Vật liệu điện bài giảng dành cho sinh viên Đại học và cao đẳng

Vật liệu điện bài giảng dành cho sinh viên Đại học và cao đẳng là bộ tài liệu hay và rất hữu ích cho các bạn sinh viên và quý bạn đọc quan tâm. Đây là tài liệu hay trong Bộ tài liệu sưu tập gồm nhiều Bài tập THCS, THPT, luyện thi THPT Quốc gia, Giáo án, Luận văn, Khoá luận, Tiểu luận…và nhiều Giáo trình Đại học, cao đẳng của nhiều lĩnh vực: Toán, Lý, Hoá, Sinh…. Đây là nguồn tài liệu quý giá đầy đủ và rất cần thiết đối với các bạn sinh viên, học sinh, quý phụ huynh, quý đồng nghiệp và các giáo sinh tham khảo học tập. Xuất phát từ quá trình tìm tòi, trao đổi tài liệu, chúng tôi nhận thấy rằng để có được tài liệu mình cần và đủ là một điều không dễ, tốn nhiều thời gian, vì vậy, với mong muốn giúp bạn, giúp mình tôi tổng hợp và chuyển tải lên để quý vị tham khảo. Qua đây cũng gởi lời cảm ơn đến tác giả các bài viết liên quan đã tạo điều kiện cho chúng tôi có bộ sưu tập này. Trên tinh thần tôn trọng tác giả, chúng tôi vẫn giữ nguyên bản gốc. Trân trọng. ĐỊA CHỈ DANH MỤC TẠI LIỆU CẦN THAM KHẢO http:123doc.vntrangcanhan348169nguyenductrung.htm hoặc Đường dẫn: google > 123doc > Nguyễn Đức Trung > Tất cả (chọn mục Thành viên)

KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

Bài giảng “Vật liệu điện” thời lượng 30 tiết được biên soạn dùng làm tài liệu họctập cho sinh viên bậc TCCN chính qui ngành Điện công nghiệp và dân dụng, trường đạihọc Phạm Văn Đồng Bài giảng sẽ trình bày các lý thuyết cơ bản trong môn vật liệu điện,gồm 3 phần cơ bản: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu cách điện Nội dung bàigiảng được biên soạn đúng theo đề cương chi tiết môn học do trường đại học Phạm VănĐồng ban hành Bài giảng gồm 8 chương, trong đó:

Phần 1 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

Chương 1 Những vấn đề chung

Chương 2 Kim loại, hợp kim và các đặc tính của chúng

Chương 3 Kim loại và hợp kim có điện dẫn suất lớn

Chương 4 Lưỡng kim loại

Chương 5 Vật liệu dùng làm tiếp điểm điện

Phần 2 VẬT LIỆU BÁN DẪN

Chương 6 Chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật điện

Phần 3 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

Chương 7 Những hiểu biết cơ bản trong kỹ thuật cách điện

Chương 8 Tính chất của vật liệu cách điện

Trong quá trình biên soạn bài giảng, tác giả đã cố gắng trình bày các nội dung rấtngắn gọn và dễ hiểu Ngoài ra, ở cuối mỗi chương đều có các câu hỏi ôn tập nhằm giúp cácsinh viên dễ dàng hệ thống lại các kiến thức đã được học

Tuy nhiên, trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi những thiếu sót Rấtmong nhận được các góp ý về nội dung bài giảng để bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn.Các ý kiến đóng góp của bạn đọc xin gởi về địa chỉ: Bộ môn Điện - điện tử, Khoa Kỹ thuậtcông nghệ, Trường Đại Học Phạm Văn Đồng

Tác giả xin chân thành cảm ơn

Tác giả

Chương 1 Những vấn đề chung Trang 1

1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện 1

1.2 Phân loại 1

1.3 Các đặc tính chính của vật liệu dẫn điện 2

1.4 Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ 2

Chương 2 Kim loại, hợp kim và các đặc tính của chúng 7

2.1 Khái niệm chung 7

2.2 Cấu tạo của kim loại 7

2.3 Cấu tạo của hợp kim 9

2.4 Tính chất chung của kim loại và hợp kim 10

2.5 Một số phương pháp thử kim loại và hợp kim 12

Chương 3 Kim loại và hợp kim có điện dẫn suất lớn 15

3.1 Đồng (Cu) 15

3.2 Hợp kim của đồng 18

3.3 Nhôm (Al) 20

3.4 Kẽm (Zn) 24

3.5 Sắt (Fe) 25

3.6 Vonfram (W) 27

3.7 Chì (Pb) 29

3.8 Thủy ngân (Hg) 30

3.9 Bạc (Ag) 31

Chương 4 Lưỡng kim loại 33

4.1 Khái niệm lưỡng kim loại 33

4.2 Dây dẫn bằng lưỡng kim thép – đồng 33

4.3 Nhiệt lưỡng kim 34

Chương 5 Vật liệu dùng làm tiếp điểm điện 36

5.1 Các yêu cầu chung đối với vật liệu dùng làm tiếp điểm điện 36

5.2 Sức bền của tiếp điểm và các yếu tố ảnh hưởng đến sức bền 36

Chương 6 Chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật điện 39

6.2 Chất bán dẫn thuần 39

6.3 Chất bán dẫn tạp 40

6.4 Chất bán dẫn điện dùng trong kỹ thuật điện 40

Chương 7 Những hiểu biết cơ bản trong kỹ thuật cách điện 45

7.1 Khái niệm chung 45

7.2.Tổn hao điện môi 47

7.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi 50

7.4 Sự hóa già của vật liệu cách điện 50

Chương 8 Tính chất của vật liệu cách điện 53

8.1 Phân loại vật liệu cách điện 53

8.2 Tính chất của vật liệu cách điện thể khí 54

8.3 Tính chất của vật liệu cách điện thể lỏng 54

8.4 Tính chất của vật liệu cách điện thể rắn 56

8.5 Sự phóng điện trong điện môi 57

Tài liệu tham khảo………

Phần I VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

Chương 1

NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG

1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện là loại vật chất mà ở trạng thái bình thường tồn tại các điện tử tự

do Nếu đặt những vật liệu này vào trong một điện trường, các điện tích sẽ chuyển động

theo hướng nhất định và tạo thành dòng điện

Chiều của dòng điện được qui ước ngược chiều chuyển động của các điện tử tự do(hay cùng chiều chuyển động của các điện tích dương trong điện trường)

* Chứng minh sự tồn tại trực tiếp của các điện tử tự do được phát hiện năm 1913

Đó là sự tồn tại của hiện tượng quán tính Nếu dây dẫn kim loại nằm ở không gian được

che chắn toàn bộ với điện từ trường nguồn, cho dây dẫn chuyển động thật nhanh và sau

đó dừng lại đột ngột thì các điện tử còn chuyển động theo quán tính Đồng hồ chỉ thị nối

với 2 đầu dây có chỉ thị đột biến trong giây lát

Ngoài ra, các thí nghiệm đều kết luận rằng: Tỉ số điện tích của điện tử trên khốilượng m của nó đều bằng nhau cho tất cả các kim loại

e = 1,602.10-19 C, me = 9,1.10-31 kg , suy ra: 1,759.10 (C/kg)

m

e 11 e

giống nhaucho tất cả các kim loại

Vật liệu dẫn điện có thể tồn tại ở cả 3 trạng thái rắn, lỏng hoặc khí

1.2 Phân loại

Vật liệu dẫn điện được phân thành hai loại:

- Vật liệu với tính dẫn điện tử hay vật dẫn loại 1 (còn gọi là vật dẫn kim loại)

- Vật liệu với tính dẫn ion hay vật dẫn loại 2 (còn gọi là vật dẫn điện phân)

a) Vật dẫn với tính dẫn điện tử:

Là loại vật dẫn mà sự hoạt động của điện tích không làm biến đổi thực thể đã làmnên vật dẫn đó Bao gồm: các kim loại, hợp kim ở trạng thái rắn hay lỏng và một số chấtkhông phải kim loại ( như than)

Kim loại và hợp kim có tính dẫn điện tốt được chế tạo thành dây dẫn điện, dây cáp,các dây để quấn máy điện và khí cụ điện,… Kim loại và hợp kim có điện trở suất lớn

được sử dụng ở các khí cụ điện dùng để sưởi, để đốt nóng, ở các đèn chiểu sáng và các

1.3 Các đặc tính chính của vật liệu dẫn điện

Trong đó:

R: điện trở của đoạn mạch (Ω)

U: là điện áp giữa 2 đầu đoạn mạch (V)I: là cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch (A)b) Điện dẫn G

Là đại lượng nghịch đảo của điện trở Kí hiệu: G

R

1G

Đơn vị của G: S (Simen)

c) Điện trở suất ρ

Là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài và tiết điện là một đơn

vị diện tích

Đơn vị của ρ theo hệ SI là: Ω.m

Thông thường nó được tính theo đơn vị Ω.mm2/m và trong một số trường hợp đượctính bằng μΩ.cm

1.4 Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ

Xét về bản chất vật lý: Điện trở của vật dẫn chính là biểu hiện của mức độ va chạmcủa các điện tử với các nguyên tử, phân tử của vật dẫn đó Nó phụ thuộc vào chiều dài,tiết diện và bản chất vật liệu của vật dẫn đó (điện trở suất)

S

l

R ρ (Ω)Trong đó:

R: điện trở (Ω)

* Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ:

Khi nhiệt độ tăng lên, các phần tử cấu thành vật chất kim loại sẽ gia tăng mức độchuyển động nhiệt nên các điện tử trong kim loại sẽ di chuyển khó khăn hơn, va chạmnhiều hơn Do đó điện trở suất của kim loại sẽ tăng theo nhiệt độ

- Chú ý: Cacbon và các dung dịch chất điện ly có điện trở suất giảm khi nhiệt độtăng

Thông thường điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ theo quy luật sau:

)ttt(

t

3 2

0 1

Ở nhiệt độ t2, điện trở suất sẽ được tính toán xuất phát từ nhiệt độ t1 theo công thức:

)tt(

t

t t 1 2

1

1 2

Thiết lập công thức tính điện trở của vật dẫn khi nhiệt độ thay đổi:

- Giả sử tại nhiệt độ t1, điện trở của vật dẫn là r1

- Tại nhiệt độ t2, điện trở của vật dẫn là r2

=> Khi nhiệt độ thay đổi 1 lượng là t t2 t1 thì điện trở thay đổi 1 lượng là

r

1

1 2 1

Trong đó: α là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ đối với từng loại vật liệu

tương ứng (tra bảng)

1 2

r

Hay r2 r1(1 t)

Ở gần nhiệt độ 0 tuyệt đối (00K), điện trở suất của kim loại tinh khiết giảm đột ngột,

chúng thể hiện hiện tượng siêu dẫn Về phương diện lý thuyết, ở 00K kim loại tinh khiếtkhông còn điện trở

00K = - 2730 C

Năm 1891, nhà bác học người Hà Lan Kamerlingh Onnes khi nghiên cứu tính dẫn

điện của thủy ngân siêu sạch ở nhiệt độ cực thấp (nhiệt độ hóa lỏng của Hêli ), đã phát

hiện ra rằng, khi hạ nhiệt độ tới 1 giá trị T0K nào đó, khoảng 4,150K = - 268,750C thì

điện trở suất của thủy ngân giảm xuống đột ngột đến 1 giá trị cực nhỏ, thực tế bằng 0

Trạng thái không bình thường của vật chất ở nhiệt độ cực thấp gọi là hiện tượngsiêu dẫn Dây dẫn có khả năng chuyển trạng thái ở nhiệt độ cực thấp gọi là dây siêu dẫn

Ở nhiệt độ bình thường, Cu và Al dẫn điện rất tốt nhưng không có được trạng thái

siêu dẫn

Nguyên tố có tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao nhất là Niobi (Nb), nó đạt trạng thái siêudẫn ở nhiệt độ + 9,40K ( - 263,60K)

- Chú ý: Khi nóng chảy, điện trở suất của kim loại biến đổi, thông thường giá trị

tăng (ngoại trừ ăngtimoan, gali, bitmut: khi nóng chảy điện trở suất ρ giảm)

Bảng 1.1 Bảng đặc tính của một số vật liệu dẫn điện

Tên vật liệu Điện trở suất ở

200C( mm2 /m

)

Hệ số thay đổi của điện trở suất theonhiệt độ (1/0C)

trong khoảngnhiệt độ thay đổi từ 0 -> 1000C

.100

10.50.10.029,0S

l

3 6

0

với 0là điện trở suất của nhôm tại nhiệt độ 200C

- Xác định điện trở của dây dẫn tại nhiệt độ t1= - 50C, ta có:

)(05,13)205(004,015,14)t(t1R)t1(R

R1 0 0 1 0

- Xác định điện trở của dây dẫn tại nhiệt độ t2= + 400C, ta có:

)(66,15)2040(004,015,14)t(t1R)t1(R

R2 0 0 2 0

Ví dụ 1.2: Xác định điện trở của dây dẫn bằng nhôm biết ở nhiệt độ 200C nó có điệntrở là 1,2 , còn ở nhiệt độ đang xét nó có điện trở là 1,44

Giải:

Áp dụng công thức: t (t t )

r

rr

1 2 1

1 2

Trong đó: r2 = 1,44( )

r1 = 1,2( )

t1 = 200C

)C/1(004,

0 0

Suy ra: 20 70 C

004,0.2,1

2,144,1tr

rr

1

1 2 2

Vậy nhiệt độ của dây đẫn tại thời điểm đang xét là 700C

Ngoài ra điện trở của vật liệu còn phụ thuộc vào các thông số khác như:

Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất

Khi kéo hoặc nén đàn hồi, điện trở suất của kim loại được biến đổi theo công thức:

)k(1

0

Trong đó:

(+): ứng với biến dạng do kéo(-) : ứng với biến dạng do nén

δ : ứng suất cơ khí của mẫu KG/mm2

k : hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất

Ảnh hưởng của từ trường và ánh sáng đối với ρ

- Điện trở suất của kim loại có sự biến đổi khi được đặt trong một từ trường

- Điện trở suất của một số vật liệu cũng biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng

-Câu hỏi chương 1

1 Trình bày khái niệm vật liệu dẫn điện

2 Phân loại vật liệu dẫn điện Ví dụ minh họa

3 Phân tích sự thay đổi của điện trở khi nhiệt độ thay đổi

4 Xác định điện trở của 1 dây dẫn bằng đồng dài 50 km, tiết diện 100mm2 tại nhiệt

độ -50C và + 400 C Nhận xét

5 Xác định điện trở của dây dẫn bằng nhôm biết ở nhiệt độ 200C nó có điện trở là1,2 , còn ở nhiệt độ đang xét nó có điện trở là 1,44

Chương 2

KIM LOẠI, HỢP KIM

VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CHÚNG

2.1 Khái niệm chung

Hiện nay loài người đã biết được 110 nguyên tố hóa học, tất cả các nguyên tố đó

được chia thành 2 loại:

- Kim loại

- Không kim loại

Trong đó kim loại chiếm 86 nguyên tố

Kim loại chứa nhiều nhất trong vỏ quả đất là Al (7%), sắt (5%)

2.2 Cấu tạo của kim loại

2.2.1 Cấu tạo nguyên tử của kim loại

Kim loại có các tính chất khác nhau là do tổ chức bên trong của chúng khác nhau.Vật chất do các nguyên tử tạo thành Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp baogồm: hạt nhân mang điện dương ở giữa và các điện tử mang điện âm quay xung quanhhạt nhân Hạt nhân bao gồm proton và nơtron

