Giáo trình vật liệu điện, điện tử

Một số điện tử hoá trị ngay ở nhiệt độ bình thường với sụ tiếp sức của chuyển động nhiệt đã có thể chuyển tới vùng dẫn để hình thành tính dẫn điện của vật liệu.. Loại có điện dẫn cao đượ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

Ths Tống Thị Phượng (Chủ biên) Ths Đoàn Thị Như Quỳnh

GIÁO TRÌNH

VẬT LIỆU ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC

(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

Q UẢNG NINH – 2014

LỜI MỞ ĐẦU

Giáo trình “Vật liệu kỹ thuật điện, điện tử” là tài liệu được biên soạn để phục vụ

cho việc giảng dạy, học tập của giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử

Giáo trình được biên soạn theo đề cương học phần “Vật liệu kỹ thuật điện, điện

tử” ở trình độ đại học ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử đã được nhà trường thông qua Giáo trình gồm 5 chương:

Chương 1.Cấu tạo và phân loại vật chất: Giới thiệu cấu tạo nguyên tử, phân

tử, lý thuyết phân vùng năng lượng, phân loại vật chất

điện và các tính chất của chúng Giới thiệu các vật liệu có điện dẫn cao, vật liệu dẫn điện có điện trở cao

Chương 3 Vật liệu cách điện: Trình bày các quá trình vật lý trong điện môi và

các tính chất của chúng, phân loại vật liệu cách điện Giới thiệu các vật liệu cách điện thể khí, thể lỏng, thể rắn

Chương 4 Vật liệu bán dẫn: Giới thiệu khái niệm chung về vật liệu bán dẫn,

tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn, tiếp xúc p-n và một số chất bán dẫn thông dụng

Chương 5 Vật liệu từ: Giới thiệu khái niệm chung về vật liệu từ Tổng quan

về các vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng và các vật liệu từ có công dụng đặc biệt

Trong quá trình biên soạn giáo trình, mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong đồng nghiệp và bạn đọc đóng góp ý kiến để giáo trình được hoàn thiện hơn

Quảng Ninh, tháng 5 năm 2014

Người biên soạn

Tổng Thị Phượng

Chương 1 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT CHẤT

1.1 Cấu tạo vật chất

1.1.1 Cấu tạo nguyên tử

Như chúng ta đã biết mọi vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử Nguyên tử là phần tử cơ bản nhất của vật chất Theo mô hình nguyên tử của Rutherford, nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương rất nhỏ bé, tập trung phần lớn khối lượng của nguyên tử ở trung tâm, còn các điện tử mang điện tích

âm quay xung quanh hạt nhân trên các quỹ đạo giống như các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời (hình 1-1)

Hình 1-1 Mô hình nguyên tử của Rutherford

Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ các hạt proton và nơtron, nơtron là các hạt không mang điện tích, proton có điện tích dương với số lượng bằng Z.q

Trong đó:

Z – Số lượng điện tử của một nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự của nguyên

tố nguyên tử đó trong bảng tuần hoàn Mendeleep;

q – Điện tích của điện tử e (qe = 1,601.10-19 culông) Proton có khối lượng bằng 1,67.10-27kg;

e – Electron có khối lượng bằng 9,1.10-31kg

Ở trạng thái bình thường nguyên tử được trung hòa về điện, tức là trong nguyên

tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện

tử Nếu vì lý do nào đó, nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện tích dương, ta thường gọi là ion dương Ngược lại, nếu nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm

Để có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của hyđrô, nguyên

tử này được cấu tạo từ một proton và một điện tử

Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân thì điện tử sẽ chịu lực hút của hạt nhân f1 và được xác định bởi công thức sau:

2

2 1

mv

m - Khối lượng của điện tử;

v - Tốc độ chuyển động của điện tử

Từ (1-1) và (1-2) ta có f1 = f2 hay:

r

q mv

Trong một nguyên tử, năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hóa trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hóa thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân (biểu thức 1-4)

Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác Song, chúng luôn có xu thế trở về vị trí của trạng thái ban đầu Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang học (quang năng)

Trong thực tế, năng lượng ion hóa và năng lượng kích thích nguyên tử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện năng, năng lượng của các tia sóng ngắn như ,, hay tia X

1.1.2 Cấu tạo phân tử

Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết hóa học Trong vật chất, tồn tại các loại liên kết sau

1.1.2.1 Liên kết đồng hóa trị

Liên kết đồng hóa trị được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử của các nguyên tử trong phân tử Khi đó, mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững

Lấy cấu trúc của phân tử clo làm ví dụ Phân tử clo (Cl2) gồm 2 nguyên tử clo, mỗi nguyên tử clo gồm có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng Hai nguyên tử này được liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của nguyên tử kia (hình 1-2)

Hình 1-2 Liên kết cộng hóa trị trong phân tử clo

Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hóa trị có thể là trung tính hay cực tính (lưỡng cực)

Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau là phân tử trung tính Các chất được tạo nên từ các phân tử trung tính gọi là chất trung tính

Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng cách “a” nào đó được gọi là phân tử cực tính hay còn gọi là lưỡng cực Phân tử cực tính đặc trưng bởi momen lưỡng cực m = q.a Dựa vào trị số momen lưỡng cực của phân tử, người ta chia ra thành chất cực tính yếu và cực tính mạnh Những chất được cấu tạo bằng các phân tử cực tính gọi là chất cực tính

Liên kết đồng hóa trị còn thấy ở cả chất rắn vô cơ có mạng tinh thể cấu tạo từ các nguyên tử, ví dụ như kim cương Cấu tạo kim cương được mô tả trên hình 1-3

Hình 1-3 Cấu tạo tinh thể kim cương

1.1.2.2 Liên kết ion

Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử Liên kết ion là liên kết khá bền vững Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion được đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ điển hình về tinh thể ion là các muối halogen của các kim loại kiềm

Hình 1-4 Mô hình mạng tinh thể NaCl

Khả năng tạo nên một chất hoặc một hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dáng lớp điện tử hóa trị ngoài cùng

1.1.2.3 Liên kết kim loại

Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn Kim loại được xem như là một

hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do (hình 1-5) Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại Chính vì vậy, liên kết kim loại là liên kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt

độ nóng chảy cao Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại

Hình 1-5 Sơ đồ cấu tạo kim loại

Sự tồn tại của các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt trên nhau giữa các lớp ion, vì thế kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng

Một thí dụ điển hình về liên kết loại này là liên kết xuất hiện giữa các phân tử nước Liên kết O-H tạo thành giữa các nguyên tử oxy của phân tử nước này với nguyên hydro của phân tử nước khác

Nguyên tử hydro có một điện tử hoá trị, nó có thể liên kết với một nguyên ử có lớp ngoài cùng thiếu 1 điện tử Nhưng hydro có thể liên kết với hai nguyên tử cùng

một lúc tạo thành liên kết hydro Đây là một dạng liên kết có hướng, năng lượng liên kết bé, nhỏ hơn 20 kJ/mol

1.1.2.6 So sánh các liên k ết

Liên kết thường gặp nhất là liên kết VanderWaals, nó xuất hiện trong mọi trường

hợp và là loại liên kết yếu nhất với năng lượng liên kết chỉ cỡ 104J/mol Liên kết này xuất hiện giữa các nguyên tử, phân tử trung hoà có lớp vỏ điện tử bên trong đầy

Liên kết ion là loại liên kết điển hình, thường gặp trong các chất vô cơ, trong các hợp chất kim loại với halogen, oxyt, kim loại, sulphua Vì thế vật rắn cấu tạo với liên kết ion hình thành lên mạng tinh thể ion, có nhiệt độ nóng chảy cao vì năng lượng liên kết rất cao Ở nhiệt độ thấp, điện dẫn điện tử rất yếu vì các điện tử bị gắn chặt vào các ion, các tinh thể ion có tính chất của các điện môi Liên kết ion cũng thường gặp trong các kim loại chuyển tiếp (cadmi, selen, nitri ) Năng lượng liên kết ion lớn hơn hẳn của liên kết Van der Waals, đạt cỡ 106 J/mol Nhưng ở nhiệt độ cao do chuyển động mạnh của các ion, nên điện dẫn ion xuất hiện

Liên kết cộng hoá trị ít có mặt trong các chất hữu cơ và thường hay gặp trong các hợp chất vô cơ

Liên kết này dẫn đến sự tạo thành tinh thể hoá trị điển hình như Al, Ge Năng lượng của liên kết ion thường khá cao khoảng 106J/mol Do vậy các chất có liên kết hoá trị có điểm nóng chảy cao và nhiệt dung lớn

Liên kết kim loại xuất hiện do tạo thành các điện tử hoá trị góp chung cho, đặc trưng cho kim loại điển hình Năng lượng liên kết cùng bậc với với liên kết hoá trị

Cuối cùng liên kết hydro là liên kết tương đối yếu

Trong các vật rắn thực, thường chúng ta gặp thường gặp hai hoặc nhiều hơn loại liên kết, trong đó có một loại nào đó chiếm ưu thế hơn nó quy định cấu trúc, tính chất của vật liệu

1.1.3 Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn

Các tinh thể vật rắn có thể có kết cấu đồng nhất Sự phá hủy các kết cấu đồng nhất và tạo nên các khuyết tật trong vật rắn thường gặp nhiều trong thực tế Những khuyết tật có thể được tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình công nghệ chế tạo vật liệu

Khuyết tật của vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của trường tĩnh điện mạng tinh thể như: Phá vỡ thành phần hợp thức, sự có mặt của các hợp chất lạ, áp lực cơ học, các lượng tử của dao động đàn hồi – phonon, mặt tinh thể phụ - đoạn tầng, khe rãnh, lỗ xốp

Hình 1-6 Các dạng khuyết tật trong vật rắn

Khuyết tật sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ học, lý học, hóa học và các tính chất

về điện của vật liệu Khuyết tật có thể tạo nên các tính năng đặc biệt tốt, ví dụ như vi mạch IC và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi, ví dụ như vật liệu cách điện có lẫn kim loại

1.1.4 Các mạng tinh thể cơ bản

1.1.4.1 Cấu trúc tinh thể

Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) là mạng lưới không gian ba chiều trong

đó các nút mạng là các đơn vị cấu trúc (nguyên tử , ion, phân tử )

- Tinh thể kim loại;

- Tinh thể ion;

- Tinh thể nguyên tử (Hay tinh thể cộng hoá trị);

- Tinh thể phân tử

1.1.4.2 Khái niệm về ô cơ sở

Là mạng tinh thể nhỏ nhất mà bằng cách tịnh tiến nó theo hướng của ba trục tinh thể ta có thể thu được toàn bộ tinh thể

Mỗi ô cơ sở được đặc trưng bởi các thông số:

1 Hằng số mạng: a, b, c, , , ;

2 Số đơn vị cấu trúc: n;

3 Số phối trí;

4 Độ đặc khít

1.1.4.3 Mạng tinh thể kim loại

a Một số kiểu mạng tinh thể kim loại

* Mạng lập phương đơn giản

- Đỉnh là các nguyên tử kim loại hay ion dương

kim loại

- Số phối trí = 6

- Số đơn vị cấu trúc: 1

* Mạng lập phương tâm khối

- Đỉnh và tâm khối hộp lập phương là nguyên tử hay

ion dương kim loại

- Số phối trí = 8

- Số đơn vị cấu trúc: 2

* Mạng lập phương tâm diện

- Đỉnh và tâm các mặt của khối hộp lập phương

là các nguyên tử hoặc ion dương kim loại

- Số phối trí = 12

- Số đơn vị cấu trúc: 4

* Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương)

- Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ sở

Mỗi ô mạng cơ sở là một khối hộp hình thoi

Các đỉnh và tâm khối hộp hình thoi là nguyên tử

hay ion kim loại

- Số phối trí = 12

- Số đơn vị cấu trúc: 2

Hình 1-7 Mô hình các mạng tinh thể kim loại

b Một số đặc điểm của mạng tinh thể kim loại

* Hốc tứ diện và hốc bát diện

Hình 1- 9 Mô hình hốc tứ diện và bát diện trong mạng tinh thể kim loại

+ Mạng lập phương tâm mặt: Hốc tứ diện là 8; Hốc bát diện là: 1 + 12.1/4 = 4 + Mạng lục phương: Hốc tứ diện là 4; Hốc bát diện là: 1 + 12.1/4 = 2

c Độ đặc khít của mạng tinh thể

* Mạng tinh thể lập phương tâm khối

23aaa

= 4r

Hình 1- 10 Mô hình mạng tinh thể lập phương tâm khối

Số quả cầu trong một ô cơ sở : 1 + 8 1/8 = 2

Số quả cầu trong một ô cơ sở : 6 1/2 + 8 1/8 = 4

2a 6 3

Số hốc

T

Số hốc

tâm diện

(lptd: fcc)

===90oa=b=c 4 12 8 4 74

Au, Ag, Cu,

Ni, Pb, Pd,

Pt, … Lục phương

đặc khít (hpc)

== 90o

 =120oa≠b≠c

2 12 4 2 74 Be, Mg, Zn, Tl, Ti, …

d Khối lượng riêng của kim loại

* Công thức tính khối lượng riêng của kim loại

P - Độ đặc khít (mạng lập phương tâm khối P = 68%; mạng lập phương tâm diện, lục phương chặt khít P = 74%);

Hình 1- 13 Mô hình mạng tinh thể Ni

Bài 2 Thực nghiệm cho biết ở pha rắn, vàng (Au) có khối lượng riêng là 19,4 g/cm3 và có mạng lưới lập phương tâm diện Độ dài cạnh của ô mạng đơn vị là 4,070.10-10 m Khối lượng mol nguyên tử của vàng là: 196,97 g/cm3

a Tính phần trăm thể tích không gian trống trong mạng lưới tinh thể của vàng?

