CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU
Mọi vật liệu được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử, trong đó nguyên tử là phần tử cơ bản của vật chất Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử bao gồm hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử 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 mang điện tích dương và nơtron không mang điện tích, với số lượng proton được biểu thị bằng Z.q.
Số lượng điện tử (Z) của nguyên tử đồng thời là thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Menđêlêep Điện tích của electron (q) là 1,6 x 10^-19 culông, trong khi proton có khối lượng 1,6 x 10^-27 kg và electron có khối lượng 9,1 x 10^-31 kg Trong trạng thái bình thường, nguyên tử trung hòa về điện, với tổng điện tích dương của hạt nhân bằng tổng điện tích âm của electron Khi nguyên tử mất một hay nhiều electron, nó trở thành ion dương, và nếu nhận thêm electron, nó sẽ trở thành ion âm Để hiểu về năng lượng của electron, ta có thể xem xét nguyên tử Hiđrô, được cấu tạo từ một proton và một electron.
Khi một điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn với bán kính r xung quanh hạt nhân, nó sẽ chịu lực hút từ hạt nhân, được xác định bởi công thức f1.
Lực hút f 1 sẽ được cân bằng với lực ly tâm của chuyển động f 2 :
Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 3
Trong đó: m – Khối lượng của điện tử v – Tốc độ chuyển động của điện tử
Từ (1) và (2) ta có: f1 = f2 hay
Trong quá trình chuyển động điện tử có một động năng: T = và một thế năng: T , nên năng lượng của điện tử bằng:
Biểu thức (4) cho thấy mỗi điện tử trong nguyên tử có một mức năng lượng xác định, và năng lượng này tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo của điện tử Để đưa điện tử ra khỏi quỹ đạo và vào khoảng cách vô cùng, cần cung cấp một năng lượng lớn hơn mức năng lượng hiện tại.
Năng lượng ion hóa (Wi) là năng lượng tối thiểu cần thiết để tách điện tử ra khỏi nguyên tử, dẫn đến việc nguyên tử trở thành ion dương Quá trình này, khi nguyên tử trung hòa mất điện tử và chuyển thành ion dương cùng với sự hình thành điện tử tự do, được gọi là quá trình ion hóa.
Trong nguyên tử, năng lượng ion hoá của các lớp điện tử khác nhau có sự khác biệt, với các điện tử hoá trị ngoài cùng có năng lượng ion hoá thấp nhất do khoảng cách xa hạt nhân Khi nhận được năng lượng thấp hơn mức ion hoá, điện tử sẽ bị kích thích và có thể chuyển đổi giữa các mức năng lượng, nhưng thường trở về trạng thái ban đầu Năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được phát ra dưới dạng năng lượng quang học Nguồn năng lượng để ion hoá và kích thích nguyên tử có thể đến từ nhiều dạng như nhiệt năng, quang năng, điện năng, hoặc từ các tia sóng ngắn như tia hồng ngoại, tử ngoại và tia Rơnghen.
1 Liên kết đồng hoá trị
Liên kết đồng hoá trị là quá trình mà các nguyên tử trong phân tử chia sẻ điện tử, tạo ra sự bền vững cho phân tử khi mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân đạt trạng thái bão hoà Ví dụ điển hình là phân tử clo (Cl2), bao gồm hai nguyên tử clo, mỗi nguyên tử có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử ở lớp hoá trị ngoài cùng Hai nguyên tử này liên kết với nhau bằng cách chia sẻ hai điện tử, giúp mỗi lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử từ nguyên tử kia, từ đó tạo ra liên kết bền vững.
Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 4
Liên kết ion được hình thành từ lực hút giữa các ion dương và âm, tạo nên liên kết bền vững Vật rắn có cấu trúc ion thường có độ bền cơ học cao và nhiệt độ nóng chảy lớn Một ví dụ điển hình về tinh thể ion là các muối halogen của kim loại kiềm Khả năng hình thành chất hoặc hợp chất mạng không gian phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dạng lớp điện tử hóa trị ngoài cùng.
