Giáo trình Vật liệu điện - điện tử: Phần 1 - CĐ Giao thông Vận tải

Giáo trình Vật liệu điện - điện tử: Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: Tổng quan về vật liệu điện; vật liệu dẫn điện; vật liệu bán dẫn. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung giáo trình!

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

GIÁO TRÌNH

VẬT LIỆU ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Biên soạn : ThS PHẠM HỮU TẤN

KS PHẠM VĂN QUANG

TP.HCM, NĂM 2014

LỜI NÓI ĐẦU

Nhằm mục đích phục vụ cho việc giảng dạy và làm tài liệu tham khảo cho các môn chuyên ngành Điện – Điện tử trong Trường Cao Đẳng Giao Thơng Vận Tải TP.HCM Cuốn sách Thực tập máy điện ra đời làm giáo trình để giảng dạy cho học sinh đang học hệ Cao đẳng chuyên ngành điện và các ngành liên quan

Nội dung cuốn sách trình “ Thực tập máy điện” trình bày chi tiết các vấn đề dựa theo chương trình khung của Bộ Giáo Dục và Đào Tạo và kết hợp với kiến thức nhằm nâng cao chất lượng đào tạo, đáp ứng với sự phát triển công nghệ hiện đại

Trong quá trình biên soạn, giáo trình sẽ còn một số hạn chế và sai sót Mong nhận được sự đóng góp ý kiến để hoàn thiện hơn Mọi sự đóng góp xin gửi về: Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử ,Trường Cao Đẳng Giao Thơng Vận Tải

Tác giả

Trang

Chöông 1 : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN (3 TIẾT)

1.1 Khái niệm về vật liệu học 1

1.2 Cấu tạo vật liệu 1

1.3 Một số khái niệm, định nghĩa về vật liệu kỹ thuật điện 5

1.4 Phân loại vật liệu điện-điện tử 5

Chöông 2 : VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN (15 TIẾT) 2.1 Quá trình vật lý của vật liệu dẫn điện 11

2.2 Tính chất chung của vật liệu dẫn điện 17

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu dẫn điện 27

2.4 Phân loại vật liệu dẫn điện 28

2.5 Kim loại dẫn điện 29

2.6 Hợp kim dẫn điện 35

2.7 Vật liệu có tính dẫn điện cao 43

2.8 Kim loại và hợp kim siêu dẫn 48

Chöông 3 : VẬT LIỆU BÁN DẪN (9 TIẾT) 3.1 Quá trình vật lý của chất bán dẫn 59

3.2 Các tính chất của chất bán dẫn 65

3.3 Tính dẫn điện của chất bán dẫn 67

3.4 Phân loại vật liệu bán dẫn 72

3.5 Ứng dụng vật liệu bán dẫn trong ngành điện Chöông 4 : VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN (24 TIẾT). 4.1 Quá trình vật lý của chất cách điện 84

4.2 Tính chất của chất cách điện 100

4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cách điện 107

4.4 Phân loại vật liệu cách điện 110

4.5 Vật liệu cách điện ở thể rắn 111

4.6 Vật liệu cách điện ở thể lỏng 119

4.7 Vật liệu cách điện ở thể khí 122

4.8 Ứng dụng cách điện cho đường dây tải điện trên không 124

Chöông 5 : VẬT LIỆU TỪ (9 TIẾT) 5.1 Các khái niệm cơ bản về vật liệu từ 139

5.2 Các tính chất của vật liệu từ 141

5.3 Phân loại vật liệu từ 146

5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến từ tính của sắt từ 146

5.5 Vật liệu từ cứng 147

5.6 Vật liệu từ mềm 149

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN

1.1 Khái niệm về vật liệu học

1.1.1 Nguyên liệu

Nguyên liệu là những sản phẩm được lấy từ nông nghiệp hoặc từ công nghiệp khai thác từ trong thiên nhiên mà chưa qua chế biến

1.1.2 Vật liệu

Vật liệu (tiếng Anh: Materials) là chất hoặc hợp chất được được con người

dùng để làm ra những sản phẩm khác Vật liệu là đầu vào trong một quá trình sản xuất hoặc chế tạo Trong công nghiệp, vật liệu là những sản phẩm chưa hoàn thiện và

thường được dùng để làm ra các sản phẩm cao cấp hơn Hay nói cách khác, vật liệu là

nguyên liệu đã qua chế biến để trở thành vật tư cho từng ngành được chế biến thành

Nhiên liệu là vật liệu được lọc từ nguyên liệu dầu mỏ

1.1.4 Vật liệu kĩ thuật điện

Vật liệu kĩ thuật điện hay còn gọi đơn giản là vật liệu điện: được dùng để chế tạo và sửa chữa thiết bị điện từ những sản phẩm đã qua chế biến từ nguyên liệu

1.2 Cấu tạo vật liệu

Để thấy được bản chất dẫn điện và cách điện của vật liệu, chúng ta cần có khái niệm về cấu tạo vật liệu cũng như sự hình thành các phần tử mang điện trong vật liệu

1.2.1 Cấu tạo nguyên tử

Mọi vật liệu (vật chất) được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử Nguyên tử là phần

tử cơ bản của vật chất Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỷ đạo nhất định

Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ các hạt prôton và nơtron: nơtron là các hạt không mang điện tích, còn prôton có điện tích dương với số lượng bằng Z.q

Z: số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự của nguyên tố nguyên tử đó trong bảng tuần hoàn của Menđêlêép

q: điện tích của điện tử e (qe=1,601.10-19 culông)

Prôton (p) có khối lượng bằng 1,67.10-27kg

Electron (e) có khối lượng bằng 9,1.10-31

kg

Ở trạng thái bình thường nguyên tử được trung hoà về điện, tức là trong nguyên

tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện

tử Nếu vì một lý do nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện tích dương, ta thường gọi là iôn dương Ngược lại nếu nguyên tử trung hoà nhận thêm điện tử thì trở thành iôn âm

Ta xét năng lượng của điện tích của nguyên tử Hydrô có 1 prôton và 1 điện tích Khi điện tử chuyển động trên quỷ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân thì điện tử

sẽ chịu lực hút của hạt nhân f1 và được xác định bởi công thức sau:

(1.1)

Lực hút f1 sẽ tạo lực ly tâm của chuyển động f2

(1.2)

m: khối lượng của điện tử

v: là tốc độ chuyển động của điện tử

Ta có f1 = f2

(1.3)

Trong quá trình chuyển động điện tử có một động năng:

Trong một nguyên tử, năng lượng iôn hoá của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hoá trị ngoài cùng có mức năng lượng iôn hoá thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân

Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng iôn hoá chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, song chúng luôn có xu thế trở về vị trí của trạng thái ban đầu Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang năng

Trong thực tế, năng lượng iôn hoá và năng lượng kích thích nguyên tử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện năng…

1.2.2 Cấu tạo phân tử

Phân tử được cấu tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết:

