TIỂU LUẬN KIM LOẠI dẫn điện NHÔM tìm hiểu thêm khái niệm về các loại vật liệu dẫn điện như kim loại nói chung và nhôm

Vì tầmquan trọng của nó có thể sẽ mở ra một kỷ nguyên mớicho con người, ngoài ra nhôm còn là vật liệu dẫn điệnrất tốt được sử dụng rộng rãi vì thế nhóm em chọn đềtài là vật liệu dẫn điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA CHẤT LƯỢNG CAO



MÔN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

TIỂU LUẬN KIM LOẠI DẪN ĐIỆN NHÔM

GVHD: Phạm Xuân Hồ

SVTH:

Đỗ Thanh Hoàng Vỹ 19161199

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2022

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

ĐIỂM: ………

KÝ TÊN

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 4

1.2 MỤC TIÊU 4

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

1.4 BỐ CỤC 5

1.5 GIỚI HẠN 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Vật liệu dẫn điện 6

2.1.1 Khái niệm 6

2.1.2 Phân loại 8

2.1.3 Sự dẫn điện trong vật dẫn 9

2.1.4 Điện trở và điện dẫn 10

2.1.4 Điện trở suất và điện dẫn suất 12

2.2 Vật liệu dẫn điện nhôm 14

2.2.1 Khái niệm 14

2.2.2 Đặc điểm của nhôm 16

2.2.3 Tính chất vật lý của nhôm: 17

2.3 Ứng dụng của nhôm 24

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Các thành phần cấu trúc được làm từ nhôm và hợp kimcủa nó là rất quan trọng cho ngành công nghiệp hàngkhông vũ trụ và rất quan trọng trong các lĩnh vực kháccủa giao thông vận tải và vật liệu cấu trúc Các hợp chấthữu ích nhất của nhôm là các oxide và sunfat Vì tầmquan trọng của nó có thể sẽ mở ra một kỷ nguyên mớicho con người, ngoài ra nhôm còn là vật liệu dẫn điệnrất tốt được sử dụng rộng rãi vì thế nhóm em chọn đềtài là vật liệu dẫn điện nhôm này

1.2 MỤC TIÊU

Theo như yêu cầu thì nhóm em sẽ tìm hiểu về các cấutạo cũng như thành phần, các chỉ số đặc tính, tìm hiểuthêm khái niệm về các loại vật liệu dẫn điện như kim loạinói chung và nhôm nói riêng

1.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu và biết được các cấu trúc mạng tinh thể nhôm,cấu tạo thành phần hóa học và nắm rõ tại sao nó lại dẫn

điện tốt từ đó nghĩ ra được các ứng dụng thích hợp vàothực tế.

- Video giới thiếu nhôm

- Tài liệu tham khảo

1.5 GIỚI HẠN

Giới hạn về mức lý thuyết cũng như thực hành cho nêntiểu luận này chủ yếu là về các lý thuyết cơ bản của cấutạo vật liệu dẫn điện nhôm

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Vật liệu dẫn điện

2.1.1 Khái niệm

Khi ở trạng thái bình thường, chất dẫn điện (là các vậtchất) mang điện tích tự do, các điện tích này sẽ chuyểnđộng theo hướng xác định và tạo thành dòng điện khi ởtrong một trường điện Người ta gọi vật liệu đó có tínhdẫn điện

Theo đó chúng ta có thể nắm bắt khái niệm vật liệu dẫndiện là gì ngay sau đây Vật liệu dẫn điện cho phépdòng điện chạy qua nó theo 1 hướng hoặc nhiều hướngkhác nhau Vật liệu dẫn điện có thể là chất rắn, chấtlỏng và chất khí ở điều kiện nhất định Trong tất cả cácloại chất dẫn điện thì kim loại và hợp kim có tính dẫnđiện cao nhất Chúng thường được sử dụng để chế tạo

ra dây điện, dây cáp điện như đồng, thép, nhôm…

Để đảm bảo tính dẫn điện, các kim loại và hợp kim phải

có độ tinh khiết cao Trong những tạp chất cho phépkhông được có oxy, các oxit kim loại Bởi vì chúng làmgiảm khả năng dẫn điện của sản phẩm

Đồng, nhôm, thép là kim loại có thuộc tính dễ gia công

áp lực (nóng cũng như nguội) Để có tính dẫn điện cao,các kim loại này cần có độ tinh khiết bắt buộc, trong cáctạp chất cho phép không được có oxy Các oxit kim loạilàm giảm cơ lý tính của vật liệu

