Bài giảng vật liệu điện (đại học liên thông vừa làm vừa hoc)

Đề cương giảng- Vật liệu điện MỤC LỤC CHƯƠNG I CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VẬT LIỆU VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU 1.1.CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU 1.2 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU 1.3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CHƯƠNG 11 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 11 2.1 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 11 2.2 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT CAO 14 2.3 HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT THẤP.(ĐIỆN TRỞ CAO) .17 2.4 CÁC KIM LOẠI KHÁC 17 2.5 ỨNG DỤNG CỦA HỢP KIM TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN 21 2.6.VẬT LIỆU SIÊU DẪN 28 CHƯƠNG III 33 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 33 3.1 NHỮNG HIỂU BIẾT CƠ BẢN TRONG KỸ THUẬT CÁCH ĐIỆN 33 3.2 PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 36 3.3 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ RẮN 37 3.4 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Ở THỂ KHÍ, LỎNG VÀ LỬA LỎNG 43 3.5 SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 46 3.6 KIỂM NGHIỆM CÁCH ĐIỆN 52 CHƯƠNG IV 56 VẬT LIỆU SẮT TỪ 56 4.1 KHÁI QUÁT 56 4.2 CHU TRÌNH TỪ TRỄ VÀ ĐƯỜNG CONG TỪ HOÁ CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU TỪ 60 4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC ĐỘNG CƠ HỌC VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN TÍNH DẪN TỪ CỦA THÉP KỸ THUẬT ĐIỆN 62 CHƯƠNG V 64 VẬT LIỆU BÁN DẪN 64 5.1 KHÁI NIỆM 64 5.2 ĐIỆN DẪN CỦA BÁN DẪN .64 5.3 DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN 66 5.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU BÁN DẪN ĐIỂN HÌNH 67 Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang Đề cương giảng- Vật liệu điện CHƯƠNG I CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VẬT LIỆU VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU 1.1.CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU 1.1.1 Cấu tạo nguyên tử Mọi vật liệu (vật chất) cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử phần tử vật chất Theo mô hình nguyên tử Bor, nguyên tử cấu tạo từ hạt nhân mang điện tích dương điện tử (electron) mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo định Hạt nhân nguyên tử cấu tạo từ hạt proton nơtron Nơtron hạt không mang điện tích, proton có điện tích dương với số lượng Z.q Trong đó: Z – số lượng điện tử nguyên tử đồng thời so thứ tự nguyên tố nguyên tử bảng tuần hoàn Menđêlêep q – điện tích điện tử e (q = 1,6.10-19 culông) Proton có khối lượng 1,6.10-27 kg, electron (e) có khối lượng 9,1.10-31kg Ơ trạng thái bình thường nguyên tử trung hoà điện, tức nguyên tử có tổng điện tích dương hạt nhân tổng số điện tích âm điện tử Nếu lý nguyên tử hay nhiều điện tích trở thành điện tích dương, ta gọi ion dương Ngược lại nguyên tử trung hoà nhận thêm điện tử trở thành ion âm Để có khái niệm lượng điện tử ta xét nguyên tử Hiđrô, nguyên tử cấu tạo tử proton điện tử Khi điện tử chuyển động quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân điện tử chịu lực hút hạt nhân f1 xác định công thức sau: Lực hút f1 cân với lực ly tâm chuyển động f2 : Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang Đề cương giảng- Vật liệu điện Trong đó: m – Khối lượng điện tử v – Tốc độ chuyển động điện tử Từ (1) (2) ta có: f1 = f2 hay Trong trình chuyển động điện tử có động năng: T = , nên lượng điện tử bằng: năng: T = Biểu thức (4) chứng tỏ điện tử nguyên tử có mức lượng định, lượng tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động điện tử Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính xa vô cần phải cung cấp cho lượng lớn bằng: Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khái nguyên tử trở thành điện tử tự người ta gọi lượng ion hoá (Wi) Khi bị ion hoá (bị điện tử), nguyên tử trở thành ion dương Quá trinh biến nguyên tử trung hoà thành ion dương điện tử tự gọi trình ion hoá Trong nguyên tử, lượng bị ion hoá lớp điện tử khác khác nhau, điện tử hoá trị có mức lượng ion hoá thấp chúng cách xa hạt nhân Khi điện tử nhận lượng nhỏ lượng ion hoá chúng bị kích thích di chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác, song chúng có xu trở vị trí trạng thái ban đầu Phần lượng cung cấp để kích thích nguyên tử trả lại dạng lượng quang học (quang năng) Trong thực tế, lượng ion hoá lượng kích thích nguyên tử nhận từ nhiều nguồn lượng khác nhiệt năng, quang năng, điện năng; lượng tia sóng ngắn tia hồng ngoại, tử ngoại, hay tia Rơnghen… 1.1.2 Cấu tạo phân tử Liên kết đồng hoá trị Liên kết đồng hoá trị đặc trưng dùng chung điện tử nguyên tử phân tử có mật độ đám mây điện tử hạt nhân trở thành bão hoà,lên kết phân tử bền vững Lấy cấu trúc phân tử clo làm ví dụ Phân tử clo (Cl2) gồm nguyên tử clo, nguyên tử clo có 17 điện tử, điện tử lớp hoá trị Hai nguyên tử liên kết bền vững với cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ nguyên tử bổ sung thêm điện tử nguyên