Bài giảng môn Vật liệu điện

BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN MỤC LỤC CHƯƠNG : KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN 1.1 KHÁI NIỆM : 1.2.CẤU TẠO NGUYÊN TỬ CỦA VẬT LIỆU : 1.3.CẤU TẠO PHÂN TỬ CỦA VẬT LIỆU 1.4 NHỮNG KHUYẾT TẬT TRONG CẤU TẠO VẬT RẮN : 1.5 LÝ THUYẾT PHÂN VÙNG NĂNG LƯỢNG VẬT CHẤT : PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN : 2.1 Phân loại theo khả dẫn điện : 2.2.Phân loại theo từ tính 2.3 Phân loại theo trạng thái vật thể CHƯƠNG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 2.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN : 2.1.1 Khái niệm : 2.1.2 Phân loại vật liệu cách điện : 2.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 2.2.1 Tính hút ẩm vật liệu cách điện 2.2.2 Tính chất học vật liệu cách điện 11 2.2.3 Tính hóa học vật liệu cách điện 11 2.3 HIỆN TƯỢNG ĐÁNH THỦNG ĐIỆN MÔI VÀ ĐỘ BỀN CÁCH ĐIỆN 11 2.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỒNG DỤNG 14 2.4.1 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ 14 2.4.2 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Ở THỂ LỎNG 16 2.4.3 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Ở THỂ RẮN 19 Chương :VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.1 KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 29 2.1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện 29 2.1.2 Tính chất vật liệu dẫn điện 29 2.1.3 Các tác nhân mơi trường ảnh hưởng đến tính dẫn điện vật liệu 30 2.1.4 Hiệu điện tiếp xúc sức nhiệt động 31 2.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 32 2.2.1 Tầm quan trọng kim loại kim loại hợp kim 32 2.2.2 Tính chất kim loại kim loại hợp kim 33 2.3 NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 33 2.3.1 Những hư hỏng thường gặp 34 2.3.2 Cách chọn vật liệu dẫn điện 34 2.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN THÔNG DỤNG 34 2.4.1 Đồng hợp kim đồng 34 2.4.2 Nhôm hợp kim nhôm 37 2.4.3 Chì hợp kim chì 39 2.4.4 Sắt hợp kim sắt 40 2.4.5 Kẽm 41 2.4.6 Một số kim loại hợi kim khác 43 2.5 HỢP KIM CÓ ĐIỆN TRỞ CAO 46 2.6 VẬT LIỆU LÀM ĐIỆN TRỞ 47 2.7 VẬT LIỆU DÙNG LÀM TIẾP ĐIỂM VÀ CỔ GÓP 48 2.8 LƯỠNG KIM LOẠI 49 CHƯƠNG : VẬT LIỆU DẪN TỪ I KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU TỪ 51 Khái niệm 51 Các tính chất vật liệu dẫn từ 51 Các đặc tính vật liệu dẫn từ 51 Đường cong từ hóa 52 II MẠCH TỪ VÀ TÍNH TỐN MẠCH TỪ 53 1.Các công thức 53 Sơ đồ thay mạch từ tính từ dẫn khe hỏe khơng khí mạch từ 54 Mạch từ xoay chiều 57 Mạch từ chiều 58 Vật liệu sắt từ 58 6.Các vật liệu sắt từ thông dụng 59 Vật liệu từ có công dụng đặc biệt 60 ĐOÀN MINH KHOA [ 1] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN CHƯƠNG : KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN 1.1 KHÁI NIỆM : Vật liệu điện tất chất liệu dùng để sản suất thiết bị sử dụng lĩnh vực ngành điện Thường phân vật liệu theo đặc điểm, tính chất cơng dụng nó, thường vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn vật liệu dẫn từ 1.2.CẤU TẠO NGUYÊN TỬ CỦA VẬT LIỆU : Nguyên tử phần tử vật chất Mọi vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử theo mơ hình ngun tử Bo Nguyên tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích dương (gồm proton p nơtron n) điện tử mang điện tích âm (electron, ký hiệu e) chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định Nguyên tử : Là phần nhỏ phân tử tham gia phản ứng hố học, ngun tử gồm có hạt nhân lớp vỏ điện tử hình 1.1 - Hạt nhân : gồm có hạt Proton Nơrton Vỏ - Vỏ hạt nhân gồm electron chuyển động nguyên t xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định Tùy theo mức lượng mà điện tử xếp Thành lớp H ạt nhân Ở điều kiện bình thường, nguyên tử trung hịa Hình 1.1 Cấu tạo điện, tức là: nguyên tử (+)hạt nhân = (-)e Khối lượng e nhỏ: me= 9,1 10-31 (Kg) q e = 1,601 10-19 (C) Do điện tử có khối lượng nhỏ độ linh hoạt tốc độ chuyển động cao Ở nhiệt độ định, tốc độ chuyển động electron cao Nếu nguyên nhân nguyên tử bị điện tử e trở thành Ion (+), cịn ngun tử nhận thêm e trở thành Ion (-) Q trình biến đổi ngun tử trung hịa trở thành điện tử tự hay Ion (+) gọi q trình Ion hóa Để có khái niệm lượng điện tử xét trường hợp đơn giản nguyên thử Hydro, nguyên tử cấu tạo từ proton điện tử e (hình 1.2) Khi điện tử chuyển động quỹ đạo có bán kính r bao quanh hạt nhân, hạt nhân điện tử e có lực: e Lực hút (lực hướng tâm): f1 = q2 - (1-1) r mv2 (1-2) f2 = r lực ly tâm: đó: r Hình 1.2 Mơ hình ngun tử H m - khối lượng điện tử, v - vận tốc dài chuyển động tròn Ở trạng thái trung hòa, hai lực bân bằng: f1 = f2 hay mv2 = q2 r (1-3) Năng lượng điện tử bằng: We = T + U (Động T + Thế U) q2 đó: T = mv , U = - ĐOÀN MINH KHOA r [ 2] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN 2 2 Vậy We = T + U = q - q = - q hay We = - q r 2r 2r 2r (1-4) Biểu thức chứng tỏ điện tử nguyên tử tương ứng với mức lượng định để di chuyển tới quỹ đạo xa phải cung cấp lượng cho điện tử, Năng lượng điện tử phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo chuyển động Điện tử ngồi có mức lượng thấp dễ bị bứt trở thành trạng thái tự Năng lượng cung cấp cho điện tử e để trở thành trạng thái tự gọi lượng Ion hóa (Wi) Để tách điện tử trở thành trạng thái tự phải cần lượng Wi  We Khi Wi  We kích thích dao động khoảng thời gian ngắn, nguyên tử sau lại trở trạng thái ban đầu Năng lượng Ion hóa cung cấp cho nguyên tử lượng nhiệt, lượng điện trường va chạm, lượng tia tử ngoại, tia cực tím, phóng xạ Ngược lại với q trình Ion hóa q trình kết hợp: Ngun tử + e  Ion (-) Ion (+) + e  nguyên tử, phân tử trung hòa 1.3.CẤU TẠO PHÂN TỬ CỦA VẬT LIỆU Là phần nhỏ chất trạng thải tự mang đầy đủ đặc điểm, tính chất chất đó, phân tử