Khoa học công nghệ ngày một phát triển mạnh mẽ trên thế giới và nước ta hiện nay. Chúng ta cần cung cấp những kiến thức khoa học công nghệ cho công nhân trẻ, những người mong muốn được học tập và nghiên cứu để tiép tục phát triển nền công nghiệp Việt Nam Để đáp ứng nhu cầu cần thiết trên cuốn giáo trình Vật Liệu Kỹ thuật Điện này được biên soạn với sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Ban Giám Hiệu và các phòng tổ chuyên môn trong nhà trường Nội dung chính nhằm trình bày những kiến thức cơ bản về vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu từ. Những ứng dụng chủ yếu của vật liệu kỹ thuật điện trong thiết bị, máy điện, khí cụ điện …. và trong các lĩnh vực truyền tải, phân phối và sử dụng máy điện Cuốn giáo trình này trình bày khá chi tiết về các đặc tính của vật liệu kỹ thuật điện, tính chất: cơ lý hoá và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất này và công nghệ sản xuất, gia công để đạt được những yêu cầu cơ bản của vật liệu kỹ thuật điện và phạm vi ứng dụng cùng với những ưu khuyết điểm của chúng Chúng tôi hi vọng giáo trình này sẽ được sử dụng hữu ích trong việc phát triển khả năng nghề của các học viên tại môi trường làm việc công nghiệp đích thực Trong quá trình biên soạn chắc không tránh khỏi những sai sót. Chúng tôi mong nhận được các ý kiến đóng góp của bạn đọc để cuốn giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn. Các ý kiến xin gửi về Khoa Điện Điện tử
Khoa Điện trình: Vật Liệu điện Giáo Lời nói đầu Khoa học công nghệ ngày phát triển mạnh mẽ giới nớc ta Chúng ta cần cung cấp kiến thức khoa học công nghệ cho công nhân trẻ, ngời mong muốn đợc học tập nghiên cứu để tiép tục phát triển công nghiệp Việt Nam Để đáp ứng nhu cầu cần thiết giáo trình Vật Liệu Kỹ thuật Điện đợc biên soạn với giúp đỡ, tạo điều kiện Ban Giám Hiệu phòng tổ chuyên môn nhà trờng Nội dung nhằm trình bày kiến thức vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn vËt liƯu tõ Nh÷ng øng dơng chđ u cđa vËt liệu kỹ thuật điện thiết bị, máy điện, khí cụ điện lĩnh vực truyền tải, phân phối sử dụng máy điện Cuốn giáo trình trình bày chi tiết đặc tính vật liệu kỹ thuật điện, tính chất: lý hoá yếu tố ảnh hởng đến tính chất công nghệ sản xuất, gia công để đạt đợc yêu cầu vật liệu kỹ thuật điện phạm vi ứng dụng với u khuyết điểm chúng Chúng hi vọng giáo trình đợc sử dụng hữu ích việc phát triển khả nghề học viên môi trờng làm việc công nghiệp đích thực Trong trình biên soạn không tránh khỏi sai sót Chúng mong nhận đợc ý kiến đóng góp bạn đọc để giáo trình ngày hoàn thiện Các ý kiến xin gửi Khoa Điện - Điện tử Khoa Điện trình: Vật Liệu điện Giáo Chơng Khái niệm vật liệu điện Mục đích chơng nhằm đa số kiến thức mang tính chất sở, cấu tạo vật chất vật liệu trớc nghiên cứu vật liệu kỹ thuật điện cụ thể Khái niệm vật liệu điện 1.1 Khái niệm Trong baỏt kì ngành sản xuất nào, nguyên vật liệu giữ vai trò quan trọng Điện môi hay vật liệu cách điện hiểu vật liệu mà tồn lâu dài trường tónh điện Các vật liệu có điện trở lớn Dòng điện qua chúng tác dụng điện áp chiều có tính chất khác hẳn so với dây dẫn Không thể có mạch điện dù đơn giản thực dây dẫn chất cách điện Công dụng chất cách điện không cho dòng điện qua đường mà sơ đồ điện không cho phép Một vài chục năm trước việc lựa chọn vật liệu cách điện cho thiết bò đơn giản Thông thường vật liệu cách điện sử dụng vật liệu thiên nhiên: gỗ, giấy, dầu thực vật, cao su thiên nhiên, nhựa thiên nhiênv.v… Những năm gần yêu cầu vật liệu điệnđiện tử ngày khắt khe Việc tăng điện áp làm việc cho máy móc thiết bò, tăng công suất,…làm cho kích thước cách điện tăng theo, đồng thời tăng công suất đơn vò thể tích Điều quan trọng cho thiết bò chuyển động Trong