tử Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang Đề cương giảng- Vật liệu điện Liên kết ion Liên kết ion xác lập lực hút ion dương ion âm phân tử Liên kết ion liên kết liên kết bền vững Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ điển hinh tinh thể ion muối halogen kim loại kiềm Khả tạo nên chất hợp chất mạng không gian phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử hình dạng lớp điện tử hoá trị Liên kết kim loại Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn Kim loại xem hệ thống cấu tạo từ ion dương nằm môi trường điện tử tự Lực hút ion dương điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Chính liên kết kim loại loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Lực hút ion dương điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Sự tồn điện tử tự làm cho kim loại có tính ánh kim tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo kim loại giải thích dịch chuyển trượt lên lớp ion, kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng ** Một số dạng tinh thể Kim loại Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang Đề cương giảng- Vật liệu điện - Mạng lập phương tâm khối - Mạng lập phương tâm mặt - Mạng lục giác xếp chặt Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang Đề cương giảng- Vật liệu điện 1.1.3 Khuyết tật cấu tạo vật rắn Các tinh thể vật rắn có thẻ có kết cấu đồng Sự phá huỷ kết cấu đồng tạo nên khuyết tật vật rắn thường gặp nhiều thực tế Những khuyết tật tạo nên ngẫu nhiên hay cố ý trình công nghệ chế tạo vật liệu Khuyết tật vật rắn tượng phá tính chất chu kỳ trường tĩnh điện mạng tinh thể như: phá thành phần hợp thức; có mặt tạp chất lạ; áp lực học; lượng tử dao động đàn hồi – phônôn; mặt tinh thể phụ – đoạn tầng; khe rãnh, lỗ xốp…Khuyết tật làm thay đổi đặc tính cơ-lý-hoá tính chất điện vật liệu Khuyết tật tạo nên tính đặc biệt tốt (ví dụ: vi mạch IC…) làm cho tính chất vật liệu (Ví dụ: vật liệu cách điện có lẫn kim loại) 1.1.4 Lý thuyết vùng lượng Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn điện môi (cách điện) Việc nghiên cứu quang phổ Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang Đề cương giảng- Vật liệu điện phát xạ chất khác trạng thái khí nguyên tử cách xa khoảng cách lớn rõ nguyên tử chất đặc trưng vạch quang phổ hoàn toàn xác định Điều chứng tỏ nguyên tử khác có trạng thái lượng hay mức lượng khác Khi nguyên tử trạng thái bình thường không bị kích thích, số mức lượng bị nguyên tử lấp đầy, mức lượng khác điện tử có mặt nguyên tử nhận lượng tử bên tác động (trạng thái kích thích) Nguyên tử có xu hướng quay trạng thái ổn định Khi điện tử chuyển từ mức lượng kích thích sang mức lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát phần lượng dư thừa Những điều nói đặc trưng biểu đồ lượng Khi chất khí hoá lỏng sau tạo nên mạng tinh thể vật rắn, nguyên tử nằm sát nhau, tất mức lượng nguyên tử bị dịch chuyển nhẹ tác động nguyên tử bên cạnh tạo nên dải lượng hay gọi vùng mức lượng Do lượng chuyển động nhiệt nên vùng lượng bình thường nguyên tử vị trí thấp gọi vùng hoá trị hay gọi vùng đầy (ở 00K điện tử hoá trị nguyên tử lấp đầy vùng này) Những điện tử tự có mức lượng hoạt tính cao hơn, dải lượng chúng tập hợp thành vùng tự hay vùng điện dẫn 1.2 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU 1.2.1 Phân loại theo khả dẫn điện Trên sở giản đồ lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện (điện môi), bán dẫn dẫn điện Điện môi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức điều kiện thường dãn điện điện tử không xảy Các điện tử hoá trị cung cấp thêm lượng chuyển động nhiệt di chuyển tới vùng tự để tham gia vào dòng điện dẫn Có W nằm khoảng từ 1,5 đến vài điện tử vôn (eV) Bán dẫn: Là chất có vùng cấm hẹp nhiều so với điện môi, vùng thay đổi nhờ tác động lượng bên Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (W = 0,2 ÷ 1,5eV), nhiệt độ bình thường số điện tử hoá trị vùng đầy tiếp sức chuyển động nhiệt di chuyển tới vùng tự để tham gia vào dòng điện dẫn Vật dẫn: chất có vùng tự nằm sát với vùng đầy chí thể nằm chồng lên vùng đầy (W < 0,2 eV) Vật dẫn điện có số lượng điện tư tự lớn; nhiệt độ bình thường điện tử tự vùng đầy chuyển sang vùng tự dễ dàng, tác dụng lực điện trường điện tử tham gia vào dòng điện dẫn Chính vật dẫn có tính dẫn điện tốt 1.2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính Nghịch từ: Là chất có mật độ từ thẩm µ< không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên Loại gồm có Hidro, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, muối mỏ kim loại như: đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, gali, atimoan Thuận từ: Là chất có độ từ thẩm µ > không phụ thuộc vào từ trường bên Loại gồm có oxy, nitơ oxit, muối đất hiếm, muối sắt, muối coban niken, Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang Đề cương giảng- Vật liệu điện kim loại kiềm, nhôm, bạch kim Chất dẫn từ: Là chất có µ >> phụ thuộc vào cường độ từ trường bên Loại gồm có: sắt, niken, coban, hợp kim chúng; hợp kim crom mangan, gađolonit, pherit có