Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Chương 8 Ngô Quang Ước Bài giảng Vật liệu điện và cao áp

Vật liệu dẫn điện, hợp kim có điện trở cao, cáp và dây dẫn điện,... là những nội dung chính trong chương 8 Vật liệu dẫn điện và cáp điện trong bài giảng Vật liệu điện và cao áp do giáo viên Ngô Quang Ước biên soạn. Mời các bạn cùng tham khảo.

có điện trở cao (dùng làm biến trở, đèn thăm sáng )

- Thể lỏng: Gồm các kim loại nóng chảy và dung dịch điện phân

- Thể khí: Loại này trở thành vật dẫn nếu ở một điều kiện nhất định

* Tính chất:

- Điện dẫn suất và điện trở suất Ω.m

- Hệ số nhiệt của điện trở suất

Trong đó:

ρ t - điện trở suất của vật liệu đo ở nhiệt độ t 0 ;

ρ 0 - điện trở suất ở nhiệt độ ban đầu;

α ρ - 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:

l R

S





).1

- Sự biến đổi điện trở suất khi biến dạng

Kim loại bị kéo hay bị nén, điện trở suất của nó có thể

tính gần đúng như sau:

Với: - σ ứng suất cơ ở tiết diện mẫu; - φ hệ số ứng suất

cơ Dấu cộng (+) ứng với biến dạng kéo, còn dấu trừ (-) là khi nén

- Nhiệt dẫn suất

Theo định luật thực nghiệm Viđeman Frantx

Hệ số a đối với đa số kim loại giống nhau: a = 2,23.10 -8

) 1

- Sức nhiệt động

+ Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc thì giữa

chúng phát sinh hiệu điện thế Và được xác định theo công thức:

Trong đó:

U A và U B - điện thế tiếp xúc của kim loại A và B

n OA và n OB - mật độ điện tử trong kim loại A và B

T – Nhiệt độ tại chỗ tiếp xúc

K – hằng số Boltzman k = 1,38.10 -23 (J/K)

+ Nguyên nhân phát sinh hiệu điện thế tiếp xúc là do

công thoát của mỗi kim loại khác nhau do đó số điện tử tự do trong các kim loại (hoặc hợp kim) không bằng nhau

.ln OA

AB B A

OB

n KT

  

+ Hiệu điện thế tiếp xúc của các cặp kim loại dao động vài phần mười đến vài vôn, 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 là

T 1 còn cặp kia là T 2 thì trong trường hợp này sẽ phát sinh sức nhiệt điện động (s.n.đ.đ)

+ Sự xuất hiện hiệu điện thế tiếp xúc đóng vai trò quan

trọng ở hiện tượng ăn mòn điện hóa và được úng dụng trong một số khí cụ đo lường, đặc biệt là ứng dụng để chế tạo các cặp nhiệt ngẫu dùng để đo nhiệt độ

- Hệ số nhiệt giãn nở dài của vật dẫn kim loại

+ Hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài của vật dẫn kim loại

Giá trị: - α L cao nóng chảy ở nhiệt độ thấp

TK

t

L L

- Tính chất cơ học của vật dẫn

+ Đặc tính cơ được đặc trưng bằng giới hạn bền và độ

dãn dài tương đối khi đứt ∆l/l

1.2 Vật liệu có điện dẫn cao

- Chế tạo dây dẫn:

Thỏi đồng được cán nóng thành dây đường kính 6,5 – 7,2

mm, sau đó dây được rửa sạch trong dung dịch axít sunfuric loãng để khử đồng ôxít CuO 2 sinh ra trên bề mặt khi đốt nóng đồng, cuối cùng kéo nguội thành sợi

có đường kính cần thiết đến 0,03 ÷ 0,02 mm

• Phân loại đồng

- Theo thành phần tạp chất

+ M1 có 99,90%Cu, các tạp chất khác là 0,10% và lượng ôxy không được quá 0,08%,

+ MO có MO – 99,95% có tính cơ học tốt hơn, không quá 0,05% tạp chất, trong đó ôxy không quá 0,02%

- Theo quá trình sản xuất

+ Khi thực hiện gia công kéo nguội sẽ được đồng cứng MT loại này có giới hạn bền cao, độ giãn dài nhỏ

