Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 2 - Phạm Thành Chung

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 2 - Phạm Thành Chung được biên soạn bao gồm các nội dung kiến thức về: Dòng điện; Mật độ dòng điện; Vận tốc chuyển động có hướng của các điện tích; Điện trở suất; Quan hệ của điện trở suất với nhiệt độ; Tính chất vật lý của kim loại;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.

Trang 1

Chương 2 Vật liệu dẫn điện

1 Dòng điện

Giải thích tại sao lại dẫn điện – thông số đặc trưng?

Khi đặt V -> I chạy qua nó V=1 V -> I=1 A

V=1 V -> I= 2 A (dẫn điện tốt hơn)Theo Đl Ohm: I = V/R -> đặc trưng cho vật liệu dẫn điện là I

Cùng R nhưng V2 > V1

thì I2 > I1

Nếu có một điện tích dq chuyển qua một mặt

phẳng tưởng tượng trong thời gian dt, thì

dòng điện được định nghĩa là :

Về hướng: Là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích (Từ Vcao đến Vthấp)

Theo quy ước lịch sử, mũi tên chỉ chiều dòng điện được vẽ theo chiều chuyển động của các điện tích dương, thậm chí ngay cả khi các hạt chuyển động không mang điện tích dương

Trang 2

2 Mật độ dòng điện

Khái niệm cường độ dòng điện cho ta biết độ mạnh của dòng điện qua một đơn vị diện tích cho trước tuy nhiên nó không cho biết độ mạnh và hướng của dòng điện tại từng điểm trong vật liệu có dòng điện chảy qua Để đặc trưng cho độ mạnh của dòng điện tại từng vị trí người ta đưa vào khái niệm mật độ dòng điện

Trang 3

3 Vận tốc chuyển động có hướng của các điện tích

• Độ lớn của I phụ thuộc vào vận tốc cđ có hướng của các điện tích

• Dưới tác dụng của E, một số điện tử thoát khỏi liên kết với nguyên tử vàchuyển động trong tinh thể kim loại để tạo nên dòng điện

• Trong quá trình di chuyển chúng va chạm với các thành phần khác trong tinh thể.Các va chạm này có thể bao gồm:

- Va chạm điện tử-phonon.

- Va chạm điện tử-sai hỏng mạng tinh thể.

- Va chạm điện tử-tạp chất trong mạng tinh thể.

Trang 4

Gọi thời gian trung bình giữa hai lần va chạm τ

Gọi quãng đường tự do trung bình mà điện tử chuyển động được trước khi chịu một va chạm kế tiếp là

Nếu gọi n 0 là mật độ khối của hạt mang điện,

le l là độ lớn điện tích của mỗi hạt Trong một đơn vị thời gian số hạt mang điện dn di qua diện tích dS chính là số hạt mang điện nằm trong đoạn ống có đáy là dS và chiều dài là

Như vậy cường độ dòng điện chạy qua diện tích dS trong một đơn vị thời gian

Như vậy biểu thức mật độ dòng điện có thể viết lại thành:

Trang 5

Mà vận tốc trung bình có hướng của hạt mang điện được tính:

Trong đó a là gia tốc của hạt mang điện và

mn là khối lượng của hạt mang điện

Mặt khác, theo định luật Ohm ta có:

Với σ là điện dẫn suất của vật liệu

Từ các biểu thức trên ta rút ra:

Với độ linh động của hạt mang điện, nó đặc trưng cho khả năng

chuyển động của hạt mang điện khi đặt trong điện trường ngoàiBiểu thức điện dẫn suất có thể viết cho trường hợp tổng quát trong đó hạt mang

điện có các bản chất khác nhau (điện tử, ion, lỗ trống…) như sau:

Trang 6

4 Đ iện trở suất

Điện trở suất là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của mỗi chất Chất

có điện trở suất thấp sẽ dễ dàng cho dòng điện truyền qua (chất dẫn điện) và chất có điện trở suất lớn sẽ có tính cản trở dòng điện lớn (chất cách điện) Điện trở suất nói lên tính cản trở sự dịch chuyển có hướng của các hạt mang điện của mỗi chất Đơn vị của điện trở suất trong hệ đơn vị chuẩn SI là (Ω.m).

