Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 1 - Phạm Thành Chung

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 1 - Phạm Thành Chung được biên soạn bao gồm các nội dung kiến thức về: Cấu tạo của nguyên tử; Cấu tạo phân tử và các dạng liên kết; Lý thuyết phân vùng năng lượng. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.

Trang 1

Presented by PHAM THANH CHUNG

1

VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN

Trang 2

Introduction

Trang 4

★ PHẦN 1 VẬT LIỆU ĐIỆN

• Chương 1 Cấu tạo của vật chất.

• Chương 2 Vật liệu dẫn điện

• Chương 3 Vật liệu bán dẫn

• Chương 4 Vật liệu từ

• Chương 5 Vật liệu siêu dẫn

★ PHẦN 2 VẬT LIỆU ĐIỆN MÔI

• Chương 6 Các quá trình điện lý của điện môi

• Chương 7 Các đặc tính cơ-lý-hóa của điện môi

• Chương 8 Vật liệu điện môi

• Chương 9 Điện môi khí

• Chương 10 Điện môi lỏng

• Chương 11 Điện môi rắn

Trang 5

Giới thiệu chung

Muc đích của môn học:

Thông qua môn học này, hiểu được tính chất và đặc điểm của các vật liệu:

Trang 6

Tại sao phải sử dụng các loại vật liệu khác nhau?

Lõi thép: Fe, thép, tôn silic, titan…

Dây quấn: Cu

Vỏ: Nhựa, gỗ, thép, gang hoặc tôn mỏng

Cách điện: Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp

Ê may, phủ sơn cách điện, giấy dầu, tơ cách điện…

Lõi thép (mạch từ)Cấu tạo của MBA

Trang 7

Cách chúng liên kết lại với nhau để tốt hơn?

VD: Sắt (Fe) bình thường dẫn điện tốt

Nếu trộn thêm Carbon (C) → thép cacbon (cacbua sắt Fe3C) Nếu trộn thêm Silic (Si) → thép silic (tôn silic) → dẫn điện tốt hơn Nếu trộn thêm Crôm (Cr)→ thép không gỉ

Fe

Tôn silic

Thép mạ Crôm

Trang 8

Cấu trúc tinh thể sắp xếp khác nhau?

Một số dạng đặc thù của Cacbon (C)

Trang 10

Lịch sử phát triển của khoa học vật liệu

★ Loài người thông minh ∼35 nghìn năm (thời kỳ đồ đá):

sử dụng gỗ, đá, da để săn bắn, hái lượm và trồng trọt.

★ Chữ viết & số học:3000 năm TCN (nền văn minh Ai Cập

cổ đại – dọc dòng sông Nile)

★ Thuyết đầu tiên về KHVL cửa Empedocles (Hy Lạp)

∼450 TCN – Khởi nguồn lý thuyết vũ trụ của 4 nguyên

tố (gốc rễ) nước, đất, kk và lửa →tạo ra tất cả cấu trúc

TG.

★ ∼420 TCN, Leucippe- ptriển cấu tạo nguyên tử đầu tiên

Trong T/học: cho rằng cái tồn tại (ng tử) tồn tại, nhưng

cái không tồn tại (chân không) cũng tồn tại…

★ Trong T/học Trung Hoa, tất cả vạn vật đều phát sinh từ

5 ng tố cơ bản: Kim, Mộc, Thủy, Hỏa,Thổ (thời nhà Chu,

T/kỷ 12 TCN ÷256 TCN)

Trang 11

Chương 1 Cấu tạo của vật chất

1 Cấu tạo của nguyên tử.

1.1 Mô hình nguyên tử BORH

Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất có thể

nhìn thấy được (tuy nhiên không phải nhỏ

nhất là không thể phân chia được)

Bất kỳ nguyên tử nào cũng được cấu tạo:

-Hạt nhân mang điện tích (+)

-Các điện tử (electron) mang điện tích (-) chuyển động xung quanh hạt nhân theo 1 quĩ đạo nhất định

Các nguyên tử khác nhau ở chỗ: Hạt nhận to hay bé

Điện tử nhiều hay ít(nhiều nguyên tử chỉ tồn tại trong t/g rất ngắn)

(Trong bẳng tuần hoàn có hơn 100 nguyên tử)

Trang 12

Giữa hạt nhân và e có quan hệ ?

