(NB) Học xong môn học này, người học có khả năng: Trình bày được các tính chất cơ, lý, hoá của các loại vật liệu điện sử dụng trong ngành điện; Phân biệt được đặc điểm, tính chất và công dụng của các loại vật liệu cách điện, vật liệu dẫn điện và vật liệu từ.
TỔNG CÔNG TY ĐIỆN LỰC MIỀN BẮC TRƯỜNG CAO ĐẲNG ĐIỆN LỰC MIỀN BẮC GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐIỆN NGÀNH/NGHỀ: QUẢN LÝ VẬN HÀNH, SỬA CHỮA ĐƯỜNG DÂY VÀ TRẠM BIẾN ÁP CĨ ĐIỆN ÁP 110KV TRỞ XUỐNG TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số /QĐ-NEPC ngày / /2020 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Điện lực miền Bắc) Hà Nội, năm 2020 Tuyên bố quyền: Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI NÓI ĐẦU Để nâng cao hiểu biết vật liệu điện, sở có biện pháp sử dụng hợp lý bảo quản tốt loại vật liệu kỹ thuật điện Là giáo viên tham gia giảng dạy môn Vật liệu điện lâu năm, chúng tơi biên soạn giáo trình Vật liệu điện làm tài liệu phục vụ cho công tác giảng dạy tài liệu tham khảo cho người quan tâm đến nội dung Nội dung sách đề cập đến đặc tính vật liệu cách điện; đặc điểm, tính chất cơng dụng vật liệu dẫn điện; khái niệm vật liệu từ Cuốn sách biên soạn với nhiều cố gắng, khơng tránh khỏi thiếu sót định Chúng tơi mong nhận đóng góp ý kiến xây dựng bạn đồng nghiệp, nhà chun mơn độc giả để sách hồn thiện Chân thành cảm ơn! Tập thể giảng viên KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN MỤC LỤC Chương 1: MỞ ĐẦU Bài Khái niệm vật liệu điện Bài Phân loại vật liệu điện 10 Chương 2: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 10 Bài1 Khái niệm phân loại vật liệu cách điện 13 Bài Tính chất chung vật liệu cách điện 18 Bài Những hư hỏng thường gặp cách chọn vật liệu 20 Bài Vật liệu cách điện thể khí 21 Bài Vật liệu cách điện thể lỏng 26 Bài Vật liệu cách điện thể rắn 37 Chương 3: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN Bài Khái niệm, phân loại tính chất vật liệu dẫn 38 điện 41 Bài Những hư hỏng thường gặp tính chọn VLDĐ 45 Bài Một số vật liệu dẫn điện thông dụng 55 Chương 4: VẬT LIỆU TỪ 55 Bài Khái niệm chung tính chất từ vật liệu từ tính 56 Bài Vật liệu từ mềm 59 Bài Vật liệu từ cứng 62 Bài Các vật liệu từ có cơng dụng đặc biệt 64 Tài liệu tham khảo GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: VẬT LIỆU ĐIỆN Mã mơn học: MH 11 I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT, Ý NGHĨA, VAI TRỊ MƠN HỌC: -Vị trí mơn học: Mơn học bố trí vào học kỳ I, năm học thứ nhất, sau môn học chung, trước môn học, mô-đun đào tạo chuyên môn nghề -Tính chất mơn học: mơn học lý thuyết kỹ thuật sở bắt buộc -Ý nghĩa vai trị mơn học: Mơn học giúp người học có lựa chọn vật liệu điện phù hợp với mục đích sử dụng cụ thể đánh giá chất lượng vật liệu II MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC: Học xong mơn học này, người học có khả năng: -Về kiến thức: Trình bày tính chất cơ, lý, hoá loại vật liệu điện sử dụng ngành điện; Phân biệt đặc điểm, tính chất công dụng loại vật liệu cách điện, vật liệu dẫn điện vật liệu từ -Về kỹ năng: Lựa chọn loại vật liệu điện phục vụ cho công tác sửa chữa, thay thế; Bảo quản tốt loại vật liệu dạng nguyên mẫu, bán thành phẩm thành phẩm theo quy định kỹ thuật -Về thái độ: Rèn luyện tính cẩn thận, xác, chủ động cơng việc III NỘI DUNG MƠN HỌC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 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 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 thực hiện: Học xong học này, người học có khả năng: - Nhận dạng loại vật liệu điện, đạt xác 90% trường hợp - Phân loại loại vật liệu điện có xưởng trường, đạt xác 90% theo cách phân loại giáo viên đưa - Có ý thức tự giác học tập, tích cực tìm hiểu, nghiên cứu để có kết học tốt Nội dung chính: BÀI 