Chuong II Vat lieu dan dien

Chuong II Vat lieu dan dien tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất cả các lĩnh vực...

Trang 1

TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có bản quyền Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào

Chương II: Vật liệu dẫn điện

và cáp điện

Phân loại

Bản chất của sự dẫn điện

Các tính chất cơ bản

Vật liệu có điện dẫn cao

Vật liệu có điện trở suất cao

Các kim loại khác

Phần I: Vật liệu dẫn điện

Trang 2

Phân loại

Phân loại dựa vào trạng thái vật lý: rắn, lỏng, khí và plasma

Vật liệu dẫn điện ở thể rắn được sử dụng rộng rãi và phổ biến: bao gồm các kim loại và hợp kim

o Điện dẫn cao: sử dụng làm dây dẫn điện, cáp điện, dây quấn máy điện…

o Điện trở cao: sử dụng làm điện trở, biến trở, dụng cụ đốt nóng bằng điện, dây tóc bóng đèn…

Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng: dung dịch điện phân (ứng dụng: Acquy, công nghệ xi mạ điện) và thủy ngân (ứng dụng trong rơle điện)

Vật liệu dẫn điện ở thể khí: chỉ dẫn điện ở điện trường cao

Plasma: trạng thái thứ tư của vật chất có tính dẫn điện tốt được tạo thành

từ chất khí bị ion hóa một phần hoặc hoàn toàn (ứng dụng: cắt kim loại hoặc phủ kim loại)

Trang 3

Bản chất của sự dẫn điện

1 Dẫn điện điện tử (xảy ra trong kim loại)

Xét chuyển động của điện tử trong vật dẫn điện dưới tác động của điện trường (đơn giản: xem như các điện tử c/đ theo phương điện trường)

t A

q J

Trang 4

Mật độ điện tử tự do trong kim

Trong khoảng thời gian ∆t, các điện tử chuyển động được quãng đường ∆x

t v

e dx

t A

tq nAv

t A

Trang 5

Khi không có điện trường

ngoài, các điện tử tự do chuyển

phương bất kỳ ⇒ không tạo

thành dòng điện

Khi có điện trường ngoài, các

điện tử tự do tham gia vào 02

chuyển động:

o chuyển động nhiệt hỗn loạn

o gia tốc theo phương tác động

của điện trường ngoài dưới tác

động của lực q e E x

Chuyển động thực có hướng ngược

chiều điện trường ⇒ ⇒ ⇒ tạo thành dòng

điện

Trang 6

Do điện tử chuyển động nhanh dần đều trong khoảng thời gian tự do trung bình giữa hai lần va chạm τ , nên quan hệ giữa lực tác động lên điện tử và vận tốc của điện tử là:

e

x e xN

x x

m

E

q v

v

v N

m

q τ

µ =

dx e

x nq v

⇒ Mật độ dòng điện tỉ lệ thuận với điện trường ngoài

x e e dx

dx e

e e

Trang 7

2 Dẫn điện ion (xảy ra trong dung dịch điện phân)

Sự dịch chuyển của các ion dưới tác dụng của điện trường ⇒ tạo

ra dòng điện

Nồng độ chất điện phân trong dung dịch sẽ giảm dần

v q n v

q n J

−

− +

+ +

−

− +

+ +

Mật độ dòng điện:

Phản ứng oxi hóa tại cực

dương tạo khí bay lên Conduction in Electrolyte sollution

Phản ứng khử tại cực

âm tạo Natri nguyên tử tích tụ

Trang 8

Các tính chất cơ bản

Độ dẫn điện và điện trở suất

Hệ số nhiệt của điện trở suất

Độ dẫn nhiệt

Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt điện động

Giới hạn bền kéo và độ dãn dài tương đối

Trang 9

1 Độ dẫn điện và điện trở suất

Độ dẫn điện đặc trưng cho khả năng dẫn điện của vật liệu (σ, Sm -1 )

Điện trở suất đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của vật liệu (ρ, Ωm)

o Bản chất vật lý của điện trở suất: là sự va chạm của các điện tử

tự do với ion dương dao động nhiệt tại nút mạng tinh thể

o Phụ thuộc nhiệt độ

Độ dẫn điện và điện trở suất phụ thuộc vào bản chất của vật liệu

I

V R

R : đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của một khối vật liệu có hình dạng xác định

Trang 11

Điện trở suất của kim loại phụ thuộc nhiệt độ: nhiệt độ tăng ⇒ dao động nhiệt của các ion dương tăng ⇒ tăng xác suất va chạm