+ Đồng ủ sẽ được đồng mềm MM, loại này tương đối dẻo, có độ cứng nhỏ, độ bền không lớn nhưng độ dãn dài rất lớn khi đứt và điện dẫn suất cao hơn

• Đồng tiêu chuẩn là đồng ở trạng thái ủ ở nhiệt độ

20 0 C có điện dẫn suất 58 (m/Ω.mm 2 )

• Các tính chất của đồng:

+ Có màu đỏ nhạt sáng rực, da công dễ dàng, chịu

được thời tiết xấu

+ Điện dẫn suất rất nhạy cảm với tạp chất có trong

• Ứng dụng

Dùng làm kết cấu máy biến áp, máy điện, làm dây dẫn cho đường dây tải điện, dây quấn trong máy điện , trong các khí cụ điện, trong thiết bị vô tuyến viễn thông…

2) Hợp kim đồng

- Đồng thanh (Bronze) : là hợp kim đồng với một lượng nhỏ thiếc, silic, phôtpho, beri, crôm, magiê, cađmi v.v

+ Đồng thanh có ưu điểm hơn đồng tinh khiết:

Có tính chất cơ học tốt hơn, Điện trở suất lớn hơn

+ Sử dụng để chế tạo lo xo dẫn điện, Các cổ góp điện, dây dẫn viễn thông, đường dây trên không, …

+ Cho chất phụ cađmi vào đồng thu được: Làm điện dẫn suất giảm sút đi một ít nhưng độ bền cơ và độ cứng tăng lên nhiều, Giới hạn bền kéo của đồng thanh cađmi đạt 105 kg/mm 2 Được dùng ở những chố tiếp xúc, phiến góp có công dụng đặc biệt

- Đồng thau (Latun) : là hợp kim đồng kẽm trong đó kẽm không quá 46% và có thêm Si, Ni, Al, Mn, Fe, Sb,…

+ Đồng thau có điện trở suất cao hơn Có độ giãn dài tương đối khá cao, có độ bền kéo cao hơn nên có đặc tính công nghệ ưu việt hơn so với đồng tinh khiết khi gia công rèn, dập, kéo sợi mảnh

+ Được dùng trong kỹ thuật điện để sản xuất ra mọi chi tíêt dẫn điện như: roto lồng sóc, các chi tiết như vít, chốt, khóa, các ổ cắm điện…

- Có màu bạc trắng là kim loại tiêu biểu cho các kim loại nhẹ (Nghĩa là kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn 5 g/cm 3 ) Khối lượng riêng của nhôm đúc gần = 2,6 còn nhôm cán là 2,7 g/cm 3 và nhẹ hơn đồng 3,5 lần Hệ số nhiệt độ giãn nở dài, nhiệt dung và nhiệt

độ nóng chảy của nhôm đều lớn hơn đồng

- Cùng một tiết diện và chiều dài nhôm kém đồng cả về

độ bền cơ và đặc tính điện

- Điện trở dây nhôm lớn hơn đồng 1,63 lần nên điện trở

R Al = R Cu hay đường kính (D Al = 1,63D Cu ) vì vậy khi nào bị hạn chế về kích thước thì việc dùng nhôm thay đồng gặp khó khăn

- Nếu so sánh 2 đoạn dây nhôm và đồng có cùng độ dài, R Mặc dù Nhôm to hơn Đồng nhưng nhẹ hơn đồng khoảng 2 lần Vì vậy để sản xuất các dây dẫn

có cùng điện dẫn và chiều dài thì dùng Al lợi hơn Cu trong trường hợp nếu 1 tấn nhôm đắt hơn một tấn đồng không quá 2 lần Nên Al thay thế Cu làm dây điện đường dây tải điện trên không và dùng sản xuất lõi dây cáp điện với số lượng rất lớn

• Phân loại Nhôm

- Theo thành phần tạp chất:

+ Al là nhôm có tạp chất trong thành phần không quá 0,5%

+ ABOO có tạp chất < 0,03% được dùng sản xuất nhôm

lá, các điện cực và vỏ tụ điện điện phân

• Tính chất của nhôm cứng (AT) và mềm (AM):