Liên kết kim loại tạo ra các tinh thể rắn, với kim loại được cấu thành từ các ion dương trong môi trường điện tử tự do Lực hút giữa các ion dương và điện tử mang lại tính nguyên khối, khiến liên kết kim loại trở nên bền vững, đồng thời kim loại có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao Sự hiện diện của điện tử tự do không chỉ tạo ra tính ánh kim mà còn giúp kim loại dẫn điện và dẫn nhiệt tốt Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi khả năng dịch chuyển và trượt của các lớp ion, cho phép kim loại dễ dàng cán và kéo thành lớp mỏng.
** Một số dạng tinh thể của Kim loại
Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 5
- Mạng lập phương tâm khối
- Mạng lập phương tâm mặt
- Mạng lục giác xếp chặt
Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 6
1.1.3 Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn
Các tinh thể vật rắn có kết cấu đồng nhất, nhưng sự phá hủy cấu trúc này và hình thành các khuyết tật là điều thường gặp trong thực tế Những khuyết tật có thể xuất hiện do ngẫu nhiên hoặc cố ý trong quá trình chế tạo vật liệu, bao gồm các hiện tượng như phá vỡ tính chất chu kỳ của trường tĩnh điện trong mạng tinh thể, sự hiện diện của tạp chất, áp lực cơ học, và các dao động đàn hồi Các khuyết tật này có thể làm thay đổi đáng kể các đặc tính cơ-lý-hóa và điện của vật liệu, tạo ra những tính năng đặc biệt như trong vi mạch IC, nhưng cũng có thể làm giảm chất lượng vật liệu, chẳng hạn như khi vật liệu cách điện bị lẫn kim loại.
1.1.4 Lý thuyết về vùng năng lượng
Lý thuyết phân vùng năng lượng cho phép phân loại vật liệu thành ba nhóm chính: vật liệu dẫn điện, bán dẫn và điện môi (cách điện) Nghiên cứu quang phổ giúp hiểu rõ hơn về tính chất của các loại vật liệu này.
Giảng viên Ths Vũ Thị Tựa cho biết rằng sự phát xạ của các chất khí khi các nguyên tử cách xa nhau cho thấy mỗi nguyên tử được đặc trưng bởi những vạch quang phổ xác định Điều này chứng minh rằng các nguyên tử khác nhau có các trạng thái năng lượng hay mức năng lượng khác nhau.
Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, một số mức năng lượng bị lấp đầy, trong khi các mức khác chỉ có thể có khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài, dẫn đến trạng thái kích thích Nguyên tử có xu hướng quay về trạng thái ổn định, và khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích về mức năng lượng thấp nhất, nguyên tử sẽ phát ra năng lượng dư thừa.
Biểu đồ năng lượng đặc trưng cho sự chuyển đổi của chất khí hoá lỏng thành mạng tinh thể của vật rắn, trong đó các nguyên tử nằm sát nhau Sự tương tác giữa các nguyên tử lân cận dẫn đến sự dịch chuyển nhẹ của tất cả các mức năng lượng, tạo ra một dải năng lượng hay còn gọi là vùng các mức năng lượng.
Vùng năng lượng bình thường của các nguyên tử ở vị trí thấp nhất được gọi là vùng hoá trị, nơi các điện tử hoá trị lấp đầy ở nhiệt độ 0 K Các điện tử tự do có mức năng lượng cao hơn, hình thành nên vùng tự do hay vùng điện dẫn, cho phép dẫn điện hiệu quả.
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 cú mật độ từ thẩm à< 1 và khụng 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 cú độ từ thẩm à > 1 và cũng khụng phụ thuộc vào từ trường bờn ngoài Loại này gồm có oxy, nitơ oxit, muối đất hiếm, muối sắt, các muối coban và niken,
Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 8 kim loại kiềm, nhôm, bạch kim
3 Chất dẫn từ: Là cỏc chất cú à >> 1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bờn 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.
TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU
Đặc trưng cơ học của kim loại và hợp kim thể hiện khả năng chịu đựng tác động của các loại tải trọng, trong đó độ bền là một yếu tố quan trọng.
