Vật liệu điện - Chương 6 pdf

ư Thể rắn: Đồng, nhôm, sắt ư Thể lỏng: Các kim loại nóng chảy, các dây dẫn điện phân và thuỷ phân ư Thể khí: là tất cả các khí và hơi kể cả hơi kim loại khi cường độ điện trường vượt quá

Chương VI: Vật liệu dẫn điện

I Tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện

1 Khái niệm

Vật liệu dẫn điện (VLDĐ) có thể là vật liệu rắn, lỏng và trong những điều kiện nhất định có thể là thể khí

ư Thể rắn: Đồng, nhôm, sắt

ư Thể lỏng: Các kim loại nóng chảy, các dây dẫn điện phân và thuỷ phân

ư Thể khí: là tất cả các khí và hơi kể cả hơi kim loại khi cường độ điện trường vượt quá trị số giới hạn sẽ gây ra ion hoá va chạm và chất khí trở thành vật dẫn

2 Các tính chất cơ bản

a) Điện dẫn suất và điện trở suất

Điện trở: Là quan hệ giữa điện thế không đổi đặt lên vật và dòng điện chạy qua trong vật dẫn đó:

s

l

ρ

R=

ρ: Điện trở suất của vật liệu (Ωm)

l: Là chiều dài dây dẫn

s: Tiết diện dây dẫn

Điện dẫn: Là đại lượng nghịch đảo của điện trở











 Ω

= 1 1

R G

Điện trở suất ρ: Là điện trở của dây dẫn chiều dài là 1 đơn vị và tiết diện

là 1 đơn vị

Điện dẫn suất: Là đại lượng nghịch đảo với điện trở suất của dây dẫn:

ρ

γ 1

=

Điện trở suất và điện dẫn suất thay đổi rất lớn theo nhiệt đô

b) Hệ số nhiệt độ của điện trở suất (αp)

Điện trở suất có quan hệ với nhiệt độ theo công thức:

pt = p0(1+αpt) Trong đó: p: Điện trở suất ở nhiệt độ t

mV

P0: Điện trở suất ở nhiệt độ ban đầu t0

αp: Hệ số nhiệt độ của điện trở suất

Hệ số nhiệt độ của điện trở suất

t p

p p α

0

0 1 p

−

= Các kim loại nguyên chất ở thể rắn cho trị số nhiệt độ gần bằng nhau và

đ−ợc xác định α = 1/273 ≈ 0,004

Tuy nhiên khi chuyển trạng thái rắn sang lỏng đa số các kim loại có điện trở suất tăng

c) Nhiệt dẫn suất

Nhiệt dẫn suất là khả năng truyền nhiệt của vật dẫn, nó có quan hệ với

điện dẫn suất Đa số các kim loại có nhiệt dẫn suất lớn, nếu gọi nhiệt dẫn suất lớn là δt = at

δ: Điện dẫn suất của vật dẫn

a: Hệ số phụ thuộc vào loại vật dẫn

t: Nhiệt độ tuyệt đối

d) Sức nhiệt điện động

Khi có hai thanh kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau,

giữa chúng sẽ xuất hiện một hiều điện thế gọi là hiệu điện

thế tiếp xúc

Nguyên nhân gây ra hiệu điện thế tiếp xúc là do công

thoát điện từ của các kim loại khác nhau

Điện tử của thanh kim loại có công thoát bé sẽ khuyếch tán qua chỗ tiếp xúc sang thanh kim loại có công thoát lớn và tạo ra hiệu điện thế giữa hai thanh

Nhiệt độ càng cao thì điện tử khuyếch tán sang nhau càng nhiều và nhiều

điện thế tiếp xúc càng lớn Đo hiệu điện thế tiếp xúc có thể xác định đ−ợc nhiệt

độ chỗ tiếp xúc

Nh− vậy chỗ tiếp xúc giữa hai thanh kim loại khác nhau là một nguồn

điện Sức điện động của nguồn này phụ thuộc vào nhiệt độ nên gọi là sức nhiệt

điện động

Hiện t−ợng nêu trên đ−ợc ứng dụng làm nhiệt ngẫu do nhiệt độ và làm các cặp pin nhiệt điện

e) Tính chất cơ giới

Tính chất cơ giới là tính chất quan trọng của vật dẫn, được đặc trưng bởi giới hạn bền kéo δk và độ drn dài tương đối khi đúc

l

∆ ϕ

II Vật liệu có điện dẫn cao

Vật liệu có điện dẫn cao như Cu, Al, Fe trong đó đồng, nhôm được sử dụng rộng rri

1 Đồng

Đồng là vật liệu quan trọng trong tất cả cácloại vật liệu dùng trong kỹ thuật điện

ư Có điện trở suất nhỏ ρ = 0,0172 (Ωmm2/m) và γ = 58 (m/Ωmm2)

ư Độ bền cơ giới tương đối cao

ư ở nhiệt độ bình thường chịu được tác dụng của môi trường

ư Dễ gia cong, hàn gắn dễ dàng

a) Đồng nguyên chất: Loại này tỷ lệ tạp chất rất ít (0,05%) trong đó có

thêm một số nguyên tố mà tỷ lệ không đáng kể như kẽm, magiê, thiếc, nhôm Loại đồng này thường có màu đỏ, mềm và được dùng làm thanh dẫn, ruột cáp và các tiếp điểm dẫn điện

b) Đồng không có Oxy: Loại này lượng tạp chất chiếm 0,06% và lượng

Oxy nhỏ là 0,02%, có cường độ cơ giới tốt khi gia công theo phương pháp kéo nguội sẽ làm cho đồng cứng lại, loại này có độ drn dài bé và có sự đàn hồi khi uôn Nó được áp dụng làm vành trượt cổ góp trong Máy phát điện, làm lò so dẫn

