Bài giảng Vật liệu điện

128 trang phuongnguyen 6680

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vật liệu điện", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_vat_lieu_dien.doc

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu điện

VẬT LIỆU ĐIỆN BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN 1
VẬT LIỆU ĐIỆN CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Mục đích chương này nhắc lại một số kiến thức cơ bản đã được học ở phổ thông trung học cần thiết về cấu tạo vật chất trước khi nghiên cứu những vật liệu kỹ thuật điện cụ thể. 1.1.KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN 1.1.1. KHÁI NIỆM Vật liệu điện là tất cả những chất liệu dùng để sản suất các thiết bị sử dụng trong lĩnh vực ngành điện. Thường được phân ra các vật liệu theo đặc điểm, tính chất và công dụng của nó, thường là các vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu dẫn từ. 1.1.2.CẤU TẠO NGUYÊN TỬ CỦA VẬT LIỆU Nguyên tử là phần tử cơ bản nhất của vật chất. Mọi vật chất đều được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử theo mô hình nguyên tử của Bo. Nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương (gồm proton p và nơtron n) và các điện tử mang điện tích âm (electron, ký hiệu là e) chuyển động xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo xác định. Nguyên tử : Là phần nhỏ nhất của một phân tử có thể tham gia phản ứng hoá học, nguyên tử gồm có hạt nhân và lớp vỏ điện tử hình 1.1 - Hạt nhân : gồm có các hạt Proton và Nơrton Vỏ nguyên t ử - Vỏ hạt nhân gồm các electron chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định. Tùy theo mức năng lượng mà các điện tử được xếp H ạt nhân Hình 1.1. Cấu tạo nguyên tử Thành lớp. Ở điều kiện bình thường, nguyên tử trung hòa về điện, tức là: (+)hạt nhân = (-)e -31 Khối lượng của e rất nhỏ: me= 9,1 .10 (Kg) -19 qe = 1,601 . 10 (C) Do điện tử có khối lượng rất nhỏ cho nên độ linh hoạt của tốc độ chuyển động khá cao. Ở một nhiệt độ nhất định, tốc độ chuyển động của electron rất cao. Nếu vì nguyên nhân nào đó một nguyên tử bị mất điện tử e thì nó trở thành Ion (+), còn nếu nguyên tử nhận thêm e thì nó trở thành Ion (-). 2
VẬT LIỆU ĐIỆN Quá trình biến đổi 1 nguyên tử trung hòa trở thành điện tử tự do hay Ion (+) được gọi là quá trình Ion hóa. Để có khái niệm về năng lượng của điện tử xét trường hợp đơn giản của nguyên thử Hydro, nguyên tử này được cấu tạo từ một proton và một điện tử e (hình 1.2). Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo có bán kính r bao quanh hạt nhân, e thì giữa hạt nhân và điện tử e có 2 lực: - q2 Lực hút (lực hướng tâm): f1 = 2 (1-1) r r và lực ly tâm: f = mv2 (1-2) 2 r Hình 1.2. Mô hình nguyên tử H trong đó: m - khối lượng của điện tử, v - vận tốc dài của chuyển động tròn q2 Ở trạng thái trung hòa, hai lực này bân bằng: f = f hay mv2 = (1-3) 1 2 r Năng lượng của điện tử sẽ bằng: We = T + U (Động năng T + Thế năng U) 2 trong đó: T = mv2 , U = -q . 2 r 2 2 2 2 Vậy W = T + U = q - q = -q hay W = -q (1-4) e 2r r 2r e 2r Biểu thức trên chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử đều tương ứng với một mức năng lượng nhất định và để di chuyển nó tới quỹ đạo xa hơn phải cung cấp năng lượng cho điện tử, Năng lượng của điện tử phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo chuyển động. Điện tử ngoài cùng có mức năng lượng thấp nhất do đó dễ bị bứt ra và trở thành trạng thái tự do. Năng lượng cung cấp cho điện tử e để nó trở thành trạng thái tự do gọi là năng lượng Ion hóa (Wi). Để tách một điện tử trở thành trạng thái tự do thì phải cần một năng lượng Wi We. Khi Wi We chỉ kích thích dao động trong một khoảng thời gian rất ngắn, các nguyên tử sau đó lại trở về trạng thái ban đầu. 3