Là khả năng của vật liệu chịu được tác động của ngoại lực mà không bị phá huỷ Độ bền được ký hiệu bằng chữ (xích ma)
Tuỳ theo dạng khác nhau của ngoại lực ta có các độ bền : độ bền kéo (k); độ bền uốn (u); độ bền nén (n)
Khi phát triển một loại vật liệu mới, độ bền của nó được kiểm tra trong phòng thí nghiệm thông qua các mẫu với tải trọng động khác nhau Điều này giúp xác định khả năng chịu lực và độ cứng của vật liệu.
Độ cứng là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi chịu lực nén, với vết lõm càng lớn và sâu cho thấy độ cứng càng kém Phương pháp đo độ cứng đơn giản và nhanh chóng giúp xác định tính chất vật liệu mà không làm hỏng chi tiết Có nhiều phương pháp đo độ cứng, nhưng đều sử dụng tải trọng nén qua viên bi thép đã nhiệt luyện hoặc mũi kim cương để tạo vết lõm trên bề mặt vật liệu.
Là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lượng giãn dài sau khi kéovà chiều dài ban đầu, được ký hiệu là %
L1 và L0 là độ dài mẫu trước và sau khi kéo, được đo bằng mm Vật liệu có độ giãn dài lớn thể hiện tính dẻo cao, trong khi vật liệu có độ giãn dài thấp thường kém dẻo hơn Thêm vào đó, độ dai va chạm cũng là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tính chất cơ học của vật liệu.
Khi các chi tiết máy hoạt động, chúng phải đối mặt với tải trọng tác động đột ngột, thường được gọi là tải trọng va đập Để đảm bảo không bị phá hủy, vật liệu cần có khả năng chịu đựng các tải trọng này, được gọi là độ dai va chạm, ký hiệu là ak (J/mm² hoặc KJ/m²) Độ bền mỏi cũng là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu tải của vật liệu.
Giới hạn bền mỏi là một chỉ tiêu cơ tính quan trọng để đánh giá khả năng làm việc của các chi tiết như trục, bánh răng và lò xo dưới tải trọng thay đổi Ứng suất càng lớn thì số chu trình mà chi tiết có thể chịu đựng càng nhỏ Giới hạn mỏi được xác định bởi ứng suất lớn nhất mà mẫu có thể chịu đựng lên tới 10^7 chu kỳ, và theo kinh nghiệm, sau ngưỡng này, khả năng chịu đựng của chi tiết sẽ giảm đáng kể.
Để nâng cao giới hạn mỏi, các biện pháp đã được áp dụng dựa trên cơ chế phá huỷ mỏi đã được nghiên cứu.
Việc tạo ra ứng suất nén dư trên bề mặt là rất quan trọng để hạn chế sự xuất hiện của vết nứt mỏi Vết nứt thường xảy ra ở những khu vực có ứng suất kéo lớn nhất, nhưng nếu có ứng suất nén dư hiện diện, ứng suất kéo thực tế sẽ giảm, giúp ngăn chặn sự hình thành vết nứt Các phương pháp như phun bi, lăn ép, va đập, tôi bề mặt và hoá nhiệt luyện có thể được sử dụng để tạo ra ứng suất nén dư hiệu quả trên bề mặt.
- 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
Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hoá học của kim loại đó không thay đổi
Lý tính cơ bản của kim loại bao gồm khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính giãn nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính Trong đó, khối lượng riêng là một trong những yếu tố quan trọng nhất để xác định tính chất của kim loại.
Khối lượng riêng của một vật chất được xác định bằng công thức: γ = m/V, trong đó m là khối lượng và V là thể tích của vật chất Khối lượng riêng thể hiện khối lượng của 1cm³ vật chất.
Khối lượng riêng, được tính bằng công thức = m/V (g/cm³), có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật, giúp so sánh kim loại nặng và nhẹ để lựa chọn vật liệu phù hợp Ngoài ra, khối lượng riêng còn hỗ trợ trong các tình huống thực tế, ví dụ như khi cân các vật lớn như thép đường ray hay thép định hình rất khó khăn Bằng cách biết khối lượng riêng và đo kích thước để tính thể tích, chúng ta có thể xác định khối lượng mà không cần phải cân trực tiếp.
