Bai giang VẬT LIỆU ĐIỆN

Giáo Trình Vât Liệu điện Trường Trung cấp Cơ Điện Nam nh Lời nói đầu Vật liệu điện môn học sở chuyên ngành điện điện tử Môn học đợc học trớc học sinh nghiên cứu môn học Máy điện, An toàn điện, cung cấp điện, Môn học trang bị cho ngời học kỹ năng, kiến thức vật liệu sử dụng ngành điện, tính chất vật lý, hoá học, đặc điểm yêu cầu loại vật liệu điện, u điểm, nhợc điểm, cách điều chế ứng dụng loại vật liệu điện thực tế Giáo trình Vật liệu điện đời với mong muốn giúp cho giáo viên học sinh trờng trung cấp Cơ Điện Nam Định thuận tiện công tác giảng dạy nghiên cứu môn Vật liệu điện Giáo trình bao gồm phần - Chơng I : Khái niệm Vật liệu điện - Chơng II : Vật liệu cách ®iƯn - Ch¬ng III : VËt liƯu dÉn ®iƯn - Ch¬ng IV : VËt liƯu dÉn tõ - Ch¬ng V : Vật liệu bán dẫn - Chơng VI : Dây dẫn cáp Mặc dù có nhiều cố gắng, nhng thời gian có hạn, chắn giáo trình không tránh khỏi nhiều thiếu sót Rất mong nhận đợc góp ý đồng nghiệp bạn đọc để lần chỉnh sửa sau giáo trình đợc hoàn thiện Giáo viên soạn Trần Quốc Việt Ti liu lu hnh nội Giáo Trình Vât Liệu điện Trường Trung cấp Cơ Điện Nam Định MỤC LỤC CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN .6 Khái niệm vật liệu điện 1.1 Khái niệm 1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu 1.3 Cấu tạo phân tử 1.4 Khuyết tật cấu tạo vật rắn 1.5 Lý thuyết phân vùng lượng vật rắn Phân loại vật liệu điện 2.1 Phân loại theo khả dẫn điện 2.2 Phân loại theo từ tính 2.3 Phân loại theo trạng thái vật thể CHƯƠNG II VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 10 Khái niệm phân loại vật liệu cách điện .10 1.1 Khái niệm 11 1.2 Phân loại vật liệu cách điện 11 Tính chất chung vật liệu cách điện 12 2.1 Tính hút ẩm vật liệu cách điện .13 2.2 Tính chất học vật liệu cách điện 14 2.3 Tính chất hố học vật liệu cách điện .15 2.4 Hiện tượng đánh thủng điện môi độ bền cách điện 15 2.5 Tính chọn vật liệu cách điện 17 2.6 Hư hỏng thường gặp 17 2.7 Độ bền nhiệt .17 Một số vật liệu cách điện thông dụng .18 3.1 Vật liệu sợi .18 3.2 Giấy cáctông 18 3.3 Phíp: 19 3.4 Amiăng, xi măng amiăng 20 3.5 Gỗ tre 36 3.6 Vải sơn băng cách điện 20 3.7 Chất dẻo 21 3.8 Nhựa cách điện 22 3.9 Dầu cách điện (dầu máy biến áp) 28 3.10 Sơn hợp chất cách điện 29 3.11 Chất đàn hồi 29 3.11 Điện môi vô 31 3.12 Vật liệu cách điện gốm sứ 34 3.13 Mica vật liệu sở mica 35 CHƯƠNG III VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 37 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn điện 38 1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện 38 1.2 Tính chất vật liệu dẫn điện 38 1.3 Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến vật liệu dẫn điện .41 1.4 Hiệu điện tiếp xúc sức nhiệt động 41 Tài liệu lưu hành nội Giáo Trình Vât Liệu điện Trường Trung cấp Cơ Điện Nam Định Tính chất chung kim loại hợp kim 42 2.1 Tầm quan trọng kim loại hợp kim 42 2.2 Các tính chất 43 2.3 Ăn mòn kim loại .45 2.4 Tính chọn vật liệu dẫn điện 47 Một số vật liệu dẫn điện thông dụng 48 4.1 Đồng hợp kim đồng .48 4.2 Nhôm hợp kim nhơm .51 4.3 Chì hợp kim chì 54 4.4 Sắt (thép) 56 4.5 Wonfram 56 4.6 Kim loại dùng làm tiếp điểm cổ góp 57 