Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Phần 1 - Phạm Thành Chung

Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Phần 1 được biên soạn bởi tác giả Phạm Thành Chung có nội dung gồm 7 chương. Chương 1: Cấu tạo vật chất; Chương 2: Vật liệu dẫn điện và bán dẫn; Chương 3: Vật liệu từ; Chương 4: Tính dẫn điện của điện môi; Chương 5: Sự phân cực điện môi; Chương 6: Tổn hao điện môi; Chương 7: Đặc tính cơ, hóa, lý, nhiệt của vật liệu cách điện. Mời các bạn cùng tham khảo phần 1 bài giảng tại đây

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 thành phần cơ bản nhất của vật chất Theo mô hình nguyên tử của Borh, nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích (+) và các điện tử (electron) mang điện tích (-) chuyển động xung quanh hạt nhân theo 1 quĩ đạo nhất định

Hạt nhân nguyên tử gồm:

+ Nơtron - không mang điện tích + Prôton - mang điện tích (+) với số lượng là: Q = Z.q Với Z- số lượng điện tử của một nguyên tử

q- điện tích của điện tử e (qe=1,602 10-19 )

Ở điều kiện bình thường (nhiệt độ phòng) nguyên tử được trung hòa về điện, tức là trong

3

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

+ Khi mất điện tử: nguyên tử trở thành ion (+)

+ Khi nhận điện tử: nguyên tử trở thành ion (-)

Năng lượng của điện tử:

Để có khái niêm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử

của Hydro, 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:

2

qfr

= (1-1) Lực hút f1sẽ được cân bằng với lực ly tâm trong quá trình chuyển động:

2 2

mvf

r

= (1-2) Trong đó: m- khối lượng của điện tử

v- tốc độ chuyển động của điện tử

Ở điều kiện bình thường: 1 2 22 2

f f

= ⇔ = (1-3) Năng lượng của điện tử: W = T + U

Biểu thức (1-6) chứng tỏ rằng mỗi điện tử của nguyên tử có một mực năng lượng nhất

định, năng lượng này tỷ lệ nghịch với bán kính của quỹ đạo chuyển động của điện tử

4

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 q2

2r Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành

điện tử tự do gọi là năng lượng ion hóa (Wi) Khi bị ion hóa (bị mất điện tử), nguyên tử trở

thành ion dương Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do gọi là

quá trình ion hóa

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

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, xong chúng luôn có

xu thế trở về vị trí 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, ví dụ: nhiệt năng, quang năng, điện năng, năng lượng của các tia sóng ngắn như: α, β, γ hay tia rơnghen…

1.1.2 Cấu tạo phân tử

Năng lượng liên kết của một phân tử là năng lượng tối thiểu để tách các nguyên tử của chúng và đưa chúng ra một khoảng cách đủ lớn để chúng không còn tương tác với

nhau nữa Năng lượng liên kết thường được biểu diễn bằng đơn vị eV/mol hoặc kJ/mol

(1kJ/mol=1.037 10-2eV/mol)

Tuỳ theo vị trí trong bảng Mendeleev, các nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết hoá trị với các bản chất khác nhau Theo độ mạnh yếu của liên kết hoá trị người ta chia làm các loại liên kết hoá trị mạnh và liên kết hoá trị yếu Liên kết hoá trị mạnh bao gồm liên kết ion, liên kết cộng hoá trị và liên kết kim loại Trong khi đó liên kết hoá trị yếu bao gồm liên kết Van der Waals và liên kết hydro Liên kết ion và liên kết cộng hoá trị đặc trưng cho các oxít và sunphít trong khi các điện môi chủ yếu được tạo thành từ các liên kết Van der Waals và hydro Rất ít phân tử được tạo thành từ một loại liên kết duy nhất, chúng thường có

từ hai đến ba loại liên kết trong đó có một loại liên kết mạnh hơn cả Ví dụ trong tinh thể Ga

5

As thì liên kết cộng hoá trị mạnh hơn hai lần so với liên kết ion, trong khi đó phân tử NaCl thì liên kết ion chiếm tới 94% sau đó mới đến liên kết cộng hoá trị Còn Silicum thì cấu tạo thuần tuý là liên kết cộng hoá trị Đặc tính của từng loại vật chất như điện, cơ, lý, hóa…do liên kết chủ yếu trong nó quyết định Sau đây ta đi vào chi tiết từng loại liên kết

1.1.3 Các dạng liên kết

Liên kết đồng hoá 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, liện kết phân tử bền vững

Ví dụ: Phân tử Clo (Cl2) gồm 2 nguyên tử Clo, mỗi nguyên tử Clo có 17 điện tử,

trong đó có 7 điện tử hoá 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 xung thêm 1 điện tử của nguyên tử kia

Hình 1- 2 Liên kết đồn hóa trị trong phân tử Cl 2 và HCl

Tuỳ thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hoá 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 (không cực tính) Các chất tạo nên từ các phân tử trung tính được gọi là chất trung tính (chẳng hạn như: Cl2, H2…)

- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm không trùng nhau, cách nhau

một khoảng a nào đó là phân tử cực tính (lưỡng cực) Các chất tạo nên từ các phân tử cực

tính được gọi là chất cực tính (chẳng hạn như: HCl…)

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 (hình vẽ 1-3)

Cl Cl

6

Hình 1- 3: Mô hình cấu trúc tinh thể kim cương

a Sự sắp xếp tứ diện của bốn nguyên tử C xung quanh nguyên tử C trung tâm ở kim cương,

b Tinh thể 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 của mạng tinh thể là những nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị

Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion (+) và các ion (-) trong phân tử Lực liên kết này là rất lớn nên là liên kết khá bền vững, có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao

V í dụ: muối NaClnguyên tử kim loại kiềm Na

có một điện tử ở lớp ngoài cùng liên kết yếu với hạt

nhân luôn có xu hướng nhường điện tử này đi để tạo

thành cation Na+ và nguyên tử halogen Cl có lớp

ngoài thiếu một điện tử nên sẵn sàng nhận điện tử do

nguyên tử Na nhường để trở thành anion Cl-

có cấu hình ổn định Liên kết ion gây bởi lực hút Coulomb

giữa các ion tích điện trái dấu từ quá trình cho nhận Hình 1-4: Cấu trúc liên kết ion clorua natri

7

kể trên Clorua natri tạo thành các tinh thể có cấu trúc cân đối lập phương Trong các tinh thể này, các ion clorua lớn hơn được sắp xếp trong khối khép kín lập phương, trong khi các ion natri nhỏ hơn điền vào các lỗ hổng bát diện giữa chúng Mỗi ion được bao quanh bởi 6 ion khác loại

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

c Liên kết kim loại

Dạng liên kết này tạo nên trong các tinh thể vật rắn (kim loại) Kim loại được coi như là 1 hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do

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, dẫn nhiệt cao Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt trên nhau giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng

Hình 1-5: Mô hình liên k ết kim loại với các ion dương cố định ở nút mạng

liên kết với “biển điện tử” xung quanh

8

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, ví dụ như ở nhiệt độ thấp các nguyên tử khí hiếm đều liên kết với nhau để tạo thành dạng dạng lỏng hay rắn Như vậy phải có một loại liên kết nào đó hình thành giữa các nguyên tử khí hiếm ở nhiệt độ thấp, mà ta biết rằng cấu trúc đối xứng hoàn hảo của các điện tử trong nguyên tử khí hiếm không tạo ra bất kỳ điện trường nào bên ngoài chúng Liên kết đó được gọi là liên kết Van der Waals hay là một dạng của liên kết thứ cấp

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 của liên kết VdW thường nhỏ hơn 40kJ/mol Nó

là nguyên nhân dẫn tới sự hoá lỏng hay sự hoá rắn của các khí như H2, N2, O2…

Như vậy tính chất của vật liệu phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc của nó ở cỡ nguyên tử như tương tác giữa hạt nhân với điện tử, giữa nguyên tử với các điện tử của các nguyên tử bên cạnh hoặc với các nguyên tử bên cạnh thông qua các trị số như khoảng cách