nguyên tử liên kết với liên kết hóa học.Vật chất cấu tạo từ nguyên, phân tử ion theo dạng liên kết đây: 1.3.1 Liên kết đồng hóa trị Liên kết đặc trưng kiện số điện tử trở thành chung cho nguyên tử tham gia hình thành phân tử Lấy cấu trúc phân tử clo làm ví dụ: phân tử gồm nguyên tử clo biết, nguyên tử clo có 17 điện tử, điện tử lớp ngồi (điện tử hoá trị) Hai nguyên tử clo liên kết bền vững với cách sử dụng chung hai điện tử hình 1.3 Lớp vỏ ngồi nguyên tử bổ sung thêm điện tử nguyên tử         Cl   Cl   Cl Cl           Hình 1.3 Phân tử liên kết đồng hố trị trung tính cực tính Phân tử clo thuộc loại trung tính trung tâm điện tích dương điện tích dương trùng Axit clohydric HCl ví dụ phân tử cực tính Các trung tâm điện tích dương âm cách khoảng phân tử xem lưỡng cực điện.Tùy theo cấu trúc phân tử đối xứng hay không đối xứng mà chia phân tử làm hai loại: - Phân tử không phân cực: phân tử mà trọng tâm điện tích âm trùng với trọng tâm điện tích dương - Phân tử phân cực :là phân tử mà tâm điện tích âm cách trọng tâm điện tích dương khoảng l Để đặc trưng cho phân cực nguời ta dùng mô men lưỡng cực Pe = q.l Trong đó: q: điện tích l: có chiều –q đến +q có độ lớn l( khoảng cách trọng tâm điện tích dương trọng tâm điện tích âm) 1.3.2 Liên kết Ion ĐOÀN MINH KHOA [ 3] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN Liên kết ion xác lập lực hút Ion (+) Ion(-) Liên kết xảy nguyên tử nguyên tố hóa học có tính chất khác Đặc trưng cho dạng liên kết kim loại liên kết kim loại phi kim để tạo thành muối, cụ thể Halogen kim loại kiềm gọi muối Halogen kim loại kiềm Liên kết bền vững Nên nhiệt độ nóng chảy chất có liên kết Ion cao Ví dụ: liên kết Na Cl muối NaCl liên kết ion ( Na co electron lớp ngồi dễ nhường electron tạo thành Na+, Cl có electron lớp ngồi dễ nhận electron tạo thành Cl- , hai ion trái dấu hút tạo thành phân tử NaCl, muối NaCl có tính hút ẩm tnc =8000C, tsơi 1: gọi vật liệu thuận từ >1: gọi vật liệu dẫn từ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN : 2.1 Phân loại theo khả dẫn điện : Điện môi: chất có vùng cấm lớn đến mức điều kiện bình thường dẫn điện điện tử khơng xảy Các điện tử hóa trị cung cấp thêm lượng chuyển động nhiệt chuyển tới vùng tự để tham gia vào dịng điện dẫn Chiều rộng vùng cấm điện mơi W nằm khoảng từ 1,5 đến vài điện tử von ( eV) Bán dẫn: Là chất có vùng cấm hẹp so với điện mơi, vùng thay đổi nhờ tác động lượng từ bên Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (W=0,5-1,5eV), nhiệt độ bình thường số điện tử hóa trị vùng đầy tiếp sức chuyển động nhiệt di chuyển tới vùng tự để tham gia vào dòng điện dẫn Vật dẫn: Là chất có vùng tự nằm sát với vùng đầy chí chồng lên vùng đầy (W < 0,2eV) Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự lớn, nhiệt độ bình thường điện tử hóa trị vùng đầy chuyển sang vùng tự dễ dàng, tác dụng lực điện trường điện từ tham gia vào dịng điện dẫn, vật dẫn có tính dẫn điện tốt 2.2.Phân loại theo từ tính Nguyên nhân chủ yếu vật liệu gây nên từ tính điện tích chuyển động ngầm theo quĩ đạo kín tạo nên dịng điện vịng Cụ thể quay điện tử xung quanh trục chúng – spin điện đử quay theo quĩ đạo điện tử nguyên tử - Các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân tạo nên dịng điện mà đặc trưng mômen từ M Mône từ M tính tích dịng điện với diện tích S giới hạn đường viền bản: M = i.S Chiều véc tơ M xác định theo quy tắc vặn nút chai hình 1.7 theo phương thẳng góc với diện tích S Mơmen từ vật thể kết tổng hợp tất mômen từ nêu Hình 1.Biểu diễn chiều - Ngồi mơmen quĩ đạo nêu trên, điện tử quay xung quanh trục nó, ĐỒN MINH KHOA [ 6] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN tạo nên mơmen gọi mơmen Spin Các spin đóng vai trị quan trọng việc từ hóa vật liệu sắt từ - Khi nhiệt độ nhiệt độ curri, việc hình thành dịng xoay chiều nhìn thấy mắt thường, gọi vùng từ tính, vùng trở nên song song thẳng hàng hướng Như vật liệu sắt từ thể chủ yếu phân cực từ hóa tự phát khơng có từ trường đặt bên ngồi - Qúa trình từ hóa vật liệu sắt từ tác dụng từ trường dẫn đến làm tăng khu vực mà mơmen từ tạo góc nhỏ với hướng từ trường, giảm kích cỡ vùng khác xếp thẳng hàng mômen từ tính theo hướng từ trường bên ngồi Sự bão hịa từ tính đạt tăng lên khu vực dùng từ lại mômen từ tính tất phần tinh thể nhỏ đựợc từ tính hóa tưh sinh trở thành hướng theo hướng từ trường - Khi từ hóa dọc theo cạnh hình khối, mở rộng theo hướng đường chéo, nghĩa co lại theo hướng từ hóa, tượng gọi tường từ gião Hinh 1.8 Hướng từ hóa khó dễ đơn tinh thể Sắt 1- Sắt đặc biệt tinh khiết 2- Sắt tinh khiết (99,98% Fe) 3- Sắt kỹ thuật tinh khiết (99,92%Fe) 4- Pecmanlôi (78%Ni) 5- S- Niken 6- Hợp kim Sắt- Niken (26%Ni) Theo từ tính người ta phân vật liệu thành nghịc từ, thuận từ dẫn từ Nghịch từ : chất có độ từ thẩm  < không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên Hình 1.9.Đường cong từ hóa vật liệu sắt từ ngồi Loại gồm có Hyđro, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, muối mỏ kim loại : đồng, kẽm, bạc, vàng, thủy ngân Thuận từ : chất có độ từ thẩm  >1 khơng phụ thuộc vào cường độ từ trường bên Loại gồm có oxy, nitơ oxit, muối sắt, muối coban niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim Chất dẫn từ : chất có  >1 phụ thuộc vào cường độ từ trường bên Loại gồm có : sắt, niken, coban, hợp kim chúng hợp kim crom mangan 2.3 Phân loại theo trạng thái vật thể - Vật liệu điện theo trạng thái vật rắn - Vật liệu điện theo trạng thái vật lỏng - Vật liệu điện theo trạng thái the CÂU HỎI CHƯƠNG 1 Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử, phân biệt chất trung tính chất cực tính ? Trình bày nguyên nhân gây khyết tật vật rắn ? Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng lượng vật chất Tính lực hút hướng tâm lực hút ly tâm nguyên tử biết m e= 9,1 10-31 (Kg)qe = 1,601 10-19 (C), v = 1,26.10 5m/s Tính lượng nguyên tử biết me= 9,1 10-31 (Kg), qe = 1,601 10 -19 (C), v = 1,24.106 m/s Trình bày cách phân loại vật liệu điện ? ĐỒN MINH KHOA [ 7] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN CHƯƠNG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 2.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN : 2.1.1 KHÁI NIỆM : Vật liệu làm cách điện (cịn gọi chất điện mơi) chất mà điều kiện bình thường điện tích xuất đâu ngun chỗ đó, tức điều kiện bình thường, điện mơi vật liệu không dẫn điện, điện dẫn  chúng không nhỏ không đáng kể Vật liệu cách điện có vai trị quan trọng sử dụng rộng rãi kỹ thuật điện, Việc nghiên cứu vật liệu cách điện để tìm hiểu tính chất, đặc điểm, để từ chọn lựa cho phù hợp 2.1.2 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN : 2.1.2.1 Phân loại theo trạng thái vật lý Theo trạng thái vật lý, có:  Vật liệu cách điện thể khí,  Vật liệu cách điện thể lỏng,  Vật liệu cách điện thể rắn Vật liệu cách điện thể khí thể lỏng luôn phải sử dụng với vật liệu cách điện thể rắn hình thành cách điện phần tử kim loại khơng thể giữ chặt khơng khí Vật liệu cách điện rắn cịn phân thành nhóm: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng Ở thể lỏng thể rắn cịn có thể trung gian gọi thể mềm nhão như: vật liệu có tính bơi trơn, loại sơn tẩm 2.1.2.2 Phân loại theo thành phần hóa học Vật liệu cách điện hữu cơ: chia thành hai nhóm: nhóm có nguồn gốc thiên nhiên nhóm nhân tạo Nhóm có nguồn gốc thiên nhiên sử dụng hợp chất có thiên nhiên, giữ nguyên thành phần hóa học như: cao su, lụa, phíp, xenluloit, Nhóm nhân tạo thường gọi nhựa nhân tạo gồm có: nhựa phênol, nhựa amino, nhựa polyeste, nhựa epoxy, xilicon, polyetylen, vinyl, polyamit, Vật liệu cách điện vô cơ: gồm chất khí, chất lỏng khơng cháy, loại vật liệu rắn gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiăng 2.1.2.3 Phân loại theo tính chịu nhiệt Phân loại theo tính chịu nhiệt phân loại bản, phổ biến vật liệu cách điện dùng kỹ thuật điện Khi lựa chọn vật liệu cách điện, cần biết vật liệu có tính chịu nhiệt theo cấp Người ta phân vật liệu theo tính chịu nhiệt bảng 3.2 Bảng 2.2 Cấp cách điện Nhiệt độ cho phép (0C) Y 90 A 105 E 120 ĐOÀN MINH KHOA Các vật liệu cách điện chủ yếu Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ vật liệu tương tự không tẩm nhựa, loại nhựa polyetylen, PVC, polistinol, anilin, abomit Giấy, vải sợi, lụa dầu, nhựa polyeste, cao su nhân tạo, loại sơn cách điện có dầu làm khơ Nhựa tráng Polyvinylphocman, poliamit, epoxi Giấy ép vải ép có nhựa phendfocmandehit (gọi chung Bakelit giấy) Nhựa [ 8] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN B 130 F H 155 180 C >180 Melaminfocmandehit có chất động xenlulo Vải có tẩm thấm Polyamit Nhựa Polyamit Nhựa Phênol-Phurphurol có độn xenlulo Nhựa Polyeste, amiang, mica, thủy tinh có chất độn Sơn cách điện có dầu làm khô dùng phận tiếp xúc với khơng khí Sơn cách điện alkit, sơn cách điện từ nhựa phênol Nhựa PhênolPhurol có chất độn khống, nhựa epoxi, sợi thủy tinh, nhựa Melaminfocmandehit Sợi amiang, sợi thủy tinh có chất kết dính Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính Mica khơng có chất kết dính, thủy tinh, sứ, Polytetraflotylen, Polymonoclortrifloetylen 2.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Khi lựa chọn, sử dụng vật liệu cách điện cần phải ý đến phẩm chất cách điện mà cịn phải xem xét tính ổn định phẩm chất tác dụng học, hóa lý học, tác dụng môi trường xung quanh, gọi chung điều kiện vận hành tác động đến vật liệu cách điện Dưới tác động điều kiện vận hành, tính chất vật liệu cách điện bị giảm sút liên tục, người ta gọi lão hóa vật liệu cách điện Do vậy, tuổi thọ vật liệu cách điện khác điều kiện khác nhau.Nên cần phải nghiên cứu tính chất lý hố, nhiệt vật liệu cách điện để ngăn cản q trình lão hố, nâng cao tuổi thọ vật liệu cách điện 2.2.1 Tính hút ẩm vật liệu cách điện Các vật liệu cách điện với mức độ khác hút ẩm (hút nước từ mơi trường khơng khí) thấm ẩm (cho nước xuyên qua).Nước loại điện môi cực tính mạnh, số điện mơi tương đối  = 80  81, độ điện dẫn  =10 -5  10-6 (1/cm) nên vật liệu cách điện bị ngấm ẩm phẩm chất cách điện bị giảm sút trầm trọng Hơi ẩm khơng khí cịn ngưng tụ bề mặt điện mơi, ngun nhân khiến cho điện áp phóng điện bề mặt có trị số thấp so với điện áp đánh thủng Độ ẩm khơng khí Trong khơng khí ln chứa ẩm, lượng ẩm khơng khí xác định tham số gọi độ ẩm khơng khí Độ ẩm gồm có độ ẩm tuyệt đối độ ẩm tương đối a Độ ẩm tuyệt đối: Độ ẩm tuyệt đối khối lượng nước đơn vị thể tích khơng khí (g/m3) Ở m Max (g/cm3 ) nhiệt độ xác định, độ ẩm tuyệt đối 90 vượt qua mmax (mmax gọi độ ẩm bão hoà) 80 Nếu khối lượng nước nhiều giá trị m max 70 nước rơi xuống dạng sương 60 50 40 30 20 10 -20 -10 10 20 30 40 50 Hình 3.6 Quan hệ độ ẩm bào hoà mmax theo nhiệt độ b Độ ẩm tương đối, % Độ ẩm tương đối tỷ số: t (0C) % = m 100% (3-12) mmax ĐOÀN MINH KHOA [ 9] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN Ở trạng thái bão hòa nước khơng khí có  % = 100% Thường ẩm kế cho số liệu độ ẩm tương đối  % nên cần xác định độ ẩm tuyệt đối phải tính theo cơng thức: m= % mmax 100 (3-13) m max hàm nhiệt độ mơi trường khơng khí (t) nên m = f( %, t) Như vậy, từ số liệu độ ẩm tương đối nhiệt độ không khí xấc định độ ẩm tuyệt đối m (bằng cách tính tốn, tra bảng số, đồ thị ) Theo quy ước quốc tế, điều kiện khí hậu chuẩn khơng khí qui định: Áp suất p = 760 mmHg Nhiệt độ t = 200C Độ ẩm tuyệt đối m = 11g/m (độ ẩm tương đối  % khoảng 60  70%) Khí hậu Việt Nam khác xa với khí hậu chuẩn Khí