4.7 Hợp kim có điện trở cao chịu nhiệt 60 4.8 Lưỡng kim .62 CHƯƠNG IV: VẬT LIỆU DẪN TỪ 64 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn từ 64 1.1 Khái niệm 64 1.2 Tính chất vật liệu dẫn từ 65 1.4 Đường cong từ hoá 66 Mạch từ tính tốn mạch từ 68 2.1 Các công thức 68 2.2 Sơ đồ thay mạch từ 71 2.3 Mạch từ xoay chiều 72 4.1 Hư hỏng thường gặp 77 4.2.1Vật liệu sắt từ mềm: 78 4.2.3 Vật liệu sắt từ cứng: 82 4.2.4 Các vật liệu từ có cơng dụng đặc biệt 85 Hướng dẫn sử dụng chương trình …………………………………….89 Tài liệu tham khảo …………………………………… ……………90 Tài liệu lưu hành nội Giáo Trình Vât Liệu điện Trường Trung cấp Cơ Điện Nam Định MÔN HỌC : Vật liệu điện Mã Mơn Học: MH 11 Vị trí, tính chất mơn học: Mơn học học sau mơn học An tồn lao động học song song với môn học Vẽ điện, Khí cụ điện Mơn học vật liệu điện mang tính tích hợp lý thuyết thực hành; Mục tiêu mơn học: Sau hồn tất mơn học này, học viên có lực: Nhận dạng loại vật liệu điện thông dụng Phân loại loại vật liệu điện thơng dụng Trình bày đặc tính loại vật liệu điện Sử dụng thành thạo loại vật liệu điện Xác định dạng nguyên nhân gây hư hỏng vật liệu điện Tính chọn/thay vật liệu điện Nội dung môn học: Mã Tên Loại Địa Thời lượng bài/chươngmục điểm dạy Tổng Lý Thực Kiểm tra số thuyết hành Bài mở đầu Lý Lớp thuyết học MH ChươngI: Khái Tích Lớp 11- niệm vật liệu hợp học 01 điện Khái niệm 1,5 vật liệu điện Phân loại vật 0,5 liệu điện MH Chương II: Vật Tích Lớp 3.5 0,5 11- liệu cách điện hợp học 02 Khái niệm Lý Lớp phân loại vật liệu thuyết học cách điện Tính chất chung Tích Lớp 1,5 vật liệu cách hợp học điện Một số vật liệu cách điện thông dụng MH Chương III: Vật Tích Lớp 10 4 Tài liệu lưu hành nội Giáo Trình Vât Liệu điện 1103 liệu dẫn điện Trường Trung cấp Cơ Điện Nam Định hợp học 1,5 Lớp Khái niệm Tích học tính chất vật hợp liệu dẫn điện 0,5 Lớp Tính chất chung Tích học kim loại hợp hợp kim 0,5 Lớp Những hư hỏng Kiểm tra học thường cách chọn vật liệu dẫn điện 1,5 Một số vật liệu dẫn điện thơng dụng MH Chương IV: Vật Tích Lớp 11- liệu dẫn từ hợp học 4,5 0,5 04 Khái niệm Tích Lớp tính chất vật liệu hợp học 1,5 dẫn từ Lớp Mạch từ tính Lý thuyết học tốn mạch từ Lớp Một số vật liệu Tích học 1 dẫn từ thông hợp dụng Kiểm tra Kiểm Lớp tra học Yêu cầu, đánh giá hoàn thành môn học: Mô đun vật liệu điện mơ đun mang tính chất tảng để Sinh viên biết vật liệu kim loại có đời sống ứng dụng vào để làm trang thiết bị điện Vì mơn học sinh viên nắm bắt kiến thức v bit sử dụng phù hợp loại vật liệu cách điện theo yêu cầu kỹ thuật cụ thể Kin thc: Nhận dạng, phân loại xác loại vật liệu cách điện dùng công nghiệp dân dụng Trình bày đợc đặc tính số loại vật liệu cách điện thờng dùng K nng: Xác định đợc nguyên nhân gây h hỏng có phơng án thay khả thi loại vật liệu cách điện thờng dùng Thỏi : Nghiờm túc, sáng tạo, chăm nghiên cứu học tập Tài liệu lưu hành nội Giáo Trình Vât Liệu điện Trường Trung cấp Cơ Điện Nam Định CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Mã chương: MĐ 11 – 01 Giới thiệu Vật liệu điện có vai trị to lớn cơng nghiệp điện Để thấy rõ chất cách điện hay dẫn điện loại vật liệu, cần hiểu khái niệm cấu tạo vật liệu hình thành phần tử mang điện vật liệu Bên cạnh cần nắm rõ nguồn gốc, cách phân loại loại vật liệu để tiện lợi cho q trình lựa chọn sử dụng sau Nội dung học nhằm trang bị cho học viên kiến thức nhằm giúp cho học viên có kiến thức để học tập học sau có hiệu Mục tiêu Nhận dạng loại vật liệu điện Phân loại xác loại vật liệu điện dùng công nghiệp dân Nội dung chính: Khái niệm vật liệu điện 1.1 Khái niệm 1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu 1.3 Cấu tạo phân tử 1.4 Khuyết tật cấu tạo vật rắn 1.5 Lý thuyết phân vùng lượng vật rắn Phân loại vật liệu điện 2.1 Phân loại theo khả dẫn điện 2.2 Phân loại theo từ tính 2.3 Phân loại theo trạng thái vật thể Khái niệm vật liệu điện 1.1 Khái niệm Vật liệu điện tất vật liệu sử dụng ngành kỹ thuật điện Tùy theo mục đích sử dụng, người ta chia vật liệu điện thành vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn điện, vật liệu cách điện vật liệu dẫn từ Mọi vật liệu (Vật chất) cấu tạo từ nguyên tử phân tử 1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu Hạt nhân nguyên tử tạo nên từ hạt prôton nơtron Nơtron hạt khơng mang điện tích, cịn prơton có điện tích dương với số lượng zq Trong đó: z số lượng điện tử nguyên tử đồng thời số thứ tự nguyên tố nguyên tử bảng tuần hồn Menđêleep q: Điện tích điện tử e (qe = 1,601.10-19 Culơng) Prơton có khối lượng 1,67.10-27Kg, electron (e) có khối lượng 9,1.10-31Kg Ở trạng thái bình thường ngun tử trung hịa điện, tức ngun tử có tổng điện tích dương hạt nhân tổng điện tích âm điện tử Để có khái niệm lượng điện tử ta xét nguyên tử Hiđro nguyên tử cấu tạo từ proton điện tử Khi điện tử chuyển động quỹ đạo trịn bán kính r xung quanh hạt nhân điện tử chịu lực hút hạt nhân f xác định biểu thức: Tài liệu lưu hành nội Giáo Trình Vât Liệu điện Trường Trung cấp Cơ Điện Nam Định 2 f1 = q /r (1) Lực hút f1 cân với lực ly tâm chuyển động f2 = mv2/2 (2) m: Khối lượng điện tử v: Tốc độ chuyển động điện tử Từ (1) (2) ta có: f1 = f2 hay mv2 = q2/r (3) Trong q trình chuyển động điện tử có động T = mv 2/2 U = - q2/r, nên lượng điện tử bằng: W = T+U = - q2/2r (4) Biểu thức (4) chứng tỏ điện tử nguyên tử có mức lượng định Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự người ta gọi lượng ion hóa (Wi) Trong thực tế lượng ion hóa lượng kích thích nguyên tử nhận từ nhiều nguồn lượng khác nhiệt năng, quang năng, điện năng, lượng tia sóng ngắn tia , ,  hay tia rơnghen 1.3 Cấu tạo phân tử a Liên kết đồng hóa trị Được đặc trưng dùng chung điện tử nguyên tử phân tử Khi mật độ đám mây điện tử hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững VD: Phân tử clo Cl2 gồm nguyên tử clo, nguyên tử clo có 17 điện tử, điện tử hóa trị lớp Hai nguyên tử liên kết bền vững với cách sử dụng chung điện tử lớp vỏ nguyên tử bổ xung thêm điện tử nguyên tử Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hóa trị trung tính hay cực tính (lưỡng cực) b Liên kết ion Liên kết ion xác lập lực hút ion dương ion âm phân tử Liên kết ion liên kết bền vững Do vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao VD: tinh thể ion muối halogen kim loại kiềm Khả tạo nên chất hợp