Giáo trình Vật liệu điện (Nghề Điện công nghiệpCĐ)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN CAO ĐẲNG CƠ GIỚI NINH BÌNH Tài liệu nàyTRƯỜNG 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 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: VẬT LIỆU ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-TCGNB ngày…….tháng….năm 2017 Trường cao đẳng nghề Cơ giới Ninh Bình LỜI GIỚI THIỆU Để đáp ứng nhu cầu học tập, nghiên cứu tham khảo kiến thức Vật liệu điện học sinh sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử Chúng tổ chức biên soạn tập giảng ” Vật liệu điện” để phục vụ cho công tác đào tạo chung Nhà trường Bài giảng gồm nội dung sau: - Bài mở đầu Giới thiệu khái niệm vật liệu điện, cách phân loại vật liệu điện theo trạng thái, theo tính dẫn điện - Chương 1: Vật liệu cách điện Giới thiệu sâu vào đặc tính vật liệu cách điện Một số vật liệu cách điện sử dụng rộng rãi kỹ thuật điện ứng dụng cụ thể chúng - Chương 2: Vật liệu dẫn điện Chương chủ yếu nêu lên đặc điểm, tính chất phạm vi ứng dụng vật liệu kim loại kỹ thuật điện Cách lựa chọn vật liệu dẫn điện cho phù hợp với điều kiện làm việc yêu cầu cụ thể - Chương 3:Vật liệu dẫn từ Giới thiệu số đặc tính vật liệu từ Nêu số vật liệu dẫn từ điển hình sử dụng kỹ thuật điện Trong trình biên soạn giảng, khơng tránh khỏi thiếu sót Mong bạn đọc đóng góp ý kiến để giảng hồn thiện Người biên soạn Vũ Thị Thủy MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN 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 10 2.3 Phân loại theo trạng thái vật thể 10 CHƯƠNG I:VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 11 1.1 Khái niệm phân loại vật liệu cách điện 11 1.1.1 Khái niệm: 11 1.1.2 Phân loại VLCĐ 11 1.2 Tính chất chung VLCĐ 12 1.2.1 Tính hút ẩm vật liệu cách điện 12 1.2.2 Tính chất học vật liệu cách điện 12 1.2.3 Tính chất hố học vật liệu cách điện 13 1.2.4 Hiện tượng đánh thủng điện môi độ bền cách điện VLCĐ 13 1.2.5 Độ bền nhiệt 14 1.2.6 Tính chọn vật liệu cách điện 14 1.2.7 Hư hỏng thường gặp 14 1.3 Một số vật liệu cách điện thông dụng 15 1.3.1 Vật liệu sợi 15 1.3.2 Giấy tông 15 1.3.3 Phíp 15 1.3.4 Amiăng, xi măng amiăng 16 1.3.5 Vải sơn băng cách điện 16 1.3.6 Chất dẻo 16 1.3.7 Nhựa cách điện 16 1.3.8 Dầu cách điện 17 1.3.9 Sơn hợp chất cách điện 19 1.3.10 Chất đàn hồi 19 1.3.11 Điện môi vô 20 1.3.12 Vật liệu cách điện gốm sứ 20 1.3.13 Mica vật liệu sở mica 21 CHƯƠNG II: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 22 2.1 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn điện 22 2.1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện 22 2.1.2 Tính chất vật liệu dẫn điện 23 2.1.3 Các tác nhân mơi trường ảnh hưởng đến tính dẫn điện vật liệu 23 2.1.4 Hiệu điện tiếp xúc sức nhiệt động 24 2.2 Tính chất chung kim loại hợp kim 24 2.2.1 Tầm quan trọng kim loại hợp kim 24 2.2.2 Các tính chất vật liệu kim loại 25 2.3 Những hư hỏng thường gặp cách chọn vật liệu dẫn điện 25 2.3.1 Những hư hỏng thường gặp 25 2.3.2 Cách chọn vật liệu dẫn điện 26 2.4 Một số vật liệu dẫn điện thông dụng 26 2.4.1 Đồng hợp kim đồng 26 2.4.2 Nhôm hợp kim nhôm 28 2.4.3 Chì hợp kim chì 29 2.4.4 Sắt (Fe) 29 2.4.5 Wonfram 30 2.4.6 Kim loại dùng làm tiếp điểm cổ góp 30 2.4.7 Hợp kim có điện trở cao chịu nhiệt 32 2.4.8 Lưỡng kim 33 CHƯƠNG III:VẬT LIỆU DẪN TỪ 34 3.1 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn từ 34 3.1.1 Khái niệm 34 3.1.2 Tính chất vật liệu dẫn từ 34 3.1.3.Các đặc tính vật liệu dẫn từ 35 3.1.4 Đường cong từ hoá: 35 3.2 Mạch từ tính tốn mạch từ 37 3.2.1 Các công thức 37 3.2.2 Sơ đồ thay mạch từ 37 3.2.3 Mạch từ xoay chiều 38 3.2.4 Những hư hỏng thường gặp 38 3.3 Một số vật liệu dẫn từ thông dụng 38 3.3.1 Vật liệu sắt từ mềm 39 3.3.2 Vật liệu sắt từ cứng 39 3.3.3 Các vật liệu sắt từ có cơng dụng đặc biệt 40 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: Vật liệu điện Mã môn học: MH 16 Thời gian môn học: 30 giờ; ( Lý thuyết:15 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập: 13 giờ; Kiểm tra: 02 giờ) I Vị trí, tính chất mơn học: - Vị trí: Mơn học bố trí học sau mơn học An tồn & tổ chức sản xuất học song song với mơn học Vẽ điện, Khí cụ điện - Tính chất: Là môn học kỹ thuật sở, thuộc môn học đào tạo nghề bắt buộc II Mục tiêu học: - Về kiến thức: Trình bày đặc tính loại vật liệu điện; - Về kỹ năng: + Nhận dạng loại vật liệu điện thông dụng; + Phân loại loại vật liệu điện thông dụng + Xác định dạng nguyên nhân gây hư hỏng vật liệu điện - Về lực tự chủ trách nhiệm: Rèn luyện tính cẩn thận, xác, chủ động cơng việc III Nội dung môn học: BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Mã bài: MH 16-01 Giới thiệu: Vật liệu điện vật chất sử dụng kỹ thuật điện với mục đích định như: dẫn điện, cách điện, dẫn từ hay làm vật liệu kết cấu Chúng có cấu tạo tự nhiên hay chế tạo dạng tổng hợp nhằm tăng cường số đặc tính có lợi hay hạn chế đặc tính có hại sử dụng Thơng thường vật liệu điện chia làm ba nhóm vật liệu điện bản: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ Mục tiêu: - Nêu bật khái niệm cấu tạo vật liệu dẫn điện - Phân loại xác chức vật liệu cụ thể - Rèn luyện tính chủ động nghiêm túc công việc Khái niệm vật liệu điện 1.1 Khái niệm Vật liệu kỹ thuật điện (gọi tắt VLĐ) vật liệu dùng thiết bị điện, máy điện, khí cụ điện v.v lĩnh vực truyền tải, phân phối sử dụng điện 1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu Nguyên tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích dương điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo định (hình 1.1) Mọi vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử phân tử vật chất Hạt nhân cấu tạo nên từ hạt proton (P) mang điện tích dương nơtron (N) khơng mang điện Số lượng P = Z.q (Z số e, q = qe = 1,6.10-19C) Trạng thái bình thường, nguyên tử trung hoà điện Nếu nguyên tử điện tử trở thành ion dương, nhận thêm điện tử trở thành ion âm e +++ e P++N0 e H×nh 1.1 Cấu tạo nguyên tử Nng lng ti thiu cung cấp cho điện tử để tách rời khỏi nguyên tử, trở thành điện tử tự gọi lượng ion hố Wi (eV) Q trình biến ngun tử trung hoà trở thành ion dương (làm điện tử) gọi q trình ion hố Điện tử nhận lượng di chuyển lên mức lượng lớn hơn, trở vị trí trạng thái ban đầu, lượng trả lại dạng quang học 1.3 Cấu tạo phân tử Phân tử tạo nên từ nguyên tử thông qua liên kết phân tử * Liên kết đồng hoá trị: Đặc trưng dùng chung điện tử nguyên tử phân tử Ví dụ: Liên kết phân tử clo – Cl CL + CL = CL CL Liên kết đồng hoá trị bền vững * Liên kết ion: Được xác lập lực hút ion dương ion âm phân tử Ví dụ: Cấu trúc phân tử NaCl Na+ + Cl- = NaCl Liên kết ion bền vững * Liên kết kim loại: Được xác lập lực hút ion dương điện tử tự kim loại E U * Liên kết Vandec - Vanx: Dạng liên kết yếu, có cấu trúc mạng tinh thể phân tử khơng bền vững Ví dụ: Liên kết phân tử paraphin, nhựa đường, nhựa thông v.v  Như vậy: Cấu tạo phân tử dựa loại liên kết phân tử 1.4 Khuyết tật cấu tạo vật rắn Là phá huỷ kết cấu đồng vật rắn Những khuyết tật tạo nên ngẫu nhiên hay cố ý trình chế tạo vật liệu Khuyết tật do: - Sự có mặt tạp chất lạ -Áp lực học - Sự hình thành khe rãnh, lỗ xốp 1.5 Lý thuyết phân vùng lượng vật rắn Các nguyên tử khác có trạng thái lượng (mức lượng) khác tạo thành vùng mức lượng (hình 1.2) - Vùng lượng vị trí thấp gọi vùng hoá trị (1), lấp đầy điện tử hố trị - Vùng có mức lượng cao gọi vùng tự (3) - Vùng dẫn chứa điện tử tự W - Vùng trung gian gọi vùng cấm (2) Khi nguyên tử nhận lượng kích thích W, điện tử hố trị vượt qua vùng cấm để lên vùng dẫn làm tăng khả dẫn điện vật chất H×nh 1.2 Các mức lượng Phân loại vật liệu điện vật rắn 2.1 Phân loại theo khả dẫn điện Dựa vào giản đồ lượng, vật liệu điện chia thành loại (hình 1.3): eV eV - Vật liệu cách điện (a): Vùng cấm có lượng lớn W = 1,5 đến vài - Vật liệu bán dẫn (b): Vùng cấm có lượng trung bình W = 0,2 đến 1,5 - Vật liệu dẫn điện (c): Vùng cấm có lượng nhỏ W < 0,2 eV W a) VLCĐ W W b) VLBD c) VLDĐ Hình 1.3 Phân loại vật liệu theo thuyết phân vùng lượng 2.2 Phân loại theo từ tính Cách phân loại áp dụng kim loại Độ từ thẩm  khả nhận từ trường tác động từ bên - Vật liệu nghịch từ: Độ từ thẩm < 1, không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên VD: H2, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, muối mỏ kim loại như: Cu, Zn, Ag, Hg - Vật liệu thuận từ: Độ từ thẩm > phụ thuộc vào cường độ từ trường bên VD: Sắt, Niken, Côban hợp kim chúng 2.3 Phân loại theo trạng thái vật thể - Vật liệu dạng rắn: Xơ, sợi, kim loại rắn, thuỷ tinh - Vật liệu dạng lỏng: Thủy ngân, dầu biến áp, dung dịch điện phân, nhựa lỏng - Vật liệu dạng khí: Khơng khí, kim loại 10 - Đồng bền khơng khí ẩm song bị ôxy hoá làm tăng điện trở bề mặt, bị ăn mòn axit tiếp xúc với lưu huỳnh nhiệt độ cao - Sức bền tương đối cao có khả đề kháng tốt thời tiết xấu - Dễ dát mỏng, kéo sợi - Gia công nguội bị biến cứng cường độ chịu lực lớn - Có khả hàn gắn khơng tơi Bảng 3-1: Giới thiệu số đặc tính điển hình đồng Đặc tính Đồng cứng Đồng mềm 8,9 8,9 0,01786 0,01748 Nhiệt dẫn suất (kcal/m.s.0C) 0,095 0,095 Nhiệt độ nóng chảy (0C) 1083 1083 Độ dãn dài kéo đứt (%) 45 Sức bền đứt kéo (KG/mm2) 45 21 95 35 Trọng lượng riêng (KG/dm3) Điện trở suất (.mm2/m) Độ cứng Brinell (KG/mm ) * Phân loại ứng dụng: Đồng tinh chế phân loại sở tạp chất lẫn đồng (đồng tinh khiết không tinh khiết) chất - Đồng điện phân đặc biệt - M00: Là loại đồng có 99,99% đồng nguyên - Đồng điện phân thường: M0 (CuE) - 99,95% đồng; M1 (Cu9) - 99,9% đồng; M2 (Cu5) - 99,5% đồng; M3 (Cu0) - 99% đồng Đồng dùng rộng rãi kỹ thuật điện để chế tạo dây quấn điện từ, lõi cáp, góp Chế tạo bán thành phẩm dạng trịn, chữ nhật, vng, sáu cạnh, dạng tấm, ống, băng dẹt, dạng hay dạng sợi b Hợp kim đồng * Đặc tính: - Là hợp kim vật liệu đồng thành phần - Sức bền khí lớn, độ cứng cao, độ dai tốt, màu đẹp dễ nóng chảy - Có thể đúc thành hình dạng phức tạp, dễ gia công máy công cụ phủ lên bề mặt kim loại khác phương pháp mạ điện * Phân loại ứng dụng: * Đồng thanh: 27 - Là hợp kim đồng với số kim loại : Thiếc (Sn); Chì (Pb); Nhơm (Al); Cadimi (Cd); Niken (Ni); nhằm tăng độ cứng, tăng sức bền dễ nóng chảy - Đồng dùng để chế tạo chi tiết, phận máy điện, khí cụ điện gia cơng chi tiết dùng để nối dây dẫn, giữ dây, đai ốc, ốc vít cho hệ thống nối đất Chế tạo vành góp, cổ góp điện, giá đỡ chổi than, khung tiếp điểm Chế tạo dây dẫn viễn thông, đường dây không dây dẫn tải điện cho phương tiện chạy điện * Đồng thau: - Là hợp kim đồng với kẽm (Zn) (có thể đạt tới 46%), ngồi cịn có thêm ngun tố tạp chất khác - Đồng thau dùng để đúc, cán nóng để hàn gắn Gia cơng chi tiế dẫn điện đầu cực bảng phân phối, đầu nối hệ thống tiếp đât, đầu đế gắn cầu chì, đế đèn, đui đèn, gia cơng vít, đai ốc 2.4.2 Nhôm hợp kim nhôm a Nhôm (Al) * Đặc tính (theo bảng 3-2): - Nhơm kim loại màu trắng bạc, dẫn điện dẫn nhiệt tốt - Dễ dát mỏng, gia cơng dễ dàng nóng nguội, dễ kéo sợi - Sức bền học - ơxy hố bề mặt làm tăng tính chống ăn mịn khơng khí gây khó khăn cho viện hàn gắn Bảng 3-2: Các đặc tính nhơm Đặc tính Nhơm Trọng lượng riêng (KG/dm3) Điện trở suất (.mm2/m) 2,7 0,02941 Nhiệt dẫn suất (kcal/m.s C) Nhiệt độ nóng chảy (0C) 657 Độ dãn dài kéo đứt (%) Sức bền đứt kéo (KG/mm2) 9-17 Độ cứng Brinell (KG/mm ) * Ứng dụng: - Dùng làm dây dẫn điện đường dây truyền tải điện 28 - Dùng làm cáp điện, dây quấn máy biến áp, ống nối, góp chi tiết cho thiết bị điện - Chế tạo điện cực cho tụ điện phân Làm dẫn rôto máy điện không đồng Dùng để chế tạo hợp kim b Hợp kim nhơm * Đặc tính: - Là hợp kim nhôm số kim loại khác - Điện dẫn suất thấp tính hố tính tốt * Ứng dụng: - Chế tạo dây dẫn có khả dẫn điện tốt, sức bền cao gấp hai lần so với nhôm nguyên chất - Chế tạo chi tiết máy điện, thiết bị điện, dụng cụ đo điện, yêu cầu nhẹ, tản nhiệt tốt, dễ gia công áp lực dễ đúc - Chế tạo điện trở nhiệt thiết bị điện gia dụng 2.4.3 Chì hợp kim chì a Chì ( Pb) Là kim loại có màu tro sáng ngả xanh da trời, kim loại công nghiệp mềm, uốn cong dễ dàng Là kim loại dễ dát mỏng, dát kéo thành mỏng Chì dễ chảy lỏng (327,3°C) Sự bay chì độc b 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 *Ứng dụng: - Chì hợp kim chì dùng để làm lớp vỏ bảo vệ cáp điện nhằm chống lại ẩm ướt - Chì cịn dùng chế tạo ắc quy điện có chì - Một ứng ứng dụng quan trọng chì tham gia vào hợp kim - Nó sử dụng vật liệu bảo vệ tia X Những chì bảo vệ thường theo tiêu chuẩn chiều dày( 4÷9)mm có tác dụng bảo vệ thép dày 11,5mm hay lớp gạch có chiều dày 110mm 2.4.4 Sắt (Fe) * Đặc tính: - Là kim loại rẻ tiền dễ kiếm; 29 - Độ bền cao; - Điện trở suất cao, dùng dẫn dịng xoay chiều xảy tợng hiệu ứng bề mặt tổn thất từ trễ; - Khả Năng chống ăn mòn kém, bị ăn mòn mạnh độ ẩm nhiệt độ cao * Ứng dụng: - Làm dây dẫn đường dây tải điện không công suất nhỏ - Chế tạo dẫn, đường ray tàu điện; - Chế tạo lõi thép dây nhôm thép, dây lưỡng kim - Dùng làm vật liệu từ 2.4.5 Wonfram Là vật liệu chủ yếu làm dây tóc bóng đèn - Điện trở suất: (0,0530÷0,0612)Ωmm2 /m - Nhiệt độ nóng chảy: 3380°C ( cao kim loại) - Là kim loại rắn, nặng, có màu xám Vonfram dùng làm tiếp điểm, làm điện trở phát nóng cho lị điện * Ưu điểm: - Độ mài mòn nhỏ vật liệu có độ cứng cao - Có khả chống tác dụng hồ quang, khơng làm dính tiếp điểm khó nóng chảy - Độ ăn mịn bề mặt nhỏ * Nhược điểm: - Khó gia cơng - Cần có áp lực lớn để giảm điện trở tiếp xúc - Ở điều kiện khí tạo thành màng oxit 2.4.6 Kim loại dùng làm tiếp điểm cổ góp a Tính chất chung: Mặc dù tiếp điểm có nhiều tính chất khác phải có số tính chất chung: - Đảm bảo độ bền, dẫn điện tốt - Dẫn nhiệt tốt, bị oxi hố - Ít bị ăn mịn gặp điều kiện bên ngồi - Có nhiệt độ nóng chảy, hố cao - Giá thành hạ, gia công dễ dàng 30 - Có điện trở suất lớn b Điều kiện riêng: * Tiếp điểm cố định: Mối nối, bulơng, ốc vít ghép - Vật liệu thường dùng: Đồng, nhôm, thép kẽm Đồng hợp kim đồng thường dùng điện áp nhỏ điều kiện làm việc bình thường Các tiếp điểm thường mạ niken, tẩm thiếc hay bọc bạc để chống ăn mịn Nhơm có điện trở suất lớn sức bền thấp nên không dùng nơi có dịng ngắt mạch lớn - u cầu: Đảm bảo độ bền ứng với lực ép khác Có giá trị điện trở ổn định theo thời gian * Tiếp điểm di động (tiếp điểm cắt): Rơle, Cầu dao, Contactor - Vật liệu thường dùng: Platin, Palađi, Rơđi, Wonfram, Mơlipđen, Đồng Platin, Palađi Rơđi có độ cứng nhiệt độ nóng chảy cao, điện dẫn suất nhiệt dẫn suất cao, bền hồ quan nên dùng để chế tạo tiếp điểm quan trọng, có độ xác lớn, dịng điện nhỏ Wonfram bền hồ quang điện, có nhiệt độ nóng chảy độ cứng cao nên có sức bền mài mịn khí Tiếp điểm Wonfram khơng bị hàn dính chặt q trình làm việc có tuổi thọ cao nên thường dùng nơi có áp lực cần thiết lớn Mơlipđen thường dùng làm tiếp điểm chân khơng khí trơ để bảo vệ chặt - Yêu cầu: Bền học, khơng bị oxi hố, bền với hồ quang, khơng bị hàn * Tiếp điểm trượt: cổ góp điện, vành trượt máy điện - Vật liệu thường dùng: Đồng hợp kim đồng, nhôm, bon điện graphit Đồng hợp kim đồng thường làm vành, cổ góp máy điện, tiếp điểm máy cắt, dao cách ly Nhôm chế tạo chi tiết tiếp xúc cần lấy điện phương tiện vận tải điện Graphít đồng dùng chế tạo cổ góp máy phát động điện chiều - Yêu cầu: Chống ăn mòn hồ quang Chịu mài mịn ma sát Ngồi ra, để chế tạo tiếp điểm có cơng suất cắt lớn, người ta sử dụng vật liệu kim loại gốm tạo nên từ hỗn hợp kim loại: Một loại có điện dẫn suất lớn, 31 loại có sức bền khí lớn Những vật liệu tổng hợp hay dùng Bạc Wonfram, Bạc - Mơlipđen 2.4.7 Hợp kim có điện trở cao chịu nhiệt Yêu cầu hợp kim phải có điện trở suất lớn hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ, chịu nhiệt độ cao, dễ chế tạo dạng sợi mảnh rẻ tiền a Phân loại: - Vật liệu dùng làm điện trở mẫu: Các điện trở xác, ứng dụng kỹ thuật đo lường hay linh kiện điện tử quang trọng Đặc tính không bị thay đổi theo nhiệt độ, theo thời gian, theo dòng điện - Vật liệu dùng làm điện trở khởi động: Nối vào phần Rôto động sử dụng làm khởi động động yêu cầu có sức bền dùng, chịu lực điện động lớn, chịu ăn mòn - Vật liệu dùng làm phận gia nhiệt: Nhiệt độ nóng chảy cao dẫn nhiệt tốt, chịu va đập, chịu lực điện động, khơng bị co dịn nhiệt độ tăng, khơng bị oxi hố ứng với nhiệt độ khác b Một số hợp kim thông dụng: mỏng * Hợp kim Mangan - Có màu cà phê đỏ nhạt, bền dễ kéo thành sơi dải băng - So với đồng có sức nhiệt điện động nhỏ người ta sử dụng để chế tạo điện trở xác, cầu đo điện trở, đo tần số Đảm bảo kết đo lường xác nhiệt độ, dòng điện thay đổi - Việc sử dụng hợp kim Mangan vào việc đo lường, điện trở mẫu phải đảm bảo tính bất biến giá trị điện trở thời gian làm việc lâu dài với nhiệm vụ cho phép * Hợp kim Constantan: - Hợp kim gia cơng dễ dàng nguội nóng, kéo thành sợi mảnh 0,02mm dát mỏng - Dễ dàng hàn gắn dính chặt, hệ số biến đổi theo điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ, gần không đổi - Khi nung nóng đến 9000C vịng giây làm nguội nhiệt độ thường tạo lớp oxit mặt ngăn cách làm nhiệm vụ bả vệ trở thành vật liệu mềm dễ uốn - Nếu dùng điện trở khơng để q 4500C Vì q nhiệt độ dễ bị ơxi hố - Có sức nhiệt điện động lớn so với đồng làm điện trở mẫu * Hợp kim Niken - Crơm 32 nhỏ - Có sức bền tốt nhiệt độ cao, khó bị oxi hoá, hệ số biến đổi theo nhiệt độ - Được tạo thành cách hoà tan rắn Ni - Cr Dùng làm điện trở nung nóng, sưởi nóng phát sáng - Hợp kim cho thêm Mn để dễ dát mỏng, dễ uốn dễ gia công chi tiết - Nếu cho thêm Molipđen với hàm lượng thích hợp tăng tính ổn định nhiệt độ, tăng sức bền - Bền với oxi hố tốc độ oxi hố với Ni Cr chậm 2.4.8 Lưỡng kim - Để chế tạo cặp nhiệt điện (nhiệt ngẫu), người ta sử dụng kim loại đồng, sắt, platin, môlipđen, wonfram, bạc, vàng, hợp kim platin, hợp kim đồng - niken Nhiệt ngẫu sử dụng kết cấu hoả kế (nhiệt kế) dùng để đo nhiệt độ khác Nó cịn sử dụng dụng cụ đo điện với dịng điện xoay chiều khơng sin có tần số lớn đến 107Hz (tần số sóng vơ tuyến hữu tuyến ) - Các vật liệu lưỡng kim như: Đồng - Ni ken, Nhôm - Sắt, sắt - niken, hợp kim inva chế tạo lưỡng kim rơle nhiệt, dây lưỡng kim truyền tải điện 33 CHƯƠNG III:VẬT LIỆU DẪN TỪ Mã bài: MH 16- 04 Giới thiệu: Vật liệu dẫn từ loại vật liệu có khả đặc biệt chúng có từ tính đặc trưng cảm ứng từ Chúng có từ từ tính tự nhiên loại quặng manhetit hay xuất từ tính đăt từ trường ( sắt hợp kim sắt, niken, coban ) Lĩnh vực ứng dụng vật liệu dẫn từ rộng rãi Mục tiêu: - Nhận dạng, phân loại xác loại vật liệu dẫn từ dùng công nghiệp dân dụng; - Trình bày đặc tính số loại vật liệu dẫn từ thường dùng; thể; - Sử dụng phù hợp loại vật liệu dẫn từ theo yêu cầu kỹ thuật cụ - Xác định nguyên nhân gây hư hỏng có phương án thay khả thi loại vật liệu dẫn từ thường dùng - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, chủ động cơng việc 3.1 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn từ 3.1.1 Khái niệm - Vật liệu có từ tính điện tích ln ln chuyển động ngầm theo quỹ đạo kín tạo nên dịng điện vịng; Cụ thể hơn, quay điện tử xung quanh trục - spin điện tử quay theo quỹ đạo điện tử nguyên tử - Hiện tượng sắt từ xảy số vật liệu (như: Sắt, niken, côban hợp kim chúng) tồn vùng vĩ mơ có điện tử quay (spin điện tử) định hướng song song với Các vùng gọi Đơ men từ 3.1.2 Tính chất vật liệu dẫn từ - Chất sắt từ có độ nhiễm từ tự phát khơng có từ trường ngồi - Những chất sắt từ mà mô men từ Đô men từ có hướng khác từ thơng khơng gian bên ngồi vật liệu khơng - Các chất sắt từ đơn tinh thể có khả từ hố theo trục khác nhau, mức độ từ hố khó hay dễ khác - Các chất sắt từ đa tinh thể có khả từ hố dị hướng thể rõ gọi chất có cấu tạo thớ từ tính 34 - Chất sắt từ bị từ hố đặt từ trường Q trình từ hoá diễn cách: + Tăng thể tích men có mơ men từ tạo với hướng từ trường góc nhỏ giảm thể tích đô men khác + Quay véc tơ mô men từ hố theo hướng từ trường ngồi 3.1.3.Các đặc tính vật liệu dẫn từ Các ngun tố có tính chất sắt từ là: sắt cacbon,niken hợp kim chúng, bên cạnh coban gọi chất sắt từ Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính vật liệu điện tích ln chuyển động nằm theo quỹ đạo kín, tạo nên dịng điện vịng quay điện tử xung quanh trục quay theo quỹ đạo điện tử nguyên tử Hiện tượng sắt từ số vật liệu nhiệt độ thấp nhiệt độ định phân thành vùng mà vùng điện tử định hướng song song với Như tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ chất có độ nhiễm từ tự phát khơng có từ trường ngồi 3.1.4 Đường cong từ hố: Là đường đặc tính biểu diễn mối quan hệ B = f(H) Q trình từ hố đặc trưng đường cong từ hố hình 4.1 B(Gauss Tesla 1200 1,2 8000 0,8 4000 0,4 0 0 1 H(Ơcstet Hình 4.1: Đường cong từ hóa Luyện từ cho sắt từ cách tăng dần dịng điện gây từ (do tăng cường độ từ trường khác) 35 - Lúc đầu, cường độ từ cảm B tăng tỷ lệ với cường độ từ trường H quan hệ B = f(H) đường thẳng (đoạn OA) Đó giai đoạn tỷ lệ  = const, sau B tăng chậm dần theo H, ta có giai đoạn bắt đầu bão hoà từ (đoạn AB),  giảm dần - Khi H đủ lớn, B tăng chậm, ta có giai đoạn bão hồ thực sự, đường cong B = f(H) gần nằm ngang - Khi sắt từ đến giai đoạn bão hoà (điểm B), ta bắt đầu giảm H, B giảm theo Ban đầu B giảm chậm, sau giảm nhanh (đoạn BC) Ta thấy giá trị H mà B có giá trị khác (khi giảm lớn tăng) Hiện tượng gọi tượng từ trễ Khi H giảm 0, B giá trị gọi từ dư Bdư (đoạn 0C) - Để khử từ dư, ta đổi chiều H tăng dần trị số phía âm B = 0, ta có giá trị tương ứng H gọi từ trường khử từ Hc (đoạn 0D) - Tiếp tục tăng H từ Hc đến giai đoạn bão hồ từ thực phía âm, ta đoạn DE Điểm E ứng với điểm bão hồ từ phía âm có cường độ từ trường bão hoà -BB - Ta giảm HB 0, B giảm từ giá trị -BB giá trị Bdư (nhánh EF) - Đổi chiều H, tiếp tục tăng qua trị số khử từ Hc trị số bão hoà HB (đoạn FGB), ta đường cong khép kín BCDEFGB gọi chu trình từ hố hay chu trình từ trễ Diện tích chu trình từ trễ gọi mắt từ trễ B BB C -HB D -HC A G +HC +HB F E Hình 4.2: Chu trình từ hóa vật liệu sắt từ Trên chu trình từ trễ có điểm đáng ý: Điểm có H = 0, B = Bo Điểm có B = 0, H = HC Khi từ hoá với từ trường xoay chiều vật kiệu sắt từ có tổn hao từ hóa gồm hai phần: Tổn hao từ trễ tổn hao dịng điện xốy 36 3.2 Mạch từ tính tốn mạch từ Mạch từ gồm lõi sắt từ có hay khơng có khe khơng khí từ thơng đóng kín qua chúng Việc sử dụng vật liệu sắt từ nhằm mục đích thu từ trở cực tiểu, từ trở sức từ động cần thiết để đảm bảo cảm ứng từ hay từ thơng mong muốn có giá trị nhỏ Tính tốn mạch từ tức xác định sức từ động theo giá trị từ thơng cho, kích thước mạch chất vật liệu sử dụng 3.2.1 Các cơng thức Khi tính tốn mạch từ, áp dụng định luật mạch điện chúng tồn tương tự qua lại a Định luật Kirchauffe 1: Áp dụng cho mạch từ phát biểu sau: Đối với nút mạch từ, tổng từ thông vào khỏi nút không b Định luật Kirchauffe2: Đối với mạch vòng khép kín mạch từ, tổng từ áp rơi mạch vịng sức từ động khơng c Định luật Ohm phát biểu sau: Đối với nhánh mạch từ, tích số từ thông chảy qua tổng trở từ từ áp rơi hai đầu nhánh 3.2.2 Sơ đồ thay mạch từ Rn, R1, Rg từ trở nắp, lõi gông mạch từ δ: Khe hở khơng khí Ф : từ thơng tổng qua gông mạch từ Rδ từ trở khe hở khơng khí Rσ từ trở rị từ lõi sang lõi Ф lv: từ thông làm việc Ф σ: từ thơng rị từ lõi sang lõi 37 3.2.3 Mạch từ xoay chiều Mạch từ xoay chiều có đặc điểm khác mạch từ chiều: - Dòng điện cuộn dây xoay chiều phụ thuộc vào tổng trở - Đối với mạch từ xoay chiều, khe hở khơng khí tăng lên dẫn đến tăng theo từ trở mạch từ ngược lại - Đối với mạch từ xoay chiều cuộn dây điện áp, số vịng dây có quan hệ chặt chẽ tới giá trị từ thông mạch từ điện áp U 3.2.4 Những hư hỏng thường gặp Các loại vật liệu dẫn từ sử dụng để chế tạo mạch từ thiết bị điện, máy điện khí cụ điện, nên sử dụng lâu ngày bị hư hỏng ta thường gặp dạng hư hỏng sau: + Hư hỏng bị ăn mòn kim loại: Đa phần chúng chất sắt từ hợp chất sắt từ nên chúng bị tác động môi trường xung quanh tác dụng diễn hai hình thức ăn mịn: ăn mịn điện hóa, ăn mịn hóa học kim loại khác bề mặt chúng có lớp sơn cách điện + Hư hỏng điện: Trong trình làm việc xảy tượng điện áp, bị ngắn mạch nên cuộn dây đặt mạch từ bị cháy dẫn tới làm hỏng mạch từ + Hư hỏng bị già hóa kim loại: Dưới tác dụng thời gian mơi trường làm cho tính chất vật liệu từ bị thay đổi + Hư hỏng tác động từ bên ngoài: Dưới tác dụng ngọa lực làm cho vật liệu từ bị biến dạng bị hỏng +Dưới tác dụng nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng lên ( khoảng 125°C) vật liệu có từ tính từ tính 3.3 Một số vật liệu dẫn từ thông dụng Tất vật liệu dẫn từ tuỳ theo tính chất chia làm nhóm: - Vật liệu sắt từ mềm: Có trị số lực kháng từ thấp, độ thẩm từ cao, suất tổn thất thấp Các vật liệu nhóm dùng mạch xoay chiều chiều thiết bị điện: thép kỹ thuật điện, thép kỹ thuật điện, thép cácbon thấp, Fecmalôi - Vật liệu sắt từ cứng: Thường dùng hợp kim để chế tạo nam châm vĩnh cửu, chúng có cảm ứng từ dư cao - Vật liệu sắt từ đặc biệt: Các vật liệu kích thích từ cao, độ bão hoà lớn, điện trở suất cao, thường gọi chất điện từ ứng dụng kỹ thuật Radio, thơng tin, Rađa, máy tính 38 3.3.1 Vật liệu sắt từ mềm a Thép kỹ thuật điện Trong công nghiệp đặc biệt kỹ thuật điện thép kỹ thuật điện ứng dụng rộng rãi, chúng có đặc tính từ đặc tính điện khác Khi thay đổi hàm lượng Silic công nghiệp chế tạo loại thép có hàm lượng Silic cao dùng yêu cầu có tổn thất từ trễ dịng xốy nhỏ, đồ thẩm thấu từ lớn, từ trường yếu trung tính Thép có hàm lượng Silic thấp độ thẩm thấu từ nhỏ, độ bão hồ từ lớn, thường dùng loại thép cho thiết bị chiều xoay chiều tần số thấp, cảm ứng từ cao Thép cán nguội có hàm lượng Silic thường cao dùng nhiều tổn thất từ nhỏ so với thép cán nóng độ thẩm thấu từ theo chiều cảm ứng nhỏ Thép khối có độ thẩm thấu từ nhỏ Thép kỹ thuật điện đặc biệt loại cán nguội dễ biến chất bị biến dạng dễ bị thay đổi từ tính bị rèn, dập, cắt, kéo b Fecmalôi Là hợp kim Sắt Niken, tuỳ theo hàm lượng Ni mà chia Fecmalôi làm hai loại sau: - Fecmalôi nhiều Ni; Ni = (72  80)% Công dụng: Làm lõi cuộn cảm có kích thước nhỏ, làm MBA âm tần nhỏ MBA xung khuếch đại từ - Fecmalơi Ni; Ni = (40  50)% Có cảm ứng từ bão hồ lớn gấp đơi so với loại nhiều Ni Do dùng làm lõi MBA lực, làm lõi cuộn cảm dụng cụ cần có mật độ từ thơng cao Đưa vào thành phần Fecmalôi tạp chất như: Đồng, Mangan, Molipđen tác dụng Mangan nâng cao điện trở suất Fecmalôi Tác dụng Molipđen làm cho Fecmalôi chịu biến dạng Tác dụng Đồng làm cho độ thẩm từ phạm vi từ trường bé 3.3.2 Vật liệu sắt từ cứng Loại có lực khử từ HC lớn, đường cong từ trễ lớn Công dụng: Dùng làm nam châm vĩnh cửu Đặc trưng cho lượng bên ngồi lớn Vật liệu dùng làm nam châm vĩnh cửu đơn giản thép chứa Silic, Vonfram, Crơm, Molipđen ngồi cịn có hợp kim (gồm Al, Ni, Fe) 39 3.3.3 Các vật liệu sắt từ có cơng dụng đặc biệt * Từ môi Là vật liệu ép bột chất liên kết hữu hay vô với vật liệu sắt từ Thành phần gồm Cacbonic, Fecmalơi Alusife u cầu phải có từ tính tốt, chất liên kết phải có khả để tạo nên cách điện chắn hạt gắn liền hạt với có độ dày Từ mơi cần có tổn hao điện mơi bé, có độ thẩm từ  ổn định với thời gian nhiệt độ thay đổi Vật liệu dùng làm lõi cuộn cảm lọc máy phát điện * Ferit Là loại vật liệu có điện dẫn, điện tử bé, điện trở suất lớn vật liệu sắt từ (từ 1011  1016) lần, lượng tổn hao tần số cao bé Công dụng: Được dùng nhiều kỹ thuật vơ tuyến điện tử Ferit hệ thống có Oxit sắt Oxit kim loại, Ferit chia làm loại: - Ferit mềm - Ferit cao tần - Ferit có đường từ trễ hẹp - Ferit từ cứng Tesla + Ferit mềm: Là hợp kim Niken Kẽm có cảm ứng từ B đạt 0,3 Lực khử từ đạt HC = 0,2 ơtstet Dùng làm cuộn dây lọc, dùng làm từ, dùng làm loi MBa xung, lõi MBA qt mành vơ tuyến truyền hình + Ferit cao tần: Là loại Ferit có chứa nhiều oxit Mangan, dùng phạm vi tần số cao, dùng tần số cao xuất nhiều tính chất đặc biệt điều khiển cách cho trường tác dụng thay đổi nối Công dụng: Dùng để chế tạo phần tử điều khiển dẫn sóng, chế tạo đổi + Ferit có đường từ trễ hẹp: Có đường cảm ứng từ dự B0 lớn gần trị số cảm ứng từ B Lực khử từ Hc bé Từ hố dùng trạng thái từ hoá với cảm ứng từ +B0V - B0 Công dụng: Dùng làm phần tử đổi nối với hai trạng thái ổn định phần tử nhớ máy tính điện tử + Ferit cứng: Là vật liệu từ cứng 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trọng Thắng, Cơng nghệ chế tạo tính tốn sửa chữa máy điện 1,2,3 NXB Giáo Dục 2000 [2] Trần Khánh Hà, Máy điện 1,2 NXB Khoa học kỹ thuật 2004 [3] Nguyễn Xuân Phú ( chủ biên), Quấn dây, sử dụng sủa chữa động xoay chiều chiều thông dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật 2000 [4] Đặng văn Đào, Kỹ Thuật Điện, NXB Giáo Dục 2004 [5] Trần Thế San, Nguyễn Đức Phấn, Thực hành kỹ thuật điện lạnh, NXB Đà Nẵng 2001 [6] Nguyễn Xuân Phú, Khí cụ điện- Kết cấu, sue dụng sửa chữa, NXB Khoa học Kỹ thuật 2002 41 ... thường vật liệu điện chia làm ba nhóm vật liệu điện bản: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ Mục tiêu: - Nêu bật khái niệm cấu tạo vật liệu dẫn điện - Phân loại xác chức vật liệu. .. niệm vật liệu điện, cách phân loại vật liệu điện theo trạng thái, theo tính dẫn điện - Chương 1: Vật liệu cách điện Giới thiệu sâu vào đặc tính vật liệu cách điện Một số vật liệu cách điện sử... loại 10 CHƯƠNG I:VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Mã bài: MH 16-02 Giới thiệu: Mục đích cách điện trì khả cách điện vật liệu cách điện dặt điện trường Vật liệu làm nhiệm vụ gọi vật liệu cách điện, chúng dạng