Khối lượng nguyên tử chủ yếu tập trung vào hạt nhân vì khối lượng điện tử bé gấp

1840 lần so với khối lượng của proton và nơtron

- Khối lượng proton: mp = 1,6726.10-27 (kg)

- Khối lượng notron: mn = 1,6749.10-27 (kg)

- Khối lượng electron: me = 9,1.10-31 (kg)

Suy ra: 1840

m

mm

m

e n e

p

lần

Số lượng điện tử của mỗi nguyên tử bằng số lượng proton ở hạt nhân của nó, số

lượng điện tử là số thứ tự của chất đó xếp trong bảng tuần hoàn Menđêlêép

Các điện tử quay xung quanh hạt nhân với vận tốc rất lớn và theo quỹ đạo hình elip.Các điện tử quay ở quỹ đạo ngoài cùng có ảnh hưởng nhiều nhất đến tính chất của mỗi

chất, số điện tử ở quỹ đạo ngoài cùng có số lượng khác nhau từ 0 đến 8 điện tử

Đối với kim loại, ở quỹ đạo ngoài cùng thường có 1 đến 3 điện tử, các điện tử này

dễ bị đi khỏi quỹ đạo để cho các nguyên tử trở thành ion dương và đó chính là chỗ khácnhau chủ yếu giữa kim loại và chất phi kim loại

Bình thường nguyên tử trung hòa về điện, như vậy nguyên tử kim loại có cấu tạo

như là ion dương ở giữa có các điện tử tự do quay xung quanh và các điện tử này dễ bật

ra khỏi quỹ đạo của nó

Các điện tử tự do này là nguyên nhân tạo nên tính dẫn điện, dẫn nhiệt cũng như tính

dẻo dai của kim loại Về mặt hóa học, kim loại nào có tính hoạt động mạnh là kim loại

dễ mất điện tử tự do để trở thành ion dương

2.2.2 Cấu tạo tinh thể của kim loại

Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo mạng tinh thể, tức là các nguyên

tử của nó sắp xếp trong không gian theo 1 vị trí hình học chứ không sắp xếp hỗn độn

như các vật phi kim loại khác

Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại là: lập phương thể tâm, lập phươngdiện tâm và lục phương dày đặc

a) Lập phương thể tâm

Trong ô cơ bản của kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình

lập phương và ở giữa mỗi hình lập phương có 1 nguyên tử

Khoảng cách a giữa hai tâm nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh thể gọi làthông số mạng, độ lớn đo bằng A0 (Ăngtron), (1A0 = 10-10m)

Các kim loại có kiểu mạng tinh thể này là: Sắt, Crôm, Vônfram, môlipđen,

vanadi,…

b) Lập phương diện tâm

Trong ô cơ bản của kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình

lập phương và nằm ở trung tâm các mặt của hình lập phương

Các kim loại có kiểu mạng tinh thể này là: Sắt , đồng, Niken, Coban , chì, bạc,vàng

c) Lục phương dày đặc

Hình 2.1 a) ô cơ bản.

b) Kiểu lập phương thể tâm

b)a)

a

Hình 2.2 Ô cơ bản kiểu lập phương diện tâm.

Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lụclăng, hai nguyên tử nằm ở tâm hai mặt đáy và 3 nguyên tử nằm ở trung tâm của 3 khốilăng trụ tam giác cách nhau.

Các kim loại có loại mạng tinh thể này gồm: Kẽm (Zn), Coban α, Magiê, Cađimi

2.3 Cấu tạo của hợp kim

Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hai hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủyếu là kim loại và hợp kim có tính chất của kim loại

Trong thành phần của hợp kim có thể có một lượng nhỏ các nguyên tốákim Ví dụ:thép là hợp kim của sắt và cacbon, …

Hợp kim được chế tạo chủ yếu bằng cách nấu chảy, ngoài ra còn dùng điện phân,thiêu kết…

* Trong công nghiệp, các kim loại nguyên chất ít được dung hơn hợp kim của nó vìcác lý do sau:

- Kim loại nguyên chất rất dẻo, lại có độ bền và độ cứng thấp Khi nhiệt độ tăng lênthì độ bền và độ cứng giảm

- Nhiều kim loại có độ dẫn điện cao nhưng khi nhiệt độ cao, độ dẫn điện lại giảmmạnh vì điện trở tăng theo nhiệt độ

)t1(r

r2 1

- Hệ số giãn nở nhiệt của kim loại nguyên chất rất lớn khi có sự thay đổi nhiệt độ,

do đó các cơ cấu máy chính xác không thể dùng kim loại nguyên chất

- Độ bền và độ cứng của kim loại nguyên chất giảm khi nhiệt độ tăng

- Tính công nghệ của kim loại nguyên chất rất kém: khó đúc, khó gia công cắt gọt,khó hàn…

Hình 2.3 a) Ô cơ bản kiểu lục phương dày đặc.

b) Hình chiếu bằng

- Khi nhiệt luyện, độ cứng và độ bền của kim loại nguyên chất tăng không đáng kể.

- Kim loại nguyên chất lại rất khó luyện vì trong quặng bao giờ cũng có các tạpchất, việc khử bỏ hoàn toàn các tạp chất này rất khó và tốn kém

Vì vậy, trong thực tế hầu hết các chi tiết máy đều làm bằng hợp kim

2.4 Tính chất chung của kim loại và hợp kim

Để sử dụng vật liệu nói chung ta cần nắm vững các tính chất của nó, xem các tính

chất đó có đáp ứng được yêu cầu công việc hay không Thí dụ để làm dụng cụ cắt kimloại, ta cần phải chọn vật liệu có độ bền cao, độ cứng cao, độ chịu mòn và chịu nhiệt

cao; để làm dây dẫn điện, phải có vật liệu có tính dẫn điện tốt; để chế tạo máy bay, cần

có vật liệu vừa bền, vừa nhẹ….Hoặc trong 1 số trường hợp, ta lại cần các vật liệu không

a) Vẻ sáng của kim loại

Theo vẻ sáng mặt ngoài của kim loại, người ta có thể chia kim loại thành 2 loại là:kim loại đen và kim loại màu

+ Kim loại đen là gồm các hợp kim của sắt, tức là gang và thép

+ Kim loại màu là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại

Kim loại không trong suốt, ngay những tấm kim loại được cán rất mỏng cũng không

để ánh sáng xuyên qua nó được

Tuy nhiên kim loại lại có độ phản chiếu ánh sáng ở mặt ngoài của nó, mỗi kim loạiphản chiếu ánh sáng theo một màu riêng mà ta quen gọi là màu của kim loại Thí dụ:

đồng màu đỏ, thiếc màu trắng bạc, kẽm màu xám,…

b) Tính nóng chảy loãng

Kim loại có tính nóng chảy loãng khi đốt nóng và đông đặc lại khi làm nguội Nhiệt

độ ứng với thời điểm kim loại chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng gọi là điểm

nóng chảy Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ hàn và đúc

Điểm nóng chảy của hợp kim khác với điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên

hợp kim đó

c) Tính dẫn nhiệt

Là tính chất truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hoặc làm lạnh

Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, đồng thờicũng càng dễ nguội nhanh

Các vật có tính dẫn nhiệt kém, muốn đốt nóng hoàn toàn phải mất nhiều thời gian;nếu làm nguội quá nhanh có thể gây nứt, vỡ

d) Tính giãn nở nhiệt

Hầu hết các kim loại khi bị đốt nóng thì giãn nở ra và khi lạnh, nó co lại.