VẬT LIỆU ĐIỆN Năng lượng Ion hóa cung cấp cho nguyên tử có thể là năng lượng nhiệt, năng lượng điện trường hoặc do va chạm, năng lượng tia tử ngoại, tia cực tím, phóng xạ. Ngược lại với quá trình Ion hóa là quá trình kết hợp: Nguyên tử + e Ion (-). Ion (+) + e nguyên tử, phân tử trung hòa. 1.1.3.CẤU TẠO PHÂN TỬ CỦA VẬT LIỆU Là phần nhỏ nhất của một chất ở trạng thải tự do nó mang đầy đủ các đặc điểm, tính chất của chất đó, trong phân tử các nguyên tử liên kết với nhau bởi liên kết hóa học.Vật chất được cấu tạo từ nguyên, phân tử hoặc ion theo các dạng liên kết dưới đây: 1.1.3.1. Liên kết đồng hóa trị Liên kết này đặc trưng bởi sự kiện là một số điện tử đã trở thành chung cho các nguyên tử tham gia hình thành phân tử. Lấy cấu trúc của phân tử clo làm ví dụ: phân tử này gồm 2 nguyên tử clo và như đã biết, nguyên tử clo có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử ở lớp ngoài cùng (điện tử hoá trị). Hai nguyên tử clo liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung hai điện tử như trên hình 1.3 . Lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của nguyên tử kia. Cl Cl Cl Cl Hình 1.3. Phân tử liên kết đồng hoá trị có thể là trung tính hoặc cực tính. Phân tử clo thuộc loại trung tính vì các trung tâm điện tích dương và điện tích dương trùng nhau. Axit clohydric HCl là ví dụ của phân tử cực tính. Các trung tâm điện tích dương và âm cách nhau một khoảng và như vậy phân tử này được xem như một lưỡng cực điện. Tùy theo cấu trúc các phân tử đối xứng hay không đối xứng mà chia các phân tử ra làm hai loại - Phân tử không phân cực là phân tử mà trọng tâm điện tích âm trùng với trọng tâm điện tích dương 4
VẬT LIỆU ĐIỆN - Phân tử phân cực là phân tử mà tâm điện tích âm cách trọng tâm điện tích dương một khoảng l Để đặc trưng cho sự phân cực nguời ta dùng mô men lưỡng cực Pe = q.l Trong đó: q: là điện tích l: có chiều –q đến +q và có độ lớn bằng l( khoảng cách giữa trọng tâm điện tích dương và trọng tâm điện tích âm) 1.1.3.2. Liên kết Ion Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các Ion (+) và Ion(-). Liên kết này chỉ xảy ra giữa các nguyên tử của các nguyên tố hóa học có tính chất khác nhau. Đặc trưng cho dạng liên kết kim loại là liên kết giữa các kim loại và phi kim để tạo thành muối, cụ thể là Halogen và kim loại kiềm gọi là muối Halogen của kim loại kiềm. Liên kết này khá bền vững. Do vậy nhiệt độ nóng chảy của các chất có liên kết Ion rất cao Ví dụ: liên kết giữa Na và Cl trong muối NaCl là liên kết ion ( vì Na co 1 electron lớp ngoài cùng cho nên dễ nhường 1 electron tạo thành Na +, Cl có 7 electron ở lớp ngoài cùng cho nên dễ nhận 1 electron tạo thành Cl- , hai ion này trái dấu sẽ hút nhau và tạo thành phân tử NaCl, muối NaCl có tính hút ẩm 0 0 tnc =800 C, tsôi <1450 C. 1.1.3.3. Liên kết kim loại Là liên kết trong các kim loại mà hạt nhân ở các