hậu Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới Ở miền Bắc, nhiệt độ trung bình hàng năm 22,7 0C, nhiệt độ cực đại đạt tới 42,80C Độ ẩm thường xuyên cao đặc điểm bật khí hậu nước ta Độ ẩm tuyệt đối trung bình hàng năm đồng Bắc m = 24  26 g/m3, tháng hè lên tới 30  33g/m3 tháng mùa đông tới mức 13  17g/m3 Độ ẩm vật liệu  Độ ẩm vật liệu  lượng nước đơn vị trọng lượng vật liệu Khi đặt mẫu vật liệu cách điện mơi trường khơng khí có độ ẩm % nhiệt độ t ( C) sau thời gian định, độ ẩm vật liệu  đạt tới giới hạn gọi độ ẩm cân (cb) Nếu mẫu vật liệu vốn khô đặt mơi trường khơng khí ẩm (vật liệu có độ ẩm ban đầu  < cb) vật liệu bị ẩm, nghĩa hút ẩm khơng khí khiến cho độ ẩm tăng dần tới trị số cân cb đường hình 3.7 (vật liệu bị ngấm ẩm)  Ngược lại, mẫu vật liệu bị ẩm trầm trọng (có độ ẩm ban đầu  > (vật liệu sấy khơ) cb cb) độ ẩm mẫu giảm tới trị số (vật liệu ngấm ẩm) cb đường hình 3.7 (vật liệu sấy khơ) t (h) Hình 3.7 Đối với vật liệu xốp, loại vật liệu có khả hút ẩm mạnh, người ta đưa độ ẩm quy ước Đó trị số cb vật liệu đặt khơng khí điều kiện khí hậu chuẩn Tính thấm ẩm Tính thấm ẩm khả cho ẩm xuyên thấu qua vật liệu cách điện Khi vật liệu bị thấm ẩm tính cách điện giảm:  (), , tg Eđt Nếu vật liệu không thấm nước hấp thụ bề mặt lượng nước nước Căn vào góc biên dính nước  giọt nước bề mặt phẳng vật liệu (hình 3.6), người ta chia vật liệu cách điện hấp phụ tốt hấp phụ yếu  < 90 0: vật liệu hấp phụ tốt (hình 3.8a)  > 90 0: vật liệu hấp phụ yếu (hình 3.8b)   ĐỒN MINH KHOA b) a) Hình 3.8 [ 10] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN -Trọng lượng riêng 20 0C -Điện trở suất nhiệt độ 200C -Điện dẫn suất 200C - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ 200C - Nhiệt dẫn suất - Nhiệt độ nóng chảy bình thường - Nhiệt lượng riêng trung bình 25 0C - Điểm sơi 760mm cột thủy ngân - Hệ số giãn nở dài trung bình 20-100 0C - Modun đàn hồi, E - Sức bền đứt kéo Kg/dm3 cm.10-6 -1cm-1.106 1/0C W/cm.grd C Kcal/kg.grd C 1/độ ( grd) kG/mm2 kG/mm2 - Thế điện hóa so với H V 13,546 95,8 0,010438 0,90.10-3 0,103 -38,87 0,0332 356,95 18,2.10-5 8200 16 ủ nhiệt mềm 29 kéo 0,86 2.5 HỢP KIM CÓ ĐIỆN TRỞ CAO Hợp kim có điện trở cao dùng kỹ thuật điện để chế tạo dụng cụ đo lường, điện trở mẫu, biến trở, dụng cụ nung nóng Đối với tất thiết bị yêu cầu dây dẫn có điện trở suất cao hệ số biến đổi điện trở suất nhiệt độ nhỏ so với phần tử hợp thành Hiện thường dùng hợp kim có gốc đồng: Manganin, Constantanvà Nikennin, Niken-Crôm, Niken-Nhôm 2.5.1 Hợp kim Manganin (86%Cu, 2%Ni, 12%Mn) Hợp kim Manganin hợp kim chủ yếu dùng thiết bị nung điện trở mẫu (điện trở xác) Sở dĩ dùng làm điện trở mẫu khơng làm sai lệch kết đo lường dòng điện khác nhiệt độ môi trường xung quanh khác 2.5.2 Hợp kim Constantan (60%Cu, 40%Ni) Constantan dễ hàn dính chặt, hệ số biến đổi điện trở suất  theo nhiệt độ nhỏ (Constantan với nghĩa số),  có trị số âm Constantan dùng làm biến trở phần tử nung nóng, Constantan khơng dùng nhiệt độ 4500C lúc bị oxyt hóa Constantan ghép với đồng hay sắt có sức nhiệt điện động lớn Đó nhược điểm dùng điện trở Constantan sơ đồ đo Do có chênh lệch nhiệt độ chỗ tiếp xúc nên có sức nhiệt điện động xuất hiện, nguồn sai số Đặc biệt cầu đo không sơ đồ phân điện áp Constantan dùng nhiều làm cặp nhiệt ngẫu để đo nhiệt độ đến 700 0C 2.5.3 Hợp kim Nikenin [(2535)%Ni, (23)%Mn, 67%Cu] Hợp kim Nikenin rẻ tiền Constantan, dễ gia cơng, có điện trở suất nhỏ hệ số biến đổi điện trở suất nhiệt độ lớn Constantan Người ta thường dùng hợp kim Nikenin làm biến trở khởi động điều chỉnh 2.5.4 Hợp kim Crôm-Niken (Nicrom) Hợp kim Nicrom [1,5% Mn, (5578)%Ni, (1523)%Cr, cịn lại Fe] có sức bền tốt nhiệt độ cao, điện trở suất hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ Hợp kim dùng để làm phần tử nung điện bếp điện, mỏ hàn, với nhiệt độ đến 10000C 2.5.5 Hợp kim Crôm - Nhôm ĐOÀN MINH KHOA [ 46] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN Hợp kim Crôm - Nhôm hợp kim rẻ dùng để chế tạo thiết bị nung lớn lị điện lớn dùng cơng nghiệp Bảng 2.6 Tổng hợp thành phần ,tính chất số hợp kim có điện trở cao Thành phần % có hợp kim Tên hợp kim Manganin Constantan Nikenin Crôm-Niken Cu Mn Ni 86 60 67 12 23 40 2535 1,5 5578 Crôm-Nhôm Cr Al Fe  (mm2/m) 0,420,8 0,430,52 0,4 1523 30 lại lại Tính chất Sức nhiệt điện động  với đồng (10-6/0C) (mV/grad) 10-15 1-2 -5 0,5 20 Giới hạn nhiệt độ làm việc (0C) 100-200 400-500 250 1,01,2 0,00013 1100 1,21,5 0,00014 1200 2.6 VẬT LIỆU LÀM ĐIỆN TRỞ 2.6.1 Khái niệm phân loại 2.6.1.1 Khái niệm Vật liệu dùng để chế tạo điện trở phải có: + Điện trở suất lớn + Có hệ số biết đổi theo điện trở suất phải nhỏ để đảm bảo ổn định biến đổi nhiệt độ( R lớn dẫn tới P lớn dẫn tới T0 lớn làm cho  thay đổi  thay đổi) 2.6.1.2 Phân loại - Vật liệu dùng làm điện trở xác sử dụng dụng cụ đo lường điện điện trở chuẩn Loại có yêu cầu đặc tính khơng thay đổi theo thời gian để khơng tạo sai số phép đo - Vật liệu dùng làm biến trở khởi động, loại có yêu cầu: Phải có sức bền q trình nung nóng sức bền ăn mòn - Vật liệu sử dụng khí cụ điện sưởi nóng đun nóng, yêu cầu phải có sức bền thời gian kéo dài nhiệt độ cao Lưu ý: Những kim loại tính khiết dùng làm biến trở vì: Điện trở suất nhỏ hợp kim chúng,  hợp kim tinh khiết >>  hợp kim, bị ăn mòn nhiệt độ cao 2.6.2 Hợp kim dùng làm điện trở 2.6.2.1 Hợp kim dùng làm điện trở xác dùng làm biến trở - Hợp kim loại Mangan, thành phần: 86% Cu, 2% Ni, 12% Mn Đặc điểm: có sức nhiệt điện động nhỏ ứng dụng: Chế tạo điện trở xác khơng làm sai lệch kết đo lường nhiệt độ khác dòng điện khác - Hợp kim loại Constantan, thành phần: 60% Cu, 40% Ni, Đặc điểm: Hệ số biến đổi theo điện trở suất nhỏ ứng dụng: Dùng làm biến trở phần