CHƯƠNG II :VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
2.4. Một số vật liệu dẫn điện thông dụng
2.4.2. Nhôm và hợp kim nhôm
a. Nhôm (Al).
* Đặc tính (theo bảng 3-2):
- Nhôm là kim loại màu trắng bạc, dẫn điện dẫn nhiệt tốt.
- Dễ dát mỏng, gia công dễ dàng khi nóng và nguội, dễ kéo sợi. - Sức bền cơ học kém.
- ôxy hoá bề mặt làm tăng tính chống ăn mòn bởi không khí nhưng gây khó khăn cho viện hàn gắn.
Bảng 3-2: Các đặc tính của nhôm
Đặc tính Nhôm
Trọng lượng riêng (KG/dm3) 2,7 Điện trở suất (.mm2/m) 0,02941 Nhiệt dẫn suất (kcal/m.s.0C)
Nhiệt độ nóng chảy (0C) 657 Độ dãn dài khi kéo đứt (%)
Sức bền đứt khi kéo (KG/mm2) 9-17 Độ cứng Brinell (KG/mm2)
* Ứng dụng:
29
- Dùng làm cáp điện, dây quấn máy biến áp, ống nối, các thanh góp và các chi tiết cho các thiết bị điện.
- Chế tạo các điện cực cho tụ điện phân. Làm thanh dẫn của rôto máy điện không đồng bộ. Dùng để chế tạo hợp kim.
b. Hợp kim nhôm.
* Đặc tính:
- Là hợp kim của nhôm và một số kim loại khác.
- Điện dẫn suất thấp hơn nhưng cơ tính và hoá tính tốt hơn.
* Ứng dụng:
- Chế tạo dây dẫn có khả năng dẫn điện tốt, sức bền cao hơn gấp hai lần so với nhôm nguyên chất.
- Chế tạo các chi tiết trong máy điện, thiết bị điện, dụng cụ đo điện, ... yêu cầu nhẹ, tản nhiệt tốt, dễ gia công áp lực và dễ đúc.
- Chế tạo điện trở nhiệt trong thiết bị điện gia dụng. 2.4.3. Chì và hợp kim chì
a. Chì ( Pb)
Là kim loại có màu tro sáng hơi ngả xanh da trời, là kim loại công nghiệp rất mềm, có thể uốn cong dễ dàng.
Là kim loại dễ dát mỏng, có thể được dát và kéo thành những lá mỏng. Chì dễ chảy lỏng (327,3°C)
Sự bay hơi của chì rất độc. b. Hợp kim chì:
Là hợp kim của chì với các nguyên tố: Sb, Te, Cu, Sn với một hàm lượng nhỏ thì có cấu trúc mịn hơn và chịu được sự rung động song ít bền với sự ăn mòn.
*Ứng dụng:
- Chì và hợp kim chì được dùng để làm lớp vỏ bảo vệ cáp điện nhằm chống lại ẩm ướt.
- Chì còn được dùng chế tạo ắc quy điện có các tấm bản chì
- Một ứng ứng dụng quan trọng của chì là tham gia vào các hợp kim - Nó được sử dụng như một vật liệu bảo vệ đối với tia X. Những tấm chì bảo vệ thường theo tiêu chuẩn chiều dày( 4÷9)mm có tác dụng bảo vệ như tấm thép dày 11,5mm hay lớp gạch có chiều dày 110mm
2.4.4. Sắt (Fe).
* Đặc tính:
30 - Độ bền cơ cao;
- Điện trở suất cao, khi dùng dẫn dòng xoay chiều thì xảy ra hiện tợng hiệu ứng bề mặt và tổn thất từ trễ;
- Khả Năng chống ăn mòn kém, bị ăn mòn mạnh khi độ ẩm và nhiệt độ cao.
* Ứng dụng:
- Làm dây dẫn đường dây tải điện trên không công suất nhỏ - Chế tạo thanh dẫn, đường ray tàu điện;
- Chế tạo lõi thép của dây nhôm thép, dây lưỡng kim. - Dùng làm vật liệu từ.