nút mạng tinh thể. Xung quanh hạt nhân có các điện tử liên kết, ngoài ra còn có các điện tử tự do. Do đó, kim loại có tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Khi không kể đến chuyển động nhiệt Hình 1.4. Mạng tinh thể cơ bản thì các hạt (gồm nguyên tử, phân tử hoặc của kim loại ion) ở một vị trí xác định gọi là nút. Các nút được sắp xếp theo một trật tự xác định hợp thành mạng tinh thể. Hình 1.4 là mạng tinh thể lập phương (cơ bản) của kim loại. Dạng liên kết này giải thích được những tính chất đặc trưng của kim loại: 5
VẬT LIỆU ĐIỆN - Tính nguyên khối ( rắn): Lực hút giữa các ion âm và các điện tử tạo nên tính nguyên khối, kim loại thường ở dạng mạng tinh thể - Tính dẻo: do sự dịch chuyển và trượt lên nhau của các ion - Do tồn tại các điện tử tự do nên kim loại thường có ánh kim, dẫn điện và dẫn nhiệt cao. 1.1.3.4. Liên kết VanDecVan: Tương tự như liên kết kim loại nhưng là liên kết yếu, do vậy nhiệt độ nóng chảy thấp (Ví dụ: paraphin). 1.1.4. NHỮNG KHUYẾT TẬT TRONG CẤU TẠO VẬT RẮN Thực tế các mạng tinh thể có kết cấu đồng đều hay không đồng đều, tuy nhiên trong kỹ thuật nguời ta thường sử dụng các những vật liêuh có cấu trúc đồng đều. Sự phá hủy các kết cấu đều 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 trong vật rắn : Là bất kỳ 1 hiên tượng nào làm cho trường tĩnh điện của mạng tinh thể mất tính chu kỳ. Các dạng khuyết tật trong vật rắn thường là : tạp chất, đoạn tầng, khe rãnh Khuyết tật trong vật dẫn thường tạo những tính chất vật lý đặc biệt, được ứng dụng trong kỹ thuật các vật liệu và các dụng cụ khác nhau Ví dụ : chất bán dẫn n –p, các hợp kim điện tử Các tạp chất Lỗ trống Tinh thể lý tưởng Chứa tạp chất Chứa lỗ trống Chèn nguyên tử Dịch chuyển vào giữa 6
VẬT LIỆU ĐIỆN 1.1.5. LÝ THUYẾT PHÂN VÙNG NĂNG LƯỢNG VẬT CHẤT Trên hình 1.5 cho sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn ở nhiệt độ tuyệt đối 0oK. Mỗi một điện tử đều có một mức năng lượng nhất định. Các điện tử hóa trị của lớp ngoài cùng ở nhiệt độ 0 oK chúng tập trung lại thành một vùng, gọi là vùng hóa trị hay vùng đầy (1). Các điện tử tự do có mức năng lượng cao hơn tập hợp lại thành dải tự do gọi là vùng tự do hay vùng dẫn (2). Giữa vùng đầy và vùng tự do có một vùng trống gọi là vùng cấm (3). W 2 Vùng tự do (vùng dẫn) 3 Vùng cấm W 1 Vùng đầy (vùng hoá trị) Hình 1.5. Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn ở 00K Để một điện tử hóa trị ở vùng đầy trở thành trạng thái tự do cần cung cấp cho nó một năng lượng W đủ để vượt qua vùng cấm: W W ( W: năng lượng vùng cấm). Khi điện tử từ vùng đầy vượt qua vùng cấm sang vùng tự do nó tham gia vào dòng điện dẫn. Tại vùng đầy sẽ xuất hiện các lỗ trống (hình dung như một điện tích dương) do điện tử nhảy sang vùng tự do tạo ra. Các lỗ trống liên tục thay đổi vì khi một điện tử của một vị trí bứt ra tạo thành một lỗ trống thì một điện tử của nguyên tử ở vị trí lân cận lại nhảy vào lấp đầy lỗ trống đó và lại tạo ra một lỗ trống mới khác, cứ như vậy dẫn đến các lỗ trống liên tục được thay đổi tạo thành những cặp “điện tử lỗ’’ trong vật chất. Khi có tác động của của điện trường các lỗ sẽ chuyển động theo chiều của điện trường giống như các điện tích dương, còn các điện tử sẽ chuyển động theo chiều ngược lại. Cả hai chuyển đổng này hình thành tính dẫn điện của vật chất. 7
