả năng vượt qua dải cấm và chuyển vào dải dẫn điện, tạo ra các lỗ trống trong dải hóa trị Điều này cho thấy số điện tử trong dải dẫn điện tương đương với số lỗ trống trong dải hóa trị.
Mật độ điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện được ký hiệu là n, trong khi mật độ lỗ trống có năng lượng trong dải hóa trị được ký hiệu là p Theo nguyên lý cân bằng, ta có mối quan hệ n = p = n_i.
Người ta chứng minh được rằng: ni 2
T : Nhiệt độ tuyệt đối (Độ Kelvin)
EG : Chiều cao của dải cấm
Hình 4-4 Các dải năng lượng củ bán dẫn thuần tại 0 0 K; 300 0 K
Chất bán dẫn có tính chất n=p được gọi là chất bán dẫn nội bẩm hoặc chất bán dẫn thuần Tuy nhiên, việc chế tạo loại chất bán dẫn này thường gặp nhiều khó khăn.
4.1.4 Bán dẫn có tạp chất
Chất bán dẫn không tinh khiết, hay còn gọi là chất bán dẫn tạp chất, được tạo ra bằng cách thêm một lượng nhỏ tạp chất vào chất bán dẫn tinh khiết Tùy thuộc vào loại tạp chất được bổ sung, có hai loại bán dẫn chính: bán dẫn loại N và bán dẫn loại P Độ dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc vào số lượng tạp chất được thêm vào, thường chỉ chiếm khoảng một phần triệu.
Bán dẫn N là loại bán dẫn trong đó điện tích tự do chủ yếu là các điện tử, được tạo ra bằng cách pha thêm tạp chất thuộc nhóm V như Photpho, Asen, hoặc Antimon vào tinh thể bán dẫn như Si và Ge Các điện tử hoá trị chưa tham gia liên kết có khả năng di chuyển xung quanh hạt nhân với bán kính lớn 1,33nm, do đó chịu lực hút hạt nhân yếu Chỉ cần một tác động nhỏ từ nhiệt độ hoặc điện trường, các điện tử này sẽ nhảy lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện, biến vật liệu này thành chất dẫn điện chủ yếu nhờ vào điện tử.
Hình 4-5 Bán dẫn loại N b Vật liệu bán dẫn loại P
Trong bán dẫn loại P, điện tích chủ yếu là lỗ trống, được hình thành khi pha trộn tạp chất có hoá trị III như Bo, Al, hoặc Ga vào chất bán dẫn.
In vào trong tinh thể bán dẫn tinh khiết
Trong 4 mối liên kết có một liên kết bị thiếu một điện tử hay hình thành lỗ trống mang điện tích dương Khi nhiệt độ tăng, một electron từ một liên kết cộng hoá trị khác nhảy lên để lấp đầy lỗ trống này, một lỗ trống mới đƣợc tạo ra phía sau, lố trống mới lại có thể đƣợc lấp đầy bởi một điện tử hoá trị đƣợc tách ra từ một liên kết khác Điều này đã tạo ra sự dịch chuyển điện tích từ vị trí này sang vị trí khác Nhƣ vậy, trong chất bán dẫn loại này chủ yếu là lỗ trống tham gia dẫn điện nên gọi là chất bán dẫn loại P
Hình 4-6 Bán dẫn loại P 4.1.5 Lớp tiếp giáp điện tử và lỗ trống
MỘT SỐ NGUYÊN TỐ CÓ TÍNH BÁN DẪN DÙNG TRONG KỸ THUẬT
Gecmani, khác với nhiều chất bán dẫn, có vùng cấm nhỏ, cho phép nó phản ứng hiệu quả với ánh sáng hồng ngoại Điều này khiến gecmani trở thành lựa chọn lý tưởng cho các kính quang phổ hồng ngoại và thiết bị quang học yêu cầu độ nhạy cao với tia hồng ngoại Ngoài ra, chiết suất và thuộc tính tán sắc của ôxít gecmani cũng làm cho nó trở nên hữu ích trong các thấu kính camera góc rộng và kính vật của kính hiển vi.
Gecmani là vật liệu quang học hồng ngoại quan trọng, dễ dàng được chế tác thành thấu kính và cửa sổ Nó được sử dụng làm thấu kính vật trong camera nhiệt hoạt động trong khoảng bước sóng 8-14 micron để chụp hình nhiệt thụ động Với chiết suất cao (4,0), vật liệu này cần được bọc lót chống phản xạ Lớp bọc lót chống phản xạ bằng cacbon tựa kim cương (DLC) với chiết suất 2,0 là lựa chọn tối ưu, tạo ra bề mặt cứng như kim cương, giúp chống chịu các tác động môi trường.