Liên kết đồng hoá trị

Liên kết đồng hoá trị là liên kết được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện

tử của các nguyên tố trong phân tử Khi đó mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hoà, liên kết phân tử bền vững

Ví dụ: trong phân tử clo (Cl2) gồm 2 nguyên tử clo, mỗi nguyên tử có 17 điện

tử, trong đó 7 điện tử hoá trị ở lớp ngoài cùng Hai nguyên tử này liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung 2 điện tử, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của nguyên tử kia

Ngoài ra cũng tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hoá trị có thể trung tính hay cực tính (lưỡng cực)

Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau là phân tử trung tính

Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm không trùng nhau (có 1 khoảng cách) gọi là phân tử cực tính hay lưỡng cực

Hình 1.1:

Liên kết ion

Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử Liên kết ion là liên kết khá bền vững Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ như tinh thể ion là các muối halogen của kim loại kiềm

Khả năng tạo nên một chất hoặc một hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dáng lớp điện tử hoá trị ngoài cùng

Liên kết kim loại

Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn Kim loại được xem như là một

hệ thống cấu tạo từ các iôn dương nằm trong môi trường các điện tử tự do Lực hút giữa các iôn dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Chính vì vậy liên kết kim loại là liên kết bền vững, kim loại có độ bền vững cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao Lực hút giữa các ion dương và các điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại

Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt trên nhau giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng

Hình 1.2:

Hình 1.3: Liên kết kim loại

Liên kết Vandec - Vanx

Liên kết này là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững chắc Do vậy, những liên kết Vandec–Vanx có nhiệt độ nóng chảy và độ bền cơ thấp như parafin

1.3 Một số khái niệm, định nghĩa về vật liệu kỹ thuật điện

1.3.1 Khái niệm vật liệu có tính dẫn điện tử

Là vật vật liệu mà sự hoạt động của các điện tử không làm biết đổi thực thể đã tạo thành vật liệu đó

13.2 Khái niệm vật liệu có tính dẫn ion

Là vật liệu mà dòng điện đi qua sẽ tạo nên biến đổi hóa học Vật liệu có tính dẫn ion thường là các dung dịch: dung dịch axit, dung dịch kiềm, dung dịch muối

1.3.3 Định nghĩa vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường nó có thể chuyển tải điện năng tới các thiết bị điện và khi đặt nó trong từ trường hoặc kích thích bởi năng lượng từ bên ngoài nó sẽ tạo ra một dòng điện

1.4 Phân loại vật liệu điện – điện tử

1.4.1 Phân loại theo khả năng dẫn điện (theo lý thuyết phân vùng năng lượng)

Vật liệu cách điện (vật liệu điện môi)

Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xảy ra Các điện tử hoá trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia dòng điện dẫn

Chiều rộng của vùng cấm điện môi nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài điện tử vôn (eV)

Hình 1.4:

vì vậy vật dẫn có tính dẫn điện tốt

1.4.2 Phân loại theo từ tính

Có 3 loại như sau:

Hình 1.5:

Hình 1.6:

Nghịch từ: là những chất có độ tự thẩm µ<1 và không phụ thuộc vào cường độ

từ trường bên ngoài Loại này gồm có Hyđro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, muối mỏ và các kim loại như: đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, gali, antimoan

Thuận từ: là những chất có độ tự thẩm µ =1 và cũng không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài Loại này gồm có oxi, nitơ oxít, muối đất hiếm, muối sắt, các muối coban và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim

Chất dẫn từ: là những chất có độ tự thẩm µ >1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài Loại này gồm có: sắt, niken, coban, và các hợp kim của chúng, hợp kim crom và mangan, pherit có các thành phần khác nhau

1.4.3 Phân loại theo trạng thái vật thể

Vật liệu điện theo trạng thái vật rắn

Vật liệu điện theo trạng thái vật lỏng

Vật liệu điện theo trạng thái khí

1.4.4 Phân loại theo công dụng

Vật liệu dẫn điện

Vật liệu cách điện

Vật liệu dẫn từ

Vật liệu bán dẫn

1.4.5 Phân loại theo nguồn gốc

Vật liệu hữu cơ

Vật liệu vô cơ

Câu hỏi ôn tập

Câu 1: Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử?

Câu 2: Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất?

Câu 3: Phân biệt nguyên liệu, nhiên liệu, vật liệu?

Câu 4: Tính lực hút hướng tâm và lực hút ly tâm của nguyên tử, biết: mc=9,1.10-31(kg); qc= 1,601.10-19 (C); v=1,26.105 (m/s)

Câu 5: Vật liệu điện được phân loại như thế nào? Trình bày các cách phân loại đó?

Câu hỏi trắc nghiệm lựa chọn

1.6 Vật liệu điện bao gồm những loại vật liệu dùng để:

a Chế tạo dây dẫn điện

b Chế tạo dây quấn máy điện

c Chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn và phụ kiện

đường dây

d Dùng để chế tạo mạch từ của máy điện, khí cụ điện

□? □? □? □?

1.7 Vật liệu nghịch từ là những vật liệu có độ từ thẩm:

a. 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài

b. 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài

c. 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài

d. 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài

□? □? □? □?

1.8 Theo nguồn gốc, vật liệu điện được chia làm các loại:

a Vật liệu ở thể rắn, thể lỏng và vật liệu ở thể khí

b Vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ

c Vật liệu dẫn điện, vật liệu cáh điện, vật liệu dẫn từ

d Kim loại và các hợp kim của chúng

1.11 Tất cả mọi loại vật liệu được cấu tạo từ:

a Những hạt nhân mang điện tích dương

b Những hạt prôton và nơtron

c Những hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử

d Những nguyên tử và phân tử

□? □? □? □?

1.12 Vật liệu điện được chia thành các nhóm lớn như sau:

a Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện

b Vật liệu dẫn từ, vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn

c Vật liệu cách điện,vật liệu dẫn từ

d Vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn

d

□? □? □? □?

1.13 Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử được cấu tạo bởi:

a Hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm

b Hạt nhân mang điện tích dương và hạt prôton

c Hạt nhân mang điện tích dương và nơtron

d Hạt Proton, nơtron

□? □? □? □?

1.14 Theo lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân

loại vật liệu thành các nhóm vật liệu:

1.15 Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình

thường sự dẫn điện bằng điện tử:

a Các điện tử liên kết lại với nhau

b Tăng lực liên kết giữa các điện tử

c Điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do

d Phá hủy điện tử

□? □? □? □?

1.18 Trong thực tế ion hóa và năng lương kích thích nguyên tử

có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau

1.19 Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các

liên kết phân tử Trong vật chất tồn tại các loại liên kết sau:

a Liên kết đồng hóa trị, liên kết kim loại

b Liên kết ion

c Liên kết Vandec – Vanx

d Cả a, b và c đều đúng

□? □? □? □?