VẬT LIỆU ĐIỆN Số lượng điện tử trở thành trạng thái tự do tuỳ theo mức độ năng lượng từ cao xuống thấp. Dựa vào lý thuyết phân vùng năng lượng, người ta chia ra vật liệu kỹ thuật điện thành: vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật cách điện (chất điện môi). . Đối với vật liệu cách điện (hình 1.6c): Vùng dẫn (2) rất nhỏ. Vùng cấm (3) rộng tới mức ở điều kiện bình thường các điện tử hoá trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng dẫn (2) để trở thành tự do. Năng lượng W của vùng (3) lớn, WCĐ = 1,5  vài eV Như vậy trong điều kiện bình thường vật liệu có điện dẫn bằng không (hoặc nhỏ không đáng kể). W 2 2 2 3 3 3 1 1 1 a) b) c) Hình 1.6 a) Vật liệu dẫn điện b) Vật liệu bán dẫn c) Vật liệu cách điện . Đối với vật liệu bán dẫn có vùng hoá trị (1) nằm sát hơn vùng dẫn (2) so với vật liệu cách điện (hình 1.6b). Năng lượng vùng cấm (3) lớn hơn so với vật liệu cách điện: WBD = 1,2  1,5 eV. nên ở điều kiện bình thường một số điện tử hoá trị trong vùng (1) với sự tiếp sức của chuyển động nhiệt đã có thể chuyển tới vùng (2) để hình thành tính dẫn điện của vật liệu. . Đối với vật liệu dẫn điện (hình 1.6a): có vùng hoá trị (1) nằm sát hơn vùng dẫn (2) so với vật liệu bán dẫn, với mức năng lượng vùng cấm: WDĐ< 0,2 eV. Các điện tử hoá trị trong vùng (1) có thể di chuyển một cách không điều kiện tới vùng (2) và do đó loại vật liệu này có điện dẫn rất cao. 8
VẬT LIỆU ĐIỆN . Vật liệu dẫn điện tốt: W 0. . Vật liệu siêu dẫn: W 1: gọi là vật liệu thuận từ.  >1: gọi là vật liệu dẫn từ. 1.2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN 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 bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xảy ra. Các điện tử hóa trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt vẫn không thể duy chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn. Chiều rộng vùng cấm của điện môi W nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài điện tử von ( eV). 2. Bán dẫn: là chất có vùng cấm hẹp hơn so với điện môi, vùng này có thể thay đổi nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé ( W=0,5-1,5eV), do đó ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hóa trị ở 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 có thể chồng lên vùng đầy ( W < 0,2eV). Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do lớn, ở nhiệt độ bình thường các điện tử hóa trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện trường các điện từ này tham gia vào dòng điện dẫn, chính vì vậy vật dẫn có tính dẫn điện tốt. 1.2.2.Phân loại theo từ tính 9
VẬT LIỆU ĐIỆN Nguyên nhân chủ yếu của vật liệu gây nên từ tính là do các điện tích chuyển động ngầm theo quĩ đạo kín tạo nên những dòng điện vòng. Cụ thể hơn đó là do sự quay của các điện tử xung quanh trục của chúng – spin điện đử và sự quay theo quĩ đạo của các điện tử trong nguyên tử. - Các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân tạo nên dòng điện cơ bản mà nó được đặc trưng bởi mômen từ M. Mône từ M tính bằng tích của dòng điện cơ bản với một diện tích S được giới hạn bởi đường viền cơ bản: M = i.S Chiều véc tơ M được xác định theo quy tắc vặn nút chai . hình 1.7 và theo phương thẳng góc với diện tích S. Mômen từ của vật thể là kết quả tổng hợp của tất