Chương 2 : Vật liệu dẫn điện và cáp điện - phần 1

 Ứng dụng: làm dây tải điện trên không có công suất tương đối nhỏ, đường ray tải điện cho tàu điện mặt đất hoặc tàu điện ngầm, vật liệu kết cấu….. Vật liệu có điện trở suất cao[r]

Chương II: Vật liệu dẫn điện và cáp điện

 Phân loại

 Bản chất dẫn điện  Các tính chất bản

 Vật liệu có điện dẫn cao

 Vật liệu có điện trở suất cao  Các kim loại khác

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 các 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 bằng 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

Bản chất dẫn điện

1 Dẫn điện điện tử (xảy kim loại)

 Xét chuyển động điện tử vật dẫn điện tác động điện trường (đơn giản: xem điện tử c/đ theo phương điện trường)

t A

q J

 

 q =?

 Mật độ dịng điện:

Vận tốc dịch chuyển trung bình của điện tử theo phương x

 x x xN 

dx v v v

N

v  1 1  2  

 Mật độ điện tử tự kim

loại   1028 m3

V N n

 Trong khoảng thời gian t, điện tử chuyển động quãng đường x

t v

x  dx 

 Tổng điện tích qua tiết diện A khoảng thời gian t

e e nA xq

Vq n

q    



 Mật độ dòng điện theo phương x là

e dx e

dx

x nv q

t A tq nAv t A q J       

 Nếu E E  t J q nv (t) dx

e x

x

 Khi khơng có điện trường ngoài, điện tử tự do chuyển động nhiệt hỗn loạn theo phương  không tạo thành dịng 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 của điện trường tác động lực qeEx

 Do điện tử chuyển động nhanh dần khoảng thời gian tự trung bình giữa hai lần va chạm , nên quan hệ lực tác động lên điện tử vận tốc của

điện tử là:

  e x

e x e xN x x dx E m E q v v v N

v  1 1  2      

: độ linh động điện tử-cm2/V.s (đặc trưng cho mức độ dịch

chuyển điện tử tác động điện trường ngoài) e e e m q    dx e x nq v

J 

 Mật độ dòng điện tỉ lệ thuận với điện trường ngoài

x e e dx

e

x nq v nq E

J   

 Mà: x e dx e e e

e q E

v m a

m

F   



 Vận tốc dịch chuyển trung bình điện tử theo phương x

2 Dẫn điện ion (xảy dung dịch điện phân)

 Sự dịch chuyển ion tác dụng điện trường  tạo ra dòng điện

 Nồng độ chất điện phân dung dịch giảm dần

n q n q E v q n v q n J                   

Mật độ dòng điện:

Phản ứng oxi hóa cực

dương tạo khí bay lên Conduction in

Các tính chất bản  Độ dẫn điện điện trở suất

 Hệ số nhiệt điện trở suất  Độ dẫn nhiệt

1 Độ dẫn điện điện trở suất

 Độ dẫn điện đặc trưng cho khả dẫn điện vật liệu (, Sm-1)

 Điện trở suất đặc trưng cho khả cản trở dòng điện vật liệu (, m)

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

I V R

l A

R 



 1 ;  ;

 

 Điện trở suất kim loại phụ thuộc nhiệt độ: nhiệt độ tăng  dao động nhiệt ion dương tăng  tăng xác suất va chạm  tăng điện trở suất

Đồng

T R 



  

R: điện trở suất dư, phụ thuộc rất vào nhiệt độ

 Gần xem điện trở suất tăng tuyến tính với nhiệt độ B AT  



 Hệ số nhiệt điện trở suất: đặc trưng cho khả thay đổi điện trở suất nhiệt độ tăng độ

o O

T T

T  



 

  

To = 0oC 20oC

 

 o o 

o  T T

  

 1 o = số

khoảng từ To đến T

2 Độ dẫn nhiệt

 Nhiệt truyền từ bên nóng sang bên lạnh nhờ vào các điện tử tự to

 Bên nóng, dao động ion dương tăng  tăng động các điện tử tự va

chạm  điện tử lượng  Chuyển động hỗn loạn

điện tử lượng tăng  tăng lượng truyền cho ion dương bên lạnh va chạm  dao động mạnh (tăng nhiệt)

 Độ dẫn nhiệt đặc trưng cho khả truyền tải nhiệt vật liệu (, W/m.K)

