Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 46 Chơng VI: Vật liệu dẫn điện I. Tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện 1. Khái niệm Vật liệu dẫn điện (VLDĐ) có thể là vật liệu rắn, lỏng và trong những điều kiện nhất định có thể là thể khí. Thể rắn: Đồng, nhôm, sắt Thể lỏng: Các kim loại nóng chảy, các dây dẫn điện phân và thuỷ phân Thể khí: là tất cả các khí và hơi kể cả hơi kim loại khi cờng độ điện trờng vợt quá trị số giới hạn sẽ gây ra ion hoá va chạm và chất khí trở thành vật dẫn. 2. Các tính chất cơ bản a) Điện dẫn suất và điện trở suất Điện trở: Là quan hệ giữa điện thế không đổi đặt lên vật và dòng điện chạy qua trong vật dẫn đó: s l R = : Điện trở suất của vật liệu (m) l: Là chiều dài dây dẫn s: Tiết diện dây dẫn Điện dẫn: Là đại lợng nghịch đảo của điện trở = 11 R G Điện trở suất : Là điện trở của dây dẫn chiều dài là 1 đơn vị và tiết diện là 1 đơn vị. Điện dẫn suất: Là đại lợng nghịch đảo với điện trở suất của dây dẫn: 1 = Điện trở suất và điện dẫn suất thay đổi rất lớn theo nhiệt đô. b) Hệ số nhiệt độ của điện trở suất ( p ) Điện trở suất có quan hệ với nhiệt độ theo công thức: p t = p 0 (1+ p t) Trong đó: p t : Điện trở suất ở nhiệt độ t Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 47 mV P 0 : Điện trở suất ở nhiệt độ ban đầu t 0 p : Hệ số nhiệt độ của điện trở suất. Hệ số nhiệt độ của điện trở suất ( ) tp pp 0 01 p = Các kim loại nguyên chất ở thể rắn cho trị số nhiệt độ gần bằng nhau và đợc xác định = 1/273 0,004 Tuy nhiên khi chuyển trạng thái rắn sang lỏng đa số các kim loại có điện trở suất tăng. c) Nhiệt dẫn suất Nhiệt dẫn suất là khả năng truyền nhiệt của vật dẫn, nó có quan hệ với điện dẫn suất. Đa số các kim loại có nhiệt dẫn suất lớn, nếu gọi nhiệt dẫn suất lớn là t = at. : Điện dẫn suất của vật dẫn a: Hệ số phụ thuộc vào loại vật dẫn t: Nhiệt độ tuyệt đối d) Sức nhiệt điện động Khi có hai thanh kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau, giữa chúng sẽ xuất hiện một hiều điện thế gọi là hiệu điện thế tiếp xúc. Nguyên nhân gây ra hiệu điện thế tiếp xúc là do công thoát điện từ của các kim loại khác nhau. Điện tử của thanh kim loại có công thoát bé sẽ khuyếch tán qua chỗ tiếp xúc sang thanh kim loại có công thoát lớn và tạo ra hiệu điện thế giữa hai thanh. Nhiệt độ càng cao thì điện tử khuyếch tán sang nhau càng nhiều và nhiều điện thế tiếp xúc càng lớn. Đo hiệu điện thế tiếp xúc có thể xác định đợc nhiệt độ chỗ tiếp xúc. Nh vậy chỗ tiếp xúc giữa hai thanh kim loại khác nhau là một nguồn điện. Sức điện động của nguồn này phụ thuộc vào nhiệt độ nên gọi là sức nhiệt điện động. Hiện tợng nêu trên đợc ứng dụng làm nhiệt ngẫu do nhiệt độ và làm các cặp pin nhiệt điện. e) Tính chất cơ giới Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 48 Tính chất cơ giới là tính chất quan trọng của vật dẫn, đợc đặc trng bởi giới hạn bền kéo k và độ dn dài tơng đối khi đúc l . II. Vật liệu có điện dẫn cao Vật liệu có điện dẫn cao nh Cu, Al, Fe trong đó đồng, nhôm đợc sử dụng rộng ri. 1. Đồng Đồng là vật liệu quan trọng trong tất cả cácloại vật liệu dùng trong kỹ thuật điện. Có điện trở suất nhỏ = 0,0172 (mm 2 /m) và = 58 (m/mm 2 ) Độ bền cơ giới tơng đối cao. ở nhiệt độ bình thờng chịu đợc tác dụng của môi trờng. Dễ gia cong, hàn gắn dễ dàng. a) Đồng nguyên chất: Loại này tỷ lệ tạp chất rất ít (0,05%) trong đó có thêm một số nguyên tố mà tỷ lệ không đáng kể nh kẽm, magiê, thiếc, nhôm. Loại đồng này thờng có màu đỏ, mềm và đợc dùng làm thanh dẫn, ruột cáp và các tiếp điểm dẫn điện. b) Đồng không có Oxy: Loại này lợng tạp chất chiếm 0,06% và lợng Oxy nhỏ là 0,02%, có cờng độ cơ giới tốt khi gia công theo phơng pháp kéo nguội sẽ làm cho đồng cứng lại, loại này có độ dn dài bé và có sự đàn hồi khi uôn. Nó đợc áp dụng làm vành trợt cổ góp trong Máy phát điện, làm lò so dẫn điện trong các đồng hồ đo. Khi gia công bằng phơng pháp nóng thì đợc một loại đồng mềm có sức bền cơ giới kém nhng có điện dẫn cao và dùng làm dây dẫn đờng điện trên không và hệ thống thanh góp trên trạm biến áp. c) Các hợp kim của đồng. Đồng thanh: Khi pha chế đồng với thiếc, Silic, phốt pho thì sẽ cho các sản phẩm gọi là đồng thanh, có độ bền kéo tăng, điện trở suất lớn và đặc tính cơ lớn hơn vói đồng nguyên chất. Đồng pha với kẽm đợc sản phẩm là đồng thau có độ dn dài cao và độ bền kéo cao hơn so với đồng nguyên chất, loại này dùng làm các chi tiết dẫn điện lò xo. Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 49 2. Nhôm Là vật dẫn quan trọng thứ hai sau đồng, đó là kim loại màu bạc trắng thuộc kim loại nhẹ hơn đồng 3,5 lần và có hệ số dn nở dài, nhiệt dung riêng và nhiệt độ nóng chảy cao hơn đồng. Trong kỹ thuật điện thờng dùng loại dây nhôm có tạp chất chiếm 0,05% dùng làm vật dẫn dới dạng lá nhôm, thanh nhôm và dây dẫn nhiều sợi. Độ bền cơ của nhôm nhỏ hơn đồng. Ví dụ: Cùng tiết diện, cùng chiều dài thì điện trở của dây nhôm > 1,63 lần dây đồng. Vậy để điện trở dây khôm bằng dây đồng thì đờng kính của dây nhôm phải lớn hơn 1,3 lần dây đồng. * Ưu điểm: Giá thành rẻ, khi nhôm bị oxy hoá thì lớp vỏ ngoài có tác dụng bảo vệ không cho ăn mòn tiếp. * Nhợc điểm: Khả năng chống kéo kém. Chú ý: Hiện tợng ăn mòn điện hoá giữa chỗ tiếp xúc đồng và nhôm, nếu trong vùng tiếp xúc có độ ẩm lớn thì sẽ phát sinh ra cặp pin cục bộ có trị số sức điện động khá cao và có dòng điện đi từ nhôm sang đồng. Kết quả làm cho dây nhôm bị phân huỷ vì bị ăn mòn nhanh. Vì vậy chỗ nối dây đồng