1: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Khái niệm Tất vật liệu dùng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn vật liệu dùng làm phụ kiện đường dây, gọi chung vật liệu điện Như vật liệu điện bao gồm: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ Để thấy chất dẫn điện hay cách điện vật liệu, cần hiểu khái niệm cấu tạo vật liệu hình thành phần tử mang điện vật liệu Cấu tạo nguyên tử vật liệu Như biết, vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử phần tử vật chất Theo mơ hình ngun tử Bor, nguyên tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích dương điện tử (êlectron e) mang điện tích âm, chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo định 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 bảng tuần hồn Menđêlêép q: điện tích điện tử e (qe=1,601.10-19 culơng) Prơton có khối lượng 1,67.10-27 kg, êlêctron (e) có khối lượng 9,1.10-31 kg 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) Nếu lý đó, ngun tử hay nhiều điện tử trở thành điện tích dương mà ta thường gọi ion dương Ngược lại nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử trở thành ion âm 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), bị ion hóa (bị điện tử), nguyên tử trở thành ion dương Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương điện tử tự gọi q trình ion hóa Trong ngun tử, lượng ion hóa lớp điện tử khác khác nhau, điện tử hóa trị ngồi có mức lượng ion hóa thấp chúng xa hạt nhân Khi điện tử nhận lượng nhỏ lượng ion hóa chúng bị kích thích di chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác, song chúng có xu trở vị trí ban đầu Phần lượng cung cấp để kích thích nguyên tử trả lại dạng lương quang học (quang năng) Trong thực tế ion hóa lượng kích thích ngun tử nhận từ nhiều nguồn lượng khác như: nhiệt năng, quang năng, điện năng, lượng tia song ngắn tia: , , hay tia Rơghen v.v Cấu tạo phân tử Phân tử tạo nên từ nguyên tử thông qua liên kết phân tử Trong vật chất tồn bốn loại liên kết sau: 3.1 Liên kết đồng hóa trị Liên kết đồng hóa trị 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 Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hóa trị trung tính hay lưỡng cực -Phân tử có trọng tâm điện tích dương âm trùng phân tử trung tính Các chất tạo nên từ phân tử trung tính gọi chất trung tính -Phân tử có trọng tâm điện tích dương điện tích âm khơng trùng nhau, cách khoảng cách ‘’a’’ gọi phân tử cực tính hay cịn gọi lưỡng cực 3.2 Liên kết ion Liên kết ion xác lập lực hút ion dương ion âm phân tử Liên kết ion liên kết bền vững Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ muối halơgen 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 3.3 Liên kết kim loại Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn Kim loại xem hệ thống cấu tạo từ ion dương nằm môi trường điện tử tự Lực hút ion dương điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Chính liên kết kim loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Sự tồn điện tử tự làm cho kim loại có tính ánh kim tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo kim loại giải thích dịch chuyển trượt lớp ion, kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng 3.4 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 có độ bền thấp BÀI 2: PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN Phân loại vật liệu điện theo khả dẫn điện Trên sở giản đồ lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện vật liệu bán dẫn 1.1 Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện chất có vùng tự nằm sát với vùng điền đầy, chí chồng lên vùng đầy (W 0,2eV) Vật liệu dẫn điện có số lượng điện tử tự lớn; nhiệt độ bình thường điện tử hóa trị vùng điền đầy chuyển sang vùng tự dễ dàng, tác dụng lực điện trường điện