Với R là điện trở, S là tiết diện ngang (m2), l là chiều dài của khối vật dẫn

Định luật ôm vi phân còn cho định nghĩa điện trở suất theo công thức:

Với E là cường độ điện trường, J là mật độ dòng điện

Người ta còn định nghĩa điện trở suất là nghịch đảo của điện dẫn suất:

Trang 7

Các xác định đ iện trở suất của vật liệu

Trang 8

Đ iện trở suất của một số vật liệu

Điện trở suất ở 20o C của một số chất

Trang 9

5 Quan hệ của đ iện trở suất với nhiệt độ

 R của một vật liệu là do sự rối loạn chuyển động của các điện tử khi các điện tử này chịu một trong ba va chạm

 Thời gian trung bình giữa hai lần va chạm tỉ lệ nghịch với độ lớn của các xác suất mà điện tử chịu một va chạm trong một đơn vị thời gian giữa hai lần va chạm α: τ=1/α

 Thời gian trung bình giữa hai lần va chạm được viết bằng:

công thức tính điện trở suất theo thời gian:

Ở nhiệt độ từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ vài trăm độ C, người ta sử dụng xấp

xỉ sau để tính điện trở suất của vật liệu:

Trong đó ρ0 là điện trở suất ở nhiệt độ T0

T0 là nhiệt độ môi trường và thường chọn ở 200C

α là hệ số nhiệt của điện trở suất

Trang 10

4 Quan hệ của đ iện trở suất với nhiệt độ

Điện trở suất và hệ số nhiệt của một số kim loại ở 20oC

Quy luật thay đổi của điện trở suất cho phép xác định một phương pháp thường được sử dụng để tính giá trị nhiệt độ có thể đạt trong các cuộn dây của các thiết bị điện (máy biến áp hoặc động cơ) khi vận hành như sau :

• Đo điện trở của mạch ở điện áp một chiều và nhiệt độ môi trường, sau đó

đo điện trở ở nhiệt độ làm việc bình thường;

• Tính trị số nhiệt độ trung bình theo các giá trị đo được theo hệ số α đã biết

Ứng dụng

Trang 11

5 Tính chất vật lý của kim loại

a NHIỆT ĐỘ VÀ NHIỆT LƯỢNG NÓNG CHẢY

b TÍNH DẪN NHIỆT

c GIÃN NỞ NHIỆT

d VẺ SÁNG CỦA KIM LOẠI

Trang 12

6 Tính chất hóa 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

a 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

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

Trang 13

Phóng điện vầng quang trên đường dây cao áp

Trang 14

Độ bền chịu kéo, nén, uốn (σ K , σ N , σ U )

Phụ thuộc vào diện tích tiết diện của vật liệu

Các σ còn phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì các σ giảm

c

PT

.D.h

=π

Với: D - đường kính viên bi thép

Trang 15

Máy đo độ bền kéo, nén, uốn

Model: Z0.5 – Đức

Trang 16

7 Tính chất cơ học của kim loại

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

bị phá hỏng.

 Độ đàn hồi: Là khả năng của kim loại thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực

cơ khí rồi trở lại như cũ khi bỏ lực tác dụng.

 Độ dẻo: Là khả năng của kim loại bị 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.

Trang 17

Vật liệu dẫn điện

8 Vật liệu điện trở suất cao

 Các hợp kim điện trở suất cao được sử dụng để chế tạo các phần dẫn điện của các dụng cụ đo lường và các điện trở mẫu

 Ngoài yêu cầu phải có điện trở suất cao để giảm kích thước, chúng còn cần có hệ số nhiệt của điện trở suất bé, không biến tính, suất sức nhiệt điện động phải bé và dễ gia công

 Các yêu cầu trên có thể thỏa mãn bằng hợp kim mangan với đồng trong đó tỷ lệ Mn từ 11,5 ÷ 13,5% với 0,4 ÷ 0,9% các tạp chất khác như

Al, Fe, Zn, Ni

 Hợp kim này có điện trở suất từ 0,42 ÷ 0,53 µΩ.m

 Hệ số nhiệt của điện trở suất thay đổi từ -2 ÷ 25.10-6 °C-1 trong dải nhiệt độ 10÷40°C.

Trang 18

9 Vật liệu làm tiếp điểm

a Khái niệm Tiếp xúc điện

Tiếp xúc điện là nơi mà dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác Bề mặt tiếp xúc của hai vật dẫn được gọi là tiếp xúc điện Các yêu cầu cơ bản của tiếp xúc điện:

Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo

Mối nơi tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao

Mối nối không được phát nóng quá giá trị

cho phép

Ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng

điện cực đại đi qua

Chịu được tác động của môi trường (nhiệt

độ, chất hoá học )

Trang 19

a Để đảm bảo các yêu cầu trên, vật liều dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu:

 Có độ dẫn điện cao(giảm Rtx và chính điện trở của tiếp điểm).

 Dẫn nhiệt tốt (giảm phát nóng cục bộ của những điểm tiếp xúc).

 Không bị oxy hóa (giảm Rtx để tăng độ ổn định của tiếp điểm).