V1ô = a3 = (4,070.10-8)3 = 6,742.10-23 cm3 Phần trăm thể tích không gian trống:

(V1ô - Vnguyên tử).100 / Vnguyên tử = 26%

Trị số của số Avogadro:

NA = (n.M) / (D.Vô) = 6,02.1023

Bài 3 Đồng kết tinh theo kiểu lập phương tâm diện

a Tính cạnh của hình lập phương của mạng tinh thể và khoảng cách ngắn nhất giữa hai tâm của hai nguyên tử đồng trong mạng, biết nguyên tử đồng có bán kính bằng 1,28A0

b Tính khối lượng riêng của đồng theo g/cm3 Cho Cu = 64

 Sau đó điền vào bảng và so sánh khối lượng riêng của các kim loại

đó, giải thích kết quả tính được

Nguyên tử khối (đv.C) 22,99 24,31 26,98 Bán kính nguyên tử (A0 ) 1,89 1,6 1,43

* Lực liên kết giữa các ion là lực hút tĩnh điện không định hướng

* Các anion thường có bán kính lớn hơn cation nên trong tinh thể người ta coi anion như những quả cầu xếp khít nhau theo kiểu lập phương tâm mặt, lập phương chặt khít, hoặc lập phương đơn giản Các cation có kích thước nhỏ hơn nằm ở các hốc

tứ diện hoặc bát diện

Bài 1 Tinh thể NaCl có cấu trúc lập phương tâm mặt của các ion Na+, còn các ion Clchiếm các lỗ trống tám mặt trong ô mạng cơ sở của các ion Na+, nghĩa là có 1 ion Cl-chiếm tâm của hình lập phương Biết cạnh a của ô mạng cơ sở là 5,58A0 Khối lượng mol của Na và Cl lần lượt là 22,99 g/mol; 35,45 g/mol Cho bán kính của Cl- là 1,81A0 Tính:

-a Bán kính của ion Na+?

b Khối lượng riêng của NaCl (tinh thể)?

Giải:

Hình 1- 15 Mô hình mạng tinh thể NaCl

Các ion Cl- xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, các cation Na+ nhỏ hơn chiếm hết

số hốc bát diện Tinh thể NaCl gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau Số phối trí của Na+ và Cl-đều bằng 6

Số ion Cl-trong một ô cơ sở: 8.1/8 + 6.1/2 = 4

Số ion Na+trong một ô cơ sở: 12.1/4 + 1.1 = 4

Số phân tử NaCl trong một ô cơ sở là 4

Các ion Cl- xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, các cation Cu+ nhỏ hơn chiếm hết

số hốc bát diện Tinh thể CuCl2 gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau Số phối trí của Cu+ và Cl-đều bằng 6

Số ion Cl- trong một ô cơ sở: 8.1/8 + 6.1/2 = 4

Số ion Cu+ trong một ô cơ sở: 12.1/4 + 1.1 = 4

Số phân tử CuCl trong một ô cơ sở là 4

Khối lượng riêng của CuCl là:

D = (n.M) / (NA.a3 )  a = 5,42.10 -8 cm (a là cạnh của hình lập phương) Có: 2.(rCu+ + rCl-) = a = 5,42.10-8cm  rCu+ = 0,87.10-8cm

Vì liên kết cộng hoá trị là liên kết mạnh nên các tinh thể nguyên tử có độ cứng đặc biệt lớn, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao, không tan trong các dung môi Chúng là chất cách điện hay bán dẫn

Bài 1

a Hãy vẽ sơ đồ mô tả cấu trúc của một tế bào kim cương sơ đẳng?

b Biết hằng số mạng a = 3,5A0 Hãy tính khoảng cách giữa một nguyên tử C và một nguyên tử C láng giềng gần nhất Mỗi nguyên tử C như vậy được bao quanh bởi mấy nguyên tử ở khoảng cách đó?

c Hãy tính số nguyên tử C trong một tế bào sơ đẳng và khối lượng riêng của kim cương?

Giải:

Hình 1- 16 Mô hình mạng tinh thể kim cương

a Các nguyên tử C chiếm vị trí các đỉnh, các tâm mặt và một nửa số hốc tứ diện Số phối trí của C bằng 4 ( Cacbon ở trạng thái lai hoá sp2)

Mỗi tế bào gồm 8.1/8 + 6.1/2 + 4 = 8 nguyên tử

Khoảng cách giữa một nguyên tử Cacbon và một nguyên tử cacbon láng giêng gần nhất là: 2r = d/4; Với d là đường chéo của hình lập phương d = a 3

 2.r = a 3/4 = 1,51.10-8 cm

b Mỗi nguyên tử cacbon được bao quanh bởi 4 nguyên tử cacbon bên cạnh

c Khối lượng riêng của kim cương:

D =

V

NA

M n

.

) 10 5 3 (

10 02 , 6

011 , 12 8

 = 3,72 g/cm3

Bài 2 Silic có cấu trúc tinh thể giống kim cương

a Tính bán kính nguyên tử silic Cho khối lượng riêng của silic tinh thể bằng 2,33g.cm-3;

Khối lượng mol nguyên tử của Si bằng 28,1g.mol-1

b So sánh bán kính nguyên tử của silic với cacbon (rC = 0,077 nm) và giải thích?

.  V1 ô = ( 8.28,1)/(2,33.6,02.1023) = 16,027 cm3;

a = 5,43.10-8 cm; d = a 3= 5,43.10-8 1,71 = 9.39.10-8 cm;

a = 3,55 A Liªn kÕt C-C dµi 1,54 A

Bán kính của nguyên tử silic là: r = d/8 = 1,17 10-8cm

b Có rSi (0,117 nm) > rC( 0,077 nm) Điều này phù hợp với quy luật biến đổi bán kính nguyên tử trong một phân nhóm chính

Do cấu trúc đặc biệt của mạng tinh thể kim loại mà các kim loại rắn có những tính chất vật lý chung: tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, tính dẻo, ánh kim Các tính chất vật lý chung đó đều do electron tự do trong kim loại gây ra Ngoài ra đặc điểm của liên kết kim loại: Mật độ nguyên tử (hay độ đặc khít), mật độ electron tự do, điện tích của cation kim loại cũng ảnh hưởng đến các tính chất vật lý khác của kim loại như: Độ cứng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tỷ khối

Lý thuyết điện tử tự do giải thích được nhiều tính chất của vật rắn như là dẫn nhiệt, dẫn điện, phát xạ nhiệt, các hiệu ứng nhiệt điện, điện từ đặc biệt là kim loại Nhưng lý thuyết này đã không giải thích được những tính chất của vật rắn trong mối quan hệ với cấu trúc bên trong của nó

Tại sao một số tinh thể của các chất lại là kim loại, điện môi và bán dẫn, tính chất của bán dẫn lại phụ thuộc vào nhiệt độ

Ở nhiệt độ thấp một số kim loại có điện trở suất nhỏ đến 10-10 Ωcm, còn một số điện môi có điện trở suất lớn đến 1020 Ωcm thế nhưng các tính chất vật lý khác lại không khác nhau nhiều đến thế

Bất cứ một vật rắn nào cũng chứa các điện tử Vấn đề chính liên quan đến tính chất điện của vật rắn là điện tử có hành vi như thế nào khi có tác động của điện trường ngoài?

Lý thuyết phân vùng năng lượng cho rằng điện tử phân bố theo các vùng năng lượng Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành các nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn và điện môi (cách điện)

Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí khi các nguyên tử ở cách xa nhau một khoảng cách lớn đã chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi những vạch quang phổ hoàn toàn xác định Điều đó chứng tỏ rằng các nguyên tử khác nhau có những trạng thái năng lượng hay mức năng lượng khác nhau

Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường không bị kích thích, một số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy, còn ở các mức năng lượng khác điện tử chỉ

có thể có mặt khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích) Nguyên tử luôn có xu hướng quay về trạng thái ổn định Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát

ra phần năng lượng dư thừa

Hình 1-17 Phân vùng năng lượng của vật rắn

Các điện môi có các vùng năng lượng hoặc là điền đầy toàn bộ bởi các điện tử hoặc trống hoàn toàn: Như vậy chúng không thể di chuyển khi có điện trường ngoài tác động Tinh thể là kim loại nếu một hoặc hai vùng được điền đầy một phần (từ 10 đến 90%)

Tinh thể là bán kim hay bán dẫn (Bi – bán kim, Si – bán dẫn) nếu một hoặc hai vùng được điền đầy một phần rất nhỏ hay ngược lại điền gần hết (<10% hạt > 90%)

Sự điền đầy của bán dẫn điện phụ thuộc vào một số điều kiện, đặc biệt nhiệt độ và pha tạp

Với một số điện tử nhất định trong chất rắn, chỉ có một số vùng năng lượng thấp nhất là bị lấp đầy Tuỳ theo mức độ lấp đầy của vùng năng lượng mà có thể phân chia tất cả vật chất thành các nhóm:

Nhóm thứ nhất bao gồm những vật mà trong đó trên những vùng năng lượng đã

bị lấp đầy hoàn toàn là vùng năng lượng chỉ bị lấp đầy một phần Vùng kiểu này xuất hiện trong các kim loại kiềm Vùng bị lấp đầy một phần cũng có thể tạo ra sự phủ của vùng lấp đầy lên vùng bỏ trống hoặc vùng bị lấp đầy một phần, chẳng hạn như với các

nguyên tố của kim loại kiềm thổ Kim loại chính là những vật rắn có vùng năng lượng

bị lấp đầy một phần

Nhóm thứ hai bao gồm các vật mà ở phía trên vùng bị lấp đầy hoàn toàn là vùng hoàn toàn trống Điển hình là các nguyên tố thuộc nhóm 4 của bảng tuần hoàn Mendeleev như C, Ge, Si Thuộc nhóm này còn có nhiều hợp chất hoá học như các oxyt kim loại, natri, cadmi, halogen của các kim loại kiềm thổ

Theo thuyết vùng năng lượng, các điện tử ở vùng hoá trị đều có thể chuyển động tự do như nhau, không phân biệt là kim loại hay điện môi Sự chuyển động này thực chất được thực hiện ngầm chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác Mặc dù vậy tính chất dẫn điện của các vật thể, đặc biệt là điện trở suất rất khác nhau Như thế thấy rằng sự có mặt của các điện tử tự do chỉ là điều kiện cần để xuất hiện sự dẫn điện của vật rắn, chứ chưa là điều kiện đủ

Để có thể giải thích các tính chất điện khác nhau của vật liệu, lý thuyết đưa ra

sự khác biệt về chiều dày vùng cấm Điều này được thể hiện bằng việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các nguyên tử cho thấy các kim loại được đặc trưng bởi sự vắng mặt của vùng cấm (ΔW=0)

Tuỳ thuộc chiều rộng vùng cấm của vật rắn thuộc nhóm hai là điện môi hay bán dẫn Các điện môi là các chất có chiều dày vùng cấm rộng tới mức ở nhiệt độ bình

thường các điện tử hoá trị không thể di chuyển sang vùng dẫn được lớn hơn 3eV, đối với kim cương 5,2eV, với Al2O3 là 7 eV Vì vậy trong điều kiện bình thường, điện môi

là vật liệu không dẫn điện hoặc có điện dẫn không đáng kể

Các vật liệu bán dẫn là chất có chiều dày vùng cấm bé, nằm trong khoảng 0,2 đến 1,5 eV, với Ge 0,66eV, Si 1,08eV và AsGa 1,43eV