 Công suất nhiệt Q truyền qua mặt cắt có tiết diện A theo phương x của vật liệu có độ dẫn nhiệt 

 Q tỉ lệ thuận với 

dx dT A

Q  

Q

dT

dx

 Định luật Weidemann - Franz- Lorenz:

- Tỉ số / giá nhiệt độ kim loại - Tỉ số / tỉ lệ thuận với nhiệt độ với số gần đối với kim loại

WFL C T     Trong đó: 2 8 2 2 2 10 44 . 2 3     

 W K

q k C e B WFL 

Hằng số Boltzmann (1.3810-23 JK-1)

3 Giới hạn bền kéo độ dãn dài tương đối

 Là tính chất học kim loại

 Độ bền kéo giới hạn lớn ứng suất kéo làm đứt vật liệu  Ứng suất kéo trạng thái ứng suất vật liệu chịu tác động kéo

căng theo hướng trục

) /

(N mm2 A

F

k

k 

  

 Tác động lực  dây đồng bị dãn đồng thời ứng suất kéo thay đổi (đồ thị k- l/l)

 Độ dãn dài tương đối: l/l

 Dây đồng sản xuất 02 phương pháp:

o Kéo nguội sẽ tăng độ bền kéo giảm độ dãn dài

o Kéo sau đốt nóng ủ sẽ giảm độ bền kéo tăng độ dãn dài tương đối

k

l/l PP kéo nguội

PP kéo sau đốt nóng ủ

Hiện tượng nhiệt điện

 Hai kim loại khác

hàn nối đầu với trong đầu lại để hở

 Nhiệt độ đầu hàn T1

 Nhiệt độ đầu hở T2 bằng với nhiệt độ mơi trường

 Xuất điện có giá trị mV hai kim loại đầu hở

 Ứng dụng: làm cặp nhiệt ngẫu để đo nhiệt độ công nghiệp (loại E, J, K…)

  oB oA n n T T e K

U  1  2 ln

Vật liệu có điện dẫn cao

1 Đồng

 Đồng sử dụng rộng rãi ngành kỹ thuật điện để làm vật dẫn điện

 Kim loại màu nâu đỏ

 Độ dẫn điện cao (điện trở suất nhỏ: 0.0172 mm2/m)

 Độ bền tương đối cao

 Bền vững hóa học (ít bị ơxy hóa nhiệt độ thường, ơxy hóa mạnh ở nhiệt độ cao)

 Dễ gia cơng khí: cán, kéo…  Dễ hàn nối

Quặng đồng Phôi đồng

2 Hợp kim đồng

 Có loại: đồng thau đồng thanh

 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 và độ bền cao (độ bền kéo)

3 Nhôm

 Nhôm ( = 0.028 mm2/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 nhưng khối lượng dây nhôm bằng 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

 Nhôm dễ bị ôxy hóa tạo lớp ơxit nhơm bền mặt hóa học

nhưng có điện trở suất lớn  dẫn điện vị trí tiếp xúc dây nhôm  nối dây phương pháp hàn thiết bị

 Hợp kim nhơm với magiê silíc có tính cao điện trở suất xấp xỉ nhơm tinh khiết

Quặng Bauxite Nhơm ơxít

4 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 mm2/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 mịn kém, dễ bị ơxy hóa

Vật liệu có điện trở suất cao

1 Manganin

 Hợp kim đồng với Mangan Ni (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni)  Điện trở suất cao đồng ( = 0.42-0.48 mm2/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

2 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

3 Hợp kim Nichrome

 Hợp kim niken với chrome (80% Ni, 20%Cr)  Điện trở suất cao ( = 1-1.2 mm2/m )

 Nhiệt độ nóng chảy cao (1400oC)

 Khả chống ơxy hóa tốt nhiệt độ cao

Các kim loại vật liệu khác

1 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

2 Chì

 Kim loại màu xám

 Mềm, dẽo, độ bền thấp  Nhiệt độ nóng chảy thấp

 Điện trở suất cao (0.21 mm2/m)

 Khả chống ăn mịn cao  Bền vững hóa học

 Chì hợp kim chì độc người

3 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

4 Than kỹ thuật điện

 Điện trở suất cao đồng (15-50 mm2/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…

Than chì

Chổi than