Để đo lường chiều dài một cách chính xác, người ta dùng dụng cụ đo bằng hợp kim

Inva (Inva là hợp kim của sắt với 3,5% Cacbon và 35 ÷ 37% Niken) Hợp kim Inva có

độ giãn nở nhiệt gần như bằng 0 trong khoảng nhiệt độ - 800C đến 1000C

Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu thị dưới 2 dạng chủ yếu:

- Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay oxy củakhông khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao

- Tính chịu axit: Là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axit

2.4.3 Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của kim loại hay gọi là cơ tính Là khả năng chống lại tác dụng củalực bên ngoài lên kim loại Cơ tính của kim loại bao gồm: độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độcứng, độ dai va đập, độ chịu mỏi,…

2.4.4 Tính chất công nghệ

Tính công nghệ của kim loại là khả năng mà kim loại có thể thực hiện được các

phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm Tính công nghệ bao gồm: tính cắt

Thử kéo là quá trình thử quan trọng để xác định cơ tính của kim loại Khi thử kéo, ta

có thể xác định độ bền, độ đàn hồi và độ dẻo của kim loại

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

bị phá hỏng

Dạng phá hỏng của kim loại khi thử kéo là bị đứt.

Để xác định độ bền của 1 vật liệu, người ta tiến hành thử trên máy thử kéo đặc biệt

với 1 mẫu thử làm bằng vật liệu đó có kích thước và hình dạng theo qui định

b) Độ đàn hồi: Là khả năng của kim loại có thể thay đổi hình dạng dưới tác dụngcủa lực bên ngoài rồi trở lại trạng thái ban đầu khi bỏ lực tác dụng Độ đàn hồi có thểxác định bằng quá trình thử kéo

c) Độ dẻo: Là khả năng biến dạng của kim loại dưới tác dụng của lực bên ngoài màkhông bị phá hỏng, đồng thời vẫn giữ được sự biến dạng đó khi bỏ lực tác dụng

Độ dẻo được đánh giá bằng độ giãn dài tương đối và độ thắt tỉ đối:

- Độ giãn dài tương đối δS:

%.l

ll

0

0 1

Trong đó:

l0 : chiều dài ban đầu của mẫu thử

l1 : chiều dài sau khi kéo của mẫu thử

- Độ thắt tỉ đối ψ:

%.F

FF

100

0

1 0

Trong đó:

F0: diện tích tiết diện mẫu thử trước khi thử kéo

F1: diện tích tiết diện mẫu thử tại chỗ đứt

Kim loại càng dẻo thì độ giãn dài tương đối δS và độ thắt tỉ đối ψ càng lớn

2.5.2 Thử độ cứng (độ rắn)

Độ cứng của kim loại hay hợp kim là khả năng chống lại sự lún của bề mặt tại vị trí

ta tác dụng vào đó một vật cứng hơn

Kim loại càng khó lún thì độ cứng càng cao

Có nhiều phương pháp để thử độ cứng, nhưng nói chung các phương pháp đều dựatrên nguyên tắc ấn vào bề mặt kim loại cần thử 1 vật cứng hơn và sau đó đo kích thướccủa vết lõm Tùy theo kích thước của vết lõm mà ta xác định được độ cứng của kim loại

Thử độ cứng theo phương pháp Brinell

Dùng một viên bi cầu bằng thép đã tôi cứng có đường kính 2,5; 5 hoặc 10 mm, ấnvào bề mặt vật cần thử với một lực nhất định P Lúc này trên bề mặt vật cần thử sẽ xuấthiện 1 vết lõm có diên tích F Tỉ số giữa lực tác dụng P và diện tích vết lõm F gọi là độcứng Brinell của vật Ký hiệu HB

FP

HB (kG/mm2)

D2

Dh

2 2 2

2

Vậy độ cứng Brinell được tính:

)dDD(D

P2HB

2

2 (kG/mm2)Trong đó:

D: đường kính viên bi (mm)

d: đường kính vết lõm (mm)

h: chiều sâu của vết lõm (mm)

Đối với phương pháp Brinell, chỉ áp dụng để thử các kim loại mềm và thép chưa tôi

cứng Trường hợp viên bi biến dạng thì kết quả đo không còn chính xác

-Câu hỏi chương 2

1 Trình bày cấu tạo nguyên tử của kim loại

2 Trình bày cấu tạo tinh thể kiểu lập phương thể tâm của kim loại Vẽ hình minhhọa

h

DP

d

Hình 2.4 Thử độ cứng theo phương pháp Brinell.

3 Trình bày cấu tạo tinh thể kiểu lập phương diện tâm của kim loại Vẽ hình minhhọa.

4 Trình bày cấu tạo tinh thể kiểu lục phương dày đặc của kim loại Vẽ hình minhhọa

5 Vì sao trong thực tế, kim loại nguyên chất ít được sử dụng hơn hợp kim của nó.Phân tích

6 Phân tích các tính chất vật lý cơ bản của kim loại và hợp kim

7 Khái niệm độ cứng Thiết lập công thức tính độ cứng theo phương pháp Brinell

Vẽ hình minh họa

- Đồng có điện dẫn suất lớn (chỉ nhỏ hơn Ag), có sức bền cơ khí lớn, chống được sự

ăn mòn của khí quyển, tính đàn hồi cao và đặc biệt tính dẫn điện cao làm cho đồng trở

thành vật liệu quan trọng để sản xuất dây điện

- Đồng là một kim loại hiếm, chiếm tỉ lệ khoảng 0,01% trong lòng đất

- Đồng được sử dụng trong công nghiệp là đồng tinh chế, nó được phân loại trên cơ

sở các tạp chất thêm vào trong đồng Người ta thường phân loại đồng gồm CuE (99,95%Cu), Cu9 (99,90% Cu), Cu5 (99,5% Cu), Cu0 (99% Cu) Việc thêm các tạp chất Al, As,

Bi, Fe, … vào trong đồng sẽ cải thiện được đặc tính cơ khí của đồng trong những điều

kiện nhất định

- Sản xuất và chế tạo: Đồng được tìm thấy trong thiên nhiên không nhiều Người tasản xuất đồng chủ yếu từ mỏ Can_copirit (CuFeS2), cancozin (Cu2S), covelit (CuS),bocnit (3Cu2SFe2S3), ênegit (3Cu2SAs2S5), Cupric (Cu2O), Malasit (CuCO3 [OH2]2)…

- Phân loại: Đồng được chia thành 2 loại là đồng cứng và đồng mềm

+ Đồng cứng: Có độ cứng cao, độ bền kéo giãn và độ đàn hồi lớn

+ Đồng mềm: Nếu đồng cứng được gia công thêm bằng cách ủ ở nhiệt độ từ 600 ->

6500C, ta sẽ được đồng mềm, có độ dẻo cao nhưng độ bền cơ học thấp hơn

- Nhược điểm của đồng là bề mặt tiếp xúc với không khí dễ bị ăn mòn khi nhiệt độtăng lên

3.1.2 Các đặc tính

- Đồng là kim loại có màu đỏ nhạt sáng rực

- Có điện dẫn suất và nhiệt dẫn suất lớn

- Có sức bền cơ khí tương đối lớn, dễ dát mỏng, dễ vuốt giãn, gia công dễ dàng khinóng và khi nguội

- Có sức bền lớn khi va đập và ăn mòn, sức đề kháng cao khi thời tiết xấu

- Có khả năng tạo thành hợp kim tốt Cùng với các kim loại màu khác cho ta nhữnghợp kim có giá trị như đồng thanh, đồng thau,…