1.20 Vật liệu thuận từ là những vật liệu có độ từ thẩm:

a. 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài

b. 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài

c. 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài

d. 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài

□? □? □? □?

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

2.1 Quá trình vật lý của vật liệu dẫn điện

2.1.1 Các khái niệm cơ bản về chất dẫn điện

Dòng điện là sự chuyển dịch có trật tự của các điện tích dưới tác động của điện trường Dòng điện xuất hiện trong vật chất bị ảnh hưởng bởi điện áp, khi đó dưới tác dụng của điện trường sẽ tạo ra các trạng thái chuyển động một cách có trật tự của các điện tích có trong vật chất Như vậy điều kiện cần thiết để có dòng điện ở bất kỳ vật chất nào chính là

sự tồn tại các điện tích tự do Nhưng tùy thuộc vào bản chất thiên nhiên của các hạt mang điện có trong vật chất, hiện tượng dẫn điện được quan sát có những sự khác biệt rất khác nhau Những dạng dẫn điện chủ yếu gồm:

- Tính dẫn điện tử: Hạt mang điện là những điện tích âm, chính xác hơn là các điện

tử Tính dẫn điện này là đặc tính dẫn điện của kim loại và bán dẫn điện tử

- Tính dẫn điện ion hay phân li: Hạt mang điện là những ion, có thể là các điện tích dương hoặc âm của phân tử hay nguyên tử Sự chuyển dịch của các điện tích dẫn

đến hiện tượng điện phân

- Tính dẫn điện điện di (thường thấy ở điện môi lỏng): Vật chất mang điện là những nhóm điện tích của phân tử (hay molion) Sừ tồn tại của dòng điện trong vật chất

dẫn đến hiện tượng điện chuyển

Chất dẫn điện là vật chất mà ở trang thái bình thường có các điện tích tự do Nếu đặt những vật liệu này vào trong một trường điện, các diện tích sẽ chuyển động theo hướng nhất định của điện trường và tạo thành dòng điện

Vật liệu dẫn điện có thể là các vật liệu ở thể rắn, lỏng và trong một số trường hợp đặc biệt

có thể là cả ở thế khí

 Các vật liệu ở thế rắn: Gồm kim loại, hợp kim và một số biến thể của cac-bon (than kỹ thuật điện)

Kim loại dẫn điện chia làm 2 loại: Loại có điện dẫn cao và loại có điện trở cao

Loại có điện dẫn cao được dùng làm dây dẫn; lõi cáp, cuộn dây của máy biến áp và máy điện, cuộn dây sóng, anot của các đèn phát có công suất lớn …

Kim loại, hợp kim có điện trở cao được dùng trong các dụng cụ nunh bằng điện trở như đèn thắp sáng, biến trở…

 Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng: Gồm kim loại lỏng (nóng chảy) và các dung dịch điện phân (ở nhiệt độ phòng có thể kẻ thủy ngân Hg)

Cơ cấu của sự dẫn điện của kim loại (dạng rắn và dạng lỏng) là do sự di chuyển của các

điện tử tự do, do đó các vật liệu này có điện dẫn điện tử (thường được gọi là vật liệu dẫn

điện loại 1)

Các chất điện phân (thường gọi là vật liệu dẫn điện loại 2) như các dung dịch axit, bazơ,

muối… cơ cấu của sự dẫn điện của loại này là di chuyển của các ion hệ quả là các thành phần của chất điện phân thay đổi dần dần và trên các điện cực xuất hiện các sản phẩm điện phân

Tất các các chất khí (kể cả khí kim loại) trong điện trường yếu không phải là chất dẫn điện Tuy nhiên nếu điện trường vượt quá một giá trị bào đó (làm xuất hiện các hiện tượng ion do va đập và ion hóa quang) thì chất khí có thể trở thành chất dẫn diên có cả tính dẫn điện tử và tính dẫn ion Chất khí bị ion hóa mạnh có số electron và ion dương trong một đơn vị thể tích bằng nhau trở thành một môi trường đặc biệt gọi là plazma Kim loại được xem như một hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do, chúng quyết định nhiều tính chất đặc trưng của kim loại

- Sức hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại

- Đặt kim loại vào điện trường ngoài, các điện tử chạy theo một hướng tạo ra dòng điện (tính dẫn điện của kim loại)

- Khu nung nóng kim loại, dao động nhiệt của các ion dương tăng làm cản trở điện

tử chuyển động nên điện trở kim loại tăng

- Sự truyền động năng của các điện tử tự do và các ion dương tạo nên tính dẫn nhiệt của kim loại

- Các điện tử khi hấp thụ năng lượng ánh sáng sẽ bị kích thích lên mức cao hơn, khi trở bề nó phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ Sự khác nhau giữa 2 mức năng lượng đặc trưng cho tần số ánh sáng phản xạ nên mỗi kim loại có màu riêng (ánh kim)

- Tính dẻo của kim loại được giải thích là do các điện tử tự do bảo đảm mối liên kết kim loại không bị biến đổi khi các nguyên tử (ion dương) dịch chuyển vị trí tương đối với nhau

- Một số kim loại có độ từ thẩm từ, có tính chất nóng chảy (điểm nóng chảy của hợp kim khác với điểm nóng chảy kim loại tạo ra nó), có tính giãn nở nhiệt

- Kim loại có tính chống lại sự ăn mòn của hơi nước, oxy của không khí ở nhiệt độ thường

- Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy 2 hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại còn một lượng nhỏ là á kim Người ta thay thế kim loại nguyên chất bằng hợp kim vì kim loại có tính dẻo, độ bền thấp, điện trở nhỏ và thay đổi theo nhiệt độ, có hệ số giãn nở nhiệt lớn nên không dùng trong các cơ cấu máy chính xác

- Kim loại có tính chất cơ học: Nó có khả năng chống lại tác dụng của lực ngoài, nó

có tính chất công nghệ như tính cắt gọt, tính hàn, rèn, đúc

2.1.2 Tính dẫn điện của kim loại

Kim loại mang tính dẫn điện tử, khác với tính dẫn i-on là không có sự chuyển dịch nhìn thấy trong vật chất khi có dòng điện chảy qua

Mặc dù trong kim loại có một số lượng lớn các điện tích chảy qua trong một thời gian dài nhưng không phát hiện bất kỳ sự thay đổi nào về khối lượng cũng như thay đổi về cấu tạo hóa học (không kể tới sự oxy hóa kim loại); các electron nằm ở không gian giữa các nút tinh thể; chúng dao động một cách hỗn loạn, tốc độ của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ Kích thước của các electron không đáng kể so với kích thước nguyên tử lại càng không đáng kể so với khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử; như vậy các electron trong mức độ nào đó có thể xem như là các phân tử khí Vì thế đôi khi chúng được gọi là khí điện tử Khi kim loại không bị tác dụng của điện trường ngoài thì sự phân bố tốc độ chuyển động nhiệt của các electron (vt) theo các hướng có xác suất như nhau, dòng điện không tồn tại khi không có điện trường ngoài (hình 2.1)

