Vật liệu dẫn điện, hợp kim có điện trở cao, cáp và dây dẫn điện,... là những nội dung chính trong chương 8 Vật liệu dẫn điện và cáp điện trong bài giảng Vật liệu điện và cao áp do giáo viên Ngô Quang Ước biên soạn. Mời các bạn cùng tham khảo.
CHƯƠNG 8. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN VÀ CÁP ĐIỆN 1. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 1.1. Phân loại tính chất vật liệu dẫn điện * Phân loại: - Thế rắn: có kim loại hợp kim. Kim loại gồm loại có điển dẫn cao (dùng làm dây dẫn, cáp điện ) loại có điện trở cao (dùng làm biến trở, đèn thăm sáng .). - Thể lỏng: Gồm kim loại nóng chảy dung dịch điện phân. - Thể khí: Loại trở thành vật dẫn điều kiện định. * Tính chất: - Điện dẫn suất điện trở suất. - Hệ số nhiệt điện trở suất. l R Ω.m S t (1 .t ) Trong đó: ρt - điện trở suất vật liệu đo nhiệt độ t0; ρ0 - điện trở suất nhiệt độ ban đầu; αρ - hệ số nhiệt điện trở suất Hệ số nhiệt điện trở suất nói lên thay đổi điện trở suất vật liệu nhiệt độ thay đổi: t 0 TK t - Sự biến đổi điện trở suất biến dạng. Kim loại bị kéo hay bị nén, điện trở suất tính gần sau: L (1 ) Với: - σ ứng suất tiết diện mẫu; - φ hệ số ứng suất cơ. Dấu cộng (+) ứng với biến dạng kéo, dấu trừ (-) nén. - Nhiệt dẫn suất Theo định luật thực nghiệm Viđeman Frantx n aT Hệ số a đa số kim loại giống nhau: a = 2,23.10-8 - Sức nhiệt động. + Khi cho hai kim loại khác tiếp xúc chúng phát sinh hiệu điện thế. Và xác định theo công thức: U AB U B U A n KT .ln OA e nOB Trong đó: UA UB - điện tiếp xúc kim loại A B nOA nOB - mật độ điện tử kim loại A B T – Nhiệt độ chỗ tiếp xúc K – số Boltzman k = 1,38.10-23 (J/K) + Nguyên nhân phát sinh hiệu điện tiếp xúc công thoát kim loại khác số điện tử tự kim loại (hoặc hợp kim) không + Hiệu điện tiếp xúc cặp kim loại dao động vài phần mười đến vài vôn, nhiệt độ cặp nhau, tổng hiệu điện mạch kín không. Nhưng phần tử cặp có nhiệt độ T1 cặp T2 trường hợp phát sinh sức nhiệt điện động (s.n.đ.đ) U n K (T T2 ) ln OA A(T1 T2 ) e nOB A mV B T2 T1 Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo cặp nhiệt điện + Sự xuất hiệu điện tiếp xúc đóng vai trò quan trọng tượng ăn mòn điện hóa úng dụng số khí cụ đo lường, đặc biệt ứng dụng để chế tạo cặp nhiệt ngẫu dùng để đo nhiệt độ - Hệ số nhiệt giãn nở dài vật dẫn kim loại. + Hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài vật dẫn kim loại L TK L dL Lt dT Giá trị: - αL cao nóng chảy nhiệt độ thấp. - αL nhỏ khó nóng chảy + Hệ số nhiệt độ vật dẫn tính: R L - Tính chất học vật dẫn. + Đặc tính đặc trưng giới hạn bền độ dãn dài tương đối đứt ∆l/l 1.2. Vật liệu có điện dẫn cao 1) Đồng (Cu) - Ưu điểm: Điện trở suất nhỏ; Độ bền tương đối cao; Chống ăn mòn tốt; Khả gia công tốt; Hàn gắn tương đối dễ dàng. - Sản xuất: Được tiều chế từ quặng sunfít tự nhiên, sau làm điện phân sau kéo thành sản phẩm có tiết diện cần thiết. - Chế tạo dây dẫn: Thỏi đồng cán nóng thành dây đường kính 6,5 – 7,2 mm, sau dây rửa dung dịch axít sunfuric loãng để khử đồng ôxít CuO2 sinh bề mặt đốt nóng đồng, cuối kéo nguội thành sợi có đường kính cần thiết đến 0,03 ÷ 0,02 mm. Ảnh hưởng dòng xoay chiều lên tính chất siêu dẫn - Với điện