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:

Lực hút f1 sẽ được cân bằng với lực ly tâm trong

quá trình chuyển động:

Trang 13

Giữa hạt nhân và e có quan hệ ?

Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r ra xa vô cùng cần phải cung cấp cho nó một năng lượng lớn hơn hoặc bằng

2

q

2r

.

Năng lượng ion hóa (Wi)

Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện

tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở

thành điện tử tự do

Trang 14

Yếu điểm của mô hình?

Mô hình nguyên tử Borh không giải thích được:

-Vì sao các e cđ trong cùng 1 quỹ đạo xq hạt

- Khi e di chuyển ra mức Wion

hóa có thể nhận bất kỳ mức

NL nào.

Trang 15

1.2 Thuyết cơ học lượng tử

Theo Borh: e có tính hạt (quan tâm đến bán kính & khoảng cách)

2 e đập vào nhau →không to hơn

Lượng tử: e có tính hạt + sóng (quan tâm đến không gian và thời gian)

Có 4 số lượng tử (n, l, m, ms)

-Số lượng tử chính n với các giá trị 1, 2, 3 …xác định kích cỡ quỹ đạo (orbit) của điện

tử và năng lượng của nó

- Số lượng tử orbital l (hay còn gọi là số lượng tử mômen góc quỹ đạo) mô tả mômen góc của chuyển động quỹ đạo

- Số lượng tử từ m mô tả thành phần của mômen góc quỹ đạo l theo một phương

nhất định, còn gọi là phương lượng tử hóa Đa số các trường hợp phương lượng

tử hóa được chọn trùng với phương của trường ngoài

- Số lượng tử spin m s mô tả thành phần của spin điện tử theo một phương nhất định, thông thường là phương của trường đặt vào

Trang 16

2 Cấu tạo phân tử và các dạng liên kết

Phân tử được cấu tạo bởi mối liên kết giữa các nguyên tử với nhau

2.1 Liên kết ion

Liên kết ion được xác lập bởi lực hút tĩnh điện giữa các ion (+) và các ion (-) trongphân tử Lực liên kết này là rất lớn nên là liên kết khá bền vững, có độ bền cơ học vànhiệt độ nóng chảy cao (ví dụ: Na+Cl-…)

Cấu trúc liên kếtion clorua natri

Nguyên tử Na (stt11):cấu trúc 2/8/1

Nguyên tử Cl (stt17): 2/8/7

Trong tự nhiên, các nguyên tử luôn có

xu hướng (hoàn thiện) phải có đầy

đủ số điện tử ở lớp ngoài cùng (hoàn

hảo) → tồn tại lâu dài

Mô hình mạng tinh thể NaCl

Trang 17

- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm không trùng nhau, cách nhaumột khoảng a nào đó là phân tử cực tính (lưỡng cực) Các chất tạo nên từ các phân tửcực tính được gọi là chất cực tính (chẳng hạn như: HCl…)

H Cl

H + Cl

Trang 18

2.2 Liên kết cộng hóa trị

Liên kết cộng 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

Tinh thể nguyên tử cấu tạo từ những nguyên tử được sắp xếp một cách đều đặn, theo một trật tự nhất định trong không gian tạo thành một mạng tinh thể Ở các điểm nút

Trang 19

2.3 Liên kết kim loại

Đặc trưng cho các kim loại trong thực tế Các nguyên tử kim loại lên kết với nhau qua liên kết kim loại

Mô hình liên kết kim loại với các ion dương cố định ở nút mạng liên kết với “biển điện tử” xung quanh

Ví dụ: Fe có 26 e

• Dạng liên kết này tạo nên trong các tinh thể vật rắn (kim loại)

• Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tự do tạo nên tính nguyên khối của kim loại

Vì vậy đây là liên kết bền vững, có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao

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

Trang 20

a Cấu trúc tinh thể dạng ô lưới

Trang 21

b Sai hỏng trong mạng tinh thể

Sai hỏng điểm (point defect) hay sai hỏng không có chiều

Sai hỏng đường (line defect) hay sai hỏng 1,2,3 chiều

Trật khớp đường viền, trật khớp xoay

và trật khớp hỗn hợp

Trang 22

2.4 Liên kết thứ cấp (liên kết yếu)

a Liên kết Hydro

Liên kết hydro là được hình thành bởi lực hút giữa nguyên tử hydro liên kết với một nguyên

tử mang điện tích âm của một nguyên tố và một nguyên tử mang điện tích âm của một nguyên tố khác