Hình 2.1: Chuyển động của các electron khi không có điện trường ngoài

Nếu kim loại được đặt trong một điện trường ngoài E thì mỗi electron sẽ chịu tác động của một lực:

F = e.E (2.1)

Các electron chuyển động với một gia tốc ngược hướng điện trường E (hình 2.2) và bằng:

a = (2.2) Trong đó e = -1,6.10-19

(C) ; m = 9,1.10-31 (kg)

Hình 2.2: Các electron chuyển động ngược hướng điện trường

Qua thời gian t kể từ khi bắt đầu chuyển động vận tốc electron đạt được:

vc = a.t = (2.3) Tốc độ chung của electron bằng tổng của vt và ve

Các electron va chạm với các nguyên tử ở nút tinh thể, sau mỗi lần va chạm vận tốc giảm

về 0, sau đó lại tăng lên với gia tốc a Gọi t0 là thời gian chuyển động tự do không va chạm của electron Khi đó tốc độ cực đại của electron là:

Vận tốc trung bình:

ve = = (2.5)

Với t o = l/v t ; l: độ dài bước tự do của electron

Có thể chứng minh rằng độ dài bước tự do tỷ lệ nghịch với nhiệt độ:

Bảng 2.1: Độ dài bước tự do của electron trong một số kim loại ở 0 0 C (Đơn vị A 0

)

Giả thiết trên một đơn vị thể tích (là một khối vuông có độ dài là 1 đơn vị) của vật chất có

n hạt mang điện; giá trị điện tích của mỗi hạt là e Tổng điện tích tự do trên đơn vị thể

tích là ne Tích của vetb với ne cho ta số lượng điện tích ở mỗi một đơn vị thời gian qua

một đơn vị mặt cắt của vật thể, hay đó là mật độ dòng điện:

J = ne v etb = = γE (2.7)

Đây là công thức tính cho một electron Nếu xét tác động của điện trường lên tập hợp các

electron tự do thì vận tốc trung bình sẽ lớn hơn cỡ hai lần Khi đó:

ra những công thức chính xác hơn nhưng bản chất vấn đề không thay đổi

Giả sử ta quan sát một thể tích đơn vị dưới tác động của điện trường E vuông góc với một mặt của khối vuông

Mật độ dòng điện trong kim loại được xác định bằng:

J = ne vetb (2.12) Mặt khác:

I =

I = J.S

U = E.I

(2.13) Sau đó đơn giản, ta có:

γ = n.e.µ (2.17) Gọi là thời gian trung bình giữa 2 lần va đập, ta có: vetb = eEτ/m

2.2 Tính chất chung của vật liệu dẫn điện

2.2.1 Tính chất của kim loại

2.2.1.1 Tính chất lý học

Vẽ sáng mặt ngoài của kim loại: theo vẽ sáng bề ngoài của kim loại có thể

chia thành kim loại đen và kim loại màu:

- Kim loại và hợp kim đen: gồm sắt và các hợp kim của sắt, tức là gang và thép

- Kim loại màu và hợp kim màu: là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại

Trọng lượng riêng: là trọng lượng của một đợn vị thể tích của vật

Tính nóng chảy: kim loại có tính chảy loảng khi đốt nóng và đông đặc khi làm

nguội Nhiệt độ ứng với khi kim loại chuyển đổi từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy

Điểm nóng chảy có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ đúc Điểm nóng chảy của nhiều hợp kim lại khác điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên hợp kim đó

Tính dẫn nhiệt: là tính chất truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hoặc làm lạnh

Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, cũng như càng dễ nguội nhanh

Tính giãn nở nhiệt: khi đốt nóng các kim loại giản nở ra và khi làm nguội nó co lại

Sự giản nở nhiệt của các kim loại không giống nhau Để đánh giá sự giản nở nhiệt của một vật nào đó, người ta đo chính xác độ giản dài của 1 mm vật đó khi nhiệt độ thay đổi

10C Độ giản dài đo đuợc gọi là hệ số giản nở nhiệt theo chiều dài

Tính dẫn điện: là khả năng dẫn điện của kim loại Khi nhiệt độ cao tính dẫn điện

giảm Ở nhiệt độ 00 K điện trở của kim loại bằng không

Tính nhiễm từ: là khả năng kim loại bị từ hoá sau khi được đặt trong một từ trường

Sắt và hầu hết các hợp kim của sắt đều có tính nhiễm từ Ni ken và cô ban cũng có tính nhiễm từ và được gọi là chất sắt từ Còn hầu hết các kim loại khác không có tính nhiễm

từ

Nhiệt dung riêng: là nhiệt độ cần thiết làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 10C

µ = vetb/E = eτ/m

TT Kim

loại

Khối lượng riêng

3 g/cm

Nhiệt độ nóng chảy

0

C

Nhiệt dung riêng W/(m.độ)

Nhiệt dẫn riêng W/(m.độ )

0 Điện trở suất ở

Tính chống ăn mòn: là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay ôxi của

không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao

Tính chịu axít: là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axít

tính nhiệt luyện

Tính cắt gọt: là khả năng của kim loại gia công cắt gọt dễ hay khó, được xác định

bằng tốc độ cắt, lực cắt và độ bóng bề mặt của kim loại sau khi cắt gọt

Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết khi nung nóng cục bộ chổ nối đến

trạng thái chảy hoặc dẻo

Tính rèn: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực tác dụng lực

từ bên ngoài để tạo thành hình dạng của chi tiết máy, mà không bị phá hỏng

Tính đúc: được xác định bởi độ chảy loảng của kim loại khi nấu chảy để đổ đầy

vào khuôn đúc, độ co và tính thiên tích (tính thiên tích là độ không đồng nhất về thành phần hoá học trong từng phần của vật đúc và trong nội bộ các hạt của kim loại hay hợp kim)

Tính nhiệt luyện: là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ dẻo, độ bền của kim loại

bằng cách nung nóng kim loại tới nhiệt độ nhất định, giữ ở nhiệt độ đó một thời gian rồi sau đó làm nguội theo một chế độ nhất định Sau khi nhiệt luyện, mức độ thay đổi của các kim loại cũng khác nhau, có kim loại thay đổi nhiều, có kim loại thay đổi ít và có kim loại hầu như không thay đổi

Tính kéo giãn: là tính chất của vật liệu có thể gia công được thành sợi Yêu cầu

vật liệu phải có cấu trúc dính chắc và phải có độ dẻo dai cao Đây là một tính chất quan trọng trong công nghệ chế tại dây dẫn điện

2.2.1.5 Tính già hóa của kim loại: Tính già hóa của kim loại là sự thay đổi theo

thời gian của các tính chất kim loại hay hợp kim ở nhiệt độ môi trường xung quanh, thông thường sau một thời gian kéo dài nó sẽ tạo nên sự già hóa (tính già hóa tự nhiên), còn khi nhiệt độ tăng lên thì tính già hóa nhanh hơn (tính già hóa nhân tạo)

