Bài giảng vật liệu điện (đại học liên thông vừa làm vừa hoc)

Khuyết tật có thể tạo nên các tính năng đặc biệt của tốt ví dụ: vi mạch IC… và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi Ví dụ: vật liệu cách điện có lẫn kim loại 1.1.4 Lý thuyết

MỤC LỤC

CHƯƠNG I 2

CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VẬT LIỆU VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA 2

VẬT LIỆU 2

1.1.CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU 2

1.2 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU 7

1.3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU 8

CHƯƠNG 2 11

VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 11

2.1 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 11

2.2 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT CAO 14

2.3 HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT THẤP.(ĐIỆN TRỞ CAO) 17

2.4 CÁC KIM LOẠI KHÁC 17

2.5 ỨNG DỤNG CỦA HỢP KIM TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN 21

2.6.VẬT LIỆU SIÊU DẪN 28

CHƯƠNG III 33

VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 33

3.1 NHỮNG HIỂU BIẾT CƠ BẢN TRONG KỸ THUẬT CÁCH ĐIỆN 33

3.2 PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 36

3.3 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ RẮN 37

3.4 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Ở THỂ KHÍ, LỎNG VÀ LỬA LỎNG 43

3.5 SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 46

3.6 KIỂM NGHIỆM CÁCH ĐIỆN 52

CHƯƠNG IV 56

VẬT LIỆU SẮT TỪ 56

4.1 KHÁI QUÁT 56

4.2 CHU TRÌNH TỪ TRỄ VÀ ĐƯỜNG CONG TỪ HOÁ CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU TỪ 60

4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC ĐỘNG CƠ HỌC VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN TÍNH DẪN TỪ CỦA THÉP KỸ THUẬT ĐIỆN 62

CHƯƠNG V 64

VẬT LIỆU BÁN DẪN 64

5.1 KHÁI NIỆM 64

5.2 ĐIỆN DẪN CỦA BÁN DẪN 64

5.3 DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN 66

5.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU BÁN DẪN ĐIỂN HÌNH 67

CHƯƠNG I CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VẬT LIỆU VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA

VẬT LIỆU

1.1.CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU

1.1.1 Cấu tạo nguyên tử

Mọi vật liệu (vật chất) được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử Nguyên tử là phần tử cơ bản của vật chất Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử được cấu tạo từ hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (electron) mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các hạt proton và nơtron Nơtron là hạt không mang điện tích, còn proton có điện tích dương với số lượng bằng Z.q Trong đó:

Z – số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là so thứ tự của nguyên tố nguyên tử

đó trong bảng tuần hoàn Menđêlêep

q – điện tích của điện tử e (q = 1,6.10-19 culông) Proton có khối lượng bằng 1,6.10-27 kg, electron (e) có khối lượng bằng 9,1.10-31kg

Ơ trạng thái bình thường nguyên tử trung hoà về điện, tức là trong nguyên tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng số điện tích âm của các điện tử Nếu vì lý do nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tích thì sẽ trở thành điện tích dương, ta gọi là ion dương Ngược lại nếu nguyên tử trung hoà nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm Để có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của Hiđrô, nguyên tử này được cấu tạo tử 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 và được xác định bởi công thức sau:

Lực hút f1 sẽ được cân bằng với lực ly tâm của chuyển động f2 :

Trong đó:

m – Khối lượng của điện tử

v – Tốc độ chuyển động của điện tử

.

Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời ra khái nguyên tử trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng ion hoá (Wi) Khi bị ion hoá (bị mất điện tử), nguyên tử trở thành ion dương Quá trinh biến nguyên tử trung hoà thành ion dương và điện

tử tự do gọi là quá trình ion hoá

Trong một nguyên tử, năng lượng bị ion hoá của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hoá trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hoá thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hoá chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, song chúng luôn có xu thế trở về vị trí ở 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 hoá và năng lượng kích thích nguyên tử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện năng; năng lượng của các tia sóng ngắn như tia hồng ngoại, tử ngoại, hay tia Rơnghen…

1.1.2 Cấu tạo phân tử

1 Liên kết đồng hoá trị

Liên kết đồng hoá trị được đặc trưng bởi sự dùng chung các điện tử của các nguyên

tử trong phân tử khi có mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hoà,lên kết phân tử bền vững Lấy cấu trúc phân tử clo làm ví dụ Phân tử clo (Cl2) gồm 2 nguyên tử clo, mỗi nguyên tử clo có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử ở lớp hoá trị 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 sung thêm một điện tử của nguyên tử kia

2 Liên kết ion

Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân

tử Liên kết ion là liên kết là liên kết khá bền vững Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ điển hinh về tinh thể ion là các muối halogen của các kim loại kiềm Khả năng tạo nên một chất hoặc hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dạng lớp điện tử hoá trị ngoài cùng

3 Liên kết kim loại

Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn Kim loại được xem như là một 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 tạo nên tính nguyên khối của kim loại Chính vì vậy liên kết kim loại là loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao Lực hút giữa các ion dương và các điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại 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 lên nhau giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng

** Một số dạng tinh thể của Kim loại

- Mạng lập phương tâm khối

- Mạng lập phương tâm mặt

- Mạng lục giác xếp chặt

1.1.3 Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn

Các tinh thể vật rắn có thẻ có kết cấu đồng nhất Sự phá huỷ các kết cấu đồng nhất và tạo nên các khuyết tật trong vật rắn thường gặp nhiều trong thực tế Những khuyết tật có thể được tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình công nghệ chế tạo vật liệu Khuyết tật của vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vì tính chất chu kỳ của trường tĩnh điện mạng tinh thể như: phá vì thành phần hợp thức; sự có mặt của các tạp chất lạ; áp lực cơ học; các lượng tử của dao động đàn hồi – phônôn; mặt tinh thể phụ – đoạn tầng; khe rãnh, lỗ xốp…Khuyết tật sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ-lý-hoá và các tính chất về điện của vật liệu Khuyết tật có thể tạo nên các tính năng đặc biệt của tốt (ví dụ: vi mạch IC…) và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi (Ví dụ: vật liệu cách điện có lẫn kim loại)

1.1.4 Lý thuyết về vùng năng lượng

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) Việc nghiên cứu quang phổ

phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí khi các nguyên tử cách xa nhau một khoảng cách lớn chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi những vạch quang phổ hoàn toàn xác định Điều đó chứng tỏ rằng các nguyên tử khác nhau có những trạng thái năng lượng hay mức năng lượng khác nhau

Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường không bị kích thích, một số trong các mức năng lượng bị nguyên tử lấp đầy, còn các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi các nguyên tử nhận được năng lượng tử bên ngoài tác động (trạng thái kích thích) Nguyên tử luôn có xu hướng quay về trạng thái ổn định Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lượng dư thừa

Những điều nói trên được đặc trưng bởi biểu đồ năng lượng Khi chất khí hoá lỏng

và sau đó tạo nên mạng tinh thể của vật rắn, các nguyên tử nằm sát nhau, tất cả các mức năng lượng của nguyên tử bị dịch chuyển nhẹ do tác động của các nguyên tử bên cạnh tạo

nên một dải năng lượng hay còn gọi là vùng các mức năng lượng

Do không có năng lượng chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình thường của các nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hoá trị hay còn gọi là vùng đầy (ở 00K các điện tử hoá trị của nguyên tử lấp đầy vùng này) Những điện tử tự do có mức năng

lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng của chúng tập hợp thành vùng tự do hay vùng

điện dẫn

1.2 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU

1.2.1 Phân loại theo khả năng dẫn điện

Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện (điện môi), bán dẫn và dẫn điện

1 Điện môi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện thường sự dãn điện bằng điện tử

không xảy ra Các điện tử hoá trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của sự chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn Có W nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài điện tử vôn (eV)

2 Bán dẫn: Là chất có vùng cấm hẹp hơn nhiều so với điện môi, vùng này có thể thay đổi

nhờ tác động năng lượng bên ngoài Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (W = 0,2 ÷ 1,5eV), do đó ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hoá trị ở trong vùng đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn

3 Vật dẫn: là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy thậm chí thể nằm chồng lên vùng

đầy (W < 0,2 eV) Vật dẫn điện có số lượng điện tư tự do rất lớn; ở nhiệt độ bình thường các điện tử tự do trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn Chính vì vậy vật dẫn có tính dẫn điện tốt

1.2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính

1 Nghịch từ: Là những chất có mật độ từ thẩm µ< 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ

trường bên ngoài Loại này gồm có Hidro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, muối

mỏ và các kim loại như: đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, gali, atimoan

2 Thuận từ: Là những chất có độ từ thẩm µ > 1 và cũng không phụ thuộc vào từ trường bên

ngoài Loại này gồm có oxy, nitơ oxit, muối đất hiếm, muối sắt, các muối coban và niken,

kim loại kiềm, nhôm, bạch kim

3 Chất dẫn từ: Là các chất có µ >> 1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài Loại

này gồm có: sắt, niken, coban, và các hợp kim của chúng; hợp kim crom và mangan, gađolonit, pherit có các thành phần khác nhau

1.3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU

bề mặt vật liệu muốn thử, đồng thời xác định kích thước vết lõm in trên mặt vật liệu đó

c Độ giãn dài tương đối

Là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lượng giãn dài sau khi kéovà chiều dài ban đầu, được

Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng tác dụng đột ngột (hay gọi là

tải trọng va đập) Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đóm à không bị phá huỷ gọi là độ dai va chạm Ký hiệu của nó là ak (J/mm2 hoặc KJ/m2)

bị phá huỷ Từ cơ chế phá huỷ mỏi ở trên người ta đã áp dụng các biện pháp sau để nâng cao giới hạn mỏi

- Tạo nên trên lớp bề mặt lớp ứng suất nén dư Vết nứt mỏi thường xuất hiện trên bề mặt do ứng suất kéo tại đó là lớn nhất Nếu ở đó có ứng suất nén dư (có sẵn) thì ứng suất kéo tác dụng thực tế sẽ giảm đi, nhờ đó sẽ hạn chế được vết nứt Có thể tạo nên ứng suất nén dư trên bề mặt bằng cách phun bi, lăn ép, va đập, tôi bề mặt và hoá nhiệt luyện

- Nâng cao độ bền tức là khả năng cản trượt do đó khó sinh ra vết nứt mỏi đầu tiên, nhờ đó nâng cao được giới hạn mỏi

- Tạo cho bề mặt có độ bóng cao, không có rãnh, lỗ, tránh tiết diện thay đổi đột ngột

a Khối lượng riêng

Là khối lượng của 1cm3 vật chất Nếu gọi m là khối lượng của vật chất, V là thể tích của vật chất,  là khối lượng riêng của vật chất thì ta có công thức:

 = m/V (g/cm3)

Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi, nó không những có thể dùng để so sánh kim loại nặng nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu mà còn dùng để giải quyết một số công việc trong thực tế Chẳng hạn như khi những vật lớn như thép đường ray, thép định hình rất khó có thể cân được khối lượng nhưng vì biết được khối lượng riêng và có thể

đo kích thước mà tính ra thể tích nên có thể không cần cân chỉ dùng công thức để tìm ra khối lượng riêng của chúng

c.Tính giãn nở

Là khả năng giãn nở của kim loại khi nung nóng Độgiãn nở lớn hay bé phụ thuộc vào sự biểu thị bằng hệ số giãn nở trên chiều dài của đơn vị (1mm) gọi là hệ số giãn nở theo chiều dài Ví dụ như hệ số giãn nở theo chiều dài của sắt nguyên chất là 11,8*10-6 và của thép là 12*10-6

d.Tính dẫn nhiệt

Là khả năng dẫn nhiệt của kim loại Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim không

giống nhau Ví dụ như gang và thép có tính dẫn nhiệt tốt nhưng còn kém xa so với đồng và

nhôm Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt của bạc là 1 thì của đồng là 0,9; nhôm 0,5; sắt 0,15

Được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co và tính thiên tích

Độ chảy loãngbiểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim Nếu độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt

c Tính hàn

Là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử hàn khi được nung nóng sơ bộ chỗ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

2.1 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

2.1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện là một dạng vật chất trong đó có chứa các điện tích tự do (ngay ở điều kiện thường) Khi đặt chúng trong điện trường các điện tích tự do chuyển động theo một hướng nhất định của điện trường tạo thành dòng điện lúc đó ta nói rằng vật liệu có tính dẫn điện

Vật liệu có thể tồn tại ở các thể rắn, lỏng, khí Đó là kim loại hợp kim hay phi kim loại ví dụ: Than, graphit

2.1.2 Phân loại

Nhóm 1: Vật liệu dẫn điện có tính dẫn điện tử

Phần lớn thuộc về kim loại, hợp kim, một số ít là phi kim loại, thường tồn tại ở thể rắn trường hợp đặc biệt ở thể lỏng (thủy ngân)

- Đặc trưng của nhóm vật liệu là: Mọi sự hoạt động của các điện tích không làm thay đổi thực thể tạo nên vật dẫn đó

- Có hai loại vật liệu dẫn điện tính dẫn điện tử

Loại 1: Có điện trở suất nhỏ gồm các vật liệu như đồng, nhôm, vàng, bạc Khi sử dụng thường là hợp kim

ứng dụng: Dùng làm dây dẫn, dây điện từ trong máy điện, khí cụ điện và một số dụng cụ đo lường

Loại 2: Có điện trở suất cao ví dụ như: Hợp kim manganin, constantan

Ứng dụng : Dùng làm biến trở, điện trở mẫu, dùng trong các loại bóng đèn

Nhóm 2: Vật liệu dẫn điện có tính dẫn ion Phần lớn chúng tồn tại dưới dạng dung dịch như

axit, kiềm, muối

Đặc trưng của nhóm là: Khi dòng điện chạy qua vật dẫn làm thay đổi hoặc biến đổi hóa học trong nó

2.1.3 Đặc tính cơ bản của vật liệu dẫn điện

* Điện trở (R)

Khái niệm: Là quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi đặt ở hai đầu dây dẫn và cường

độ dòng điện một chiều tạo nên trong dây dẫn

Hoặc: là quan hệ giữa điện áp không đổi trên hai đầu vật dẫn và cường độ dòng điện chảy trong vật dẫn

Biểu thức: R =.l/s Trong đó:

: Điện trở suất phụ thuộc vào từng loại vật liệi tạo nên vật dẫn

l,S: Chiều dài và tiết diện dây dẫn

Đơn vị: ; k; M

+ Điện dẫn

Khái niệm: là đại lượng nghịch đảo của điện trở

Biểu thức: G = 1/R Đơn vị: 1/  = -1 hoặc Siemen (S)

* Điện trở suất ()

Khái niệm: Điện trở suất là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài

và tiết diện là một đơn vị diện tích

Nb3Sn: Tri niobi- Thiếc, có nhiệt độ siêu dẫn 18,2oK

V3Ga: Tri vanadi - Gali, có nhiệt độ siêu dẫn 16,8oK

Nb-Ti: Niobi-Titan , có nhiệt độ siêu dẫn gần 10oK

Nb-Zn: Niobi- Ziriconi, có nhiệt độ siêu dẫn gần 10oK

Điện trở suất và hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ của một số kim loại

Kim loại Điện trở suất ở

20 o c .mm 2 /m

Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ(1/độ)

Kim loại

Điện trở suất ở

20 o c .mm 2 /m

Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ(1/độ)

0,952 - 0,959 0,0009 - 0,00099

+ Hệ số thay đổi điện trở suất theo áp suất

Khi kéo hoặc nén đàn hồi điện trở suất của kim loại biến đổi theo:  = o (1± k)

Trong đó: Dấu "+" ứng với khi biến dạng do kéo, dấu "-"do nén

: ứng suất cơ khí của mẫu, đơn vị kg/mm2

K: Hệ số với Nhôm = 3,815.10-6 đến 3,766.10-6, Thiếc = -9,79.10-6

Mg =-3,9.10-6

Điện dẫn suất : () Là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất

* ảnh hưởng của trường từ và ánh sáng với điện trở suất

Điện trở suất của kl cũng biến đổi tương tự khi đặt trong một trường từ và  của một

số vật liệu cũng biến đổi dưới ảnh hưởng của ánh sáng

* Hiệu điện thế tiếp xúc và suất nhiệt động

Khi tiếp giáp hai kim loại khác nhau với nhau, giữa chúng sẽ sinh ra hiệu điện thế, là

cơ sở sảy ra hiện tượng ăn mòn điện hóa

Nguyên nhân: do có sự khác nhau về công thoát điện tử và số lượng điện tự do Điện thế tiếp xúc này có thể từ vài phần mười đến vài vôn