thành phần khác 1.3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU 1.3.1 Cơ tính Là đặc trưng học biểu thị khả kim loại hay hợp kim chịu tác động của loại tải trọng Những đặc trưng là: a Độ bền Là khả vật liệu chịu tác động ngoại lực mà không bị phá huỷ Độ bền ký hiệu chữ  (xích ma) Tuỳ theo dạng khác ngoại lực ta có độ bền : độ bền kéo (k); độ bền uốn (u); độ bền nén (n) Khi chế tạo loại vật liệu, độ bền xác định phòng thí nghiệm theo mẫu ứng với tải trọng động khác b Độ cứng Là khả vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục có ngoại lực tác dụng lên kim loại thông qua vật nén Nếu giá trị lực nén, vết lõm biến dạng mẫu đo lớn , sâu độ cứng mẫu kim loại Đo độ cứng phương pháp thử đơn giản nhanh chóng để xác định tính chất vật liệu mà không cần phá hỏng chi tiết Độ cứng đo nhiều phương pháp dùng tải trọng nén thông qua viên bi thép nhiệt luyện cứng mũi kim cương hình nón hình chóp ép lên bề mặt vật liệu muốn thử, đồng thời xác định kích thước vết lõm in mặt vật liệu c Độ giãn dài tương đối Là tỷ lệ tính theo phần trăm lượng giãn dài sau kéovà chiều dài ban đầu, ký hiệu  % = 100% Trong đó: L1 L0: Độ dài mẫu trước sau kéo tính đơn vị đo (mm) Vật liệu có độ giãn dài lớn vật liệu dẻo ngược lại d Độ dai va chạm Có chi tiết máy làm việc phải chịu tải trọng tác dụng đột ngột (hay gọi tải trọng va đập) Khả chịu đựng vật liệu tải trọng đóm không bị phá huỷ gọi độ dai va chạm Ký hiệu ak (J/mm2 KJ/m2) e Độ bền mỏi Giới hạn bền mỏi tiêu tính quan trọng để đánh giá khả làm việc chi tiết tải trọng thay đổi trục, bánh răng, lò xo Như biết, ứng suất lớn số chu trình chịu đựng chi tiết nhỏ Giới hạn mỏi đánh giá ứng suất lớn mẫu chịu đựng tới 107 chu kỳ mà theo kinh nghiệm sau Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang Đề cương giảng- Vật liệu điện bị phá huỷ Từ chế phá huỷ mỏi người ta áp dụng biện pháp sau để nâng cao giới hạn mỏi - Tạo nên lớp bề mặt lớp ứng suất nén dư Vết nứt mỏi thường xuất bề mặt ứng suất kéo lớn Nếu có ứng suất nén dư (có sẵn) ứng suất kéo tác dụng thực tế giảm đi, nhờ hạn chế vết nứt Có thể tạo nên ứng suất nén dư bề mặt cách phun bi, lăn ép, va đập, bề mặt hoá nhiệt luyện - Nâng cao độ bền tức khả cản trượt khó sinh vết nứt mỏi đầu tiên, nhờ nâng cao giới hạn mỏi - Tạo cho bề mặt có độ bóng cao, rãnh, lỗ, tránh tiết diện thay đổi đột ngột 1.3.2 Lý tính Là tính chất kim loại thể qua tượng vật lý thành phần hoá học kim loại không thay đổi Lý tính kim loại bao gồm : khối lượng riêng , nhiệt độ nóng chảy , tính giãn nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện từ tính a Khối lượng riêng Là khối lượng 1cm3 vật chất Nếu gọi m khối lượng vật chất, V thể tích vật chất,  khối lượng riêng vật chất ta có công thức:  = m/V (g/cm3) Ứng dụng khối lượng riêng kỹ thuật rộng rãi, dùng để so sánh kim loại nặng nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu mà dùng để giải số công việc thực tế Chẳng hạn vật lớn thép đường ray, thép định hình khó cân khối lượng biết khối lượng riêng đo kích thước mà tính thể tích nên không cần cân dùng công thức để tìm khối lượng riêng chúng b Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ nung nóng đến làm cho kim loại từ thể rắn sang thể lỏng Chẳng hạn sắt nguyên chất chảy nhiệt độ 1539oC Điểm chảy gang 1130 ÷13500C Điểm chảy thép 1400÷15000C Đối với gang thép nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào hàm lượng cacbon có thép gang Tính chất quan trọng công nghiệp chế tạo khí, công nghệ hàn nắm nhiệt độ nóng chảy loại vật liệu mà điều chỉnh trình sản xuất trình hàn cắt kim loại c.Tính giãn nở Là khả giãn nở kim loại nung nóng Độgiãn nở lớn hay bé phụ thuộc vào biểu thị hệ số giãn nở chiều dài đơn vị (1mm) gọi hệ số giãn nở theo chiều dài Ví dụ hệ số giãn nở theo chiều dài sắt nguyên chất 11,8*10-6 thép 12*10-6 d.Tính dẫn nhiệt Là khả dẫn nhiệt kim loại Độ dẫn nhiệt kim loại hợp kim không Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang Đề cương giảng- Vật liệu điện giống Ví dụ gang thép có tính dẫn nhiệt tốt xa so với đồng nhôm Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt bạc đồng 0,9; nhôm 0,5; sắt 0,15 e Tính dẫn điện Là khả truyền dòng điện kim loại Kim loại vật dẫn điện tốt, bạc sau đến đồng nhôm bạc đắt tiền nên kỹ thuật thường sử dụng đồng nhôm Nhìn chung hợp kim có tính dẫn điện so với kim loại g Từ tính Là khả dẫn từ kim loại Những vật liệu có khả từ tính cao sắt, niken, coban hợp kim chúng Hoá tính Là độ bền kim loại tác dụng chất khac như: ô xy, nước, Axit …mà không bị phá a Tính chịu ăn mòn Là độ bền kim loại ăn mòn môi trường xung quanh b.Tính chịu nhiệt Là độ bền kim loại ăn mòn ô xy không khí nhiệt độ cao tác dụng ăn mòn vài thể lỏng thể khí nhiệt độ cao c Tính chịu a xít: Là độ bền kim loại ăn mòn a xít Tính công nghệ Là khả thay đổi trạng thái kim loại, hợp kim , tính công nghệ bao gồm tính chất sau: a Tính đúc Được đặc trưng độ chảy loãng, độ co tính thiên tích Độ chảy loãngbiểu thị khả điền đầy khuôn kim loại hợp kim Nếu độ chảy loãng cao tính đúc tốt b Tính rèn Là khả biến dạng