Giáo trình Vật liệu điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trung cấp/Cao đẳng) nhằm giúp học viên nhận dạng các loại vật liệu điện thông dụng, phân loại các loại vật liệu điện thông dụng, trình bày đặc tính của các loại vật liệu điện; sử dụng thành thạo các loại vật liệu điện, xác định các dạng và nguyên nhân gây hƣ hỏng ở vật liệu điện;... Mời các bạn cùng tham khảo!
Khái niệm, cấu tạo vật liệu điện
Khái niệm
Vật liệu điện là tập hợp các vật liệu được dùng để chế tạo máy điện, thiết bị điện, dây dẫn và các phụ kiện đường dây Chúng được phân loại thành ba nhóm chính: vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ Để nắm được bản chất của sự dẫn điện hay cách điện của vật liệu, ta cần hiểu cấu tạo vật liệu và sự hình thành của các phần tử mang điện trong chính vật liệu đó.
Cấu tạo nguyên tử của vật liệu
Như chúng ta đã biết, mọi vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử Nguyên tử là đơn vị cơ bản của vật chất; theo mô hình nguyên tử Bohr, nó gồm hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm di chuyển quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định Hạt nhân gồm proton và neutron; proton mang điện tích dương, neutron mang điện tích không, với số lượng proton bằng Z Ở trạng thái bình thường, nguyên tử trung hòa về điện; nếu nguyên tử mất đi một hoặc nhiều electron, nó sẽ trở thành ion dương, còn nếu nhận thêm electron, nó sẽ trở thành ion âm.
Phân loại vật liệu điện
Phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện
Trên cơ sở giản đồ năng lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn
Vật liệu dẫn điện là chất có vùng tự do nằm sát với vùng điền đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy (W 0,2eV)
Vật liệu bán dẫn là chất có vùng cấm hẹp hơn so với vật liệu cách điện, và vùng cấm này có thể bị thay đổi nhờ tác động của năng lượng từ bên ngoài Độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn thường nhỏ và dễ bị điều chỉnh bằng các tác động từ bên ngoài như ánh sáng, điện trường hoặc nhiệt độ Chiều rộng vùng cấm của chất bán dẫn điển hình dao động từ khoảng 0,2 đến 1,5 eV, giúp các ứng dụng trong vi điện tử và cảm biến nhờ khả năng tinh chỉnh đặc tính điện tử.
2.1.3 Vật liệu cách điện ( điện môi) Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xẩy ra Các điện tử hóa trị tuy đƣợc cung cấp thêm năng lƣợng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng địên dẫn Chiều rộng vùng cấm của vật liệu cách điện (W 1,5 2eV).
Phân loại vật liệu theo từ tính
Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: vật liệu dẫn từ, vật liệu thuận từ và vật liệu nghịch từ
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Vật liệu thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ bằng 1
Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể
Theo trạng thái vật thể có vật liệu ở thể rắn, thể lỏng và vật liệu ở thể khí
Ngoài ra ta cũng có thể phân loại vật liệu điện:
+ Theo công dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ và vật liệu bán dẫn
+ Theo nguồn gốc: có vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ
1 Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử của vật liệu điện?
2 Trình bày các mối liên kết trong vật liệu điện? So sánh đặc điểm của các mối liên kết đó?
3.Thế nào gọi là khuyết tật trong cấu tạo vật rắn và các khuyết tật đó ảnh hưởng nhƣ thế nào tới các tính chất của vật rắn?
4.Trình bày lý thuyết phân vùng năng lƣợng trong vật rắn? Nêu cách phân loại vật liệu điện theo lý thuết phân vùng năng lƣợng?
5.Vật liệu điện đƣợc phân loại nhƣ thế nào? trình bày các cách phân loại đó?
LIỆU CÁCH ĐIỆN
Tính chất chung của vật liệu cách điện
Một số vật liệu cách điện thông dụng
3 Chương 2 : Vật liệu dẫn điện 10 9 1
1 Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn điện
2 Tính chất chung của kim loại và hợp kim
3 Những hư hỏng thường gặp và cách chọn vật liệu dẫn điện
4 Một số vật liệu dẫn điện thông dụng
4 Chương 3: Vật liệu dẫn từ 9 8 1
1 Khái niệm và tính chất vật liệu dẫn từ
2 Mạch từ, tính toán mạch từ 4 4
3 Một số vật liệu dẫn từ thông dụng
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN
Vật liệu điện đóng vai trò rất to lớn trong công nghiệp điện và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của hệ thống truyền tải và thiết bị điện Để nhận diện bản chất cách điện hay dẫn điện của từng loại vật liệu, ta cần nắm vững cấu tạo của vật liệu và sự hình thành các phần tử mang điện trong chúng Bên cạnh đó, hiểu nguồn gốc và cách phân loại vật liệu giúp thuận tiện cho quá trình lựa chọn và sử dụng vật liệu phù hợp trong thực tế Nội dung bài học này trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản để dễ dàng tiếp thu các bài học tiếp theo và nâng cao hiệu quả học tập.