Bảng : giới thiệu điện thế hoá ở nhiệt độ bình thường trong phòng của một số kim loại : Kim loại Điện thế hoá ở nhiệt độ

bình thường (V)

Kim loại Điện thế hoá ở nhiệt

độ bình thường (v) Vàng

Platin

Thuỷ ngân

Bạc

+1,5 +0,86 +0,86 +0,88

Cadmium Sắt

Crôm Wolfram

- 0,04

- 0,44

- 0,557

- 0,58

- 0,13

- 0,25

- 0,255

Kẽm Mangan Nhôm Magie Bari

- 0,76 -1,04

- Có màu trắng và chiếu sáng ở nhiệt

độ cao không bị ô xi hoá Tác dụng với ôzon tạo ra Ag2o, còn sunfua và hyđrô sulfurơ làm bạc ngả màu đen

Phản ứng với clo, lưu huỳnh

- Bay hơi ở t0 = 140016000c

-Dễ vuốt giãn, mềm dễ uốn cong, có thể gia công theo quy trình rót, dát mỏng, rèn và kéo sợi

- Làm dây dẫn ở tần số cao, quấn dây trong máy thu thanh, làm dây chảy trong cầu chì nóng chảy, làm khung cho

- Hợp kim palađi, vàng làm tiếp điểm điện với dòng nhỏ trong thông tin viễn thông

bạc Chế tạo các chi tiết nhỏ như đinh tán, đinh vít, các đầu cực

- Dùng sản xuất các màn ở các bóng catôt và của các tế bào quang điện

- Đồng mềm (MM) là đồng đem ủ

- Đồng cứng dùng chế tạo những dây dẫn không cách điện của các đường dây truyền tải trên không, thanh góp cho những thiết bị phân phối, hoặc cho cổ góp máy điện

- ảnh hưởng của tạp chất: Với bạc, cađimi làm  giảm ít, còn sắt,silic làm  giảm nhiều

- ảnh hưởng của gia công cơ khí: Khí rát, kéo nguội làm  giảm Đường kính dây <1mm thì  giảm đồng thời khi giảm đường kính

- ảnh hưởng của sử lý nhiệt: Sự thay đổi  tuỳ theo độ nung nóng trở lại.Ví dụ: Để có đồng mềm dùng làm dây quấn và cáp thì nung trở lại t0 khoảng 4005000c

- Là kim loại có màu đỏ nhạt sáng rực, sức bền cơ khí tương đối lớn, dễ rát, dễ vuốt giãn gia công dễ dàng khi nóng và khi lạnh (rèn, kéo sợi,dát mỏng) 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 với các kim loại màu khác cho những hợp kim có giá trị như:

Đồng thanh, đồng thau, có khả năng gắn và hàn dễ dàng

- Khi gia công to > 900oc làm giảm tính chất cơ học

- Đồng mềm được sử dụng chế tạo dây dẫn cách điện của cáp điện và dây quấn máy điện

- Hợp kim đồng thanh (đồng với thiếc, kẽm hoặc chì dùng làm các chi tiết vòng trượt, giá đỡ chổi than, lò xo dẫn điện, ổ cắm điện

- Hợp kim đồng thau (đồng với kẽm)

Nếu kẽm = 39% HK dẻo dùng làm các chi tiết đặc biệt phức tạp bằng cách dập, vuốt Nếu kẽm >39% dùng đúc các chi tiết định hình

- Các loại đồng hơi cứng, nửa cứng dùng trong các khí cụ điện

3 Vàng

-  = 0,022  0,024(.mm2/m) ở

200C là kim loại có màu vàng đặc trưng sáng rực ,màu này không bị mất đi trong không khí và axit

- Không bị ôxi hoá ở nhiệt độ cao

Hoà tan trong dung dịch axit clohiđric

- Nung nóng đến trạng thái nóng

- Dùng trong kỹ thuật điện như gia công các hợp kim làm tiếp điểm điện

- Dùng làm điện trở trong điện kế, trong các dụng cụ tĩnh điện

- Tính nóng chảy thấp, tính dẻo cao, tương đối bền khi bị ôxi hoá

- Nhôm nguyên chất bền vững trong nước biển Bị phá huỷ nhanh trong

H2SO4(a xit sunfuric) loãng và dung dịch kiềm

- Lớp ô xit nhôm có tính ổn định cao chống ăn mòn trong môi trường amôniac (NH3) và một số chất khí khác

- Hợp chất nhôm với tạp chất tạo thành thể rắn thì giảm tính dẫn điện

- Hợp chất nhôm với tạp chất tạo thành khác thể rắn thì không dùng dẫn điện

- Nhôm nguyên chất dùng làm dây dẫn, dây cáp, thanh góp, ống nối , dây quấn máy điện, lá nhôm làm tụ

-Hợp kim nhôm có  cao dùng đúc rôto lồng sóc động

cơ không đồng bộ có mô men khởi động lớn, động cơ nhiều tốc độ, làm dây dẫn (dây trần

đi trên không, ruột cáp)

5 Sắt

- =(0,0918  1,15) .mm2/m, ở

200C Điện trở suất lớn gấp 7- 8 lần của đồng

- Sắt tinh khiết có màu trắng bạc, không khí khô không tác dụng

- Dây dẫn bằng sắt hay bị han gỉ không chịu được sự ăn mòn điện hoá

- ở dòng điện xoay chiều điện trở tăng so với dòng một chiều

- Có khả năng chịu được điện áp cao

- Trọng lượng riêng tương đối lớn(7,86 kg/dm3)

- Làm dây dẫn đi trên không nhưng cấm sử dụng nhỏ hơn tiết điện tính toán

- Được dùng ở lưới điện có khoảng cách cột lớn

- Làm vật liệu dẫn điện dưới dạng thanh dẫn, đường ray tải điện,tàu điện ngầm, lõi dây nhôm

- Khi sử dụng để khắc phục hiện tượng han rỉ người ta thường mạ kẽm

- Làm dây chống sét

2.3 HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT THẤP.(ĐIỆN TRỞ CAO)

STT Tên kim loại Đặc điểm ứng dụng

1 Manganin

-Thành phần: Là hợp kim gốc đồng 86% Cu, 12% Mn, 2%Ni

- Có màu vàng, kéo được thành sợi mảnh 0,02 mm và được sản xuất thành tấm

- Hệ số điện trở suất nhỏ, điện trở với

độ ổn định cao

-Dùng trong các dụng cụ

đo điện, điện trở mẫu, biến trở và các dụng cụ đốt nóng bằng điện

2 Conxtantan

- Là hợp kim đồng-Niken với 60%Cu, 40%Ni Hàm lượng niken trong hợp kim quyết định trị số  lớn nhất và  nhỏ nhất.Trị số của gần bằng không và thường có trị số

âm

- Có thể kéo thành sợi, cán thành tấm như manganin

- Dùng sản xuất dây biến trở,dụng cụ đốt nóng bằng điện có nhiệt độ làm việc không quá 4000c

- Sử dụng thích hợp trong các cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ không quá vài trăm độ

-Tính chịu nhiệt cao (nhiệt độ cho phép 100011000c)

- Tuổi thọ các dây dẫn hợp kim chịu nóng phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi đường kính theo chiều dài dây và sự đồng nhất thành phần hợp kim

- Để tăng tuổi thọ xoắn thành lò xo

và đặt trong môi trường trơ, rắn như đất sét, gạch chịu lửa

- Dùng làm các dụng cụ đốt nóng bằng điện: thiết

bị nung, lò điện, mỏ hàn

4 Hợp kim

crôm-nhôm

- Thành phần: Mn 0,7%, Ni 0,6%, Cr(12  5)%, Al (3,5  5,5)% còn lại

là sắt

- Là hợp kim cứng, giòn nó khó kéo thành sợi và thành băng dài và là hợp kim rẻ tiền

- Dùng trong thiết bị đốt nóng bằng điện công suất lớn và lò điện công nghiệp

2.4 CÁC KIM LOẠI KHÁC

2.4.1 Won fram

+ Đặc điểm:  = 0,053  0,0612(.mm2/m) ở 200C Là kim loại rất cứng có màu tro chiếu sáng nó không thay đổi ở nhiệt độ thường dù có hơi nước ở nhiệt độ 7000c bắt đầu bị ô xi hoá tạo thành màu trắng nếu tăng nhiệt độ thì lớp ô xyt sẽ trở nên màu vàng

- ở nhiệt độ cao phản ứng với oxyt cacbon, nitơ, hơi nước nó không phản ứng vợi hyđro, hơi thuỷ ngân

- Không tan trong a xit, các chi tiết tuy dày nhưng dễ vì, đứt

+ Ứng dụng

- Làm dây vòng xoắn ở đèn nung sáng Làm điện trở nung nóng

- Làm điện cực catôt (cực âm) ở bóng điện tử mạnh, làm việc với điện áp cao, nhiệt độ cao, làm nhiệt ngẫu

- Làm tiếp điểm điện nó không bị hàn chặt trong thời gian làm việc, có sức bền với sự mài mòn cơ khí

- Hợp kim với bạc, đồng dùng làm tiếp điểm công suất lớn

2.4.2 Mô lip đen

+ Đặc điểm:  = 0,0476  0,057(.mm2/m) ở 200C Là kim loại có màu trắng xám tro ở dạng bụi bột có màu xám tro còn khi nóng chảy nó có màu trắng bạc Khi nguội trong không khí nó khó bị ô xýt hoá, khi bị ô xýt hoá mất lớp rực sáng

- Khi nguội không bị tác dụng của kiềm hay axít clohyđric, bị tác dụng của axit sunfuaric,

nó không phản ứng với hyđro

- Dẻo dễ rát mỏng, sức bền cơ khi khi gia công phụ thuộc vào độ lớn của hạt

+ Ứng dụng:

- Làm chi tiết đỡ cho sợi tóc bóng đèn nung sáng, lưới của bóng điện tử

- Dây mảnh và băng dẹt được dùng làm các phần tử đốt nóng trong chân không, ở những lò điện trở có nhiệt độ tới 16000c

-Dùng làm nhiệt ngẫu, tiếp điểm điện ở các bộ điều hoà dụng cụ từ kế

- Hợp kim môlipđen-von fram có thể dùng ở máy cắt điện trong chân không hay trong khí trơ

- Hợp kim với niken, crôm dùng làm điện trở nung nóng

2.4.3 Niken

+ Đặc điểm:

- Có  = 0,0614  0,138(.mm2/m) ở 200C Là kim loại có màu trắng, xám tro, rực sáng

- Nó không bị oxy hoá trong không khí và nước ở nhiệt thường ở nhiệt độ quá 500oC nó bị oxy hoá có tính hơi giòn và giảm sức bền cơ khí

- Nó không tác dụng với dung dịch kiềm , bazơ nóng chảy và vật chất hữu cơ

- Trong chân không nó bay hơi ở 750oC (trước nhiệt độ nóng chảy)

- Là kim loại bền dễ dát, vuốt giãn, rèn dập

- ở trạng thái lỏng có độ chảy lỏng nhỏ và hấp thụ nhiều khí

+ Ứng dụng:

- Người ta dùng niken để bọc thép, dùng làm kính phản chiếu trong kỹ thuật ánh sáng

- Trong kỹ thuật chân khơng làm giá đỡ dây tĩc bĩng đèn nung sáng và bĩng đèn điện tử

- Dùng chế tạo nhiệt ngẫu(Ni-Fe, Ni-Cr)

- Chế tạo một số tiếp điểm điện trong mơi trường hydrơ cac bua cĩ điện áp lớn và dịng điện nhỏ

- Dùng chế tạo điện trở phát nĩng đến 9000C

- Chế tạo điện cực dương cho các ắc quy

- Hợp kim Ni để làm điện trở và các tiếp điểm điện, biến trở, chảo điện

2.4.4 Chì

+ Đặc điểm: -  = 0,205  0,32(.mm2/m) ở 200C

- Là kim loại cĩ má tro sáng ngả hơi xanh da trời, là kim loại mềm cĩ thể uốn cong dễ dàng hoặc cắt bằng dao cắt cơng nghiệp Chỗ mới cắt cĩ màu sáng rực nhưng mất đi nhanh

và chuyển sang màu tro

- Bền với thời tiết xấu, với muối clorua, dầu, khơng bền với các chất kiềm khơng bị tác dụng của axit clohydric, amơniắc

- Khơng cĩ sức đề kháng ở nhiệt độ cao, ở nơi dao động Hợp kim chì cĩ sức bền dao động hơn, nhưng ít bền với sự ăn mịn, sự bay hơi của chì rất độc hại

+ Ứng dụng

- Dùng làm vỏ bảo vệ cáp

- Bảo vệ tốt nhất với sự xuyên thủng của tia x quang

- Chế tạo ăc quy

- Dùng làm dây chảy cầu chì

2.4.5 Thiếc

+ Đặc điểm: -  = 0,113  0,143(.mm2/m) ở 200C

- Là kim loại cĩ màu trắng bạc, sáng

- Sức bền tốt đối với ảnh hưởng của mơi trường, ít bị oxy hố trong khơng khí

- Khơng chịu tác dụng của axit và các chất kiềm chỉ khi các chất này bị nung nĩng và đậm đặc

- Mềm, dễ dát mỏng và uốn dẻo Khi bẻ cong ta nghe thấy âm thanh

- Điện trở suất thay đổi đột ngột khi chuyển trạng thái từ rắn sang lỏng

+ Ứng dụng:

- Để chế tạo đồng thanh hoặc hợp kim dùng để dính chặt

- Dùng làm dây chảy cầu chì

- Dùng làm tụ giấy và tụ mica

2.4.6 Kẽm

+ Đặc điểm:  = 0,0535  0,063(.mm2/m) ở 200C Là kim loại có màu tro xám hơi ngả màu trắng có tính chiếu sáng sau thời gian trở nên màu mờ đục Dễ bị tác dụng của axit và chất kiềm tạo thành tổ hợp chất độc

+ Ứng dụng:

- Dùng làm dây dẫn khi thêm đồng hay nhôm

- Dùng làm thanh góp, điện cực, làm cầu chì nóng chảy

- Dùng để mạ dây thép

2.4.7 Bạch kim (platin)

+ Đặc điểm: Là kim loại không két hợp với ôxy và rất bền vững đối với thuốc thử hoá học

- Rễ gia công cơ khí, kéo thành sợi mảnh và tấm mỏng

+ Ứng dụng: Dùng sản xuất cặp nhiệt độ làm việc tới 16000c

- Với dây mảnh < 0,001mm dùng treo hệ thống động trong đồng hồ điện và các đồng hồ đo

có độ nhạy cao

- Hợp kim với inđi dùng làm tiếp điểm

2.4.8 Thuỷ ngân

- Nhiệt độ thường tồn tại dạng lỏng

- Sản xuất từ hợp chất (HgS)sunfit xinoba bằng cách nhiệt phân trong không khí ở nhiệt độ 500oC Sau đó tinh chế nhiều lần cuối cùng chưng cất trong chân không ở nhiệt độ

200oC

- Hơi thuỷ ngân khác khí thường và khí trơ là có điện thế ion hoá thấp

- Có tính bền hoá học chỉ bị oxy hoá ở nhiệt độ gần độ sôi, tác dụng yếu với hyđro, magiê, nhôm, kiềm và kim loại kiềm thổ

- Hiện tượng siêu dẫn phát hiện đầu tiên là thuỷ ngân

*Than kỹ thuật điện

+ Đặc điểm:- Là một dạng của cacbon có thể sản xuất từ than cốc

- Nó tồn tại dưới các dạng:

+ Gra phit thô chưa gia công cơ khí

+ Graphit cô đặc đã chịu gia công cơ khí

- Có sức bền cơ khí đặc biệt ở những máy điện chịu rung, va đập Phải có sức bền với sự mài mòn và chỉ mài mòn rất ít cổ góp điện