áp chiều qua dây siêu dẫn điện áp đầu dây không U = RI =0 (R = 0). - Đối với điện áp xoay chiều tăng tần số (khoảng f = 1011Hz vùng hồng ngoại) xảy tình trạng điện áp khác không, tức có điện trở tính siêu dẫn bị phá vở. Điều giải thích: Khi thay đổi điện trường tác dụng lên dây dẫn, dòng điện dây dẫn không thay đổi tức thời cách đồng điện tử có khối lượng, có lực quán tính, có nghĩa làm xuất hiện tượng trễ sinh tỏa nhiệt. Nếu dòng điện có tần số thấp, tượng tỏa nhiệt không đáng kể, siêu dẫn siêu dẫn. Nếu số siêu cao lượng đáng kể chất siêu dẫn có điện trở bị phá tính chất siêu dẫn Mật độ dòng điện tới hạn - Khi cho dòng điện qua chất siêu dẫn, cường độ dòng điện có mật độ đạt giá trị J ≥ Jc (Cho chất siêu dẫn), mẫu siêu dẫn xuất điện trở, Jc gọi mật độ dòng tới hạn. - Jc số chất siêu dẫn loại II Vật liệu Nb-Ti Jc (A/cm2) H0 (T) 3,4.105 T (K) 4,2 V3Ga Nb3Al Nb3Ga 2.106 4,86.104 2.104 4,2 1,8 4,2 10 20 20 Nitơ sôi nhiệt độ 77K đóng băng 63K Heli sôi nhiệt độ 4,22 K 2. CÁP VÀ DÂY DẪN ĐIỆN • Trong công nghiệp, cáp dây dẫn dùng để truyền tải phân phối điện năng, đồng thời dùng để đấu nối máy điện, thiết bị điện với nhau, dùng để truyền tín hiệu với tần số khác nhau. • Thường cáp điện tạo nên từ thành phần chính: phần dẫn, cách điện bảo vệ. 2.1. Cơ sở phân loại cáp. 1. Phân loại theo thành phần kết cấu gồm: • Dây dẫn cách điện (dây cáp trần) tạo nên từ lõi dẫn • Dây dẫn có cách điện tạo nên từ hai thành phần lõi dẫn lớp dẫn lớp cách điện. • Dây cáp mềm tạo nên từ tổ hợp hai hay nhiều dây dẫn mềm có cách điện bao bọc chung lớp bảo vệ • Cáp điện tạo nên từ thành phần kết cấu : lõi dẫn, cách điện vỏ bọc bảo vệ, chúng thường trang bị thêm lớp bảo vệ dạng sợi dây dẫn hay băng thép, chì (cáp chì). 2. Phân loại theo vật liệu cách điện • Dây trần, cáp điện dây dẫn cách điện giấy (tẩm hay không tẩm) • Cáp điện, dây dẫn dây cáp mềm cách điện cao su polime cách điện. • Dây ê may • Dây dẫn cáp cách điện sợi cách điện tổ hợp. • Sự phân loại quan trọng xem xét vấn đề có liên quan tới công nghệ chế tạo cáp dây dẫn để thành lập phân xưởng hay nhà máy chế tạo riêng. 3. Phân loại theo mục đích sử dụng • Cáp dây dẫn chia thành nhóm sau: • Cáp điện áp cao ( U >1000 V) (truyền tải, phân phối điện ) • Cáp điện áp thấp ( dùng mạch nhị thứ ) • Cáp rađiô(dùng truyền tải phân phối lượng với tần số > 1MHz) • Cáp thông tin liên lạc: (dùng điện thoại, điện tín ) • Dây quấn (dùng cuộn MBA, máy điện, thiết bị đo lường.) 4. Phân loại theo lĩnh vực sử dụng • Cáp chi tiết cáp sử dụng đại chúng dùng để cung cấp điện công nghiệp, giao thông, thông tin liên lạc xa gần dùng cho xây dụng, nhà • Cáp dây dẫn chuyên dung: Dùng kỹ thuật chuyên ngành riêng điều kiện khí hậu khắc nghiệt gồm: + Cáp tàu thuỷ tàu biển. + Cáp dùng kỹ thuật hàng không, vũ trụ. + Cáp dùng công nghiệp dầu mỏ. + Cáp dùng hầm mỏ + Cáp dùng cho thiết bị di chuyển: cần trụ, cầu cẩu… + Cáp làm việc nước. 8.2.2. Vật liệu cáp điện 1. Vật liệu dùng để làm lõi dẫn chắn điện. - Dùng lõi dẫn đồng, nhôm thép, dùng dây dẫn điện trở thấp điện trở cao. Kích thước dây dẫn từ vài Micron 10mm. - Yêu cầu: + Độ dẫn điện cao + Đặc tính cao + Không bị ăn mòn + Dễ chế tạo, kinh tế không nguyên tố - Các vật liệu thường sử dụng: Đồng, nhôm, sắt, Hợp kim điện dẫn cao (đồng thiêc; đồng chì); 2.2. Vật liệu cáp điện 1. Vật liệu dùng để làm lõi dẫn chắn điện. - Dùng lõi dẫn đồng, nhôm thép, dùng dây dẫn điện trở thấp điện trở cao. Kích thước dây dẫn từ vài Micron 10mm. - Yêu cầu: + Độ dẫn điện cao + Đặc tính cao + Không bị ăn mòn + Dễ chế tạo, kinh tế không nguyên tố - Các vật liệu thường sử dụng: Đồng, nhôm, sắt, Hợp kim điện dẫn cao (đồng thiêc; đồng chì); 2. Vật liệu cách điện - Trong sản xuất cáp người ta thường sử dụng loại vật liệu sau đây: + Vật liệu từ tự nhiên: Giấy cách điện, vải, cao su, amiăng, cách kiến + Vật liệu nhân tạo mà nhận gia công hoá học polime: Polivinhilxlorit (PVC), Polietilen, PE, XLPE, Cao su nhân tạo: cao su butadien, Prolitetrafoetilen + Vật liệu màng mỏng: giấy cáp giấy telephone, triaxêtát,… - Yêu cầu: Cách điện tốt: Cường độ cách điện cao, số điện môi có trị số bé, tổn hao điện môi bé, điện trở suất cao, chịu môi trường nóng ẩm, độ bền – lýhoá cao, chịu nhiệt tốt… 3. Vật liệu để bảo vệ cáp - Đặc điểm: Không yêu cầu cao đặc tính điện - Chia loại: + Kim loại: Dùng để bảo vệ cáp dây dẫn tạo nên lớp vỏ chống thấm lớp bao bọc bên (bọc thép) + Hỗn hợp cao su ống mềm: Dùng để lót thêm cho tăng tính chất học chống ẩm môi trường xâm nhập vào cáp. + Các chất dẻo màng mỏng: Bảo vệ chống ăn mòn kim loại, tăng thêm phần bảo vệ cho cáp. + Vật liệu sợi, sơn sơ tẩm compaund: Dùng làm lớp bảo vệ cáp dây dẫn, lót đệm cho lớp bọc kim loại để bảo toàn lớp kim loại khỏi tác động học quấn băng kim loại lắp đặt cáp [...]... vào khuôn rồi rót đồng nóng chảy vào khe giữa thỏi thép và thành khuôn, sau đó làm sạch rồi đem cán và kéo - Phương pháp nguội: hay điện phân là phương pháp phủ đồng lên dây thép bằng điện phân, khi dây thép đi qua bể điện phân có dung dịch đồng sunfat + Phương pháp nguội đảm bảo lớp bao bọc đồng đều hơn nhưng tiêu phí điện năng lớn, và nó tạo nên sức bám của đồng với thép không bền bằng phương pháp... ra còn được dùng làm các tiếp điểm trong kỹ thuật đo, trong Rơle và các khí cụ điện 1.4 HỢP KIM CÓ ĐIỆN TRỞ CAO • Hợp kim có điện trở cao được dùng trong kỹ thuật điện để chế tạo các dụng cụ đo lường, điện trở mẫu, biến trở, dụng cụ nung nóng • Đối với tất cả các thiết bị ấy đều yêu cầu dây dẫn có điện trở suất cao và hệ số biến đổi của điện trở suất đối với nhiệt độ nhỏ so với các phần tử hợp thành... thép quyết định, và đường kính ngoài của dây nhôm lớn hơn sử dụng đồng nên giảm được tổn thất do phóng điện vầng quang 4) Sắt (thép) - Thép (sắt công nghiệp) là kim loại rẻ tiền, dễ khiếm, có độ bền cơ cao, nên được làm vật dẫn - Sắt tinh khiết có điện trở suất lớn hơn nhiều so với Cu và Al, thép là sắt với tạp chất cácbon và một số chất khác có điện trở suất cao hơn nhiều - Dòng điện xoay chiều trong... thép đối với dòng điện xoay chiều cao hơn điện trở với dòng 1 chiều Dòng xoay chiều còn gây ra tổn thất từ trễ • Ứng dụng: - Thép làm dây dẫn thường: + Thép mềm có 0,10÷ 0,15% Cácbon + Giới hạn bền kéo 70 ÷75kg/mm2 + Độ giãn dài tường đối khi đứt 5- 8% + Điện dẫn suất nhỏ hơn đồng 6 -7 lần - Làm vật