trường hợp khác lại tăng nhiệt độ làm việc cách điện Ngoài kỹ Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện thuaọt điện tử tần số cao cần xác ổn đònh theo tần số vật liệu cách điện Rất nhiều trường hợp khác thiết bò điện lại hoạt động nhiệt độ thấp nhiệt độ làm việc thiết bò thay đổi đột ngột, lực tác động học cao, áp suất lớn hay có nhiều tia xạ cao,…Những tác động gây làm xấu tính cách điện thiết bò đẩy chúng vào điều kiện hoạt động khó khăn dẫn đến việc tìm kiếm, chế tạo vật liệu có tính chất tốt hơn, điều đòi hỏi công nghệ chế tạo vật liệu có tính chất tốt hơn, điều đòi hỏi công nghệ chế tạo vật liệu Theo công trình nghiên cứu vật liệu cách điện có tính chất tốt vật liệu tổng hợp nhân tạo-vật liệu polyme cao phân tử Ngoài sử dụng số vật liệu vô thủy tinh, gốm sứ,… Để chế tạo vật liệu điện số có bán dẫn điện môi, thời gian sử dụng nhiều phương pháp khác điều chế hóa học hay gia công nhiệt, điện phân,…đã tạo vật liệu có cấu trúc đa dạng có tính chất q báu Để hiểu biết cặn kẽ tính chất vật liệu, phải nghiên cứu tượng vật lý điện môi tác dụng điện trường tham số khác điện môi Ngoài tính chất điện vật liệu cần hiểu biết tính chất học, tính chất hóa lý, tính chòu nhiệt, tính hút ẩm tính bền vững vật liệu với dung dòch hóa học tiabức xạ,… Nghiên cứu tính chất vật liệu cấu tạo hóa học vật liệu sở để chế tạo vật liệu có tính chất cách điện dẫn điện tốt hụn 1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu Nh biết vật chất đợc cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử phần tử vật chất Theo nguyên tử Bor nguyên tử đợc cấu tạo hạt nhân mang điện tích dơng ( gồm proton p nơtron n) điện tử Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện mang điện tích âm(electron - e) chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo định Hạt nhân nguyên tử đợc tạo nên từ hạt proton nơtron Nơtron hạt nhân không mang điện tích, protron mang điện tích dơng q - ®iƯn tÝch cđa ®iƯn tư e (qe = 1,6.10- 19 C) Prôtron có khối lợng 1,67.10- 27 kg me = 9,1.10-31 kg trạng thái bình thờng nguyên tử đợc trung hoà điện, tức nguyên tử có tổng số điện tích dơng hạt nhân tổng điện tích âm điện tử, lý nguyên tử bị hay nhiều điện tử trở thành điện tích dơng(ta thờng gọi iôn dơng) ngợc lại nguyên tử trung hoà nhân thêm điện tử trở thành iôn âm -e Để có khái niệm lợng điện tử ta xét + r nguyên tử Hyđrô (H), nguyên tử đợc cấu tạo từ prôton điện tử e (Hình 1-1) Khi điện tử chuyển động quy đạo tròn bánkính Hình 1-1 Mô hình r xung quanh hạt nhân hạt nhân vànguyên điện tử H tử e cã lùc: Lùc hót (lùc híng t©m): f1 = Lực ly tâm: Trong đó: q2 r2 f2 = mv r m - khối lợng điện tử v - tốc độ chuyển động điện tử trạng thái trung hoà, hai lực cân b»ng f1 = f2 hay q2 mv = r2 r Năng lợng điện tử bằng: We = T + U (Động T + Thế U) q2 mv Trong ®ã: T = ,U=2 r Vậy lợng điện tử phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo chuyển động, điện tử có mức lợng thấp dễ bị bứt trở thành trạng thái tự Năng lợng cung cấp Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện cho điện tử để trở thành trạng thái tự gọi lợng ion hoá (Wi) Để tách điện tử trở thành trạng thái tự phải cần lợng Wi We Khi Wi We kích thích dao động khoảng thời gian ngắn, nguyên tứau lại trở trạng thái ban đầu Năng lợng ion hoá cung cấp cho nguyên tử lợng nhiệt, lợng điện trờng va chạm, lợng tia tử ngoại, tia cực tím, phóng xạ Ngợc lại với trình ion hoá trình kết hợp Nguyªn tư + e ion (-) Ion (+) + e nguyên tử, phân tử trung hoà Trong trình chuyển động, điện tử có động 1.3 Cấu tạo phân tử Phân tử đợc tạo nên từ nguyên tử thông qua liên kết phân tử Trong vật chất tồn bốn loại liên kết sau a Liên kết đồng hoá trị: Liên kết đồng hoá trị đợc đặc trng dùng