vĩnh cữu kim loại chịu tác dụng ngoại lực để tạo thành hình dạng chi tiếtmà không bị phá huỷ Thép có thép có tính rèn cao nung nhiệt độ phù hợp tính dẻo tương đối lớn gang khả rèn tính giòn cao Đồng, chì, có khả rèn tốt trạng thái nguội chúng c Tính hàn Là khả tạo thành liên kết phần tử hàn nung nóng sơ chỗ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 10 Đề cương giảng- Vật liệu điện Kiểm nghiệm trình chế tạo Đo tổn hao dẫn chế tạo xong (thử điện áp) Kiểm nghiệm cách điện máy phát chế tạo xong Thứ tự kiểm nghiệm: a Đo điện trở cách điện mức độ thẩm thấu b Đo số tổn hao (tg) đo điện áp ion hoá c Thử lại điện áp 50 Hz : tiến hành đồng thời với đo tg điện áp ion hoá Kiểm nghiệm cách điện máy phát trình vận hành - Tinh chất cách điện máy phát.Trong trình vận hành trị số tg giảm (thời gian 12 năm), thời gian cách điện sấy khô hoàn toàn Tiếp theo tg giữ không đổi thời gian sau bắt đầu tăng chậm lên, cách điện bị giãn nở nhiệt có lỗ hổng giai đoạn đầu cách điện tăng nhờ sấy khô, sau giảm Nếu cách điện nhiều miếng mi ghép lại thành điện trở cách điện tiếp tục giảm dần lúc cách điện bị đánh thủng - Nội dung kiểm nghiệm a Đo điện trở cách điện mức độ thẩm thấu b Đo tg điện áp ion hoá c Lấy đường đặc tính xả điện d Thử điện áp nguồn điện áp chiều xoay chiều e Đo lặp lại điện trở cách điện , mức độ thẩm thấu tg điện áp ion hoá 3.6.5 Kiểm nghiệm cách điện máy cắt Cách điện máy cắt gồm: Cách điện so với đất cách điện đỡ cách điện xuyên, cách điện truyền động dầu máy cắt dầu (ở trạng thái đóng) Ngoài trạng thái mở có cách điện khe hở tiếp điểm Sự giảm sút cách điện thể cách điện xuyên trạng thái nguội dễ ẩm, thẩm thấu lớn so với máy biến áp.Thanh truyền động, buồng dập hồ quang, phân tán hồ quang chi tiết khác chủ yếu giảm sút bề mặt thường phát sinh phóng điện bề mặt Trước kiểm nghiệm phải kiểm tra dầu * Nội dung kiểm nghiệm cách điện : -Thử điện áp với điện áp chiều xoay chiều - Đo tg - Đo điện trở cách điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 55 Đề cương giảng- Vật liệu điện CHƯƠNG IV VẬT LIỆU TỪ 4.1 KHÁI QUÁT - Vật liệu từ tính sử dụng kỹ thuật điện điện tử sắt từ hợp chất sắt từ(ferit) - Vật chất sắt từ thể chủ yếu phân cực từ tự phát từ trường đặt bên Dòng từ thông vật thể đặt bên không gian không - Trong thực tế trình từ hoá mô tả với hỗ trợ đường cong từ hoá (quan hệ B-H) đường cong thể đặc tính với tất sắt từ - Độ thẩm từ tỷ số cảm ứng từ B cường độ từ trường H Tại H gần = gọi độ thấm từ ban đầu (bđ) - Độ thấm từ cao gọi độ thấm từ cực đại max - Độ thấm từ động học: Đại lượng đặc trưng cho vật liệu sắt từ từ trường xoay chiều, biên độ cảm ứng từ với biên độ lực từ hoá ~= Bm/Hm - Mật độ dòng B trì vật mẫu trình khử từ hoá sau loại bỏ lực từ H, mà lực từ H trước đưa vật mẫu đến bão hoà từ gọi cảm ứng từ dư độ từ dư (Br) - Để giảm mật độ dòng từ dư Br xuống đến cần lực từ hoá đảo Hc (gọi lực kháng từ) - Những vật liệu có lực kháng từ thấp độ thấm từ cao gọi vật liệu có tính kháng từ thấp vật liệu từ mềm - Những vật liệu có lực kháng từ cao độ thấm từ thấp vật liệu có tính kháng từ cao vật liệu từ cứng 4.1.1 Những vật liệu từ mềm Là vật liệu có độ thấm từ cao lực kháng từ nhỏ tổn thất nhỏ thường dùng làm lõi máy biến áp, nam châm Để giảm dòng điện xoáy người ta phủ lớp mỏng lên vật liệu từ mềm có sơn cách điện để tăng điện trở suất a Sắt (thép bon thấp) - Sắt thái chứa lượng tạp chất nhỏ nguyên tố C, Si nguyên tố khác Thường dùng làm lõi từ sản xuất theo nhiều cấp độ khác + Thép điện carbon thấp điện, loại khác thép thái không chứa 0,04% Cacbon không 0,6% nguyên tố khác + Sắt đặc biệt khiết chứa < 0,05% tạp chất sắt đúc có chức giống anốt Những thép mềm trụ lõm có vai trò catốt Bảng thành phần hoá học tính chất từ số loại sắt Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 56 Đề cương giảng- Vật liệu điện Tạp chất % Các tính chất từ Độ thấm từ C O2 Ban đầu (init) Lực kháng từ Lớn Hc (max) (A/m) Sắt thái 0,02 0,06 250 7000 64 Sắt điện phân 0,02 0,01 600 15000 28 Sắt bon 0,005 0,005 3300 21000 6,4 Sắt điện phân nóng chảy lại chân 0,01 không - - 61000 7,2 Sắt tinh chế hyđrô 0,005 0,003 6000 200000 3,2 Sắt tinh chế cao hyđrô - - 20000 340000 2,4 Tunh thể đơn sắt tinh khiết ủ ram hyđrô - - 1430000 0,8 Vật liệu b Thép điện: Là vật liệu từ mềm 11; 12; 13; 21; 22; 31; 32; 41; 43; 43A; 44; 45; 46; 47; 48; 310; 320; 330; 340; 330A; 370; 380; 1100; 1200; 3100; 3200 - Kí tự  Nga xác định loại thép - Số : phần trăm gần Si - Số thứ : đặc trưng tính chất điện từ Nếu số 1,2,3 : tổn thất công suất riêng định mức Số cho biết tỷ lệ tổn thất đảo ngược từ hoá 400 Hz Số 5, trọng cho việc phục vụ từ trường yếu Số 7, cho thấy thép tỷ lệ với độ thấm từ trường mạnh trung bình - Số thứ : số thép cán nguội; 00 thép cán nguội có kết cấu thấp - Chữ A tổn thất thành phần thấp + Đặc tính - Cảm ứng từ (B) với số đặc trưng cường độ trường từ(có đơn vị kA/m) - Tổng tổn thất lượng đơn vị trọng lượng(wat/kilogam) thép dát mỏng sơn vecni đặt từ trừơng xoay chiều(Kí hiệu chữ P) + Một số thép kỹ thuật điện dùng để chế tạo máy