Nhiệt độ nóng chảy là mức nhiệt mà tại đó kim loại chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng Ví dụ, sắt nguyên chất bắt đầu chảy ở nhiệt độ 1539 °C, trong khi đó, gang có điểm chảy khác nhau tùy thuộc vào thành phần của nó.
1130 ÷1350 0 C Điểm chảy của thép là 1400÷1500 0 C Đối với gang và thép thì nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào hàm lượng cacbon có trong thép và gang
Tính chất nhiệt độ nóng chảy của các loại vật liệu là rất quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo cơ khí và công nghệ hàn, giúp điều chỉnh hiệu quả trong quá trình sản xuất, hàn và cắt kim loại.
Khả năng giãn nở của kim loại khi nung nóng được gọi là hệ số giãn nở, thể hiện sự thay đổi chiều dài của kim loại trên mỗi đơn vị (1mm) Hệ số giãn nở theo chiều dài của sắt nguyên chất là 11,8 x 10^-6, trong khi của thép là 12 x 10^-6 Điều này cho thấy sự khác biệt trong tính chất giãn nở của các loại kim loại khác nhau.
Là khả năng dẫn nhiệt của kim loại Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim không
Gang và thép có khả năng dẫn nhiệt tốt, nhưng vẫn kém hơn nhiều so với đồng và nhôm Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt của bạc là 1, thì của đồng là 0,9, nhôm là 0,5, và sắt chỉ đạt 0,15.
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 loại vật chất chứa các điện tích tự do ngay cả trong điều kiện thường Khi có điện trường tác động, các điện tích này sẽ di chuyển theo hướng của điện trường, tạo ra dòng điện, từ đó cho thấy 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
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
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
: Điện trở suất phụ thuộc vào từng loại vật liệi tạo nên vật dẫn l,S: Chiều dài và tiết diện dây dẫn
Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 12 Đơn vị: ; k; M
Khái niệm: là đại lượng nghịch đảo của điện trở
Biểu thức: G = 1/R Đơn vị: 1/ = -1 hoặc Siemen (S)
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
Nếu S tính bằng mm 2 , l tính bằng m thì ủ = .mm 2 /m hoặc .cm, .m, và .cm với quan hệ 1.cm = 10 -2 .m = 10 4
+ Hệ số thay đổi của điện trở xuất theo nhiệt độ
Hầu hết các vật dẫn điện có điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng, tuy nhiên, một số ít vật dẫn như cácbon và dung dịch điện phân lại có đặc tính ngược lại.
Cách tính hệ số Đối với khoảng chênh lệch nhiệt độ (t 2 - t 1 ) thì hệ số trung bình sẽ là: = t2 - t1 / t1 (t 2 - t 1 )
Khi kim loại nóng chảy, điện trở suất của chúng thường tăng lên, ngoại trừ ăngtimoan và bitmut, điện trở suất của hai kim loại này lại giảm Ở nhiệt độ không tuyệt đối (0 K), điện trở suất của kim loại tinh khiết giảm đột ngột, cho thấy hiện tượng siêu dẫn.
Trước đây, hiện tượng siêu dẫn chưa được ứng dụng rộng rãi do cường độ từ trường nhất định có thể làm mất hiệu ứng siêu dẫn, đặc biệt là với các kim loại thuần nhất Hiện nay, các hợp kim có nhiệt độ chuyển tiếp cao hơn được sử dụng để duy trì trạng thái siêu dẫn, cho phép chịu đựng từ trường mạnh và dòng điện lớn.