tử tham gia vào dòng địên dẫn Chính vật dẫn có tính dẫn điện tốt 1.2 Vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn chất có vùng cấm hẹp so với vật liệu cách điện, vùng thay đổi nhờ tác động lượng từ bên Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (W = 0,2 1,5eV), nhiệt độ bình thường số điện tử hóa trị vùng điền đầy tiếp sức chuyển động nhiệt di chuyển tới vùng tự để tham gia vào dòng địên dẫn 1.3 Điện môi (vật liệu cách điện): Điện môi chất có vùng cấm lớn đến mức điều kiện bình thường dẫn điện điện tử khơng xẩy Các điện tử hóa trị cung cấp thêm lượng chuyển động nhiệt di chuyển tới vùng tự để tham gia vào dòng điện dẫn Chiều rộng vùng cấm vật liệu cách điện (W = 1,5 2eV) Phân loại vật liệu điện theo từ tính Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: nghịch từ, thuận từ dẫn từ 2.1 Vật liệu nghịch từ Là vật liệu có độ từ thẩm khơng phụ thuộc vào từ trường bên 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 2.2 Vật liệu thuận từ Là vật liệu có độ từ thẩm không phụ thuộc vào từ trường bên ngồi Loại gồm có: oxy, oxit nitơ, muối đất hiếm, muối sắt, muối côban niken, kim loại kiềm, nhôm bạch kim Vật liệu thuận từ nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ 2.3 Vật liệu dẫn từ Là vật liệu có độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trường bên ngồi Loại gồm có: sắt, côban, niken hợp kim chúng: hợp kim crơm mangan, gađơlơnít, pherit có thành phần khác Phân loại theo dạng khác Theo công 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 Theo trạng thái vật thể: có vật liệu thể rắn, thể lỏng vật liệu thể khí c Phân loại Nhơm dùng cơng nghiệp phân loại sở tỉ lệ phần trăm kim loại tinh khiết tạp chất Tùy theo hàm lượng tạp chất có nhơm lị luyện mà người ta chia nhơm khối làm loại: -Nhơm có ký hiệu: AB1 có khơng nhỏ 99,90% nhơm -Nhơm có ký hiệu: AB2 có khơng nhỏ 99,85% nhơm -Nhơm có ký hiệu: A-00 có khơng nhỏ 99,70% nhơm -Nhơm có ký hiệu: A-0 có khơng nhỏ 99,60% nhơm -Nhơm có ký hiệu: A-1 có khơng nhỏ 99,50% nhơm -Nhơm có ký hiệu: A-2 có khơng nhỏ 99,00% nhơm -Nhơm có ký hiệu: A-3 có khơng nhỏ 98,00% nhơm Các tạp chất có nhơm chiếm từ :0,10% từ nhơm có ký hiệu AB1 đến 2,00% nhơm có ký hiệu A-3 tạp chất chủ yếu là: Fe, Si, Cu Fe+Si Nhôm sử dụng kỹ thuật điện có tạp chất thành phần khơng q 0,5% Nhơm tinh khiết có nhãn hiệu AB00 (không 0,03% tạp chất) sử dụng để sản xuất nhôm lá, điện cực vỏ tụ điện điện phân Nhơm có độ tinh khiết cao AB000 có tạp chất khơng q 0,004% Các tạp chất khác nhôm làm giảm điện dẫn nhôm mức độ khác Nếu thêm niken, silíc, kẽm hay sắt vào nhơm khơng q 0,5% làm giảm điện dẫn nhôm ủ không (2 3)% Một điều đáng ý với trọng lượng, tác dụng tạp chất đồng, bạc, magiê làm giảm điện dẫn nhôm đến (5 10)% Điện dẫn nhôm giảm nhiều chất phụ nhôm titan mangan Công nghệ gia công nhôm cán, kéo ủ tương tự đồng Nhơm cán thành mỏng từ (6 7) m dùng làm cực tụ giấy d Sản xuất chế tạo Thông thường người ta sản xuất nhôm theo hai cách sau: -Nhôm nhận từ bauxit, qua q trình cơng nghệ oxit nhơm khan Al2O3 khơng có tạp chất -Tách kim loại nhơm thơng qua điện phân oxit hịa tan thành criolit nóng chảy nhiệt độ (900 950)0C Tuy nhiên dùng phương pháp điện tiêu 50 thụ lương điện lớn (18.000 Kwh/tấn) tiêu thụ khoảng 750kg điện cực cacbon Kim loại thơ nóng chảy lị dùng lửa hay dùng điện sau rót thành khối hay để dát mỏng kéo thành sợi với ủ nhiệt trở lại 2.2 Hợp kim nhôm Hợp kim nhôm hợp kim nhôm với nguyên tố kim loại khác đồng, silic, mangan, magiê, kẽm Tùy theo thành phần đặc tính cơng nghệ hợp kim nhơm người ta chia làm hai nhóm: Nhóm hợp kim nhơm biến dạng nhóm hợp kim nhơm đúc a Nhóm hợp kim nhôm biến dạng Được dùng để chế tạo nhôm, băng, dây nhôm chi tiết rèn ép Điển hình nhóm hợp kim nhơm biến dạng Đura