2.4.5. Wonfram
Là vật liệu chủ yếu làm dây tóc của bóng đèn - Điện trở suất: (0,0530÷0,0612)Ωmm2 /m
- Nhiệt độ nóng chảy: 3380°C ( cao nhất trong các kim loại)
- Là kim loại rắn, rất nặng, có màu xám. Vonfram được dùng làm tiếp điểm, làm các điện trở phát nóng cho các lò điện.
* Ưu điểm:
- Độ mài mòn nhỏ do vật liệu có độ cứng cao.
- Có khả năng chống tác dụng của hồ quang, không làm dính tiếp điểm do khó nóng chảy.
- Độ ăn mòn bề mặt nhỏ
* Nhược điểm:
- Khó gia công
- Cần có áp lực lớn để giảm điện trở tiếp xúc. - Ở điều kiện khí quyển tạo thành màng oxit. 2.4.6. Kim loại dùng làm tiếp điểm và cổ góp. a. Tính chất chung:
Mặc dù các tiếp điểm có nhiều tính chất khác nhau nhưng vẫn phải có một số tính chất chung:
- Đảm bảo độ bền, dẫn điện tốt - Dẫn nhiệt tốt, ít bị oxi hoá
- Ít bị ăn mòn khi gặp các điều kiện bên ngoài - Có nhiệt độ nóng chảy, hoá hơi cao
31 - Có điện trở suất lớn.
b. Điều kiện riêng:
* Tiếp điểm cố định: Mối nối, bulông, ốc vít ghép. - Vật liệu thường dùng: Đồng, nhôm, thép và kẽm.
Đồng và hợp kim đồng thường dùng ở điện áp nhỏ và điều kiện làm việc bình thường. Các tiếp điểm thường được mạ niken, tẩm thiếc hay bọc bạc để chống ăn mòn.
Nhôm có điện trở suất lớn và sức bền cơ thấp nên không dùng ở nơi có dòng ngắt mạch lớn.
- Yêu cầu: Đảm bảo độ bền ứng với các lực ép khác nhau. 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, Rôđi, Wonfram, Môlipđen, Đồng. Platin, Palađi và Rôđi có độ cứng và nhiệt độ nóng chảy cao, điện dẫn suất và nhiệt dẫn suất cao, bền trong hồ quan nên dùng để chế tạo các tiếp điểm quan trọng, có độ chính xác lớn, ở dòng điện nhỏ.
Wonfram bền đối với hồ quang điện, có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng rất cao nên có sức bền đối với sự mài mòn cơ khí. Tiếp điểm Wonfram không bị hàn dính chặt trong quá trình làm việc và có tuổi thọ cao nên thường được dùng ở những nơi có áp lực cần thiết lớn.
Môlipđen thường được dùng làm tiếp điểm trong chân không hoặc trong khí trơ để bảo vệ.
- Yêu cầu: Bền cơ học, không bị oxi hoá, bền với hồ quang, không bị hàn chặt.
* Tiếp điểm trượt: ở cổ góp điện, các vành trượt trên máy điện.
- Vật liệu thường dùng: Đồng và hợp kim đồng, nhôm, các bon điện graphit.
Đồng và hợp kim đồng thường làm vành, cổ góp máy điện, tiếp điểm của máy cắt, dao cách ly.
Nhôm được chế tạo các chi tiết tiếp xúc ở cần lấy điện của các phương tiện vận tải bằng điện.
Graphít đồng dùng chế tạo cổ góp máy phát và động cơ điện một chiều. - Yêu cầu: Chống được sự ăn mòn của hồ quang. Chịu được sự mài mòn của ma sát.
Ngoài ra, để chế tạo tiếp điểm có công 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,
32
một loại có sức bền cơ khí lớn. Những vật liệu tổng hợp hay dùng là Bạc - Wonfram, Bạc - Môlipđen.
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 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