Gecmani đã nhanh chóng trở thành vật liệu bán dẫn quan trọng, được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu, tranzito và IC tốc độ cao Các mạch IC tận dụng tính chất của kết nối Si-SiGe cho hiệu suất vượt trội so với các mạch chỉ sử dụng silic Ngoài ra, gecmani còn được ứng dụng trong việc chế tạo cảm biến sức điện động Hall và các hiệu ứng điện để đo lường cường độ từ trường, dòng điện và công suất.
Bảng 4-3 Một số thông số của Ge và Si
Thông số Đ n vị đo Giecmani Silic
Hệ số nhiệt độ giãn nở dài (0-100 o C) Độ -1 6,0.10 -6 4,2.10 -6
Nhiệt dẫn riêng W/cm độ 0,55 0,8
Nhiệt dung riêng (0-100 o C) J/kg.độ 333 710
Nhiệt lƣợng nóng chảy J/mol 3,04.10 3 46,3.10 3
Hệ số sức căng bề mặt (ở nhiệt độ nóng chảy) đin/cm 600 720 Điện trở suất riêng ở 20 o C Ω.cm 68 -200.000
Nồng độ riêng các hạt dẫn cơ bản cm -3 2,5.10 13 -10 10
Bề rộng vùng cấm eV 0,72 1,12 Độ linh động của điện tử cm 2 /V.s 3900 1400 Độ linh động của lỗ trống cm 2 /V.s 1900 500
Công thoát điện tử eV 4,8 4,3
Thế ion hoá sơ cấp V 8,1 8,14
Sức nhiệt điện động đối với phiến ở 100 o C mV 33,9 41,6
Mỗi nguyên tử silicon (Si) có 4 electron ở lớp ngoài cùng, tham gia vào việc liên kết với các nguyên tử silicon lân cận Trong điều kiện nhiệt độ thấp, mỗi nguyên tử silicon sẽ tạo ra các liên kết bền vững với các nguyên tử xung quanh, hình thành nên cấu trúc vững chắc.
Si ở lớp ngoài cùng có 8 electron => Si không dẫn điện vì không có hạt tải điện chuyển động cho dù được đặt trong điện trường
Một vài đặc tính của Silic:
- Màu sắc: ánh kim và hơi xanh
- Độ rộng vùng cấm: 1,12 eV
- Điện trở suất tinh khiết: 3,2.10 5 Ωm
Silic được dùng để sản xuất dụng cụ bán dẫn, mạch điện tử tương tự như
Ge Ngoài ra, silic còn đƣợc ứng dụng trong thành phần của nhiều hợp kim, kim loại trong sản xuất kính quang học, vật liệu dẫn quang
4.2.3 Các vật liệu bán dẫn mới a Giới thiệu chung
Vật liệu bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực điện tử, nằm giữa kim loại và chất cách điện về khả năng dẫn điện Chúng là yếu tố thiết yếu trong việc phát triển nhiều thiết bị điện tử như vi mạch, bóng bán dẫn và tế bào quang điện.
Silicon là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất trong nhiều thập kỷ, nhưng nó có một số hạn chế như tốc độ chuyển đổi electron giới hạn và khả năng chịu nhiệt độ cao kém.
Nhiều vật liệu bán dẫn mới đang được nghiên cứu và phát triển nhằm khắc phục những hạn chế của silicon Một số vật liệu bán dẫn mới hứa hẹn nhất hiện nay bao gồm:
Graphene là một lớp carbon đơn nguyên tử với khả năng dẫn điện xuất sắc, cho phép phát triển các bóng bán dẫn nhanh và hiệu quả hơn so với silicon.
Hình 4-8 Cấu trúc vật liệu bán dẫn Gr phene
Trong nhiều thập kỷ, silicon đã chiếm ưu thế trong ngành công nghiệp bán dẫn Tuy nhiên, tình trạng thiếu hụt chip silicon gần đây đã tạo cơ hội cho Gallium Nitride (GaN) nổi lên như một vật liệu mới tiềm năng GaN không chỉ thân thiện với môi trường mà còn giúp sản xuất các thiết bị điện tử hiệu quả và nhỏ gọn hơn Nhiều công ty hiện đang chuyển sang sử dụng GaN vì quy trình sản xuất của nó nhanh chóng và dễ dàng hơn so với chip silicon.