cả các mômen từ cơ bản đã nêu trên. - Ngoài các mômen quĩ đạo đã nêu trên, các điện tử này còn quay xung quanh các trục của nó, do đó Hình 1.Biểu diễn chiều mômen từ còn tạo nên các mômen gọi là mômen Spin. Các spin này đóng vai trò quan trọng trong việc từ hóa vật liệu sắt từ. - Khi nhiệt độ dưới nhiệt độ curri, việc hình thành các dòng xoay chiều này có thể nhìn thấy được bằng mắt thường, được gọi là vùng từ tính, vùng này trở nên song song thẳng hàng cùng một hướng. Như vậy vật liệu sắt từ thể hiện chủ yếu sự phân cực từ hóa tự phát khi không có các từ trường đặt bên ngoài. - Qúa trình từ hóa của vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ trường ngoài dẫn đến làm tăng những khu vực mà mômen từ của nó tạo góc nhỏ nhất với hướng của từ trường, giảm kích cỡ các vùng khác và sắp xếp thẳng hàng các mômen từ tính theo hướng từ trường bên ngoài. Sự bão hòa từ tính sẽ đạt được khi nào sự tăng lên của khu vực dùng từ lại và mômen từ tính của tất cả các phần tinh thể nhỏ nhất đựợc từ tính hóa tưh sinh trở thành cùng hướng theo hướng của từ trường Hinh 1.8 Hướng từ hóa khó và dễ trong đơn tinh thể Sắt 10
VẬT LIỆU ĐIỆN - Khi từ hóa dọc theo cạnh hình khối, nó mở rộng theo hướng đường chéo, nghĩa là co lại theo hướng từ hóa, hiện tượng đó gọi là hiện tường từ gião. Hình 1.9.Đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ 1- Sắt đặc biệt tinh khiết 2- Sắt tinh khiết (99,98% Fe) 3- Sắt kỹ thuật tinh khiết (99,92%Fe) 4- Pecmanlôi (78%Ni) 5- S- Niken 6- Hợp kim Sắt- Niken (26%Ni) Theo từ tính người ta phân vật liệu thành nghịc từ, thuận từ và dẫn từ 1. Nghịch từ : là những chất có độ từ thẩm  < 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài . Loại này gồm có Hyđro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, muối mỏ và các kim loại như : đồng, kẽm, bạc, vàng, thủy ngân 11
VẬT LIỆU ĐIỆN 2. Thuận từ : là những chất có độ từ thẩm  >1 và cũng không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ oxit, muối sắt, các muối coban và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim 3. Chất dẫn từ : là các chất có  >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 1.2.3. Phân loại theo trạng thái vật thể - Vật liệu điện theo trạng thái vật rắn - Vật liệu điện theo trạng thái vật lỏng - Vật liệu điện theo trạng thái the khi CÂU HỎI CHƯƠNG 1 1. Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử, phân biệt chất trung tính và chất cực tính ? 2. Trình bày nguyên nhân gây ra những khyết tật trong vật rắn ? 3. Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất 4. Tính lực hút hướng tâm và lực hút ly tâm một nguyên tử biết m e= 9,1 -31 -19 5 .10 (Kg)qe = 1,601 . 10 (C), v = 1,26.10 m/s -31 5. Tính năng lượng một nguyên tử biết m e= 9,1 .10 (Kg), qe = 1,601 . 10-19 (C), v = 1,24.106 m/s 6. Trình bày cách phân loại vật liệu điện ? 12