- Chổi than dùng cho máy điện tạo thành tiếp xúc động giữa phần cố định và phần quay

- Chổi than điện graphit, Chổi than graphit, Chổi than kim loại graphit được dùng ở những máy điện có điện áp thấp và động cơ không đồng bộ rôto dây quấn

2.5 ỨNG DỤNG CỦA HỢP KIM TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN

2.5.1 Hợp kim dùng làm điện trở

1 Khái quát và phân loại

- Vật liệu được sử dụng để chế tạo các điện trở phải có điện trở suất lớn, hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ phải nhỏ

- Phân loại:

* Theo mục đích sử dụng gồm:

+ Vật liệu dùng làm điện trở chính xác: Dùng ở dụng cụ đo lường và điện trở mẫu

Những vật liệu này có một sức nhiệt điện động nhỏ so với những vật liệu khác và đặc tính không được thay đổi theo thời gian để nó không tạo nên những sai số trong những phương pháp đo

+ Vật liệu dùng làm biến trở khởi động

Là những vật liệu phải có sức bền khi rung, sức bền đối với sự ăn mòn khi nung nóng

và giá thành hạ

+ Vật liệu dùng ở khí cụ điện sưởi nóng,đun nóng

Là những vật liệu phải có sức bền đối với thời gian kéo dài ở nhiệt độ cao (không được nóng chảy và không bị ôxy hoá) Chúng phải gia công dễ dàng và làm việc không được rút ngắn chiều dài

* Theo bản chất vật liệu người ta phân biệt:

+ Kim loậi tinh khiết hay ít hợp kim dùng làm điện trở

+ Hợp kim dùng làm điện trở

2 Hợp kim dùng làm điện trở

-Những kim loại tinh khiết hay ít hợp kim có gới hạn trong việc sử dụng và dùng ở kết cấu điện trở Vì thông thường chúng có điện trở suất nhỏ hơn hợp kim của chúng, hệ số biến đổi điện trở suất nhiều hơn hợp kim của chúng, đồng thời nó bị ăn mòn ở nhiệt độ cao

- Người ta sử dụng những hợp kim của kim loại khó nóng chảy (Cu,Ni, Fe, Cr, Mn) những hợp kim này rất bền đối với sự ăn mòn ở nhiệt độ cao so với những kim loại hợp thành

a Hợp kim dùng làm điện trở chính xác và dùng làm bộ biến trở

- Hợp kim loại man gan (86% Cu, 2% Ni, 12% Mn) người ta dễ kéo thành băng và dây mảnh có màu cà phê- đỏ nhạt

Nó có sức nhiệt điện động rất nhỏ (1 2v/độ) Người ta sử dụng làm điện trở chính xác vì nó không làm sai lệch kết quả đo lường ở dòng điện và môi trường xung quanh khác nhau Đồng thời yêu cầu đảm bảo tính bất biến của những giá trị điện trở ở thời gian làm việc lâu dài và không vượt quá nhiệt độ làm việc 600c, với biến trở khoảng 3000c

- Hợp kim loại constantan và nikelin

+ Constantan: Chứa 60%Cu và 40%Niken gia công dễ dàng khi nguội và khi nóng,

có thẻ kéo thành sợi, rát mỏng thành băng chiều dày 0,02mm Dễ hàn và dính chặt Hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ bé

Khi dùng làm biến trở và điện trở nung nóng không được dùng ở quá nhiệt độ 4500c vì nó

sẽ bị ôxy hoá Nhưng nung nóng ở 9000c thời gian 3 giây rồi để nguội trong không khí thì trên bề mặt sẽ tạo thành màng ôxyt ngăn cách dễ uốn dẻo và có độ bền

+ Nikelin chứa 2535% Ni, 23% Mn, 67% Cu nên rẻ tiền hơn constantan Nó được gia công rất dễ, có điện trở suất nhỏ hơn và hệ số biến đổi điện trở suất đối với nhiệt độ thấp hơn constantan Dùng làm biến trở khởi động

- Hợp kim trên cơ sở kim loại quý

Đó là các hợp kim có vàng với Crôm(20%) bạc với mangan và thiếc, bạc với niken Chúng

có điện trở suất lớn và hệ số biến đổi của điện trở suất đối với nhiệt độ nhỏ tuỳ thuộc vaò việc sử lý già hoá

Người ta dùng hợp kim này làm điện trở chính xác

- Hợp kim đồng - kẽm và đồng- niken- kẽm

Là hợp kim dẻ tiền, được sử dụng trong các dụng cụ đo lường thông dụng và làm bộ biến trở đối với dòng điện lớn

b Hợp kim dùng làm điện trở sưởi nóng và nung nóng

- Hợp kim trên cơ sở niken và crôm (nicom, crômniken) Có sức bền tốt ở nhiệt độ cao, điện trở suất lớn và hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ

Dùng làm các dây dẫn mảnh(đường kính 0,01 0,3mm) chứa 20% crôm, còn dây dẫn và dây băng có chiều dày không quá 1,5 mm chứa 30% crôm

- Hợp kim trên cơ sở niken-sắt-crôm(feronicrom) chứa 6070% niken,15  20% crom và 15  25% sắt, có thể thêm vào 1 2% Mn để làm chất khử ôxy Điện trở suất của hợp kim này khoảng 1 .mm2/m) và thay đổi tuỳ theo các thành phần cấu tạo nên (tham khảo tài liệu trang 146, 147)

- Hợp kim trên cơ sở sắt-crôm-nhôm(fecral-cromel) Trong kỹ thuật truyền thanh người ta dùng những điện trở có giá trị lớn xong kích thước nhỏ như các hợp kim của nhôm được mang tên là ohmax ( = 1,67 .mm2/m,  =0,00035)

- Hợp kim crom-silic-sắt Là những hợp kim chịu được nhiệt độ cao vì vậy chúng rất thông dụng

-Dây làm điện trở trên cơ sở các bua silic Vật liệu từ các bua silic được đưa thêm vật liệu gốm vào, chúng có dạng thanh hay ống với các đầu được kim loại hoá Dùng cho lò điện có nhiệt độ 1000  14000c

2.5.2 Hợp kim dùng làm tiếp điểm điện

1 Khái quát; Vật liệu dùng làm tiếp điểm cần thỏa mãn những điều kiện chung sau:

- Có sức bền cơ khí và độ rắn cao

- Có điện dẫn suất và dẫn nhiệt tốt để không nung nóng quá nhiệt độ cho phép khi có dòng điện định mức lâu dài đi qua

- Có sức bền đối với sự ăn mòn do tác nhân bên ngoài

- Có nhiệt độ nóng chảy và hoá hơi cao

- ô xyt của nó phải có điện dẫn suất lớn

- Có thể gia công dễ dàng, giá thành hạ

+ Điều kiện riêng:

- Đối với tiếp điểm cố định:

Có sức bền khi nén để có thể chịu áp suất ép lớn

Phải có điện trở ổn định trong thời gian làm việc lâu dài

- Đối với tiếp điểm điện động

Phải có sức bền đối với sự ăn mòn, do tác động cơ khí hoặc va chạm khi đóng và mở Phải

có sức bền đối với sự tác động của hồ quang điện Không bị hàn chặt

+ Đối với tiếp điểm trượt:(Máy cắt điện, dao cắt, vòng cổ góp có sức bền đối với sự mài mòn cơ khí do ma sát

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

Sức bền của tiếp điểm bị ảnh hưởng bởi:

+ Bản chất bề mặt: Điện trở của tiếp điểm càng lớn khi điện trở suất của vật liệu càng lớn, điện trở càng nhỏ khi ứng suất nghiền đập của vật liệu càng nhỏ Vật liệu càng mềm thì sự biến dạng càng dễ dàng, số lượng điểm tiếp xúc càng lớn Trong một số trường hợp tiếp điểm được làm bằng vật liệu cứng hơn song lại được bọc bằng vật liêụ mềm hơn Bản chất của vật liệu ảnh hưởng đến điện trở của tiếp điểm

Khi phụ tải thay đổi và khi ngắn mạch có thể sinh ra ứng lực rất lớn, có thể dẫn đến vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu và làm yếu tiếp điểm