+ Giới hạn bền khi kéo với AT > 1617 còn AM > 8 kG/mm 2

+ Độ dãn dài tương đối khi đứt với AT > 1,52% còn AM

- Nhiệt độ nóng chảy: 657 o C

- Nếu trong vùng tiếp xúc giữa đồng và nhôm chịu tác dụng của hơi ẩm sẽ phát sinh cặp pin cục bộ có trị số S.đ.đ khá cao và sẽ có dòng điện đi từ nhôm sang đồng, kết quả là dây dẫn nhôm có thể bị phá huỷ vì bị

ăn mòn nhanh Vì thế ở chỗ nối dây đồng với dây nhôm cần phải được bảo vệ chống ẩm cẩn thận

- Nếu dùng Nhôm thay thế chì để làm vỏ cáp, phải sử dụng nhôm tinh khiết đặc biệt cao tạp chất < 0,01%(Al bình thường 0,5%)

- Sử dụng làm dây dẫn trên không với khoảng vượt lớn dùng hợp kim nhôm có độ bên cơ cao hơn

- Đường dây tải điện thường sử dụng loại nhôm lõi thép (AC), loại này có độ bền cơ do lõi thép quyết định, và đường kính ngoài của dây nhôm lớn hơn sử dụng đồng nên giảm được tổn thất do phóng điện vầng quang

4) Sắt (thép)

- Thép (sắt công nghiệp) là kim loại rẻ tiền, dễ khiếm,

có độ bền cơ cao, nên được làm vật dẫn

- Sắt tinh khiết có điện trở suất lớn hơn nhiều so với

Cu và Al, thép là sắt với tạp chất cácbon và một số chất khác có điện trở suất cao hơn nhiều

- Dòng điện xoay chiều trong thép sẽ gây nên hiệu ứng

bề mặt đáng kể, nên R dây thép đối với dòng điện xoay chiều cao hơn điện trở với dòng 1 chiều Dòng xoay chiều còn gây ra tổn thất từ trễ

• Ứng dụng:

- Thép làm dây dẫn thường:

+ Thép mềm có 0,10÷ 0,15% Cácbon

+ Giới hạn bền kéo 70 ÷75kg/mm2

+ Độ giãn dài tường đối khi đứt 5- 8%

+ Điện dẫn suất nhỏ hơn đồng 6 -7 lần

- Làm vật liệu dẫn điện dưới dạng thanh dẫn, đường ray tải điện, đường sắt chạy điện, tàu điện ngầm…

- Làm lõi của dây nhôm, lõi thép dùng dây thép có độ bền đặc biệt với giới hạn bền kéo 120 ÷150kg/mm 2 và độ giãn dài tương đối 45%

* Nhược điểm :

Khả năng chống ăn mòn kém: Ngay cả ở nhiệt độ bình thường và đặc biệt khi độ ẩm cao thép sẽ bị gỉ nhanh, khi nhiệt độ cao, tốc độ ăn mòn tăng nhanh

* Khắc phục:

Bề mặt dây thép cần được bảo vệ bằng lớp kim loại bền hơn Thông thường dây thép được mạ bằng kẽm

- Lưỡng kim: Là thép có bọc lớp đồng ở mặt ngoài

+ Sản xuất: 2 phương pháp

- Phương pháp nóng: Đặt thỏi thép vào khuôn rồi rót đồng nóng chảy vào khe giữa thỏi thép và thành khuôn, sau đó làm sạch rồi đem cán và kéo

- Phương pháp nguội: hay điện phân là phương pháp phủ đồng lên dây thép bằng điện phân, khi dây thép đi qua bể điện phân

có dung dịch đồng sunfat

+ Phương pháp nguội đảm bảo lớp bao bọc đồng đều hơn nhưng tiêu phí điện năng lớn, và nó tạo nên sức bám của đồng với thép không bền bằng phương pháp nóng

+ Dây lường kim thường có đường kính 14mm, hàm lượng đồng không được nhỏ hơn 50% trọng lượng toàn bộ dây