2.2.2 Điện trở suất của kim loại

Trong các kim loại có cấu trúc hoàn thiện, nguyên nhân duy nhất hạn chế độ dài bước tự

do là dao động nhiệt của các nguyên tử ở các nút tinh thể Rõ ràng là khi nhiệt độ tăng thì biên độ dao động nhiệt của các nguyên tử tăng theo làm tăng sự tán xạ của các electron, tức làm tăng điện trở

Sự thay đổi của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 10C được gọi là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ:

ρ điện trở suất ở nhiệt độ T Trong đó α là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ đối với vật liệu tương ứng và ứng với những khoảng nhiệt độ được nghiên cứu Hệ số α gần như giống nhau đối với các kim loại tinh khiết và có trị số gần đúng bằng 4.10-3 (1/0C)

Trong thiên nhiên không tồn tại tinh thể có cấu trúc hoàn thiện Ở điều kiện thực tế thường xuyên có lỗi này hay lỗi khác Những khác biệt này gọi chung là khuyết tật Mặc

dù nồng độ khuyết tất của những nguyên tử không lớn nhưng sự thay đổi tính chất vật lý của mạng tinh thề rất lớn

Điện trở suất tổng của kim loại là tổng của điện trở gây ra bởi sự tán xạ của electron trên dao động nhiệt của các nút mạng Pt và điện trở dư Pdu do sự tán xạ của các electron lên các khuyết tật:

ρ kl = ρ t + ρ du (2.21) Ảnh hưởng lớn nhất trong việc tạo điện trở dư là sự tán xạ trên tạp chất (luôn tồn tại ở dạng chất bẩn hay hợp kim) Chú ý rằng bất kỳ tạp chất nào pha vào đều làm tăng điện trở suất thậm chí nếu tạp chất đó có điện dẫn suất lớn hơn kim loại ban đầu (VD: Pha 0.01% Ag vào dây đồng sẽ là tăng điện trở suất lên 0.002µΩ.m)

Điện trở suất ρ của dây dẫn: là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài

và tiết điện là một đơn vị diện tích Nó phụ thuộc vào bản chất của vật liệu Nếu vật có điện

trở suất càng nhỏ thì dẫn điện càng tốt và ngược lại

TT Kim loại

Khối lượng riêng

3

g/cm

Nhiệt độ Nóng chảy

BẢNG 2.2: ĐẶC TÍNH VẬT LÝ VÀ ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI

2.2.3 Điện trở R: là quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi đặt ở hai đầu của dây dẫn và

cường độ dòng điện một chiều tạo nên trong dây dẫn đó

Điện trở của dây dẫn được tính theo công thức (hình 1.4)

R = ρ (2.22)

R: điện trở (Ω)

ρ: điện trở suất (Ω.m)

l: chiều dài dây dẫn (m)

S: tiết diện dây dẫn (mm2)

Hình 2.4: Dây dẫn

Điện dẫn G: của một đoạn dây dẫn là đại lượng nghịch đảo của điện trở:

G = (2.23)

Điện dẫn được tính với đơn vị = Ω-1 = S

Điện dẫn xuất γ: là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất

γ = (2.24)

Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất:

Khi kéo hoặc nén đàn hồi, điện trở suất của kim loại biến đổi theo công thức:

ρ = ρ 0 (1 k ) (2.25)

Dấu “+” ứng với khi biến dạng do kéo, dấu “_” do nén

Trong đó:

: Ứng suất cơ khí của mẫu

k: Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất

2.2.4 Hư hỏng thường gặp

Các loại vật liệu dẫn điện được sử dụng để chế tạo các bộ phận dẫn điện của máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện đa phần là những kim loại và hợp kim của chúng khi sử dụng lâu ngày sẽ bị hư hỏng và ta thường gặp các dạng hư hỏng sau:

+ Hư hỏng do bị ăn mòn kim loại

2.2.5.1 Cấu tạo của hợp kim

Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hai hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu

là kim loại và hợp kim có tính chất của kim loại Trong thành phần của hợp kim có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố á kim, thí dụ thép là hợp kim của sắt và cacbon Hợp kim được chế tạo chủ yếu bằng cách nấu chảy, ngoài ra cũng có thể bằng các phương pháp khác như: điện phân, thiêu kết …

2.2.5.2 Tính chất chung của hợp kim

* Tính chất lý học của hợp kim:

Hợp kim có tính chảy loãng, tính dẫn nhiệt, tính giãn dài khi đốt nóng, vẻ sáng mặt ngoài, độ dẫn điện, độ thẩm từ …

Tính nóng chảy: Hợp kim có tính chảy loãng khi đốt nóng và đông đặc lại làm nguội

Nhiệt độ ứng với hợp kim chuyển từ thể đặc sang thể long hoàn toàn gọi là điểm nóng cháy

Tính dẫn nhiệt: là tính chất truyền nhiệt của hợp kim khi bị đốt nóng hoặc làm lạnh

Khi hợp kim có tính chất dẫn nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, cũng như càng dễ nguội lạnh nhanh

Tính giãn nở nhiệt: Khi đốt nóng, các hợp kim giãn nở ra và khi nguội lạnh nó co

lại Sự giãn nở này cần đặt biệt chú ý trong nhiều trường hợp cụ thể

* Tính chất hóa học: tính chất hóa học biểu thị khả năng của hợp kim chống lại tác

dụng hóa học của các môi trường có hoạt tính khác nhau Tính chất hóa học của hợp kim biểu thị ở 2 dạng chủ yếu:

- Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay ôxy của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao

- Tính chịu axit: là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axit

* Tính cơ học: Tính chất cơ học của hợp kim gọi là cơ tính, là khả năng chống lại tác

dụng của lực bên ngoài lên hợp kim Cơ tính của hợp kim bao gồm: độ đàn hồi, độ bền,

độ dẻo, độ cứng, độ dai va chạm…

* Tính chất công nghệ: Là khả năng mà hợp kim có thể thực hiện được các phương

pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm Tính công nghệ bao gồm: tính cắt gọt, tính hàn, tính rèn, tính đúc, tính nhiệt luyện

Tính nhiệt luyện là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo … của hợp kim bằng cách nung nóng hợp kim tới nhiệt độ nhất định, giữ ở nhiệt độ đó một thời gian rồi, rồi sau đó làm nguội hợp kim theo một chế độ nhất định

Trong kỹ thuật thường sử dụng những hợp kim có cấu trúc dung dịch rắn; khi hình thành dung dịch rắn thì mạng tinh thể của kim loại được bảo toàn những chu kỳ của mạng lại thay đổi

Giống như kim loại, điện trở của hợp kim là tổng điện trở của các thành phần

Trong đó:

Pt điện trở do sự tán xạ của electron lên dao động nhiệt của mạng

P điện trở do sự tán xạ của electron lên sự không đồng nhất của hợp kim

Đặc điểm của dunh dịch rắn là P có thể lớn hơn nhiều lần si với Pt

Đối với những hợp kim gồm 2 thành phần A, B sự phụ thuộc của P vào thành phần được mô tả bởi phương trình parabol:

P = C xa.xb = C.xa (1 – xb) (2.27)

Trong đó:

C: Hằng số phụ thuộc vào bản chất của mỗi hợp kim

xa, xb thành phần nguyên tử của các kim loại A, B

Ta thấy P sẽ tăng khi ta tăng nguyên tử B và A hoặc tăng nguyên tử A vào B; p đạt giá trị cực đại của mình khi số lượng các thành phần bằng nhau xa = xb = 0.5

Trong dung dịch loãng khi một trong các thành phần (ví dụ như B) có nồng độ rất thấp và có thể coi như là tạp chất (1 – xb = 1) thì ta có ự phụ thuộc tuyến tính của P vào nồng độ nguyên tử P = CxA

2.2.6 Một số phương pháp thử kim loại và hợp kim

Dùng 1 viên bi cầu bằng thép đã tôi cứng có đường kính D = 2,5; 5; 10 mm ấn vào

bề mặt vật cần thử với một lực P nhất định Tỉ số giữa lực P và diện tích mặt lõm F

gọi là độ cứng Brinell của vật HB [kg/mm2]

Thử kéo:

Thử kéo là quá trình thử để xác định cơ tính của kim loại Khi thử kéo ta có thể xác

định được độ bền, độ đàn hồi và độ dẻo của kim loại (Hình 2.5)

Hình 2.5: Thử kéo

Độ bền: là khả nặng của kim loại chống lại tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá

hủy

Độ đàn hồi: là khả năng của kim loại có thể thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực bên

ngoài rồi trở lại như cũ khi bỏ lực tác dụng

Độ kéo: là khả năng biến dạng của kim loại dưới tác dụng của lực bên ngoài mà không bị

phá hủy, đồng thời vẫn giữ được sự biến dạng khi bỏ lực tác dụng bên ngoài

Độ dẻo được đánh giá bằng độ giãn dài tương đối và độ thắt tỉ lệ đối

(2.29)

Độ giãn dài tương đối

lo : Chiều dài tính toán ban đầu của mẫu thử

l1: Chiều dù tính toán lúc sau của mẫu thử

(2.30)

Độ thắt tỷ đối

F0: Tiết diện của mẫu trước khi kéo

F1: Tiết diện của mẫu thử tại chỗ dứt

Kim loại càng dẻo thì độ giãn dài tương đối và độ thắt tỷ đối càng lớn

100%

Hình 2.6: Biểu đồ kéo

Ứng suất tại PP có thể coi gần đúng như giới hạn đàn hồi của vật liệu,

Ứng suất tại trạng thái ứng với S được gọi là giới hạn chảy của vật liệu

Vị trí điểm P ứng với trạng thái tải trọng của giới hạn bền khi kéo vật liệu Trên biểu đồ kéo của thép ta có thể xác định giá trị của giới hạn bền, giới hạn chảy, giới hạn đàn hồi

Từ đó xác định độ dẻo của thép

2.2.7 Điện trở màng kim loại mỏng

Màng kim loại được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử: chúng làm dây nối giữa các phần tử tiếp xúc, bản cực của tụ điện…

Tính chất của màng kim loại mỏng có thể khác nhiều so với tính chất của kim loại khối ban đầu, mà cụ thể là sẽ điệnt trở suất tặng lên do xuất hiện hiệu ứng kích thước làm giảm độ dài bước tự do của electron, đó là hệ quả của sự phản xạ từ bề mặt của màng; ở nhiệt độ phòng sự tán xạ bề mặt này của electron gây ảnh hưởng rất mạnh lên phần lớn màng kim loại mỏng nếu độ dày của chúng nhỏ hơn 200-300A0,

Để đánh giá tính dẫn của màng kim loại ta sử dụng tham số điện trở hình vuông (hay điện trở mặt RS):

Điện trở của màng kim loại có bề rộng w, dài 1 (l >w) là:

(2.32)

Hình 2.8: Điện trở l>w

Điện trở xuất của màng kim loại mỏng phụ thuộc vào độ dày y của nó theo quy luật:

(2.33)

Trong dó l0 là độ dài bước tự do của electron

Hình 2.9: Sự phụ thuộc của điện trở suất màng kim loại mỏng và độ dày của nó

Để sản xuất điện trở màng mỏng thường phải sử dụng những màng có điện trợ mặt cỡ

500 – 1000 (Ω/ hình vuông); các vật liệu thường dùng là những kim loại khó nóng chảy

như W, Mo, Cr, hợp kim của Ni với Cr…, điện trở màng mỏng làm từ những kim loại

sạch thường được ưa chuộng hơn, vì chúng có thành phần không đổi nên bảo đảm được

tính đồng nhất của cấu trúc là tăng tính ổn định của các tính chất điện của điện trở

2.2.8 Hiện tượng tiếp xúc và sức nhiệt điện động

Khi cho 2 kim loại khác nhau tiếp xúc thì giữa chúng có một hiệu thế tiếp xúc, nguyên

nhân sinh ra hiệu thế tiếp xúc là do công thoát của mỗi kim loại khác nhau nên số

electron tự do trong mỗi kim loại khác nhau sẽ không bằng nhau (Hình 2.10)

Theo lý thuyết, hiệu thế tiếp xúc UAB giữa 2 kim loại A, B là:

Trong đó:

RS =

ρ Y =

- UA, UB là hiệu thế tiếp súc của 2 kim loại A và B

- n A ,n B là số electron trong 1 đơn vị thể tích của 2 kim loại A và B

- T: Nhiệt độ chỗ tiếp xúc

- k : Hằng số Bolzmann

Hiệu thế tiếp xúc của các cặp kim loại dao động từ vài phần mười đến vài vôn

Hình 2.10: Hiện tượng tiếp xúc

Nếu nhiệt độ 2 mối hàn như nhau thì tổng các hiệu thế trong mạch kín bằng 0

Nếu 2 mối hàn có nhiệt độ T1 và T2 khác nhau thì khi đó xuất hiện sức nhiệt điện động:

U = UAB + UBA = UB – UA + UA – UB = (T2 – T1) (2.35)

U = αT (T2 – T1)

Trong đó: αT = là hệ số sức nhiệt điện động (2.36)

Ta thấy sức nhiệt điện động là hàm số của hiệu số nhiệt độ Như vậy nếu dùng 2 kim loại

có sức nhiệt điện động lớn thì có thể dùng cặp nhiệt ngẫu để đo nhiệt độ (nhiệt độ của 1 mối hàn được giữ ở giá trị không đổi và biết trước gọi là nhiệt độ chuẩn T1 = Tref, nhiệt