- Đồng gia công có phẩm chất bề mặt tốt, được sử dụng chế tạo các đồng lá, dây

- Thế điện hóa so với H: +0,34

3.1.4 Tính chất cơ học của đồng và các yếu tố ảnh hưởng

Tính chất cơ học của đồng phụ thuộc vào mức độ tinh khiết của đồng, phương pháp

gia công, phương pháp xử lý nhiệt và nhiệt độ làm việc

a) Ảnh hưởng của các chất thêm vào

- Việc thêm vào một số kim loại như: Cd, Al, Sn, Ni, Zn sẽ làm tăng sức bền cơ khí

khi kéo đồng Vì vậy người ta sử dụng rất nhiều hợp kim của Cu

- Do hợp kim của đồng gồm nhiều vật liệu thêm vào sẽ làm tăng điện trở suất Vìvậy việc sử dụng hợp kim của đồng được hạn chế và chỉ chế tạo đối với những chi tiết

có yêu cầu cơ khí cao hoặc những chi tiết mà điện trở không đóng vai trò quan trọng

- Sự có mặt của Oxy trong đồng sẽ làm tăng tính dễ gãy, vì vậy người ta thườngchế tạo đồng khử oxit

b) Ảnh hưởng của gia công cơ khí

Sự dát mỏng hay kéo sợi khi nguội sẽ làm tăng sức bền đứt đến 40 ÷ 45kG/mm2.c) Ảnh hưởng của xử lý nhiệt và nhiệt độ

Xử lý nhiệt sẽ ảnh hưởng sẽ ảnh hưởng đến tính chất cơ của Cu Ảnh hưởng nàycàng rõ hơn khi đồng càng tinh khiết

Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ học của đồng Ảnh hưởng này càng rõrệt khi kim loại càng tinh khiết

Để tránh oxy hóa khi xử lý nhiệt, người ta phải thực hiện trong môi trường không có

khả năng tiếp xúc với khí trời hay không khí đã bị khử bớt đi

Sự nung nóng đồng trong một thời gian dài ở nhiệt độ 220 – 2400C sẽ làm giảm sứcbền đứt của đồng Hiện tượng này có thể làm suy giảm sức bền cơ của đường dây điện,thí dụ như khi bị ngắn mạch hay trong trường hợp làm việc trong môi trường nắng gắtvới phụ tải điện quá lớn

3.1.5 Các đặc tính hóa học và sức đề kháng đối với sự ăn mòn

Ở nhiệt độ bình thường trong không khí, đồng là loại vật liệu có sức đề kháng tốtđối với sự ăn mòn.

Đồng có thế điện hóa lớn (+0,34 so với H) nên khi tiếp xúc với những kim loại có

thế điện hoá thấp hơn (như Fe, Zn, Al,…) thì sẽ không nguy hiểm cho đồng

Đồng có khả năng đề kháng đối với tác động của nước và không khí những khi thời

tiết xấu, do tạo thành một lớp bảo vệ trên cơ sở của oxit đồng kết tinh Thông thường,

đồng tạo ra 2 loại oxit đồng xếp chồng lên nhau: CuO có màu hơi đen ở bên ngoài và nó

là một lớp cách điện; Cu2O có màu son đỏ ở ngay trên mặt đồng (lớp bên trong) và nó là

một chất bán dẫn điện

Trong những điều kiện mà ở đấy thép bị han rỉ và hầu như bị hủy diệt hoàn toàn(trong không khí ẩm và nhiệt độ tăng cao…) thì đồng sẽ bị ăn mòn rất ít

Oxy sẽ xâm thực đồng ở nhiệt độ t0> 700C, song lớp ngoài của đồng sẽ tạo nên sự

ảnh hưởng làm chậm sự xâm thực Sự oxy hóa của đồng xảy ra đáng kể ở nhiệt độ cao

Tốc độ oxy hóa tùy thuộc vào nhiệt độ

Sự oxi hóa và sự ăn mòn của đồng có thể được ngăn cản thông qua sự tráng thiếckhi nung nóng hay mạ bạc (Ag), mạ cadmi (Cd) bằng phương pháp điện phân

3.1.6 Các bán thành phẩm và công nghệ gia công

a) Các bán thành phẩm của đồng

Trong kỹ thuật điện, người ta sử dụng đồng đúc, đồng lá hay đồng kéo sợi Đồng

đúc được sử dụng ít vì nó có bọt khí (xuất hiện khi đúc) và lỗ chỗ Những yếu tố trên

khó tránh khỏi nếu không sử dụng loại thiết bị đặc biệt và thêm vào các chất photpho,brili…

Đồng lá (dát mỏng) hay đồng CuE

Đồng kéo sợi xuất phát từ các thanh của catốt điện phân đồng Những catốt điệnphân đồng này được dát mỏng khi nóng đến 6,5 ÷ 8 mm Người ta tẩy sạch trong dung

dịch của axit H2SO4 loãng để loại CuO ra khỏi bề mặt của chúng (CuO được tạo thành

khi nung nóng) Sau đó người ta kéo sợi ở các hoạt động liên tục để được các sợi nhỏ

với đường kính 1,5 ÷ 2mm

b) Gia công ở băng máy hay trên máy công cụ

Việc gia công vật liệu đồng trong phân xưởng thực hiện qua các công nghệ rèn, dập,

ép, hàn, gắn chặt hoặc trên các máy công cụ hay trên các băng máy

c) Hàn đồng

Việc hàn các chi tiết bằng đồng tương đối khó khăn vì đồng bị oxy hóa nhanh ởnhiệt độ 10830C (nhiệt độ nóng chảy) và cho ta bọt khí, tính lỗ chỗ, xỉ…

Những chi tiết lớn cần phải thực hiện nung nóng trước khi hàn (để nhận được nhiệt

độ đồng nhất) vì đồng dễ dàng tỏa nhiệt nhanh

Không nên hàn các chi tiết đồng cứng khi chúng làm việc ở trạng thái kéo (như dâydẫn điện của đường dây trên không) vì sau khi nung nóng trong quá trình hàn, phần

đồng ở cạnh mối hàn sẽ bị giảm sức bền cơ khí khi kéo

d) Sự kết dính đồng

Việc dính kết đồng rất hay sử dụng đối với các chi tiết dẫn điện và các dây dẫn, đặcbiệt trong gia công và trong lắp ráp điện vì nó thực hiện dễ dàng và nhanh chóng Có thểthực hiện dính kết đồng ở nhiệt độ bé hơn 183 ÷ 2660C khi hàn và đảm bảo điện dẫnsuất vẫn tốt khi dính kết.

* Việc kết dính đồng mềm được thực hiện bằng búa để dính kết, đốt nóng điện haybằng ngọn lửa, hoặc nấu chảy hay đặt vào trong muỗng để dính kết Thông thường

người ta thực hiện dính kết đồng mềm đối với những chi tiết không chịu ứng suất kéo

lớn Để thực hiện người ta sử dụng hợp kim thiếc với chì dưới dạng dây dẫn hay hìnhdạng thích ứng với chỗ hàn

Đặc tính chính của hợp kim dính kết là bị chảy loãng khi nung nóng và có khả năng

xuyên thủng ở những chỗ dính kết Tính chất chảy loãng phụ thuộc vào tỉ lệ phần trămcủa thiếc (Sn)

- Hợp kim có Sn < 30% ít được sử dụng trong kỹ thuật điện và không dùng được vớilửa

- Hợp kim 30 ÷ 40% Sn là 1 loại hợp kim khá tốt theo quan điểm cơ và điện, chúng

thường được dùng để dính kết các dây dẫn của cáp điện lực, dính kết các dây dẫn vớicác lá đồng của cổ góp điện trong máy điện…

- Hợp kim 60% Sn có độ chảy loãng lớn, để gắn kết roto của các máy điện mộtchiều công suất lớn, máy biến áp hàn, máy đo,…

Khuyết điểm của dính kết mềm là tiêu thụ nhiều thiếc, giảm sức bền cơ khí khinung, nhiệt độ nóng chảy thấp,…

Sức bền cơ khí của kết dính mềm khoảng 6÷8 kG/mm2 Sức bền cơ khí càng tăngkhi tỉ lệ Sn trong hợp kim càng lớn