+ Giới hạn bền kéo phụ thuộc vào đường kính và không nhỏ hơn

55 ÷ 70kg/mm 2 ; độ giãn dài tương đối khi đứt không quá 2% + Ứng dụng: Dùng làm đường dây thông tin tải điện… thanh cái

thiết bị phân phối, thanh trụ của cầu dao, các phần điện khác trong thiết bị phân phối chế tạo bằng vật liệu lưỡng kim

1.3 Các kim loại khác

1 Wofram (W)

• Wofram (Tungsten) tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng mỏ:

1300 0 C

• Wofram là một kim loại có sức bền đứt và độ cứng rất cao,

nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong số tất cả các kim loại được sử dụng trong kỹ thuật điện, được chế tạo thành sợi

được thực hiện trong chân không hay với môi trường khí

2 Niken (Ni)

- Niken còn được gọi là kền, tồn tại dưới dạng mỏ trong thiên nhiên:

– Sulfua đa kim loại: quặng Milerit (NiS), Penlandit ((FeNi) 2 S 8 )

– Silicat: Canarit (2NiO 3 SiO 2 .H2O), Gac-ni-erit (NiMgSiO 3 )

– Sulfua và Asenua - Nikelen: NiAs, NiAs 2

- Qua hàng loạt các phản ứng người ta có thể chế tạo được Niken với độ tinh khiết 99,9%

- Niken là kim loại màu trắng-xám tro, nó không bị oxyt hóa trong không khí

và trong nước ở điều kiện bình thường (chỉ bị oxyt hóa ở nhiệt độ trên

500 0 C) là kim loại bền, dễ dát mỏng và vuốt giãn được cả khi nguội và khi nóng, kim loại có từ tính

- Niken được dùng để chế tạo các nhiệt ngẫu đo nhiệt độ (Ni-Fe, Ni-Cr); chế tạo các tiếp điểm điện làm việc trong môi trường Cacbua Hydro đối với dòng điện nhỏ và điện áp lớn (đối với công suất lớn, tiếp điểm dùng hợp kim Ni-Ag) ; chế tạo các điện trở phát nóng, đến 900 0 C ; dùng để mạ bảo

vệ cho những chi tiết bằng sắt thép thông qua phương pháp điện phân, dùng để chế tạo các máy điện cực dương (anot) của các acquy kiềm, có trong thành phần của thép không rỉ (hay còn gọi là inox là một dạng hợp kim

sắt chứa tối thiểu 10,5% crôm và một số khắc như Ni, mô-lip-đen, ni tơ )

3 Thiếc (Sn)

- Thiếc là kim loại có ánh sáng bạc, sức bền đối với ảnh hưởng của môi trường, là kim loại rất mềm (sau chì), dễ dát mỏng và dễ uốn dẻo

- Thiếc được dùng trong kỹ thuật điện để chế tạo đồng thanh, làm lớp vỏ bọc bên ngoài để bảo vệ các vật liệu dễ bị ăn mòn bởi môi trường, để làm chất hàn,

độ 350 0 C, nó bị oxyt hóa rất dễ dàng)

- Thủy ngân được sử dụng trong các đèn chiếu sáng, đèn chỉnh lưu, đèn chiếu đặc biệt dùng trong y tế, máy chiếu, máy in, Ngoài ra còn được dùng làm các tiếp điểm trong kỹ thuật đo, trong Rơle và các khí cụ điện

1.4 HỢP KIM CÓ ĐIỆN TRỞ CAO

• Hợp kim có điện trở cao được dùng trong kỹ thuật

điện để chế tạo các dụng cụ đo lường, điện trở mẫu, biến trở, dụng cụ nung nóng

• Đối với tất cả các thiết bị ấy đều yêu cầu dây dẫn có

điện trở suất cao và hệ số biến đổi của điện trở suất đối với nhiệt độ nhỏ so với các phần tử hợp thành

• Hiện nay thường dùng các hợp kim có gốc là đồng:

Manganin, Constantan và Nikennin, Niken-Crôm, Niken-Nhôm

1 Hợp kim Manganin (86%Cu, 2%Ni, 12%Mn)

Hợp kim Manganin là hợp kim chủ yếu dùng

chính xác) Sở dĩ được dùng làm điện trở mẫu là bởi nó không làm sai lệch kết quả đo lường ở những dòng điện khác nhau cũng như ở những nhiệt độ môi trường xung quanh khác nhau