GaN là hợp chất giữa gali (số nguyên tử 31) và nitơ (số nguyên tử 7),
Gallium Nitride (GaN) là một vật liệu bán dẫn dải rộng với cấu trúc tinh thể hình lục giác và độ cứng cao Bandgap của GaN, là mức năng lượng cần thiết để các electron và lỗ trống điện tử di chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, nằm trong khoảng 2 - 4 electronvolt (eV), cao hơn nhiều so với các chất bán dẫn thông thường như silicon, có bandgap từ 1 - 1,5 eV.
Bandgap quyết định mức điện trường mà vật liệu có thể chịu đựng, trong đó GaN với bandgap rộng cho phép phát triển các chất bán dẫn có vùng nghèo rất ngắn Điều này dẫn đến cấu trúc thiết bị với mật độ hạt tải điện cao Kích thước bóng bán dẫn nhỏ hơn và đường dẫn ngắn hơn tạo ra điện trở và điện dung cực thấp, từ đó cho phép tốc độ hoạt động nhanh hơn.
Công nghệ GaN nổi bật với khả năng xử lý điện trường lớn hơn trong kích thước nhỏ hơn so với silicon truyền thống, đồng thời cho phép chuyển mạch nhanh hơn đáng kể Hơn nữa, GaN có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ tối đa cao hơn, mang lại nhiều lợi ích cho các ứng dụng công nghệ hiện đại.
GaN đang ngày càng trở nên quan trọng nhờ hiệu suất vượt trội trong nhiều ứng dụng, đồng thời giảm thiểu năng lượng và không gian cần thiết Khi nhu cầu năng lượng toàn cầu gia tăng, chuyển sang công nghệ GaN sẽ giúp đáp ứng nhu cầu này trong khi giữ mức phát thải carbon ở mức tối thiểu Thiết kế tích hợp GaN đã chứng minh có khả năng cung cấp chất bán dẫn thế hệ tiếp theo với lượng khí thải carbon thấp hơn mười lần so với chip silicon cũ Việc nâng cấp các trung tâm dữ liệu toàn cầu từ chip silicon sang GaN ước tính sẽ giảm thất thoát năng lượng khoảng 30 đến 40%, tương đương với việc tiết kiệm hơn 100 terawatt giờ điện và giảm 125 triệu tấn khí thải CO2 vào năm 2030.
Gali không xuất hiện dưới dạng nguyên tố trong tự nhiên mà là sản phẩm phụ từ quá trình nấu chảy quặng bauxit để sản xuất nhôm và chế biến quặng sphalerit để lấy kẽm, nhờ đó lượng khí thải carbon trong khai thác và tinh chế rất thấp.
Gallium nitride (GaN) đã được sử dụng lâu dài trong sản xuất thiết bị điện cao tần và quang điện tử, nhưng hiện nay ngày càng phổ biến trong các ứng dụng chuyển mạch và chuyển đổi nguồn Các chip dựa trên GaN không chỉ cải thiện hiệu suất hệ thống mà còn tiết kiệm không gian và cung cấp hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ cao hơn.
VẬT LIỆU TỪ
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ TÍNH
Các thiết bị điện như cuộn cảm, máy biến áp và máy điện quay đều cần sử dụng tính chất từ của vật liệu Nguyên nhân gây ra từ tính của vật liệu là do sự chuyển động liên tục của các điện tích theo các quỹ đạo kín, tạo ra các dòng điện vòng.
Nguồn gốc của hiện tƣợng này liên quan đến 3 yếu tố sau:
- Sự tồn tại spin của các điện tử Có thể hiểu mỗi điện tử có một spin hướng lên hoặc xuống, tức có một trong hai giá trị +1/2 hay - 1/2
- Sự tồn tại moment quỹ đạo động lƣợng của các điện tử chuyển động quanh hạt nhân
- Sự thay đổi mô men quỹ đạo khi có từ trường ngoài tác dụng, gọi là moment cảm ứng
Hai yếu tố chính gây ra hiện tượng từ hóa thuận là thành phần từ hoá của vật liệu, trong khi yếu tố thứ ba liên quan đến từ hoá ngịch Đối với kim loại và hợp kim, cần chú ý đến sự đóng góp của khí điện tử tự do trong quá trình này.