chung điện tử liên kết nguyên tử phân tử, mật độ đám mây điện tử hạt nhân trở thành bão hoà, liên kết phân tử bền vững Ví dụ: Ta lấy cÊu tróc cđa ph©n tư clo (Cl 2): gåm nguyên tử Clo, nguyên tử clo có 17 điện tử, điện tử hoá trị lớp Hai nguyên tử đợc liên kết bền vững với cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ nguyên tử đợc bổ xung thêm điện tử hai nguyên tử Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện Hình 1-2: Liên kết đồng hoá trị phân tử clo Phân tử có trọng tâm điện tích dơng âm trùng phân tử trung tính Các chất đợc tạo nên từ phân tử trung tính gọi chất trung tính Phân tử có trọng tâm điện tích dơng điện tích âm không trùng nhau, cách khoảng a đợc gọi phân tử cực tính hay gọi lỡng cực Phân tử cực tính đặc trng mômen lợng cực Liên kết đồng hoá trị thấy chất rắn vô có mạng tinh thể cấu tạo từ nguyên tử(ví dụ: nh kim cơng) b Liên kết iôn Liên kết iôn đợc xác lập lực hút ion dơng ion âm phân tử Liên kết iôn liên kết bền vững, vật rắn có cấu tạo iôn đặc trng độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Các nguyên tử cho bớt điện tử lớp trở thành ion dơng (cation) thêm điện tử để điền đầy lớp trở thành ion âm (anion) Hình 1-3 mô tả liên kết ion Li F để tạo thành LiF Nguyên tử Li cho điện tử để trở thành Li+ Nguyên tử F nhận điện tử để trở thành F thành chất LiF Kết tạo Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện Sự phân loại tinh thể theo hình học chủa đủ để phân biệt cấu trúc tính chất vËt chÊt, c¸c tinh thĨ vËt chÊt cã sù kh¸c khúc xạ kép, tính chất cách điện nhiệt điện c Liên kết kim loại Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn Kim loại đợc xem nh hệ thống cấu tạo từ ion dơng nằm môi trờng điện tử tự Lực hút ion dơng điện tử tạo nên tính nguyên tử khối kim loại, liên kết kim loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Liên kết kim loại thờng đợc tạo thành nguyên tố có nhiều điện tử hoá trị với nguyên tố có điện tử hoá trị Các oxyt kim loại (Al2O3, MgO, CaO, NiO, Hình 2-3 mạng tinh thể lập phơng (cơ bản) kim loại, lợng liên kết tổng hợp lực đẩy lực hút tĩnh điện ion dơng mây điện tử tự Hình 1-4: Mạng tinh thể kim loại d Liên kết Van dec Vanx Liên kết đồng hoá trị cho phép giải thích tạo thành phận tử nh nớc (H2O) polyetylen (C2H4)n nhng không cho phép lý giải tạo thành số vật rắn từ phân tử trung hoà nh nớc đá, polymer, + + + + b a + - + c Hình 1-5: Mô hình liên kết Vander - Vanx Khoa Điện trình: Vật Liệu điện Giáo Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hoá trị, khác tính âm điện nguyên tử, trọng tâm điện tích dơng điện tích âm không trùng nhau, ngẫu cực điện tao thành phân tử phân cực Liên kết Vandec Vanx liên kết hiệu ứng hút nguyên tử phân tử bị phân cực trạng thái rắn Liên kết dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không bền vững Do chất liên kết phân tử liên kết Vandec Vanx có nhiệt độ nóng chảy độ bền häc thÊp VÝ dô: Nh Parafin 1.4 KhuyÕt tËt cấu tạo vật rắn Các khuyết tật cấu tạo vật rắn đợc chia thành khuyết tật điểm, đờng, mặt khối + Các kích thớc khuyết tật điểm vào cỡ khoảng cách nguyên tử + Các khuyết tật đờng có chiều dài lớn chiều rộng vài bậc + Các khuyết tật mặt có chiều dầy nhỏ chiều rộng dài bề dầy vài bậc + Các khuyết tật khối (lỗ rỗ, vết nứt) có kích thớc dáng kể theo ba W chiều ®o Vïng tù (vïng 1.5 Lý thuyÕt ph©n vùng lợng vật chất dẫn) Lý thuyết phân vùng lợng để giải thích, phân loại vật Vùngvà cấm liệu thành nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn điện môi (chất cách điện) W Sơ đồ phân bố vùng lợng vậtVùng rắn đầy nhiệt độhoá tuyệt (vùng o đối O K trị) Hình1-6: Sơ đồ phân bố vùng lợng Khoa Điện trình: Vật Liệu điện Giáo Mỗi điện tử có mức lợng định Các điện tử hoá