VẬT LIỆU ĐIỆN CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.1.1. Khái niệm về vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do. Nếu đặt chúng vào trong một điện trường, các điện tích sẽ chuyển động theo một hướng nhất định của trường và tạo thành dòng điện. Người ta gọi vật liệu có tính dẫn điện. 1. Vật liệu có tính dẫn điện tử: là vật chất mà sự hoạt động của các điện tích không làm biến đổi thực thể đã tạo thành vật liệu đó. Vật dẫn có tính dẫn điện tử bao gồm những kim loại ở trạng thái rắn hoặc lỏng, hợp kim và một số chất không phải kim loại như than đá. Kim loại và hợp kim có tính dẫn điện tốt được chế tạo thành dây dẫn điện, như dây cáp, dây quấn dẫn điện trong các máy điện và khí cụ điện Kim loại và hợp kim có điện trở suất lớn (dẫn điện kém) được sử dụng trong các khí cụ điện dùng để sưởi ấm, đốt nóng, chiếu sáng, làm biến trở 2. Vật liệu có tính dẫn Ion: là những vật chất mà dòng điện đi qua sẽ tạo nên sự biến đổi hóa học. Vật dẫn có tính dẫn Ion thông thường là các dung dịch: dung dịch axit, dung dịch kiềm và các dung dịch muối. Vật liệu dẫn điện có thể ở thể rắn, lỏng và trong một số điều kiện phù hợp có thể là thể khí hoặc hơi. Vật liệu dẫn điện ở thể rắn gồm các kim loại và hợp kim của chúng (trong một số trường hợp có thể không phải là kim loại hoặc hợp kim). Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng bao gồm các kim loại lỏng và các dung dịch điện phân. Vì kim loại thường nóng chảy ở nhiệt độ rất cao trừ thủy ngân 13
VẬT LIỆU ĐIỆN (Hg) có nhiệt độ nóng chảy ở -39 0C do đó trong điều kiện nhiệt độ bình thường chỉ có thể dùng vật liệu dẫn điện kim loại lỏng là thủy ngân. Các chất ở thể khí hoặc hơi có thể trở nên dẫn điện nếu chịu tác động của điện trường lớn. Vật liệu dẫn điện được phân thành 2 loại: vật liệu có tính dẫn điện tử và vật liệu có tính dẫn Ion. 2.2.2. Tính chất của vâtk liệu dẫn điện 2.2.2.1. Điện trở R Là quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi đặt lên vật dẫn và dòng điện chạy qua vật dẫn đó. Điện trở của dây dẫn được xác định theo biểu thức: S = R. (2.1) l Trong đó: R- Điện trở () - Điện trở suất ( mm2/m) S- tiết diện dây dẫn (mm2) l- Chiều dài dây dẫn(m) 2.2.2.2. Điện dẫn G Điện dẫn G của một dây dẫn là đại lượng nghịch đảo của điện trở R G =1 (2.2) R Điện dẫn G được tính với đơn vị là (1/) = (S) - Simen 2.2.2.3. 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. Dòng điện đi trong vật dẫn được cho bởi công thức: i = no.S.vtb.e (2.3) trong đó: no : nhiệt độ phần tử mang điện. S : tiết diện vật dẫn vtb: tốc độ chuyển động trung bình của điện tử dưới tác dụng của điện trường E. e : điện tích của phần tử mang điện. 14
VẬT LIỆU ĐIỆN Thay vtb = uE (u - độ di chuyển của phần tử mang điện) vào (2.3), ta được dạng tổng quát của định luật ôm: i = no.e.u.E = E (2.4) với  = no.e.u được gọi là điện dẫn suất. 2.2.2.4. Điện dẫn suất  Đại lượng nghịch đảo của điện dẫn suất  gọi là điện trở suất 1 = (2.5)  Với một vật dẫn có tiết diện S và độ dài l không đổi thì được xác định bởi biểu thức: S = R. (2.6) l R là điện trở dây dẫn. Đơn vị của điện trở suất là  mm2/m hoặc cm hoặc m hoặc cm, 1cm = 106 cm = 104 mm2/m = 10-2 m. Từ (2.4), ta có: l l R = . = () (2.7) S S 2.2.3. Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu a. Ảnh hưởng của nhiệt độ: Điện trở suất của đa số kim loại và hợp kim đều tăng theo nhiệt độ, riêng điện trở suất của cácbon và của dung dịch điện phân giảm theo nhiệt độ. Thông thường, điện trở suất ở nhiệt độ sử dụng t 2 được tính toán xuất phát từ 0 nhiệt độ t1(t1 thường là 20 C) theo công thức: = [ 1+ (t2 - t1)] (2.8) t2 t1 - là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ (1/oC). Qua nghiên cứu, người ta thấy: Các kim loại tinh khiết thì hệ số gần như giống nhau và được lấy bằng: = 4. 10-3 (1/oC) (2.9) Đối với khoảng chênh lệch nhiệt độ (t2 - t1) thì trung bình là: =t2 t1 (2.10) (t2 t1) t1 15