ổn định giữa các nguyên tử, góc liên kết hay số ion liên kết với ion mốc, độ âm điện…Trong

phần này chúng ta sẽ đề cập đến cấu trúc của vật liệu nhưng ở cỡ lớn hơn cỡ nguyên tử: cấu trúc của vật liệu do trong tập hợp của rất nhiều nguyên tử hay còn gọi là kích cỡ xa (long range order-LRO)

Trong chất rắn nói chung các nguyên tử được cố định tại các vị trí nhất định, đó là lí

do tại sao nó được gọi là chất rắn Khi chất rắn được cung cấp một lượng nhiệt vừa đủ, liên

kết để làm các nguyên tử cố định bị đứt và chúng có xu hướng di chuyển một cách hỗn loạn Trong trường hợp này nếu các nguyên tử vẫn còn giữ được khoảng cách tương đối gần nhau chất rắn sẽ chuyển thành chất lỏng Nếu tiếp tục tăng nhiệt lượng cung cấp để cho các nguyên

tử có khả năng rời nhau ra xa và các nguyên tử có thể di chuyển trong những khoảng cách rất

xa mà không va chạm với nhau, khi đó chất lỏng trở thành chất khí Ba trạng thái này thay đổi cho nhau khi nhiệt độ hoặc áp suất thay đổi Như vậy cấu trúc của chất rắn là cơ sở cho các hiểu biết về chất lỏng và khí nên sẽ được đề cập một cách tương đối chi tiết trong phần

này để chúng ta nắm được những khái niệm về cấu trúc của vật chất nói chung

Chất rắn được chia làm hai loại cơ bản: một loại theo quy luật sắp xếp của vị trí các nguyên tử trên khoảng cách xa (LRO) và loại kia không theo quy luật nào cả Loại vật liệu

9

thứ nhất được gọi là có cấu trúc tinh thể (crystal), còn loại thứ hai được gọi là cấu trúc vô định hình (amorphous) Chất rắn vô định hình chủ yếu là thủy tinh và một số loại chất dẻo, các phân tử của chất rắn vô định hình được sắp xếp một cách hỗn độn giống như ở trạng thái lỏng, vì thế nó còn được gọi chẩt lỏng siêu mát (supercooled liquide) Ở chất rắn vô định hình, ở điểm nóng chảy khi chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng không có sự thay đổi đột ngột

về pha mà nó mềm dần khi tăng dần nhiệt độ đốt nóng Tính chất vật lý của chất rắn vô định hình là giống nhau đối với mọi hướng vì thế người ta còn gọi nó là có tính đẳng hướng

Hơn 90% các chất rắn tồn tại trong tự nhiên hoặc được sản xuất nhân tạo có dạng tinh thế, có thể kể ra một số loại có cấu trúc tinh thể như đất sét (clay), đá vôi (limestone), carbon (kim cương hoặc than chì), muối (NaCl hoặc KCl), kim loại …

ô cơ sở đó trong không gian ba chiều Mỗi hình dáng cụ thể của ô cơ sở gọi là hệ tinh thể (crystal system) Coi nguyên tử là những hình cầu cố định trong cấu trúc, tùy theo khoảng cách giữa các nguyên tử của ô cơ sở trong không gian ba chiều (các cạnh a, b và c) và góc tạo bởi các cạnh, chỉ có 7 hệ tinh thể có thể tồn tại trong không gian bao gồm: lập phương (cubic system), trụ tù (triclinic system), trụ đứng hình thoi (monoclinic system), bát trụ (hexagonal system), tứ trụ (tetragonal system), orthorhomic system, rhombohedral system Nguyên tử có thể đặt được đặt trên các vị trí tâm đối xứng trên 7 hệ tinh thể này để tạo thành 14 ô lưới (lattice) tinh thể khác nhau hay còn gọi là 14 lưới Bravais 7 hệ tinh thể

và biến thể thành 14 ô lưới Bravais được trình bày trên bảng 1.1

Bảng 1.1 : 7 hệ tinh thể cơ bản và 14 ô lưới Bravais

Phần lớn kim loại có cấu trúc tinh thể là một trong ba dạng ô lưới: lập phương đối xứng tâm và lập phương đối xứng mặt Gốm và thủy tinh có thành phần hóa học phức

tạp hơn kim loại và vì thế cấu trúc tinh thể cũng đa dạng hơn với nhiều dạng ô lưới khác nhau Vì thế tính chất của gốm cũng thay đổi theo, ví dụ trong khi gốm được coi là chất cách điện và cách nhiệt rất tốt thì ôxít gốm (ceramic oxide) với nền tảng là Y-Ba-Cu-O được dùng để chế tạo vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao Cũng phải lưu ý rằng cấu trúc của gốm có thể rất phức tạp chứ không chỉ là có cấu trúc thuần tinh thể, cấu trúc của gốm

có thể là hoàn toàn vô định hình, hoàn toàn là tinh thể hoặc hỗn hợp tinh thể- vô định hình Polymer với cấu tạo từ trùng hợp các monomer có cấu trúc tinh thể phức tạp Các polymer thương mại thường chỉ có cấu trúc tinh thể một phần Còn phần lớn các chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể có độ tinh khiết cao

12

Trong thực tế ta không thể có được một vật liệu với cấu trúc tinh thể hoàn hảo mà không có bất kỳ một tạp chất hóa học nào Sự xuất hiện của các nguyên tử hay ion lạ sẽ làm thay đổi tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể cũng như độ tinh khiết của vật chất Tương tự như vậy, tính chất của mạng tinh thể cũng sẽ bị ảnh hưởng khi tại một vị trí nào

đó trên ô lưới bị mất đi một nguyên tử hoặc một ion Sự mất tuần hoàn trong một cấu trúc tinh thể như vậy được gọi là sai hỏng (hay khuyết điểm) trong mạng tinh thể Thông

thường người ta phân loại sai hỏng trong mạng tinh thể theo chiều của nó trong không gian bao gồm:

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

Loại sai hỏng điểm này gồm có lỗ trống (vacancies), kẽ hở (interstitial) và tạp chất (impurity) Lỗ trống là một vị trí trong ô lưới tinh thể bình thường có một nguyên tử

giữ, tuy nhiên vì một lý do nào đó nó không còn nằm ở vị trí đó nữa nên để lại một lỗ trống Trong một tinh thể hoàn hảo các nguyên tử nằm ở những nút trong ô lưới, có

những vị trí giữa các nguyên tử là trống và bình thường không có nguyên tử nào của tinh

13

thể nằm ở đó Khi một nguyên tử nằm ở những vị trí đó ta gọi là kẽ hở, nguyên tử tạo nên

kẽ hở này chính là nguyên tử của tinh thể Nếu nguyên tử tạo kẽ hở là một nguyên tử lạ hoặc một số nguyên tử ở nút mạng bị thay thế bằng nguyên tử lạ thì trường hợp đó ta gọi

là tạp chất

Hình 1-6: Các d ạng sai

h ỏng điểm

b Sai hỏng đường (line defect) hay sai hỏng một chiều

Sai hỏng đường thường được gọi là sự trật khớp (dislocation) là hiện tượng một vài nguyên tử trong lưới tinh thể không thẳng hàng Sự trật khớp có hai loại: trật khớp cạnh (edge dislocation) và trật khớp xoay (screw dislocation) Trật khớp đường viền(hình 1-7-a) giống như ta thêm (hoặc bớt) một nửa mặt phẳng chứa nguyên tử vào trong một

mạng tinh thể có trước, tưởng tượng hai nửa của mạng tinh thể chuyển động ra xa (hoặc tiến lại gần) nhau hay nói cách khác là chuyển động theo hướng vuông góc với nửa mặt phẳng thêm vào (hoặc bớt đi) Trật khớp xoay (hình 1-7-b) là do sự dịch chuyển tương đối của nửa mạng tinh thể này so với nửa mạng tinh thể bên kia, nói cách khác là chúng chuyển động song song so với nửa mặt phẳng thêm vào Trong thực tế trật khớp trong tinh thể của vật liệu hiếm khi chỉ là một trong hai loại trên mà nó là hỗn hợp của cả hai loại (hình 1-7-c)

Hình 1-7: Tr ật khớp đường viền, trật khớp xoay và trật khớp hỗn hợp

14

1.1.5 Lý thuyết phân vùng năng lượng trong chất rắn

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)

Mỗi điện tử tồn tại ở một mức năng lượng nhất định và được mô tả bằng bốn số

lượng tử Mỗi khi thay đổi trạng thái chúng hấp thụ hoặc bức xạ một lượng tử năng

lượng Ta tưởng tượng các mức năng lượng cho phép của điện tử giống như các vạch trên một tờ giấy, khoảng cách giữa các vạch chính năng lượng chúng cần háp thụ hoặc

bức xạ để đạt đến trạng thái mới Khi các nguyên tử kết hợp với nhau để tạo nên vật chất, khoảng cách của chúng gần nhau đến nỗi các lớp, các phân lớp, các quỹ đạo xếp liên tiếp lên nhau làm cho số lượng các mức năng lượng cho phép của điện tử (tức các vạch trên

tờ giấy) rất nhiều Khi số nguyên tử tăng lên đến một số vô cùng lớn các mức năng

lượng cho phép gần như liên tục để tạo thành một vùng năng lượng cho phép Tương tự như thế, các mức năng lượng không được phép của điện tử khi có tương tác của nhiều nguyên tử cũng tăng lên và tạo thành một vùng liên tục Cả trạng thái cho phép và không cho phép của điện tử tạo thành ba vùng năng lượng cơ bản sau:

Hình 1- 8: Phân bố mức năng lượng nguyên tử riêng biệt và của vật rắn phi kim loại

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

- Vùng tự do (vùng điện dẫn): các điện tử vùng này có mức năng lượng cao hơn

- Vùng cấm (vùng trống): nằm giữa vùng hoá trị và vùng tự do

Để 1 điện tử trong vùng hoá trị trở thành điện tử tự do thì phải tích luỹ cho nó 1 năng lượng W>ΔW (năng lượng vùng cấm) Tuỳ theo chiều rộng dải cấm mà người ta chia vật chất ra 3 dạng sau:

- Vật dẫn (có vùng tự do nằm sát vùng đầy, xếp chồng) ΔW < 0.2eV

W

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

Vùng hoá trị (vùng đầy)

ΔW

15

- Bán dẫn (có vùng cắm hẹp hơn điện môi) ΔW =0.2-1.5eV

- Điện môi (có vùng cấm lớn ΔW=1.5-vài điện tử von (eV)

1.2.1 Phân loại vật chất theo độ dẫn điện

Phân loại vật chất theo trị số của năng lượng vùng trống như trên không thực sự thuận

tiện, trong thực tế căn cứ vào trị số của điện trở suất người ta phân loại vật liệu thành dẫn điện, bán dẫn hay cách điện Vật liệu dẫn điện gồm các kim loại và các dẫn xuất là các hợp kim ở điều kiện bình thường có điện trở suất nhỏ hơn 10-5 Ω.m Nếu điện trở suất của các vật liệu lớn hơn 108 Ω.m, thì người ta xếp chúng vào nhóm điện môi, tức là những

chất dẫn điện rất kém Vật liệu cách điện được hiểu là các điện môi dẫn điện vô cùng kém

với điện trở suất từ 1010 Ω.m trở lên Nhóm các vật liệu có điện trở suất nằm giữa các

chất dẫn điện và các điện môi gọi là vật liệu bán dẫn

Theo định nghĩa của các thuật ngữ điện quốc tế, điện môi là các chất mà tính chất điện

từ cơ bản là khả năng bị phân cực dưới tác dụng của điện trường bên ngoài Còn vật liệu cách điện là các chất mà điện dẫn suất thường đủ nhỏ để có thể sử dụng làm các chất cách điện giữa các phần dẫn điện mang điện áp khác nhau Như vậy thuật ngữ "điện môi" mang tính chất chung hơn thuật ngữ "cách điện" cho dù có đôi lúc chùng ta thường đồng nghĩa chúng với nhau

1.2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính

Theo từ tính, các vật liệu được chia thành vật liệu nghịch từ, vật liệu thuận từ và vật liệu sắt từ

Nghịch từ là các chất có độ từ thẩm nhỏ hơn 1 và không phụ thuộc vào cường độ

từ trường ngoài Loại này gồm hydro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, các kim loại đồng, bạc, kẽm, vàng, thuỷ ngân

Thuận từ là các chất có độ từ thẩm lớn hơn 1 và cũng không phụ thuộc vào cường

độ từ trường ngoài Loại này gồm oxy, nitơ, đất hiếm, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim,

muối coban, niken

Dẫn từ là các chất có độ từ thẩm lớn hơn rất nhiều so với 1 và phụ thuộc vào

cường độ từ trường ngoài Loại này gồm sắt, niken, coban và các hợp chất của chúng, hợp kim crôm với mangan, ferrite

Ở chương I chúng ta đã phân biệt ba loại vật liệu căn cứ vào độ rộng của vùng trống trong phân vùng năng lượng của chúng Trong tinh thể kim loại nguyên tử cố định

ở nút mạng và không di chuyển khi có tác dụng của điện trường ngoài Chỉ có các điện

tửu trong vùng dẫn liên kết yếu với hạt nhân tham gia vào quá trình dẫn điện khi kim loại đặt trong điện trường ngoài Vì tính chất của điện tử quyết định quá trình dẫn điện của kim loại nên trong phần này chúng ta đề cập chủ yếu đến đặc tính của điện tử, từ đó rút ra các nhận xét về tính dẫn điện của kim loại

Tính dẫn điện của các vật liệu là thước đo khả năng cho một dòng điện đi qua khi

nó được nối với một nguồn điện Trước hết chúng ta tập trung vào xem xét sự chuyển động các điện tích tự do nghĩa là dòng điện

Ví dụ về các dòng điện có rất nhiều từ các dòng điện phóng điện sét đến các dòng

17

điên thần kinh rất nhỏ điều khiển các bắp thịt của chúng ta Tuy dòng điện là dòng của các điện tích chuyển động nhưng không phải mọi điện tích chuyển động đều tạo nên dòng điện Nếu ta nói một dòng điện đi qua một mặt đã cho thì phải có một dòng chảy thực sự của các điện tích qua mặt đó, và sự chuyển động của các điện tích phải có một hướng xác định

tử tự do và tạo thành một dòng chảy thực sự của các điện tích

Nếu có một điện tích dq chuyển qua một mặt phẳng tưởng tượng trong thời gian

dt, thì dòng điện được định nghĩa là :

Đơn vị của dòng điện là Culông trên giây (C/s) hoặc ampe (A)

Dòng điện theo định nghĩa trên đây là một đại lượng vô hướng vì ở đây cả điện tích và thời gian đều là các đại lượng vô hướng Điều đó gây nên khó khăn vì ta thường biểu diễn dòng điện bằng một mũi tên chỉ chiều chuyển động của các điện tích Trên thực

tế nếu các điện tích tự do tham gia vào dòng điện mang điện tích âm chúng sẽ chuyển động ngược với chiều của điện trường bên ngoài Các điện tích dương chuyển động theo chiều của điện trường Vì các hạt mang điện tích khác nhau chuyển động theo chiều

ngược nhau nên ta phải chọn một trong hai dòng điện tích để biểu thị chiều của dòng điện 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

từng vị trí người ta đưa vào khái niệm mật độ dòng điện

Hình 2.1:

Xét một đơn vị thể tích dSdl được đặt dưới một hiệu điện thế dV (hình 2.1)

Người ta định nghĩa véc tơ mật độ dòng điện tại một điểm trong đơn vị thể tích này là

một véc tơ có hướng là hướng chuyển động của hạt mang điện dương đi qua điểm đó và

có độ lớn xác định bởi biểu thức:

19

Khi đặt dưới điện trường một số điện tử thoát khỏi liên kết với nguyên tử và chuyển 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, sau mỗi lần va chạm như vậy đường đi của điện tử lại thay đổi Các va chạm này có thể bao gồm:

• Va chạm điện tử-phonon, phonon là lượng tử năng lượng do các ion dao động nhiệt trong tinh thể mạng bức xạ ra dưới dạng sóng âm (Từ phonon

tương tự như từ photon- lượng tử năng lượng do sóng điện từ)

• Va chạm điện tử-sai hỏng mạng tinh thể, loại va chạm này là do sự rối loạn về điện thế của mạng tinh thể đặt lên điện tử, loại sai hỏng của mạng tinh thể trong trường hợp này do các biến dạng cơ học trong mạng tinh thể gây ra, chủ yếu là do sai hỏng đường ( trật khớp)

• Va chạm điện tử-tạp chất trong tinh thể, tạp chất trong tinh thể ở đây là trong trường hợp sai hỏng điểm với các nguyên tử lạ nằm ở nút mạng hoặc

ở kẽ hở Sau mỗi lần va chạm như thế vận tốc của điện tử cũng thay đổi một lượng bất kỳ

và giả thiết là thời gian va chạm rất nhỏ so với thời gian giữa hai lần va chạm, trị số của thời gian giữa hai lần va chạm là một biến số ngẫu nhiên và trong tính toàn người ta dùng giá trị thời gian trung bình giữa hai lần va chạm τ Vận tốc của điện tử trong tinh thể bao

gồm hai thành phần: vận tốc chuyển động nhiệt hỗn loạn νt trong tinh thể khi không có điện trường và vận tốc có hướng ν do ảnh hưởng của điện trường Gọi quãng đường tự do trung bình mà điện tử chuyển động được trước khi chịu một va chạm kế tiếp là x ta tính

được:

Với ν là trị số trung bình của vận tốc có hướng

Nếu gọi n0 là mật độ khối của hạt mang điện, e là độ lớn điện tích của mỗi hạt

và ν là vận tốc có hướng trung bình thì 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 ν :

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

theo định nghĩa ở công thức II.1 là:

20

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

Mà vận tốc trung bình có hướng của hạt mang điện được tính theo tỉ lệ giữa

khoảng cách di chuyển trung bình x và thời gian giữa hai lần va chạm trung bình τ theo

công thức 2.4, ta suy ra :

ν = x = aτ = e τE

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 2.7, 2.8 và 2.9 trên ta rút ra:

Từ công thức 2.10 ta nhận thấy điện dẫn suất (hay khả năng dẫn điện) của vật liệu

tỉ lệ thuận với mật độ điện tích khối của hạt mang điện và độ linh động của chúng Điều này có nghĩa là, một vật liệu dẫn điện tốt thì điều kiện cần thiết là cả n0 và µn đều phải có

những giá trị lớn Cụ thể trong các vật liệu dẫn điện, mật độ các điện tích tự do và các độ linh động của chúng rất lớn nên chúng dẫn điện rất tốt Ngược lại trong các điện môi, chỉ

có rất ít các điện tích tự do có thể tham gia vào quá trình dẫn điện, điện dẫn suất rất nhỏ nên chúng là những vật liệu cách điện Trong các vật liệu bán dẫn điện, độ linh hoạt của các điện tử lớn hơn trong các kim loại nhưng điện dẫn suất của chúng vẫn bé hơn bởi vì

mật độ điện tích tự do trong các vật liệu bán dẫn nhỏ hơn từ 106 đến 108 lần so với trong các vật liệu dẫn điện

Biểu 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:

o n n

n e

mτ

21

2.1.4.1 Tính tuyến tính của định luật ohm

Từ công thức 2.10 ta nhận thấy điện dẫn của vật liệu tỉ lệ thuận với thời gian va chạm trung bình τ Mặt khác điện trường càng tăng, vận tốc chuyển động có hướng trung bình của điện tử càng tăng Do quãng đường di chuyển tự do trung bình không đổi nên ν tăng kéo theo τ giảm Nghĩa là điện dẫn giảm khi điện trường tăng Tuy nhiên trong thực

tế điện dẫn của kim loại không phụ thuộc vào giá trị của điện trường Điều này được giải thích do ảnh hưởng của điện trường lên vận tốc có hướng trung bình quá bé so với vận tốc chuyển động nhiệt Ta sét ví dụ đối với đồng có σ=5,81.107Ω-1

m-1, mật độ điện tích khối n0=1,16.1029.m-3, thay các số liệu này vào công thức II.10 ta tính được τ=1,79.10-14

s

Lấy giá trị điện trường E=0,32V/m (giá trị này được coi là tương đối cao vì nó tạo ra mật

độ dòng điện lên tới 1,86.107

A.m2), ta tính được vận tốc có hướng trung bình theo công

thức II.8 có giá trị ν =1.10-3

m.s-1 Ở nhiệt độ 20o

C, vận tốc chuyển động nhiệt tính theo phân bố xác suất Maxwell có giá trị νt=1,1.105m.s-1 Như vậy ngay cả ở điện trường rất cao giá trị của vận tốc có hướng cũng rất nhỏ so với giá trị của vận tốc chuyển động nhiệt (ν =10-8 νt), mà νt lại không phụ thuộc vào trị số của điện trường nên vận tốc tổng cộng không bị ảnh hưởng bởi điện trường Đó là lý do vì sao điện dẫn không phụ thuộc vào điện trường

2.1.4.2 Sự phụ thuộc của điện trở suất và độ linh hoạt vào nhiệt độ

a Quan hệ giữa điện trở suất và nhiệt độ

Khả năng cản trở dòng điện (hay điện trở) của một một vật liệu là do sự rối loạn

(pertubation) chuyển động của các điện tử khi các điện tử này chịu một trong ba va chạm

đề cập đến trong phần trên Va chạm của điện tử với các khuyết tật này được đặc trưng bởi xác suất mà điện tử chịu một va chạm trong một đơn vị thời gian giữa hai lần va chạm α Do đó thời gian trung bình giữa hai lần va chạm tỉ lệ nghịch với độ lớn của các xác suất này, τ=1/α Thời gian trung bình giữa hai lần va chạm được viết bằng:

1 = 1

τ τ phonon + τ tapchat 1 + τ saihong 1 (2.12)

Từ công thức điện dẫn suất σ bên trên, ta có thể viết được công thức tính điện trở suất theo thời gian trung bình giữa hai lần va chạm của các thành phần:

ρ = m n

ne 2 ( 1

τ phonon + τ tapchat 1 + τ khuyettat 1 ) = ρ phonon + ρ tapchat + ρ saihong (2.13)

22

Thực nghiệm đã chứng minh rằng ρtapchat và ρsai hỏng không phụ thuộc vào nhiệt độ (tuy nhiên với điều kiện nhiệt độ không quá cao để xảy ra các khuyết tật mới chẳng hạn như là nhiệt độ cao gây ra các phản ứng hóa học để tạo ra các khuyết tật mới) 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:

ρ = ρ o [1 + α (T − T o ) ] (2.14) Trong đó ρ0 là điện trở suất ở nhiệt độ T0, T0 là nhiệt độ môi trường và thường chọn ở 20o

C

α là hệ số nhiệt của điện trở suất, được xác định bằng công thức:

α = 1 dρ

23

Hệ số nhiệt α của điện trở suất được chọn sao cho phương trình phù hợp tốt nhất với thực nghiệm trong khoảng nhiệt độ đã chọn Các kim loại thường có hệ số nhiệt khá cao (3-4).10-3 K-1 nên điện trở suất thay đổi rất nhiều vào nhiệt độ Các hợp kim thường có hệ số nhiệt độ của điện trở suất bé hơn rất nhiều, đạt tới 10-5

thậm chí 10-6

K-1 Bảng 2-1 cho các giá trị điện trở suất ở nhiệt độ 20 °C và hệ số nhiệt tương ứng của một số kim loại

B ảng 2.2: 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

b Quan hệ giữa độ linh động và nhiệt độ

Như ở trên đã đề cập, va chạm giữa điện tử với các khuyết tật và tạp chất không phụ thuộc vào nhiệt độ Ở nhiệt độ cao, chỉ có va chạm của điện tử với các phonon là ảnh

hưởng tới độ linh động của điện tử Và độ linh động của điện tử tỉ lệ nghịch với nhiệt độ với hàm mũ là 3/2 hoặc 1 tùy theo khí điện tử là suy biến hay không suy biến Còn ở vùng nhiệt độ thấp, độ linh động của điện tử chủ yếu phụ thuộc vào sự va chạm của nó với các tạp chất trong tinh thể Quan hệ của độ linh động với nhiệt độ ở vùng nhiệt độ thấp là tỉ lệ nghịch với hàm mũ với hệ số mũ lần lượt là 3/2 hoặc 0 (hằng số) đối với hệ suy biến hoặc không suy biến

24

H ệ suy biến là hệ mà số lượng hạt (hạt ở đây có thể là điện tử, proton, neutron,

photon hoặc phonon) xấp xỉ với số trạng thái năng lượng mà hạt có thể có, vì thế đặc tính của từng hạt riêng lẻ quyết định đến tính chất của cả hệ

H ệ không suy biến là hệ mà số lượng hạt rất bé so với số trạng thái có thể có nên

tính chất từng hạt riêng lẻ hầu như không ảnh hưởng đến tính chất của cả hệ

2.1.4.2 Điện dẫn của kim loại sạch

Sự dẫn điện trong kim loại sạch chủ yếu gây bởi các hạt mang điện tự do, các hạt mang điện này chủ yếu là điện tử tự do, trường hợp ngoại lệ trong một số kim loại các hạt mang điện này là các lỗ trống (Be, Zn…) Như vậy, độ dẫn điện của kim loại có thể được biểu diễn qua công thức:

25

Sự phụ thuộc của điện dẫn của kim loại sạch vào nhiệt độ được miêu tả ngắn gọn như sau: Kim loại là vật dẫn suy biến có nghĩa là mật độ điện tử n0 không phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó điện dẫn của kim loại do độ linh động của điện tử quyết định Tương tự như ta đã xét ở 2.1.4.2 b, quan hệ này được chia làm hai vùng: vùng nhiệt độ cao và vùng nhiệt độ thấp Ở vùng nhiệt độ cao :σ ~1/T còn ở nhiệt độ thấp là σ ~1/T5

2.1.4.3 Điện dẫn của hợp kim

Đặc tính của hợp kim là trong các nút mạng của một kim loại có một số vị trí bị thay thế bởi các nguyên tử của nguyên tố khác Do vậy tính tuần hoàn của thế tại các nút

bị phá hủy Sự không tuần hoàn này của thế tương tác với các hạt mang điện di chuyển trong kim loại và ảnh hưởng đến điện dẫn của hợp kim Hiện tượng giống như ảnh hưởng của tạp chất lên điện dẫn của vật liệu Thực nghiệm đã chứng minh rằng điện dẫn của của hợp kim không phụ thuộc vào nhiệt độ Nên chỉ có độ linh động ảnh hưởng lên điện dẫn của hợp kim Độ linh động được xác định bằng công thức:

2.1.5 Tính chất vật lý của kim loại

Nhiệt độ ứng với khi kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là nhiệt độ nóng chảy Nhiệt lượng cần thiết để một đơn vị khối 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 và được biểu thị bởi J/kg hay kcal/kg Nhiệt lượng cần thiết để làm cho nhiệt độ của một đn vị khối kim loại tăng lên 1 độ Celcius gọi là nhiệt lượng riêng Nó được biểu thị bởi J/kg độ hay kcal/kg.độ

Tính dẫn nhiệt là tính chất truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hay khi làm nguội Nhiệt lượng tỏa ra trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích thẳng góc với hướng tỏa nhiệt trên một đơn vị khoảng cách có sự chênh lệch nhiệt độ gọi là nhiệt dẫn suất Nhiệt dẫn suất đo bằng W/m.độ

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

2.2 VẬT LIỆU CÓ ĐIỆN DẪN CAO

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 và các hợp kim có điện trở suất cao dùng cho các dụng cụ nung bằng điện, thắn sáng, biến trở

Đồng thô chứa từ 1 dến 9% các tạp chất như sắt Fe, nickel Ni, chì Pb, bạc Ag, bismuth, bạch kim, antimoire Đồng được tìm thấy trong thiên nhiên không nhiều Từ quặng, qua phương pháp nấu nóng chảy sẽ thu được sulfua đồng và xỉ Loại đồng với phần trăm đồng tối đa 97,5-98% được sử dụng dưới các điện cực dương (đồng anode) để tinh luyện theo phương pháp điện phân

Đồng sử dụng cho các mục đích làm các vật liệu dẫn điện là loại đồng tinh chế có điện dẫn cao, chứa ít tạp chất Trong kỹ thuật điện chỉ sử dụng đồng được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch sulfat đồng Độ tinh khiết của đồng có thể đạt tới 99% Trong các trường hợp đặc biệt để có một kim loại không bị oxy hoá đồng cần có độ tinh khiết 99,9%, thậm chí 99,99% Các tấm âm cực (đồng cathode) nhận được từ phương pháp điện phân sẽ được làm thành thanh hay khối, để sau đó dát mỏng hay kéo thành sợi theo tiết diện yêu cầu

Tính chất cơ khí của đồng phụ thuộc vào mức độ tinh khiết của nó Việc thêm một

số chất như As, P, Sb, Ni, Fe, Mn, Si sẽ cải thiện được đặc tính cơ khí của đồng, tuy nhiên

sự có mặt của các tạp chất lại làm giảm khả năng dẫn điện của nó Điện trở suất của đồng bị ảnh hưởng bởi mức độ tạp chất, gia công cơ khí và xử lý nhiệt Các tạp chất như Pb, S, Se,

Te, Bi đặc biệt là bitmut và chì làm giảm điện trở suất và các tính chất cơ khí của đồng

Bảng II-3 giới thiệu một số tính chất cơ bản của đồng

16,4.10-6 Năng lượng ion hoá , eV 7,724 Nhiệt dung riêng, J/kg.K 385,5

Khối lượng riêng, kg/m3 8890 Nhiệt dẫn suất, W/(cm.K) 394,3

Điện trở suất đồng tinh khiết ở nhiệt

Dù nhôm là vật liệu dẫn điện rất cạnh tranh, cho đến hiện nay đồng vẫn là kim loại được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật điện Kim loại này có những ưu điểm nổi bật

• Điện trở suất nhỏ nhất (nó chỉ lớn hơn điện trở suất của bạc 5% nhưng rẻ hơn bạc)

• Độ bền cơ khí khá cao yêu cầu trong đa số các trường hợp

• Thỏa mãn độ bền với tác dụng của môi trường xung quanh (đồng bị ôxy hoá chậm hơn sắt ngay cả trong môi trường có độ ẩm cao, chỉ bị oxy hoá dưới tác dụng của nhiệt độ cao