Một số điện tử hoá trị ngay ở nhiệt độ bình thường với sụ tiếp sức của chuyển động nhiệt đã có thể chuyển tới vùng dẫn để hình thành tính dẫn điện của vật liệu Bình thường năng lượng của chuyển động nhiệt (3/2kT) chỉ vào khoảng 0.04 eV, tức

là nhỏ hơn nhiều so với chiều dày vùng cấm của các điện môi nên không thể đưa điện

tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn được Thực tế khả năng các điện tử vẫn có khả năng chuyển sang vùng dẫn do sự phân bố năng lượng giữa các nguyên tử không giống nhau hoặc do sụ tương tác giữa các nguyên tử và giữa các điện tử

Khi điện tử rời vùng hoá trị, tại đó sẽ hình thành một chỗ trống -"lỗ hổng" Lỗ hổng này được lấp đầy bằng một điện tử khác Khi có tác dụng của điện trường bên ngoài sự chuyển động của các điện tử từ chỗ trống này sang chỗ trống khác ngược chiều của điện trường và có thể xem sự chuyển động của các "lỗ hổng" giống như sự chuyển động của các điện tích dương

Nếu các điện tử hoá trị điền đầy hoàn toàn một hay nhiều vùng năng lượng thì

đó là điện môi

Dưới tác dụng của điện trường ngoài, không có dòng điện vì một vùng đã bị điền đầy hoàn toàn bị ngăn cách với một vùng cao hơn bởi khe năng lượng (vùng cấm) nên không có cách nào thay đổi động lượng tổng của điện tử Nếu các vùng năng lượng phủ lẫn nhau thì sẽ có một vùng hay nhiều vùng không điền đầy, tinh thể có tính kim loại Các kim loại đất hiếm có 2 điện tử hoá trị cho mỗi ô cơ bản đúng ra chúng là điện môi nhưng do có sự phủ các vùng năng lượng nên chúng là kim loại

Do không có năng lượng của chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình thường của nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hóa trị hay còn gọi là vùng đầy (ở 00K các điện tử hóa trị của nguyên tử lấp đầy vùng này)

Những điện tử tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng của chúng tập hợp thành vùng tự do hay vùng điện dẫn (phần trên cùng của sơ đồ phân

bố vùng năng lượng ở hình 1-18)

Hình 1-18 Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn ở nhiệt độ 0 0 K

1.2 Phân loại vật liệu

1.2.1 Phân loại theo khả năng dẫn điện

Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện (điện môi), bán dẫn và dẫn điện

Hình 1-19 Sơ đồ phân loại vật liệu theo khả năng dẫn điện

1.2.1.1 Điện môi

Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xảy ra Các điện tử hóa trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn Chiều rộng vùng cấm của điện môi Wnằm trong khoảng từ 1,5 đến vài eV

1.2.1.3 Vật dẫn

Là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy (W< 0,2eV) Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn Ở nhiệt độ bình thường, các điện tử hóa trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn Chính

vì vậy, vật dẫn có tính dẫn điện tốt

1 2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính

Theo từ tính, người ta phân loại vật liệu thành nghịch từ, thuận từ và dẫn từ

1.2.2.3 Chất dẫn từ

Là những chất có >1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài Loại này gồm có sắt, niken, coban và các hợp kim của chúng Hợp kim crôm và mangan, gađolonit, pherit có các thành phần khác nhau

Trong các phần trình bày tiếp theo sẽ nghiên cứu những tính chất của vật liệu cách điện, bán dẫn, dẫn điện và vật liệu từ dùng trong kỹ thuật điện

Câu 1 Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử Phân biệt chất trung tính và cực tính?

Câu 2 Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất?

Câu 3 Cho biết sắt Feα có mạng tinh thể lập phương thể tâm, bán kính nguyên tử 1,24A0, sắt Feγ có mạng tinh thể lập phương diện tâm, bán kính nguyên tử 1,27A0

a Tính hằng số tinh thể của mỗi mạng tinh thể nói trên?

b Tính mật độ khối của mỗi chất?

Câu 4 Cho biết nhôm có tinh thể kiểu mạng lập phương diện tâm với hằng số tinh thể

là a=4,04 A0

a Tính mật độ khối của tinh thể nhôm?

b Tính mật độ nguyên tử của tinh thể nhôm?

a Là những chất có >1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài

b Là những chất có >1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài

c Là những chất có <1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài

d Là những chất có <1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài

Chương 2 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

2.1.1 Các quá trình vật lý trong VLDĐ và các tính chất của chúng

2.1.1.1 Các khái niệm cơ bản về chất dẫn điện

Dòng điện là sự chuyển dịch có trật tự của các điện tích dưới tác động của điện trường Dòng điện xuất hiện trong vật chất bị ảnh hưởng bởi điện áp, khi đó dưới tác dụng của lực điện trường sẽ tạo ra các trạng thái chuyển động một cách có trật tự của các điện tích có trong vật chất Như vậy điều kiện cần thiết để có dòng điện ở bất kỳ vật chất nào chính là sự tồn tại các điện tích tự do Nhưng tùy thuộc vào bản chất thiên nhiên của các hạt mang điện có trong vật chất, hiện tượng dẫn điện được quan sát có những sự khác biệt rất khác nhau Những dạng dẫn điện chủ yếu gồm:

- Tính dẫn điện điện tử: Hạt mang điện là những điện tích âm, chính xác hơn là các điện tử Tính dẫn điện này là đặc tính dẫn điện của kim loại và bán dẫn điện tử

- Tính dẫn điện ion hay phân li: Hạt mang điện là những ion, có thể là các điện tích dương hoặc âm của phân tử hay nguyên tử Sự chuyển dịch của các điện tích dẫn đến hiện tượng điện phân

- Tính dẫn điện điện di (thường thấy ở điện môi lỏng): Vật chất mang điện là

những nhóm điện tích của phân tử Sự tồn tại của dòng điện trong vật chất dẫn đến hiện tượng điện chuyển

Chất dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do Nếu đặt những vật liệu này vào trong một trường điện, các điện tích sẽ chuyển động theo hướng nhất định của trường và tạo thành dòng điện

Vật liệu dẫn điện có thể là các vật liệu ở thể rắn, lỏng và trong một số trường hợp đặc biệt có thể là cả ở thể khí

2.1.1.2 Phân loại vật liệu dẫn điện

a Phân loại theo trạng thái

- Các vật liệu ở thể rắn: Gồm kim loại, hợp kim và một số biến thể của cacbon (than kỹ thuật điện)

Kim loại dẫn điện chia làm 2 loại: Loại có điện dẫn cao và loại có điện trở cao Loại có điện dẫn cao được dùng làm dây dẫn; lõi cáp, cuộn dây của máy biến áp và máy điện, cuộn dây sóng, anot của các đèn phát có công suất lớn…

Kim loại, hợp kim có điện trở cao được dùng trong các dụng cụ nung bằng điện trở như đèn thắp sáng, biến trở…

- Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng: Gồm kim loại lỏng (nóng chảy) và các dung dịch điện phân (ở nhiệt độ phòng có thể kể thủy ngân Hg)

b Phân loại theo tính chất

- Vật liệu dẫn điện loại 1: Có dòng điện là dòng chuyển dịch của các điện tử tự

đủ gây ion hóa quang và ion hóa va chạm thì chất khí đó trở thành vật dẫn có điện dẫn ion và điện tử Khi bị ion hóa mạnh sẽ có số điện tử và ion dương bằng nhau sinh ra trong một đơn vị thể tích sẽ tạo ra môi trường dẫn điện đặc biệt gọi là plasma

Kim loại được xem như một hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do, chúng quyết định nhiều tính chất đặc trưng của kim loại Sức hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại

- Đặt kim loại vào điện trường ngoài, các điện tử chạy theo một hướng tạo ra dòng điện (tính dẫn điện của kim loại)

- Khi nung nóng kim loại, dao động nhiệt của các ion dương tăng làm cản trở điện tử chuyển động nên điện trở kim loại tăng

- Sự truyền động năng của các điện tử tự do và các ion dương tạo nên tính dẫn nhiệt của kim loại

- Các điện tử khi hấp thụ năng lượng ánh sáng sẽ bị kích thích lên mức cao hơn, khi trở về nó phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ Sự khác nhau giữa 2 mức năng lượng đặc trưng cho tần số ánh sáng phản xạ nên mỗi kim loại có màu riêng (ánh kim) Liên kết kim loại không bị biến đổi khi các nguyên tử (ion dương) dịch chuyển vị trí tương đối với nhau

- Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy 2 hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại còn một lượng nhỏ là á kim Người ta thay thế kim loại nguyên chất bằng hợp kim vì kim loại có tính dẻo, độ bền thấp, điện trở nhỏ và thay đổi theo nhiệt độ, có hệ số giãn nở nhiệt lớn nên không dùng trong các cơ cấu máy chính xác

2.1.1.3 Tính chất điện hoá của kim loại

Các kim loại nằm ở phần bên trái của bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học của Mendeleep, chính xác hơn là bên trái của đường chéo đi từ nguyên tố Be (berylium) số 4 đến nguyên tố At (astatin) số 85

Theo cấu trúc hoá học, kim loại được định nghĩa là các nguyên tố có ít hơn 4 điện tử hoá trị Các điện tử này dễ dàng bị nhường để tạo thành lớp ổn định với 8 điện

tố khác theo dạng liên kết đồng hoá trị

+ Trong nhóm IV gồm các nguyên tố có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng chỉ có Sn và

Pb được coi là kim loại

Các điện tử ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử có ảnh hưởng nhiều nhất đến tính chất của mỗi chất, trong đó phải kể đến tính dẫn điện, dẫn nhiệt và tính dẻo

Các kim loại có độ hoạt động hoá học mạnh là kim loại dễ mất điện tử

2.1.1.4 Tính chất vật lý của kim loại

Nhiệt độ và nhiệt lượng nóng chảy

Nhiệt độ ứng với khi kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là

Nhiệt lượng cần thiết để một đơn vị khối lượng kim loại chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng hoàn toàn trong điều kiện áp suất bình thường gọi là nhiệt lượng nóng chảy (J/kg hay kcal/kg)

Nhiệt lượng cần thiết để lμm cho nhiệt độ của một đơn vị khối kim loại tăng lên

1 độ Celcius gọi là nhiệt lượng riêng J/kg.độ hay kcal/kg.độ)

Tính dẫn nhiệt: Tính dẫn nhiệt là tính chất truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hay khi làm nguội

Nhiệt lượng toả ra trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích thẳng góc với hướng toả nhiệt trên một đơn vị khoảng cách có sự chênh lệch nhiệt độ gọi lμ nhiệt dẫn suất Nhiệt dẫn suất đo bằng W/m.độ

Giãn nở nhiệt: Khi đốt nóng các kim loại nở ra và khi làm nguội nó co lại Sự giãn nở cần phải được chú ý trong nhiều trường hợp

Vẻ sáng của kim loại: Kim loại không trong suốt ngay cả đối với tấm kim loại được cán rất mỏng cũng không thể cho ánh sáng xuyên qua được Theo ánh sáng bề ngoài, kim loại được chia thành kim loại đen và kim loại màu

2.1.1.5 Tính chất hoá học của kim loại

Tính chất hoá học biểu thị khả năng của các kim loại chống lại tác dụng của môi trường hoá học

Khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay oxy của không khí ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao gọi là tính chống ăn mòn

Khả năng chống lại sự tác dụng của môi trường axit gọi là tính chịu axit

2.1.1.6 Tính chất cơ học của kim loại

Độ bền: Khả năng của kim loại chống lại tác dụng của lực bên ngoài mà không

bị phá hỏng

Độ đàn hồi: Khả năng của kim loại thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực có khí rồi trở lại như cũ khi bỏ lực tác dụng

Độ dẻo: Là khả năng của kim loại thay biến dạng dưới tác dụng của lực cơ khí

mà không bị phá hỏng , đồng thời vẫn giữ được hình dạng khi bỏ lực tác dụng

Các kim loại dẫn điện thường được chia thành hai loại: Loại có điện dẫn cao và loại có điện trở cao

Loại có điện dẫn cao (Cu, Al ) được dùng làm dây dẫn điện, lõi cáp, lõi các cuộn dây của máy biến áp và máy điện Các kim loại, hợp kim có điện trở suất cao dùng cho các dụng cụ nung bằng điện, thắp sáng, biến trở

2.1.2 Sự dẫn điện của kim loại

Kim loại mang tính dẫn điện tử, khác với tính dẫn ion là không có sự chuyển dịch nhìn thấy trong vật chất khi có dòng điện chảy qua