trị lớp nhiệt độ O oK chúng tập trung lại thành vùng gọi vùng hoá trị hay vùng đầy (1) Các điện tử tự có mức lợng cao tập hợp lại thành dải tự gọi vùng tự hay vùng dẫn (2) Giữa vùng đầy vùng tù cã mét vïng trèng gäi lµ vïng cÊm(3) Để điện tử hoá trị vùng đầy trở thành trạng thái tự cần cung cấp cho lợng định W đủ để vợt qua vùng cấm: W W (W: lợng vùng cấm Khi điện tử từ vùng đầy vợt qua vùng cấm sang vùng tự tham gia vào dòng điện dẫn Tại vùng đầy xuất lỗ trống (hình dung nh điện tích dơng) điện tử nhảy sang vùng tự tạo Các lỗ trống tiếp tục thay đổi điện tử vị trí bứt tạo thành lỗ trống điện tử nguyên tử vị trí lân cận lại nhảy vào lấp đầy lỗ trống lại tạo lỗ trống khác nh dẫn đến lỗ trống liên tục đợc thay đổi tạo thành cặp điện tử lỗ vật chất Khi có tác động điện trờng lỗ chuyển động theo chiều điện trờng giống nh điện tích dơng, điện tử chuyển độngtheo chiều ngợc lại Cả hai chuyển động hình thành tính dẫn điện vật chất Số lợng điện tử trở thành trạng thái tự tuỳ theo mức độ lợng từ cao xuống thấp Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện Dựa vào lý thuyết phân vùng lợng, ngời ta thờng chia vật liệu kỹ thuật điện thành: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện vật liệu bán dẫn a Đối với vật liệu cách điện Vùng dẫn (2) nhỏ, vùng cấm (3) rộng tới mức điều kiện bình thờng điện tử hoá trị đợc cung cấp thêm lợng chuyển động nhiệt di chuyển tới vùng dẫn (2) để thành tự Năng lợng W vùng (3) lớn, WCĐ = 1,5 vài eV Nh điều kiện bình thờng vật liệu có điện dẫn không(hoặc nhỏ không đáng kể) W 2 3 1 a b c a Vật liệu dẫn điện b Vật liệu bán dẫn c Vật liệu cách Hình 1-7 điện b Đối với vật liệu bán dẫn: Có vùng hoá trị (1) nằm sát vùng dẫn (2) so với vật liệu cách điện (hình vẽ 2) Năng lợng vùng cấm (3) lớn so với vật liệu cách điện: WBD = 0,2 1,5 eV điều kiện bình thờngmột số điện tử hoá trị vùng (1) với tiếp søc cđa chun ®éng nhiƯt ®· cã thĨ chun tíi vùng (2) đề hình thành tính dẫn điện vật liệu c Đối với vật liệu dẫn điện: Có vùng hoá trị (1) năm sát vùng (2) so với vật liệu bán dẫn, với mức lợng vùng cấm: WDĐ < 0,2 eV 10 Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện Đồng mềm đợc dùng nơi cần độ uốn lớn sức bền giới cao nh: ruột dẫn điện cáp, góp điện áp cao, dây dẫn điện, dây quấn máy điện khí cụ điện - Hợp kim đồng Ngoài việc dùng đồng tinh khiết để làm vật dẫn, ngời ta dùng hợp kim đồng với chất khác nh: Thiếc, silic, phôpho, bêrili, crôm, mangan đồng chiếm vị trí quan trọng Căn vào lợng thành phần chất chứa đồng, ngời ta chia hợp kim đồng thành dạng chủ yếu nh sau: Đồng (đồng đỏ) Đồng hợp kim đồng, có thêm số hợp kim khác để tăng cờng độ cứng, sức bền dễ nóng chảy * Tuỳ theo vật liệu thêm vào ngời ta phân biệt + Đồng với thiếc + §ång víi thiÕc vµ kÏm + §ång víi nhôm Đồng thanh: Đợc dùng để chế tạo chi tiết dẫn điện máy điện khí cụ điện, để gia công chi tiết nối giữ dây dẫn, ốc vít, đai cho hệ thống nối đất, cổ góp điện, giá đỡ Đồng thau: Đồng thau hợp kim đồng với kẽm, kẽm không vợt 46%.ở nhiệt độ cao, sức bền đồng thau ăn mòn oxyt hoá giảm Tốc độ oxy hoá đồng thau nhỏ Để tăng sức đề kháng ăn mòn điện hoá ngời ta thờng tẩm thiếc hay tráng kẽm đồng thau nóng ứng dụng: Đồng thau đợc sử dụng kỹ thuật điện để gia công chi tiết dẫn dòng nh ổ cắm điện, phích cắm, đui đèn, đầu nối đến hệ thống tiếp đất, ốc 4.2 Nhôm hợp kim nhôm - Nhôm (Al) Sau đồng, nhôm vật liệu dẫn điện quan trọng thứ hai đợc sử dụng kỹ thuật điện vì: 36 Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện + Nhôm có điện trở suất nhỏ( lớn Ag Cu) + Nhôm vật liệu kim loại có râts nhiều vỏ trái đất(chiếm khoảng 7.5%) + Trọng lợng nhẹ( trọng lợng Al nhỏ Cu 3.5 lần) + Nhôm đợc sử dụng làm dây dẫn điện kỹ thuật điệnthờng phải đảm bảo tinh khiết tối thiểu 99,5% Al, tạp chất khác nh sắt, silic nhiệt độ thờng nhôm bị oxy hoá mạnh tạo nên màng oxyt nhôm, lớp màng bảo vệ cho Al khỏi bị tiếp tục ăn mòn nhng tạo nên điện trở lớn chỗ tiếp xúc dây nhôm Để hàn nhôm ta phải dùng thuốc hàn bột đặc biệt hay sử dụng mỏ hàn siêu âm Hiện tợng ăn mòn điện hoá chỗ tiếp xúc với Cu Al có ý nghĩa lớn, chỗ tiếp xúc chịu tác dụng ẩm phát sinh cặp pin cục có trị số s.