• Công nghệ sản xuất : dễ gia công, có thể kéo thành sợi, cán mỏng

• Tương đối dễ hàn : việc hàn nối được dễ dàng

Tuy nhiên do trữ lượng mỏ đồng ít nên giá thành của nó đắt hơn nhôm

Khi cần tăng cường tính chất cơ khí của đồng, người ta sử dụng hợp kim của nó với một số kim loại khác

a Đồng vàng hoặc đồng thau (laiton)

Đó là hợp kim của đồng với kẽm, trong đó thành phần kẽm từ 4-45% và đôi khi với một tỷ lệ nhỏ các kim loại khác ví dụ như chì, nhôm, nickel, natri, sắt Hợp kim này rẻ hơn

là đồng nguyên chất, nhưng bền vững cơ học và cứng hơn, có thể gia công nguội hoặc nóng Khi hàm lượng kẽm trong đồng biến thiên từ 0 đến 45% thì giới hạn độ bền kéo không ngừng tăng cho đến tỷ lệ kẽm 32% sau đó bắt đầu giảm Để tăng độ bến cơ học, người ta thêm một số kim loại khác như nhôm, thiếc, sắt, mangan, nikel và silic

Theo thành phần và việc sử dụng hợp kim của đồng – kẽm, người ta phân chia thành đồng thau để đúc, đồng thau để cán mỏng và đồng thau để hàn Chì làm cho đồng thau dễ nóng chảy hơn khi đúc nhưng lại làm giảm độ bền cơ khí Sắt và mangan tạo cho đồng thau

29

một cấu truc mịn hơn Niken tạo điều kiện cải thiện tính chất cơ khí Thiếc làm tăng độ bền

cơ và tạo sự bền vững đối với ăn mòn Thành phần nhôm đến 2% làm tăng độ bền cơ khí và

độ cứng của đồng thau

Loại vật liệu này được sử dụng trong kỹ thuật điện để gia công các chi tiết dẫn điện như đầu cực của bảng phân phối, các kết cấu của máy phát điện xoay chiều để làm các tấm chốt dây cuốn của roto, trục roto kiểu ngắn mạch của các động cơ không đồng bộ, các chi tiết tiếp xúc đàn hồi và các phần dẫn điện đòi hỏi độ bền cơ học và bền phóng điện cao

b Đồng thanh hay đồng đỏ (bronze)

Nếu thêm thiếc vào trong đồng thì độ bền cơ học của hợp kim và độ cứng sẽ tăng Loại hợp kim này có thể gia công cơ khí, hàn hơi và hàn điện đều được nhưng có điện trở suất cao, ở nhiệt độ 20 °C điện trở suất của nó đạt 0,095 µΩ.m Tuỳ theo các vật liệu thêm vào người ta phân biệt :

Đồng thanh với thiếc : hợp kim này chứa từ 3-8% thiếc, đôi khi thêm vào một số kim loại khác Chúng tạo nên sức bền chống ăn mòn

Hợp kim đồng với 3-9% thiếc, 4-11% kẽm, đôi khi chứa chì từ 4-17%

Người ta sử dụng đồng thanh trong chế tạo khí cụ điện, gia công các chi tiết để nối dây dẫn, vòng đầu dây, các đai ốc cho hệ thống nối đất, các giá đỡ chổi than, các vòng cổ góp, các tiếp điểm, những lỗ cắm, ổ phích điên

c Hợp kim đồng-bạc

Tỷ lệ bạc nằm trong khong 0,03-0,1% Bạc làm cho đồng có tính ổn định nhiệt cao

và giúp nó giữ được các tính chất ở nhiệt độ cao khi hàn 200-300 C Hợp kim này được dùng làm thanh góp của máy điện một chiều

Trong khoảng nhiệt độ làm việc từ 0 đến 150oC, sức bền cơ khí của hợp kim đồng

và bạc được cải thiện đáng kể làm cho nó được sử dụng làm cuộn dây của roto, thậm chí của stato trong các tuabin công suất lớn

d Hợp kim đồng-berylium

Hợp kim này chứa 1,8-2,2% berylium và đôi khi có thêm một ít cô ban với điện trở suất 4-5 lần cao hơn của đồng Ứng lực phá huỷ khi kéo của hợp kim này đạt 850MPa và nếu sau gia nhiệt có thể đạt 1450 MPa

Hợp kim đồng-berylium được sử dụng để chế tạo các lò xo trong các thiết bị điện, đặc biệt trong các dụng cụ đo lường

Sau đồng, nhôm là vật liệu quan trọng thứ hai được sử dụng làm vật liệu dẫn điện trong kỹ thuật điện Nhôm có khả năng dẫn điện tốt chỉ thua bạc và đồng Đó là kim loại có màu bạc trắng, nhẹ hơn đồng là vật liệu dẫn điện phổ biến có trữ lượng lớn Trong vỏ quả đất có chứa tới 7,5% Al, trong khi đó chỉ có 4,7.10-3 % đồng Song việc sử dụng nhôm chỉ được phát triển đầy đủ trong những thập niên sau này vì trước đây công nghệ xử lý nhiệt công nghệ gia công tương đối khó Nhược điểm của nhôm là độ bền cơ khí không cao và gặp khó khăn trong việc thực hiện điện trở tiếp xúc bé

Các khoáng được dùng để sản xuất nhôm là quặng bô xit và laterite có chứa trên 50% nhôm ngậm nước, ít hơn 10% silic Nhôm dùng để sản xuất các vật liệu dẫn điện có độ tinh khiết cao Nhôm sử dụng để chế tạo các dây dẫn điện phải tinh khiết tối thiểu đạt 99,5% Nhôm dùng để chế tạo các điện cực cho tụ điện phải có độ tinh khiết rất cao với lượng tạp chất không quá 0,05% Nhôm đôi khi còn được dùng để gia công các vỏ bọc cáp điện Đối với loại này, yêu cầu phải thật mềm, dẻo và bền đối với ăn mòn Tạp chất trong nhôm chủ yếu là sắt và silic, ngoài ra còn một số kim loại khác như crôm, titan, magiê

Các tính chất cơ bản của nhôm cho trong bảng 2.4

24.10-6 Năng lượng ion hoá , eV 5,894 Nhiệt dung riêng,

J/kg.K

922 Khối lượng riêng, kg/m3 2703 Nhiệt dẫn suất,

W/(cm.K)

209 Điện trở suất nhôm tinh khiết ở nhiệt

Bảng 2.4: Một số tính chất cơ bản của nhôm

Điện trở suất của nhôm rất tinh khiết ở nhiệt độ 20 C sau khi ủ nhiệt trở lại 3 giờ đến

320oC bằng 2,63.10-8 Ω.m Điện trở suất của nhôm phụ thuộc vào độ tinh khiết của nó Nếu trong nhôm chứa 0,5% Ni, Si hay Fe thì điện dẫn suất của nó có thể giảm đến 2 lần Bảng II-5 cho thấy thành phần và điện trở suất của một số mẫu nhôm của Nga

Bảng 2.5: Thành phần và điện trở suất một số mẫu nhôm của Nga

Nhôm rất dễ bị oxy hoá để tạo thành một lớp oxit nhôm Al2O3 Ở điều kiện bình thường lớp oxyt này có chiều dày khỏang 0,01 µm ngăn cản quá trình oxy hoá phát triển và bảo vệ kim loại chống các ăn mòn khác Tuy nhiên bằng phương pháp anode hóa có thể tạo

ra trên bề mặt nhôm một lớp oxyt dày từ 10 đến 20 µm Oxyt nhôm Al2O3 là một vật liệu cách điện khá tốt với điện trở suất 1013Ω.m và điện áp đánh thủng khỏang 160 V cho chiều dày 10 µm Vì vậy tại những chỗ tiếp xúc với vật dẫn bằng nhôm có điện trở tiếp xúc lớn và rất khó thực hiện việc hàn nối bằng các phương pháp thông thường

Đây cũng là lý do hạn chế sử dụng nhôm trong một thời gian dài Ngày nay đã có nhiều giải pháp để xử lý :

• Hàn hồ quang trong argon (MIG- Metal Inert Gas) hoặc nối cơ học sau khi gia công bề mặt và phết lên một lớp mỡ trung tính hoặc vaseline

• Đối với các cáp điện có tiết diện lớn hoặc là dùng các móng gip (bornes a serrage mecanique) sau khi gia công bề mặt hoặc là các gip xiết bằng thuỷ lực (cosses a sertir a la presse hydraulique)

• Đối với các cáp tiết diện nhỏ có thể dùng các đầu các đầu nối xiết bằng khí hoăcc các đầu cốt đã mạ thiếc (etamê)

Độ bền của nhôm phụ thuộc vào độ tinh khiết và sự biến dạng khi gia công nguội Nhôm tinh khiết (0,004% tạp chất) sau khi ủ có độ bền cơ học kém nhưng rất dẻo Nhôm kỹ thuật chứa tạp chất nhiều hơn, bền cơ học hơn nhưng lại kém dẻo hơn Ứng lực phá huỷ kéo của nhôm khỏang 80 MPa và giới hạn đàn hồi 40 MPa

2 Các hợp kim của nhôm

H ợp kim nhôm với magiê và silic

Để sản xuất các dây dẫn, thanh dẫn, giấy nhôm người ta sử dụng các hợp kim nhôm biến hình với magiêvà silic Các chất này ít làm thay đổi điện trở suất của nhôm

nhưng do tạo thành liên kết Mg2Si làm cho hợp kim bền vững hơn

Ví dụ để sản xuất dây dẫn dùng hợp kim ABE của Nga, thành phần gồm có 0,45- 0,65% Mg, 0,45-0,65% Si, với sắt 0,45-0,70% và các tạp chất khác như Zn : 0,05%; Cu : 0,05% điện trở suất của hợp kim ABE 0,0295-0,033 µΩ.m nhưng có độ bền kéo đến 290 MPa

Ưu điểm của nhôm là nhẹ hơn đồng đến 3,3 lần, điện trở suất nhỏ (bằng 65% của

tế Tùy từng lĩnh vực cụ thể mà đồng hay nhôm có ưu thế hơn so với loại còn lại

1 Các dây dẫn trần

Điện trở suất và khối lượng riêng của nhôm bằng 1,6 và 0,3 lần của đồng, do vậy

một dây dẫn có cùng điện trở dài bằng nhôm sẽ có tiết diện lớn hơn dây đồng 65% và đường kính lớn hơn 30% nhưng lại nhẹ hơn gần hai lần Tuy nhiên theo thời giá của nhôm trên thế giới thì dây dẫn bằng nhôm với điều kiện cùng điện trở dài luôn rẻ hơn dây dẫn bằng đồng

• Các cáp trung thế : sử dung nhôm vẫn còn kinh tế

• Cáp cao thế : do cách điện tăng đàng kể (24 mm đối với cáp 400 kV) lên các trường hợp này thường sử dụng đồng

3 Máy biến áp và động cơ

Thay thế đồng bằng dây nhôm trong các máy biến áp sẽ làm tăng kích thước của củaa sổ gông từ Rất khó so sánh được giá thành của các thiết bị Một cách tổng quát thấy

là trong điều kiện cùng tổn hao thì mạch từ và khối lượng chung của máy biến áp dùng dây nhôm lớn hơn

1 Bạc

Bạc là kim loại dẫn điện khá tốt, có điện dẫn suất bằng 95% của đồng Nó nhạy

một chút với tác dụng của oxy để tạo thành màng mỏng cỡ nano mét Bạc được sử dụng chủ yếu cho các tiếp điểm đóng cắt

2 Vàng

Vàng là kim loại dẫn điện tốt, có điện dẫn suất nằm giữa của đồng và nhôm, không bị ăn mòn bởi môi trường, vàng được sử dụng để làm các tiếp điểm truyền tín hiệu Chỉ riêng các tiếp điểm của chân các mạch tích hợp (IC) cũng đã tiêu thụ hàng chục tấn vàng một năm

4 Chì

Chì có điện trở suất khá cao trong các kim loại, khoảng 10 lần lớn hơn của đồng,

có nhiệt độ nóng chảy thấp 327o

C Chì được dùng chủ yếu để sản xuất ắc quy

Cũng cần nói rằng chì trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ 7,2 K, là nhiệt độ cao nhất đối với các kim loại Nhưng từ trường cực đại cho phép nó vẫn ở trạng thái siêu dẫn lại rất thấp để có thể sử dụng nó trong công nghiệp

Thuỷ ngân có điện trở suất ở nhiệt độ 20 C bằng 95,8.10-8 Ω.m là kim loại

thể lỏng duy nhất ở nhiệt độ bình thường Vì vậy nó được sử dụng trong các phòng thí nghiệm để làm các mạch và các tiếp điểm trượt

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 đến 13,5% với 0,4 đến 0,9% các tạp chất khác như Al, Fe, Zn, Ni Hợp kim này có điện trở suất từ 0,42 đến 0,53 µΩ.m và hệ số nhiệt của điện trở suất thay đổi từ -2 đến +25.10-6 °C-1

trong dải nhiệt độ 10-40 °C

Các hợp kim điện trở suất cao và bền nhiệt dùng cho sản xuất các dây điện trở dùng cho các lò nung ở nhiệt độ cao hơn 1000 °C Ngoài điện trở suất cao, hệ số nhiệt của điện trở suất bé, các hợp kim này còn có yêu cầu đặc biệt về chịu nóng

Ví dụ các dây điện trở chịu nóng của Nga có thành phần : carbon 0,1-0,15%,

34

mangan 0,3-2%, silic 0,6-1,5%, Cr 12-29%, Al 0,2-5,5% còn chủ yếu là sắt hoặc Ni

Nhiệt độ làm việc của các dây điện trở chịu nóng từ 1000 đến 1200 °C Điện trở suất của chúng thay đổi 1,2-1,33 µΩ.m

2.4.1 Bán dẫn tinh khiết (Intrinsic semiconductor)

1 Giới thiệu chung

Chất bán dẫn mà hiện tượng dẫn điện là do các điện tử kích thích được gọi là bán dẫn riêng Trong chất bán dẫn tinh khiết, mỗi điện tử khi di chuyển lên vùng dẫn đê tham gia quá trình dẫn điện sẽ để lại sau nó một lỗ trống trong vùng hóa trị Khái niệm về lỗ trống trong chất bán dẫn giống như khái niệm về lỗ trống trong khuyết điểm của mạng tinh thể Lỗ trống cư xử như một ion dương Như vậy mỗi một điện tử bị kích thích để trở thành điện tử dẫn sẽ giải phóng hai điện tích: điện tử tự do âm và lỗ trống dương Khi điện tử di chuyển về bên phải, thì lỗ trống tương ứng với nó sẽ di chuyển về bên trái

Hiện tượng này gọi là dẫn điện bằng lỗ trống (hole conduction) Trong bán dẫn tinh khiết,

số lượng lỗ trống bằng số lượng điện tử dẫn Khi đặt điện trường lên chất bán dẫn tinh khiết, điện tử di chuyển ngược chiều điện trường còn lỗ trống di chuyển cùng chiều với điện trường Tỉ lệ số điện tử bị kích thích để vượt qua vùng trống với độ rộng Eg để tham gia vào quá trình dẫn trong chất bán dẫn tinh khiết ở một nhiệt độ T tỉ lệ thuận với exp(-

Eg/2kBT) Số điện tích dẫn càng tăng khi nhiệt độ tăng và Eg lớn Xét ví dụ với Ge, chiều rộng vùng cấm bằng 0,66eV, ở nhiệt độ phòng mật độ điện tử là 1019

.m-3 và điện trở suất bằng 0,48 Ω.m, với kim cương tương ứng bằng 5,2eV, 104

m-3 và 108 Ω.m Nhưng khi nhiệt độ tăng lên 600K, mật độ điện tử tăng lên nhiều bậc và điện trở suất của kim cương giảm xuống cùng bậc với Ge ở nhiệt độ phòng

35

Hình 2.2: S ự di chuyển của điện tử tự do và lỗ trống trong tinh thể chất bán dẫn tinh khiết Si

2 Điện dẫn của bán dẫn tinh khiết

Như vậy khi đặt dưới điện áp trong bán dẫn tinh khiết xuất hiện một dòng điện chạy qua nó Quá trình dẫn điện do cả hai loại điện tích điện tử và lỗ trống tạo nên Dòng điện tổng cộng chạy trong chất bán dẫn được viết dưới dạng:

Do J=nqv, nên công thức trên có thể viết lại thành:

J tatal = n e ev e + n h ev h (2.20) Trong đó ne,nh,e,ve,vh lần lượt là số điện tích, điện lượng tuyệt đối và vận tốc có

hướng của điện tử và lỗ trống trong tinh thể chất bán dẫn Do trong chất bán dẫn tinh khiết số điện tử và số lỗ trống bằng nhau nên ne=nh=n, sử dụng định luật Ohm ta có:

J tatal = σE = ne(ve + v h ) (2.21)

Vì độ linh động μ của điện tích được đo bằng vận tốc có hướng của điện tích trên

một đơn vị điện trường:

Như đã nói ở trên, số lượng điện tích trong chất bán dẫn tinh khiết phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ:

σ = σ 0 exp(−E g / 2k B T ) (2.26)

1 Bán dẫn tạp chất loại n

Nếu tạp chất trộn vào có số điện tử hóa trị lớn hơn số điện tử hóa trị (4) của chất bán dẫn tinh khiết (Si hoặc Ge) Điện tử thứ 5 ( hoặc thứ 6 hoặc hơn nữa) không tham gia vào để tạo liên kết cộng hóa trị với chất bán dẫn tinh khiết mà trở thành điện tử thừa (extra-electron), liên kết giữa điện tử thừa này với nguyên tử tạp chất trở nên kém chặt chẽ hơn ban đầu Năng lượng của liên kết này khá yếu, chỉ cỡ khoảng 0,01eV Nên nhớ rằng năng lượng dao động nhiệt của điện tử ở nhiệt độ môi trường cũng vào khoảng 0,025 eV do đó liên kết này dễ dàng bị phá vỡ, điện tử này trở thành điện tử tự do và tham gia vào quá trình dẫn của chất bán dẫn Tạp chất loại này gọi là chất cho (donor) vì

nó cho chất bán dẫn điện tử dẫn mà không tạo thành lỗ trống mới ở vùng hóa trị Mức năng lượng gần với vùng dẫn, dùng để liên kết điện tử thừa với nguyên tử cho được gọi là

mức cho (donor level) Hiệu số năng lượng ΔE giữa vùng dẫn và mức cho chính là năng

lượng liên kết giữa điện tử thừa và nguyên tử cho Bán dẫn tạp chất loại này được gọi là bán dẫn tạp chất loại n Tạp chất để tạo bán dẫn tạp chất loại n thường là antimony, arsenic hoặc phosphorous

và lỗ trống Loại bán dẫn này được gọi là bán dẫn tạp chất loại p Tạp chất dùng để tạo

loại bán dẫn này thường là boron, nhôm, gallium và indium

Hình 2.4: Bán d ẫn loại p sử dụng boron là tạp chất và phân bố năng lượng trong bán dẫn loại p

38

Hiện tượng siêu dẫn được phát hiện vào năm 1911 bởi Kamerlingh Onnes khi tiến hành thí nghiệm nhúng thủy ngân trong He lỏng (nhiệt độ hóa lỏng 4,2o

K), điện trở thủy ngân gần như bằng không và được ông gọi là hiện tượng siêu dẫn (superconductivity) Sau đó Onnes còn phát hiện ra Sn và Pb cũng thể hiện tính siêu dẫn khi nhiệt độ của chúng xuống dưới các nhiệt độ tương ứng là 3,8 và 6o

K, thí nghiệm do ông tiến hành khi cho dòng điện chạy trong một vòng dây kín làm bằng Pb, dòng điện chạy trong đó trong vòng 1 năm

Vật liệu Tc

Gallium 1.1 K Aluminum 1.2 K Indium 3.4 K Tin 3.7 K Mercury 4.2 K Lead 7.2 K Niobium 9.3 K Niobium-Tin 17.9 K La-Ba-Cu-oxide 30 K Y-Ba-Cu-oxide 92 K Tl-Ba-Cu-oxide 125 K

B ảng 2.6: Nhiệt độ tới hạn của một số vật liệu siêu dẫn

Những vật liệu thể hiện tính siêu dẫn ở nhiệt độ dưới nhiệt độ hóa lỏng của nitơ (77oK) được gọi là vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (High temperature superconductor) Ngày nay những tiến bộ trong ngành vật liệu siêu dẫn đã cho phép đạt được nhiệt độ tới hạn ngày càng cao, kỷ lục được ghi nhận về nhiệt độ tới hạn vào năm 2003 đối với hỗn hợp Hg0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8,33 là 138oK ở áp suất khí quyển và 164o

K đối với áp suất rất cao (30GPa)

so với trong trường hợp vật liệu nghịch từ do ở trạng thái này điện trở của vật liệu đạt tới trị số 0

Hình 2.6: Hi ệu ứng Meissner khi vật liệu chuyển từ trạng thái bình thường sang trạng thái siêu dẫn, các đường sức từ trường bị đẩy ra khỏi thể tích của vật liệu khi nhiệt độ dưới nhiệt độ tới hạn

Như vậy có sự phân biệt giữa chất dẫn điện lý tưởng và chất siêu dẫn Trong chất dẫn điện lý tưởng, điện trở bằng không do đó điện trường bên trong vật liệu cũng bằng không Theo phương trình Maxwell-Faraday, biến đổi điện trường liên hệ với biến đổi từ

trường theo phương trình:

rot E = − ∂ B

Cảm ứng từ bên trong một vật dẫn lý tưởng theo phương trình trên được tính là :

Vật liệu siêu dẫn khác với vật liệu nghịch từ ở chỗ : cảm ứng từ luôn có giá trị bằng không mà không phụ thuộc vào trạng thái của vật liệu trước đó Vì thế người ta còn

gọi vật liệu siêu dẫn là vật liệu nghịch từ lý tưởng do nó tồn tại cả hai tính chất nghịch

từ (không cho từ trường ngoài đi vào vật liệu) và từ trường trong lòng nó bằng không

Hiệu ứng Meissner được minh họa qua thí nghiệm nổi tiếng khi đưa nam châm vào gần

một vật liệu siêu dẫn, nó lơ lửng trên bề mặt vật liệu siêu dẫn (hình 2.7)

Hình 2.7: V ật liệu ở trạng thái siêu dẫn giữ nam châm ở vị trí lơ lửng (magnetic levitation), thí nghiệm chứng

minh hi ệu ứng Meissner trong chất siêu dẫn

Thực tế thì từ trường bên trong vật liệu không hoàn toàn bằng 0, nó giảm theo hàm mũ với độ giảm đặc trưng bởi một hằng số gọi là độ sâu London (London penetration depth) Đối với một tấm siêu dẫn có độ dày x đặt trong một từ trường ngoài

B0 có hướng theo trục z, thì từ trường bên trong tấm siêu dẫn biến thiên theo độ dày x có dạng :

B( x) = B exp(− x )

L

(2.28)

Với λL là độ sâu London, giá trị của độ sâu London phụ thuộc vào loại vật liệu và

có giá trị khoảng vài chục nm