Mặc dù trong kim loại có một số lượng lớn các điện tích chảy qua trong một thời gian dài nhưng không phát hiện bất kỳ sự thay đổi nào về khối lượng cũng như thay đổi về cấu tạo hóa học (không kể tới sự ôxi hóa kim loại) Các electron nằm ở không gian giữa các nút tinh thể, chúng dao động một cách hỗn loạn, tốc độ của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ Kích thước của các electron không đáng kể so với kích thước nguyên tử lại càng không đáng kể so với khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử; như vậy các electron trong mức độ nào đó có thể xem như là các phân tử khí Vì thế đôi khi chúng được gọi là khí điện tử Khi kim loại không bị tác dụng của điện trường

ngoài thì sự phân bố tốc độ chuyển động nhiệt của các electron (vt) theo các hướng có xác suất như nhau, dòng điện không tồn tại khi không có điện trường ngoài

Khi nghiên cứu đặc tính dẫn điện của vật liệu, cần quan tâm đến các tính chất

cơ bản sau:

2.1.2.1 Điện dẫn suất và điện trở suất

Cường độ dòng điện trong vật dẫn có thể viết dưới dạng sau: I n0q e S.v tb Trong đó: n0 - Mật độ điện tử tự do của vật dẫn;

qe - Điện tích của điện tử;

S - Tiết diện của dây dẫn;

vtb - Tốc độ chuyển động trung bình của điện tử dưới tác dụng của điện trường E

Nếu gọi K là độ linh hoạt của các điện tử 

E K q n

j 0 e ; j.E

* Điện trở R: Là quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi đặt ở hai đầu của dây

dẫn và cường độ dòng điện một chiều tạo nên trong dây dẫn đó

Điện trở của dây dẫn được tính theo công thức:

l - Chiều dài dây dẫn (m);

S - Tiết diện dây dẫn(mm2)

Điện dẫn G của một đoạn dây dẫn là đại lượng nghịch đảo của điện trở:

Bảng 2-1 Các đặc tính vật lý của các kim loại chủ yếu dùng trong kỹ thuật điện

Kim loại

Khối lượng

riêng g/cm 3

Nhiệt

độ nóng chảy

0 C

Nhiệt dung riêng W/m.độ

Nhiệt dẫn riêng W/m.độ

Hệ số nhiệt độ dãn nở dài

1 10 6 ,

độ -1

Điện trở suất

.mm

2 /m

Hệ số nhiệt điện trở suất, độ -

1 ,  

Công thoát điện

tử eV

Đồng 8.9 1083 385 390 16.5 0.0172 0.0043 4.35 Nhôm 2.7 657 922 209 21 0.028 0.0042 4.3 Vonfram 19.3 3380 138 168 4.4 0.055 0.0046 4.5 Molipden 10.2 2620 264 151 5.1 0.057 0.0046 4.2 Tantan 16.6 2977 142 54 6.5 0.135 0.0038 4.1 Niobi 8.6 2415 272 50 7.2 0.18 0.003 3.96 Titan 4.5 1725 577 15 8.1 0.42 0.0044 4.09 Ziricobi 6.5 1815 276 17 5.4 0.41 0.0045 3.84 Reni 21 3145 138 71 4.7 0.21 0.0032 4.8 Vàng 19.3 1063 126 293 14.2 0.024 0.0038 4.8 Bạc 10.5 961 234 415 19.3 0.016 0.004 4.45 Platin 21.4 1770 134 71 9 0.105 0.0039 5.3 Paladi 12 1555 213 72 11.9 0.11 0.0038 4.82 Sắt 7.8 1535 452 73 11 0.098 0.006 4.5 Niken 8.9 1455 444 95 13 0.073 0.0065 5 Coban 8.7 1492 435 79 12.5 0.062 0.006 -

Thiếc 7.3 232 226 65 23 0.12 0.0044 4.4 Kẽm 7.1 420 390 111 31 0.059 0.004 4.4 Cadmi 8.6 321 230 93 30 0.076 0.0042 - Indi 7.3 157 243 25 24.8 0.09 0.0047 -

Thủy ngân 13.6 -39 138 10 61 0.958 0.0009 4.5

2.1.2.2 Hệ số nhiệt của điện trở suất

Đối với kim loại, nguyên nhân duy nhất hạn chế độ dài bước tự do là dao động nhiệt của các nguyên tử ở các nút tinh thể Rõ ràng là khi nhiệt độ tăng thì biên độ dao động nhiệt của các nguyên tử tăng theo làm tăng sự tán xạ của các electron, tức làm tăng điện trở

Sự thay đổi của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 10C được gọi là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ:

) 1 (

0 - Điện trở suất của vật liệu đo ở nhiệt độ ban đầu (t0);

t - Hệ số nhiệt của điện trở suất

Hệ số nhiệt của điện trở suất nói lên sự thay đổi điện trở suất của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi Hệ số  gần như giống nhau đối với các kim loại tinh khiết và có trị

số gần đúng bằng 4.10-3 (1/0C)

Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất:

Khi kéo hoặc nén đàn hồi, điện trở suất của kim loại biến đổi theo công thức:

Dấu “+” ứng với khi biến dạng do kéo, dấu “-“ do nén

Trong đó:

σ - Ứng suất cơ khí của mẫu;

p - Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất

Trong thiên nhiên không tồn tại tinh thể có cấu trúc hoàn thiện Ở điều kiện thực tế thường xuyên có lỗi này hay lỗi khác Những khác biệt này gọi chung là khuyết tật Mặc dù nồng độ khuyết tật của những nguyên tử không lớn nhưng sự thay đổi tính chất vật lý của mạng tinh thể rất lớn

Điện trở tổng của kim loại là tổng của điện trở gây ra bởi sự tán xạ của electron trên dao động nhiệt của các nút mạng ρt à điện trở dư ρdu do sự tán xạ của các electron lên các khuyết tật: kl t du

Ảnh hưởng lớn nhất trong việc tạo điện trở dư là sự tán xạ trên tạp chất (luôn tồn tại ở dạng chất bẩn hay hợp kim) Chú ý rằng bất kỳ tạp chất nào pha vào đều làm tăng điện trở suất, thậm chí nếu tạp chất đó có điện dẫn suất lớn hơn kim loại ban đầu (Ví dụ: Pha 0.01% Ag vào dây đồng sẽ làm tăng điện trở suất lên 0.002μΩ.m)

2.1.2.3 Nhiệt dẫn xuất

Nhiệt dẫn xuất của kim loại dẫn điện có quan hệ với điện dẫn suất của kim loại

đó Theo định luật thực nghiệm Wiedemann – Franz giữa nhiệt dẫn xuất và điện trở suất có quan hệ với nhau theo công thức sau:

Nếu k = 1,38.10-23 J/độ và e = 1,6.10-19 C

Giá trị thực nghiệm của hằng số a đối với các kim loại khác nhau ở nhiệt độ bình thường với điện dẫn suất tính bằng S/m, còn nhiệt dẫn xuất –W/độ.m theo bảng dưới đây:

Bảng 2-2 Hằng số Wiedemann – Franz của một số kim loại

2.1.2.4 Sức nhiệt động

Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc thì giữa chúng phát sinh hiệu điện thế Nguyên nhân sinh ra hiệu điện thế tiếp xúc là do công thoát điện tử của kim loại khác nhau, đồng thời do số điện tử tự do khác nhau mà áp lực khi điện tử ở kim loại khác nhau có thể không giống nhau

Hình 2-1 Sơ đồ cấu tạo cặp dẫn điện

Theo thuyết điện tử, hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại A và B bằng:

B

A A

B AB

n

n e

KT u u u

uA, uB - Điện thế tiếp xúc của kim loại A và B;

n0A, n0B - Mật độ điện tử trong kim loại A và B

Hiệu điện thế tiếp xúc giữa các cặp kim loại dao động trong phạm vi từ vài phần mười von đến vài von, nếu nhiệt độ của cặp bằng nhau, tổng hiệu điện thế trong mạch kín bằng không Nhưng khi một phần tử của cặp có nhiệt độ T1 còn phần kia là T2 thì trong trường hợp này sẽ phát sinh sức nhiệt điện động

A

B B

A A

B A

B BA AB

n

n e

KT u u n

n e

KT u u u u u

0

0 2 0

n

n T T e

K u

2.1.2.5 Hệ số nhiệt độ dãn nở dài của vật dẫn kim loại

Hệ số dãn nở theo chiều dài của vật dẫn kim loại:

dT

dl l

l TK

t l

2.2 Vật liệu có điện dẫn cao

Vật liệu thuộc nhóm này là vật liệu có điện trở suất ở điều kiện bình thường không vượt quá 0.1μΩm Vật liệu có điện dẫn cao được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật điện là đồng và nhôm

2.2 1 Đồng (Cu)

Đồng có cấu trúc tinh thể là loại lập phương diện tâm Thông số mạng a=3,61A0, số nguyên tử bằng 29 Đồng là kim loại dẻo có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao (chỉ sau bạc Ag), chống được sự ăn mòn của không khí nhờ lớp ôxit CuO bảo vệ, tính đàn hồi cao Đồng nguyên chất mềm và dễ uốn, dễ dát mỏng (giấy đồng có thể mỏng đến 0,0008mm), có sức bền lớn khi bị va đập, có khả năng gắn và hàn dễ dàng, bề mặt đồng nguyên chất có màu cam đỏ Nó được sử dụng làm chất dẫn nhiệt và điện, vật liệu xây dựng, và thành phần của các hợp kim của nhiều kim loại khác nhau

Đồng không nhiễm từ Tính chất cơ học của đồng phụ thuộc vào mức độ tinh khiết trong nó Hợp kim đồng gồm nhiều vật liệu sẽ làm tăng điện trở suất vì vậy việc

sử dụng hợp kim đồng được hạn chế, chỉ chế tạo đối với những chi tiết có yêu cầu cơ khí cao hoặc ở những chi tiết mà điện trở không đóng vai trò quan trọng Hợp kim của đồng với cadimi Cd, Al, Sn, Ni, Zn sẽ tăng sức bền khi kéo và tăng tính chịu nhiệt

Như vậy, các ưu điểm của Cu làm cho nó được dùng rộng rãi để làm vật dẫn là: + Điện trở suất nhỏ (chỉ sau kim loại bạc), độ bền cơ học tương đối cao

+ Trong nhiều trường hợp đồng có tính chất chống ăn mòn tốt (đồng bị oxy hóa tương đối chậm so với sắt ở độ ẩm cao, đồng chỉ bị oxy hóa mạnh ở nhiệt độ cao)

+ Khả năng gia công tốt, đồng cán được thành tấm, thanh, kéo thành sợi, độ mảnh của dây có thể đạt tới vài phần ngàn mm

Khi chế tạo dây dẫn, thỏi đồng lúc đầu được cán nóng thành dây có đường kính 6,5-7,2mm, sau đó dây được rửa sạch trong dung dịch axit sunfuric loãng để khử oxit đồng CuO sinh ra trên bề mặt khi đốt nóng đồng, cuối cùng kéo nguội thành sợi có đường kính cần thiết đến 0,02 ÷ 0,03mm

Đồng tiêu chuẩn là đồng ở trạng thái ủ, ở 200C có điện dẫn suất 58 m/.mm2, nghĩa là  = 0,017241 .mm2/m Người ta thường chọn số liệu này làm gốc để đánh giá điện dẫn suất của các kim loại và hợp kim khác

Tính chất cơ của dây dẫn bằng đồng trong bảng sau Trong bảng này ta thấy ảnh hưởng rất mạnh của quá trình gia công đến tính chất cơ của vật liệu làm dây dẫn, cũng như ảnh hưởng của nhiệt luyện đến điện trở suất của kim loại

Bảng 2-3 Tính chất của dây dẫn đồng và nhôm

Giới hạn bền khi

kéo không nhỏ hơn kg/ mm2 36 ÷ 39 26 ÷ 28 16 ÷ 17 8 Điện dẫn suất của

nhôm tinh khiết có thể đạt tới 38.mm2

Độ dãn dài tương

đối không nhỏ hơn % 0,5 ÷ 2,5 18 ÷ 35 1,5 ÷ 2 10 ÷ 18

Điện trở suất không

MM - Đồng mềm có được sau khi ủ, tương đối dẻo, có độ cứng nhỏ, độ bền không lớn nhưng độ giãn dài lớn khi đứt và điện dẫn suất cao;

AT - Nhôm cứng (kéo nguội);

AM - Nhôm mềm (ủ ở 300 ÷ 4000C rồi để nguội từ từ)

Điện dẫn của Cu có thể thay đổi rất mạnh khi có tạp chất Ví dụ nếu trong đồng

có 0.5%Zn, Cd, Mg thì điện dẫn của Cu có thể giảm đi 5%, và nếu cũng có chừng đó các chất Ni, Sn, Al thì có thể giảm đến 25% ÷ 40%; còn nếu có tạp chất Ba, As, P, Si thì có thể đến 55% Vì vậy để làm vật dẫn thường chỉ dùng đồng điện phân chứa 99,9% Cu; nếu có ôxi thì đồng sẽ bị giòn

Đồng không có ôxi: Là đồng có độ bền cơ học rất tốt, trong nó không chứa quá 0.05% tạp chất và trong lượng tạp chất ấy thì lượng ôxi không quá 0.02%

Đồng cứng: Có sức bền cao, độ giãn dài bé, rắn và đàn hồi khi uốn

Đồng mềm: Được nung nóng xong để nguội từ từ, nó ít rắn, sức bền cơ học

kém, độ dãn khi đứt rất lớn, điện dẫn suất cao

Cả 2 loại đều có hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ như nhau

Về công dụng thì đồng cứng dùng ở nơi nào cần có sức bền cơ học cao, độ rắn lớn chịu được sự mài mòn còn đồng mềm thì được dùng ở nơi nào cần có độ uốn lớn

và sức bền cơ giới không đáng kể

Hợp kim đồng

Hợp kim đồng thường gặp là đồng thanh, đồng đỏ và đồng thau

Đồng thanh: Có từ 3% đến 25% Zn và có thể pha thêm một số tạp chất khác… Người ta dùng đồng thanh để gia công các vòng cổ góp điện, các giá đỡ chổi than các khung, các tiếp điểm, các vòng cung…

Đồng thanh còn được sử dụng cho việc chế tạo các dây dẫn viễn thông, các đường dây trên không và các dây dẫn tải điện, chế tạo máy và các khí cụ điện, để gia công các chi tiết dùng để nối dây dẫn điện, dùng để giữ dây, vòng đầu dây và các đế đai vít, đai ốc cho hệ thống nối đất…

Ngoài việc dùng đồng tinh khiết để làm vật dẫn, người ta còn dùng các hợp kim của đồng trong đó có các chất như Sn, Si, P, Cr, Mn, Cd với hàm lượng ít, loại này có tên là đồng đỏ (Bronze); tùy theo tạp chất pha thêm vào, đồng đỏ có tính chất cơ học cao hay thấp so với đồng thường: sức bền chịu kéo của đồng đỏ có thể đạt đến 80-135kg/mm2, điện trở suất lớn hơn so với đồng thuần tuý

Đồng đỏ thường được sử dụng để làm các lò xo dẫn điện

Đồng thanh cadmi: Nếu trong đồng có Cd thì hợp kim có độ bền cơ học, điện dẫn và độ rắn cao Loại đồng này có tính dẫn điện cao nhất dùng để chế tạo dây dẫn cho tàu điện, các cổ góp điện, vòng trượt, làm đầu tiếp xúc các phiến đồng trong cổ góp của máy điện

Đồng thanh phốt pho: Có độ bền cao và tính đàn hồi lớn Do tính dẫn điện thấp nên dùng để sản xuất các chi tiết lò xo cần mật độ dòng điện bé

Đồng thanh có tính dễ đúc cao nên dùng trong các chi tiết dẫn điện có hình dáng phức tạp

Đồng thau (Latun): Đồng thau là một hợp kim đồng với kẽm, trong đó kẽm không vượt quá 46%… Dùng để gia công các chi tiết dẫn điện như: các đầu cực ở các bảng điện phân phối, các nối phân cách, các đầu nối đến hệ thống tiếp đất, các móc giữ, các móc hình chữ T cho các mối nối nhánh, các đế đèn, các ổ cắm điện…

Đồng thau có điện trở suất cao hơn so với đồng, có thể chịu được các quá trình gia công nên thường được dùng để chế tạo các chi tiết có độ bền cao như roto lồng sóc trong động cơ điện, các chi tiết như vít, chốt, khóa, làm các chi tiết dẫn điện trong vô tuyến điện

Bảng 2-4 Tính chất một số hợp kim đồng sử dụng trong kỹ thuật điện

Hợp kim Trạng thái Điện dẫn % so với đồng Giới hạn bền kéo kg/mm 2 Độ dãn dài tương đối

khi đứt, %

Đồng thanh cadmi

(0,9%Cd)

ủ kéo nguội 83 95 ÷ 90

Đến 31 Đến 73 50 4 Đồng thanh

(0,8%Cd, 0,6%Sn)

ủ kéo nguội 55 50 ÷÷ 60 55

29 Đến 73 55 4 Đồng thanh

(2,5%Al, 2%Sn)

ủ kéo nguội 15 15 ÷÷ 18 18

37 Đến 97 45 4 Đồng thanh photpho

(0,1%P, 7%Sn)

ủ kéo nguội 10 10 ÷÷ 15 15 105 40

60

3 Đồng thau

(70%Cu, 30%Zn)

ủ kéo nguội 25 25

32 ÷ 35 Đến 88 60 ÷5 70

2.2.2 Nhôm (Al)

Sau đồng, nhôm là vật liệu quan trọng thứ hai được sử dụng trong kỹ thuật điện Nhôm dẫn điện tốt chỉ sau Ag, Cu, Au, nhôm có điện trở suất ρ = 2,9.10-6 Ωcm, nó dẫn nhiệt tốt λ = 3,12 w/cm.0C Nhôm chịu ăn mòn tốt do có lớp oxit Al2O3 bảo vệ

Nhôm dễ dát mỏng, kéo dài và tương đối mềm, có nhiệt độ nóng chảy thấp (tnc=6800C ) Độ bền cơ học thấp, khó hàn, dễ bị tác dụng với muối, nước, HCl, NaOH đậm đặc Nhôm là loại vật liệu sử dụng rộng rãi thứ hai sau đồng, là loại vật liệu có màu bạc, trắng và là một kim loại nhẹ Nhôm có khối lượng riêng gần bằng 2,6g/cm3, nhôm cán là 2,7g/cm3, nhẹ hơn đồng 3,5 lần (nếu 2 dây dẫn đồng và nhôm bằng nhau

về độ dài, bằng nhau về điện trở thì mặc dù nhôm có tiết diện lớn hơn 1,68 lần, đường kính lớn hơn 1,3 lần nhưng nó lại nhẹ hơn đồng gần 2 lần), còn các hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung, nhiệt lượng để cho chảy thì lớn hơn đồng (do đó để cho nhôm chuyển sang trạng thái lỏng cần nhiều nhiệt năng hơn so với đồng, tuy rằng điểm nóng chảy của nhôm thấp hơn đồng) Điện trở suất của nhôm gấp 1,6 lần đồng, nhôm lại có nhiều trong thiên nhiên, giá thành rẻ hơn đồng Nhôm là có độ bền cơ học thấp và khó hàn so với đồng

Nhôm có tính dẻo lớn nên có thể sản xuất thành lá, dây, thanh, giấy nhôm Nhôm nguyên chất dùng làm bản cực cho tụ điện, vỏ bọc bảo vệ dây cáp thay cho chì

vì có tính mềm dẻo, chống ăn mòn tốt Cũng như đồng, nhôm được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật làm dây dẫn, làm dụng cụ gia đình…

Nhôm dễ bị oxi hóa và khi đó sẽ hình thành lớp ôxi mỏng có điện dẫn bé có tác dụng bảo vệ không cho nhôm bị tiếp tục ăn mòn, nhưng lại làm cho chỗ tiếp xúc có điện trở lớn, không cho phép tiến hành hàn nhôm bằng phương pháp thông

thường (khi hàn nhôm phải dùng que hàn đặc biệt hay phương pháp siêu âm) Lớp ôxit nhôm dày có thể dùng làm cách điện, do đó khi dùng nhôm đã bị oxi hoá để làm cuộn dây thì có thể không dùng cách điện giữa các vòng dây và các lớp dây, nhược điểm chính của cách điện loại này là hạn chế tính dẻo và có tính hút ẩm cao

Trong thực tế đối với nhôm cần chú ý đến hiện tượng ăn mòn điện phân chỗ

điện động có chiều sao cho dòng điện đi từ nhôm sang đồng, do đó phần nhôm ở chỗ tiếp xúc bị ăn mòn rất nhiều; vì vậy chỗ tiếp xúc giữa đồng và nhôm cần chú

ý bảo vệ chống ẩm (quét sơn) Ôxit nhôm sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật chế tạo

tụ điện, bộ nắn và các bộ chống sét Nhôm là vật liệu dễ phun thành bụi và kết dính với Si và màng cách điện từ SiO2 sử dụng trong kỹ thuật bán dẫn

Ngoài ra, nhôm còn có một số ưu nhược điểm sau:

- Nhược điểm:

+ Cùng một tiết diện và độ dài, nhôm có điện trở cao hơn đồng 1,63 lần

+ Khó hàn nối hơn đồng, chỗ nối tiếp xúc không hàn dễ hình thành lớp oxit nhôm có điện trở cao, phá hủy chỗ tiếp xúc

+ Khi cho nhôm và đồng tiếp xúc với nhau, nếu bị ẩm sẽ hình thành pin cục bộ

có trị số suất điện động khá cao, dòng điện đi từ nhôm sang đồng phá hủy mối tiếp xúc khá nhanh

- Ưu điểm:

Giá thành thấp hơn so với đồng, trọng lượng nhẹ nên được dùng để chế tạo các đường dây tải điện trên không, những đường cáp này để có điện trở nhỏ nên phải tăng đường kính dây nên giảm được hiện tượng phóng điện vầng quang Nhôm tinh khiết

có thể thay thế chì để làm vỏ cáp

* Các nhãn hiệu của nhôm: Nhôm sử dụng trong kỹ thuật điện có tạp chất trong thành phần không quá 0,5%, ký hiệu là Al Nhôm tinh khiết hơn với nhãn hiệu là AB00 (không quá 0,03% tạp chất) được sử dụng để sản xuất nhôm lá, các điện cực và

vỏ tụ điện Nhôm tinh khiết cao hơn nữa là AB000 có lượng tạp chất không quá 0,004%

Các tạp chất khác nhau ở trong nhôm sẽ làm giảm điện dẫn của nhôm ở các mức độ khác nhau Nếu thêm niken, Silic, kẽm hay sắt vào nhôm khoảng 0,5% sẽ làm điện dẫn của nhôm đã ủ giảm 2 ÷ 3% Tương tự các tạp chất như đồng, bạc và magiê

có thể giảm điện dẫn đến 5 ÷ 10% và giảm nhiều nhất nếu chất phụ là titan và mangan Công nghệ gia công nhôm như cán, kéo, ủ cũng tương tự như đối với đồng Nhôm có thể cán thành lá rất mỏng từ 6 ÷ 7m, dùng làm cực bản trong các tụ điện giấy

Hợp kim của nhôm

Trong kỹ thuật thường dùng nhôm có chứa tạp chất không quá 0,5% để làm các

lá nhôm, điện cực, vỏ của các tụ điện …

Các tạp chất làm giảm tính dẫn điện của nhôm Nếu trong nhôm có chứa khoảng 0,5% (Ni, Si, Zn, Fe, Pb) thì điện dẫn suất giảm không quá 2% ÷ 3% Nếu trong nhôm chứa Cu, Ag hay Mg thì tính dẫn giảm 5%-10% Điện dẫn của nhôm còn giảm mạnh hơn nữa khi tạp chất là Ti, Mn Trong nhôm kỹ thuật tạp chất chủ yếu là

Fe, Si

- Hợp kim Aldrey: Có khoảng 0,4% Mg, 0,5% Si, 0,3% Fe

Điện trở suất ρ = 0,0317Ω mm2/m, độ bền cơ học gần bằng đồng nhưng nhẹ như nhôm nguyên chất nên được dùng làm đường dây tải điện trên không có khoảng cách giữa các cột lớn

- Nhôm kỹ thuật A, E: Có lượng tạp chất nhỏ hơn 0,5%, được ủ mềm ở nhiệt độ

từ 3300C đến 3700C được dùng làm dây dẫn có điện trở suất nhỏ

- Nhôm kỹ thuật: Có chứa tạp chất chủ yếu là Fe và Si

Các tạp chất làm giảm tính dẫn điện của nhôm là Ni, Si, Zn, Fe, Pb … cứ 0,5% lượng tạp chất sẽ làm giảm điện dẫn suất 2% đến 3%, đồng làm giảm 5% đến 10%,

Mn giảm hơn 10%

Ngoài ra, người ta còn dùng nhiều loại dây nhôm lõi thép để làm dây tải điện Loại này độ bền cơ do lõi thép quyết định, còn tính dẫn điện do nhôm Đường kính ngoài của dây nhôm lõi thép lớn hơn so với dây đồng Khi dùng làm dây tải điện trên không, với điện áp cao, có thể giảm được tổn thất do phát sinh vầng quang điện ở bề mặt dây dẫn