đ.đ cao có dòng điện từ nhôm sang đồng, kết dây nhôm bị phá huỷ sang đồng Vì chỗ đầu tiếp xúc Cu Al phải đợc bảo vệ chống ẩm cận thận Khi sử dụng dây nhôm làm dây dẫn đờng dây tải điện không với khoảng vợt cột lớn ngời ta thờng dùng hợp kim nhôm có độ bền cao hon so víi nh«m tinh khiÕt øng dơng: Trong kü tht điện nhôm đợc sử dụng để chế tạo + Dây dẫn điện không để truyền tải phân phối điện + Ruột cáp điện lực + Các ghép, dẫn chi tiết cho trang bị điện + Dây quấn máy điện + Các nhôm để làm tụ điện, lõi dẫn từ máy biến áp, roto động điện - Hợp kim nhôm: Nhôm có nhiều hợp kim dùng để đúc để kéo dây dẫn điện, hợp kim nhôm nh sau: Al-Zn-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Si-Cu, Al-Mg-Si, Al-Mg-Mn 37 Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện Một hợp kim đợc dùng phổ biến để chế tạo dây dẫn hợp kim alderey Chúng hợp kim nhôm với (0,3-0,5)%Mg, (0,40,7)% Si,(0,2-0,3)% Fe Tổ hợp kim nàylà cho ttỏ hợp kim có tính chất khí tốt Vì dây dẫnaldrey tăng khoảng cách cột đờng dây không Giảm chi phí xây dựng 4.3 Chì (Pb) hợp kim chì Chì kim loại màu xám , vết cắt có màu ánh kim loại nhng bị mờ nhanh oxy hoá bề mặt Chì có cấu tạo tinh thể kết tinh thô Chì kim loại mền, dẻo, độ bền yếu Chì không chịu đợc rung động học Chì mền * Ưu điểm chì: Là có khả chống ăn mòn cao, bền vững với tác dụng nớc, axitclohydric, axit sunfuaric số hoá chất khác Tuy nhiên axit axetic chất hữu mục nát, vôi lạ phá huỷ chì * ứng dụng: Chì đợc dùng kỹ thuật điện dùng điện + Dùng làm vỏ bọc bảo vệ cách điện cáp chống ẩm, dùng để sản xuất cầu chì, phiến chì ácquy + Chì đợc dùng làm vật liệu hấp thụ tia Rơnghen 4.4 Sắt (Thép) - mFe = 56 Sắt kim loại rẻ tiền dễ kiếm, Fe có độ bền cao, ý đợc dùng làm dây dẫn, giá thành hạ so với kim loại khác Trên sở tỷ lệ Cacbon chứa sắt mà ngời ta phân thành: * Gang: sắt chứa tỷ lệ (1.7 4.5)% C * Thép: sắt chứa tỷ lệ (0.5 1.7)% C * Sắt rèn: sắt chứa tỷ lệ dới 0.5% C Nhợc điểm thép khả chống ăn mòn nhiệt độ bình thờng đặc biệt có độ ẩm cao thép dễ 38 Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu ®iƯn bÞ rØ nhanh, nhiƯt ®é cao tèc ®é ăn mòn tăng, bề mặt dây thép cần đợc bảo vệ lớp kim loại bền Thông thờng dây thép đợc mạ kẽm để bảo vệ cho thép khỏi bị rỉ Trong kỹ thuật điện thép đợc dùng làm dây dẫn, dẫn để bảo vệ điện áp (chống sét) trang thiết bị bảo vệ nối đất 4.5 Vofram (W) Vofram kim loại rắn, nặng, có mầu xám có nhiệt độ nóng chảy cao kim loại Vofram đợc chế tạo từ thành phần khác nhau, phổ biến Voframits(FeMnWO 4) seclit(CaWO4) qua trình điều chế hóa học phức tạp, sản phẩm trung gian axit voframít sau khử hydro nhiệt độ cao 9000C đợc Vofram dạng bột nhỏ Vofram có liên kết yếu tinh thể riêng biệt có cấu tạo hạt sản phẩm W dể gẫy Do W khó nóng chảy độ bền học lớn nhiệt độ cao nên đợc sử dụng kỹ thuật điện để chế tạo thành sợi tóc bóng đèn sơi đốt, chế tạo điện trở phát nóng cho lò điệnnhng phải chân không hay khí trơ đốt nóng đến nhiệt độ vài trăm độ oxy bị oxy hoá mạnh Vofram đợc dùng làm tiếp điểm * Ưu điểm tiếp điểm W là: + ổn định lúc làm việc + Độ mài mòn nhỏ vật liệu có độ cứng cao + Có khả chống tác dụng hồ quang, không làm dính tiếp điểm khó nóng chảy + Độ ăn mòn bề mặt nhỏ * Nhợc điểm W làm vật tiếp xúc là: + Khó gia công + điều kiện khí tạo