biến áp: 41, 42, 43, 43A, 310, 320, 330, 330A Đây kim loại đa tinh thể gồm nhiều tinh thể dạng khối tạo thành Tuỳ theo hế độ cán mà cấu trúc tinh thể chúng khác Cấu trúc tinh thể thép cán nóng Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 57 Đề cương giảng- Vật liệu điện quy luật nên từ trở theo phương nhau, thép cán nguội kết cấu tinh thể xếp theo quy luật hướng theo chiều cán có từ trở nhỏ nhất, hướng vuông góc với chiều cán có từ trở trung bình hướng chéo 550 có từ trở lớn Trong trình làm việc máy biến áp thép kỹ thuật điện bị già hoá, già hoá đánh giá hệ số già hoá tính % tổn hao riêng c Những hợp kim có độ thẩm từ cao - Hợp kim niken cao chứa 72  80% Niken - Hợp kim niken thấp chứa 40  50% Niken Ứng dụng: Hợp kim niken thấp phụ gia chế tạo lõi máy biến áp cỡ nhỏ, cuộn kháng, rơle Hợp kim niken cao có phụ gia dùng máy biến áp xung, khuếch đại từ, rơle không tiếp điểm nhớ máy tính 4.1.2 Nhóm vật liệu từ cứng Gồm : Thép hợp kim cứng, hợp kim đúc, nam châm dạng bột, ferit từ cứng, hợp kim biến dạng đàn hồi băng từ a Thép hợp kim cứng Đặc điểm : Tính chất từ tính thấp, dễ gia công, giá thành rẻ Ứng dụng: Sản xuất nam châm vĩnh cửu b Hợp kim nam châm cứng- đúc Đặc điểm : Là hợp kim nguyên tố: Nhôm - Niken- Sắt gọi alni, có lượng từ lớn.Tính chất từ tính phụ thuộc vào kết cấu tinh thể kết cấu từ Hợp kim giòn cứng không gia công khí hoàn thiện sản phẩm cách đúc mài mòn Ứng dụng :sản xuất nam châm vĩnh cửu c Nam châm bột: có loại + Loại : Nam châm gốm kim loại nam châm có kết dính + Loại : Nam châm nhựa kim loại nam châm kết dính trường từ có tần số cao d Ferit nam châm cứng Có điện trở suất cao hàng triệu lần điện trở suất hợp kim cứng, cường độ học thấp, tính giòn cao, tính chất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Ứng dụng : Dùng thiết bị có tần số cao e Băng từ hợp kim biến dạng dẻo Dùng chế tạo thép nam châm cứng hợp kim tạo thành băng từ ghi chép băng ghi âm dây kim loại Khi hợp kim hình thành băng hay sợi kim loại tạo thành băng chất dẻo Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 58 Đề cương giảng- Vật liệu điện 4.1.3 Nam châm điện Khi lõi thép đặt cuộn dây có dòng điện chạy qua(mạch từ hở) lõi thép trở thành nam châm hút tác động lực điện từ bên cuộn dây Vậy nam châm điện thiết bị gồm có cuộn dây từ hoá mạch từ, phần động gọi nêm từ kéo phần mạch từ với lực: F = 4.105B2S Với: F lực xác định N B cảm ứng từ tính T S diện tích cực tính m2 Trong trường hợp mạch từ nam châm điện làm việc trạng thái không bão hào, biến đổi dòng điện cho phép làm thay đổi cảm ứng từ làm biến đổi lực kéo nam châm - Nam châm điện ứng dụng rộng rãi VD: Để cố định chi tiết gia công máy công cụ, rơ le, cấu phanh Ví dụ: Xác định lực kéo F nam châm điện, cảm ứng từ B = 1,2T tiết điệnện cực 200 cm2 Bài giải: Ta có F = 4.105B2S Thay số F = 4.105.1,22.0,02 = 1,15.104 N 4.1.4 Các vật liệu đặc biệt a Các sắt từ sử dụng đặc biệt + Nhóm sắt 25%, Niken 45%, Crôm 30% hợp chất có lực kháng từ nhỏ nhạy với biến đổi nhiệt độ, biến dạng học + Nhóm : Niken, đồng sắt-niken crôm + Nhóm : Sắt- côban Sắt - Palatin b Ferit Đặc điểm : Điện trở suất cao không chịu ảnh hưởng dòng điện xoáy tần số cao Tính chất từ tốt Ứng dụng : Dùng tần số cao làm lõi máy biến áp, lõi cuộn dây, nam châm, chuyển mạch, nhớ máy tính tốc độ cao(ferit có vòng trễ hình chữ nhật) Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 59 Đề cương giảng- Vật liệu điện 4.2 CHU TRÌNH TỪ TRỄ VÀ ĐƯỜNG CONG TỪ HOÁ CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU TỪ Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.1 - Các chu trình từ trễ đường cong từ hoá tự nhiên A3' A2'A1'A1A2A3 Hình 3.2 - Vòng từ trễ (mắc từ trễ) số giá trị khác lực từ Hình 3.3 - Các đường cong từ hoá dòng điện xoay chiều số vật liệu từ mềm cường độ từ trường bé Thép hình xuyến dày 0,05 - 0,15mm; 2- Thép hình xuyến dày 0,1 - 0,35mm; 3- Thép hình xuyến dày 0,1 - 0,35mm; 4- Thép hình xuyến dày 0,1 - 0,35mm; 5- Thép hình xuyến dày 0,1 - 0,35mm; Thép hình xuyến dày 0,05 - 0,75mm; 7- Tôn kỹ thuật điện dạng dày 0,35mm; 8- Thép hình xuyến dày 0,1 - 0,35mm; 9- Tôn kỹ thuật điện dạng 1/3x6 dày 0,05mm; 10- Thép hình xuyến dày 0,05 0,75mm Hình 3.4 Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Hình 3.5 Trang 60 Đề cương giảng- Vật liệu điện Hình 3.4 - Các chu trình trễ dòng điện xoay chiều đường cong từ hoá dòng điện chiều xoay chiều(Bmax Hmax) thép biến IV, 0,9 mm đo diện tích với chiều rộng 50cm Hình 3.5 - Chu trình trễ dòng chiều dạng lõi hình xuyến có chiều dày 0,05 từ 0,35mm Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.6 - Chu trình trễ giao thoa trường dòng điện chiều SUPERMALLOY hình xuyến có chiều dày 0,05  0,35mm, 60 Hz Hình 3.7- Chu trình trễ dòng chiều lõi vật liệu từ hình xuyến , chiều dày 0,05  035mm sản xuất VAC đo thực VAC Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.8 - Các đường đặc tính động học thép biến III có chiều dày 0,5 mm thép biến IV có chiều dày 0,35mm Hình 3.9 - Các chu trình trễ tĩnh động học lõi thép hình xuyến chiều dày 0,015 0,03 