Trong trạng thái cơ bản của nguyên tử hydro, mô men quỹ đạo bằng 0, dẫn đến mô men từ của nguyên tử chỉ phụ thuộc vào spin của điện tử, với spin song song tạo ra mô men nghịch từ cảm ứng yếu Ngược lại, trong trạng thái ls 2 của nguyên tử heli, cả mô men spin và quỹ đạo đều bằng 0, do đó chỉ còn lại mô men cảm ứng.
Véctơ từ hoá M đƣợc xác định nhƣ moment từ của một đơn vị thể tích Độ từ hoá đối với một đơn vị thể tích đƣợc định nghĩa
Cường độ cảm ứng từ B trong từ trường vĩ mô là một đại lượng quan trọng, trong khi độ từ hoá l là đại lượng không thứ nguyên, thường được tính theo đơn vị khối lượng hoặc mol.
Các chất có < 0 là nghịch từ, > 0 là thuận từ
Việc sắp xếp trật tự các môment từ dẫn tới các trạng thái phức tạp hơn nhƣ sắt từ ferit từ, phản sắt từ, helical (xoắn ốc) v.v
Hiện tƣợng thuận từ hạt nhân liên quan đến mô men từ hạt nhân Các moment hạt nhân nhỏ hơn của điện tử hàng ngàn lần
Hình 5-1 Mối quan hệ giữ độ từ hoá và nhiệt độ ở vật liệu từ
5.1.2 Các đặc trưng c bản củ vật liệu từ a Đường cong từ hoá Đường cong từ hóa (hay đầy đủ là đường cong từ hóa ban đầu) là đồ thị mô tả quá trình từ hóa vật từ từ trạng thái ban đầu chƣa nhiễm từ (trạng thái khử từ), mà thể hiện trên đồ thị là sự thay đổi của tính chất từ (thông qua giá trị của từ độ, cảm ứng từ ) theo giá trị của từ trường ngoài Ở phạm vi cấu trúc vi mô, quá trình từ hóa chính là sự thay đổi về cấu trúc từ (cấu trúc đômen) thông qua các cơ chế khác nhau χ t 0
* Hình dạng đường cong từ hó ở các vật liệu từ khác nh u
Đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ M(H) và đường cong độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trường, với các giá trị quan trọng như từ độ bão hòa Ms, từ thẩm ban đầu μi và từ thẩm cực đại μmax Đối với chất nghịch từ và thuận từ, đường cong từ hóa có dạng thẳng, với từ độ dương cho chất thuận từ và âm cho chất nghịch từ Trong khi đó, các chất có trật tự từ như sắt từ, phản sắt từ và feri từ thể hiện đường cong từ hóa phi tuyến Đặc biệt, sắt từ và feri từ sẽ đạt hiện tượng bão hòa từ khi từ hóa với từ trường lớn, dẫn đến đường cong từ hóa nằm ngang tại từ độ bão hòa Hiện tượng bão hòa từ cũng xảy ra ở chất thuận từ và phản sắt từ, nhưng yêu cầu phải có từ trường rất lớn và nhiệt độ thấp.
Đường cong từ hóa của vật liệu thuận từ và nghịch từ có hình dạng tuyến tính Độ từ thẩm là đại lượng đặc trưng cho khả năng phản ứng của vật liệu từ.
Độ từ thẩm được xác định dưới tác dụng của từ trường ngoài và có thể là tuyệt đối hoặc tương đối Độ từ thẩm tuyệt đối được tính bằng tỷ số giữa đại lượng cảm ứng từ B và cường độ từ trường H tại một điểm cụ thể trên đường cong từ hoá cơ bản.
Dùng độ từ thẩm tương đối r để đặc trưng cho từ hoá của vật liệu, r có thể tính đơn giản từ đường cong từ trễ
Từ đường cong từ trễ ta thấy độ từ thẩm tương đối không phải là hằng số vì điều này phụ thuộc vào cường độ từ trường r o
Độ từ thẩm tuyệt đối của chân không là 4π.10^-7 H/m, và độ từ thẩm của vật liệu sắt từ phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, độ từ thẩm của vật liệu cũng tăng và đạt cực đại gần điểm nhiệt độ Curie Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt quá điểm Curie, các miền từ hóa tự nhiên của vật liệu bị phá hủy do chuyển động nhiệt, dẫn đến việc vật liệu mất từ tính.