Đura hợp kim nhôm với đồng, magiê mangan Magiê đồng làm tăng độ bền, mangan làm tăng tính chịu ăn mịn đura Thành phần hóa học đura (2,5 6)% Cu, (0,4 2,8)% Mg (0,4 1)% Đura ký hiệu chữ kèm theo số số hiệu đura đura 1, đura 6, đura 16 b Nhóm hợp kim nhơm đúc Được dùng để sản xuất chi tiết đúc Điển hình nhóm hợp kim nhôm đúc Silumin Là hợp kim nhôm với silic (có chứa từ 613% Si) Ngồi thành phần silic silumin cịn chứa đồng, magiê, kẻm Silumin có tính đúc tốt (dễ chảy loảng) độ co ngót nhỏ Trong kỹ thuật điện hợp kim nhôm chủ yếu dùng làm dây dẫn điện hơp kim mang tên ”aldrey” Chúng tổ hợp nhôm với Mg(0,3 0,5)%, Silic (0,4 0,7)%, sắt (0,2 0,3)% Tổ hợp làm cho hợp kim có tính chất khí tốt nhơm với Mg2Si Sự hịa tan dung dịch rắn (ở nhiệt độ 5000C) tổ hợp làm tăng tính dẫn điện hợp kim Chì hợp kim chì 3.1 Chì a Sản xuất chế tạo 51 Chì nhận từ mỏ như: Galen (PbS), xeruzít (PbCO3), Anglezít(PbSO4) vv thường qua nhiều phương pháp để thu chì thơ Sản phẩm thu (chì thơ) gồm (92 96)% chì Chì thơ tinh luyện theo phương pháp khơ, thơng qua nóng chảy hay theo phương pháp điện phân để loại bỏ tạp chất cuối thu chì với mức độ tinh khiết (99,5 99,994)% chì kỹ thuật cung cấp dạng thỏi (35 55)kg dùng cấu tạo cáp điện nhiều lỉnh vực khác Chì dùng acquy cung cấp dạng thỏi (35 45)kg b Đặc tính Chì kim loại có màu tro sáng ngả xanh da trời kim loại cơng nghiệp mềm Người ta uốn cong dễ dàng cắt dao cắt công nghiệp Chổ cắt ánh kim loại sáng mờ nhanh oxy hố bề mặt lớp oxyt thiếu (Pb20) (PbO) Chì có điện trở xuất cao (0,205 0,222mm2/m nhiệt độ: 200C) Chì chuyển sang trạng thái siêu dẫn Nó có sức bền với thời tiết xấu có tổ hợp bảo vệ hình thành bề mặt (PbCO3, PbSO4.v.v ) Nó khơng bị tác dụng axit clohydrc, axit sunfuaric, axit sunfuarơ, fluorhydric, phosphoric amoniăc, sút, borax clo Nó hồ tan dễ dàng axit HNO3 pha loảng hay axit axetic (CH3COOH) pha loảng, bị phá hủy bới chất hữu mục nát, vôi vài hợp chất khác Sự bay chì độc Chì kim loại dễ dát mỏng, dát kéo thành mỏng Chì dễ chảy lỏng (327,30C) Chì khơng có sức đề kháng dao động, đặc biệt nhiệt độ cao dễ bị nứt có lực va đập (dao động) 3.2 Hợp kim chì -Là hợp kim chì với nguyên tố: Sb, Te, Cu, Sn với hàm lượng nhỏ có cấu trúc mịn chịu rung động song bền với ăn mịn -Hợp kim chì - thiếc: chất hàn mềm có nhiệt độ nóng chảy 4000C -Chì kỹ thuật: PbTc1= 99,92%; PbTc2= 99,80%; PbTc3= 99,50% 52 Hàm lượng tạp chất chì kỹ thuật cho bảng (bảng 3.8) -Chì dùng sản xuất bình ăcquy: PbAc1= 99,99%; PbAc2= 99,98%; PbAc3= 99,96% Hàm lượng tạp chất chì dùng sản xuất bình ăcquy cho bảng (bảng 3.9) -Chì atimon: PbSb3 = (96,5 99,2)%; PbSb6 = (93,4 96,3)%; PbSb12 = (86,8 92,7)%, PbSb20 = (77,1 85)%; PbSb30 = (66,5 76,4)% Hàm lượng tạp chất chì atimon cho bảng (bảng 3.10) Ứng dung chì hợp kim chì: -Chì hợp kim chì dùng để làm lớp vỏ bảo vệ cáp điện nhằm chống lại ẩm ướt.Vỏ chì cáp chế tạo từ -Đôi lớp vỏ sử dụng dây dẫn thứ tư (ví dụ: trường hợp cáp có dây dẫn) -Chì cịn dùng chế tạo ăcquy điện có chì PbAc1,c2 -Một ứng dung quan chì tham gia vào hợp kim -Nó sử dung vật liệu bảo vệ tia X (rơnghen).Những chì bảo vệ thường theo tiêu chuẩn chiều dày (4 9)mm (1mm chiều dày 200 300kv) có tác dụng bảo vệ thép dày 11,5mm hay lớp gạch có chiều dày 110mm Sắt (thép) Thép hợp kim sắt với cacbon vói hàm lương cacbon không 2,14% Thép kim loại rẻ tiền dễ kiếm nhất, có độ bền cao nên đôi lúc dùng làm vật dẫn Nhưng sắt tinh khiết có điện trở suất lớn nhiều so với đồng nhôm (khoảng 0,1 mm2/m).Trong kỹ thuật điện người ta thường dùng thép có hàm lượng cacbon thấp Để làm dây dẫn điện người ta thường dùng thép mềm có từ (0,10 0,15)% cacbon, giới hạn bền kéo (70 75)kG/mm2, độ dãn dài tương đối đứt (5 8)%, điện dẫn suất nhỏ đồng sáu bảy lần Vì thép dùng làm dây dẫn đường dây tải điện không với công suất tương đối nhỏ Trong trường hợp 53 sử dụng thép có lợi trị số dịng điện nhỏ, tiết diện dây khơng xác định theo điện trở mà theo độ bền Thép dùng làm vật liệu dẫn điện dạng dẫn, đường ray tàu điện, đường sắt chạy điện, tàu điện ngầm vv Để làm lỏi dây nhơm, lỏi dây dùng dây thép có độ bền đặc biệt với giới hạn bền kéo từ (120 150)kG/mm2 độ giản dài tương đối từ (4 5)% Nhược điểm thép khả chống ăn mịn nhiệt độ bình thường đặc biệt độ ẩm cao thép bị gỉ nhanh, nhiệt độ cao tốc độ ăn mòn mạnh Vì bề mặt dây thép cần bảo vệ lớp kim loại bền hợn Thông thương dây thép mạ kẽm để bảo vệ cho thép khỏi bị gỉ Dây dẫn thép có độ bền khí lớn gấp (2 2,5) lần so với đồng dây dẫn thép dùng khoảng cột lớn, tuyến vượt sông rộng vv sử dụng cho khoảng cột từ (1500 1900)m Dây dẫn thép mắc với độ võng bé dây dẫn khác 54 CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU TỪ Giới thiệu: Nội dung chương đề cập đến khái niệm chung chất từ vật liệu từ; vật liệu từ mềm; vật liệu từ cứng Mục tiêu: Học xong chương này, người học có khả năng: - Trình bày tính chất công dụng loại vật liệu từ mềm; vật liệu từ cứng; - Biết cách lựa chọn vật liệu phù hợp với mục đích sử dụng; - Có ý thức tự giác học tập, tích cực tìm hiểu, nghiên cứu để có kết học tốt Nội dung chính: BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ TÍNH Các vật liệu từ tính chất sắt từ hợp chất hố học ferít loại có giá trị lớn kỹ thuật điện Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính vật liệu điện điện tích ln ln chuyển động ngầm theo quỹ đạo kín tạo nên dũng điện vũng, cụ thể quay điện tử quay xung quanh trục chúng – spin điện tử quay theo quỹ đạo điện tử nguyên tử Hiện tượng sắt từ số vật liệu nhiệt độ thấp nhiệt độ quyri phân sẵn thành vùng vĩ mô mà vựng spin điện tử định hướng song song với (phân cực tự nhiên) Các vùng gọi đơmen từ Như tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ chất có độ nhiễu từ tự phát khơng có từ trường ngồi Từ thơng khơng gian bên ngồi vật liệu khơng, vật liệu tinh khiết có đơmen lớn Q trình từ hố vật liệu sắt từ ảnh hưởng từ trường bên gồm tượng sau: + Tăng thể tích đơmen có mơmen từ tạo với hướng từ trường góc nhỏ giảm kích thước đơmen khác (quá trình dịch chuyển mặt phân cách đơmen) 55 + Quay véctơ mơmen từ hố theo hướng từ trường ngồi (Q trình định hướng) Q trình từ hoá lại vật liệu sắt từ từ trường biến đổi có tổn hao lượng dạng nhiệt tổn hao từ trễ tổn hao động học Tổn hao động học dũng điện xoáy cảm ứng khối sắt từ phần hiệu ứng gọi hậu từ hoá hay độ nhớt từ Tổn hao dũng điện xoáy phụ thuộc vào điện trở Điện trở suất chất sắt từ cao tổn hao dũng điện xốy nhỏ Để đặc trưng cho từ tính vật liệu người ta đưa đại lượng gọi hệ số từ thẩm tương đối (Ký hiệu ) Nó tỷ số cường độ từ cảm môi trường xét (B) với cường độ từ cảm môi trường chân khơng (Bo) dịng điện sinh = B/B0 Nếu vật liệu từ có > Đó vật liệu thuận từ Ví dụ nhơm (Al) có = 1,000073 Nếu vật liệu từ có < Đó vật liệu nghịch từ Ví dụ: Đồng (Cu) có = 0,999995 Nếu vật liệu có > từ vài trăm đến hàng vạn lần gọi vật liệu từ Những vật liệu từ tính cao sắt, niken, coban hợp kim chúng: có = 7500 – 60000 Vật liệu từ chia làm hai loại: vật liệu từ mềm vật liệu từ cứng BÀI 2: VẬT LIỆU TỪ MỀM Khái niệm Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao, lực kháng từ tổn hao từ trễ nhỏ dùng làm lõi máy biến áp, nam châm điện, dụng cụ đo điện trường hợp cần có cảm ứng từ lớn với lực tiêu phí lượng nhỏ Để giảm tổn hao dịng điện xốy, máy biến áp dùng vật liệu sắt từ mềm có điện trở lớn, thường dùng gông từ cách gép tôn silic cách điện với Các loại vật liệu từ mềm 2.1 Sắt từ 56 Trong sắt kỹ thuật tinh khiết thường có lượng nhỏ bon, lưu huỳnh, mangan, silic nguyên tố khác làm xấu tính chất sắt Vì điện trở tương đối thấp nên sắt tinh khiết kỹ thuật sử dụng tương đối ít, chủ yếu mạch từ thông không đổi Sắt tinh khiết kỹ thuật chế tạo cách tinh chế gang lò Mác Tanh hay lò thổi, hàm lượng tạp chất tổng cộng 0,08 – 0,1% Thép kỹ thuật điện bon thấp nhiều dạng sắt kỹ thuật tinh khiết sản xuất thành mỏng từ 0,2 – 4mm, thành phần có khơng q 0,04% cácbon không 0,6% tạp chất khác Trị số độ từ thẩm tương đối không nhỏ 3500 – 4500, lực kháng từ không lớn 0,8 – 1,2Ơcstet Sắt tinh khiết với lượng tạp chất thấp thu từ hai phương pháp: + Sắt điện phân chế tạo cách điện phân dung dịch sunfát hay clorua sắt anốt sắt tinh khiết, cịn catốt phiến thép mềm Sắt bám catốt sau rửa nghiền thành bột máy nghiền sau ủ hay nghiền lại chân không + Sắt cácbonyl thu cách nhiệt phân sắt cácbonyl theo phương trình: Fe (CO)5 = Fe + CO Sắt cácbonyl chất lỏng thu tác dụng với axít cácbon nên sắt nhiệt độ gần -2000C, áp suất gần 150ata Sắt cácbonyl có dạng bột mịn thuận tiện để chế lõi sắt cao tần nén 2.2 Thép Thép kỹ thuật điện vật liệu từ mềm dùng rộng rãi Việc đưa silic vào thành phần thép làm tăng điện trở suất thép Do tổn hao dịng điện xốy giảm Ngồi silic thép cịn tạo khả tách cácbon dạng grafít, khử gần tồn ơxít thép giảm tổn hao từ trễ Tuy nhiên silic ảnh hưởng xấu tới tính học thép tăng độ giịn khó cán thành Thép kỹ thuật điện Liên Xô cũ chia thành loại: э 11; э 12; э 13 э 21; э 22 57 э 31 ; э 32 э 41; э 42; э 43; э 44; э 45; э 46; э 47; э 48 э 310; э 320; э 330; э 330A; э 340; э 370; э 380 э 1100; э 1200; э 1300; э 3100; э 3200 Trong đó: + э loại thép thuộc thép kỹ thuật điện + Con số thứ hàm lượng gần silíc theo phần trăm + Con số thứ hai đặc trưng cho tính cách điện từ thép: Các số 1, 2, đảm bảo suất tổn hao xác định từ hoá lại (ở tần số 50 Hz) cảm ứng từ từ trường mạch Chữ A ký hiệu suất tổn hao thấp Số cho biết thép định mức tổn hao từ hoá tần số 400Hz cảm ứng từ trường có cường độ trung bình Thép có ký hiệu số 5,6 dùng trường yếu từ 0,002 – 0,008A/cm Con số 7,8 đặc điểm chủ yếu độ từ thẩm cường độ trung bình 0,03 – 10A/cm Con số thứ ba thép cán nguội (thép có thớ) Hai số liên tiếp thép cán nguội thớ Thép hàm lượng silíc cao chủ yếu dùng để làm lõi máy biến áp mà ta thường gọi tơn silíc Thép có thớ dị hướng dùng để chế tạo lõi thép máy biến áp Sử dụng thép làm máy biến áp điện lực giảm trọng lượng kích thước máy Máy biến áp 20 – 25% làm máy biến áp vụ tuyến điện giảm 40% 2.3 Pécmalơi Pécmalơi hợp kim sắt – Niken có trị số từ thẩm ban đầu lớn vùng từ trường yếu Người ta chia Pécmalơi nhiều Niken có khoảng 72-80% niken Pécmalơi niken Khi đưa vào thành phần Pécmalơi tạp chất mơlítđen, Cr, Si, Mn, để nâng cao điện trở suất Tạp chất mơlíp đen có khả giảm độ 58 nhạy biến dạng Pécmalơi, cịn tạp chất đồng làm cho hệ số từ thẩm không thay đổi khoảng hẹp cường độ từ trường Các loại Pécmalôi nhiều niken dùng làm lõi cuộn cảm ứng có kích thước nhỏ, máy biến áp âm tần nhỏ, biến áp xung khuyếch đại từ Pécmalơi niken có từ cảm bão hồ lớn gần hai lần Pécmalơi nhiều niken, điều cho phép dùng làm lõi thép máy biến áp điện lực, cuộn cảm dụng cụ cần có mật độ từ thơng cao Các Pécmalơi với vịng từ trễ hình chữ nhật dùng làm lõi khuyếch đại từ cấu chuyển mạch, thiết bị chỉnh lưu phần tử máy tính Khi tăng tần số từ thẩm Pécmalơi giảm phát sinh dịng điện xốy, điện trở suất khơng lớn Sự giảm cảm ứng từ tần số tăng cường độ từ trường 2.4 Alusife Hợp kim sắt với silic nhơm có tên gọi Alusife Thành phần tốt Alusife 9,5% Si; 5,6% Al lại sắt Hợp kim có đặc tính cứng giịn, chế tạo dạng đúc định hình, độ từ thẩm, điện trở suất cao Các sản phẩm chế tạo Alusife: từ, thân dụng cụ … chế tạo phương pháp đúc với thành chi tiết khơng mỏng 2-3mm Do tính giịn hợp kim Alusife nghiền nhỏ thành bột như: Cácbonyl sắt để sản xuất lõi thép cao tần BÀI VẬT LIỆU TỪ CỨNG Khái niệm Độ từ thẩm vật liệu từ cứng thấp vật liệu từ mềm lực kháng từ cao độ thẩm nhỏ Công dụng chủ yếu vật liệu từ cứng dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu mạch từ dụng cụ đo, cấu đo điện từ (ampe mét, vôn mét) Cực từ máy điện cơng suất nhỏ Tính chất vật liệu từ cứng phụ thuộc vào cấu tạo tinh thể cấu trúc từ Tất vật liệu từ cứng đạt tính chất tốt có biến dạng mạng tinh thể lớn 59 Các vật liệu dùng làm nam châm vĩnh cửu đặc trưng tham số: lực kháng từ, từ dư lượng lớn vào khơng gian xung quanh Nam châm kín (dạng hình xuyến) khơng lượng cho khơng gian bên ngồi Khi khe hở khơng khí cực xuất lượng truyền không gian, giá trị lượng phụ thuộc vào chiều dài khe hở Các loại vật liệu từ cứng 2.1 Hợp kim từ cứng đúc Hợp kim ba nguyên tố Al – Ni – Fe thường gọi alumi có lượng từ lớn Khi cho thêm côban hay silic tính chất từ hợp kim tăng lên hợp kim alumi có chất phụ silic gọi alumisi, cho chất phụ côban gọi alumicô, hợp kim alunicơ có hàm lượng cơban lớn gọi macnicô Hợp kim macnicô tăng cường không thành phần nó, mà cịn nhờ gia cơng đặc biệt làm nguội nam châm sau rót từ trường mạnh Khơng đẳng hướng đặc tính mạnh hợp kim manicơ Tính chất từ tốt theo hướng làm nguội có từ trường tác động Nam châm hợp kim manicô nhẹ nam châm alumi lượng lần nhẹ nam châm thép – crôm thông thường 22 lần Nhược điểm hợp kim aluni, alunicô macnicô khó chế tạo chi tiết có kích thước xác, hợp kim giịn cứng, gia công phương pháp mài 2.2 Các nam châm bột Chế tạo nam châm vĩnh cửu phương pháp luyện kim bột để hợp kim đúc sắt – niken – nhôm chế tạo sản phẩm nhỏ kích thước xác Có hai loại nam châm bột: nam châm bột kim loại gốm nam châm bột có hạt gần chất kết dính (nam châm kim loại dẻo) Nam châm bột kim loại gốm chế tạo ép bột nghiền từ hợp kim từ cứng sau thiêu kết nhiệt độ cao tương tự trình nung gốm Các chi tiết nhỏ chế tạo theo công nghệ tương đối xác, khơng cần gia cơng thêm Nam châm ngược gần chất kết dính chế tạo cách ép chi tiết chất dẻo chất độn nghiền hợp kim từ cứng Vì chất độn cứng nên cần áp suất riêng để ép cao tấn/cm2 60 Nam châm kim loại bột kinh tế sản xuất tự động hố hàng loạt nam châm có cấu tạo phức tạp kích thước khơng lớn Cơng nghệ hợp kim dẻo chế tạo nam châm có lõi Tính chất nam châm kim loại dẻo nhiều: Lực kháng từ giảm 19-15%, từ dư giảm 35-50%, lượng tích luỹ giảm 40-60% so với nam châm đúc Sự giảm tính chất từ hàm lượng chất kết dính khơng từ tính lớn (khoảng 30%) Nam châm kim loại dẻo có điện trở cao, sử dụng thiết bị có biến đổi từ trường biến đổi tần số cao 2.3 Ferít từ cứng Trong số ferít từ cứng biết nhiều ferít bari (BaO6Fe2O3); khác với ferít từ mềm khơng có cấu trúc lập phương mà mạng tinh thể hình lục giác có dị hướng trục Công nghệ sản xuất loại nam châm bari đẳng hướng tương tự ferít từ mềm, cịn cơng nghệ sản xuất loại nam châm bari dị hướng việc ép tiến hành từ trường định hướng có cường độ 650 – 800 kA/m Nam châm bari sản xuất dạng rông đen đĩa mỏng Chúng có tính ổn định cao tác dụng từ trường ngoài, chịu lắc, va đập Khối lượng riêng ferít bari d = 4,4 – 4,9g/cm3, nhỏ hợp kim sắt – niken đúc 1,5 lần, nam châm nhẹ Điện trở suất khối ferít bari = 106 – 109 .cm, nghĩa lớn điện trở suất hợp kim, kim loại đúc hàng triệu lần Nam châm ferít bari dùng tần số cao giá thành rẻ Tuy có nhiều ưu điểm có nhược điểm là: Độ bền thấp, độ giịn lớn, tính chất từ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Ngồi cịn có tính chất từ khơng thuận nghịch sau làm lạnh từ nhiệt độ phịng đến nhiệt độ thấp -600C lại làm nóng lên đến nhiệt độ ban đầu 61 BÀI CÁC VẬT LIỆU TỪ CĨ CƠNG DỤNG ĐẶC BIỆT Các chất sắt từ mềm đặc biệt 1.1 Pécminva Thành phần hợp kim ba ngun tố, ferít 25%, niken 