tử nung nóng 2.6.2.2 Hợp kim dùng làm biến trở sưởi nóng nung nóng - Hợp kim sở Niken Crôm Thành phần hợp kim tạo thành theo cách hòa tan rắn Niken Crơm Đặc điểm: có sức bền tốt nhiệt độ cao, điện trở suất lớn hệ số biến đổi theo điện trở suất nhỏ - Ngồi cịn có loại hợp kim + Hợp kim sở Ni , Fe, Crôm + Hợp kim sở Fe, Crơm, Al ĐỒN MINH KHOA [ 47] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN + Dây làm điện trở sở Cacbua Silic , Fe, Crôm 2.7 VẬT LIỆU DÙNG LÀM TIẾP ĐIỂM VÀ CỔ GÓP 2.7.1 Yêu cầu vật liệu làm tiếp điểm - Có sức bền cỏ khí độ rắn tốt ( tuổi thọ cao) - Có điện dẫn suất dẫn nhiệt tốt để khơng nóng q nhiệt độ cho phép tiếp điểm có dịng điện định mức qua - Có sức bền ăn mịn tác nhân bên ngồi ( Nước, khơng khí ẩm … ) - Có nhiệt độ nóng chảy hóa cao, ơxi phải có điện dẫn suất lớn ( tức để chịu dịng ngắn mạch cao, Rtx nhỏ) - Gia cong dễ dàngm giá thành hạ Bên cạnh điểm nêu trên, phải thỏa mãn điều kiện tùy thuộc dạng tiếp điểm ( có dạng tiếp điểm cố định, di động trượt) + Với tiếp điểm cô định: Phải có sức bền nén đẻ chịu áp suất lớn, ( lực ấn lớn), phải có điện trở ổn định thời gian làm việc lâu dài (Rtx ổn định ) +Với tiếp điểm di động: Chúng làm việc theo cách ấn ( đóng mở MC điện, Cơng tắc tơ, Rơle điện …) , phải có sức bền ăn mòn tác động khí đóng mở, phải có sức bền tác động hồ quang không bị hàn chặt + Với tiếp điểm trượt: Chúng làm việc theo cách trượt như: Cổ góp máy điện, DCL… Phải có sức bền mài mịn khí ma sát 2.7.2 Sức bền tiếp điểm yếu tố ảnh hưởng tới sức bền 2.7.2.1 Bản chất bề mặt - Điện trở tiếp điểm lớn điện trở suất vật liệu lớn điện trở nhỏ ứng suất vật liệu nhỏ, vật liệu mềm biến dạng vật liệu dễ dàng số lượng điểm tiếp xúc lớn, tức tổng bề mặt tiếp xúc tăng lên - Khi phụ tải thay đổi hay ngắn mạch, sinh ứng suất lớn làm yếu tiếp điểm - Bản chất vật liệu điều kiện làm việc ảnh hưởng đến ăn mòn tiếp điểm ( Tác động khơng khí, nước, hóa chất …) tạo nên bề mặt tiếp xúc lớp làm xấu tính chất dẫn điện, Rtx tăng lên Để tránh ăn mịn , người ta ngăn khơng cho khơng khí ẩm xâm nhập hay bảo vệ tiếp điểm phương pháp mạ điện ( mạ thiếc hay bạc đồng) 2.7.2.2 Lực ấn Là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến điện trở tiếp điểm Khi diện tích tiếp xúc, lực ấn lớn diện tích tiếp xúc lớn diện tích tiếp xúc thực thê phụ thuộc vào lực ấn Lực ấn tiếp điểm cố định ghép Bulông cần phải tương đối lớn để đảm bảo Rtx nhỏ Song khơng q lớn tạo nên ứng suất lớn vật liệu làm tích đàn hồi làm xấu mối tiếp xúc 2.7.2.3 Nhiệt độ tiếp điểm - Nhiệt độ từ nhiệt độ bình thường đến 2500 C, điện trở suất tăng theo nhiệt độ điện trở mà dịng điện qua tiếp điểm tăng - Nhiệt độ từ 2500 C đến 4000 C sức bền học vật liệu giảm làm tăng diện tích tiếp xúc làm giảm điện trở mà dòng điện qua - Nhiệt độ lớn 4000 C, điện trở mà dòng điện qua tăng lại lúc nóng chảy điện trở giảm đột ngột 2.7.2.4 Trạng thái bề mặt lúc tiếp xúc ĐOÀN MINH KHOA [ 48] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN Diện tích tiếp xúc lớn tốt nhiêu ( chất tiếp xúc mặt tiếp xúc điểm) 2.7.3 Vật liệu làm tiếp điểm 2.7.3.1 Vật liệu làm tiếp điểm cố định: thường sử dụng đồng, nhôm , sắt …- Đồng hợp kim có phẩm chất cứng nên sử dụng đièu kiện bình thường để có sức bền ăn mòn tốt, người ta bọc Ni tẩm Silic mạ Ag - Nhơm có sức bền giới thấp, nên khơng dùng nơi có dịng điện ngắn mạch lớn - Thép có  lớn dùng Công suất bé điện áp lớn ( dòng điện bé) 2.7.3.2 Vật liệu lam tiếp điểm di động - Platin: Có tính ổn định cao ăn mịn khơng khí khơng tạo màng oxi nên đảm bảo độ ổn định cho tiếp điểm dẫn tới Rtx nhỏ - Bạc: Bạc tinh khiết dùng làm tiếp điểm bị hồ quang ăn mịn Tiếp điẻm hợp kim Ag Cu có độ cứng cao ăn mòn nhỏ thường sử dụng - Ngồi cịn dùng W, Mo, làm vật liệu tiếp điểm 2.7.3.3 Vật liệu làm tiếp điểm trượt - Cu hợp kim nó: dùng tiếp điểm DCL, tiếp điểm MCĐ, Cổ góp KCĐ: máy khoan, máy điện chiều… - Al dùng làm tiếp điểm phương tiện vận tải điện ( xe điện) - C dùng chi tiết KCĐ, phương tiện vận tải điện khơng ăn mịn dây dẫn điện có tuổi thọ cao 2.7.3.4 Vật liệu làm tiếp điểm có cơng suất lớn ( MCĐ có U cao) - Là vật liệu tổng hợp, chúng tạo nên từ kim loại khó nóng chảy với kim loại dẫn điện tốt, kim loại dẫn điện tốt cịn kim loại có sức bền cỏ khí lớn Những vật liệu gồm Ag- W, Ag- Ni, Cu- Ni - Được sử dụng tiếp điểm có cơng suất lớn, áp suất tiếp xúc lớn có độ cứng cao 2.8 LƯỠNG KIM LOẠI 2.8.1 Khái niệm 2.8.2 Dây dẫn góp lưỡng kim- Thép - Đồng Quanh hệ điện trở dòng điện xoay chiều với tần số f =5000Hz điện trở dòng điện chiều dây dẫn đồng có đường kính 5mm là: Rxc  3,9 Rmc Dịng điện chạy qua lớp mặt ngồi có chiều dày 0,5-0,6mm, cịn trung tâm tiết diện trở thành tác dụng việc dẫn điện Kết cho thấy : lõi dây dẫn làm thép, tiết kiệm đồng mà khơng ảnh hưởng đến điện trở dịng điện xoay chiều Điều biện pháp tốt để làm tăng sức bền khí dây dẫn, lớp đồng bên lớp bảo vệ tốt ăn mòn Do vậy, người ta thực dây dẫn vật liệu lưỡng kim thép- đồng đường dây thông tin liên lạc có đường kính 1- 4mm Dây dẫn vật liệu lưỡng kim loại số trường hợp dùng làm dây dẫn điện mạch nhị thứ tần số 50Hz Và chế tạo thành góp trong trang thiết bị dùng để nối 2.8.3 Dây dẫn lưỡng kim - Đồng- Nhôm ĐOÀN MINH KHOA [ 49] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN Tổ hợp lưỡng kim đồng- nhôm chế tạo đặc biệt dạng có mặt hay hai mặt dùng cấu trúc phản chiếu, lò sưởi điện chi tiết dùng để nối vv… Các lưỡng kim- đồng – nhôm dùng làm nối dây dẫn điện , nối dây đồng dây nhơm Do thuận lợi dễ ràng hàn dính hợp kim dính chặt dựa vật liệu thiếc , vật liệu lưỡng kim dùng để chế tạo chi tiết thiết bị thu phát làm cuộn dây ăngten cảm biến vv… CÂU HỎI CHƯƠNG Nêu tính chất vật liệu dẫn điện, giải thích cụ thể tính chất Trình bày đặc tính chung, phân loại, tính chất học ứng dụng kim loại Đồng, Nhơm, Bạc Sắt Trình bày khái niệm phân loại vật liệu làm điện trở Trình bày khái niệm phân loại vật liệu làm tiếp điểm ĐOÀN MINH KHOA [ 50] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN CHƯƠNG VẬT LIỆU DẪN TỪ I KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU DẪN TỪ Khái niệm Ta biết xung quanh dịng điện có mơi trường vật chất cảm ứng từ mơi trường khác cảm ứng từ từ trường chân khơng gây dịng điện Vì môi trường vật chất đặt từ trường dịng điện mơi trường xuất thêm từ trường phụ Ta nói mơi trường bị nhiễm từ Mơi trường có khả nhiễm từ gọi chất từ hay vật liệu từ Để giải thích từ tính nam châm, Ampe người nêu lên giả thuyết dịng điện kín tồn lòng nam châm gọi dòng điện phân tử Theo Ampe từ trường nam châm từ trường dòng điện phân tử lịng nam châm Ngày ta hiểu dịng điện phân tử điện tử chuyển động bên nguyên tử, phân tử tạo thành Có thể dùng khái niệm dịng điện phân tử để giải thích nhiễm từ chất thuận từ nghịch từ, nhiễm từ chất sắt từ khơng thể giải thích dịng điện phân tử mà lý thuyết khác Tuy nhiên giả thuyết Ampe dịng điện sinh từ trường giữ nguyên giá trị Các tính chất vật liệu dẫn từ Hệ số từ thẩm  vật liệu sắt từ lớn Hệ số từ thẩm lớn Max số chất bảng 6.1 Bảng 6.1 STT Vật liệu sắt từ Hệ số Max 280.000 8.000 15.000 80.000 1.500.000 Sắt nguyên chất Sắt non Thép Silic kỹ thuật điện Pecmaloi (78%Ni, 22%Fe) Siêu hợp kim (79Ni, 15Fe, 5M0, 0,5 Mn) 2.Hệ số từ thẩm  vật liệu sắt từ số Q trình từ hố vật liệu từ đặc trưng quan hệ từ cảm B cường độ từ trường H, B = f(H) gọi đường cong từ hố (khơng phải đường thẳng) Đường cong từ hoá tất vật liệu sắt từ gần giống (hình 6.1) Đường cong đường cong từ hoá ban đầu (cơ bản) Ở giai đoạn đầu tăng dịng điện từ hố cuộn dây, cường độ từ trường H tăng cảm ứng từ B tăng theo, quan hệ B = f(H) đoạn OA Tiếp tục tăng H B tăng hơn: giai đoạn gần bào hồ Hệ số từ thẩm  giảm dần Đến cường độ từ trường H đủ lớn từ cảm B khơng tăng lên nữa: giai đoạn bão hồ, hệ số từ thẩm  tiến đến B A H Hình 6.1 Đường cong từ hố Các đặc tính vật liệu dẫn từ Tại điểm từ trường, hệ số từ thẩm tỷ số cường độ từ cảm B cường độ từ trường H Mơi trường chân khơng, có trị số cường độ từ cảm B0 từ trường H0, thì: ĐỒN MINH KHOA [ 51] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN 0 = B0 H0 (6.1) 0-hệ số từ thẩm tuyệt đối chân không, trị số 0= 4.10-7 s/m Đơn vị s/m gọi Henry/mét (H/m) Trong mơi trường khác chân khơng, ta có:  0 = B hay B =  0H H (6.2)  - hệ số từ thẩm tương đối môi trường từ trường khác chân không, cho biết hệ số từ thẩm tuyệt đối môi trường so với hệ số từ thẩm chân không 0 Theo hệ số từ thẩm từ tính vật chất, người ta chia chất thuận từ, nghịch từ dẫn từ a.Chất thuận từ: Là chất có độ từ thẩm  > không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngồi Loại gồm có oxy, nitơ, oxyt, muối sắt, muối côban, muối niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim b Chất nghịch từ: chất có độ từ thẩm  < khơng phụ thuộc vào cường độ từ trường Loại gồm có hydro, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, antimon, gali, Các chất thuận từ ngịch từ giống chỗ từ yếu, tức có độ từ thẩm  sấp sỉ Ví dụ nhơm chất thuận từ có  = 1,000023, cịn đồng chất nghịch từ có  = 0,999995 c Chất dẫn từ: chất có độ từ thẩm  >> phụ thuộc vào cường độ từ trường ngồi Loại gồm có sắt, niken, cơban hợp kim chúng, hợp kim crôm mangan, gađôlonit ferit có thành phần khác B Đường cong từ hóa Tính từ dư thể chỗ cắt bỏ từ trường (cho H = 0, cắt bỏ dịng điện từ hố cuộn dây) chất sắt từ cịn giữ từ tính (duy trì từ trường có từ cảm B) Tính chất từ dư khảo sát q trình từ hoá vật liệu sắt từ cách thay đổi chiều cường độ từ trường H tác động lên mơi trường sắt từ Hình 6.2 vẽ đường cong biểu diễn quan hệ B = f(H) vật liệu sắt từ A Bd C -HK H C’ A’ Hình 6.2 Đường cong từ trễ Đầu tiên tăng dòng điện từ hoá cuộn dây, từ trường H tăng từ cảm B tăng theo OA Sau giảm H B giảm theo đường ACA’ Tiếp tục lại tăng H điểm A’ từ cảm B tăng theo đường A’C’A Đường cong ACA’C’A ứng với q trình từ hố gọi chu trình từ trễ (thường gọi đường cong từ trễ) Nói cách khác, từ hố vật liệu sắt từ với cường độ từ trường thay đổi trị số chiều từ cảm B vật liệu sắt từ biến thiên chậm trễ Các kết trình từ trễ cần ý: - Từ dư Bd : Khi từ trường H = từ cảm B lõi thép trị số Bd gọi cảm ứng từ dư ĐOÀN MINH KHOA [ 52] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN - Cường độ từ trường khử từ HK (còn gọi lực khử từ): Muốn khử từ dư vật liệ sắt từ, B = phải đổi chiều cường độ từ trường H tăng đến trị số HK Như H = HK B = từ dư bị khử hoàn toàn - Tổn hao từ trễ: Trong trình làm việc, biến thiên liên tục cường độ từ trường H từ cảm B, vật liệu sắt từ xuất tổn hao lượng làm chúng nóng lên Ta gọi tổn hao từ trễ Người ta nhận thấy vật liệu có từ cảm Bd lớn, lực khử HK lớn tổn hao từ trễ lớn Như tổn hao từ trễ tỷ lệ với diện tích đường cong từ trễ II MẠCH TỪ VÀ TÍNH TỐN MẠCH TỪ 1.Các công thức 1.1 Khái niệm Các thiết bị điện rơle, công tắc tơ, khởi động từ, áp tơ mát, có phận làm nhiệm vụ biến đổi từ điện Bộ phận gồm có cuộn dây mạch từ gọi chung cấu điện từ, chia làm hai loại xoay chiều chiều Để nắm quy luật điện từ ta xét mạch từ phương pháp tính tốn mạch từ Hình 6.3 Mạch từ chia làm phần: - Thân mạch từ - Nắp mạch từ - Khe hở khơng khí phụ p khe hở khơng khí c - Khi cho dịng điện chạy vào cuộn dây qua, từ thơng chia làm ba phần cuộn dây có từ thơng : a) Từ thơng  thành phần qua khe hở khơng khí gọi từ thơng làm việc lv b) Từ thông tản t gọi thành phần ngồi khơng khí xung quanh c) Từ thơng rị thành phần khơng qua khe hở khơng khí mà khép kín khơng gian lõi thân mạch từ 1.2 Tính tốn mạch từ Tính toán mạch từ thực chất giải hai toán: - Bài tốn thuận: Biết từ thơng tính sức từ động F = IW loại gặp thiết kế cấu điện từ - Bài toán nghịch : biết sức từ động F = IW tính từ thông  (gặp kiểm nghiệm cấu điện từ có sẵn) Để giải hai tốn cần phải dựa vào sở lí thuyết sau: - Biết đường cong từ hóa vật liệu sắt từ - Nắm vững định luật mạch từ - Biết từ dẫn khe hở ĐOÀN MINH KHOA [ 53] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN 1.3 Các lý thuyết sở Đường cong từ hóa B = f(H) hình minh họa Hình 6.4 Các định luật mạch từ: Wt  I 1W1 IW I I , Wt  2 , W  (  1 ) , 2 - Định tồn dịng điện F=IW - Định luật Ohm mạch từ: φ = IW F  2 RM RM - Định luật Kiếc Khốp cho mạch từ : ∑φi=0 - Định luật Kiếc Khốp cho mạch từ: ∑φiRMi=∑Fi (tổng đại số độ sụt từ áp mạch từ kín tổng đại số sức từ động tác dụng mạch từ đó) Từ dẫn khe hở Vì mạch từ có độ từ thẩm (hệ số dẫn từ) lớn khơng khí nhiều nên từ trở tồn mạch từ phụ thuộc vào từ trở khe hở khơng khí Trong tính tốn thường dùng từ dẫn G = 1/RM Tương tự mạch điện mạch từ dẫn G tỉ lệ thuận với tiết diện mạch từ, tỉ lệ nghịch với chiều dài khe hở không khí G   S  G: từ dẫn khe hở khơng khí 0 = 1,25.10 8 wh hệ số từ thẩm khơng khí Acm  Chiều hiều dài khe hở S (cm2): diện tích từ thơng qua ( tiết diện) Công thức dùng sở giả thiết : từ thông qua khe hở không khí phân bố đặn ( đường sức từ song song với nhau), công thức khe hở bé, (khe hở lớn mép khơng song song) Thực tế tính từ dẫn phức tạp, tùy u cầu xác mà có phương pháp tính từ dẫn khác Sơ đồ thay mạch từ tính từ dẫn khe hỏe khơng khí mạch từ 2.1 Tính từ dẫn phương pháp phân chia từ trường Xét ví dụ : Có cực từ tiết diện chữ từ cực từnhật đặt song song với mặt phẳng Giả thiết chiều xuống mặt phẳng (hình minh họa) ĐỒN MINH KHOA [ 54] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN Hình 6.5 Nếu tính từ dẫn khe hở phương pháp phân chia từ trường ta phân từ trường thành nhiều phần nhỏ cho phần từ trường phân bố đều(có đường sức từ song song với nhau) để áp dụng cơng thức tính từ dẫn có Ở ta chia làm 17 phần gồm : +) hình hộp chữ nhật thể tích: a b  +) hình 1/4 trụ trịn có đường kính chiều cao a b +) hình trụ 1/4 rỗng có đường kính 2 đường kính ngồi 2+2mm ĐỒN MINH KHOA Các cơng thức tính từ dẫn phần [ 55] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN Từ dẫn phần cho theo bảng trụ chữ nhật, tổng từ dẫn cịn lại  n từ dẫn G từ dẫn tản Có G = G i i 1 Nếu có hai từ dẫn nối song song nối từ dẫn tương đương Gtđ= G1 + G2 Nếu nối tiếp từ dẫn tương đương Gtđ  G1G2 G1  G2 Ưu điểm : tính phương pháp có ưu điểm xác, rõ ràng dễ kiểm tra Nhược điểm : có nhiều cơng thức nên dùng để tính kiểm nghiệm 2.2 Tính từ dẫn cơng thức kinh nghiệm ( dùng tính tốn sơ ) Hình 6.6 a) Từ dẫn khe hở khơng khí (hình a) Từ dẫn khe hở khơng khí nắp lõi tạo thành góc G = K G0 Với: K: hệ số điều chỉnh K=2,75  ( tính theo rađian) G   S :tiết diện lõi [cm2] : độ dài trung bình khe hở khơng khí (cm) b ) Từ dẫn cực từ trịn với mặt phẳng (hình b) G   S  S 2,09    d c) Từ dẫn hai cực từ chữ nhật (hình c) G=K.μ0 ĐỒN MINH KHOA [ 56] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN d) Từ dẫn mặt phẳng cực từ đặt đầu mặt phẳng (hình d) G = K G0 MẠCH TỪ XOAY CHIỀU a) Trong mạch từ xoay chiều: i=i(t) nên i = Im Sin t dịng biến thiên có tượng từ trễ, dịng xốy, dịng điện chạy cuộn dây phụ thuộc vào điện kháng cuộn dây, mà điện kháng phụ thuộc từ dẫn mạch từ nên từ trở toàn mạch từ lớn (khe hở khơng khí lớn) điện kháng bé dòng điện cuộn dây lớn Khi nắp mạch từ mở dòng điện khoảng I = (4 15)Iđm Chú ý: đóng điện cấu điện từ, phải kiểm tra nắp xem đóng chưa, nắp mở làm cuộn dây bị cháy b) Lực hút điện từ F biến thiên F=F(t) có thời điểm F=0 có thời điểm F=Fmax dẫn đến mạch từ làm việc bị rung, để hạn chế rung người ta đặt vịng ngắn mạch Từ thơng biến thiên làm xuất sức điện động vòng ngắn mạch, vịng có dịng điện mắc vịng khép kín, làm vịng ngắn mạch nóng lên Gọi Wnm số vịng ngắn mạch (thường Wnm=1) Theo định luật tồn dịng điện có: IW+ InmWnm =  c) Trong mạch từ xoay chiều có tổn hao dịng xốy từ trễ làm nóng mạch từ, xem tổn hao vịng ngắn mạch Nếu gọi Pxt công suất hao tổn dịng xốy từ trễ biểu diễn dạng tương đương vòng ngắn mạch Pxt  I nm rnm d) Từ dẫn rò quy đổi Khác với mạch chiều vì: Sức từ động tổng F = IW sức từ động đoạn X FX  I W x l x từ thông mắc vòng đoạn x yrx =Wx.frx l ql Cuối có Gr = từ dẫn rị mạch xoay chiều WX  W Về phương pháp tính toán mạch từ xoay chiều giống mạch từ chiều phải lưu ý bốn đặc điểm Ví dụ mạch từ xoay chiều hình minh họa: Hình 6.7 Khi vẽ mạch từ đẳng trị phải xét đến tác dụng vòng ngắn mạch, tổn hao dòng xốy từ trễ - Khi nắp đóng, bỏ qua từ thơng rị phải kể đến từ trễ từ kháng mạch từ nên dạng hình minh họa a ĐOÀN MINH KHOA [ 57] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN - Khi nắp mạch từ mở, bỏ qua từ trở từ kháng mạch từ, phải xét đến từ thơng rị mạch từ đẳng trị có dạng hình minh họa b Hình 6.8 4.MẠCH TỪ MỘT CHIỀU + Mạch từ chiều làm việc, mạch  = const nên tổn hao dịng xốy, có dịng khơng đổi I, từ thông lõi làm vật liệu sắt từ khối để dễ gia cơng khí Trình tự tính toán mạch từ: * Vẽ mạch từ đẳng trị * Tính từ dẫn G khe hở khơng khí tồn mạch * Giải mạch từ, tìm tham số chưa biết Trong q trình làm việc khe hở khơng khí biến thiên ta chia trườngthay đổi làm từ thơng hợp: a) Tính mạch từ chiều khơng xét từ thơng rị Với mạch từ khe hở khơng khí bé, cuộn dây phân bố mạch từ bỏ qua từ thơng rị Ví dụ: xét mạch từ hình xuyến hình có từ thong minh họa; phần sắt từ chiều dài l, tiết diện S, khe hở rò = Hình 6.9 VẬT LIỆU SẮT TỪ 5.1 Vật liệu sắt từ Vật liệu quan trọng sử dụng kỹ thuật điện, điện tử sắt từ hợp chất sắt từ (ferit) Trong tự nhiên có số chất (sắt, cơban, niken hợp kim chúng) có tính nhiễm từ mạnh Các vật liệu gọi chung vật liệu sắt từ Độ từ thẩm chất lớn hàng nghìn lần, chí có trường hợp cao nhiều Tính chất sắt từ thể chất trạng thái tinh thể ĐOÀN MINH KHOA [ 58] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN 5.2 Sự nhiễm từ sắt Tính nhiễm từ mạnh sắt giải thích nam châm sắt hút Một miếng sắt đặt gần nam châm bị nhiễm từ mạnh trở thành nam châm Đầu miếng sắt gần cực bắc nam châm, trở thành cực nam ngược lại Hai cực khác tên hút Tính nhiễm điện sắt khơng thể giải thích dịng điện phân tử mà miền nhiễm từ tự nhiên Khi khơng có từ trường ngồi miền nhiễm từ tự nhiên xếp cho từ trường miền nhiễm từ tự nhiên khử lẫn Khi đặt vào từ trường ngồi xảy phân bố lại miền nhiễm từ tự nhiên dẫn đến kết qua sắt bị nhiễm từ mạnh 6.CÁC VẬT LIỆU SẮT TỪ THÔNG DỤNG 6.1 Vật liệu từ mềm Vật liệu từ mềm sử dụng làm mạch từ thiết bị dụng cụ điện có từ trường không đổi biến đổi Vật liệu từ mềm từ trường khử từ HK nhỏ (dưới 400 A/m), độ từ thẩm  lớn tổn hao từ trễ nhỏ Vật liệu sắt từ mềm gồm có thép kỹ thuật, thép cácbon, thép kỹ thuật điện, hợp kim sắt - niken (pecmaloi) ferit a Thép kỹ thuật (gồm gang) dùng làm từ trường mạch từ khơng đổi Thép kỹ thuật có cường độ từ cảm bão hoà cao (tới 2,2 Tesla), số từ thẩm lớn cường độ khử từ nhỏ b Thép kỹ thuật điện hợp chất sắt-silic (1-4%Si) Silic cải thiện đặc tính từ sắt kỹ thuật: tăng số từ thẩm, giảm cường độ khử từ, tăng điện trở suất (để giảm dịng điện Fucơ hay dịng điện xốy) c Pecmaloi hợp kim sắt - niken (22%Ni), ngồi cịn có số tạp chất: Molipden, crơm, silic, nhơm Pecmaloi có số từ thẩm lớn gấp 10-50 lần so với thép kỹ thuật điện, cần cường độ từ trường nhỏ vài phần đến vài chục phần trăm A/m, thép đạt tới cường độ từ cảm bão hoà d Ferit vật liệu sắt từ gồm có bột oxýt sắt, kẽm số nguyên tố khác Khi chế tạo, hỗn hợp ép khuôn với công suất lớn nung đến nhiệt độ khoảng 12000C, thành phẩm có dạng theo ý muốn Ferit có điện trở suất lớn, thực tế coi gần khơng dẫn điện, nên dịng điện xốy chạy ferit nhỏ Bởi cho phép dùng ferit làm mạch từ từ trường biến thiên với tần số cao Ferit niken-kẽm cách nhiệt phân muối, gọi Oxyfe Ferit Oxyfe có số từ thẩm ban đầu lớn, từ dư nhỏ (0,18-0,32 Tesla) từ trường khử từ nhỏ (8-80 A/m) Chúng sử dụng rọng rãi làm mạch từ linh kiện điện tử, khuếch đại từ, máy tính, 6.2 Vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu Đặc điểm loại có từ dư lớn Thành phần, từ dư trường khử từ số vật liệu từ cứng cho bảng 6.2 Bảng 6.2 Thành phần tạp chất (%) sắt Vật liệu từ cứng Wonfram ĐOÀN MINH KHOA Wonfram Al Cr Co Ni Cu Si Từ trường khử từ, HK (A/m) 4800 Cường độ từ cảm dư, Bd (T) [ 59] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN Thép crôm Thép côban Anni Annisi Annico Macnico Gốm annico Ferit bary 14 14 10 12 24 25 34 17 13 4800 7200 44000 64000 40000 44000 45000 130000 0,9 0,9 0,44 0,4 0,7 1,25 1,1 0,35 VẬT LIỆU TỪ CĨ CƠNG DỤNG ĐẶC BIỆT * Ferit: Là vật liệu ôxit phức tạp, khác với chất sắt từ trị số từ cảm nhỏ hơn, quan hệ nhiệt độ từ cảm phức tạp có điện trở suất cao cao Nó khơng phải kim loại Ferit gốm từ xếp vào loại bán dẫn điện tử (vì có điện dẫn điện tử không đáng kể) Năng lượng tổn hao vùng tần số cao tương đối nhỏ làm cho Ferit dùng rộng rãi tần số cao Các Ferit vật liệu cứng giịn, khơng cho phép gia cơng cắt gọt, mài đánh bóng Ferit từ mềm: Có lớn, có trị số tổn hao lớn tăng nhanh tần số tăng Có số điện môi tương đối lớn phụ thuộc vào tần số thành phần Ferit, tần số tăng giảm Ferit từ cao tần: Ngoài Ferit từ mềm tần số cao dùng thép kỹ thuật điện Fecmalôi cán nguội điện môi từ (Điện môi từ chế tạo cách nén bột sắt từ có chất kết dính cách điện) Ferit có vịng từ trễ hình chữ nhật: Được đặc biệt ý kỹ thuật máy tính để làm nhớ, thiết bị chuyển mạch * Gang thép kết cấu: Dùng ngành chế tạo máy điện, thiết bị điện dụng cụ cần có đặc tính tốt khả áp dụng rộng rãi phương pháp công nghệ Phân thành vật liệu từ tính (gang xám, thép bon, thép hợp kim) vật liệu không từ tính (thép khơng từ tính, gang khơng từ tính) Gang xám: Dùng đúc vỏ máy điện, chi tiết ghép chặt, đúc chi tiết có hình dáng đặc biệt lớn Thép cacbon: thường dùng thép có hàm lượng cacbon từ 0,08 - 0,2% Với máy chuyên dụng đặc biệt quan trọng dùng thép có độ bền tăng cường cách hợp kim hố với niken, crơm, mơlipđen Gang khơng từ `tính: Gang có pha thêm Ni, Mn Dễ gia công cắt, điện trở gang không từ tính lớn nên giảm tổn hao dịng xốy Dùng chế tạo nắp, vỏ, ống máy cắt dầu, vòng cách máy biến áp điện lực Thép không từ tính: Đưa thêm Ni, Mn vào thép Thép khơng từ tính có tính cao, dùng chế tạo nhiều chi tiết mà dùng hợp kim đồng, nhôm không đủ độ bền CÂU HỎI CHƯƠNG Nêu khái niệm chung tính chất từ vật liệu từ tính Trình bày đặc tính cơng dụng vật liệu từ mềm Hãy nêu thành phần, tính chất cơng dụng vật liệu từ cứng ĐỒN MINH KHOA [ 60] ... 28] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN CHƯƠNG VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.1 KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện vật chất mà trạng thái bình thường có điện. .. loại vật liệu điện ? ĐOÀN MINH KHOA [ 7] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN CHƯƠNG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 2.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN : 2.1.1 KHÁI NIỆM : Vật liệu làm cách điện (cịn gọi chất điện. .. độ bền giới vật liệu Sau ta xét số loại vật liỊu sỵi thưêng dïng: 2.4.3.2 Vật liệu cách điện gỗ, giấy ĐOÀN MINH KHOA [ 19] BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN Vật liệu cách điện gỗ, giấy vật liệu có nguồn