Đối với các vật liệu sắt từ, phương trình B=μH không phải là tuyến tính do độ từ thẩm phụ thuộc vào cường độ từ trường H Hơn nữa, các đường cong từ hoá không trùng khớp khi cường độ từ trường ngoài được tăng lên và sau đó giảm xuống.
Hiện tượng đường từ hóa đi và về không trùng nhau được gọi là hiện tượng từ trễ, với đường cong phản ánh sự tương tác của vật liệu từ với từ trường ngoài Hiện tượng này có thể được hiểu thông qua các miền từ.
Giả sử có một đơn tinh thể sắt không có khuyết tật mà trong đó các miền từ
Hình 5-4 Sự th y đổi các miền từ khi có từ trường tác động
Nếu khối sắt từ chƣa bị từ hoá lần nào, khi chƣa có tác dụng của từ trường bên ngoài, từ độ I cũng bằng không
Dưới tác dụng của từ trường H, các miền có moment từ thuận lợi sẽ đƣợc mở rộng, còn các miền từ không thuận lợi sẽ bị thu hẹp lại
Do đó ta thấy lúc đầu I tăng nhanh theo H, sau đó tăng chậm hơn
Khi H tăng tới một giá trị nào đó (khoảng vài trăm A/m) I đạt giá trị cực đại Nếu tiếp tục tăng H, I cung không tăng nữa
Người ta nói sự từ hoá đã đạt đến giá trị bão hoà Như ta dã biết B=(H+I)
Chuyển động biên giới của các miền từ và sự tái định hướng của chúng không hoàn toàn thuận nghịch, dẫn đến việc khi từ trường giảm xuống trị số không, moment từ của các miền vẫn giữ lại một sự định hướng nhất định Điều này giải thích cho hiện tượng từ tính dư trong sắt từ.
Hình 5-5 Biểu đồ B - H (đường cong từ trễ)
Br là cảm ứng từ dư, Hc là cường độ từ trường khử từ, và Bbh là cảm ứng từ bão hòa Đường cong từ trễ bắt đầu từ gốc H=0, B=0, được gọi là đường cong từ hóa ban đầu Tổn hao từ trễ và tổn hao do dòng xoáy là hai yếu tố quan trọng cần xem xét trong quá trình từ hóa vật liệu.
Tổn hao từ trễ là lực cản tác động lên thành Block khi có chuyển động Diện tích vòng từ trễ tỷ lệ thuận với công từ hóa trên một đơn vị thể tích của vật liệu sắt từ Trong quá trình khử từ ngược, công này hoàn toàn chuyển hóa thành nhiệt năng.
Dòng điện Foucault là hiện tượng phát sinh dòng điện trong vật liệu dẫn điện khi nó nằm trong vùng từ trường biến đổi Dòng điện này được tạo ra nhằm phản kháng lại lực tác động của từ trường.
VẬT LIỆU TỪ CỨNG
Vật liệu từ cứng là những loại vật liệu sắt từ, có đặc điểm khó khử từ và khó bị từ hóa Tính từ "cứng" ở đây chỉ rõ thuộc tính này, không liên quan đến cơ tính của vật liệu.
Chu trình từ trễ của vật liệu được phân thành hai loại chính: vật liệu sắt từ cứng và vật liệu sắt từ mềm hoặc kháng từ cao.
5.2.2 Đặc trưng củ vật liệu từ cứng
Hình 5-11 Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng
Vật liệu từ cứng có trường khử từ Hc lớn và từ trường dư mạnh mẽ, bền vững, khiến cho việc từ hoá và khử từ trở nên khó khăn.
Chu trình từ trễ rộng gần như vuông góc, cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong tính chất từ của các loại vật liệu Từ trường khử từ đối với vật liệu từ cứng mạnh hơn hàng triệu lần so với vật liệu từ mềm, điều này ảnh hưởng lớn đến ứng dụng và hiệu suất của chúng trong các thiết bị từ tính.
Nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như động cơ, máy phát điện, thiết bị quay, loa âm thanh và dụng cụ đo lường Việc luyện tập với nam châm vĩnh cửu đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng công nghệ hiện đại.
Nam châm vĩnh cửu có chức năng chính là tạo ra từ trường, với hai cực đặc trưng Các cực này là những vùng mà vectơ từ hóa I hướng vuông góc với bề mặt của nam châm.