thành màng oxyts + Cần có áp lực tiếp xúc lớn để có trị số điện trở tiếp xúc nhỏ 39 Khoa Điện trình: Vật Liệu điện 4.6 Kim loại dùng làm tiếp điểm cổ góp Giáo Vật liệu đợc dùng làm tiếp điểm điện cần phải thoả mãn điều kiện sau đây: - Có sức bền khí độ rắn tốt - Có điện dẫn suất dẫn nhiệt tốt để không nung nóng nhiệt độ cho phép tiếp điểm có dòng điện định mức lâu dài qua - Có sức bền ăn mòn tác nhân bên - Có nhiệt độ nóng chảy hoá cao - Có thể gia công dễ dàng - Giá thành hạ Bên cạnh điểm nêu trên, kim loại dùng làm tiếp điểm phải thoả mãn điều kiện khác tuỳ thuộc vào dạng tiếp điểm: * Đối với tiếp điểm cố định: - Phải có sức bền nén để chịu áp suất ép lớn - Phải có điện trở ổn định thời gian làm việc lâu dài * Đối với tiếp điểm di động: Chúng làm việc theo cách ấn (đóng mở máy cắt điện, công tắc tơ, rơle ) - Phải có sức bền ăn mòn, tác động khí va chạm đóng mở - Phải có sức bền tác động hồ quang điện - Không bị hàn chặt * Đối với tiếp điểm trợt: (Máy cắt điện, dao cắt, vòng cổ góp, cổ góp máy điện ) phải có sức bền ăn mòn khí ma sát 4.7 Hợp kim có điện trở cao chịu nhiệt Hợp kim có điện trở cao dùng điện trở đo điện, điện trở mẫu, biến trở dụng cụ đốt nóng điện Trong hợp kim dùng vào mục đích kinh tế là: Hợp kim Manganin, hợp kim Conxtantan, hợp kim Nikenin, hợp kim Crôm Niken, hợp kim Crôm - Nhôm a Hợp kim Manganin (86%Cu, 2%Ni,12%Mn) 40 Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện Là hợp kim dùng phổ biến dụng cụ đo điện điện trở mẫu Manganin hợp kim gốc đồng, khác với vật liệu khác có mầu vàng Manganin kéo dài đợc thành sợi mảnh đờng kính tới 0.02mm đợc sản xuất thành mỏng đến 0.02mm Hợp kim Manganin cần nhiệt luyện đặ biệt ủ nhiệt độ 350-5500C chân không, sau làm nguội châm giữ nhiệt độ phòng thời gian dài b Hợp kim Constantan( 60%Cu, 40%Ni) Đây hợp kim đồng niken, dễ hàn dễ dính chặt, hƯ sè biÕn ®ỉi ®iƯn trë st theo nhiƯt ®é nhỏ có trịo số âm Constantan dùng để sản xuất dâu biến trở dụng cụ đốt nóng điện có nhiệt độ làm việc không 400 0C Khi đốt nóng đến nhiệt độ tơng đối cao bề mặt constantan tạo lớp màng ôxít có tính cách điện Constantan ghép với đồng hay sắt có sức nhiệt điện động lớn Đó nhợc điểm dùng điện trở Constantan sơ đồ đo c Hợp kim Nikenin(25-35%)Ni, (2-3)%Mn, 67% Cu Hợp kim Nikenin rẻ tiền Constantan, dễ gia công, có điện trở suất nhỏ hệ số biến đổi điện trở suất ®èi víi nhiƯt ®é lín h¬n Constantan Ngêi ta dïng hợp kim Nikennin làm biến trở khởi động điều chỉnh d Hợp kim crôm Nikenin (1.5%Mn, (55-78)%Ni, (15-23)%Cr, lại Fe) Các hợp kim dùng dụng cụ đốt nóng điện: thiết bị nung, lò điện, mỏ hàn Các hợp kim nicrôm đợc chế tạo thành sợi có đờng kính từ 0,02mm trở lên Tính chịu nhiệt cao , chống đợc oxy hóa tốt nhiệt độ cao không khí 4.8 Lỡng kim 41 Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện Ngời ta gọi sảm phẩm dùng vật liệu lỡng kim loại sản phẩm kỹ thuật đợc chế tạo nhiều cách để tạo thành khối liên hệ chặt chẽ hai kim loại Câu hỏi ôn tập chơng Định nghĩa phân loại vật liệu dẫn điện? Hiệu điện tiếp xúc? Đồng, nhôm, sắt hợp kim loại này: tính chất, phân loại công dụng chúng kỹ thuật điện? Wofram, Niken, bạc, vàng, chì, thiếc, thuỷ ngân: đặc điểm công dụng chúng kỹ thuật điện? Công dụng hợp kim có điện trở cao kỹ thuật điện? Chơng Vật liệu từ Khái niệm tính chất vật liệu dẫn từ 1.1 Khái niệm Vật liệu từ tính quan trọng đợc sử dụng kỹ thuật điện điện tử chất sắt từ hợp chất sắt từ (Ferít) 1.2 TÝnh chÊt cđa vËt liƯu dÉn tõ + HƯ sè tõ thÈm cđa vËt liƯu dÉn tõ lín HƯ sè tõ thÈm lín max cđa mét sè chÊt đợc cho bảng sau: STT Vật liệu dẫn từ Hệ số max 42 Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện Sắt nguyên chất 280.000 Sắt non 8.000 ThÐp Silic kü tht ®iƯn 