Chuong II Vat lieu dan dien

Chuong II Vat lieu dan dien tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất cả các lĩnh vực...

Chương II: Vật liệu dẫn điện cáp điện Phần I: Vật liệu dẫn điện Phân loại Bản chất dẫn điện Các tính chất Vật liệu có điện dẫn cao Vật liệu có điện trở suất cao Các kim loại khác TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Phân loại Phân loại dựa vào trạng thái vật lý: rắn, lỏng, khí plasma Vật liệu dẫn điện thể rắn sử dụng rộng rãi phổ biến: bao gồm kim loại hợp kim o Điện dẫn cao: sử dụng làm dây dẫn điện, cáp điện, dây quấn máy điện… o Điện trở cao: sử dụng làm điện trở, biến trở, dụng cụ đốt nóng điện, dây tóc bóng đèn… Vật liệu dẫn điện thể lỏng: dung dịch điện phân (ứng dụng: Acquy, công nghệ xi mạ điện) thủy ngân (ứng dụng rơle điện) Vật liệu dẫn điện thể khí: dẫn điện điện trường cao Plasma: trạng thái thứ tư vật chất có tính dẫn điện tốt tạo thành từ chất khí bị ion hóa phần hoàn toàn (ứng dụng: cắt kim loại phủ kim loại) TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Bản chất dẫn điện Dẫn điện điện tử (xảy kim loại) ∆q Mật độ dòng điện: ∆q =? J= A ∆t Xét chuyển động điện tử vật dẫn điện tác động điện trường (đơn giản: xem điện tử c/đ theo phương điện trường) Vận tốc dịch chuyển trung bình điện tử theo phương x vdx = [v x1 + v x + + v xN ] N N: số lượng điện tử tự vật dẫn TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Mật độ điện tử tự kim loại N 28 −3 n = ≈ 10 m V Trong khoảng thời gian ∆t, điện tử chuyển động quãng đường ∆x ∆x = vdx ∆t Tổng điện tích qua tiết diện A khoảng thời gian ∆t ∆q = n∆Vqe = nA∆xqe Mật độ dòng điện theo phương x nAvdx ∆tqe ∆q Jx = = = nvdx qe A ∆t A∆t Nếu E x = E x (t ) ⇒ J x = qe nvdx (t ) TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Khi khơng có điện trường ngoài, điện tử tự chuyển động nhiệt hỗn loạn theo phương ⇒ không tạo thành dòng điện Khi có điện trường ngồi, điện tử tự tham gia vào 02 chuyển động: o chuyển động nhiệt hỗn loạn o gia tốc theo phương tác động điện trường tác động lực qeEx Chuyển động thực có hướng ngược chiều điện trường ⇒ tạo thành dòng điện TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Do điện tử chuyển động nhanh dần khoảng thời gian tự trung bình hai lần va chạm τ, nên quan hệ lực tác động lên điện tử vận tốc điện tử là: Fe = me ae = me vdx τ = qe E x Vận tốc dịch chuyển trung bình điện tử theo phương x qe E x vdx = [v x1 + v x + + v xN ] = τ = µe Ex N me Với: qeτ µe = : độ linh động điện tử-cm2/V.s (đặc trưng cho mức độ dịch me chuyển điện tử tác động điện trường ngoài) Mà: J x = nqe vdx ⇒ J x = nqe vdx = nqe µ e E x ⇒ Mật độ dòng điện tỉ lệ thuận với điện trường ngồi TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Dẫn điện ion (xảy dung dịch điện phân) Sự dịch chuyển ion tác dụng điện trường ⇒ tạo dòng điện Nồng độ chất điện phân dung dịch giảm dần Mật độ dòng điện: ⇒ J = n+ q+ v+ + n− q− v− = (n+ q+ µ + + n− q− µ − )E Phản ứng khử cực âm tạo Natri nguyên tử tích tụ Phản ứng oxi hóa cực dương tạo khí bay lên Conduction in Electrolyte sollution TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Các tính chất Độ dẫn điện điện trở suất Hệ số nhiệt điện trở suất Độ dẫn nhiệt Hiệu điện tiếp xúc sức nhiệt điện động Giới hạn bền kéo độ dãn dài tương đối TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Độ dẫn điện điện trở suất Độ dẫn điện đặc trưng cho khả dẫn điện vật liệu (σ, Sm-1) Điện trở suất đặc trưng cho khả cản trở dòng điện vật liệu (ρ, Ωm) o Bản chất vật lý điện trở suất: va chạm điện tử tự với ion dương dao động nhiệt nút mạng tinh thể o Phụ thuộc nhiệt độ Độ dẫn điện điện trở suất phụ thuộc vào chất vật liệu σ = ρ A ;ρ = R l V ;R = I R: đặc trưng cho khả cản trở dòng điện khối vật liệu có hình dạng xác định TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Quặng đồng Phôi đồng Thành phẩm TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Hợp kim đồng Có loại: đồng thau đồng Đồng thau hợp kim đồng với kẽm Đồng hợp kim đồng với kim loại khác ngoại trừ kẽm (Al, Sn, Cd, P…) Đồng thau đồng có điện trở suất cao đồng tinh khiết độ bền cao (độ bền kéo) Ứng dụng: làm lò xo dẫn điện, phận tiếp xúc điện, chi tiết dẫn điện TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Nhơm Nhôm (ρ = 0.028 Ωmm2/m) vật liệu quan trọng thứ hai để làm vật dẫn điện sau đồng Độ dẫn điện thấp đồng (1.63 lần), độ bền thấp đồng Khối lượng riêng thấp đồng (3.5 lần), giá thành rẽ đồng Khi truyền tải dung lượng (cùng cấp điện áp), dây nhơm phải có tiết diện lớn dây đồng 1.63 lần khối lượng dây nhôm 50% dây đồng ⇒ làm dây truyền tải điện không lõi cáp điện Dây nhơm lõi thép có đường kính lớn dây đồng ⇒ giảm phóng điện vầng quang Nhơm dễ bị ơxy hóa tạo lớp ơxit nhơm bền mặt hóa học có điện trở suất lớn ⇒ dẫn điện vị trí tiếp xúc dây nhôm ⇒ nối dây phương pháp hàn thiết bị chuyên dụng TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Hợp kim nhôm với magiê silíc có tính cao điện trở suất xấp xỉ nhơm tinh khiết Quặng Bauxite Nhơm ơxít Phơi nhơm Dây điện nhôm TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Sắt (thép) Độ bền cao Rẻ tiền dễ kiếm Độ dẫn điện thấp (∼15% độ dẫn điện đồng) Điện trở suất sắt lớn: 0.1 Ωmm2/m Thép cacbon có điện trở suất lớn nhiều Dòng điện xoay chiều thép gây hiệu ứng bề mặt đáng kể Ngoài tổn thất điện trở, dòng điện xoay chiều thép gây tổn thất từ trễ Khả chống ăn mòn kém, dễ bị ơxy hóa Ứng dụng: làm dây tải điện khơng có cơng suất tương đối nhỏ, đường ray tải điện cho tàu điện mặt đất tàu điện ngầm, vật liệu kết cấu… TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Vật liệu có điện trở suất cao Manganin Hợp kim đồng với Mangan Ni (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni) Điện trở suất cao đồng (ρ = 0.42-0.48 Ωmm2/m ) Hệ số nhiệt điện trở nhỏ ⇒ điện trở suất phụ thuộc vào nhiệt độ Điện trở suất có độ ổn định cao thời gian dài Ứng dụng: làm điện trở mẫu, điện trở shunt dụng cụ đo điện TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Constantan Hợp kim đồng với niken (60% Cu, 40% Ni) Hệ số nhiệt điện trở nhỏ (xấp xỉ Manganin) Điện trở suất xấp xỉ Manganin Điện trở suất không thay đổi khoảng nhiệt độ lớn Manganin Chịu nhiệt độ 400-450oC Ứng dụng: làm dây biến trở, dụng cụ đốt nóng điện, cặp nhiệt điện TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Hợp kim Nichrome Hợp kim niken với chrome (80% Ni, 20%Cr) Điện trở suất cao (ρ = 1-1.2 Ωmm2/m ) Nhiệt độ nóng chảy cao (1400oC) Khả chống ơxy hóa tốt nhiệt độ cao Ứng dụng: làm dụng cụ đốt nóng điện: máy sấy tóc, lò điện, bếp điện, mỏ hàn… TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Các kim loại vật liệu khác Vonfram Khối lượng riêng lớn Độ cứng cao, giòn dễ gẫy Nhiệt độ nóng chảy cao kim loại (>2000oC) Ơxy hóa mạnh nhiệt độ vài trăm độ Ứng dụng: làm tiếp điểm, dây tóc bóng đèn TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Chì Kim loại màu xám Mềm, dẽo, độ bền thấp Nhiệt độ nóng chảy thấp Điện trở suất cao (0.21 Ωmm2/m) Khả chống ăn mòn cao Bền vững hóa học Chì hợp kim chì độc người Ứng dụng: làm vỏ bọc cáp điện để chống ẩm, dây chảy, phiến chì ắc quy, hấp thụ tia X… TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Kẽm Kim loại màu sáng Giòn nhiệt độ bình thường Nhiệt độ nóng chảy thấp Kẽm tinh khiết dễ dàng phản ứng với CO2 tạo nên lớp zinc carbonate bền vững hóa học Khả điện hóa cao thép Ứng dụng: làm lớp mạ bảo vệ thép kết cấu TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Kẽm chưa bị oxy hóa Kẽm bị oxy hóa ! ⇒ tạo oxít kẽm TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Than kỹ thuật điện Điện trở suất cao đồng (15-50 Ωmm2/m) Sản xuất từ than chì hay than gầy Ứng dụng: chổi quét máy điện, điện cực lò điện, bể điện phân, cực dương pin… Chổi than Than chì Điện cực than TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức CÂU HỎI THẢO LUẬN Thiết kế loại vật liệu dẫn điện có ưu điểm đồng nhơm (sử dụng thành cơng nghệ sẵn có - thảo luận nhóm) TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức