2. Phân loại vật liệu điện
2.4.7 Hợp kim có điện trở cao và chịu nhiệt
Yêu cầu đối với hợp kim này phải có điện trở suất lớn và hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ, chịu nhiệt độ cao, dễ chế tạo dạng sợi mảnh và rẻ tiền.
a. Phân loại:
- Vật liệu dùng làm điện trở mẫu: Các điện trở chính xác, ứng dụng trong kỹ thuật đo lường hay các linh kiện điện tử quang trọng. Đặc tính là 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 của động cơ sử dụng làm khởi động các động cơ yêu cầu có sức bền khi dùng, chịu được các lực điện động lớn, chịu được sự ăn mòn.
- Vật liệu dùng làm các bộ phận gia nhiệt: Nhiệt độ nóng chảy cao và dẫn nhiệt tốt, chịu được sự va đập, chịu được lực điện động, không bị co dòn khi nhiệt độ tăng, không bị oxi hoá ứng với nhiệt độ khác nhau.
b. Một số hợp kim thông dụng:
* Hợp kim Mangan
- Có màu cà phê đỏ nhạt, bền nhưng dễ kéo thành sơi dải băng và các tấm mỏng.
- So với đồng thì nó có sức nhiệt điện động rất nhỏ chính vì vậy người ta sử dụng để chế tạo các điện trở chính xác, cầu đo điện trở, đo tần số. Đảm bảo kết quả đo lường chính xác khi 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 về giá trị điện trở ở thời gian làm việc lâu dài với nhiệm vụ cho phép.
* Hợp kim Constantan:
- Hợp kim này có thể gia công dễ dàng cả khi nguội hoặc nóng, có thể kéo thành sợi rất mảnh 0,02mm hoặc dát mỏng.
- Dễ dàng hàn gắn và dính chặt, hệ số biến đổi theo điện trở suất theo nhiệt độ là rất nhỏ, gần như không đổi.
- Khi nung nóng đến 9000C trong vòng 3 giây rồi làm nguội ở nhiệt độ thường sẽ tạo một lớp oxit ở mặt ngoài ngăn cách làm nhiệm vụ bả vệ và nó trở thành vật liệu mềm dễ uốn.
- Nếu dùng là điện trở thì không để quá 4500C. Vì nếu quá nhiệt độ này nó dễ bị ôxi hoá.
- Có sức nhiệt điện động rất lớn so với đồng cho nên có thể làm các điện trở mẫu.
33
- Có sức bền tốt ở nhiệt độ cao, khó bị oxi hoá, hệ số biến đổi theo nhiệt độ nhỏ.
- Được tạo thành bằng cách hoà tan rắn giữa Ni - Cr. Dùng làm điện trở nung nóng, sưởi nóng hoặc phát sáng.
- Hợp kim này có thể cho thêm Mn để dễ dát mỏng, dễ uốn và dễ gia công các chi tiết.
- Nếu cho thêm Molipđen với hàm lượng thích hợp thì sẽ tăng tính ổn định nhiệt độ, tăng sức bền.
- Bền với sự oxi hoá vì tốc độ oxi hoá với Ni và Cr đều chậm. 2.4.8. Lưỡng kim
- Để chế tạo các cặp nhiệt điện (nhiệt ngẫu), người ta sử dụng các kim loại như đồng, sắt, platin, môlipđen, wonfram, bạc, vàng, hợp kim của platin, hợp kim đồng - niken. Nhiệt ngẫu được sử dụng trong các kết cấu hoả kế (nhiệt kế) dùng để đo ở các nhiệt độ khác nhau. Nó còn được sử dụng ở những dụng cụ đo điện với dòng điện xoay chiều không sin có tần số lớn đến 107Hz (tần số sóng vô tuyến hoặc hữu tuyến ...)
- Các vật liệu lưỡng kim như: Đồng - Ni ken, Nhôm - Sắt, sắt - niken, hợp kim inva ... chế tạo thanh lưỡng kim trong các rơle nhiệt, dây lưỡng kim trong truyền tải điện năng ...
34
CHƯƠNG III:VẬT LIỆU DẪN TỪ Mã bài: MH 16- 04
Giới thiệu:
Vật liệu dẫn từ là loại vật liệu có khả năng đặc biệt vì chúng có từ tính và được đặc trưng bởi cảm ứng từ. Chúng có từ từ tính tự nhiên như các loại quặng manhetit hay xuất hiện từ tính khi được đăt trong từ trường ( sắt và hợp kim của sắt, niken, coban...) Lĩnh vực ứng dụng của vật liệu dẫn từ rất rộng rãi.
Mục tiêu:
- Nhận dạng, phân loại chính xác các loại vật liệu dẫn từ dùng trong công
nghiệp và dân dụng;
- Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu dẫn từ thường dùng;
- Sử dụng phù hợp các loại vật liệu dẫn từ theo từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể;
- Xác định được các nguyên nhân gây ra hư hỏng và có phương án thay thế khả thi các loại vật liệu dẫn từ thường dùng.
- Rèn luyện được tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong công việc. 3.1. Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn từ
3.1.1. Khái niệm.
- Vật liệu có từ tính là do các điện tích luôn luôn chuyển động ngầm theo các quỹ đạo kín tạo nên các dòng điện vòng; Cụ thể hơn, nó là sự quay của các điện tử xung quanh trục của mình - spin điện tử và sự quay theo quỹ đạo của các điện tử trong nguyên tử.
- Hiện tượng sắt từ chỉ xảy ra đối với một số vật liệu (như: Sắt, niken, côban và hợp kim của chúng) tồn tại những vùng vĩ mô có các điện tử quay (spin điện tử) định hướng song song với nhau. Các vùng ấy gọi là Đô men từ. 3.1.2. Tính chất vật liệu dẫn từ
- Chất sắt từ có độ nhiễm từ tự phát ngay khi không có từ trường ngoài. - Những chất sắt từ mà mô men từ của các Đô men từ có hướng khác nhau thì từ thông ở không gian bên ngoài vật liệu bằng không.
- Các chất sắt từ đơn tinh thể có khả năng từ hoá theo các trục khác nhau, mức độ từ hoá khó hay dễ cũng khác nhau.
- Các chất sắt từ đa tinh thể có khả năng từ hoá dị hướng thể hiện rất rõ được gọi là chất có cấu tạo thớ từ tính.
35
- Chất sắt từ sẽ bị từ hoá khi đặt trong từ trường. Quá trình từ hoá diễn ra bằng 2 cách:
+ Tăng thể tích các đô men có mô men từ tạo với hướng từ trường góc nhỏ nhất và giảm thể tích các đô men khác.
+ Quay các véc tơ mô men từ hoá theo hướng từ trường ngoài. 3.1.3.Các đặc tính của vật liệu dẫn từ
Các nguyên tố có tính chất sắt từ là: sắt cacbon,niken và các hợp kim của chúng, bên cạnh đó coban cũng được gọi là chất sắt từ. Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu là các điện tích luôn chuyển động nằm theo quỹ đạo kín, tạo nên những dòng điện vòng đó là sự quay của các điện tử xung quanh trục của mình và sự quay theo quỹ đạo của các điện tử trong nguyên tử.
Hiện tượng sắt từ là do trong một số vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nhất định đã phân thành những vùng mà trong từng vùng ấy các điện tử đều định hướng song song với nhau.
Như vậy tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ của các chất là nó có độ nhiễm từ tự phát ngay khi không có từ trường ngoài.
3.1.4. Đường cong từ hoá:
Là đường đặc tính biểu diễn mối quan hệ B = f(H)
Quá trình từ hoá được đặc trưng bởi đường cong từ hoá hình 4.1.
Hình 4.1: Đường cong từ hóa
Luyện từ cho sắt từ bằng cách tăng dần dòng điện gây từ (do đó tăng cường độ từ trường khác). B(Gauss 1200 8000 4000 0 0 0 0 1 1 H(Ơcstet 0 Tesla 1,2 0,8 0,4
36
- Lúc đầu, cường độ từ cảm B tăng tỷ lệ với cường độ từ trường H và quan hệ B = f(H) là đường thẳng (đoạn OA). Đó là giai đoạn tỷ lệ = const, sau đó B tăng chậm dần theo H, ta có giai đoạn bắt đầu bão hoà từ (đoạn AB),
giảm dần.
- Khi H đã đủ lớn, B tăng rất chậm, ta có giai đoạn bão hoà thực sự, đường cong B = f(H) gần như nằm ngang.
- Khi sắt từ đã đến giai đoạn bão hoà (điểm B), ta bắt đầu giảm H, B giảm theo. Ban đầu B giảm chậm, sau đó giảm nhanh hơn (đoạn BC). Ta thấy cùng một giá trị của H mà B có 2 giá trị khác nhau (khi giảm lớn hơn khi tăng). Hiện tượng đó gọi là hiện tượng từ trễ. Khi H giảm về 0, B vẫn còn một giá trị nào đó gọi là từ dư Bdư (đoạn 0C).
- Để khử từ dư, ta đổi chiều H và tăng dần trị số về phía âm cho đến khi B = 0, ta có giá trị tương ứng của H gọi là từ trường khử từ Hc (đoạn 0D).
- Tiếp tục tăng H từ Hc đến giai đoạn bão hoà từ thực sự về phía âm, ta được đoạn DE. Điểm E ứng với điểm bão hoà từ về phía âm có cường độ từ trường bão hoà -BB.
- Ta giảm HB về 0, B giảm từ giá trị -BB về giá trị Bdư (nhánh EF). - Đổi chiều H, tiếp tục tăng qua trị số khử từ Hc và trị số bão hoà HB (đoạn FGB), ta được một đường cong khép kín BCDEFGB gọi là chu trình từ hoá hay chu trình từ trễ. Diện tích của chu trình từ trễ gọi là mắt từ trễ
Hình 4.2: Chu trình từ hóa vật liệu sắt từ
Trên chu trình từ trễ có những điểm đáng chú ý: Điểm 1 có H = 0, B = Bo Điểm 2 có B = 0, H = HC
Khi từ hoá với từ trường xoay chiều vật kiệu sắt từ có tổn hao do từ hóa gồm hai phần: Tổn hao do từ trễ và tổn hao do dòng điện xoáy.
0 A B C BB +HB +HC -HC D E F G -HB
37 3.2 Mạch từ và tính toán mạch từ
Mạch từ là gồm lõi sắt từ có hay không có các khe không khí và từ thông sẽ đóng kín qua chúng. Việc sử dụng vật liệu sắt từ nhằm mục đích thu được từ trở cực tiểu, đối với từ trở này sức từ động cần thiết để đảm bảo cảm ứng từ hay từ thông mong muốn có giá trị của nó nhỏ nhất. Tính toán một mạch từ tức là xác định sức từ động theo các giá trị của từ thông đã cho, các kích thước của mạch và bản chất của các vật liệu được sử dụng.
3.2.1. Các công thức cơ bản
Khi tính toán mạch từ, có thể áp dụng các định luật cơ bản của mạch điện vì giữa chúng tồn tại sự tương tự qua lại.
a. Định luật Kirchauffe 1: Áp dụng cho mạch từ được phát biểu như sau: Đối với một nút bất kì trong mạch từ, tổng các từ thông đi vào và đi ra khỏi nút bằng không.
b. Định luật Kirchauffe2: Đối với một mạch vòng khép kín trong mạch từ, tổng các từ áp rơi trên mạch vòng đó và các sức từ động bằng không.
c. Định luật Ohm phát biểu như sau: Đối với một nhánh bất kỳ trong mạch từ, tích số giữa từ thông chảy qua và tổng trở từ bằng từ áp rơi giữa hai đầu của nhánh đó.
3.2.2. Sơ đồ thay thế của mạch từ
Rn, R1, Rg là từ trở của nắp, lõi và gông mạch từ
Rδ là từ trở của khe hở không khí
Rσ là từ trở rò từ lõi này sang lõi kia
δ: Khe hở không khí
Ф 0 : từ thông tổng qua gông của mạch từ
Ф lv: từ thông làm việc Ф σ: từ thông rò từ lõi này sang lõi kia
38 3.2.3. Mạch từ xoay chiều
Mạch từ xoay chiều có các đặc điểm khác mạch từ một chiều:
- Dòng điện trong cuộn dây xoay chiều phụ thuộc vào tổng trở của nó. - Đối với mạch từ xoay chiều, khi khe hở không khí tăng lên dẫn đến sự tăng theo của từ trở mạch từ và ngược lại.
- Đối với mạch từ xoay chiều cuộn dây điện áp, số vòng dây có quan hệ chặt chẽ tới giá trị từ thông trong mạch từ và điện áp U.