⇒ tăng điện trở suất

ρ T: điện trở suất nhiệt phụ thuộc vào dao động nhiệt của hạt nhân nguyên tử

Trang 12

Gần đúng xem như điện trở suất tăng tuyến tính với nhiệt độ

o

ρ ρ

Trang 13

o

O T T

Trang 14

2 Độ dẫn nhiệt

Nhiệt được truyền từ bên nóng sang bên lạnh nhờ vào các điện tử tự to

Bên nóng, dao động của ion dương tăng ⇒ tăng động năng các điện tử tự do bằng va

chạm ⇒ điện tử năng lượng

Chuyển động hỗn loạn của điện tử năng lượng tăng ⇒ tăng năng lượng truyền cho ion dương ở bên lạnh bằng va chạm ⇒ dao động mạnh hơn (tăng nhiệt)

a Bản chất vật lý

Trang 15

Độ dẫn nhiệt đặc trưng cho khả năng truyền tải nhiệt của vật liệu ( λ , W/m.K)

Công suất nhiệt Q truyền qua mặt cắt có tiết diện A theo phương x

của vật liệu có độ dẫn nhiệt λ

Q tỉ lệ thuận với λ

dA dx

Trang 16

Độ dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ

Trang 17

Định luật Weidemann - Franz- Lorenz:

- Tỉ số λ/σ tại một giá nhiệt độ là bằng nhau đối với mọi kim loại

- Tỉ số λ/σ tỉ lệ thuận với nhiệt độ và với một hằng số gần bằng nhau đối với mọi kim loại

Trong đó:

2

8 2

2

10 44

.

2 3

e

B WFL

π

Hằng số Boltzmann (1.38×10-23 JK-1)

Hằng số Lorenz

Trang 19

3 Giới hạn bền kéo và độ dãn dài tương đối

Là một trong những tính chất cơ học của kim loại

Độ bền kéo là giới hạn lớn nhất của ứng suất kéo làm đứt vật liệu

Ứng suất kéo là trạng thái ứng suất khi vật liệu chịu tác động kéo căng theo hướng trục

) /

( N mm 2 A

Trang 21

Ngã cột điện do bão

Trang 22

Tác động lực ⇒ dây đồng bị dãn

đồng thời ứng suất kéo thay đổi

(đồ thị σ k - ∆l/l )

Độ dãn dài tương đối: ∆l/l

Dây đồng được sản xuất bằng 02

phương pháp :

o Kéo nguội sẽ tăng độ bền

kéo nhưng giảm độ dãn dài

o Kéo sau khi đốt nóng và ủ sẽ

giảm độ bền kéo nhưng tăng

độ dãn dài tương đối

Trang 23

Hiện tượng nhiệt điện

Hai kim loại khác nhau được

hàn nối một đầu với nhau

trong khi đầu còn lại để hở

Nhiệt độ đầu hàn T 1

Nhiệt độ đầu hở T 2 bằng với

nhiệt độ môi trường

Xuất hiện điện thế có giá trị

mV giữa hai kim loại tại đầu

hở

Ứng dụng: làm cặp nhiệt

ngẫu để đo nhiệt độ trong

công nghiệp (loại E, J, K…)

oB

oA n

n T

T e

K

U = 1 − 2 ln

Nồng độ điện tử trong kim loại A, B

Trang 24

Vật liệu có điện dẫn cao

1 Đồng

Đồng được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành kỹ thuật điện để làm vật dẫn điện

Kim loại màu nâu đỏ

Độ dẫn điện cao (điện trở suất nhỏ: 0.0172 Ωmm 2 /m)

Độ bền cơ tương đối cao

Bền vững hóa học (ít bị ôxy hóa ở nhiệt độ thường, ôxy hóa mạnh

Trang 25

Thành phẩm

Trang 26

2 Hợp kim của đồng

Có 2 loại: đồng thau và đồng thanh

Đồng thau là hợp kim của đồng với kẽm

Đồng thanh là hợp kim của đồng với kim loại khác ngoại trừ kẽm (Al, Sn, Cd, P…)

Đồng thau và đồng thanh có điện trở suất cao hơn đồng tinh khiết

và độ bền cơ cao hơn (độ bền kéo)

Ứng dụng: làm lò xo dẫn điện, các bộ phận tiếp xúc điện, các chi

tiết dẫn điện

Trang 27

Trang 28

3 Nhôm

Nhôm (ρ = 0.028 Ωmm 2 /m) là vật liệu quan trọng thứ hai để làm vật dẫn điện sau đồng