độ TC của mối hàn thứ hai khi đặt trong môi trường nghiên cứu sẽ đạt giá trị Tx chưa biết)

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu dẫn điện

2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường

Điện trở suất của kim loại và của nhiều hợp kim tăng theo nhiệt độ Ở nhiệt độ sử dụng t2 điện trở suất sẽ được tính toán xuất phát từ nhiệt độ t1 theo công thức:

ρ (t2) = ρ (t1) [1 + α (t2 – t1)] (2.37)

Theo thực nghiệm thì đa số kim loại ở nhiệt độ phòng có α = 0,004 (1/0C)

Nhiệt độ của môi trường làm việc ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu khi nhiệt độ tăng thì điện trở của vật liệu tăng lên và làm cho tính dẫn điện của vật liệu giảm

Ở nhiệt độ không tuyệt đối (0 0K), điện trở suất của kim loại tinh khiết giảm đột

ngột, chúng thể hiện “hiện tượng siêu dẫn” Về phương diện lý thuyết ở độ không tuyệt

đối, kim loại tinh khiết không còn điện trở

Sự không tinh khiết của kim loại dẫn đến làm tăng điện trở suất

Ảnh hưởng của trường từ và ánh sáng đối với điện trở suất: thực nghiệm cho thấy rằng điện trở suất của kim loại cũng biến đổi khi kim loại đặt trong trường từ và điện trở suất của một số vật liệu cũng biến đổi dưới ảnh hưởng của ánh sáng

2.3.3 Chọn vật liệu cách điện

Khi cần lựa chọn vật liệu dẫn điện ta căn cứ vào:

Độ dẫn điện: tùy vào nhu cầu sử dụng mà người ta sẽ chọn vật liệu có điện trở

suất phù hợp

Ví dụ như khi chế tạo dây dẫn thường dùng đồng, nhôm (có điện trở suất () bé), còn khi làm các dây đốt nóng thì dùng các loại hợp kim như constantan, maiso, mâgnin v v (có điện trở suất () lớn hơn)

Độ bền cơ: tùy vào qui trình làm việc mà chọn vật liệu có độ bền cơ thích hợp, ví

dụ: để tăng độ bền keó cho dây dẫn người ta dùng dây có lõi thép, tiếp điểm thì dùng đồng thau, đồng thanh

Độ bền chống ăn mòn: căn cứ vào điều kiện và môi tường làm việc của chi tiết,

bộ phận hay thiết bị điện mà người ta chọn vật liệu có tính chống ăn mòn thích hợp Ví

dụ mối tiếp xúc cố định người ta không dùng những kim loại có điện thế hóa học khác nhau để tránh kim loại bị ăn mòn điện hóa, hoặc là khi môi ttường làm việc ẩm ướt và có nhiều khí hóa học thì ta lựa chọn những vật liệu có tính chống lại sự ăn mòn của môi trường v v…

2.4 Phân loại vật liệu dẫn điện

Trong vật lý, hóa học và trong kỹ thuật, vật liệu dẫn điện được phân loại theo các cách khác nhau Một trong các sơ đồ phân loại vật liệu dẫn điện theo thành phần, tính chất và ứng dụng được dẫn ra như sau:

2.5 Kim loại dẫn điện

Là kim loại cứng, rất nặng

Màu xám

Ở 7000C bị oxi hoá tạo thành lớp oxít trắng

 Ứng dụng: dùng chế tạo dây tóc bóng đèn, dây điện trở, tiếp điểm vì:

Chịu đƣợc nhiệt độ cao

Ổn định lúc làm việc

Độ mài mòn cơ nhỏ do vật liệu có độ cứng cao

Có khả năng chống lại tác dụng của hồ quang, không làm dính các tiếp điểm

do khó nóng chảy

Hình 2.11: Vật liệu dẫn điện

Độ ăn mòn bề mặt nhỏ

 Có một số nhược điểm:

Ở điều kiện khí quyển tạo thành màng oxít

Cần có áp lực tiếp xúc lớn để có điện trở tiếp xúc nhỏ

Thép (sắt công nghiệp) là kim loại rẻ tiền và dễ kiếm, nó có độ bề cơ cao, do đó

nó cũng được chú ý làm vật dẫn Nhưng chúng có điện trở suất tương đối lớn hơn rất nhiều so với đồng hoặc nhôm, còn sắt có lẫn tạp chất thì điện trở suất lớn hơn so với sắt tinh khiết

Dòng điện xoay chiều trong thép sẽ gây ra hiệu ứng bề mặt đáng kể, vì vậy điện trở dây thép đối với dòng xoay chiều cao hơn điện trở của nó đối với dòng một chiều Ngoài ra dòng điện xoay chiều trong thép còn gây ra tổn thất từ trể

 Ứng dụng:

Chế tạo gang: là hợp kim của sắt (sắt, các bon, si líc, man gan, phốt pho, lưu huỳnh…) Trong đó các bon từ 2 đến 6% Gang có độ cứng cao, giòn, nặng hơn sắt… Thường dùng để chống ăn mòn, làm vỏ, thân động cơ…

Chế tạo thép: có thành phần giống gang nhưng tỷ lệ các bon thấp hơn Thép có

độ đàn hồi cao, bền dai… Thường dùng làm lò xo, trục máy, cột điện, nồi hơi, kết hợp với dây đồng hay dây nhôm trong dẫn điện (nhằm tăng độ bền cơ) – hợp kim

Chế tạo hợp kim thép chống gỉ

Làm thép kỹ thuật điệ: làm mạch từ trong máy biến áp…

Làm thanh dẫn: đường ray tàu điện, đường sắt chạy điện, tàu điện ngầm…

2.5.3 Kẽm (Zn)

 Kẽm có một số đặc điểm như sau:

Điện trở suất nhỏ: pAu = 0,088 Ωmm2/m =88Ωmm2

/km Hoá trị: 2

Khối lượng riêng: 7,14 g/cm3

Màu tro xám hơi trắng

Tác dụng với không khí tạo thành oxít kẽm, tự bảo vệ không cho ăn mòn bên trong

Dễ gia công, dễ dát mỏng

Khả năng dẫn điện nhiệt sau bạc, đồng vàng, nhôm

 Ứng dụng

Dùng lớp mạ bảo vệ

Làm điện cực của tế bào quang điện

Giấy kim loại trong các tụ điện

Làm cầu chì trong các máy công nghiệp

Có thể chế tạo dây dẫn thay dây đồng, nhôm khi có đồng nhôm trong hợp kim của kẽm

C Nhiệt độ sôi: 3560C

Dạng lỏng

Màu trắng

Không tác dụng với không khí ở điều kiện bình thường

Hơi và hợp chất của thuỷ ngân rất độc

Thuỷ ngân hoà tan được trong nhiều kim loại, nhưng không hợp kim được với sắt

Hoà tan được trong axít HNO3, H2SO4

 Niken là kim loại ánh bạc trắng có khối lượng riêng như đồng, được sử dụng nhiều

trong kỹ thuật điện chân không vì nó dễ điều chế tinh khiết (99,99% Ni), hoặc đưa vào các hợp kim đặc biệt với các thành phần phụ silic, mangan…