* Dính kết cứng: Được thực hiện bằng những thiếc bị dính kết, bằng đèn hay kìmdính kết

Nhiệt độ dính kết cứng cao hơn dính kết đồng mềm

Sử dụng hợp kim đồng với kẽm (còn gọi là đồng thau) dưới dạng dây hay thanh.Dính kết cứng có sức bền cơ khí gấp 5 lần dính kết mềm

Các chi tiết dính kết cứng có thể làm việc ở nhiệt độ t0> 3000C

Có thể dùng một loại hợp kim khác là: Cu - Ag Hợp kim này sẽ tạo nên sức bềndính kết theo quan điểm cơ và có thể kéo hay uốn cong Hợp kim Cu – Ag có thể dùngdưới dạng thanh, dây hay dải băng rất mảnh Tuy nhiên hợp kim này đắt tiền

3.1.7 Ứng dụng

Do đặc tính cơ và điện đặc biệt của đồng, đồng thời sức bền cao ở mọi thời tiết nênđồng là kim loại được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật điện, trong kết cấu máy điện và

máy biến thế, được dùng làm dây dẫn điện cho đường dây trên không, cho đường dây tải

điện của phương tiện vận tải bằng điện, dùng trong khí cụ điện, trong các thiết vị vô

tuyến viễn thông,…

3.2 Hợp kim của đồng

3.2.1 Đặc điểm và phân loại

Hợp kim của đồng là hợp kim trong đó vật liệu đồng là thành phần cơ bản, có đặc

điểm là sức bền cơ khí lớn, độ cứng cao, độ dai tốt, màu sắc đẹp và có tính chất dễ nóng

Tùy theo các vật liệu thêm vào, người ta phân biệt:

- Đồng thanh với thiếc: Hợp kim của đồng với thiếc và đôi khi thêm vào một số kimloại khác để làm thay đổi các tính chất cơ và hóa….tạo nên sức bền chống ăn mòn

- Đồng thanh với thiếc và kẽm: Là hợp kim của đồng với thiếc (3->9%), kẽm

(4->11%) và đôi khi với chì (4->17%)

- Đồng thanh với chì hoặc với chì và thiếc

- Đồng thanh không có thiếc: có ít nhất là 78% Cu và thêm vào một số kim loại

khác như Al, Be, Mn, Cd, Ni…

Đồng thanh được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy, khí cụ điện, kỹ thuậtđiện…để sản xuất các chi tiết dùng để nối dây dẫn, vòng đầu dây, ốc vít và đai ốc cho hệ

thống nối đất, các vòng cổ góp, các tiếp điểm…

Đồng thanh làm dây dẫn phải chịu được sức bền khi ăn mòn, như vậy cần sử dụng

hợp kim đồng với 0,9% Cd hoặc 0,8% Cd và 0,6% Sn

Đối với các cơ cấu khí cụ điện và máy điện phải chịu được quá tải điện và sức bền

cơ lớn, người ta dùng đồng thanh có tỷ lệ 0,3% đến 1,0% Cr và 0,1% Ag (hợp kim

Cupalloy) có sức bền lớn khi trượt

Đối với chổi cổ góp, sử dụng đồng thanh graphit được chế tạo từ bụi đồng trộn lẫn

với 2% đến 6% bụi graphit Nó chịu được áp suất lớn và chịu được đến nhiệt độ nóngchảy của đồng thanh

3.2.3 Đồng thau

Đồng thau là một hợp kim của đồng với kẽm, trong đó kẽm không vượt quá 46%

Theo thành phần và việc sử dụng hợp kim đồng - kẽm, người ta phân thành:

+ Đồng thau dùng để đúc

+ Đồng thau dùng để cán mỏng

+ Đồng thau dùng để hàn gắn (dính kết)

Đồng thau được dùng trong kỹ thuật điện để gia công các chi tiết dẫn dòng điệnnhư: các đầu nối đến hệ thống tiếp đất, các móc giữ, các đầu để gắn cầu chì…., các đế,

các phích cắm, đuôi đèn, ổ cắm điện,…

Đồng thau có thể gia công thành các vít, đai ốc,…

3.3 Nhôm (Al)

3.3.1 Tầm quan trọng trong kỹ thuật điện

Nhôm là vật liệu quan trọng thứ hai sau đồng được sử dụng trong kỹ thuật điện

Nhôm có điện dẫn suất cao ( < Cu, Ag), trọng lượng riêng nhỏ và tính chất vật lý – hóa

cho ta khả năng dùng nó làm dây dẫn điện

Nhôm có cấu trúc tinh thể là lập phương diện tâm, và thù hình này không thay đổi

cho đến khi nguội ở nhiệt độ thường

Nhôm là vật liệu kim loại có nhiều ở vỏ quả đất (chiếm khoảng 7,5%), song nó chỉ

được phát triển trong những thập niên sau này, vì trước đây công nghệ sản xuất nhôm và

xử lý nhiệt nhôm tương đối khó khăn

Nhược điểm của nhôm là sức bền cơ khí tương đối bé và gặp khó khăn trong việc

tiếp xúc điện tốt khi nối với nhau

Thông thường người ta chế tạo nhôm theo hai cách:

- Cách 1: Nhận được từ bauxit, qua quá trình công nghệ của oxit nhôm khan Al2O3,hầu như không có tạp chất

- Cách 2: Tách kim loại nhôm thông qua điện phân của oxit hòa tan thành Criolitnóng chảy ở nhiệt độ 900 ÷ 9500C

3.3.6 Điện trở suất của nhôm và các yếu tố ảnh hưởng.

Nhôm làm dây dẫn điện ở 200C phải có điện trở suất 0,02941 Ωmm2/m, tức điệndẫn suất phải đạt 34 m/Ωmm2

So sánh với Cu, Al có tính chất cơ và điện ít thuận lợi hơn Khi tiết diện và chiềudài bằng nhau, điên trở của nhôm sẽ tăng gấp 168

01750

029410

,,

,

lần

Như vậy để nhận được một dây nhôm cùng chiều dài và cùng điện trở với đồng thì

nhôm cần tiết diện gấp 1,68 lần so với dây đồng, tức đường kính gấp 1,68 1,3lần sovới dây đồng

Hệ số thay đổi điện trở suất của nhôm đối với nhiệt độ cũng biến đổi tùy thuộc vàomức độ tinh khiết của nhôm, nằm trong khoảng 0,004 – 0,0049

Điện trở suất của nhôm bị ảnh hưởng bởi tỉ lệ phần trăm tạp chất có trong nhôm và

trong phạm vi rất nhỏ chịu ảnh hưởng của gia công cơ khí và xử lý nhiệt

Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất của Al

Điện trở suất của nhôm sẽ thay đổi tùy thuộc vào tỷ lệ % các chất có trong Al

- Ảnh hưởng của gia công cơ khí:

Gia công cơ khí ảnh hưởng không đáng kể đến điện trở suất của nhôm

- Ảnh hưởng của xử lý nhiệt:

Xử lý nhiệt không ảnh hưởng nhiều đến điện trở suất của nhôm Việc xử lý nhiệt chỉ

ảnh hưởng nhiều nếu nhôm gồm nhiều tạp chất, thông qua việc nung nóng những tạp

chất đó rất dễ hòa tan trong nhôm Ngoại trừ kẽm vì nó ít ảnh hưởng đến điện trở suấtcủa nhôm

Silic và đồng nếu vượt quá 0,05% thì sẽ làm tăng điện trở suất của Al, nếu Al bị xử

lý nhiệt

3.3.7 Đặc tính cơ học của nhôm và các yếu tố ảnh hưởng

Sức bền cơ khí của nhôm thấp hơn đồng khoảng 3 lần, đặc tính cơ của nhôm phụthuộc vào:

- Mức độ tinh khiết

- Phương thức gia công

- Xử lý nhiệt

- Nhiệt độ làm việc

Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính cơ của Al

- Ảnh hưởng của các chất và tạp chất trong Al:

Các chất như Zn, Fe, Si, Cu, Mg sẽ làm tăng sức bền cơ khí khi kéo nhôm

- Ảnh hưởng của gia công cơ khí

- Ảnh hưởng của xử lý nhiệt và nhiệt độ

3.3.8 Tính chất hóa học và sức bền đối với ăn mòn

Nhôm có ái lực mạnh với oxy Trong không khí, ngay khi nhiệt độ thường nhômvẫn được bọc một lớp mỏng oxit, lớp này có điện trở lớn và nó ngăn cản việc oxy hóatiếp tục, do vậy nó là một lớp bảo vệ tốt đối với sự ăn mòn, ngay trong điều kiện khí hậu

ẩm ướt và hay thay đổi

Trong các trường hợp tồn tại các khí khác trong khí quyển như CO2, NH3, SO2… và

độ ẩm lớn, có thể phát sinh ăn mòn điện hóa vì nhôm có thế điện hóa thấp nhất so với

Hydrô (-1,34) và sự tiếp xúc với nhiều kim loại khác có thế điện hóa lớn hơn thì sẽ đưa

đến sự nguy hại đối với nhôm Ở chỗ tiếp xúc với những kim loại khác có thế điện hóa

cao hơn thì sẽ tạo nên phần tử điện galvanic khu vực, phát sinh dòng điện đi từ nhôm vềcác kim loại tương ứng và dây dẫn điện nhôm có thể bị hư hỏng nặng

Với tỷ lệ tạp chất cho phép đối với dây dẫn nhôm (0,5% Fe, Si, Cu cùng với nhau)thì ăn mòn điện hóa không ảnh hưởng đến sức bền đối với sự ăn mòn của nhôm

Silic ở một nhiệt độ thích hợp không hòa tan trong nhôm mà tồn tại dưới dạng baobọc Xử lý nhiệt đến 5000C sẽ làm Silic thấm vào trong, hòa tan rắn với nhôm, đưa đếnkết quả làm giảm nguy cơ ăn mòn, song việc xử lý nhiệt làm tăng điện trở suất củanhôm, do vậy không áp dụng với dây dẫn

Sắt tạo trong nhôm một tổ hợp Al3Fe không hòa tan trong nhôm rắn, song Fe và Sicùng với nhau tạo tổ hợp Al6Fe2Si3 cũng sẽ không hòa tan trong Al, nhưng những tổ hợp

này là nguyên nhân ăn mòn vi mô đối với dây dẫn

Tỷ lệ 0,05% Cu trong nhôm sẽ không tạo nên sự ăn mòn vi mô do điện hóa

Khi tỷ lệ phần trăm của các chất trong nhôm vượt quá tỷ lệ cho phép thì sự ăn mòn

sẽ tạo nên rất mạnh và trở nên nguy hại đối với sức bền cơ khí của dây dẫn

Nhôm tác dụng mạnh bởi Clo trong không khí tạo nên những lỗ nhỏ xung quanh lớpbọc và làm hỏng trên bề mặt dây dẫn điện Tương tự axit clohydric và axit axêtic cũng

có tác động đối với nhôm Hơi của axit axêticsinh ra ăn mòn rõ rệt và đồng nhất đối với

nhôm Nước biển cũng như dung dịch sút giặt quần áo cũng đều ảnh hưởng xấu đếnnhôm.

3.3.9 Hàn nhôm

Việc hàn các chi tiết bằng nhôm cần phải lưu ý

- Nhôm có điểm nóng chảy tương đối thấp (6570C)

- Sự nóng chảy của nhôm tiến hành đột ngột

- Nhôm có độ dẫn nhiệt lớn, sẽ tạo nên mất mát lượng nhiệt lớn trong thời gian hàn

- Bị oxy hóa mạnh, tạo nên oxit khó nóng chảy Al2O3 với sức bền cơ khí lớn và

điểm nóng chảy cao (nhiệt độ nóng chảy của oxit nhôm Al2O3là 20300C)

Nhôm có thể vừa được hàn theo cách nóng chảy của ngọn lửa khí gas, bằng hồ

quang điện, hay bằng cách ép lên máy hàn điện trở Phổ biến nhất hiện nay là hàn bằng

ngọn lửa khí gas Trước khi hàn các bề mặt kim loại phải được làm sạch bằng cách xử lý

cơ khí như phun cát, dùng chổi kim loại hay giũa… hay bằng cách xử lý hóa học nhưlau chùi bằng sút hay ét xăng

Ở nhiệt độ cao, nhôm dễ gãy, do đó trước khi hàn, các chi tiết nhôm cần được cốđịnh tốt

Để tránh ứng suất cục bộ khi hàn, việc làm nguội phải tiến hành từ từ, bảo vệ tránh

luồng không khí Vì thế đối với một số chi tiết, người ta để nguội trong những lò đặcbiệt hay trong tro để nhiệt độ được phân bố đều trong toàn bộ chi tiết

Việc nối cáp nhôm có thể được thực hiện bằng phương pháp đúc Cả 2 đầu của cáp

được đưa vào trong 1 cái khuôn tháo lắp được Ở đấy người ta rót nhôm nóng chảy với

nhiệt độ đến 850 – 9000C Sau khi nguội khuôn sẽ được tháo ra

Ở một số chi tiết và đặc biệt ở dạng tấm, sức bền cơ khí của việc hàn sẽ có thể đượctăng lên bằng các biện pháp khác nhau như dùng búa đập khi nguội, cần chú ý phải ủ

nhiệt trở lại đến khoảng 4000C và làm nguội từ từ

Các biện pháp kết dính nhôm phân thành hai loại:

- Kết dính mềm, với hợp kim kết dính dễ dàng nóng chảy

- Kết dính cứng, với hợp kim kết dính khó nóng chảy

3.3.11 Mối liên kết cơ khí để nối dài, nối nhánh rẽ và nối cố định

Các mối liên kết bằng bulông ốc vít thực hiện với các chi tiết xếp chồng lên nhau.Sau khi liên kết bằng bulông cần đánh bóng các chi tiết và bôi vasơlin

Sau khi thực hiện các mối liên kết cơ khí, cần phủ một lớp sơn hay một lớp êmaybảo vệ

3.3.12 Ứng dụng

Do tính chất cơ và điện, do sức chịu đựng ở thời tiết xấu, đồng thời hàm lượngnhôm có trong thiên nhiên rất nhiều nên nhôm ngày càng được sử dụng phổ biến trong

kỹ thuật điện để chế tạo:

+ Dây dẫn điện

+ Cáp điện

+ Các thanh góp và các trang thiết bị điện

+ Ống nối

+ Dây dẫn điện dùng để quấn dây

+ Các lá nhôm để làm tụ, máy biến áp…

+ Các roto của động cơ điện không đồng bộ

+ Dây dẫn nhôm được sử dụng phổ biến ở hầu hết các đường dây trên không, sau

khi người ta có những phương pháp để đảm bảo trạng thái tiếp xúc điện tốt giữa các mối

a) Phương pháp lấy kẽm bằng cách làm khô thông qua sự sàng lọc bằng lưới ở

nhiệt độ 850 ÷ 9000C và làm giảm oxit nhờ sự giúp đỡ của cacbon ở 1300 ÷ 15000Ctrong phòng đóng kín để ngăn cản oxy hóa Sau đó kẽm khô được tinh chế theo phươngpháp khô trong lò có ngọn lửa hoặc phương pháp điện phân từ dung dịch ZnSO4 (kẽmsunphát) cho kết quả thu được kẽm với độ tinh khiết 99,99%

b) Phương pháp lấy kẽm thông qua điện phân từ mỏ canxi và có sunfat chịu điệnphân như ZnSO4 trong bình bằng gỗ bọc chì

Phân loại kẽm tùy theo đặc tính kẽm, nồng độ tạp chất… và có những loại sau: loạiphẩm chất L, loại phẩm chất O, loại phẩm chất Z

lớp oxit bảo vệ, sau đó lớp này chuyển thành kiềm cacbonat Chính lớp này bảo vệ chokẽm khỏi bị ăn mòn.