Liên kết hydro trong phân tử nước và cấu trúc

của nước trong tự nhiên

VD: 2 H + O-> 1 phân tử H2O Vậy 2 phân tử nước lk với

nhau bằng liên kết cộng hóa trị bất đối xứng Do Oxi có

6e lớp ngoài cùng Hydro có 1e -> cặp e dùng chung

lệch về phía O

Trang 23

2.4 Liên kết thứ cấp (liên kết yếu)

b Liên kết Vanderwaals

• Liên kết Van der Waals có mặt trong tất cả các vật liệu nhưng nó rất yếu so với các liên kết

sơ cấp Năng lượng liên kết nhỏ hơn 40kJ/mol Nó là nguyên nhân dẫn tới sự hoá lỏng hay

sự hoá rắn của các khí như H2, N2, O2…

• Trong liên kết sơ cấp, các nguyên tử đều có xu hướng tạo nên cấu hình điện tử của các nguyên tử khí hiếm bằng cách cho nhận hoặc chia sẻ điện tử

• Thực tế thì các nguyên tử vẫn có thể tạo thành liên kết với nhau mà không cần cho nhận hay chia sẻ điện tử Liên kết đó được gọi là liên kết Van der Waals hay là một dạng của liên kết thứ cấp

Trang 24

3 Lý thuyết phân vùng năng lượng.

3.1 Cơ chế hình thành các vùng năng lượng của vật liệu

o Theo Borh: Điện tử nhận NL ra quỹ đạo xa hơn ( Ví dụ: 1

có những trạng thái năng lượng hay mức NL khau.

o Trong vật chất các điện tử giống nhau tập hợp lại thành 1 dải (vùng) được gọi là vùng năng lượng.

o 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).

Trang 25

3.1 Cơ chế hình thành các vùng năng lượng của vật liệu

W

Vùng tự do (điện dẫn) Vùng cấm (vùng trống)

Vùng hoá trị (vùng đầy) Nguyên tử Vật thể

ΔW

Với vật chất được chia thành 3 vùng như sau:

- Vùng hoá trị (vùng đầy): Ở đây các điện tử hoá trị có mức năng lượng thấp

Trang 26

3.2 Phân loại vật liệu

a Theo cấu trúc phân vùng năng lượng

Độ rộng của vùng trống trong các vật liệu cách điện,

bán dẫn và dẫn điện

1 Cách điện: ∆W=5÷8 eV

2 Dẫn điện: ∆W=0.1÷0.2 eV

3 Bán dẫn: ∆W=1÷2 eV (cần cung cấp 1 NL đủ lớn để e di chuyển lên vùng dẫn)

VD: Diot với V ngưỡng 1 V V> 1 V diot dẫn điện

V<1 V diot không dẫn điện

Trang 27

b Theo điện trở suất của vật liệu

1 Cách điện: ρ > 108 Ω.m

2 Dẫn điện: ρ < 10-5 Ω.m

3 Bán dẫn: Nằm giữa

Trang 28

c Theo độ thẩm từ của vật liệu

Dựa vào độ từ thẩm µ của vật liệu người ta chia:

- Vật liệu nghịch từ: µ < 1, không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài Bao gồm: hydrô, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, muối mỏ và kim loại như: đồng, kẽm, vàng, bạc, thuỷ ngân, gali, antimoan

- Vật liệu thuận từ: µ > 1, không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài Bao gồm: oxy, nitơ oxit, các muối côban và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim

- Vật liệu dẫn từ: µ >> 1, phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài Bao gồm: sắt, niken, coban và các hợp kim của chúng, hợp kim crôm, mangan, gađolonít, pherit

Tiêu đề	Chương 1 - Phạm Thành Chung
Tác giả	Pham Thanh Chung
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Vật liệu kỹ thuật điện
Thể loại	Bài giảng
Năm xuất bản	Chưa rõ
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	28
Dung lượng	2,04 MB