- Nêu bật đƣợc khái niệm và cấu tạo của vật liệu dẫn điện
- Phân loại đƣợc chính xác chức năng của từng vật liệu cụ thể
- R n luyện đƣợc tính chủ động và nghiêm túc trong công việc
1 Khái niệm về vật liệu điện
Vật liệu điện là tập hợp các vật liệu dùng để chế tạo máy điện, dụng cụ điện, dây dẫn và các phụ kiện đường dây, được phân thành ba nhóm chính: vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ Để nhận diện bản chất dẫn điện hay cách điện của một vật liệu, ta cần hiểu khái niệm về cấu tạo vật liệu và sự hình thành của các phần tử mang điện bên trong nó.
1.2 Cấu tạo nguyên tử của vật liệu
Như chúng ta đã biết, mọi vật chất đều được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử Nguyên tử là đơn vị cơ bản của vật chất, gồm hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm quay quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định Hạt nhân nguyên tử chứa proton mang điện tích dương và nơtron mang điện tích trung tính, với số proton bằng Z Ở trạng thái trung hòa về điện, nguyên tử có số electron bằng số proton Nếu nguyên tử mất đi một hoặc nhiều electron thì sẽ trở thành ion dương; ngược lại, nếu nguyên tử nhận thêm electron thì sẽ trở thành ion âm.
Phân tử đƣợc tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết sau:
11 a Liên kết đồng hóa trị:
Liên kết đồng hóa trị được đặc trưng bởi sự chia sẻ electron giữa các nguyên tử trong phân tử Khi các electron được chia sẻ đầy đủ giữa hai nguyên tử, mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở nên bão hòa và hình thành liên kết phân tử bền vững Ngược lại, liên kết ion hình thành qua sự chuyển electron từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, tạo ra các ion mang điện tích trái dấu và lực hút tĩnh điện giữa chúng kết nối các ion thành mạng tinh thể hoặc dung dịch ổn định Các loại liên kết này quyết định tính chất vật lý và hóa học của chất, như điểm nóng chảy, khả năng dẫn điện và độ hòa tan.
Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử c Liên kết kim loại:
Liên kết kim loại là dạng liên kết tạo nên các tinh thể vật rắn, kim loại được xem như một hệ thống gồm các ion dương nằm trong môi trường của các electron tự do Lực hút giữa các ion dương và các electron tự do tạo nên tính nguyên khối của kim loại và làm cho liên kết kim loại bền vững, cho kim loại có độ bền cơ học cao và nhiệt độ nóng chảy lớn Dạng liên kết này khác với liên kết Van der Waals (Vandec – Vanx), là lực liên kết yếu xuất hiện giữa các phân tử hoặc giữa các lớp trong vật chất, nhấn mạnh sự khác biệt về sức mạnh liên kết so với liên kết kim loại.
Liên kết Van der Waals là dạng liên kết yếu, khiến cấu trúc mạng tinh thể phân tử không ổn định Vì tính chất yếu của liên kết này, vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp và độ bền cơ học thấp.
1.3.2 Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn
Các tinh thể vật rắn có thể có cấu trúc đồng nhất Tuy nhiên, sự phá hủy cấu trúc đồng nhất và sự hình thành các khuyết tật trong vật rắn là hiện tượng phổ biến trong thực tế Những khuyết tật này có thể được tạo ra ngẫu nhiên hoặc do mục đích trong quá trình chế tạo vật liệu.
1.3.3 Lý thuyết phân vùng năng lƣợng
Ở trạng thái bình thường, một số mức năng lượng được các electron lấp đầy, trong khi ở các mức khác electron chỉ có mặt khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài (trạng thái kích thích) Nguyên tử luôn có xu hướng quay về trạng thái ổn định Khi electron chuyển từ mức năng lượng kích thích xuống mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lượng dư thừa.
Hình 1.1: Sơ đồ phân bố vùng năng lƣợng của vật rắn ở nhiệt độ 0 0 K
Vùng các mức năng lƣợng tự do
Vùng các mức năng lƣợng tự do
Năn g lƣ ợn g eV Năn g lƣ ợn g eV
Vùng các mức năng lƣợng tự do
Vật dẫn Bán dẫn Điện môi
2 Phân loại vật liệu điện
2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện
Trên cơ sở giản đồ năng lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn
Vật liệu dẫn điện là chất có vùng tự do nằm sát với vùng điền đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy (W 0,2eV)
Vật liệu bán dẫn là chất có vùng cấm hẹp hơn so với vật liệu cách điện, và vùng cấm này có thể thay đổi nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài Chiều rộng vùng cấm của chất bán dẫn thường rất nhỏ, ΔW từ 0,2 eV đến 1,5 eV, cho phép điều chỉnh đặc tính điện của thiết bị bằng các tác động kích thích từ bên ngoài.