Kẽm có cấu trúc tinh thể Ở nhiệt độ bình thường ít chịu dát mỏng Song nung đến

100 ÷ 1500C thì tính dát mỏng tăng lên Ở 200 ÷ 2500C, kẽm trở nên dòn và người ta cóthể đập vỡ thành bột

Ở trạng thái lỏng, nó dễ chảy và có thể rót đầy vào khuôn dễ dàng

Kẽm dễ tác dụng với axit hoặc kiềm, tạo thành tổ hợp chất độc

Kẽm có điện dẫn suất bé hơn Ag, Cu, Al và Mg Vì vậy Zn không được dùng phổbiến làm dây dẫn điện, hơn nữa kẽm trở nên dòn khi nung nóng, sức bền kém ở phụ tảilâu dài

RZn = 3RCu = 2RAl (dây dẫn)

3.4.4 Ứng dụng

Những ứng dụng chính của kẽm trong kỹ thuật điện là:

+ Dây dẫn bằng kẽm được thêm đồng, hay nhôm đôi khi được thay thế cho dây

đồng, dây nhôm

+ Các điện cực dùng cho các phần tử galvani

+ Các lá kẽm dùng làm cầu chì nóng chảy, sản xuất theo phương pháp điện phân(99,95%Zn)

Trước khi nóng chảy trong lò cao, hầu như tất cả các quặng khoáng cần phải được

chuẩn bị theo phương pháp cơ khí hay hóa học để tăng tỉ lệ phần trăm của sắt

Quặng khoáng đưa vào lò cao cùng với chất đốt và chất giúp chảy (đá vôi CaCO3),

đolomit CaCO3+ MgCO3) Không khí cần thiết cho sự cháy sẽ đưa vào nhờ các máy nénkhí

Từ lò cao chúng ta nhận được gang thô như:

Trên cơ sở của tỉ lệ cacbon chứa trong thép mà thép công nghiệp được phân thành:

- Gang với tỉ lệ cacbon khá cao: 1,7% C (1,7- 4,5%C)

- Thép với tỉ lệ cacbon thấp hơn: 0,5 – 1,7% C

- Sắt rèn với tỉ lệ cacbon thấp hơn: 0,5% C.

Thép được dùng làm dây dẫn hay thanh góp ở dòng điện một chiều cần có rất ít tạp

chất vì tạp chất sẽ làm tăng điện trở suất

3.5.2 Các hằng số vật lý và hóa học của sắt

- Trọng lượng riêng (200C) : 7,86 kg/dm3

- Nhiệt độ nóng chảy : 15350C

- Nhiệt độ sôi (760mmHg) : 27400C

- Thế điện hóa so với Hydro : + 0,44 V

Điện trở suất của sắt tăng theo hàm lượng tạp chất chứa trong sắt

Dây dẫn bằng thép có thể chịu đựng tốt ở nhiệt độ đến 1000C mà không làm biến

đổi phẩm chất cơ khí của thép

Điện trở của dây dẫn thép ở dòng xoay chiều tăng hơn so với dòng một chiều do ảnhhưởng của hiệu ứng màng ngoài

3.5.4 Ứng dụng

Thép có điện trở suất gấp 7 ÷ 8 lần so với đồng nhưng sức bền cơ khí gấp 2 ÷ 2,5

lần, do đó dây dẫn thép được sử dụng ở những cột lớn, những tuyến vượt sông rộng…và

có thể sử dụng cho những khoảng cột lớn từ 1500 ÷ 1900m

Dây dẫn bằng thép có thể được mắc với độ võng bé hơn các dây dẫn khác, do vậycột có thể thấp hơn nhưng khỏe hơn Lực kéo căng của dây thép khá lớn nên có thể dùngthép các cột thấp hơn

Sự phong phú của thép trong quặng thiên nhiên và giá thành thấp của thép làm chogiá thành của dây dẫn thép thấp hơn dây dẫn đồng hay nhôm

Sự tổn thất nhiều trong lưới điện dùng dây dẫn thép phải được nghiên cứu và tínhtoán nên chỉ dùng dây dẫn thép trong trường hợp năng lượng điện có giá thành hạ

Thanh ray của tàu điện, của đường sắt con tàu sử dụng điện, của đường sắt mêtrô

được sử dụng như các đường dây dẫn điện

Dây dẫn bằng thép thay cho dây đồng đối với những thiết bị phải làm việc trongnhững điều kiện nặng nhọc như va đập cơ khí, áp suất lớn, bụi khói,…dẫn đến bị màimòn nhanh

Dây dẫn bằng thép được dùng làm dây dẫn bảo vệ đối với quá điện áp của đườngdây trên không (dây chống sét), dây dẫn sét và trang thiết bị nối đất

Một lĩnh vực quan trọng khác của việc ứng dụng dây dẫn điện bằng thép và các chitiết bằng gang là chế tạo các điện trở phát nóng với nhiệt độ phát nóng lên đến 300 –

5000C, đồng thời dùng làm biến trở khởi động và điều chỉnh

Thép rèn đôi khi được dùng ở vòng cổ góp của máy điện để thay thế cho các vòngbằng đồng hay thanh gang

Sắt được làm dây tóc bóng đèn hay sử dụng làm điện trở

Sắt tinh khiết (được chế tạo bằng điện phân) được sử dụng chế tạo các điện cực anot(điện cực dương) ở các chỉnh lưu với bể thủy ngân

3.6 Wonfram (W)

3.6.1 Sản xuất và chế tạo

Wonfram được tìm thấy trong thiên nhiên dưới dạng mỏ: Wonframit

(FeOMnO)WO3, quặng selit (CaOWO3)

Thông qua các phản ứng hóa học khác nhau, các quặng này chuyển thành trioxitwonfram WO3 từ đây người ta lấy wonfram dưới dạng bụi

Wonfram với độ tinh khiết 99,6 ÷ 99,7% có thể sản xuất bằng phương pháp điệnphân Wonframit hay Selit ở nhiệt độ 1050 ÷ 13000C

Wonfram là kim loại rất cứng, có màu tro chiếu sáng, không bị thay đổi ở nhiệt độ

thường dù có hơi nước

Ở 7000C, wonfram bắt đầu bị oxi hóa, tạo nên oxit màu trắng (WO3), nếu tăng nhiệt

độ, oxit trắng này sẽ chuyển sang màu vàng

Ở nhiệt độ cao, wonfram phản ứng với oxit cacbon, nitơ, hơi nước và hydro cacbua,

wonfram không phản ứng với thủy ngân và hidro

Ở các khí cụ điện với kỹ thuật chân không, có sợi tóc nung nóng bằng wonfram(đèn nung sáng, bóng điện tử…), nếu bên trong có vết hơi nước thì dây tóc sẽ bị hủy

hoại rất nhanh

Giải thích tại sao ?

Ở nhiệt độ của dây tóc, hơi nước bị phân tích và oxy từ kết quả của sự phân tích này

sẽ tác dụng với wonfram tạo nên oxit WO3 bám vào bờ của bóng đèn Trên đường đi từsợi tóc đến các bờ của bóng đèn, hay sau khi đạt đến bờ bóng đèn, WO3 sẽ bị giảm bởihydro (do sự phân tích của hơi nước) sẽ tái tạo lại nước Như vậy wonfram của sợi tóc sẽvận chuyển và bám vào bờ của bóng đèn

Wonfram không tan trong axit, nó hòa tan trong Na2CO3 nóng chảy