- Hợp kim nhôm đúc: Có điện trở suất cao để đúc roto lồng sóc có hệ số trượt cao, có moment khởi động cao, đúc các động cơ nhiều tốc độ và các động cơ có những công dụng đặc biệt khác

2.2.3 Sắt (Fe)

Thép (sắt công nghiệp) là kim loại rẻ tiền và dễ kiếm nhất, nó có độ bền cơ cao,

do đó cũng được sử dụng nhiều làm vật dẫn Nhưng ngay cả sắt tinh khiết cũng có điện trở suất lớn hơn nhiều so với đồng và nhôm (khoảng 0,1.mm2/m), còn thép là hợp chất của sắt với cacbon và các kim loại khác có điện trở suất cao hơn nhiều

Dòng điện xoay chiều trong thép sẽ gây nên hiệu ứng bề mặt đáng kể, vì vậy điện trở dây thép đối với dòng xoay chiều cao hơn điện trở đối với dòng một chiều Ngoài ra dòng xoay chiều trong thép còn gây ra hiện tượng tổn thất từ trễ

Để làm dây dẫn điện người ta thường dùng thép mềm có 0,10 ÷ 0,15% cacbon, giới hạn bền kéo 70 ÷ 75 kg/mm2, độ dãn dài tương đối khi đứt 5 ÷ 8%, điện dẫn suất nhỏ hơn đồng 6 ÷ 7 lần, vì thế thép dùng làm dây dẫn đường dây tải điện trên không với công suất tương đối nhỏ Trong trường hợp này sử dụng thép có lợi hơn khì khi trị

số dòng điện nhỏ, tiết diện dây không xác định theo điện trở mà theo độ bền cơ của nó

Thép cũng dùng làm vật liệu dẫn điện dưới dạng thanh dẫn, đường ray tàu điện, đường sắt chạy điện, tàu điện ngầm… Để làm lõi của dây nhôm, lõi thép dùng dây thép có độ bền đặc biệt với giới hạn bền kéo 120 ÷ 150 kg/mm2 và độ dãn dài tương đối 4 ÷ 5%

Nhược điểm của thép là khả năng chống ăn mòn kém ngay ở nhiệt độ bình thường và đặc biệt khi độ ẩm cao thép sẽ bị gỉ nhanh Khi ở nhiệt độ cao tốc độ ăn mòn tăng mạnh, vì vậy bề mặt dây thép cần được bảo vệ bằng lớp kim loại bền hơn, thường là kẽm hoặc crom, niken…

- Lưỡng kim: Trong nhiều trường hợp để giảm chi phí kim loại màu trong kết cấu vật dẫn có thể sử dụng vật lưỡng kim là thép có bọc lớp đồng ở bên ngoài, cả hai kim loại gắn chặt với nhau và liên tục suốt bề mặt tiếp xúc của chúng, thường chế tạo theo phương pháp nóng bằng cách cho thỏi thép vào khuôn rồi rót đồng nóng chảy vào khe giữa thép và khuôn, để nguội sẽ được thỏi lưỡng kim rồi đem cán và kéo hoặc chế tạo theo phương pháp nguội bằng cách phủ đồng lên dây thép trong bể điện phân có chứa dung dịch đồng sunfat, phương pháp này đảm bảo lớp đồng bao bọc đồng đều hơn nhưng tiêu phí điện năng lớn, sức bám của đồng không bền bằng phương pháp nóng

Một điều cần chú ý là đồng phải ở lớp ngoài, thép ở trong chứ không làm ngược lại vì với dòng điện xoay chiều dây lưỡng kim có điện dẫn cao hơn, mặt khác đồng bảo vệ thép ở bên trong khỏi bị oxy hóa

Dây lưỡng kim được dùng làm đường dây thông tin tải điện, thanh cái thiết bị phân phối, thanh trụ của cầu dao, các phần dẫn điện khác trong thiết bị phân phối điện chế tạo bằng vật liệu lưỡng kim

Vonfram là kim loại rắn, rất nặng, có màu xám và có nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong các kim loại

Vonfram được dùng làm tiếp điểm vì các ưu điểm:

- Ổn định lúc làm việc

- Độ mài mòn cơ nhở do vật liệu có độ cứng cao Khó bị ăn mòn

- Có khả năng chống tác dụng của hồ quang, không làm dính các tiếp điểm do khó nóng chảy

Nhược điểm của Vonfram khi làm vật liệu tiếp xúc:

- Khó gia công do độ cứng và nhiệt độ nóng chảy cao

- Tạo màng oxit trên bề mặt ở điều kiện khí quyển bình thường

- Cần có áp lực tiếp xúc lớn để có trị số điện trở tiếp xúc nhỏ

- Đối với các tiếp điểm có công suất cắt lớn người ta thường dùng kim loại gốm được chế tạo bằng cách ép phôi từ bột Vonfram dưới áp lực lớn, thiêu kết trong khí hyđro để có độ bền tốt nhưng lại xốp, sau đó thấm bạc hay đồng nóng chảy để tăng điện dẫn

2.3.2 Molipden (Mo)

Molipden là kim loại màu xám trắng bạc, nhìn bề ngoại gần giống như Vonfram, được dùng nhiều trong kỹ thuật chân không ở nhiệt độ thấp hơn so với Vonfram Các chi tiết nung bằng Molipden phải làm việc trong môi trường chân không hoặc môi trường khử do bị oxy hóa mạnh ở nhiệt độ cao

Molipden có độ cứng cao (sau Vonfram) Độ bền cơ của phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp gia công vật liệu, hình dáng sản phẩm và quá trình nhiệt luyện Giới hạn bền kéo có thể từ 35 ÷ 250 kg/mm2, còn độ giãn dài tương đối khi đứt từ 2 ÷ 55% Molipden có hệ số giãn nở nhiệt thấp nhất trong số các kim loại sử dụng ở quy mô thương mại (4,8 µm/m.K ở 250C)

Trong công nghiệp Molipden dùng nhiều nhất là loại M4 - Molipden tinh khiết

và MK - Moliplen có pha kiềm Silic Molipden MK có độ bền cơ cao ở nhiệt độ cao

được dùng làm tiếp điểm điện Molipden bị oxy hóa nhanh ở nhiệt độ 4000C trở lên, mạnh nhất ở 600 ÷ 7000C Molipden cũng được sử dụng trong các hợp kim vì khả năng chống ăn mòn cũng như khả năng hàn được khá cao của nó Phần lớn các hợp kim thép sức bền cao chứa khoảng 0,25% tới 8% molypden Mặc dù chỉ sử dụng ở những tỷ lệ thấp như vậy, nhưng trên 43.000 tấn Molypden đã được sử dụng như là tác nhân tạo hợp kim mỗi năm trong sản xuất thép không gỉ, thép công cụ cùng các siêu hợp kim chịu nhiệt

2.3.3 Tantali (Ta)

Tantali là nguyên tố hiếm, cứng, có màu xám - xanh óng ánh, nặng, dễ uốn,

cứng, dễ gia công, chống ăn mòn do axit rất tốt, dẫn điện và nhiệt tốt Ở nhiệt độ

1500C Tantali gần như không phản ứng hóa học với chất nào, ngay cả với nước cường toan Nó chỉ phản ứng với dung dịch HF, dung dịch axit chứa ion F- và SO32- Tantali

được dùng trong các dụng cụ phẫu thuật và và cấy ghép trong cơ thể, vì nó không phản ứng với các dịch thể

Khác với Volfram và Molipden là Tantali không trở nên giòn ở nhiệt độ rất cao trong chân không, kết hợp với nhiệt độ nóng chảy cao, có độ dẻo cao và kết cấu bền vững đã đặt vị trí của nó vào loại vật liệu sử dụng trong kỹ thuật chân không ở những nơi có tầm quan trọng đặc biệt

Tantali cũng được dùng để tạo ra nhiều hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao, cứng và dễ gia công Tantali có điện dung lớn nhất trong số các vật liệu dùng trong tụ điện có điện dung lớn, kích thước nhỏ nên tụ điện Tantali thường được dùng trong công nghiệp sản xuất tụ điện của điện thoại di động, máy tính cá nhân và điện tử của ô

tô

2.3.4 Niobi (Nb)

Niobi là kim loại mềm màu xám nhưng có ánh lam khi bị phơi ra ngoài không khí ở nhiệt độ phòng trong một thời gian dài Các tính chất hóa học của Niobi là gần giống như Tantali và nó nằm trong quặng cùng với quặng có Tantali Khi cần làm việc với Niobi ở nhiệt độ hơi cao thì nó cần được đặt trong môi trường có bảo vệ Kim loại này bắt đầu bị oxy hóa trong không khí ở nhiệt độ 2000C Niobi có tính hấp thụ khí rất cao ở nhiệt độ 4000C - 9000C Vì thế trong các dụng cụ chân không các linh kiện làm bằng Niobi hấp thụ lượng khí còn lại

Niobi có nhiều ứng dụng: Nó là thành phần của một vài loại thép không

gỉ và hợp kim của các kim loại phi sắt khác Nó cũng là thành phần bổ sung rất quan trọng cho thép HSLA, được sử dụng rộng rãi làm thành phần cấu trúc cho các ô

tô ngày nay Các hợp kim này rất bền và thường được dùng làm các đường ống

Kim loại này có tiết diện bắt nơtron thấp đối với các nơtron nhiệt và vì thế có ứng dụng trong công nghiệp hạt nhân

Được dùng trong các que hàn hồ quang cho một số cấp ổn định của thép không

gỉ Lượng thích hợp Niobi trong dạng ferroniobi và niken niobi độ tinh khiết cao được

sử dụng trong các siêu hợp kim gốc niken, coban, sắt trong các ứng dụng như chế tạo các bộ phận của động cơ phản lực, tên lửa và các thiết bị chịu nhiệt

Niobi được lượng giá như là vật liệu thay thế cho Tantali trong các tụ điện

Do Niobi và một số hợp kim của Niobi là trơ về mặt sinh lý (và vì thế ít gây dị ứng), chúng được sử dụng trong ngành kim hoàn và trong các thiết bị y tế như máy điều hòa nhịp tim Niobi được xử lý bằng NaOH tạo ra các lớp xốp hỗ trợ cho kỹ thuật cấy ghép xương

Niobi cũng được bổ sung vào thủy tinh để thu được chiết suất cao hơn, một tính chất được sử dụng trong công nghiệp quang học để chế tạo các loại kính điều hòa mỏng hơn

Niobi trở thành chất siêu dẫn khi hạ nhiệt độ xuống dưới điểm sinh hàn Ở áp suất thường, nhiệt độ tới hạn cao nhất của nó để có tính siêu dẫn là 9,3 K Niobi có hiệu ứng Meissner lớn nhất trong số mọi nguyên tố đã biết Ngoài ra, nó là một trong

ba nguyên tố có tính siêu dẫn kiểu II (cùng vanadi và tecneti) Hợp kim niobi - thiếc và niobi - titan được sử dụng như là dây cuốn cho các nam châm siêu dẫn có khả năng tạo

ra từ trường cực mạnh Niobi cũng được sử dụng ở dạng tinh khiết để làm các cấu trúc gia tốc siêu dẫn cho các máy gia tốc hạt

2.3.5 Crom (Cr)

Crom là một kim loại cứng, mặt bóng, màu xám thép với độ bóng cao và nhiệt

độ nóng chảy cao Nó là chất không mùi, không vị và dễ rèn Trong luyện kim, Crom dùng để tăng cường khả năng chống ăn mòn và đánh bóng bề mặt

Là kim loại rất thông dụng trong thực tế, có tính bền vững hoá học rất cao vì thế

nó được sử dụng để bảo vệ bề mặt của kim loại, Crom có tính dính với thủy tinh, gốm

sứ và liên kết với bất kỳ một kim loại nào, nó nằm trong hầu hết các hợp kim dùng để đốt nóng cặp nhiệt ngẫu, kim loại không rỉ, thép chịu nhiệt và vật liệu từ

2.3.6 Reni (Re)

Re là kim loại nặng, hợp kim của nó với W được sử dụng trong công nghiệp đèn điện tử và thiết bị chân không thay cho W, có thể tạo cặp nhiệt ngẫu để đo được nhiệt độ tới 25000C ÷ 28000C ở chân không, trong kỹ thuật điện tử Re được sử dụng

để bảo vệ khỏi ăn mòn các linh kiện làm bằng đồng, bạc, W, Mo

2.3.7 Vàng (Au)

Vàng là kim loại màu sáng chói, có tính dẻo cao, dễ kéo dài, dát mỏng, giới hạn bền kéo là 15kg/mm2, độ giãn nở dài tương đối khi đứt là 40% Trong kỹ thuật điện vàng dùng như vật liệu tiếp xúc để làm lớp mạ chống ăn mòn, điện cực của tế bào quang điện, trong vi mạch điện tử Vàng là vật liệu quý hiếm nên trong kỹ thuật chỉ

sử dụng khi cần thiết

2.3.8 Bạc (Ag)

Bạc là kim loại có màu trắng sáng, không bị oxy hóa ở điều kiện nhiệt độ bình thường Bạc có trị số điện trở suất nhỏ nhất trong các kim loại Giới hạn bền kéo của bạc gần bằng 20kg/mm2, độ giãn dài tương đối khi đứt khoảng 50% Bạc dùng để sản xuất các tiếp điểm có dòng điện nhỏ, bạc cũng dùng làm cực bản trong sản xuất tụ gốm, tụ mica

Nhược điểm của bạc là khi môi trường xung quanh có độ ẩm và nhiệt độ cao, bạc có khuynh hướng chui vào bên trong điện môi mà nó được gắn vào Độ bền hóa học của bạc thấp hơn so với một số kim loại khác

2.3.9 Bạch kim (Platin - Pt)

Bạch kim là kim loại không kết hợp với oxy và rất bền vững với thuốc thử hóa học Bạch kim rất dễ gia công cơ khí, kéo thành sợi mảnh và dát mỏng Giới hạn bền kéo sau khi ủ khoảng 15kg/mm2, độ giãn dài tương đối khi đứt khoảng 30 ÷ 35%

Bạch kim có độ giãn nở nhiệt rất thấp và khó nóng chảy nên dùng để sản xuất cặp nhiệt ở nhiệt độ làm việc đến 16000C (trong cặp có hợp kim Platin - Norodi)

Sợi bạch kim đặc biệt mảnh, đường kính khoảng 0,001mm dùng để treo hệ thống động trong các đồng hồ điện và các dụng cụ đo có độ nhạy cao

Do độ cứng thấp, Platin tinh khiết ít khi được sử dụng làm tiếp điểm, nhưng hợp kim của nó lại được dùng nhiều làm tiếp điểm, phổ biến nhất là hợp kim Platin - Inđi, nó không bị oxy hóa, có độ cứng cao, ít bị ăn mòn cơ học, độ giãn nở do nhiệt rất thấp, cho phép đóng cắt với tần số lớn Nhược điểm của bạch kim và hợp kim là đắt tiền, chỉ dùng trong trường hợp thật cần thiết

2.3.10 Niken (Ni)

Niken là kim loại ánh bạc trắng có khối lượng riêng xấp xỉ đồng, được sử dụng nhiều trong kỹ thuật điện chân không vì nó dễ điều chế tinh khiết (99,99%Ni)

Ngoài ra, Niken còn được sử dụng tạo các hợp kim đặc biệt dẫn điện và từ, với các chất phụ Silic, Mangan cũng như làm lớp bọc và trang trí các sản phẩm bằng sắt

do Niken có khả năng chống ăn mòn tốt Đôi khi Niken còn dùng để sản xuất các chi tiết sưởi nóng Niken sau khi ủ có độ bền cơ tốt và độ giãn dài tương đối cao 35 ÷ 50% Niken dễ gia công bằng các phương pháp cơ ngay cả khi nguội như rèn, dập, cán, rèn khuôn, kéo sợi và có tính ăn khuôn tốt

2.3.11 Chì (Pb)

Chì là kim loại màu xám, trên vết mới cắt có ánh kim loại xám, nhưng bị mờ đi nhanh do bị oxy hóa bề mặt Chì có điện trở suất cao nhưng khi ở nhiệt độ rất tháp chì

có thể chuyển sang trạng thái siêu dẫn

Ưu điểm của chì là có khả năng chống ăn mòn cao Nó bền vững với tác động của nước, các axit HCl, H2SO4 và một số hóa chất khác Tuy nhiên axit nitơric (HNO3)

và axít axetic CH3COOH, các chất hữu cơ mục nát, vôi, xút lại phá hủy chì

Chì và các hợp kim của nó thường dùng làm vỏ bọc bảo vệ của cáp để chống

ẩm, dùng để sản xuất cầu chì (cầu chảy) do nhiệt độ nóng chảy thấp, phiến chì của ắc quy chì

Chì được dùng làm vật liệu hấp thụ tia X (tia rơnghen) Trong kỹ thuật cáp điện

người ta dùng chì nhãn hiệu C-2 và C-3 với tạp chất không quá 0,08% và 0,14% Chì

và hợp chất của nó khá độc Hiện nay vỏ chì của các sản phẩm cáp được thay bằng nhựa polyvinylclorua bền và rẻ tiền hơn nhiều

2.3.12 Thiếc (Sn)

Thiếc kim loại có màu trắng bạc có cấu tạo tinh thể rõ rệt Thiếc kim loại mềm,

dễ vuốt, có thể dát thành lá mỏng, nhiệt độ nóng chảy thấp Giới hạn bền kéo của thiếc trắng dao động từ 1,6 ÷ 3,8kg/mm2

Thiếc-β (dạng kim loại hay thiếc trắng), ổn định ở mức nhiệt độ phòng và cao

hơn, có tính dễ dát mỏng; trong khi thiếc-α (dạng phi kim hay thiếc xám), ổn định ở nhiệt độ dưới 13,2°C, có tính giòn, và tỷ trọng 7,92g/cm3 Nó có dạng cấu trúc tinh thể

kiểu kim cương, tương tự như silic hay germani Thiếc-α không có tính chất kim loại

nào cả, chúng bền ở nhiệt độ dưới 140C có tỷ trọng 5,85g/cm3 Thiếc -α là một loại bột

màu xám xỉn không có ứng dụng rộng rãi, ngoại trừ một vài ứng dụng làm vật liệu bán

dẫn đặc biệt Hai dạng thù hình khác là thiếc-γ và thiếc-σ tồn tại ở nhiệt độ trên 161°C

và áp suất trên vài GPa (thiếc thoi)

Thiếc được dùng làm lớp vỏ bọc bảo vệ kim loại (tráng thiếc), sử dụng trong hợp kim đồng thanh và các hợp kim dùng để hàn Lá thiếc mỏng (6 ÷ 8m) dùng để sản xuất các loại tụ điện thường có thêm một số chất phụ với gần 15% chì,1% antimon

để dễ cán và tăng cường độ bền cơ Lá thiếc dày 20 ÷ 40m dùng để làm cực bản trong các tụ điện mica

2.3.13 Kẽm (Zn)

Kẽm là kim loại màu sáng, được dùng làm lớp mạ bảo vệ, có trong thành phần của đồng thau và điện cực pin Kẽm còn được sử dụng trong tế bào quang điện, giấy kim loại trong tụ điện kích thước nhỏ được chế tạo bằng cách cho kẽm khuếch tán trong chân không ở nhiệt độ khoảng 6000C Kẽm một vật liệu dễ gia công, không đắt

mà nặng, kẽm được sử dụng để thay thế cho chì Do ngộ độc chì ngày càng nhiều nên kẽm được dùng làm vật nặng trong nhiều ứng dụng khác nhau

Kẽm ở nhiệt độ bình thường tương đối giòn, khi bị đốt nóng đến 1000C nó trở nên dẻo và dễ vuốt, lên đến 2000C nó lại trở nên giòn Khi ở nhiệt độ nóng chảy hệ số nhiệt điện trở suất của kẽm rất nhỏ Kẽm cũng có thể chuyển sang trạng thái siêu dẫn

2.3.14 Cadmi (Cd)

Là một kim loại tương đối hiếm, mềm, màu trắng ánh xanh và có độc tính, cadmi tồn tại trong các quặng kẽm và được điều chế như một sản phẩm phụ của kẽm, sau đó được tinh chế bằng phương pháp điện phân Cadmi sử dụng chủ yếu trong các loại pin và trong các lớp sơn phủ, các tấm mạ kim và làm chất ổn định cho plastic Cadmi sử dụng trong các hợp kim làm vòng bi hay gối đỡ do có hệ số ma sát thấp và khả năng chịu mỏi cao

- Các hợp chất chứa cadmi được sử dụng trong các ống hình của ti vi đen trắng hay ti vi màu (phốt pho đen, trắng, lam và lục)

- Một số hợp chất của cadmi sử dụng làm chất ổn định trong PVC

2.3.15 Thủy ngân (Hg)

Là một kim loại nặng có ánh bạc, thủy ngân là một nguyên tố kim loại được biết có dạng lỏng ở nhiệt độ thường Thủy ngân thu được chủ yếu bằng phương pháp khử Thủy ngân có tính dẫn nhiệt kém nhưng dẫn điện tốt

Thủy ngân tạo ra hỗn hống với phần lớn các kim loại, bao gồm vàng, nhôm và bạc, đồng nhưng không tạo hốn hống với sắt Do đó, người ta có thể chứa thủy ngân trong bình bằng sắt

Thủy ngân được dùng làm catốt lỏng trong chỉnh lưu thủy ngân, sử dụng trong đèn thủy ngân và các dụng cụ phóng điện chứa khí, trong các đèn chiếu sáng ban ngày Thủy ngân cũng dùng làm tiếp điểm trong rơle, làm điện cực thủy ngân khi đo tính chất điện của các điện môi rắn trong nhiều trường hợp thí nghiệm Thủy ngân, hơi thủy ngân và hợp chất của nó rất độc do vậy khi sử dụng và sản xuất thiết bị cần chú ý đến an toàn

2.3.16 Vật liệu hàn

Chất hàn là hợp kim đặc biệt dùng khi hàn Hàn nhằm mục đích tạo chỗ nối có

độ bền cơ hay để có độ kín, hoặc để có tiếp xúc điện với điện trở nhỏ

Chất hàn chia làm hai nhóm: Mềm và cứng Chất hàn mềm có nhiệt độ nóng chảy đến 4000C Chất hàn cứng có nhiệt độ nóng chảy trên 5000C Ngoài nhiệt độ nóng chảy, chất hàn còn khác nhau về độ bền cơ Chất hàn mềm có giới hạn bền kéo

không quá 5-7kg/mm2, trong khi đó chất hàn cứng đạt đến 50kg/mm2

Chất hàn được chọn theo kim loại được hàn, theo yêu cầu về độ bền cơ, độ chống ăn mòn và giá thành chất hàn và khi hàn các bộ phận dẫn điện phải rất chú ý đến điện dẫn của chất hàn

Chất hàn mềm là hợp kim chì - thiếc có từ 18 ÷ 90% Sn, điện dẫn suất các chất

hàn có trị số từ 9 đến 13% điện dẫn suất của đồng, hệ số dãn nở nhiệt bằng (26 ÷ 27).10-6độ-1 Thiếc hàn là hợp kim có nhiệt độ nóng chảy khá thấp, khoảng từ 90 đến 450°C, được sử dụng trong việc liên kết bề mặt các kim loại khác nhau Thông thường, nhiệt độ nóng chảy của thiếc hàn trong khoảng từ 180 đến 190°C Thiếc hàn có thể chứa chì hay chất trợ chảy nhưng trong phần lớn các trường hợp hiện nay thì thiếc hàn không chứa chì mà thay bằng antimon, bismut và cadmi và có thể có nhôm, bạc Chất

hàn cứng phổ biến nhất là đồng - kẽm và bạc

2.3.17 Chất giúp chảy (trợ dung)

Chất trợ dung có tác dụng hòa tan, khử oxit và chất bẩn ở bề mặt kim loại được hàn, bảo vệ bề mặt kim loại trong quá trình hàn, cũng như chất hàn nóng chảy khỏi bị oxy hóa, giảm lực căng mặt ngoài của chất hàn nóng chảy, cải thiện tính chảy và dính của chất hàn với bề mặt được hàn

Tùy theo tác dụng đối với kim loại được hàn, chất trợ dung được chia ra thành một số nhóm sau:

- Chất trợ dung hoạt tính hay chất trợ dung axit: Thành phần cơ bản là các hợp chất hoạt tính như HCl, muối florua và clorua kim loại Các chất này hòa tan mạnh lớp oxit trên bề mặt kim loại để mối hàn bám dính tốt, tăng độ bền cơ của mối hàn Nhược điểm là phần chất trợ dung còn sót lại sau khi hàn sẽ ăn mòn chất hàn và kim loại được hàn, vì vậy phải rửa thật sạch và loại bỏ hoàn toàn chất trợ dung loại này sau khi hàn

- Chất trợ dung không có axit: Loại này có nhựa thông (colophan) và những chất trợ dung gốc nhựa thông cùng những chất phụ không hoạt tính như cồn, glycerin