Độ dẫn điện thấp hơn đồng (1.63 lần), độ bền cơ thấp hơn đồng

Khối lượng riêng thấp hơn đồng (3.5 lần), giá thành rẽ hơn đồng

Khi truyền tải cùng dung lượng (cùng cấp điện áp), dây nhôm phải có

bằng 50% của dây đồng ⇒ làm dây truyền tải điện trên không và lõi cáp điện

Dây nhôm lõi thép có đường kính lớn hơn dây đồng ⇒ giảm phóng điện vầng quang

Nhôm rất dễ bị ôxy hóa tạo lớp ôxit nhôm rất bền về mặt hóa học

nhưng có điện trở suất lớn ⇒ dẫn điện kém tại vị trí tiếp xúc giữa các

chuyên dụng

Trang 29

Hợp kim của nhôm với magiê và silíc có cơ tính cao nhưng điện

trở suất xấp xỉ nhôm tinh khiết

Quặng Bauxite Nhôm ôxít

Phôi nhôm Dây điện bằng nhôm

Trang 30

4 Sắt (thép)

Độ bền cơ cao

Rẻ tiền và dễ kiếm

Độ dẫn điện thấp (∼15% độ dẫn điện của đồng)

Điện trở suất của sắt khá lớn: 0.1 Ωmm 2 /m

Thép cacbon có điện trở suất lớn hơn nhiều

Dòng điện xoay chiều trong thép gây ra hiệu ứng bề mặt đáng kể

Ngoài tổn thất do điện trở, dòng điện xoay chiều trong thép còn

gây ra tổn thất từ trễ

Khả năng chống ăn mòn kém, dễ bị ôxy hóa

Ứng dụng: làm dây tải điện trên không có công suất tương đối

nhỏ, đường ray tải điện cho tàu điện mặt đất hoặc tàu điện ngầm, vật liệu kết cấu…

Trang 31

Vật liệu có điện trở suất cao

1 Manganin

Hợp kim của đồng với Mangan và Ni (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni)

Điện trở suất cao hơn đồng (ρ = 0.42-0.48 Ωmm 2 /m )

Hệ số nhiệt điện trở nhỏ ⇒ điện trở suất ít phụ thuộc vào nhiệt độ

Điện trở suất có độ ổn định cao trong thời gian dài

Ứng dụng: làm điện trở mẫu, điện trở shunt trong các dụng cụ đo

điện

Trang 32

2 Constantan

Hợp kim của đồng với niken (60% Cu, 40% Ni)

Hệ số nhiệt điện trở nhỏ (xấp xỉ Manganin)

Điện trở suất xấp xỉ Manganin

Điện trở suất không thay đổi trong khoảng nhiệt độ lớn hơn Manganin

Chịu được nhiệt độ 400-450 o C

Ứng dụng: làm dây biến trở, dụng cụ đốt nóng bằng điện, cặp nhiệt

điện

Trang 33

3 Hợp kim Nichrome

Hợp kim của niken với chrome (80% Ni, 20%Cr)

Điện trở suất cao (ρ = 1-1.2 Ωmm 2 /m )

Nhiệt độ nóng chảy cao (1400 o C)

Khả năng chống ôxy hóa tốt tại nhiệt độ cao

Ứng dụng: làm dụng cụ đốt nóng bằng điện: máy sấy tóc, lò điện, bếp điện, mỏ hàn…

Trang 34

Các kim loại và vật liệu khác

1 Vonfram

Khối lượng riêng lớn

Độ cứng cao, giòn và dễ gẫy

Nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong kim loại (>2000 o C)

Ôxy hóa mạnh ở nhiệt độ vài trăm độ

Ứng dụng: làm tiếp điểm, dây tóc bóng đèn

Trang 35

2 Chì

Kim loại màu xám

Mềm, dẽo, độ bền cơ thấp

Nhiệt độ nóng chảy thấp

Điện trở suất cao (0.21 Ωmm 2 /m)

Khả năng chống ăn mòn cao

Bền vững hóa học

Chì và hợp kim của chì rất độc đối với con người

Ứng dụng: làm vỏ bọc cáp điện để chống ẩm, dây chảy, phiến chì

của ắc quy, màn hấp thụ tia X…

Trang 36

3 Kẽm

Kim loại màu sáng

Giòn ở nhiệt độ bình thường

Trang 37

Kẽm chưa bị oxy hóa Kẽm bị oxy hóa ! ⇒ tạo oxít kẽm

Trang 38

4 Than kỹ thuật điện

Điện trở suất cao hơn đồng (15-50 Ωmm 2 /m)

Sản xuất từ than chì hay than gầy

Ứng dụng: chổi quét các máy điện, điện cực các lò điện, các bể

điện phân, cực dương của pin…

Than chì

Chổi than

Điện cực than

Trang 39

CÂU HỎI THẢO LUẬN

1 Thiết kế loại vật liệu dẫn điện mới có ưu điểm của đồng và nhôm

(sử dụng các thành quả công nghệ sẵn có - thảo luận nhóm)

Định dạng
Số trang	39
Dung lượng	5,62 MB