 Niken không những được dùng trong kỹ thuật điện chân không, mà còn được dùng

làm một thành phần trong hàng loạt các hợp kim dẫn điện và dẫn từ, cũng như các lớp bọc bảo vệ và trang trí các sản phẩm bằng sắt Đôi khi niken còn dùng để sản xuất các chi tiết sưởi nóng

2.5.8 Bạch kim (Platin)

 Bạch kim là kim loại không kết hợp với oxi và rất bền vững với thuốc thử hoá học

Bạch kim rất dễ gia công cơ khí, kéo thành sợi mảnh và tấm mỏng

 Bạch kim dùng để sản xuất cặp nhiệt ở nhiệt độ làm việc đến 16000C (trong cặp có hợp kim platinorođi)

 Bạch kim có sợi đặc biệt mảnh, đường kính 0,001 mm, dùng để treo hệ thống động

trong các đồng hồ điện và các dụng cụ đo có độ nhạy cao

 Bạch kim có độ cứng thấp, nên bạch kim tinh khiết ít khi dùng làm tiếp điểm,

nhưng hợp kim của nó thì dùng làm tiếp điểm Phổ biến nhất là platin – inđi, nó không bị ôxi hoá, có độ cứng cao, ít bị ăn mòn cơ học, cho phép đóng cắt với tần số lớn Nhưng nhược điểm của nó là đắc tiền, nên chỉ sử dụng trong trường hợp quan trọng

2.5.9 Môlípđen

 Môlípđen là kim loại, nhìn bề ngoài cũng gần giống như vônfram, nhưng được

dùng trong chân không ở nhiệt độ thấp hơn vônfram Các chi tiết nung bằng môlípđen

phải làm việc trong chân không hay trong môi trường khử

 Để phân biệt với vônfram thì dựa vào khối lượng riêng: môlípđen có khối lượng

riêng nhỏ hơn vônfram, ngoài ra cũng có thể đốt thử dây cần thử trong ngọn lửa đèn cồn nếu có khói trắng bốc lên thì đó là môlípđen

2.5.10 Cađmi

 Cađmi là kim loại màu trắng bạc, nó có trong quặng kẽm và được điều chế như một sản phẩm phụ kẽm, sau đó được tinh chế bằng điện phân

 Cađmi được dùng trong kỹ thuật điện chân không để sản xuất tế bào quang điện

Nó có thành phần của nhiều loại thuốc hàn, đồng thanh dùng trong sản xuất pin và dùng trong làm chậm lò phản ứng hạt nhân

6 Bạc (Ag)

 Bạc có một số đặc điểm như sau:

Điện trở suất nhỏ: pAu = 0,016 Ωmm2/m =16Ωmm2

/km Hoá trị:1

Khối lượng riêng: 10,5 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy: 9610C

Nhiệt độ sôi: 21620

C Màu tro trắng và hơi xám

Không bị oxi hoá ở điều kiện bình thường

bảo vệ ở 300 0C và đôi khi đƣợc sử dụng để bảo vệ các chi tiết chống lại sự ăn mòn của không khí, amôniac

Đồng thanh:

Là hợp kim của đồng với các nguyên tố kim loại khác trừ kẽm Nếu trong đồng thanh chỉ

có hai nguyên tố kim loại thì ta gọi là đồng thanh nhị nguyên, nếu có nhiều hơn hai nguyên tố kim loại thì ta gọi là đồng thanh đa nguyên

Đồng thanh có đặc tính dễ cắt gọt và tính chống ăn mòn cao, một số đồng thanh còn có tính chống

mài mòn làm hợp kim đỡ sát, chế tạo ổ trục Đồng thanh có tính đúc tốt, đồng thanh với những thành phần thích hợp nó có những tính chất cơ học tốt hơn đồng

Điện trở suất của đồng thanh cao hơn đồng tinh khiết

(0,9% cd)

ủ Kéo nguội

95 83 90

Đến 31 Đến 73

50

4 Đồng thanh

(0,8 %Cd; 0,6 %Sn)

ủ Kéo nguội

55 60 50 55

29 Đến 73

55

4 Đồng thanh

(2,5%Al; 2% Sn)

ủ Kéo nguội

15 18 15 18

37 Đến 97

45

4 Đồng thanh phốt

pho

ủ Kéo nguội

10 15 10 15

60 70

5

Nhóm hợp kim nhôm biến dạng: được dùng để chế tạo các tấm nhôm, các băng,

các dây nhôm cũng như các chi tiết có thể rèn và ép được

Điển hình của nhóm hợp kim nhôm biến dạng là Đura Đura là hợp kim của nhôm với đồng, magiê và mangan Magiê và đồng làm tăng độ bền, còn mangan làm tăng tính chịu ăn mòn của đura Thành phần hóa học của đura là (2,5 6)% Cu, (0,4 2,8)% Mg

và (0,4 1)% Đura được ký hiệu bằng chữ kèm theo con số chỉ số hiệu của đura như: đura 1, đura 6, đura 16

Nhóm hợp kim nhôm đúc: được dùng để sản xuất các chi tiết đúc Điển hình của

nhóm hợp kim nhôm đúc là Silumin Là hợp kim nhôm với silic (có chứa từ 613% Si) Ngoài thành phần silic silumin còn chứa đồng, magiê, kẻm Silumin có tính đúc tốt (dễ chảy loảng) và độ co ngót nhỏ

Trong kỹ thuật điện hợp kim nhôm chủ yếu được dùng làm dây dẫn điện là hơp kim mang tên ”aldrey” Chúng là tổ hợp của nhôm với Mg(0,3 0,5)%, Silic (0,4 0,7)%, và sắt (0,2 0,3)% Tổ hợp làm cho hợp kim có tính chất cơ khí tốt nhất là nhôm với

Mg2Si Sự hòa tan dung dịch rắn (ở nhiệt độ 5000C) của tổ hợp này sẽ làm tăng tính dẫn điện của hợp kim

Dây dẫn bằng hợp kim ”aldrey” sẽ nhận được thông qua việc “tôi” hợp kim (nung nóng đến 500 6000C) kéo nó thành sợi ở kích thước mong muốn và làm già hóa nhân tạo bằng cách nung nóng ở nhiệt (đô 150 200)0C Dây dẫn bằng hợp kim ”aldrey” có đặc tính như sau:

- Điện trở suất ở 200C: là 0,0333mm2/m

- Điện dẫn suất ở 200C: 30m/mm2

- Hệ số thây đổi điện trở suất theo nhiệt độ đối với 10C: là 0,0035

- Sức bền lâu dài: 24kG/mm2 nhôm = 12 kG/mm2

- Sức bền đứt: 30kG/mm2 nhôm = 16 kG/mm2