- Chất trợ dung hoạt hóa gồm các chất có thành phần chủ yếu là nhựa thông và các chất hoạt hóa phụ như axit nitric, axit nitrit Nhờ hoạt tính cao, chất trợ dung hoạt hóa cho phép hàn sau khi khử hết dầu mỡ mà không cần khử oxy

- Chất giúp chống gỉ: Thành phần chủ yếu là axit photphoric với các hợp chất hữu cơ và dung môi phụ khác nhau Cũng có các chất chống gỉ thành phần chủ yếu là các axit hữu cơ Phần sót lại của các chất này sau hàn không gây ăn mòn

2.4 Các hợp kim có điện trở cao - Vật liệu dẫn điện phi kim và vật liệu siêu dẫn 2.4.1 Hợp kim

2.4.1.1 Cấu tạo của hợp kim

Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hai hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại và hợp kim có tính chất của kim loại Trong thành phần của hợp kim có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố á kim, thí dụ thép là hợp kim của sắt và cacbon Hợp kim được chế tạo chủ yếu bằng cách nấu chảy, ngoài ra cũng có thể bằng các phương pháp khác như: điện phân, thiêu kết…

2.4.1.2 Tính chất chung của hợp kim

* Tính chất lý học của hợp kim: Hợp kim có tính chảy loãng, tính dẫn nhiệt, tính giãn dài khi đốt nóng, vẻ sáng mặt ngoài, độ dẫn điện, độ thẩm từ …

- Tính nóng chảy: Hợp kim có tính chảy loãng khi đốt nóng và đông đặc lại làm nguội Nhiệt độ ứng với hợp kim chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy

- Tính dẫn nhiệt: Là tính chất truyền nhiệt của hợp kim khi bị đốt nóng hoặc làm lạnh Khi hợp kim có tính chất dẫn nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, cũng như càng dễ nguội lạnh nhanh

- Tính giãn nở nhiệt: Khi đốt nóng, các hợp kim giãn nở ra và khi nguội lạnh nó

co lại Sự giãn nở này cần đặt biệt chú ý trong nhiều trường hợp cụ thể

- Tính nhiễm từ: Chỉ có một số kim loại có tính nhiễm từ, tức là nó bị từ hóa sau khi được đặt trong một từ trường Tính nhiễm từ của thép và gang phụ thuộc vào thành phần và cả vào tổ chức bên trong của kim loại nữa, do đó tính nhiễm từ không phải là cố định đối với mỗi loại vật liệu

* Tính chất hóa học: Tính chất hóa học biểu thị khả năng của hợp kim chống lại tác dụng hóa học của các môt trường có hoạt tính khác nhau Tính chất hóa học của hợp kim biểu thị ở 2 dạng chủ yếu:

Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay oxy của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao

Tính chịu axit: Là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axit

* Tính cơ học: Tính chất cơ học của hợp kim gọi là cơ tính, là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài lên hợp kim Cơ tính của hợp kim bao gồm: Độ đàn hồi,

Trong kỹ thuật thường sử dụng những hợp kim có cấu trúc dung dịch rắn, khi hình thành dung dịch rắn thì mạng tinh thể của kim loại được bảo toàn nhưng chu kỳ của mạng lại thay đổi

Giống như kim loại, điện trở của hợp kim là tổng điện trở của các thành phần

Trong đó:

ρt - Điện trở do sự tán xạ của electron lên dao động nhiệt của mạng;

ρ - Điện trở do sự tán xạ của electron lên sự không đồng nhất của hợp kim

Đặc điểm của dung dịch rắn là ρ có thể lớn hơn nhiều lần so với ρt

2.4.2 Hợp kim điện trở cao

Hợp kim có điện trở cao là hợp kim ở nhiệt độ bình thường có điện trở suất ρ lớn hơn 0,03μΩm, được sử dụng để sản xuất dụng cụ đo lường, điện trở mẫu, thiết bị đốt nóng… Khi sử dụng hợp kim làm thiết bị đo không chỉ yêu cầu điện trở suất cao mà còn phải có hệ số nở dài nhỏ và sức nhiệt động nhỏ so với đồng Dây điện trở phải có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao trong không khí ở thời gian dài

- Vật liệu dùng làm điện trở chính xác sử dụng trong dụng cụ đo lường điện và điện trở chuẩn: Cần có sức nhiệt điện động nhỏ so với các vật liệu khác

- Vật liệu dùng làm bộ biến trở: Cần có sức bền khi rung, sức bền đối với sự ăn mòn trong quá trình nung nóng, có giá thành hạ

- Vật liệu sử dụng ở khí cụ điện sưởi nóng và đun nóng: Cần có sức bền đối với thời gian, ở nhiệt độ cao không bị nóng chảy, không bị oxy hóa, gia công được dễ dàng

Trong các dụng cụ này yêu cầu vật dẫn phải có điện trở suất lớn và hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ phải nhỏ để đảm bảo sự ổn định của điện trở đối vợi

sự biến đổi của nhiệt độ, tức là  càng nhỏ càng tốt Hợp kim dùng làm dụng cụ đốt nóng bằng điện cần chịu được nhiệt độ làm việc lâu dài trong không khí khoảng

10000C

Ngoài ra, hợp kim đó phải chế tạo được thành dây dẫn mảnh, trong các dụng cụ

đo điện, đường kính dây dẫn có khi chỉ vài phần trăm mm Các hợp kim dùng trong

các dụng cụ thông dụng như biến trở, bếp điện, mỏ hàn cần phải rẻ tiền Trong các hợp kim dùng vào các mục đính kể trên thì phổ biến nhất là loại hợp kim gốc đồng

như manganin và conxtantan, hợp kim crom - niken, sắt - crom

+ Manganin: Hợp kim Cu 86% - Mn12% - Ni 2% có màu vàng, dùng phổ biến trong các dụng cụ đo điện và điện trở mẫu, manganin có thể kéo thành sợi mỏng 0,02mm, tấm mỏng 0,01mm Để có  nhỏ và điện trở có độ ổn định cao, manganin cần nhiệt luyện đặc biệt: Ủ ở nhiệt độ 350 ÷ 5500C trong chân không, sau đó làm nguội chậm Manganin có điện trở suất 0,48 Ω mm2/ m , nhiệt độ làm việc cho phép

2000C thường được sử dụng trong các dụng cụ đo và điện trở mẫu

+ Constantan là hợp kim 60% Cu và 40% Ni điện trở suất 0,48 Ω mm2/m, nhiệt

độ làm việc cho phép 5000C Dùng để sản xuất dây biến trở và dụng cụ đốt nóng bằng điện, sản xuất các cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ không quá vài trăm độ Constantan có sức nhiệt điện động đối với đồng hay sắt tương đối lớn nên sẽ là nguyên nhân gây sai

số trong đo lường, hệ số nhiệt của điện trở suất có trị số rất bé, thường có dấu âm Constantan được dùng để làm biến trở, phần tử của thiết bị nung khi nhiệt độ không quá 4000C ÷ 4500C

+ Hợp kim crom-niken (nicrom): Là hợp kim của Ni và Cr, điện trở suất 1,2Ωmm2/m, nhiệt độ làm việc cho phép 11000C Các hợp kim này dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện như thiết bị nung, lò điện, bếp điện, mỏ hàn các hợp kim nicrom thường có tính chịu nhiệt cao, chống oxy hóa ở nhiệt độ cao trong không khí

+ Hợp kim fercral: Là hợp kim của sắt, crôm, nhôm có điện trở suất 1,5Ωmm2/m, nhiệt độ làm việc cho phép 15000C, rẻ tiền vì giòn, cứng, khó kéo sợi Dùng trong lò điện công nghiệp với công suất lớn

+ Hợp kim trên cơ sở kim loại quí: Là các hợp kim có vàng với crôm (20%), bạc với mangan và thiếc, bạc với niken … chúng có điện trở suất lớn và hệ số biến đổi nhiệt nhỏ Sử dụng làm điện trở chính xác

2.4.3 Hợp kim làm cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện dựa trên hiệu ứng nhiệt điện, hay hiệu ứng Peltier - Seebeck, là

sự chuyển nhiệt năng trực tiếp thành điện năng và ngược lại, trên một số kết nối giữa hai vật dẫn điện khác nhau Kết nối này thường gọi là cặp nhiệt điện Cụ thể, chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên kết nối sinh ra một hiệu điện thế giữa hai bên kết nối và ngược lại Hiệu ứng này là cơ sở cho ứng dụng trong một số máy lạnh và máy phát điện, không có các bộ phận chuyển động

Để sản xuất cặp nhiệt điện người ta dùng các hợp kim sau:

+ Copen (56% Cu và 44% Ni) sử dụng để đo nhiệt độ đến 6000C

+ Alumen (95% Ni, còn lại là Al, Si và Mg) sử dụng để đo nhiệt độ đến 9000C + Cromen (90% Ni và 10% Cr) sử dụng để đo nhiệt độ đến 10000C

+ Platinrodi (90% Pt và 10% Rh): Sử dụng để đo nhiệt độ đến 16000C

Cùng một hiệu nhiệt độ thì cặp nhiệt cromen – copen cho sức nhiệt điện động lớn nhất

2.4.4 Vật liệu dẫn điện phi kim loại

Ngoài các kim loại và hợp kim dùng để chế tạo điện trở các bộ phận tiếp xúc, dây dẫn còn sử dụng các vật liệu phi kim loại

2.4.4.1 Vật liệu có nguồn gốc cacbon

Dây dẫn không kim loại được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện là grafit - một trong số dạng cacbon sạch Nó có điện trở suất nhỏ, có nhiệt độ chịu nhiệt cao, tính dẫn nhiệt, bền vững với nhiều môi trường hóa học rất mạnh Cacbon nhiệt phân: Nhận được bằng phương pháp nhiệt tách hơi cacbon trong chân không hoặc môi trường khí trơ Vật chất dùng để nhiệt phân thường được dùng là khí metan Màng cacbon nhiệt phân sử dụng để làm điện trở tuyến tính dạng mặt phẳng

Công nghiệp sản xuất linh kiện từ cacbon phần lớn là dùng nguyên liệu cacbon được nghiền nhỏ, sau đó được thiêu kết với vật chất kết dính khác và được ép thành các linh kiện có độ cứng cao

Grafit được sử dụng trong công nghệ vật liệu bán dẫn để làm bộ phát nhiệt, màn chắn, lò nung… Có thể hoạt động ở nhiệt độ 25000C

Chổi quét của máy điện, các điện cực đèn chiếu, điện cực các lò điện và các bể điện phân, cực dương của pin được sản xuất từ than Bột than còn dùng trong ống nói điện thoại để tạo điện trở biến đổi theo áp lực của âm thanh Từ than có thể làm các điện trở có trị số cao, cần phóng điện trong mạng thông tin, người ta còn dùng than

cả trong kỹ thuật chân không Nguyên liệu sản xuất than kỹ thuật điện có thể là bồ hóng, than chì hay than gầy tự nhiên

Các thanh điện cực được chế tạo bằng cách nghiền nguyên liệu với chất kết dính là nhựa than đá hay thủy tinh lỏng Phôi than được nung, ở nhiệt độ cao cacbon chuyển sang dạng graphit (than chì) có tính dẫn điện

Chổi than điện loại thường của các máy điện được nung ở nhiệt độ khoảng

8000C, chổi điện graphit hóa nung đến 22000C Các điện cực than làm việc ở nhiệt độ cao được nung đến 30000C

Điện cực than cũng như các sản phẩm bằng than khác có hệ số nhiệt độ điện trở suất âm ( giảm khi nhiệt độ tăng)

Các chổi điện dùng để tạo tiếp xúc trượt giữa phần tĩnh và phần quay của máy điện, nghĩa là đưa dòng điện vào hoặc ra phiến góp hay vành tiếp xúc

Các chổi than sản xuất theo các cỡ khác nhau với thành phần và quá trình công nghệ khác nhau, chúng đặc trưng bởi điện trở suất, mật độ dàng điện cho phép, tốc độ dài trên vành góp, hệ số ma sát, độ cứng của chổi than Chổi than có chứa bột kim loại

có điện trở đặc biệt nhỏ và điện áp rơi tiêp xúc giữa vành và chổi góp không đáng kể

Các đặc tính quan trọng của chổi than với các ký hiệu khác nhau chơ ở bảng dưới Trị số điện trở của bột phụ thuộc vào độ lớn của hạt, chế độ nung và mật độ điền đầy bột

Bảng 2-5 Các đặc tính của một số loại chổi than

Mật độ dòng điện cho phép

A/mm2

6-8 7-11 9-11 10-20 20 Tốc độ cho phép m/s 10-15 12-25 25-45 15-25 20

Điện trở suất .mm2/m 18-60 10-46 10-45 0,05-1,2 0,5-0,9