Vậy bản chất của vật liệu và những điều kiện làm việc ảnh hưởng đến sự ăn mòn làm xấu tính chất dẫn điện do vậy điện trở tiếp xúc tăng

Sự ăn mòn thể hiện rõ ở trong môi trường như: Amoniac, clo, hơi axit Những tiếp điểm làm bằng 2 kim loại khác nhau sẽ chịu ăn mòn lớn hơn tiếp điểm làm bằng cùng kim loại

Để tránh ăn mòn người ta phủ lên tiếp điểm những kim loại có sức bền đối với sự ăn mòn và tránh các môi trường như trên

+ Lực ấn Là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến điện trở của tiếp điểm

- Khi cùng độ lớn của bề mặt tiếp xúc thì điện trở càng nhỏ khi lực ấn càng lớn (Vì diện tích tiếp xúc phụ thuộc vào lực ấn)

- Những tiếp điểm cố định ghép bằng bu lông lực phải đủ lớn không quá lỏng làm điện trở tiếp xúc lớn, quá chặt tạo nên ứng suất lớn trong vật liệu làm mất tính đàn hồi và làm xấu mối tiếp xúc

+ Nhiệt độ tiếp điểm

Nếu lực ấn duy trì không đổi với nhiệt độ 2500c thì điện trở suất tăng theo nhiệt độ Giữa

250  4000C sức bền cơ học của vật liệu giảm Vật liệu trở nên mềm làm tăng diện tích tiếp xúc thực tế và giảm điện trở mà dòng điện đi qua

+ Trạng thái bề mặt trong lúc tiếp xúc

Khi gia công cần loại bỏ màng ôxyt và những vật chất xa lạ, đồng thời phải tạo được tối đa các điểm tiếp xúc khi tiếp xúc các bề mặt

3 Vật liệu dùng làm tiếp điểm cố định

Người ta sử dụng Đồng, Nhôm, Thép và Kẽm

- Đồng rất cứng và hợp kim của nó (đồng thanh, đồng thau) có phốt pho sử dụng ở điện áp nhỏ điều kiện làm việc bình thường Để có sức bền đối với sự ăn mòn người ta mạ niken hoặc tẩm thiếc khi nóng hay bọc bạc

- Nhôm có sưc bền cơ học thấp, điện trở suất lớn do vậy người ta không dùng ở nơi

có dòng điện ngắn mạch lớn

- Thép có tổn thất lớn trong dòng điện xoay chiều vì vậy sử dụng ở công suất bé và điện áp lớn Nó bị ăn mòn trong không khí ẩm ướt tạo lớp gỉ sét dễ phát triển vào sâu dẫn đến phá huỷ hoàn toàn

- Kẽm giống nhôm trong không khí tạo thành lớp oxit bọc bề mặt ngoài bảo vệ sự ăn mòn không cho tiếp tục đi vào trong tiếp điểm

4 Vật liệu dùng cho các tiếp điểm cắt

- Platin có tính ổn định cao đối với sự ăn mòn trong không khí tạo nên màng oxit do vậy đảm bảo được sự ổn định điện của tiếp điểm dẫn đến dòng điện qua tiếp điểm sẽ nhỏ

Platin có độ cứng thấp nên mài mòn nhanh do đó ít sử dụng dạng tinh khiết thường dùng với iridi có độ cứng cao nhiệt độ nóng chảy cao Do đó chúng được chế tạo các tiếp điểm quan trọng có độ chính xác cao ở dòng điện nhỏ Có sức bền tốt với sự tác động của

hồ quang điện

- Paladi tính chất tương tự platin nó có sức bền tốt hơn không khí

- Rodi có độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy cao điện dẫn suất vầ dẫn nhiệt cao, tính dễ bay hơi thấp và có sức bền cao đối với sự ăn mòn được sử dụg thông dụng với các tiếp điểm

bị ăn mòn nhiều, dễ dàng bị dính chặt giữa chúng

Tiếp điểm bằng hợp kim bạc với đồng có độ cứng cao ăn mòn nhỏ dùng cho những tiếp điểm có áp suất lớn Hợp kim bạc với cadimi dùng cho tiếp điểm có cong suất lớn

- Ngoài ra còn : Vonfram, molipden

5 Vật liệu tổng hợp dùng làm tiếp điểm có công suất lớn

Những vật liệu tổng hợp hay dùng gồm :Bạc - Vonfram, Bạc-Molipden, Bạc-Niken, Đồng- Vonfram, Đồng - Molipden

Một kim loại có điện dẫn suất lớn còn loại kia có sức bền cơ khí lớn Như vậy vật liệu tỏng hợp có tính cơ học rắn chắc với điện dẫn suất lớn, ổn định nhiệt cao Sử dụng ở những tiếp điểm có yêu cầu công suất lớn, áp suất tiếp súc lớn và độ cứng cao Dưới dạng các viên mỏng dính chắc lên trên bề mặt tiếp xúc của tiếp điểm cắt ở khí cụ điện

6 Vật liệu dùng làm tiếp điểm trượt

- Đồng: ở cổ góp máy điện và những tiếp điểm của máy cắt điện, dao cách ly Để tạo

ra sức bền cơ khí cao người ta dùng hợp kim với cadmi hoặc mạ bạc

- Các hợp kim của đồng: Đồng thanh, đồng thau, được dùng làm vòng tiếp xúc hay

cổ góp chúng có độ bền cơ khí cao với sự mài mòn và ăn mòn

- Gang hình cầu đôi khi được dùng làm vòng góp

- Nhôm được dùng làm các chi tiết tiếp xúc ở cần lấy điện của các phương tiện vận tải bằng điện

- Cacbon điện graphit dùng trong khí cụ điện, làm chi tiét tiếp xúc của phương tiện vận tải vì chúng không mài mòn dây dẫn truyền tải điện và có tuổi thọ cao

2.5.3 Dây dẫn, dây cáp

1 Cơ sở phân loại cáp

a/ Phân loại theo thành phân kết cấu

Ta có cấu trúc của cáp bao gồm: lõi dẫn, cách điện, màn chắn điện và lớp bảo vệ Lõi dẫn có nhiệm vụ truyền dòng năng lượng điện và tín hiệu tin tức liên lạc Cách điện là tạo nên khoảng cách cách điện ổn định giữa lõi dẫn và bề mặt đất Các lớp bảo vệ dùng bảo vệ lõi dẫn và cách điện khái bị tác động cơ học, khí hậu hay hoá học Màng chắn để toạ nên cách điện bên trong điện từ trường hướng tâm hay là bảo vệ cho tín hiệu điện truyền đi khái

bị nhiễu từ bên ngoài

+ Theo thành phần kết cấu các chi tiết cáp có thể chia thành: Dây dẫn không có cách điện (dây cáp trần) và dây dẫn có cách điện, dây cáp mềm và cáp điện

- Dây cáp trần được tạo nên từ lõi dẫn, còn dây có cách điện được tạo nên từ hai thành phần lõi và lớp cách điện

- Dây cáp mềm được tạo nên từ tổ hợp hai hay nhiều dây dẫn mềm có cách điện được bao bọc chung một lớp baỏ vệ

- Cáp điện được tạo nên từ ba thành phần kết cấu: Các lõi dẫn, cách điện và vỏ bảo

vệ

b/ Phân loại theo vật liệu cách điện

- Dây trần, cáp điện và dây dẫn cách điện bằng giấy (có hay không tẩm)

- Cáp điện day dẫn và dây cáp mềm cách điện bằng cao su và polime

- Dây ê may

- Dây dẫn và cáp cách điện bằng sợi và cách điện tổ hợp

c/ Phân loại theo mục đích sử dụng

- Cáp và dây dẫn điện áp cao: Có điện áp làm việc > 1000V

- Cáp và dây dẫn điện áp thấp: Dùng phân phối điện năng trong mạch nhị thứ, dùng đấu nối trong sơ đồ, thiết bị, dụng cụ đo lường, cung cấp điện và điều khiển hệ thống kiểm tra

- Cáp và dây thông tin dùng cho tất cả các dạng liên lạc (điện thoại, điện tín, rađiô, tivi )