với dây nhôm ngời ta luôn luôn chú ý bảo vệ chống ẩm tốt. Ngoài việc ding dây nhôm nguyên chất làm vật dẫn, ngời ta còn ding hợp kim nhôm có thêm một số nguyên tố Mg, Si, Fe không qúa 1% với mục đích tăng độ bền cơ giới. Đờng dây tải điện trên không ding phổ biến nhiều loại dây nhôm có lõi thép dể tăng độ bền cơ giới. 3. Sắt Là kim loại rẻ tiền, dễ gia công và có độ bền cao, sắt nguyên chất có điện trở suất lớn hơn nhiều so với đồng và nhôm = 0,1 mm 2 . Nếu sắt có chứa tạp chất gọi là thép thì điện trở suất tăng. Dòng điện xoay chiều trong sắt sẽ gây nên hiệu ứng bề mặt bà tổn hao từ trễ. Sắt ding làm vật dẫn có tỷ lệ Cácbon 0,1ữ0,13% là loại sắt mềm, sắt thờng có khả năng chống ăn mòn yếu ngay ở nhiệt độ bình thờng và đặc biệt là khi độ ẩm cao thì bị gỉ nhanh, vì vậy trên bêt mặt của sắt cân đợc bảo vệ một lớp kim loại bền hơn nó, ví dụ nh mạ kẽm. III. Vật liệu dẫn điện có điện trở cao Vật liệu có điện trở cao dới dạng hợp kim đợc dùng trong các dụng cụ đo, làm điện trở mẫu, biến trở và các dụng cụ đốt nóng bằng điện. Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 50 1. Manganin Là hợp kim ding phổ biến trong các dụng cụ đo điện và làm điện trở mẫu. Manganin là hợp kim có đồng là 86%; Mangan (Mn) 12%; Niken (Ni) 2%. Điện trở suất = 0,42 ữ 0,52 mm 2 /m. Nhiệt độ làm việc cho phép t 0 LVCP = 200 0 C Công dụng: Làm điện trở Sun, điện trở phụ trong đồng hồ đo, làm sợi nung trong thiết bị nung. 2. Constantan Là hợp kim của đồng (Cu) và Niken (Ni). Đồng chiếm 60%; Niken Chiếm 40%. Điện trở suất = 0,48 ữ 0,52 mm 2 /m. Nhiệt độ làm việc cho phép t 0 LVCP = 500 0 C. Dùng làm các dây biến trở, dụng cụ đốt nóng bằng điện và ding làm nhiệt ngẫu để đo nhiệt độ. 3. Hợp kim Crôm - Niken Là hợp kim của Niken (Ni), Crôm (Cr), Mangan (Mn) trong đó Ni = 60%, Cr = 15%, Mn = 1.5% còn lại là các chất khác. Điện trở suất = 1 ữ 1,2 mm 2 /m. Nhiệt độ làm việc cho phép t 0 LVCP = 1000 0 C Công dụng: Dùng làm là điện, bếp điện, mỏ hàn, bàn là 4. Hợp kim Crôm - Nhôm Là hợp kim rẻ tiền dùng trong thiết bị đốt nóng bằng điện công suất lớn. Hợp kim này cứng và dòn nên khó kéo thành sợi và thành băng vải. . trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 46 Chơng VI: Vật liệu dẫn điện I. Tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện 1. Khái niệm Vật liệu dẫn điện (VLDĐ) có thể là vật. III. Vật liệu dẫn điện có điện trở cao Vật liệu có điện trở cao dới dạng hợp kim đợc dùng trong các dụng cụ đo, làm điện trở mẫu, biến trở và các dụng cụ đốt nóng bằng điện. Giáo trình Vật liệu. l . II. Vật liệu có điện dẫn cao Vật liệu có điện dẫn cao nh Cu, Al, Fe trong đó đồng, nhôm đợc sử dụng rộng ri. 1. Đồng Đồng là vật liệu quan trọng trong tất cả cácloại vật liệu dùng