chất mạng khơng gian phụ thuộc chủ yếu vào kích thước ngun tử hình dáng lớp điện tử ngồi c Liên kết kim loại Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn Lực hút ion dương điện tử tạo nên tính ngun khối kim loại Chính liên kết kim loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao d Liên kết Vandec-vanx Liên kết dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững Do liên kết phân tử liên kết Vandec - vanx có nhiệt độ nóng chảy độ bền thấp paraphin Tài liệu lưu hành nội Giáo Trình Vât Liệu điện Trường Trung cấp Cơ Điện Nam Định Vùng mức lượng tự Vùng cấm Vùng cấm Vùng đầy điện tử Vùng đầy điện tử Vùng đầy điện tử Vật dẫn Bán dẫn Điện môi W Năng lượng eV Vùng mức lượng tự W Vùng mức lượng tự Năng lượng eV Năng lượng eV 1.4 Khuyết tật cấu tạo vật rắn Khuyết tật vật rắn tượng phá vỡ tính chất chu kỳ trường tĩnh điện mang tinh thể phá vỡ thành phần hợp thức; có mặt tạp chất lạ; áp lực học; lượng tử dao động đàn hồi; lượng tử dao động đàn hồi phônôn; mặt tinh thể phụ đoạn tầng; khe rãnh; lỗ xốp Khuyết tật làm thay đổi đặc tính học, lý học, hóa học tính chất điện vật liệu Khuyết tật tạo nên tính đặc biệt tốt VD: Vi mạch IC làm cho tính chất vật liệu VD: Vật liệu cách điện có lẫn kim loại 1.5 Lý thuyết phân vùng lượng vật rắn Các nguyên tử khác có trạng thái lượng hay mức lượng khác Khi nguyên tử trạng thái bình thường khơng bị kích thích, số Sơ đồ phân bố vùng lượng vật rắn nhiệt độ 0o K mức lượng điện tử lấp đầy, mức lượng khác điện tử có mặt nguyên tử nhận lượng từ bên ngồi tác động (trạng thái kích thích) Khi điện tử chuyển từ mức lượng kích thích sang mức lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát phần lượng dư thừa Khi chất khí hóa lỏng sau tạo nên mang 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 giải lượng hay gọi vùng mức lượng Do khơng có lượng chuyển động nhiệt nên vùng lượng bình thường nguyên tử vị trí thấp cịn gọi vùng hóa trị hay cịn gọi vùng đầy (ở 0oK điện tử hóa trị nguyên tử lấp đầy vùng này) Những điện tử tự có mức hoạt tính cao hơn, dải lượng chúng tập hợp thành vùng tự hay vùng điện dẫn Phân loại vật liệu điện 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 a Điện mơi Là chất có vùng cấm lớn đến mức điều kiện bình thường dẫn điện điện tử khơng xảy Các điện tử hóa trị cung cấp thêm lượng chuyển động nhiệt di chuyển động nhiệt di chuyển tới Tài liệu lưu hành nội Giáo Trình Vât Liệu điện Trường Trung cấp Cơ Điện Nam Định vùng tự để tham gia vào dòng điện dẫn Chiều rộng vùng cấm điện môi W nằm khoảng từ 1,5 đến vài điện tử von (ev) b Bán dẫn Là chất có vùng cấm hẹp so với điện mơi, vùng thay đổi nhờ tác động lượng từ bên chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (W = 0,2 1,5eV) c Vật dẫn Là chất có vùng tự nằm sát với vùng đầy chí chồng lên vùng đầy (W < 0,2eV) Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự lớn; nhiệt độ bình thường điện tử hóa trị vùng đầy chuyển sang vùng tự dễ dàng, tác dụng lực điện trường điện tử tham gia vào dịng điện dẫn vật dẫn có tính dẫn điện tốt 2.2 Phân loại theo từ tính Theo từ tính người ta phân vật liệu thành nghịch từ, thuận từ dẫn