- Cáp sử dụng truyền tải và phân phối năng lượng với tần số > 1MHz

- Dây quấn điện từ dùng để quấn các cuộn dây, máy điện, thiết bị điện

d/ Phân loại theo lĩnh vực sử dụng

- Cáp và các chi tiết cáp sử dụng đại chúng dùng để cung cấp điện năng trong công nghiệp, trong giao thông, liên lạc và dùng cho xây dựng, nhà ở

- Cáp và dây dẫn chuyên dùng sử dụng trong kỹ thuật chuyên nghành riêng, trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt Ví dụ: Cáp tàu thuỷ tàu biển, dùng trong hành không vũ trụ, trong hầm lò, dầu mỏ, dùng trong thiết bị di chuyển (cần trục, cầu trục)

* Một số loại dây dẫn, cáp điện

+ Dây điện đôi

Tạo bởi hai dây dẫn ruột đồng, mềm, được bọc cách điện song song với nhau, chất cách điện là nhựa PVC hoặc cao su lưu hóa Dây dẫn được tạo bởi nhiều sợi có đường kính

là 0,2mm nên mềm dẻo, dễ di động Dây đôi dùng để dẫn điện cho các thiết bị điện cần di động, đồ dùng điện trong sinh hoạt như quạt để bàn, tủ lạnh, máy thu thanh, thu hình

Hình 1.5c Dây điện đôi

Các thông số của dây đôi mềm:

Chỉ danh Cấu tạo Tiết diện (mm

2

) Cường độ dòng điện tối đa

(A) 0,40 mm2

0,38 0.50 0.50 0.75 0.76 0.74 1.01 1.02 1.02 1.54

Lớp vỏ bọc bằng thép có thể được tạo bởi nhiều sợi dây thép bện soắn hoặc là các băng thép mỏng bao kín phía ngoài của các sợi dây và ngoài cùng là một lớp vỏ bọc bằng nhựa PVC hoặc cao su, che kín và bao vệ cho lớp vỏ thép và các dây điện của cáp

2 Vật liệu cáp điện

a/ Vật liệu dùng làm lõi dẫn và màng chắn điện

Trong kỹ thuật cáp sử dụng lõi dẫn bằng đồng, nhôm và thép, dùng dây dẫn điện trở thấp và điện trở cao, kích thước giới hạn từ vài micron đến 10 mm Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu là: độ dẫn điện cao, đặc tính cơ cao, không bị ăn mòn , dễ chế tạo, kinh tế và là nguyên tố không hiếm

b/ Vật liệu cách điện

- Vật liệu từ tự nhiên: Giấy cách điện , vải, cao su,amiăng, cánh kiến

- Vật liệu nhân tạo: poliêtylen,polistirol, cao su nhân tạo(cao su butađien, cao su bu til, cao su silicon ), sơn êmay các loại

- Vật liệu màng mỏng Giấy cáp và giấy telephone các loại này có các tính năng cách điện tốt: cường độ cách điện cao, hằng số điện môi nhỏ, tổn hao điện môi nhỏ, chịu được môi trường nóng ẩm, độ bền cơ-lý-hoá cao, chịu nhiệt tốt

- Các chất dẻo màng mỏng: Cắt thành băng quấn quanh lớp bảo vệ kim loại để chống

ăn mòn kim loại và tăng thêm bảo vệ cho cáp

- Vật liệu sợi: Có thể dùng giấy cáp, băng cáp, sợi chỉ bông ự nhiên hay caprôn hoặc sợi amiăng Nó dùng lót đệm cho lớp bọc kim loại để bảo toàn lớp bọc kim loại khái tác động cơ học khi quấn và lắp đặt cáp

2.6.VẬT LIỆU SIÊU DẪN

2.6.1 Khái niệm

Theo định nghĩa “siêu dẫn là một trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn

mà ở đó nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt siêu dẫn vào trong từ trường thì từ trường bị đẩy ra khỏi nó”

2.6.2 Các đặc tính cơ bản của vật liệu siêu dẫn

Hình 3.17 Dây cáp

- Nếu truyền một dòng điện vào một mạch làm bằng chất liệu siêu dẫn thì dòng điện sẽ chạy trong đó mãi mà không suy giảm, vì nó không gặp một trở kháng nào trên đường đi, nghĩa

là năng lượng điện không bị tiêu hao trong quá trình chuyển tải điện từ nơi này sang nơi khác Đây được coi như một dạng chuyển động vĩnh cửu trong điện năng

- Những chất siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể tạo ra những từ trường rất mạnh và gọi chung

đó là đặc tính riêng thứ hai của siêu dẫn Mọi chất siêu dẫn đều làm ra từ trường; mặt khác, dòng điện chạy trong chất siêu dẫn lại không gặp phải một kháng trở nào, do đó từ trường siêu dẫn sản sinh ra rất mạnh Nhờ đó mà ngày nay, con người có thể tạo ra từ trường nhân tạo mạnh gấp tới 200 ngàn lần so với từ trường của Trái đất

- Nếu hai chất siêu dẫn được đặt gần nhau (nhưng không chạm nhau) thì các điện tử có thể nhảy qua như thể hai chất dẫn điện ấy tiếp xúc với nhau Chỗ mà dòng điện nhẩy qua, người ta gọi là “khớp nối Josephson” Nhưng dòng điện chạy qua khớp nối ấy rất nhậy cảm với những biến đổi của điện trường và từ trường bên ngoài

2.6.3 Ứng dụng của vật liệu siêu dân

1-Chế tạo nam châm siêu dẫn

2- Truyền tải điện năng

3- Tạo từ trường để tích trữ năng lượng

4- Trong y học (quan sát nội tạng người bằng ảnh cộng hưởng từ hạt nhân-MRI) 5- Chế tạo động cơ, biến thế

6- Cầu chì giới hạn dòng

7- Tàu siêu tốc(High Speed Surface transport - HSST)

8- Các thiết bị dựa trên hiệu ứng Josephson với độ nhạy cực cao

9- Giao thoa lượng tử siêu dẫn(SQUID), và các ứng dụng khác

** Một số ứng dụng cụ thể

1/ Hệ thống “Vận tải trên bộ tốc độ cao” (High Speed Surface transport – HSST)

+ Theo hướng công nghệ HSST này, người Đức chế tạo ra tầu “Transrapid” chạy trên đệm từ và cũng theo nguyên lý phát minh từ những năm 1960 theo công nghệ hơi khác người Nhật đôi chút, đó là phương pháp nâng điện từ nhờ tác động của những thanh nam châm đặt trên tầu, với những nam châm vô kháng chạy bên dưới và hai bên đường tầu hình chữ T Với vận tốc đạt 450 km/giờ chạy trên đường Berlin tới Hambourg, kinh phí khoảng 6

tỷ USD Ngoài ra, người Pháp cũng đã và đang quan tâm đến vấn đề vận tải siêu tốc trên bộ bằng siêu dẫn

Maglev trains sử dụng chất siêu dẫn để nâng bổng con tàu lên trên thanh siêu dẫn Ở

đó cho phép nó hạn chế được lực cản, ma sát và đạt được vận tốc cực lớn (Tàu trong ảnh

được chế tạo tại the Old Dominion University ở Hampton, Virginia) Đó là con tàu đầu

tiên được láp đặt tại Mỹ Tuy nhiên do chiều dài khá nhỏ nên nó chỉ đạt được vận tốc cỡ 40 dặm một giờ (~60 km/h) Những con tàu Mglev có thể đạt được những vận tốc lớn hơn và

chạm tới 300 dặm một giờ (~500 Km/h)

b/ Truyền tải điện năng

+ Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao (high-temperature superconductor – HTS)

+ Truyền dẫn điện cao gấp nhiều lần so với các loại cáp điện truyền thống

+ Giảm tắc nghẽn hệ thống điện, đồng thời giảm chi phí lắp đặt và vận hành

+ Loại cáp mới này sử dụng sợi siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS),

+ Mỏng như sợi tóc, có độ dẫn điện cao gấp 150 lần dây đồng có cùng kích cỡ + Hệ thống cáp được làm lạnh liên tục bằng nitơ lỏng, không đắt và an toàn với môi trường