Nam châm chỉ xuất hiện khi một mẫu vật liệu từ cứng chịu tác động của từ trường Hmag, dẫn đến sự thay đổi không thuận nghịch trong độ cảm từ I và hình thành các cực.
Khi Hmag trở về giá trị không, cường độ từ trường khử từ ban đầu sẽ được tạo ra và ổn định ở giá trị Hd, tương ứng với cảm ứng từ Ba.
5.2.3 Một số vật liệu từ cứng a Hợp kim AlNiCo
Hợp kim được sử dụng trong nam châm vĩnh cửu chủ yếu gồm nhôm (Al), niken và côban (Co), có thể bổ sung thêm các thành phần như đồng (Cu) và titan (Ti) Mặc dù hợp kim này có từ dư cao, nhưng lực kháng từ của nó thường không vượt quá 2 kOe và giá thành tương đối cao.
Hình 5-12 N m châm làm bằng hợp kim AlNiCo b Vật liệu từ cứng ferrite
Gốm ferrite, đặc biệt là ferrite bari (BaFexO) và ferrite stronsti (SrFexO), có thể được cải tiến bằng cách bổ sung các nguyên tố đất hiếm như lanthannium (La) để tăng cường tính từ cứng Ferrite sở hữu hai phân mạng từ bù trừ nhau và chứa hàm lượng ôxi cao, điều này khiến việc tạo ra từ độ lớn trở nên khó khăn, nhưng lại mang lại lực kháng từ vượt trội so với AlNiCo, có thể đạt tới 5 kOe Với ưu điểm là chi phí thấp, dễ chế tạo và độ bền cao, ferrite chiếm hơn 50% thị phần nam châm toàn cầu, mặc dù chất lượng không phải là cao.
Hợp chất Nd2Fe14B và họ SmCo (Samarium-Cobalt) là hai trong những vật liệu từ cứng tốt nhất hiện nay, với Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác và lực kháng từ lên tới trên 10 kOe, tạo ra năng lượng từ lớn SmCo nổi bật với lực kháng từ cao nhất, có thể đạt 40 kOe và nhiệt độ Curie cao, thích hợp cho các máy móc hoạt động ở nhiệt độ cao Tuy nhiên, nam châm đất hiếm có nhược điểm như độ bền kém do dễ bị ôxi hóa và chi phí cao Vật liệu NdFeB có nhiệt độ Curie không cao (312oC), hạn chế khả năng sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt, nhưng vẫn nổi bật với tích năng lượng từ kỷ lục 57 MGOe.
Nghiên cứu về hệ hợp kim bắt đầu từ những năm 1950, với cấu trúc tinh thể tứ giác tâm diện (fct) và trật tự hóa học L10 Hợp kim này nổi bật với lực kháng từ lớn, khả năng chống mài mòn và ôxi hóa cao Hiện nay, nó được sử dụng rộng rãi làm vật liệu ghi từ trong ổ cứng.
Vật liệu từ mới, phát triển từ những năm 90 của thế kỷ 20, kết hợp giữa vật liệu từ mềm với độ bão hòa cao và vật liệu từ cứng với lực kháng từ lớn, cùng với các hạt nanomet liên kết trao đổi, tạo ra tính chất tổ hợp vượt trội Mặc dù có tiềm năng lớn hơn tất cả các vật liệu từ cứng hiện có, nhưng các tính chất thực tế vẫn chưa đạt được như lý thuyết do chưa tạo ra được cấu trúc hoàn hảo Hiện tại, loại vật liệu này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển.
VẬT LIỆU TỪ MỀM
Vật liệu từ mềm, hay còn gọi là vật liệu sắt từ mềm, là loại vật liệu có khả năng dễ dàng từ hóa và khử từ Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng hoạt động trong trường ngoài, như lõi biến thế, lõi nam châm điện và các lõi dẫn từ.
Vật liệu từ mềm có trường khử từ Hc nhỏ và chu trình từ trễ hẹp, cho thấy chúng dễ bị khử từ Mặc dù từ trường dư của loại sắt này rất mạnh, nhưng tổn hao từ trong một chu kỳ lại thấp do diện tích đường cong từ trễ nhỏ hơn so với vật liệu từ cứng.
Hình 5-14 Đường cong từ trễ của vật liệu từ cứng, vật liệu từ mềm 5.3.2 Các thông số đặc trưng củ vật liệu từ mềm a Lực kháng từ
Lực kháng từ (Hc) là thông số quan trọng đầu tiên để xác định tính chất từ mềm của vật liệu, thể hiện bằng từ trường ngoài cần thiết để triệt tiêu từ độ của mẫu Đối với vật liệu từ mềm, lực kháng từ thường nhỏ hơn 100 Oe, với những vật liệu có tính từ mềm tốt có thể đạt lực kháng từ rất nhỏ, chỉ khoảng 0,01 Oe Bên cạnh đó, độ từ thẩm ban đầu cũng là một chỉ số quan trọng phản ánh tính từ mềm của vật liệu.
H vật liệu từ mềm Độ từ thẩm ban đầu đƣợc định nghĩa bởi công thức:
Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm ban đầu dao động từ vài trăm đến vài ngàn, trong khi những vật liệu có tính từ mềm tốt có thể đạt tới vài chục ngàn, thậm chí hàng trăm ngàn.
Độ từ thẩm (permeability) là đại lượng đặc trưng cho khả năng phản ứng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài Mối quan hệ giữa cảm ứng từ B, từ trường ngoài H và độ từ hóa M được thể hiện qua công thức liên quan.
(5.5) với à0 = 4π.10 -7 T.m/A là hằng số từ, hay độ từ thẩm của chõn khụng
H và M quan hệ theo biểu thức:
(5.6) χ là độ cảm từ Nhƣ vậy, B có quan hệ với H theo công thức:
(5.7) và giỏ trị à = (1 + χ) đƣợc gọi là độ từ thẩm của vật liệu c Độ từ thẩm cực đại
Vật liệu sắt từ có độ từ thẩm lớn và độ từ thẩm này phụ thuộc vào từ trường ngoài, với độ từ thẩm cực đại là một thông số quan trọng Một số vật liệu sắt từ mềm, như permalloy và hợp kim nano tinh thể Finemet, có độ từ thẩm cực đại rất cao, lên tới hàng trăm ngàn Ngoài ra, cảm ứng từ bão hòa (B bh) và từ độ bão hòa (M bh) cũng là những yếu tố cần được chú ý trong nghiên cứu vật liệu sắt từ.
Vật liệu từ mềm thường sở hữu từ độ bão hòa rất cao, với hợp kim Fe65Co35 là loại có từ độ bão hòa cao nhất, đạt tới 2,34 T.
Một vật liệu từ mềm lý tưởng là loại có H c =0, B b h rất lớn, độ từ thẩm ri và rmax rất lớn cùng với tổn hao bé
Hình 5-15 Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm và một số thông số trên đường trễ 5.3.3 Một số vật liệu từ mềm
Sắt tinh khiết là một loại vật liệu sắt từ mềm, nhưng ít được ứng dụng trong các máy điện, ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt như trong rơ le Nguyên nhân chính là do khả năng dẫn điện cao của sắt tinh khiết, gây ra dòng điện xoáy cảm ứng lớn khi có từ trường biến thiên, dẫn đến tổn hao năng lượng.
Thêm một lƣợng nhỏ silic vào sắt làm tăng điện trở suất do đó giảm đƣợc tổn hao do dòng điện xoáy
Loại vật liệu từ này đƣợc sử dụng cho máy biến thế lực và máy điện a Tôn Silic
Hợp kim Sendust, với thành phần chính là sắt (khoảng 85%) và silic (Si), hoặc có thể chứa thêm khoảng 5,4% nhôm (Al), là một trong những vật liệu sắt từ mềm phổ biến nhất Vật liệu này nổi bật với độ cứng cao, độ từ thẩm cao và tổn hao từ thấp Tuy nhiên, do có điện trở suất thấp, hợp kim này không thích hợp cho việc sử dụng ở tần số cao vì sẽ gây ra tổn hao xoáy lớn.
Hình 5-16 Hình ảnh các cuộn tôn silic
Hình 5-17 Lõi từ củ máy biến áp Amorphous làm bằng vật liệu tôn silic b Hợp kim Permalloy
Hợp kim niken (Ni) và sắt (Fe) được biết đến với lực kháng từ rất nhỏ và độ từ thẩm cao, như vật liệu Ni 75 Fe 25 có độ từ thẩm ban đầu lên tới 10.000 Hợp kim này không chỉ có độ bền cơ học tốt mà còn có khả năng chống ăn mòn cao Tuy nhiên, permalloy lại có từ độ bão hòa không cao Trong khi đó, hợp kim FeCo là các hợp kim từ mềm với từ độ bão hòa cao, thích hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp.