15.000 Pecmaloi (78%Ni, 22%Fe) 80.000 Siêu hợp kim (79%Ni, 15%Fe, 5% Mn) 1.500.000 + HƯ sè tõ thÈm c¶u vật liệu sắt từ số 1.4 Đờng cong từ hoá Quá trình từ hoá vật liệu từ đợc đặc trng quan hệ từ cảm B cờng độ từ trờng H, B = f(H) gọi đờng cong từ hoá (không phải đờng thẳng) Đờng cong từ hoá tất vật liệu sắt từ gần giống (Hình vẽ) Đờng cong đờng cong từ hoá đơn giản (cơ bản) giai đoạn đầu tăng dòng B điện từ hoá cuộn dây, A cờng độ từ trờng 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 H Hình vẽ: Đờng cong từ hoá 43 Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện bão hoà Hệ số từ thẩm giảm dần Đến cờng độ từ trờng H đủ lớn cảm ứng từ B hầu nh không tăng nữa: giai đoạn bão hoà, hệ số từ thẩm tiến đến Sự nhiễm từ chất Xung quanh dòng điện có môi trờng vật chất cảm ứng từ môi trờng khác cảm ứng từ môi trờng chân không gây dòng điện Vì môi trờng vật chất đặt từ trờng dòng điện môi trờng xuất thêm từ trờng phụ Ta nói môi trờng bị nhiễm từ, môi trờng có khả nhiễm từ gọi chất từ hay vật liệu từ Để giải thích tính từ nam châm, Ampe ngời nêu giả thuyết dòng điện kín tồn lòng nam châm gọi dòng điện phân tử 44 Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện Theo Ampe từ trờng nam châm từ trờng dòng điện phân tử lòng nam châm Có thể dùng khái niệm dòng điện phân tử để giải thích nhiễm từ chất thuận từ nghịch từ, nhiễm từ chất sắt từ giải thích dòng điện phân tử mà lý thuyết khác Tuy nhiên giả thuyết Ampe dòng điện sinh từ trờng giữ nguyên giá trị Phân loại vật liệu theo từ tính Tại điểm từ trờng, hệ số từ thẩm tỷ số cờng độ từ cảm B cờng độ từ trờng H Môi trờng chân không, có giá trị cờng độ từ cảm B0 từ trờng H0 B0 = H Trong ®ã 0 - hƯ sè tõ thÈm tut đối chân không, trị số = 4II.10-7 s/m Theo độ từ thẩm tính từ vật chất, ngời ta chia chất thuận từ nghịch từ dẫn từ a Chất thuận từ Là chất có độ từ thẩm > không phụ thuộc vào cờng độ từ trờng Loại gồm có oxy, nitơ, muối sắt, muối coban, muối niken, kim loại kiềm, nhôm b Chất nghịch từ Là chất có độ từ thẩm > phụ thuộc vào cờng độ từ trờng Loại gồm có sắt, côban, hợp kim chúng, hợp kim crôm - mamgan Đ6.2 Vật liệu s¾t tõ VËt liƯu s¾t tõ VËt liƯu quan trọng dợc sử dụng kỹ thuật điện, điện tử sắt từ hợp chất sắt từ (ferit) Trong tự nhiên có số chất (sắt, côban, niken, hợp chất chúng) có tính nhiễm từ mạnh Các vật liệu gọi chung vật liệu sắt từ Độ từ thẩm hợp chất lớn hành nghìn lần, chí có trờng hợp cao nhiều, tính chất sắt từ thể chất trạng thái tinh thể Sự nhiễm từ sắt Tính nhiễm từ mạnh sắt đợc giải thích taịo 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 ngợc lại Hai cực khác tên hút Tính nhiễm điện sắt giải thích dòng điện phân tử mà miền nhiễm từ tự nhiên Khi từ trờng miền nhiễm từ tự nhiên đợc xếp cho từ trờng miền nhiễm từ tự nhiên khử lẫn Kh đặt vào từ trờng xảy phân bố lại miền nhiễm từ tự nhiên dẫn đến kết sắt bị nhiễm từ mạnh Các tính chất vËt liƯu s¾t tõ a HƯ sè tõ thÈm cđa vËt liƯu s¾t tõ lín b HƯ sè tõ thẩm cảu vật liệu sắt từ số 46 Khoa Điện trình: Vật Liệu điện c Mọi vật liệu sắt từ có tính từ d Giáo Mạch từ tính toán mạch từ Mạch từ gồm lõi sắt từ có hay khe hở không khí từ từ thông đóng kín chúng lại Việc sử dụng vật liệu sắt từ nhằm mục đích thu đợc từ trở cực tiểu, từ trở sức từ động cần thiết để đảm bảo cảm ứng từ hay từ thông mong muốn có giá trị nhỏ Mạch từ đơn giản bao gồm lõi cuộn dây hình xuyến (nh hình vẽ) Ngời ta dùng mạch từ nối nối tiếp hay rẽ nhánh mà 47 Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện đoạn đợc thùc hiƯn b»ng c¸c vËt liƯu kh¸c hay vËt liệu chất Tính toán mạch từ xác định sức từ động theo giá trị từ thông cho, kích thớc mạch chất vật liệu đợc dùng Để thực điều này, mạch từ đợc chia nhỏ thành đoạn l1, l2, l3.có tiết diện toàn chiều dài nó, tức phải chịu từ trờng giống hệt Kê tiếp, ta xác định cảm ứng từ B = đoạn tìm cờng độ tS ơng ứng từ trờng theo đờng cong từ hoá tự nhiên(hình vẽ) Cờng ®é tõ trêng khe hë hay vËt liÖu không từ đợc tính nhờ công thức Một sè vËt liƯu dÉn tõ th«ng dơng 3.1 VËt liƯu từ mềm Đợc sử dụng làm mạch từ thiếtbị dụng cụ điện có từ trờng không đổi biến đổi (lõi máy biến áp, stato máy điện, nam châm điện loại.) * Thép kỹ thuật (gồm gang) đợc dùng làm tử trờng mạch từ không đổi, thép kỹ thuật có cờng độ từ trờng cao, số từ thẩm lớn cờng độ khử từ nhỏ * Thép kỹ thuật điện: Là hợp chất sắt - silic (1-4% Si), Si cải thiện đặc tính từ sắt kỹ thuật nh tăng số từ thẩm, giảm cờng độ khử từ, tăng điện trở suất (để giảm dòng điện Phucô hay dòng điện xoáy) * Pecmalôi: Là hợp kim sắt niken (22%Ni), số tạp chất Molipden, crôm, silic, nhôm Pecmaloi cã h»ng sè tõ thÈm lín gÊp 10 – 50 so với thép kỹ thuật điện 48 Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện * Ferit: Là vật liệu sắt từ gồm có bột oxit sắt, kẽm số nguyên tố khác chế tạo hỗn hợp đợc ép khuân với công suất lớn nung đến nhiệt độ khoảng 1200 0C Đợc sử dụng kỹ thuật điện mạch từ linh kiên điện tử, khuếch đại từ, máy tính 3.2 Vật liệu từ cứng: Vật liệu từ cứng đợc dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu, yêu cầu vật liệu từ cứng lực khử từ vµ tỉn hao tõ trƠ lín 3.3 VËt liƯu tõ có công dụng đặc biệt * Lu trữ từ: Vật liƯu tõ ngµy cµng quan träng lÜnh vùc lu trữ thông tin, linh kiện bán dẫn dùng làm nhớ sơ cấp đĩa băng từ lại có khả lữu trc thông tin lớn giá thành thấp Các liệu máy tính, âm hình ảnh dới dạng tín hiệu điện tử đợc chuyển nạp lu trữ khu vực nhỏ môi trờng lu trữ từ Để lu trữ tốt, yêu cầu vật liệu từ phải có vòng từ trễ cho môi trờng lu trữ phải tơng đối hẹp chữ nhật, yêu cầu phải bảo đảm cho lu trữ đợc vĩnh cửu đảo chiều từ hoá xảy khoảng hẹp cờng độ từ trờng đặt vào Thông thờng mật độ bão hoà nằm khoảng 0,4 -0,6 Tesla * Siêu dẫn Siêu dẫn tợng điện, nhiên có vấn đề phức tạp liên quan đến trạng thái siêu dẫn vật liệu siêu dẫn đợc ứng dụng trớc tiên nam châm có khả tạo từ trờng cao Hiện siêu dẫn có ứng dụng thực tế đa dạng, nam châm siêu dẫn có khả tạo từ trờng với công xuất tiêu 49 Khoa Điện Giáo trình: Vật Liệu điện thụ thấp đợc dùng thiết bị thử nghiệm nghiên cứu khoa học + Truyền tải điện vật liệu siêu dẫn với tổn hao công suất thấp trang thiết bị đợc vận hành dới điện áp thấp + Nam châm máy gia tốc hạt lợng cao, nam châm giúp đóng cắt tiếp điểm máy cắt điện thay cho cấu đóng cắt khí cồng kênh + Truyền tín hiệu chuyển mạch tốc độ cao máy tính * Vật liệu từ giảo Là vật liệu ứng dụng dựa tợng từ giảo tợng đàn hồi hay có sù thay ®ỉi kÝch thíc vËt thĨ tõ trêng thay đổi tính chất từ số loại vật liệu dới ảnh hởng lực học tác động Vật liệu gồm kim loại nguyên chất, hợp kim ferít khác Vật liệu từ giảo đợc dùng để chế tạo, sản suất lõi biến đổi điện (bức xạ thu) cho điện âm học kỹ thuật siêu âm Đợc sử dụng thiết bị tự động kỹ thuật đo lờng phân tử cần có độ nhạy cao Câu hỏi ôn tập chơng Sự nhiễm từ chất? Phân loại vật liệu từ? Các loại vật liệu sắt từ ứng dụng nó? Vật liệu từ có công dụng đặc biÖt? 50 ... loại vật liệu kỹ thuật điện 11 Khoa Điện trình: Vật Liệu điện Giáo Chơng Vật liệu cách điện Khái niệm phân loại vật liệu cách điện 1.1 Khái niệm Vật liệu cách điện chất mà điều kiện bình thờng điện. .. trạng thái vật lý Vật liệu cách điện đợc phân loại 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...Khoa Điện trình: Vật Liệu điện Giáo Chơng Khái niệm vật liệu điện Mục đích chơng nh»m ®a mét sè kiÕn thøc mang tÝnh chÊt sở, cấu tạo vật chất vật liệu trớc nghiên cứu vật liệu kỹ thuật điện