+ Giá thành sản xuất dây HTS hiện nay cao hơn so với dây đồng,

+ Theo dự báo của ngành công nghiệp chế tạo, công nghệ dây HTS mới nhất, còn gọi

là cáp 2G (thế hệ 2), sẽ không còn đắt nữa, và cuối cùng thì sẽ không đắt hơn đồng tính theo chi phí cho một kilôampe-mét (tỉ suất giá/hiệu quả), một khi được sản xuất trên qui mô lớn

+ Bằng cách thiết kế dây điện thành dây băng để sử dụng cho cáp, động cơ và máy móc, giúp giảm bớt những sự cố của điện

Ảnh :Dây siêu dẫn nhiệt độ cao thế hệ 2 (2G) có chiều rộng 4cm (công ty American

Superconductor sản xuất) c/ Động cơ điện

Động cơ điện, sử dụng vật liệu siêu dẫn có kích thước nhỏ gọn nhưng công suất vô cùng lớn

Động cơ 5000 mã lực sử dụng dây siêu dẫn, được lắp bởi công ty American

Superconductor d/ Máy gia tôc hạt

+ Một ứng dụng khác nữa là, có thể tạo ra được máy gia tốc mạnh để nghiên cứu đặc tính gốc của nguyên tử Người ta dùng những nam châm cực mạnh để bẻ cong các chùm hạt, làm cho chúng chạy theo đường tròn để chúng va đập vào nhau, qua đó nghiên cứu những “mảnh” sinh ra do những va đập mạnh đó; người ta gọi đó là “siêu va đập siêu dẫn”

Dựa theo nguyên tắc này, các nhà khoa học Mỹ đang tiến hành xây dựng một “máy gia tốc cực mạnh” trong đường hầm dài 88 km ở bang Texac để nghiên cứu các hạt cơ bản của vật chất

+ Có thể ứng dụng để sản sinh ra máy đo điện trường hết sức chính xác

+ Một ứng dụng quan trọng nữa từ đặc tính thứ ba này của chất siêu dẫn là có thể làm

ra “cái ngắt mạch điện từ” giống như một tranzito Cùng với đặc tính thứ nhất là dẫn điện

mà không có điện kháng, người ta hy vọng có thể làm ra được máy tính được nối với nhau bằng “giây siêu dẫn”, nhờ đó sẽ làm nên được “máy tính điện tử siêu tốc” thế hệ mới phục

vụ cho nghiên cứu không gian

+ Ngoài ra, có thể ứng dụng khớp nối Josephson để sản xuất ra thiết bị y tế nhằm nghiên cứu những điện trường sinh học cực nhỏ do hoạt động của não người sinh ra, giúp cho việc chẩn đoán bệnh về não Hoặc nhờ siêu nam châm, có thể chế tạo ra các máy quét MRI dùng trong y học (quét ảnh bằng cách đo tiếng dội lại của âm thanh) để khám các mô trong cơ thể người

+ Cùng với những điều đã nói ở trên, người ta còn hy vọng những thành quả của siêu dẫn có thể áp dụng để tạo ra những thiết bị quan sát vì sao, hành tinh, hoặc bề mặt trái đất

và giúp giải thích cơ chế của một số vật thể lạ trong vũ trụ, như những vì sao Neutron, những vật thể siêu rắn sót lại của những ngôi sao phát nổ trước khi tắt mà người ta nghĩ là

có đặc tính xoay vòng tương tự với chất siêu dẫn lỏng…

CHƯƠNG III VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

3.1 NHỮNG HIỂU BIẾT CƠ BẢN TRONG KỸ THUẬT CÁCH ĐIỆN

3.1.1 Điện trường

Mục đích của cách điện là duy trì khả năng

cách điện của vật liệu cách điện đặt trong điện

trường vì vậy tránh các hiện tượng sau:

- Phóng điện trong vật liệu cách điện

- Đánh thủng toàn phần hoặc bộ phận bên

trong vật liệu

- Phóng điện bề mặt ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu

Hiện tượng phóng điện xẩy ra nếu điện áp lớn hơn trị số đặc trưng của vật liệu cách điện và kết cấu hình học của điện cực trị số này là điện áp phóng điện Điện áp mà bắt đầu

có phóng điện gọi là điện áp ngưỡng của phóng điện

+ Để phân biệt hiện tượng đánh thủng với hiện tượng phóng điện bề mặt trên hình vẽ Nếu ta tăng điện áp giữa hai điện cực thì có thể xẩy ra hiện tượng

Một là: Tấm cách điện không chịu nổi điện áp ở một hoặc nhiều chỗ điện tích chạy từ điện cực này qua điện cực kia xuyên qua tấm cách điện chúng ta nói rằng tấm cách điện bị đánh thủng

Hai là: Điện áp tăng tới mức nào đó ở cạnh mép của tấm cách điện suất hiện vầng quang phát triển thành những tia điện loằn ngoằn trên bề mặt tấm các điện và nối liền với nhau ở cạnh biên của tấm cách điện, hiện tượng này gọi là phóng điện bề mặt

- Với vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng thì chỉ có thể xẩy ra trong giây lát sau đó cách điện lại được phục hồi

- Với vật liệu cách điện ở thể rắn thì đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng bị phá huỷ vĩnh viễn không sử dụng lại được

- Phóng điện bề mặt thường không gây hậu quả nghiêm trọng, nhiệt của hồ quang có thể làm mủn bề mặt cách điện, làm nứt rạn nó nhưng cách điện thường không hỏng hoàn toàn và buộc phải thay thế ngay mà vẫn có thể tiếp tục sử dụng trong thời gian nhất định

- Điện áp đánh thủng là điện áp làm cho cách điện có bề dày nhất định bị đánh thủng:

+ Hệ số an toàn đối với phóng điện bề mặt là: apđ

- Độ bền cách điện là điện áp tính trên cách điện có bề dày 1cm

* Chú ý: ở một số vật liệu cách điện thì điện áp đánh thủng tăng tỉ lệ thuận với bề dày cách

điện

3.1.2 Sự già hoá của vật liệu cách điện

Tính chất của vật liệu cách điện (Chủ yếu là vật liệu hữu cơ) trong thời gian vận hành khả năng cách điện thường bị giảm dần Vật liệu cách điện hoá già thì tính chất của vật liệu cách điện thay đổi đến mức không thể hoàn thành chức năng cách điện giữa các chi tiết mang điện ở các điện thế khác nhau Tuổi thọ của vật liệu do điều kiện vận hành quyết định (nhiệt độ làm việc, tác nhân hoá học, tác dụng cơ học )

 Quá trình hoá già thực chất là kết quả của sự biến đổi hoá chất sảy ra nhanh hoặc chậm do điều kiện vận hành tác động

 Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hoá già của vật liệu

+ Nhiệt độ làm việc: Sự giảm sút tính chất cách điện gia tăng rất mạnh khi nhiệt độ

tăng tức là: Tốc độ của phản ứng hoá học tăng theo hàm mũ với nhiệt độ

+ Các tác nhân hoá học từ bên ngoài trực tiếp hay gián tiếp ảnh hưởng đến sự hoá già của vật liệu

- Những vật liệu cách điện gần bên Ví dụ : Sơn tẩm, dầu

- Môi trường bao quanh vật liệu cách điện Ví dụ: chất bẩn thể khí, khí ô zôn, độ ẩm

- Vật liệu điện cực

 Những tác dụng cơ học trọng quá trình chế tạo, vận hành

 Quá trình hoá học chủ yếu gây sự hoá già là: Sự oxy hoá, sự thuỷ phân, sự bay hơi,

Là khối lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí (gH2 O/m3), ở t0c thì

độ ẩm tuyệt đối nhỏ hơn độ ẩm bão hoà (m < mm ) nếu ngược lại thì trạng thái hơi nước ở dạng sương rơi xuống

+ Độ ẩm tương đối (%): Là tỷ số giữa độ ẩm tương đối với độ ẩm bão hoà tính theo phần trăm %

% = m/mmax100%

ở trạng thái bão hoà thì % = 100%

b Độ ẩm của vật liệu cách điện

- Khi đặt vật liệu vào không khí ta có độ ẩm tương đối ở nhiệt độ nào đó Sau một thời gian thì vật liệu có độ ẩm là  và đạt tới độ ẩm cân bằng cb