3.2.4. Những hư hỏng thường gặp
Các loại vật liệu dẫn từ được sử dụng để chế tạo các mạch từ của các thiết bị điện, máy điện và khí cụ điện, nên 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: Đa phần chúng là các chất sắt từ và các hợp chất sắt từ nên chúng cũng bị tác động của môi trường xung quanh và tác dụng đó diễn ra dưới hai hình thức ăn mòn: ăn mòn điện hóa, ăn mòn hóa học như những kim loại khác mặc dù trên bề mặt chúng có lớp sơn cách điện
+ Hư hỏng do điện: Trong quá trình làm việc do xảy ra các hiện tượng như quá điện áp, do bị ngắn mạch nên các cuộn dây đặt trên mạch từ bị cháy dẫn tới làm hỏng các mạch từ.
+ Hư hỏng do bị già hóa của kim loại: Dưới tác dụng của thời gian và môi trường làm cho các tính chất của vật liệu từ bị thay đổi.
+ Hư hỏng do các tác động từ bên ngoài: Dưới tác dụng của ngọa lực làm cho các vật liệu từ bị biến dạng hoặc bị hỏng.
+Dưới tác dụng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng lên ( khoảng 125°C) các vật liệu có từ tính sẽ mất từ tính.
3.3. Một số vật liệu dẫn từ thông dụng
Tất cả các vật liệu dẫn từ tuỳ theo tính chất có thể chia làm 3 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 này được dùng trong các mạch xoay chiều và một chiều của các thiết bị điện: thép lá kỹ thuật điện, thép kỹ thuật điện, thép cácbon thấp, Fecmalôi.
- Vật liệu sắt từ cứng: Thường dùng là hợp kim để chế tạo nam châm vĩnh cửu, chúng có cảm ứng từ dư rất cao.
- Vật liệu sắt từ đặc biệt: Các vật liệu kích thích từ cao, độ bão hoà lớn, điện trở suất cao, thường gọi là các chất điện ngôi từ. ứng dụng trong kỹ thuật Radio, thông tin, Rađa, máy tính.
39 3.3.1. Vật liệu sắt từ mềm.
a. Thép lá kỹ thuật điện.
Trong công nghiệp đặc biệt là trong kỹ thuật điện thép lá kỹ thuật điện được ứng dụng rất rộng rãi, chúng có đặc tính từ và đặc tính điện khác nhau. Khi thay đổi hàm lượng Silic trong công nghiệp chế tạo loại thép có hàm lượng Silic cao được dùng khi yêu cầu có tổn thất từ trễ và dòng xoáy nhỏ, đồ thẩm thấu từ lớn, từ trường yếu và trung tính.
Thép có hàm lượng Silic thấp thì độ thẩm thấu từ nhỏ, độ bão hoà từ lớn, thường dùng loại thép này cho thiết bị một chiều hoặc xoay chiều tần số thấp, cảm ứng từ cao.
Thép cán nguội có hàm lượng Silic thường là cao được dùng nhiều vì tổn thất từ nhỏ hơn so với thép cán nóng và độ thẩm thấu từ theo chiều cảm ứng nhỏ. Thép khối có độ thẩm thấu từ nhỏ.
Thép lá kỹ thuật điện đặc biệt là loại được cán nguội dễ biến chất khi bị biến dạng và dễ bị thay đổi từ tính khi bị rèn, dập, cắt, kéo...
b. Fecmalôi
Là hợp kim của Sắt và Niken, tuỳ theo hàm lượng của Ni mà chia Fecmalôi ra 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 và các MBA xung và trong khuếch đại từ.
- Fecmalôi ít Ni; Ni = (40 50)%
Có cảm ứng từ bão hoà lớn gấp đôi so với loại nhiều Ni. Do đó nó được dùng làm lõi MBA lực, làm lõi cuộn cảm và các dụng cụ cần có mật độ từ thông cao. Đưa vào thành phần của Fecmalôi các tạp chất như: Đồng, Mangan, Molipđen
thì tác dụng của Mangan nâng cao điện trở suất của Fecmalôi. Tác dụng của Molipđen làm cho Fecmalôi chịu được biến dạng. Tác dụng của Đồng làm cho độ thẩm từ trong phạm vi từ trường bé.
3.3.2. Vật liệu sắt từ cứng
Loại này có lực khử từ HC lớn, đường cong từ trễ lớn.
Công dụng: Dùng làm các nam châm vĩnh cửu. Đặc trưng của nó là cho