 Có độ kết tinh và nóng chảy cao (giảm độ mài mòn về điện và giảm sự nóng chảy hàn dính tiếp điểm đồng thời tăng tuổi thọ tiếp điểm).

 Có độ bền cơ cao (giảm độ mài mòn cơ khí giữ nguyên dạng bề mặt tiếp xúc

và tăng tuổi thọ của tiếp điểm).

 Có đủ độ dẻo (đê giảm điện trở tiếp xúc).

 Dễ gia công khi chế tạo và giá thành rẻ.

Một số vật liều dùng làm tiếp điểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram

Trang 20

c Phân loại tiếp xúc điện

 Tiếp xúc cố định

Các tiếp điểm được nối cố định với các chi tiết dẫn dòng điện như là: thanh cái, cáp điện, chỗ nối khí cụ vào mạch Trong quá trình sử dụng, cả hai tiếp điểm được gắn chặt vào nhau nhờ các bu - lông, hàn nóng hay nguội.

Là tiếp xúc ở cổ góp và vành trượt, tiếp xúc này cũng dễ sinh ra hồ quang điện.

Một số cấu hình tiếp xúc trượt phổ biến được sử dụng trong các thử nghiệm trắc nghiệm

Trang 21

d Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc

 Vật liệu làm tiếp điểm: vật liệu mềm tiếp xúc tốt.

 Kim loại làm tiếp điểm không bị ôxy hóa.

 Lực ép tiếp điểm càng lớn thì sẽ tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc.

 Nhiệt độ tiếp điểm càng cao thì điện trở tiếp xúc càng lớn.

 Diện tích tiếp xúc.

 Thông thường dùng hợp kim để làm tiếp điểm.

Trang 22

Vật liệu dẫn điện và điều kiện xuất hiện hồ quang điện: dòng điện và điện áp cao hơn trị số

Trang 23

f Diện tích tiếp xúc

 Xét khi đặt hai vật dẫn tiếp xúc nhau, ta sẽ có diện tích bề mặt tiếp xúc

Nhưng thực tế S >>a.l vì giữa hai bề mặt tiếp xúc dù gia công thế nào thì vẫn có độ nhấp nhô, khi cho tiếp xúc hai vật với nhau thì chỉ có một số điểm trên tiếp giáp tiếp xúc Do đó diện tích tiếp xúc thực nhỏ hơn nhiều diện tích tiếp xúc biểu kiến Sbk= a.l

Diện tích tiếp xúc còn phụ thuộc vào lực ép lên trên tiếp điểm và vật liệu làm tiếp điểm, lực ép càng lớn thì diện tích tiếp xúc càng lớn

Sbk= a l

Trang 24

g Lực ép tiếp xúc

Trang 25

h Điện trở tiếp xúc (Công thức kinh nghiệm)

Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm kiểu bất kì tính theo công thức

K: hệ số phụ thuộc vật liệu và tình trạng bề mặt tiếp điểm ( theo bảng tra)

F: Lực ép vào tiếp điểm (N)

m: hệ số phụ thuộc số điểm tiếp xúc và kiểu tiếp xúc với:

+Tiếp xúc mặt m = 1

+Tiếp xúc đường m = 0,7

+Tiếp xúc điểm m = 0,5

Trang 26

i Điện trở tiếp xúc (Công thức giải tích)

Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm kiểu bất kì tính theo công thức

Trang 27

j Nhiệt độ của tiếp điểm

Nhiệt độ của tiếp điểm thay đổi sẽ làm Rtx thay đổi theo kết quả thí nghiệm với nhiệt độ nhỏ hơn 2000oC có thể tính Rtx qua công thức:

Trong đó

Rtx(0): điện trở tiếp xúc ở 0oC (Ω)

q: Nhiệt độ của tiếp điểm

Trang 28

Trong đó : I là giá trị dòng hiệu dụng ;

S=Sbk diện tích tiếp xúc biểu kiến

Biểu thức trên chỉ đúng khi dòng điện biến thiên trong khoảng từ 200 đến 2000A

Nếu ngoài trị số đó thì có thể lấy:

I < 200 A lấy Jcp = 0,31 [A/ mm2]

I > 2000 A lấy Jcp = 0,12 [A/ mm2]

Trang 29

k Mật độ dòng điện cho phép theo thời gian ngắn mạch

Thời gian sự cố ngắn mạch tăng thì mật độ dòng điện cho phép càng giảm

Tiêu đề	Chương 2: Vật liệu dẫn điện
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Vật liệu kỹ thuật điện
Thể loại	Bài giảng
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	29
Dung lượng	1,39 MB