Nb3Sn: Tri niobi- Thiếc, có nhiệt độ siêu dẫn 18,2 o K
V 3 Ga: Tri vanadi - Gali, có nhiệt độ siêu dẫn 16,8 o K
Nb-Ti: Niobi-Titan , có nhiệt độ siêu dẫn gần 10 o K
Nb-Zn: Niobi- Ziriconi, có nhiệt độ siêu dẫn gần 10 o K 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
Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ(1/độ)
Kim loại Điện trở suất ở
Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ(1/độ)
Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 13
+ 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/mm 2
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
Trường từ và ánh sáng có ảnh hưởng đáng kể đến điện trở suất của kim loại, khi điện trở suất của kim loại thay đổi khi đặt trong trường từ Ngoài ra, điện trở suất của một số vật liệu cũng biến đổi dưới tác động 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 của sự khác biệt này là do sự khác nhau trong quá trình thoát điện tử và số lượng điện tự do Điện thế tiếp xúc có thể dao động 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
Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 14 Đồng
Kẽm Mangan Nhôm Magie Bari
Sức nhiệt điện động sinh ra của hai kim loại khác nhau khi tiếp xúc với nhau được ứng dụng để chế tạo nhiệt ngẫu
Người ta thường chọn hai kim loại có sức nhiệt điện động lớn và quan hệ đường thẳng với nhiệt độ để làm nhiệt ngẫu
2.2 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT CAO
STT Tên vật liệu Đặc điểm ứng dụng
Bạc tinh khiết có khả năng bị ăn mòn và thường dính chặt Nó xuất hiện dưới dạng mỏ tự nhiên với hàm lượng lên tới 98% bạc, hoặc có thể tìm thấy trong các mỏ chì, kẽm, đồng Ngoài ra, bạc cũng tồn tại trong nước biển với nồng độ khoảng 0,001mg/1lit.
Bạc có màu trắng sáng và bền vững ở nhiệt độ cao mà không bị oxy hóa Khi tiếp xúc với ôzon, bạc tạo ra Ag2O, trong khi phản ứng với sunfua và hydro sulfurơ sẽ khiến bạc bị ngả màu đen.
Phản ứng với clo, lưu huỳnh
-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 tụ điện
- Dùng quấn các cuộn dây trong kỹ thuật vô tuyến
- Hợp kim với Niken hay mangan dùng làm dây dẫn trong các máy đo
- Hợp kim bạc-palađi, bạc- vàng làm tiếp điểm điện với dòng nhỏ trong thông tin viễn thông
- 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
2 Đồng và hợp kim đồng ở 20 0 C = (0,01680,0182)
+ Đồng sau khi gia công có 4 loại
- Đồng cứng (MT)là đông không ủ nhiệt
- Đồng mềm (MM) là đồng đem ủ
Đồng cứng được sử dụng để chế tạo các dây dẫn không cách điện cho hệ thống truyền tải điện trên không, góp phần vào việc kết nối các thiết bị phân phối và cổ góp của máy điện.
Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 15 nhệt
+ Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất Đồng chuẩn hoá có 0,0172(.mm 2 /m)
- 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 900 o c 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
20 0 C 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
Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 16 sáng thì dễ bị bay hơi
Nhôm và hợp kim nhôm
- Trọng lượng riêng < đồng 3,3 lần, điện trở nhôm > đồng 1,68 lần
- 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
H 2 SO 4 (a xit sunfuric) loãng và dung dịch kiềm
- Lớp ô xit nhôm có tính ổn định cao chống ăn mòn trong môi trường amôniac (NH 3 ) 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 mật độ cao được sử dụng để đúc rôto lồng sóc cho động cơ không đồng bộ, giúp tạo ra mô men khởi động lớn Ngoài ra, hợp kim này cũng được ứng dụng trong các động cơ nhiều tốc độ và làm dây dẫn, bao gồm dây trần đi trên không và ruột cáp.
20 0 C 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/dm 3 )
- 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
Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 17
2.3 HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT THẤP.(ĐIỆN TRỞ CAO)
STT Tên kim loại Đặc điểm ứng dụng
-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
Hợp kim đồng-Niken chứa 60% đồng (Cu) và 40% niken (Ni), trong đó hàm lượng niken quyết định giá trị điện trở suất lớn nhất và hệ số nhiệt điện trở suất nhỏ nhất Hệ số này gần bằng không và thường có giá trị 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 400 0 c
- Sử dụng thích hợp trong các cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ không quá vài trăm độ
- Thành phần: Mn1,5%, Ni (5561)%, Cr(15 18)% còn lại là sắt
-Tính chịu nhiệt cao (nhiệt độ cho phép 10001100 0 c)