liệu dẫn điện dưới dạng thanh dẫn, đường ray tải điện, đường sắt chạy điện, tàu điện ngầm… - Làm lõi... đây được Wofram (W) thông qua điện phân ở nhiệt độ cao 1050 13000C • Wofram là một kim loại có sức bền đứt và độ cứng rất cao, nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong số tất cả các kim loại được sử dụng trong kỹ thuật điện, được chế tạo thành sợi tóc trong các bóng đèn điện sợi đốt, chế tạo các điện trở phát nóng cho các lò điện, Tuy nhiên, để cản trở sự oxyt hóa dây tóc và sự bay hơi của nó, các bóng... quá 46% và có thêm Si, Ni, Al, Mn, Fe, Sb,… + Đồng thau có điện trở suất cao hơn Có độ giãn dài tương đối khá cao, có độ bền kéo cao hơn nên có đặc tính công nghệ ưu việt hơn so với đồng tinh khiết khi gia công rèn, dập, kéo sợi mảnh + Được dùng trong kỹ thuật điện để sản xuất ra mọi chi tíêt dẫn điện như: roto lồng sóc, các chi tiết như vít, chốt, khóa, các ổ cắm điện 3) Nhôm - Nhôm là vật liệu quan... khi nguội và khi nóng, kim loại có từ tính - Niken được dùng để chế tạo các nhiệt ngẫu đo nhiệt độ (Ni-Fe, Ni-Cr); chế tạo các tiếp điểm điện làm việc trong môi trường Cacbua Hydro đối với dòng điện nhỏ và điện áp lớn (đối với công suất lớn, tiếp điểm dùng hợp kim Ni-Ag) ; chế tạo các điện trở phát nóng, đến 9000C ; dùng để mạ bảo vệ cho những chi tiết bằng sắt thép thông qua phương pháp điện phân,... và vỏ tụ điện điện phân + ABOOO có tạp chất < 0,004% - Cộng nghệ gia công như cán, kéo và ủ củng giống như đồng – + Nếu Nhôm được cán nguội thì goi là Nhôm cứng(AT) + Nếu Nhôm được ủ thì goi là Nhôm mềm (AM) • Tính chất của nhôm cứng (AT) và mềm (AM): + Giới hạn bền khi kéo với AT > 1617 còn AM > 8 kG/mm2 + Độ dãn dài tương đối khi đứt với AT > 1,52% còn AM > 10 18% + Điện dẫn suất với AT > 0,0295 và. .. nhiệt độ giãn nở dài, nhiệt dung và nhiệt độ nóng chảy của nhôm đều lớn hơn đồng - Cùng một tiết diện và chiều dài nhôm kém đồng cả về độ bền cơ và đặc tính điện - Điện trở dây nhôm lớn hơn đồng 1,63 lần nên điện trở RAl = RCu hay đường kính (DAl = 1,63DCu) vì vậy khi nào bị hạn chế về kích thước thì việc dùng nhôm thay đồng gặp khó khăn - Nếu so sánh 2 đoạn dây nhôm và đồng có cùng độ dài, R Mặc dù... cùng điện dẫn và chiều dài thì dùng Al lợi hơn Cu trong trường hợp nếu 1 tấn nhôm đắt hơn một tấn đồng không quá 2 lần Nên Al thay thế Cu làm dây điện đường dây tải điện trên không và dùng sản xuất lõi dây cáp điện với số lượng rất lớn • Phân loại Nhôm - Theo thành phần tạp chất: + Al là nhôm có tạp chất trong thành phần không quá 0,5% + ABOO có tạp chất < 0,03% được dùng sản xuất nhôm lá, các điện . 26÷ 28 kG/mm 2 . + Độ dãn dài tương đối khi đứt với MT > 0,5÷2,5% còn MM > 18 35% + Điện trở suất với MT > 0,0179÷0,0 182 còn AM > 0,01754 Ω.mm 2 /m. + Nhiệt độ nóng chảy: 1 083 0 C. định luật thực nghiệm Viđeman Frantx Hệ số a đối với đa số kim loại giống nhau: a = 2,23.10 -8 )1( L n aT - Sức nhiệt động. + Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc thì giữa. độ điện tử trong kim loại A và B T – Nhiệt độ tại chỗ tiếp xúc K – hằng số Boltzman k = 1, 38. 10 -23 (J/K) + Nguyên nhân phát sinh hiệu điện thế tiếp xúc là do công thoát của mỗi kim loại