từ a Vật liệu nghịch từ Là chất có độ từ thẩm  < không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngồi VD: Loại gồm có: hydrơ, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, muối mỏ kim loại như: đồng, kẽm, bạc, vàng, thủy ngân, gali, antimoan b Vật liệu Thuận từ Là chất acó độ từ thẩm  > không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên VD: O2 , Al, muối sắt, bạch kim Chất thuận từ nghịch từ có độ từ thẩm   c Chất dẫn từ Là chất có  > phụ thuộc vào cường độ từ trường bên VD: Fe, Coban, Niken 2.3 Phân loại theo trạng thái vật thể Theo trạng thái vật thể: có vật liệu thể rắn, thể lỏng vật liệu thể khí.Ngồi ta phân loại vật liệu điện: Ngồi ta phân loại vật liệu điện: + Theo cơng dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ vật liệu bán dẫn + Theo nguồn gốc: có vật liệu vơ vật liệu hữu Tài liệu lưu hành nội Giáo Trình Vât Liệu điện Trường Trung cấp Cơ Điện Nam Định CHƯƠNG II: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Giới thiệu Vật liệu cách điện có ý nghĩa quan trọng kỹ thuật điện Chúng dùng để tạo cách điện bao bọc quanh phận dẫn điện thiết bị điện để tách rời phận có điện khác Nhiệm vụ cách điện cho dòng điện theo đường mạch điện sơ đồ qui định Rõ ràng thiếu vật liệu cách điện chế tạo thiết bị điện kể loại đơn giản Vật liệu cách điện có ý nghĩa quan trọng muốn sử dụng đạt hiệu cao địi hỏi người cơng nhân phải am hiểu tính chất, đặc tính kỹ thuật loại vật liệu cách điện Nội dung học nhằm trang bị cho người học kiến thức vật liệu cách điện ứng dụng Mục tiêu Nhận dạng, phân loại xác loại vật liệu cách điện dùng cơng nghiệp dân dụng Trình bày đặc tính số loại vật liệu cách điện thường dùng Sử dụng phù hợp loại vật liệu cách điện theo yêu cầu kỹ thuật cụ thể Xác định nguyên nhân gây hư hỏng có phương án thay khả thi loại vật liệu cách điện thường dùng Nội dung chính: Khái niệm phân loại vật liệu cách điện 1.1 Khái niệm 1.2 Phân loại vật liệu cách điện Tính chất chung vật liệu cách điện 2.1 Tính hút ẩm vật liệu cách điện 2.2 Tính chất học vật liệu cách điện 2.3 Tính chất hóa học vật liệu cách điện 2.4 Hiện tượng đánh thủng điện môi độ bền cách điện 2.5 Độ bền nhiệt 2.6 Tính chọn vật liệu cách điện 2.7 Hư hỏng thường gặp Một số vật liệu cách điện thông dụng 3.1 Vật liệu sợi 3.2 Giấy tơng 3.3 Phíp 3.4 Amiăng, xi măng amiăng 3.5 Vải sơn băng cách điện 3.6 Chất dẻo 3.7 Nhựa cách điện 3.8 Dầu cách điện 3.9 Sơn hợp chất cách điện: 3.10 Chất đàn hồi 3.11 Điện môi vô 10 Tài liệu lưu hành nội ... niệm Vật liệu điện tất vật liệu sử dụng ngành kỹ thuật điện Tùy theo mục đích sử dụng, người ta chia vật liệu điện thành vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn điện, vật liệu cách điện vật liệu. .. vật thể Theo trạng thái vật thể: có vật liệu thể rắn, thể lỏng vật liệu thể khí.Ngồi ta phân loại vật liệu điện: Ngồi ta phân loại vật liệu điện: + Theo cơng dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu. .. làm việc với mạch điện Như vật dẫn phải bao bọc vật liệu cách điện Vật liệu cách điện gọi điện môi Điện môi vật liệu làm cho dòng điện nơi qui định 1.2 Phân loại vật liệu cách điện * Phân loại