Curie cao d Các vật liệu gốm ferrite
Ferrite là hợp chất của oxide sắt (Fe2O3) kết hợp với một oxide kim loại hóa trị 2 khác, có công thức chung là MO Với bản chất gốm, ferrite sở hữu điện trở suất rất cao, giúp giảm thiểu tổn hao dòng xoáy, vì vậy nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực cao tần và siêu cao tần Ngoài ra, ferrite cũng có thể tồn tại dưới dạng hợp kim vô định hình và nanô tinh thể.
Hợp kim vô định hình nền sắt hoặc cô ban (Co) có điện trở suất cao hơn các hợp kim tinh thể, đồng thời sở hữu khả năng chống ăn mòn và độ bền cơ học cao Vật liệu này có thể hoạt động hiệu quả ở tần số cao hơn so với các kim loại tinh thể Do không có cấu trúc tinh thể, vật liệu vô định hình triệt tiêu dị hướng từ tinh thể, mang lại tính từ mềm tốt Hơn nữa, vật liệu vô định hình nền Co có từ giảo bằng 0, dẫn đến lực kháng từ rất nhỏ Khi kết tinh từ trạng thái vô định hình, chúng ta thu được vật liệu nano tinh thể, với các hạt nano kết tinh trên nền vô định hình dư, giúp triệt tiêu từ giảo từ sự kết hợp của hai pha này, tạo ra tính từ mềm cực tốt và khả năng sử dụng ở tần số cao.
Hình 5-18 Thép hợp kim vô định hình dùng cho máy biến thế phân phối hiệu suất năng lượng c o Bảng 5-4 Một số thông số của vật liệu từ mềm
(T) B sat (T) B r (T) ri rmax W h Ứng dụng
Hợp kim nikel-sắt với tỷ lệ 77% Ni và 23% Fe là một vật liệu từ mềm quan trọng, sở hữu độ từ thẩm lớn, tổn hao từ thấp và Hc rất nhỏ.
Vật liệu này có độ từ thẩm khởi đầu lớn, rất phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường từ trường yếu và hoạt động ở tần số cao, đặc biệt trong các thiết bị điện tử.
Bảng 5-5 Thành phần cấu tạo và thông số của một số vật liệu từ mềm
Vật liệu Thành phần B r T H c kA/m
Al Ni Cu Co Fe
Bảng 5-6 Bảng thông số của vật liệu từ mềm
5.3.4 Ứng dụng củ vật liệu từ mềm
Vật liệu từ mềm đƣợc sử dụng cho những nơi mà chu trình lặp lại của từ
Nhóm Độ từ thẩm H c A/m B r T B s T Tổn hao
Cuộn cảm trung tần, antenne
Máy biến áp dải rộng, xung
Máy biến áp có vai trò quan trọng trong việc hóa và khử từ, đặc biệt là trong các thiết bị điện như máy điện và máy biến áp Các lõi từ trong những thiết bị này được thiết kế với lực kháng từ thấp và độ từ thẩm cao, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Thông số kỹ thuật như IV 1000-3000, 10-30, 0.1-0.25, 0.35-0.52, 50-120, và 0.2-1 là những yếu tố cần lưu ý để đảm bảo hiệu quả và độ bền của máy biến áp.
Hình 5-19 Ứng dụng của vật liệu từ mềm CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 5
Câu 1: Vật liệu sắt từ là gì? Các đặc trƣng cơ bản của vật liệu sắt từ Câu 2: Giải thích và vẽ biểu đồ B-H của vật liệu sắt từ
Câu 3: Trình bày đặc điểm, ứng dụng của vật liệu từ mềm trong kỹ thuật điện
Câu 4: Trình bày đặc điểm, ứng dụng của vật liệu từ cứng trong kỹ thuật điện
Câu 1: Vật liệu nghịch từ là những vật liệu có độ từ thẩm:
A 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
B 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
C < 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
D < 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Câu 2: Đặc điểm của vật liệu sắt từ cứng là :
A Có độ dẫn từ thấp
B Độ đẫn từ lớn, tổn hao bé
Câu 3: Vật liệu dẫn từ đƣợc dùng để chế tạo :
A Bộ dây quấn máy điện
B Mạch từ của các thiết bị, đồ dùng điện
C Mạch từ của cá c cuộn dây trong các thiết bị điện tử, máy khuếch đại từ
Câu 4: Để truyền tải được năng lượng từ trường ta phải dùng vật liệu: