đề cương môn học vật liệu điện - điện tử Nguyễn Ngọc Hùng

ĐỀ CƯƠNG MƠN HỌC VẬT LIỆU ĐIỆN- ĐIỆN TỬ LỜI NÓI ĐẦU Đề cương môn học Vật Liệu Điện –Điện Tử biên soạn theo hướng công nghệ.Bài giảng Vật Liệu Điện –Điện Tử tập hợp kiến thức môn học từ nhiều nguồn tài liệu nhằm giúp sinh viên , giảng viên có tài liệu chung để sử dụng trình học tập, giảng dạy Trong trình tổng hợp tài liêu, người viết có giúp đỡ nhiệt tình thầy Hồ Xuân Thanh,xin gởi tới thầy lời cảm ơn chân thành nhất! Do thời gian trình độ hạn chế nên giảng tránh khỏi thiếu sót Rất mong sư góp ý bạn đọc Nguyễn Ngọc Hùng BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Trang VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN (VLDĐ) 1.1 Các trình vật lí VLDĐ tính chất chúng 1.1.1 Các khái niệm chất dẫn điện Dòng điện chuyển dịch có trật tự điện tích tác động điện trường Dòng điện xuất vật chất bị ảnh hưởng điện áp, tác dụng lực điện trường tạo trạng thái chuyển động cách có trật tự điện tích có vật chất Như điều kiện cần thiết để có dòng điện vật chất tồn điện tích tự Nhưng tùy thuộc vào chất thiên nhiên hạt mang điện có vật chất, tượng dẫn điện quan sát có khác biệt khác Những dạng dẫn điện chủ yếu gồm: - Tính dẫn điện điện tử: Hạt mang điện điện tích âm, xác điện tử Tính dẫn điện đặc tính dẫn điện kim loại bán dẫn điện tử - Tính dẫn điện ion hay phân li: Hạt mang điện ion, điện tích dương âm phân tử hay nguyên tử Sự chuyển dịch điện tích dẫn đến tượng điện phân - Tính dẫn điện điện di(thường thấy điện môi lỏng): Vật chất mang điện nhóm điện tích phân tử (hay molion) Sự tồn dòng điện vật chất dẫn đến tượng điện chuyển Chất dẫn điện vật chất mà trạng thái bình thường có điện tích tự Nếu đặt vật liệu vào trường điện, điện tích chuyển động theo hướng định trường tạo thành dòng điện Vật liệu dẫn điện vật liệu thể rắn, lỏng số trường hợp đặc biệt thể khí *Các vật liệu thể rắn: Gồm kim loại, hợp kim số biến thể cac-bon (than kỹ thuật điện) Kim loại dẫn điện chia làm loại: Loại có điện dẫn cao loại có điện trở cao Loại có điện dẫn cao dùng làm dây dẫn; lõi cáp, cuộn dây máy biến áp máy điện, cuộn dây sóng, anot đèn phát có công suất lớn… Kim loại, hợp kim có điện trở cao dùng dụng cụ nung điện trở đèn thắp sáng, biến trở… *Vật liệu dẫn điện thể lỏng: Gồm kim loại lỏng (nóng chảy) dung dịch điện phân (ở nhiệt độ phòng kể thủy ngân Hg) Cơ cấu dẫn điện kim loại (dạng rắn dạng lỏng) di chuyển điện tử tự do, vật liệu có điện dẫn điện tử (thường gọi vật liệu dẫn điện loại 1) Các chất điện phân (thường gọi vật liệu dẫn điện loại 2) dung dịch axit, bazơ, muối … cấu dẫn điện loại di chuyển ion, Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang hệ thành phần chất điện phân thay đổi điện cực xuất sản phẩm điện phân Tất chất khí (kể khí kim loại) điện trường yếu chất dẫn điện Tuy nhiên điện trường vượt giá trị (làm xuất hiện tượng ion va đập ion hóa quang) chất khí trở thành chất dẫn điện có tính dẫn địên tử tính dẫn ion Chất khí bị ion hóa mạnh có số electron ion dương đơn vị thể tích trở thành môi trường đặc biệt gọi plazma Kim loại xem hệ thống cấu tạo từ ion dương nằm môi trường điện tử tự do, chúng định nhiều tính chất đặc trưng kim loại -Sức hút ion dương điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại -Đặt kim loại vào điện trường ngoài, điện tử chạy theo hướng tạo dòng điện (tính dẫn điện kim loại) -Khi nung nóng kim loại, dao động nhiệt ion dương tăng làm cản trở điện tử chuyển động nên điện trở kim loại tăng -Sự truyền động điện tử tự ion dương tạo nên tính dẫn nhiệt kim loại -Các điện tử hấp thụ lượng ánh sáng bị kích thích lên mức cao hơn, trở phát lượng dạng xạ Sự khác mức lượng đặc trưng cho tần số ánh sáng phản xạ nên kim loại có màu riêng (ánh kim) -Tính dẻo kim loại giải thích điện tử tự bảo đảm mối liên kết kim loại không bị biến đổi nguyên tử (ion dương) dịch chuyển vị trí tương - Một số kim loại có độ từ thẩm từ, có tính chất nóng chảy (điểm nóng chảy hợp kim khác với điểm nóng chảy kim loại tạo nó), có tính giãn nở nhiệt -Kim loại có tính chống lại ăn mòn nước, oxy không khí nhiệt độ thường -Hợp kim sản phẩm nấu chảy hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu kim loại lượng nhỏ kim Người ta thay kim loại nguyên chất hợp kim kim loại có tính dẻo, độ bền thấp, điện trở nhỏ thay đổi theo nhiệt độ, có hệ số giãn nở nhiệt lớn nên không dùng cấu máy xác -Kim loại có tính chất học: Nó có khả chống lại tác dụng lực ngoài, có tính chất công nghệ tính cắt gọt, tính hàn, rèn, đúc… 1.1.2 Sự dẫn điện kim loại Kim loại mang tính dẫn điện tử, khác với tính dẫn i-on chuyển dịch nhìn thấy vật chất có dòng điện chảy qua Mặc dù kim loại có số lượng lớn điện tích chảy qua thời gian dài không phát thay đổi khối lượng Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang thay đổi cấu tạo hóa học (không kể tới ôxi hóa kim loại); electron nằm không gian nút tinh thể; chúng dao động cách hỗn loạn, tốc độ chúng phụ thuộc vào nhiệt độ Kích thước electron không đáng kể so với kích thước nguyên tử lại không đáng kể so với khoảng cách trung bình nguyên tử; electron mức độ xem phân tử khí Vì chúng gọi khí điện tử Khi kim loại không bị tác dụng điện trường phân bố tốc độ chuyển động nhiệt electron ( vt ) theo hướng có xác suất nhau, dòng điện không tồn điện trường (hình 1.1) Hình 1.1 Chuyển động electron điện trường Nếu kim loại đặt điện trường E electron chịu tác động lực: F = e.E Các electron chuyển động với gia tốc ngược hướng điện trường E (hình 1.2) bằng: a= F eE = m m Trong e = -1,6.10 -19 (C) ; m=9,1.10-31 (kg) Hình 1.2 Các electron chuyển động ngược hướng điện trường Qua thời gian t kể từ bắt đầu chuyển động vận tốc electron đạt được: ve = a.t = eEt m Tốc độ chung electron tổng vt ve Các electron va chạm với nguyên tử nút tinh thể, sau lần va chạm vận tốc giảm 0, sau lại tăng lên với gia tốc a Gọi t0 thời gian chuyển động tự không va chạm electron Khi tốc độ cực đại electron là: Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ vemax = Trang eEt m Vận tốc trung bình: vetb = eEt eEl = 2m 2vt m Với t0 = l/vt ; l : độ dài bước tự electron Có thể chứng minh độ dài bước tự tỷ lệ nghịch với nhiệt độ: l= ky 2πNkT Trong đó: ky: Hệ số đàn hồi N: Mật độ nguyên tử k: Hằng số Boltzmann T: Nhiệt độ Bảng 1.1: Độ dài bước tự electron số kim loại 00C ( đơn vị A0) Giả thiết đơn vị thể tích ( khối vuông có độ dài đơn vị ) vật chất có n hạt mang điện; giá trị điện tích hạt e Tổng điện tích tự đơn vị thể tích ne Tích vetb với ne cho ta số lượng điện tích đơn vị thời gian qua đơn vị mặt cắt vật thể, mật độ dòng điện: ne l J= ne vetb = E = γE 2v t m Đây công thức tính cho electron Nếu xét tác động điện trường lên tập hợp electron tự vận tốc trung bình lớn cỡ hai lần Khi đó: γ = ne l vt m Như điện dẫn suất (do điện trở suất điện trở ) kim loại không phụ thuộc điện áp đặt lên Giả thiết động chuyển động nhiệt electron tuân theo định luật chuyển động nhiệt khí lý tưởng, ta có: mvt2 = kT 2 Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ 3kT m vt = γ = Trang ne l 3mkT 3mkT ρ= = γ ne l Vaäy nhiệt độ tăng lên điện trở kim loại tăng Vật lý lượng tử đại đưa công thức xác chất vấn đề không thay đổi Giả sử ta quan sát thể tích đơn E vị tác động điện trường E Ve vuông góc với mặt khối vuông ( hình1.3 ) Mật độ dòng điện kim loại Ve xác định bằng: J = ne vetb (1.1) Hình 1.3 Mặt khác: I= U R I = J.S U= E.l R= ρ l S Sau đơn giản, ta có: E = E γ (1.2) ρ Từ (1.1) (1.2) ta có: J= γ = ne Tỉ số μ = vetb (1.3) E vetb gọi độ linh động (mobility) hạt mang điện, đơn vị E μ là: m / s m2 = V / m V s Công thức (1.3) viết theo dạng sau: γ = n.e μ Gọi τ thời gian trung bình lần va đập , ta có : vetb = eEτ /m Vậy : μ =vetb / E = eτ /m Bảng 1.2 Độ linh động điện tử μe (m2 / V.s ) số kim loại Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 1.1.3 Điện trở suất kim loại Trong kim loại có cấu trúc hoàn thiên, nguyên nhân hạn chế độ dài bước tự dao động nhiệt nguyên tử nút tinh thể Rõ ràng nhiệt độ tăng biên độ dao động nhiệt nguyên tử tăng theo làm tăng tán xạ electron, tức làm tăng điện trở Sự thay đổi điện trở suất nhiệt độ thay đổi 10 C gọi hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ: dρ α= ρ dT Trong miền tuyến tính, ta có ρ T = ρ [1 + α (T − T0 )] Ơ ρ điện trở suất nhiệt độ ban đầu T0 ρ điện trở suất nhiệt độ T Trong α hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ vật liệu tương ứng ứng với khoảng nhiệt độ nghiên cứu Hệ số α gần giống kim loại tinh khiết có trị số gần 4.10 −3 (1/ o C) Trong thiên nhiên không tồn tinh thể có cấu trúc hoàn thiện Ở điều kiện thực tế thường xuyên có lỗi hay lỗi khác Những khác biệt gọi chung khuyết tật Mặc dù nồng độ khuyết tật nguyên tử không lớn thay đổi tính chất vật lý mạng tinh thể lớn Điện trở tổng kim loại tổng điện trở gây tán xạ electron dao động nhiệt nút mạng ρ t điện trở dư ρ du tán xạ electron lên khuyết tật: ρ kl = ρ t + ρ du Ảnh hưởng lớn việc tạo điện trở dư tán xạ tạp chất (luôn tồn dạng chất bẩn hay hợp kim) Chú ý tạp chất pha vào làm tăng điện trở suất, chí tạp chất có điện dẫn suất lớn kim loại ban đầu (ví dụ: Pha 0.01% Ag vào dây đồng làm tăng điện trở suất lên 0.002μΩ.m) a Điện trở R: quan hệ hiệu điện không đổi đặt hai đầu dây dẫn cường độ dòng điện chiều tạo nên dây dẫn Điện trở dây dẫn tính theo công thức: ( hình 1.4) R =ρ l S R: điện trở (Ω) ρ : điện trở suất ( Ω m) Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN R S BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ l: chiều dài dây dẫn (m) S: tiết diện dây dẫn(mm2) Trang l Hình 1.4 Điện dẫn G đoạn dây dẫn đại lượng nghịch đảo điện trở: G= R Điện dẫn tính với đơn vị = Ω −1 = S Ω b Điện trở suất ρ : điện trở dây dẫn có chiều dài đơn vị chiều dài tiết diện đơn vị diện tích Điện dẫn suất γ : đại lượng nghịch đảo điện trở suất γ = ρ Điện dẫn suất tính theo: m/ Ω mm hay Ω -1cm-1 Bảng 1.3 Điện dẫn suất (conductivity) của: kim loại (metals), chất cách điện (insulators), chất bán dẫn (semiconductors) Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ α : Điện trở suất kim loại nhiều hợp kim tăng theo nhiệt độ Ở nhiệt độ sử dụng t điện trở suất tính toán xuất phát từ nhiệt độ t theo công thức: ρ (t ) = ρ (t )[1 + α (t - t )] Theo thực nghiệm đa số kim loại nhiệt độ phòng có α = 0,004(1/0C) Hệ số thay đổi điện trở suất theo áp suất: Khi kéo nén đàn hồi, điện trở suất kim loại biến đổi theo công thức: ρ = ρ o(1 ± p σ ) Dấu “+” ứng với biến dạng kéo, dấu “-“ nén Ở đây, σ : Ứng suất khí mẫu p: Hệ số thay đổi điện trở suất theo áp suất 1.1.4 Hợp kim a Cấu tạo hợp kim Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang Hợp kim sản phẩm nấu chảy hai hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu kim loại hợp kim có tính chất kim loại Trong thành phần hợp kim có lượng nhỏ nguyên tố kim, thí dụ thép hợp kim sắt cacbon Hợp kim chế tạo chủ yếu cách nấu chảy, phương pháp khác như: điện phân, thiêu kết… b Tính chất chung hợp kim * Tính chất lý học hợp kim: Hợp kim có tính chảy loãng, tính dẫn nhiệt, tính giãn dài đốt nóng, vẻ sáng mặt ngoài, độ dẫn điện, độ thẩm từ …… - Tính nóng chảy: Hợp kim có tính chảy loãng đốt nóng đông đặc lại làm nguội Nhiệt độ ứng với hợp kim chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi điểm nóng chảy - Tính dẫn nhiệt: tính chất truyền nhiệt hợp kim bị đốt nóng làm lạnh Khi hợp kim có tính chất dẫn nhiệt tốt dễ đốt nóng nhanh đồng đều, dễ nguội lạnh nhanh - Tính giãn nở nhiệt: Khi đốt nóng, hợp kim giãn nở nguội lạnh co lại Sự giãn nở cần đặt biệt ý nhiều trường hợp cụ thể - Tính nhiễm từ: Chỉ có số kim loại có tính nhiễm từ, tức bị từ hóa sau đặt từ trường Tính nhiễm từ thép gang phụ thuộc vào thành phần vào tổ chức bên kim loại nữa, tính nhiễm từ cố định loại vật liệu * Tính chất hóa học: Tính chất hóa học biểu thị khả hợp kim chống lại tác dụng hóa học môt trường có hoạt tính khác Tính chất hóa học hợp kim biểu thị dạng chủ yếu: Tính chống ăn mòn: khả chống lại ăn mòn nước hay ôxy không khí nhiệt độ thường nhiệt độ cao Tính chịu axit: khả chống lại tác dụng môi trường axit *Tính học: Tính chất học hợp kim gọi tính, khả chống lại tác dụng lực bên lên hợp kim Cơ tính hợp kim bao gồm: độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va chạm ……… *Tính chất công nghệ: khả mà hợp kim thực phương pháp công nghệ để sản xuất sản phẩm Tính công nghệ bao gồm: tính cắt gọt, tính hàn, tính rèn, tính đúc, tính nhiệt luyện Tính nhiệt luyện khả làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo … hợp kim cách nung nóng hợp kim tới nhiệt độ định, giữ nhiệt độ thời gian, sau làm nguội hợp kim theo chế độ định Trong kỹ thuật thường sử dụng hợp kim có cấu trúc dung dịch rắn; hình thành dung dịch rắn mạng tinh thể kim loại bảo toàn chu kỳ mạng lại thay đổi Giống kim loại, điện trở hợp kim tổng điện trở thành phần ρ hk = ρ t + ρ Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ C= Trang 176 ε o ε 1ε C1C F ,( ) = C1 + C ε a + ε a1 m Mật độ mặt điện tích: ε o ε 1ε As U ( ) D = C.U = ε a + ε a1 m Mật độ mặt điện tích hai lớp điện môi nhau: ε o ε 1ε D = ε o ε E1 = ε o ε E = U ε a + ε a1 Từ cường độ điện trường E1 mica: ε2 E1 = U ε a + ε a1 Cường độ điện trường lớp sơn: ε1 U > E1 E2 = ε a + ε a1 : ε1 > ε rút đẳng thức: E1ε1 = E2 ε2 ε E2 = E1 > E1 ε1> ε2 ε2 Kết luận: lớp sơn có điện trường lớn hơn, để tính giá trị điện áp U cho phép, cần phải lấy giá trị độ bền điện sơn làm sở tính toán Vậu điện áp đánh thủng : 9ε a + 10ε a1 U= E2 ε1 360.10 −6 + 1000.10 −6 9.8,5.10 −6 + 10.4,25.10 −6 = 8500.10 −6 MV 50 = 8 U = 8500V U= Cường độ lớp mica ½ cường độ sơn ε 1 MV E1 = E = E = E = 50 = 25 ε1 2 m Bài 13: Cho dẫn dẫn điện, tiết diện tròn, đường kính d = 30mm, đặt đồng tâm ống kim loại có đường kính D2 = 100mm, dẫn ống kim loại cách điện gồm có hai lớp: lớp ống giấy bakelit bọc sát dẫn, đường kính ống giấy D1= 600mm, lớp dầu biến 1) Điện áp đặt lên dẫn ống kim loại:100kV với tần số 50hz Hãy vẽ đồ thị phân bố cường độ điện trường lớp cách điện theo hướng bán kính tính giá trị điện dung, với chiều dài L = 1500mm Hãy tính giá trị điện dung hai lớp cách điện thay đổi vị trí, tính hệ số an toàn phương diện cường độ điện trường PHẦN BÀI TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 177 2) Điện áp đặt lên dẫn ống kim loại điện áp chiều, 100kV Hãy tính cường độ điện trường lớp cách điện Cho biết đặc tính giấy bakelit dầu biến sau: ε pv(Ωm) giấy bakelit 4,4 1012 dầu biến 2,2 1014 ng giấy bakelit(ε1) Dầu biến (ε2) Bài giải: 1) Trường hợp đặt điện áp xoay chiều 100kV, 50hz Suy luận: a/ mật độ mặt điện tích không đổi: D= D Q d ;