45%, cơban 30%; hợp kim ủ 10000C, sau giữ nhiệt độ 400-5000C làm nguội chậm, pecmimva có lực kháng từ nhỏ độ từ thẩm ban đầu có nhỏ 300 giữ không đổi khoảng từ trường đến ơcstet với cảm ứng từ 100gaus Pecmimva ổn định từ kém, nhạy cảm với nhiệt độ ứng suất Hợp kim có đặc tính độ ổn định từ cao gọi izơpécmơ thành phần có sắt, niken, đồng Nó có độ từ thẩm 30-80, trị số biến đổi từ trường cường độ đến vài ơcstét 1.2 Hợp kim nhiệt từ Thành phần hợp kim gồm có niken - đồng; sắt – niken; sắt – niken – crôm, hợp kim dùng để bù sai số nhiệt độ thiết bị, sai số gây nên biến đổi nam châm vĩnh cửu hay điện trở dây dẫn dụng cụ điện nhiệt độ môi trường khác với nhiệt độ lúc khắc độ Đối với chất sắt từ điểm quyri nằm khoảng từ 0-1000C tuỳ thuộc vào nguyên tố hợp kim hoá phụ Hợp kim niken - đồng với hàm lượng 30% đồng bù sai số giới hạn 20-800C, với 40% đồng bù -50 đến 100C 1.3 Nhóm hợp kim sắt – cơban Loại hợp kim có từ cảm bão hồ lớn 24000 gaus Điện trở hợp kim nhỏ Hợp kim có tên gọi pecmenđuyara với hàm lượng cơban từ 50 đến 70% Nó có giá cao nên dùng thiết bị đặc biệt, phận loa điện động, màng ống điện thoại … Gang thép kết cấu 2.1 Gang xám Trong thành phần gồm có: Cácbon, silic, mangan, phốtpho, lưu huỳnh Độ bền uốn uốn = 40-45 kG/mm2 Gang xám dùng để đúc vỏ máy điện, chi tiết gép chặt, … gang đúc chi tiết có kích thước đặc biệt lớn khơng cần nhiệt luyện sau đúc, ủ tính chất tốt Các trục, 62 chi tiết quay nhanh máy điện bệ máy chịu rung va đập chế tạo gang 2.2 Thép cácbon Được dùng để đúc sản phẩm ủ chậm từ 850-9000C với hàm lượng cácbon từ 0,08 – 0,2% Các máy điện chuyên dùng đặc biệt quan trọng máy điện cần cấu trúc giảm nhẹ dùng thép có độ bền tăng cường thép hợp kim hoá với niken, vanađi, crôm, môlipđen Sản phẩm chế tạo thép hợp kim hố sau tơi để khử ứng suất cần ủ 650-7000C Độ bền uốn uốn = 50 – 95kG/mm2 2.3 Gang khơng từ tính Vật liệu dùng trường hợp kết cấu khơng có từ tính có từ tính làm ảnh hưởng đến dụng cụ thiết bị Vật liệu khơng từ tính dùng nhiều gang có pha thêm chất niken, mangan để đảm bảo cấu trúc Thành phần gang gồm có: 2,6 – 3,0% cácbon; 2,5% silic; 5,6% mangan; 9-12% niken; lại sắt Độ từ thẩm gang không từ tính khoảng 1,03; điện trở suất = 1,4 mm2/m; độ bền uốn = 25 – 35kG/mm2 Gang khơng từ tính dễ gia cơng Khi đốt nóng đến 4000C giữ tính thuận từ Điện trở gang khơng từ tính lớn nên có ưu việt hợp kim màu mặt tổn hao dòng điện xốy Gang khơng từ tính dùng để chế tạo nắp, vỏ, ống máy cắt dầu, vùng cách máy biến áp điện lực, thân máy biến áp hàn 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Giáo trình Vật liệu điện - Tổng cục dạy nghề-Bộ LĐ TB XH - NXB Khoa học Kỹ thuật, 2013 - Giáo trình Vật liệu điện - Nguyễn Viết Hải-Trần Thị Kim Thanh - NXB Lao động Xã Hội, 2006 - Kỹ thuật điện - Đặng Văn Đào, NXB Giáo dục, 1999 - Giáo trình Vật liệu điện- - Đỗ Hữu Thanh - NXB Hà Nội, 2006 - Vật liệu điện - Nguyễn Xuân Phú, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1998 - Giáo trình vật liệu điện- Nguyễn Đình Thắng, NXB Giáo dục, 2006 - Giáo trình vật liệu điện từ- PGS-TS Hoàng Trọng Bá, NXB Đại học Quốc gia HCM,2012 64 ... 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 Theo trạng thái vật thể: có vật liệu thể rắn, thể lỏng vật liệu thể... VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Khái niệm Tất vật liệu dùng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn vật liệu dùng làm phụ kiện đường dây, gọi chung vật liệu điện Như vật liệu điện bao gồm: Vật liệu dẫn điện, ... CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN Khái niệm vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện vật chất mà trạng thái bình thường có điện tích tự Nếu đặt vật liệu vào trường điện, điện tích chuyển động theo hướng định trường