2.1.3 Vật liệu cách điện ( điện môi) Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xẩy ra Các điện tử hóa trị tuy đƣợc cung cấp thêm năng lƣợng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng địên dẫn Chiều rộng vùng cấm của vật liệu cách điện (W 1,5 2eV)
2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính
Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: vật liệu dẫn từ, vật liệu thuận từ và vật liệu nghịch từ
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Vật liệu thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ bằng 1
Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài 2.3 Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể
Theo trạng thái vật thể có vật liệu ở thể rắn, thể lỏng và vật liệu ở thể khí
Ngoài ra ta cũng có thể phân loại vật liệu điện:
+ Theo công dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ và vật liệu bán dẫn
+ Theo nguồn gốc: có vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ
1 Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử của vật liệu điện?
2 Trình bày các mối liên kết trong vật liệu điện? So sánh đặc điểm của các mối liên kết đó?
3.Thế nào gọi là khuyết tật trong cấu tạo vật rắn và các khuyết tật đó ảnh hưởng nhƣ thế nào tới các tính chất của vật rắn?
4.Trình bày lý thuyết phân vùng năng lƣợng trong vật rắn? Nêu cách phân loại vật liệu điện theo lý thuết phân vùng năng lƣợng?
5.Vật liệu điện đƣợc phân loại nhƣ thế nào? trình bày các cách phân loại đó?
CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Vật liệu cách điện đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong kỹ thuật điện, được dùng để bao bọc và cách ly các bộ phận dẫn điện cũng như tách rời các phần có điện thế khác nhau Nhiệm vụ của vật liệu cách điện là hướng dẫn dòng điện đi theo các đường mạch đã được sơ đồ quy định, giúp hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả Thiếu vật liệu cách điện sẽ khiến việc chế tạo và vận hành thiết bị điện trở nên không thể thực hiện được, kể cả với những thiết bị đơn giản nhất Do đó, để sử dụng hiệu quả, người công nhân cần hiểu sâu về tính chất và các đặc tính kỹ thuật của từng loại vật liệu cách điện Nội dung bài học này nhằm trang bị cho người học những kiến thức cơ bản về vật liệu cách điện và ứng dụng của chúng trong thực tế.
- Nhận dạng, phân loại đƣợc chính xác các loại vật liệu cách điện dùng trong công nghiệp và dân dụng
- Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu cách điện thường dùng
- Sử dụng phù hợp các loại vật liệu cách điện 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 cách điện thường dùng
- R n luyện đƣợc tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong công việc
1.Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
Phần điện của các thiết bị gồm hai thành phần chính: phần dẫn điện và phần cách điện Phần dẫn điện là tập hợp các vật dẫn khép kín mạch để cho dòng điện lưu thông qua mạch Để mạch hoạt động ổn định và an toàn, các vật dẫn cần được cách ly với các vật dẫn khác trong mạch, với các mạch khác hoặc với các vật dẫn ở không gian xung quanh Ngoài ra, vật dẫn còn phải được cách ly khỏi nhân viên làm việc với hệ thống điện Vì vậy, vật dẫn được bao bọc bởi vật liệu cách điện phù hợp để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành.
Vật liệu cách điện còn đƣợc gọi là điện môi Điện môi là những vật liệu làm cho dòng điện đi đúng nơi qui định
1.2 Phân loại vật cách điện
1.2.1 Phân loại theo trạng thái vật thể
- Vât liệu cách điện (điện môi) có thể ở thể khí, thể lỏng và thể rắn
Ở giữa trạng thái lỏng và trạng thái rắn tồn tại một trạng thái trung gian được gọi là thể mềm nhão Các vật liệu ở thể mềm nhão có đặc tính bôi trơn và thường được dùng làm lớp phủ hoặc sơn tẩm để cải thiện khả năng trượt, bảo vệ bề mặt và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp.
1.2.2 Phân loại theo thành phần hóa học
Theo thành phần hoá học, ngƣòi ta chia vật liệu cách điện thành: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ
- Vật liệu cách điện hữu cơ: chia làm hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo
Vật liệu cách điện vô cơ bao gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy và các loại vật liệu như sứ gốm, thủy tinh, mica, amiăng, v.v., được sử dụng làm lớp cách điện và cách nhiệt trong nhiều hệ thống công nghiệp Phân loại theo tính chịu nhiệt là một cách phân loại phổ biến nhằm đánh giá khả năng chịu nhiệt của vật liệu vô cơ và chọn đúng loại phù hợp với điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao hoặc thấp.
Khi lựa chọn vật liệu cách điện, trước tiên ta phải biết vật liệu có khả năng chịu nhiệt theo cấp nào trong số bảy cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện được quy định trong bảng 1.1 Việc xác định cấp chịu nhiệt giúp đánh giá độ bền nhiệt và mức độ phù hợp với ứng dụng cụ thể, từ đó chọn vật liệu có cấp chịu nhiệt tương ứng để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành Đây là bước căn bản trong quá trình thiết kế và chọn vật liệu cho hệ thống insulation, nhằm tối ưu hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị.
Bảng 1.1.Các cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện
Các vật liệu cách điện chủ yếu