2 Hợp kim Crôm - Nhôm

Hợp kim Crôm - Nhôm là hợp kim rất rẻ được dùng để chế tạo các thiết bị nung lớn và lò điện lớn dùng trong công nghiệp

3 Hợp kim Constantan (60%Cu, 40%Ni)

• Constantan dễ hàn và dính rất chặt, hệ số biến đổi

điện trở suất  theo nhiệt độ rất nhỏ (Constantan với nghĩa của nó là hằng số),  có trị số âm

• Constantan được dùng làm biến trở và phần tử nung

nóng, Constantan không được dùng ở nhiệt độ trên

450 0 C vì lúc đó nó sẽ bị oxyt hóa

• Constantan ghép với đồng hay sắt có sức nhiệt điện

động lớn Đó là nhược điểm khi dùng điện trở bằng Constantan trong các sơ đồ đo Do có sự chênh lệch nhiệt độ ở chỗ tiếp xúc nên có sức nhiệt điện động xuất hiện, đó là nguồn sai số Đặc biệt trong các cầu

đo chỉ không và sơ đồ phân điện áp

• Constantan được dùng nhiều làm cặp nhiệt ngẫu để

đo nhiệt độ đến 700 0 C

4 Hợp kim Nikenin [(2535)%Ni, (23)%Mn, 67%Cu]

• Hợp kim Nikenin rẻ tiền hơn Constantan, dễ gia công,

có điện trở suất nhỏ hơn và hệ số biến đổi của điện trở suất đối với nhiệt độ lớn hơn Constantan

• Người ta thường dùng hợp kim Nikenin làm biến trở

khởi động và điều chỉnh

5 Hợp kim Crôm-Niken (Nicrom)

• Hợp kim Nicrom [1,5% Mn, (5578)%Ni, (1523)%Cr, còn lại là Fe] có sức bền tốt ở nhiệt độ cao, điện trở suất và

hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ

• Hợp kim này được dùng để làm các phần tử nung bằng

điện như bếp điện, mỏ hàn, với nhiệt độ đến 1000 0 C

1.5 Vật liệu siêu dẫn

Khái niệm:

- Siêu dẫn là một trạng thái vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn,

nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt chất siêu dẫn trong từ trường, từ trường còn bị đẩy

ra khỏi nó

- Đặc trưng của chất siêu dẫn là khả năng tải dòng điện một chiều không có sự tiêu tốn năng lượng và sự đẩy từ trường ra khỏi chất siêu dẫn khi chất siêu dẫn đặt trong từ trường

- Vật liệu được coi là siêu dẫn khi phải đồng thời thõa mãn 2 tính chất sau:

+ Điện trở suất ρ = 0 ở nhiệt độ T< Tc (nhiệt độ tới hạn hay nhiệt

độ chuyển pha siêu dẫn)

+ Cảm ứng từ bên trong chất siêu dẫn bằng không (B = 0) đối với chất siêu dẫn sạch (Loại I)

Hiệu ứng Meissner

• Hiệu ứng Meissner hay hiệu ứng Meissner-Ochsenfeld là hiệu ứng từ

thông bị đẩy ra hoàn toàn khỏi bên trong của vật siêu dẫn Hiện tượng này là hiện tượng nghịch từ hoàn hảo (en:Superdiamagnetism) Từ thông sinh ra bởi vật siêu dẫn bù trừ hoàn toàn từ thông ở môi trường ngoài Do đó, từ thông bên trong vật siêu dẫn bằng 0 Hiện tượng này được khám phá bởi hai nhà vật lý người Áo Walther Meissner và người Đức Robert Ochsenfeld vào năm 1933

vật liệu siêu dẫn nhúng trong nitơ lỏng lạnh tới −200 °C, thể hiện hiệu ứng Meissner

Hiệu ứng Meissner

Đường từ thông đi thẳng khi T>Tc: nhiệt độ

trên nhiệt độ critical (tới hạn)

Đường từ thông đi vòng khi T<Tc: nhiệt độ

thấp hơn nhiệt độ critical