mm Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 61 Đềề cương giảng- Vật liệu điện Hình 3.10 - Chu trình trễ giới thiệu dạng ng B(H) J(H) ccủa loại vật liệu đẳng hướng ng hãng PHILIP sản s xuấtt hãng SIMEN đo 4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA A TÁC ĐỘNG Đ CƠ HỌC VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN TÍNH DẪN NT TỪ CỦA THÉP KỸ THUẬT ĐIỆN a Ảnh hưởng ởng cắt dập lỗ Trong trình cắtt c đột dập lỗ có tác đđộng khí, kết cấu thép mép cắt đột bị biến cứng dẫn đến làm giảm từ cảm m thép làm tăng ttổn hao riêng Hiện tượng biến n cứng c xảy mép cắt nơi phải chịuu ứng suất khí mạnh nên mức độ giảm chất lượng ng thép phụ ph thuộc vào chiều dài mép cắt, t, ch chất lượng dụng cụ cắt Vùng chịu ảnh hưởng ng xấu x tính từ mép dập sâu vào từ (0,05 0,052)mm, mép cắt (0,54)mm Nếu u chày cối c dao cắt sắc biến cứng ng ph phạm vi ảnh hưởng xấu thu hẹp Khi đột cắt cần n phải ph cho độ ba via thấp (nhỏ hai llần chiều dày lớp sơn thép Nếu u bavia lớn l chúng có thểể gây ngắn mạch thép mà làm giảm khả dẫn từ thép Để loại trừ bavia có th thể dùng cách: - Cán bavia trụcc cán thép Chú ý: áp suất su t cán không KG/cm2 - Mài bavia b ảnh hưởng ởng việc ép mạch từ Khi ép mạch từ đặcc biệt bi tôn cán nguội cần phảii xác đđịnh lực ép tối ưu Nếu lực ép không đủ kết cấấu mạch từ lỏng, dễ biến dạng cầnn ph phải đảo lật, nâng hạ dịch chuyển Dẫn đến n làm xê dịch, d thay đổi vị trí chi tiếtt máy th trí làm biến dạng cuộn n dây thay đổi đ khoảng cách cách điện giữaa chúng Ng Ngược lại lực ép lớn tính dẫn từ củaa thép cán nguội ngu giảm, tổnn hao dòng không ttải tăng Nếu mạch từ đượcc ép b bu lông lực ép tác dụng mạnh nh ccục xung quanh bu lông, lực kéo uốn xẩy y gi hai bu lông làm giảm m tính ddẫn từ vật liệu c ảnh hưởng ởng việc mài bề mặt tôn Giảng ảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 62 Đề cương giảng- Vật liệu điện Việc mài có ảnh hưởng đến độ dẫn từ tổn hao riêng tôn Mức ảnh hưởng phụ thuộc vào góc mài so với hướng cán tôn (tôn cán nguội) Chú ý: Không mài dọc theo hướng cán mà phải mài theo góc (55  90)o so với hướng cán d ảnh hưởng nhiệt Hiện tượng biến cứng làm giảm tính dẫn từ thép kỹ thuật điện, thường khắc phục cách ủ tôn sau gia công khí nhiệt độ 790  8300c Với chiều rộng tôn rộng 400mm từ cảm 1,8T ủ hoàn toàn tác dụng e ảnh hưởng va đập, uốn, bẻ Trong trình chế tạo bẻ tôn góc 900 làm tăng tổn hao trung bình (9 10%), dòng từ hoá tăng 40% Khi ghép lõi thép dùng búa thép để gõ đập làm tăng tổn hao dòng không tải Vì trình lắp ráp vận chuyển tránh quăng quật, va đập, để nặng lên tôn Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 63 Đềề cương giảng- Vật liệu điện CHƯƠNG V VẬT LIỆU BÁN DẪN 5.1 KHÁI NIỆM Bán dẫn mộtt nhóm loại lo vật chất có điện dẫn điện tử mà tr trị số điện trở suất chúng nhiệt độ bình thường ng nằm n khoảng điện trở suất củủa vật dẫn điện môi Điện dẫn vật liệu u bán dẫn d phụ thuộc nhiều vào lượng ng tác đđộng bên ngoài, tạp chấtt khác Với V lượng tạp chất cực nhỏ ch chất bán dẫn làm thay đổi điện dẫn chấtt Mặt M khác điện dẫn chất bán dẫnn có th thể thay đổi tác động nhiệt độ, độ chiếu chi sáng, điện trường, lực họcc … Vì vvậy tính chất điều khiển điện dẫn sở củaa nguyên lý làm việc vi nhiệt điện trở,, quang điện trở, điện trở phi tuyến, điện trở cảm biến…Ch n…Chất bán dẫn có hai loại điện dẫnn điện dẫn “điện tử” (n) điện dẫn “điện tử – lỗ”” (p), nên th tạo sản phẩm bán dẫn vớ ới tiếp giáp p –n 5.2 ĐIỆN DẪN CỦA BÁN DẪN N 5.2.1 Các bán dẫn Theo lý thuyếtt phân vùng lượng lư vật chất, bề rộng ng vùng ccấm chất bán dẫn có trị số khoảng ->3 - (eV) Biểu đồ vùng loạii bán dẫn d thể Ở thuyết miềnn lư lượng đây: Ec: Mức lượng thấp củ vùng dẫn gọi đáy vùng dẫn Ev: Mức lượng cao củaa vùng hóa trị, tr gọi trần củaa vùng hóa tr trị Eg: Độ rộng vùng cấm Mũi tên ký hiệu u chuyển chuy tiếp điện tử từ vùng hóá trị vào vùng ddẫn dao động nhiệt lưới tinh thể hoặcc tác dộng d lượng từ bên lên bán ddẫn Khi điện tử vào vùng dẫn n vùng hóa trị tr tạo thành lỗ trống, bảnn thân vùng hóa tr trị không hoàn toàn lấp đầy Bán dẫn chuyểển vào trạng thái lượng tự Một ví dụ điển n hình riêng đơn thể Silic Khi liên kết đồng hóa tr trị bị phá nguyên tử Si hình thành m điện tử tự do, liên kết trở nên không hoàn ch chỉnh, điện trường ng điện tử liên kết động hóa trị bên cạnh nh dao đđộng lưới tinh thể lấp đầy y liên kết k đồng hóa trị chưa hoàn chỉnh, kết quảả lỗ trống vị trí chuyển sang vị trí hai hoặcc vị v trí ba… lỗ trống điện tử chuyểển động nhiệt hỗn loạn giới hạn tinh thể Như v chuyển động lỗ trống ng ssự chuyển dịch điện tử liên kết đồng ng hóa trị tr Do phá vỡ liên kếết đồng hóa trị mà hình thành cặp điệnn tích ttự – điện tử vùng Giảng ảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 64 Đềề cương giảng- Vật liệu điện dẫn lỗ trống hóa trị tr hình thành tính dẫn điện riêng củaa bán ddẫn Năng lượng để phá liên kết đồng hóa trị độ rộng vùng cấm bán dẫn n Năng lư lượng để phá liên kết đồng hóa trị độ rộng ng vùng cấm c bán dẫn Ơ bán dẫnn Silic lư lượng vùng cấm 1,12 (eV) Các điện tửa tự đư hình thành nhiệt độ thường ng dao đđộng nhiệt lưới tinh thể, Si lượng lư dao động nhiệt không đủ hình thành điện tử tự 5.2.2 Bán dẫn tạp Được gọi bán dẫn tạp chấất nhường điện tử thu điện tử Bán dẫn nhường điện điện n tử t (bán dẫn n) Nếu u bán dẫn d Si Ge đưa nguyên tố thuộcc nhóm ccủa bảng tuần hoàn, ví dụ As mộtt nguyên tố t tạp chất có liên kết đồng hóa trị vớ ới nguyên tử vật chất cần bốn điện n tử t Điện tử thứ nguyên tử tạp chấất không tham gia liên kết đồng hóa trị Nó liên kết k với nguyên tử lựcc Coubomb lư lượng liên kết không lớn Cho tạp chấtt P, As, Sb lực liên kết khoảng 0,01(eV)) Ge 0,15(eV) Si Như nhiệtt độ đ bình thường xảy ion hóa nguyên ttử tạp chất trở thành điện tử tự Trong Ge nhiệt độ 3000K tất tạp chất As bị ion hóa Tạp chất có điện tử hóa trị tr lớn cần thiết để hoàn chỉnh nh liên kkết nguyên tử kế bên, kết có khảả nhường điện tử bán dẫn có loạii ttạp chất có tính dẫn điện tử (loại n) Để điện tử thứ đượ ợc tự cần phải có lượng ng nh nhỏ nhiều so với lượng để phá liên kết k đồng hóa trị Tương ứng trườ ờng hợp mức lượng điện tử thứ năm s nằm gần vùng dẫn Khi nhiệt độ gần n không tuyệt đối tác động ng bên vùng hóa trị bán dẫn hoàn toàn đượ ợc lấp đầy, vùng dẫn bị trống, hạn chế m mức lượng tạp chất nhường điện tử Eg Khi nhiệt nhi độ tăng lên, bắt đầu phầnn điện tử sau toàn điện tử vùng lượng ng hạn h chế Eg chuyển vào vùng dẫn Vì ssẽ xảy chuyển tiếp 2, bị phá liên kết đồng ng hóa trị tr kết hình thành cặpp điện tích: điện tử lỗ trống Do ion hóa tạp p chất ch nhường điện tử cần lượng rấtt nh nhỏ so với lượng phá liên kết đồng hóa trị nhiệt độ mà tính dẫn điện riêng xuấất yếu, tính dẫn điện bán dẫn xác định nh chủ ch yếu điện tử đượcc hình thành ion hóa ttạp chất Vì điện tử bán dẫn n loại lo n gọi điện tích chủ yếu, lỗ tr trống thứ yếu Bán dẫn nhận điện tử (bán bán dẫn d p) Nếu bán dẫn thuộcc nhóm đư đưa vào nhóm 3, ví dụ Al ttất ba điện tử hóa Giảng ảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 65 Đề cương giảng- Vật liệu điện trị nguyên tử tạp chất tham gia vào hình thành liên kết đồng hóa trị Trong trường hợp số bốn liên kết với nguyên tử gần vật chất chủ yếu không hoàn chỉnh Điện tử có tạp chất liên kiết đồng hóa trị nhỏ cần thiết để hoàn chỉnh liên kết đồng hóa trị kết có khả chiếm điện tử Bán dẫn có chứa loại tạp chất loại gọi bán dẫn loại p hay bán dẫn có tính dẫn điện lỗ trống Do liên kết không hoàn chỉnh, dao động nhiệt lưới tinh thể chiếm giữ điệntử liên kết bên cạnh liên kết lại trở nên không hoàn chỉnh Liên kết không hoàn chỉnh – lỗ trống dao động nhiệt lưới tinh thể chuyển động nhiệt hỗn loạn giới hạn tinh thể Nguyên tử tạp chất thu điện tử để hoàn chỉnh liên kết đồng hóa trị trở thành ion âm Loại ion gọi nguyên tử ion tạp chất thu điện tử Tính dẫn điện trường hợp chưa có cấu trúc thành phần tinh thể Để hình thành lỗ trống tự do, cần phải có lượng nhỏ so với lượng để phá liên kết đồng hóa trị Trong Ge Si với tạp chất Bor, Nhôm, Galia, India, lượng (0,02÷0,07) eV Như mức lượng hạn chế tạp chất Ea nằm vùng cấm gần trần liên kết đồng hóa trị hạt có nồng độ nhỏ không Như vậy, bán dẫn loại n, điện tử hạt mang điện bản, lỗ mang điện không Trong bán dẫn loại p hạt dẫn điện lỗ, hạt không điện tử Điện dẫn bán dẫn tạp đòi hái lượng tác động nhỏ bán dẫn (0,01÷0,1)eV , tạo nhiệt độ thấp so với bán dẫn 5.3 DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN Khi điện trường điện tích tự có lượng nhiệt chuyển dịch tinh thể Nhưng thực tế vật chất thường xuyên có phá cấu trúc tinh thể dao động nhiệt nguyên tử tinh thể, tồn tạp chất Vì điện tích tự chuyển động theo tinh thể va chamn với lưới tinh thể không đồng kết tha y đổi hướng chuyển động Khoảng cách hai khoảng va chạm gọi độ dài bước tự do, giá trị trung bình quãng đường độ dài trung bình bước tự Tương ứng thời gian hai lần va chạm khoảng cách trung bình gọi thời gian bước tự Độ dài bước tự trung bình l thời gian trung bình bước có quan hệ l=V0 đây: V0 tốc độ trung bình điện tử chuyển động nhiệt Do chuyển động điện tích tự mang tính chất hỗn loạn, vectơ tốc độ trung bình Chính mà tốc độ trung bình theo hướng chuyển động điện tích tự 0, chuyển dịch điện tích theo hướng Bây giả sử ta đưa bán dẫn riêng vào điện trường Các điện tử tự tác động điện trường bắt đầu chuyển động theo Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 66 Đề cương giảng- Vật liệu điện hướng ngược với hướng điện trường bắt đầu tăng tốc thời gian bước tự tích lũy lượng Khi va chạm với lưới tinh thể không đồng thải bớt lượng trở trạng thái cân nhiệt với lưới tinh thể Sau va chạm điện tử điện trường gọi trôi dạt , tốc độ theo hướng chuyển động gọi tốc độ trôi dạt Như có điện trường tốc độ chuyển động trung bình điện tích tự khác 0, có dòng điện chạy qua bán dẫn ngược hướng đặt điện trường có điện tử tự Các điện tử liên kết bão hòa chuyển tiếp vào liên kết không hoàn chỉnh tác động điện trường chuyển động ngược hướng điện trường đặt Các lỗ trống chuyển dịch theo hướng điện trường Như dòng điện bán dẫn riêng xác định hai thành phần: điện tử lỗ trống, trung bình trôi dạt chúng V giá trị điện tích e: J=e.n.V Khi tồn điện trường điện tử tác động lực F= e*E Dưới tác động lực làm điện tử tăng tốc: = = Như thời gian trung bình bước tự điện tử chuyển động với gia tốc điện trường có cường độ E chạy với vận tốc: = tỷ lệ thuận với cường độ điện trường thời gian bước tự tỷ lệ nghịch với khối lượng điện tử Tốc độ trôi dạt điện trường đơn vị cường độ điện trường gọi độ linh động tính công thức: = = 5.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU BÁN DẪN ĐIỂN HÌNH 5.4.1 Bán dẫn Ge: Ge nguyên tố phân tán nên hay gặp thiên nhiên, tồn nhiều loại quặng với hàm lượng nhỏ, Ge chiếm khoảng 7.10-4 % khối lượng trái đất, xấp xỉ thiếc, chì nhiều hẳn bạc, thủy ngân nhiều kim loại nguyên tố khác Ge dạng nguyên tố thiên nhiên Quặng Ge có hàm lượng lớn Ge làm nguồn nguyên liệu để sản xuất bán dẫn Trong thời gian nguồn thu Ge công nghiệp sản phẩm phụ công nghiệp sản xuất Zn, Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 67 Đề cương giảng- Vật liệu điện than cốc, từ quặng giàu Ge Tính chất hóa học Ge Ge có mầu sáng kim loại, có độ cứng tương đối cao có tính ròn, Ge có cấu trúc kim cương Tinh thể Ge có tính bền vững hóa học không khí, nhiệt độ đạt khoảng 6500C bắt đầu bị oxy hóa hình thành liên kết GeO2 có cấu trúc không định hình dễ hòa tan nước Ở nhiệt độ bình thường Ge không hòa tan nước, muối axit HCl, H2SO4 Trong điều kiện bình thường Ge kiên kết với HNO3, nung Ge nhiệt độ cao liên kết với S, Cl hay nguyên tố nhóm halogen khác Ge grafit thủy tinh thạch anh Ứng dụng Ge Trên sở Ge sản xuất số lượng lớn dụng cụ có nhiều công dụng khác nhau, phải nói tới diode transistor Đặc biệt diode chỉnh lưu mặt phẳng transistor lưỡng cực Các diode chỉnh lưu mặt phẳng tính dòng điện từ (0,3 ÷1000)A điện áp rơi ttrên có không 0,5 V Nhược điểm diode Ge tính chịu điện áp ngược không cao Các transistor từ Ge cao tần hoạc âm tần công suất nhỏ công suất lớn Nhờ có độ nhạy điện tích cao, Ge sử dụng để sản xuất độ cảm biến Tính chất quang Ge sử dụng để sản xuât transistor quang, diode quang Nhiệt độ hoạt động bán dẫn Ge từ 600C ÷700C, giới hạn nhiệt độ hoạt động nhược điểm Ge 5.4.2 Bán dẫn Silic Ngược với Ge, Silic nguyên tố thông dụng trái đất, chiếm tới 29,5% theo khối lượng Tính thông dụng Si chiếm vị trí thứ hai sau oxy Rất nhiều liên kết có chứa Si Liên kết thông dụng SiO2 Silic dạng nguyên tố, thiên nhiên Tính chất lý hóa Silic Ơ nhiệt độ bình thường Si nguyên tố bền vững, không tan nước, không bị tác động nhiều loại axit nồng độ Nó dễ hòa tan dung dịch axit HNO3 với HF hay kiềm nóng chảy Silíc bền vững không khí tới nhiệt độ 9000C Ơ nhiệt độ cao bắt đầu bị oxy hóa thành SiO2 Ở nhiệt độ 1000C÷1300C liên kết với N tạo thành Si3N4 Silic dễ hòa tan nhiều kim loại nóng chảy (Al, Ga, Sn, Au,Ag….).Silic có nhiệt độ nóng chảy cao trạng thái nóng chảy có tính hoạt động hóa học mạnh Ứng dụng Si Si vật liệu chủ yếu để sản xuất vi mạch tích phân có kích thước cực nhỏ có cấu tạo phức tạp, sử dụng kỹ thuật máy tính Từ Si người ta chế tạo diode chỉnh lưu tần số cao thấp, transistor công suất cao hoạt động tần số tới 109Hz Diode chỉnh lưu từ Si chịu điện áp ngược tới 1500 V, dòng điện cho qua tới 1500 A Si sử dụng rộng rãi dụng cụ quang học độ nhạy cao, diode quang có tác động cực nhanh, tế bào quang điện dùng để biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện có hiệu suất đạt 10 - 12% Nhờ Si có độ rộng vùng cấm cao Ge, dụng cụ từ Si Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 68 Đềề cương giảng- Vật liệu điện hoạt động nhiệt độ ộ cao h hẳn so với Ge Nhiệt độ hoạt động ộng bán dẫn Si đạt khoảng180 ÷ 2000C 5.4.3 Carbit Silic (SiC) SiC mhữ ững vật chất có độ cứng cao t Nó không bbị oxy hóa tới nhiệt độ 1400 C nhiệt độ bình thường th SiC không bị tác động bấtt kì m axit Khi bị đun nóng hòa òa tan kiềm ki SiC có khả phát xạ x huỳnh quang dải tần số nhìn thấy y S Sử dụng SiC chế tạo đèn huỳnh nh quang có mầu m sắc khác SiC chế tạo làm diodee phát quang SiC sử dụng đểể chế tạo diode chỉnh lưu công suất lớn, ch chị nhiệt cao có khả hoạt động môi trường trư hóa học cao Từ tảng củaa SiC có th thể chế rạo biến trở không tuyến tính để ổn định nh điện áp bảo vệ điện áp Nhờ có tính rrất cứng SiC dùng để gia công khí vậtt liệu li khác Tiếp giáp P-N ứng dụng chấất bán dẫn Giảng ảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang 69 ...Đề cương giảng- Vật liệu điện CHƯƠNG I CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VẬT LIỆU VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU 1.1.CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU 1.1.1 Cấu tạo nguyên tử Mọi vật liệu (vật chất) cấu tạo từ... phân loại vật liệu thành nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn điện môi (cách điện) Việc nghiên cứu quang phổ Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội Trang Đề cương giảng- Vật liệu điện phát... ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện dạng vật chất có chứa điện tích tự (ngay điều kiện thường) Khi đặt chúng điện trường điện tích tự chuyển