điện trong các đồng hồ đo

Khi gia công bằng phương pháp nóng thì được một loại đồng mềm có sức bền cơ giới kém nhưng có điện dẫn cao và dùng làm dây dẫn đường điện trên không và hệ thống thanh góp trên trạm biến áp

c) Các hợp kim của đồng

ư Đồng thanh: Khi pha chế đồng với thiếc, Silic, phốt pho thì sẽ cho các sản phẩm gọi là đồng thanh, có độ bền kéo tăng, điện trở suất lớn và đặc tính cơ lớn hơn vói đồng nguyên chất

ư Đồng pha với kẽm được sản phẩm là đồng thau có độ drn dài cao và độ bền kéo cao hơn so với đồng nguyên chất, loại này dùng làm các chi tiết dẫn

điện lò xo

2 Nhôm

Là vật dẫn quan trọng thứ hai sau đồng, đó là kim loại màu bạc trắng thuộc kim loại nhẹ hơn đồng 3,5 lần và có hệ số drn nở dài, nhiệt dung riêng và nhiệt độ nóng chảy cao hơn đồng

Trong kỹ thuật điện thường dùng loại dây nhôm có tạp chất chiếm 0,05% dùng làm vật dẫn dưới dạng lá nhôm, thanh nhôm và dây dẫn nhiều sợi Độ bền cơ của nhôm nhỏ hơn đồng

Ví dụ: Cùng tiết diện, cùng chiều dài thì điện trở của dây nhôm > 1,63 lần dây đồng Vậy để điện trở dây khôm bằng dây đồng thì đường kính của dây nhôm phải lớn hơn 1,3 lần dây đồng

* Ưu điểm: Giá thành rẻ, khi nhôm bị oxy hoá thì lớp vỏ ngoài có tác dụng bảo vệ không cho ăn mòn tiếp

* Nhược điểm: Khả năng chống kéo kém

Chú ý: Hiện tượng ăn mòn điện hoá giữa chỗ tiếp xúc đồng và nhôm, nếu trong vùng tiếp xúc có độ ẩm lớn thì sẽ phát sinh ra cặp pin cục bộ có trị số sức điện

động khá cao và có dòng điện đi từ nhôm sang đồng Kết quả làm cho dây nhôm

bị phân huỷ vì bị ăn mòn nhanh Vì vậy chỗ nối dây đồng với dây nhôm người ta luôn luôn chú ý bảo vệ chống ẩm tốt

Ngoài việc ding dây nhôm nguyên chất làm vật dẫn, người ta còn ding hợp kim nhôm có thêm một số nguyên tố Mg, Si, Fe không qúa 1% với mục đích tăng độ bền cơ giới Đường dây tải điện trên không ding phổ biến nhiều loại dây nhôm có lõi thép dể tăng độ bền cơ giới

3 Sắt

Là kim loại rẻ tiền, dễ gia công và có độ bền cao, sắt nguyên chất có điện trở suất lớn hơn nhiều so với đồng và nhôm ρ = 0,1 Ωmm2 Nếu sắt có chứa tạp chất gọi là thép thì điện trở suất tăng

Dòng điện xoay chiều trong sắt sẽ gây nên hiệu ứng bề mặt bà tổn hao từ trễ Sắt ding làm vật dẫn có tỷ lệ Cácbon 0,1ữ0,13% là loại sắt mềm, sắt thường

có khả năng chống ăn mòn yếu ngay ở nhiệt độ bình thường và đặc biệt là khi độ

ẩm cao thì bị gỉ nhanh, vì vậy trên bêt mặt của sắt cân được bảo vệ một lớp kim loại bền hơn nó, ví dụ như mạ kẽm

III Vật liệu dẫn điện có điện trở cao

Vật liệu có điện trở cao dưới dạng hợp kim được dùng trong các dụng cụ

1 Manganin

Là hợp kim ding phổ biến trong các dụng cụ đo điện và làm điện trở mẫu Manganin là hợp kim có đồng là 86%; Mangan (Mn) 12%; Niken (Ni) 2% Điện trở suất ρ = 0,42 ữ 0,52 Ωmm2/m

Nhiệt độ làm việc cho phép t0

LVCP = 2000C Công dụng: Làm điện trở Sun, điện trở phụ trong đồng hồ đo, làm sợi nung trong thiết bị nung

2 Constantan

Là hợp kim của đồng (Cu) và Niken (Ni) Đồng chiếm 60%; Niken Chiếm 40% Điện trở suất ρ = 0,48 ữ 0,52 Ωmm2/m Nhiệt độ làm việc cho phép t0

LVCP

= 5000C

Dùng làm các dây biến trở, dụng cụ đốt nóng bằng điện và ding làm nhiệt ngẫu để đo nhiệt độ

3 Hợp kim Crôm - Niken

Là hợp kim của Niken (Ni), Crôm (Cr), Mangan (Mn) trong đó Ni = 60%,

Cr = 15%, Mn = 1.5% còn lại là các chất khác

Điện trở suất ρ = 1 ữ 1,2 Ωmm2/m

Nhiệt độ làm việc cho phép t0

LVCP = 10000C Công dụng: Dùng làm là điện, bếp điện, mỏ hàn, bàn là

4 Hợp kim Crôm - Nhôm

Là hợp kim rẻ tiền dùng trong thiết bị đốt nóng bằng điện công suất lớn Hợp kim này cứng và dòn nên khó kéo thành sợi và thành băng vải