2.1.2 Phân loại

Vật liệu dẫn điện có thể là các vật liệu ở thể rắn, lỏng vàtrong một vài trường hợp đặc biệt có thể là thể khí

- Các vật liệu ở thể rắn: gồm kim loại, hợp kim và một

số biến thể cacbon (than kỹ thuật điện) Vật dẫn điện thểrắn có thể là hợp kim và kim loại nên nó được chia ralàm 2 loại:

+ Loại có điện dẫn cao: thường được dùng để làm dâydẫn, cáp điện, dây quấn máy điện và khí cụ điện,

+ Loại có điện trở cao: thường được sử dụng trong cáckhí cụ điện dùng để sưởi đốt nóng, ở trong các đènchiếu sang và các biến trở,

- Vật liệu ở thể lỏng: gồm kim loại lỏng (nóng chảy) vàcác dung dịch điện phân

- Tất cả các chất khí (kể cả khí kim loại) trong điệntrường yếu không phải là chất dẫn điện Tuy nhiên nếuđiện trường vượt quá một giá trị nào đó thì nó có thể trởthành chất dẫn điện có cả tính dẫn điện tử và tính dẫnion

2.1.3 Sự dẫn điện trong vật dẫn

Dẫn điện là sự dịch chuyển có hướng của các hạt mangđiện (electron và các ion) dưới tác dụng của điện trườngngoài để hình thành nên dòng điện Dòng điện có chiều

cùng chiều các hạt mang điện tích dường và ngượcchiều các hạt ang điện tích âm.

Sự dẫn điện bằng các điện tích tự do hay còn gọi là tínhdẫn điện điện tử xảy ra tỏng các môi trường, vật thể rắnchỉ có sự dẫn điện nhờ các điện tishc tự do mà khônggây ra sự thay đổi bản chất của vật kiệu sau quá trìnhdẫn điện

Sự dẫn điện io xảy ra trong môi trường có sự phân lycác ion như trong các vật ở thể khí, lỏng, dung dịch Khí

và hơi khí ở cường độ điện trường lớn sẽ có tính dẫnđiện tử và tính dẫn ion

Khả năng của một môi trường cho phép sự di chuyểncủa các hạt điện tích qua nó, khi có lực tác động vàocác hạt, ví dụ như lực tĩnh điện của điện trường Sự dichuyển có thể tạo thành dòng điện

2.1.4 Điện trở và điện dẫn

Là quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi đặt ở hai đầudây dẫn và cường độ dòng điện một chiều tạo nên trongdây dẫn đó

Ngoài ra điện trở còn là đại lượng thể hiện sự cản trởdòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật liệu dẫnđiện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trởlớn, vật cách điện thì điện trở vô cùng lớn

Điện trở R của một vật được định nghĩa bằng tỉ số giữa điện áp U và dòng điện I qua nó, còn điện dẫn G thì

ngược lại:

R=U I

Trong đó:

R là điện trở (đơn vị là Ohm)

U là hiệu điện thế (V)

I là dòng điện (A)

G= I U suy ra G= 1 R

Đối với nhiều vật liệu và điều kiện, U và I tỉ lệ thuận vớinhau, và do đó R và G là hằng số G có đơn vị là Ω−1 còn

có thể gọi là siemen ký hiệu s hoặc mho (℧)

2.1.4 Điện trở suất và điện dẫn suất

- Điện trở suât: Mỗi loại vật liệu khác nhau sẽ có một

đại lượng đặc trưng nói lên khả năng cản trở dòng điệntheo kích cỡ (chiều dài, tiết diện), đại lượng này đượcgọi là điện trở suất Những chất có điện trở suất caothường được sử dụng làm các loại vật liệu cách điện,còn chất có điện trở suất thấp thường được ứng dụnglàm vật dẫn điện (tiêu biểu như đồng và nhôm đượcdùng làm lõi của các loại dây dẫn điện) Bản chất củađiện trở suất phản ánh khả năng cản trở sự dịch chuyểntheo hướng của các hạt mang điện của mỗi chất Đơn vị

ký hiệu của điện trở suất là Ohm.met (Ω.m)

Điện trở của dây dẫn được tính theo công thức:

R = ρ A lTrong đó:

Tương tự như vậy điện dẫn suất là nghịch đảo của điệntrở suất hay độ dẫn điện riêng Điện dẫn suất thườngđược ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp σ (sigma), nhưng đôikhi κ (kappa) (đặc biệt trong kỹ thuật điện) và γ (gamma)cũng được sử dụng Đơn vị SI của điện dẫn suất

là siemens trên mét (S/m)

G = σ A lTrong đó:

Nhôm thuộc kim loại, có màu sắc trắng ánh bạc, mềm

và nhẹ Nhôm có độ phản chiếu cao cũng như có tínhdẫn nhiệt và dẫn điện lớn Nhôm là kim loại không độc

và có tính chống mài mòn Nhôm cũng là kim loại cónhiều thành phần nhất

Trong tự nhiên rất khó để tìm được nhôm nguyên chất,thông thường kim loại này được tìm thấy khi được kếthợp cùng oxygen cùng với những nguyên tố khác.Người ta vẫn thường gọi là hợp kim nhôm trong cuộcsống hàng ngày

Các nguyên tử trong kim loại tạo thành một ma trận màthông qua đó, các electron bên ngoài có thể dễ dàng dichuyển tự do được Thay vì quay quanh các nguyên tửtương ứng thì chúng tạo thành một biển eletron baoquanh hạt nhân dương của những ion kim loại tươngtác, sau đó các eletron này di chuyển tự do khắp biểneletron Điều này khiến cho kim loại có khả năng dẫnđiện tốt

2.2.2 Đặc điểm của nhôm

Trong bảng tuần hoàn hóa học, nhôm ở vị trí số 13, chu

kỳ 3 và thuộc nhóm IIIA Đây là một chất thường thấytrong tự nhiên Chính khả năng dẫn điện, dẫn dẫn nhiệttuyệt vời này mà nhôm được dùng làm dây tải điện có

độ tinh khiết lên đến 99,5% Bởi, độ tinh khiết của nhôm

có ảnh hưởng vô cùng lớn đến hiệu suất điện trở cũngnhư tính chống ăn mòn

Trạng thái tự nhiên của nhôm:

Nhôm là kim loại thường thấy phía bên trong vỏ trái đất

trong các hợp chất như đất sét, boxit hay criolit

Bảng tuần hoàn của nhôm (AL)

2.2.3 Tính chất vật lý của nhôm:

+ Đặc điểm của nhôm là có cấu trúc mạng lập phươngtâm diện

+ Ngoài ra, khi nhắc tới tính chất của nhôm, và cụ thể làtính chất vật lý, ta không thể không nhắc tới tính dẫnđiện của nhôm hay dẫn nhiệt tốt của hợp chất này

+ Nhiệt độ nóng chảy: 660oC

+ Màu của nhôm: Màu trắng bạc

+ Tính chất: Cứng, bền và dai

+ Khối lượng riêng của nhôm: 2,7 g/cm3

Tính chất hóa học và hợp chất có trong nhôm:

Những tính chất hóa học của nhôm cơ bản dưới đây sẽgiúp chúng ta hiểu rõ hơn về nhôm phản ứng được vớichất nào và trong nhôm có những hợp chất nào nhé

Tác dụng với các phi kim

Trên thực tế, các vật liệu được làm từ nhôm đều có mộtlớp oxit bảo vệ trên bề mặt Nhôm phản ứng được vớioxi trên bề mặt Vì khi phản ứng, nhôm sẽ tạo ra mộtlớp màng oxit bao phủ bề mặt Qua đó bảo vệ và ngăncản nhôm tác dụng với oxi để tạo ra oxit

Tác dụng với oxit của kim loại kém hoạt động hơn (phản ứng nhiệt nhôm)

Al có thể khử được oxit của các kim loại đứng sau nótrong dãy hoạt động hóa học: 2Al + 3FeO => Al2O3 +3Fe

Tác dụng với dung dịch axit

Với các axit khác nhau, nhôm sẽ có phản ứng khácnhau

Tác dụng với dung dịch bazơ:

Al có thể dễ dàng tham gia những phản ứng với cácdung dịch kiềm: Al + NaOH + H2O => NaAlO2 + 1,5 H2

Tác dụng với dung dịch muối:

Al có thể đẩy được kim loại đứng sau trong dãy hoạtđộng kim loại ra khỏi dung dịch muối của chúng

Phản ứng nhiệt nhôm:

+ Phản ứng nhiệt nhôm là phản ứng hóa học toả nhiệttrong đó nhôm là chất khử ở nhiệt độ cao Ví dụ nổi bậtnhất là phản ứng nhiệt nhôm giữa oxit sắt III và nhôm+ Phản ứng này lần đầu tiên được sử dụng để khử oxitkim loại mà không sử dụng cacbon Phản ứng này toảnhiệt rất cao, nhưng nó có một năng lượng hoạt hóacao do các liên kết giữa các nguyên tử trong chất rắnphải được phá vỡ trước Oxit kim loại được đun nóng

với nhôm trong một lò đun Phản ứng này chỉ có thể sửdụng để sản xuất số lượng nhỏ vật liệu

+ Phản ứng nhiệt nhôm còn được sử dụng để điều chếcác kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như crôm hayVon farm) Do tính chất thụ động với H2SO4 đặc nguội

và HNO3 đặc nguội, người ta sẽ sử dụng thùng nhôm

để chuyên chở hai loại axit này

+ Người ta thường sử dụng các phản ứng này để hànđường sắt tại chỗ, hữu ích cho việc cài đặt phức tạphoặc sửa chữa tại chỗ mà không thể được thực hiệnbằng cách sử dụng cách hàn đường sắt liên Phản ứngnhiệt nhôm cũng được sử dụng để sản xuất phần lớnhợp kim sắt, ví dụ như ferroniobium từ niobium pentoxit

và ferrovanadium từ Vanadi oxit Các kim loại khác cũngđược sản xuất bằng phương pháp này

Nhôm thuộc vào top những vật liệu kim loại dẫn điện tốtnhất hiện nay:

1 Bạc ( Kí hiệu hóa học là Ag)

2 Đồng (Kí hiệu hóa học là Cu)

3 Vàng (Kí hiệu hóa học là Au)

4 Nhôm (Kí hiệu hóa học là Al)

5 Natri (Kí hiệu hóa học là Na)

6 Wolfram (Kí hiệu hóa học là W)

7 Đồng thau (Kí hiệu hóa học là CuZn37)

8 Sắt (Kí hiệu hóa học là Fe)

Có thể thấy nhôm dẫn điện chỉ thua Bạc, Đồng và Vàng

ρ = 2,9.10-6 (Ωcm), nó dẫn nhiệt tốt λ = 3,12 w/cm.°C,tương đối nhẹ γ = 2,7 g/cm3

2.3 Ứng dụng của nhôm

Những đặc điểm dẫn nhiệt, điện cao, khả năng chống

ăn mòn, cùng với khả năng tái chế cao, giúp cải thiệnviệc quản lý vòng đời và giảm chi phí và góp phần bảo

vệ môi trường

Trong một số trường hợp, nhôm được chế tạo làm dâydẫn điện Tuy nhiên với đặc tính chịu nhiệt cao củamình mà nhôm thường được ứng dụng rộng rãi trongcác công trình kiến trúc như vách ngăn xây dựng, chếtạo tôn lợp mái nhà, cột, trụ nhà,… Ngoài ra nhôm cótác dụng để lưu trữ thực phẩm và cả trong sản xuất cácdụng cụ nấu ăn để lưu trữ nhiệt nhanh chóng

2.3.1 Đường dây điện

Nhôm là lựa chọn lý tưởng để làm dây lưới điện, baogồm đường dây tải điện trên không và đường dây phânphối điện cục bộ vì nó mang lại tỷ lệ dẫn điện trên trọnglượng tốt hơn đồng - một trong những vật liệu phổ biếnnhất được sử dụng trong các ứng dụng điện

Độ dẫn điện của nhôm chỉ bằng hơn một nửa so vớiđồng, nhưng với trọng lượng chỉ bằng 30%, một dâydẫn trần bằng nhôm có điện trở tương tự sẽ chỉ nặngbằng một nửa Nhôm cũng rẻ hơn đồng, điều này làmcho nó trở nên hấp dẫn hơn từ khía cạnh kinh tế và tàichính

Do những tính năng vượt trội, từ sự phong phú đến khảnăng chịu nhiệt và độ bền kéo, nhôm được sử dụngtrong một loạt các hàng hóa thương mại đáng kể Nócũng có thể tái chế vô hạn và tạo nên một phần của cơ

sở hạ tầng nền tảng của thế giới

Nhôm là một trong những kim loại phổ biến nhất trongthế giới hiện đại, nhờ các đặc tính như tỷ lệ độ bền trêntrọng lượng cao, độ dẫn nhiệt và điện cao.