VẬT LIỆU ĐIỆN Bảng 2.1 đưa ra nhiệt độ nóng chảy, điện trở suất và hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ của một số kim loại hay dùng trong kỹ thuật điện. Bảng 2.1 Các đặc tính vật lý chủ yếu của kim loại (ở 200C) dùng trong kỹ thuệt điện Nhiệt độ nóng Điện trở suất ( ) ở Kim loại Hệ số (1/0C) chảy (0C) 200C (mm2/m) Vàng 1063 0,0220 - 0,0240 0,00350 - 0,00398 Bạc 961 0,0160 - 0,0165 0,00340 - 0,00429 Đồng 1083 0,0168 - 0,0182 0,00392 - 0,00445 Nhôm 657 0,0262 - 0,0400 0,00350 - 0,00398 Vônfram 3380 0,0530 - 0,0612 0,00400 - 0,00520 Kẽm 420 0,0535 - 0,0630 0,00350 - 0,00419 Niken 1455 0,0614 - 0,1380 0,00440 - 0,00692 Sắt 1535 0,0918 - 1,1500 0,00450 - 0,00657 Platin 1770 0,0866 - 0,1160 0,00247 - 0,00398 Thiếc 232 0,1130 - 0,1430 0,00420 - 0,00465 Chì 327 0,2050 - 0,2220 0,00380 - 0,00480 Thủy ngân -39 0,9520 - 0,9590 0,00090 - 0,00099 Ở gần nhiệt độ 0 0K (nhiệt độ tuyệt đối), điện trở suất của kim loại tinh khiết giảm đột ngột, chúng thể hiện tính siêu dẫn. Về phương diện lý thuyết, ở nhiệt độ 00K, kim loại có điện trở bằng 0. Khi bị chảy dẻo thì điện trở suất của kim loại tăng. Nhưng nếu tiến hành nung để cho nó kết tinh lại thì điện trở suất có thể giảm (giảm do tác dụng của sự biến dạng làm cho kết cấu của kim loại được chặt chẽ và do sự phá huỷ các màn oxit ). b. Ảnh hưởng của áp suất: Khi kéo hoặc nén (áp suất thay đổi) thì điện trở suất của vật dẫn biến đổi theo biểu thức: = 0. (1 k) (2-11) trong đó: 0: điện trở suất ban đầu của mẫu. 16
VẬT LIỆU ĐIỆN : ứng suất cơ khí của mẫu. k: hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất. dấu (+) tương ứng với biến dạng do kéo dấu (-) tương ứng với biến dạng do nén Sự thay đổi của khi kéo hoặc nén là do sự thay đổi biên độ dao động của mạng tinh thể kim loại: khi kéo thì tăng, khi nén thì giảm. c. Các yếu tố ảnh hưởng khác: - Tạp chất phi kim có trong kim loại cũng có thể làm tăng. - Thực nghiệm cho thấy điện trở suất còn chịu ảnh hưởng của trường từ và ảnh hưởng của ánh sáng. 2.2.4. Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt động Khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau thì giữa chúng có một hiệu điện thế gọi là hiệu điện thế tiếp xúc. Nguyên nhân phát sinh hiệu điện thế tiếp xúc là do công thoát của mỗi kim loại khác nhau do đó số điện tử tự do trong các kim loại (hoặc hợp kim) không bằng nhau. hình 2.1 A Theo thuyết điện tử, hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại A và B bằng mV KT noA U AB U B U A ln (2-12) e n0B B T2 Trong đó: UA và UB - điện thế tiếp T1 xúc của kim loại A và B Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo cặp nhiệt điện n0A và noB- mật độ điện từ trong kim loại A và B Hiệu điện thế tiếp xúc của các cặp kim loại dao động vài phần mười đến vài vôn, nếu nhiệt độ của cặp bằng nhau, tổng hiệu điện thế trong mạch kín bằng không. Nhưng khi một phần tử của cặp có nhiệt độ là T 1 còn cặp kia là T2 thì trong trường hợp này sẽ phát sinh sức nhiệt điện động(s.n.đ.đ) U = UAB + UBA KT1 noA KT2 n0B =U B U A ln U A U B ln (2-13) e n0B e n0 A Từ đó ta có: K noA U (T1 T2 )ln A(T1 T2 ) (2-14) e n0B 17
VẬT LIỆU ĐIỆN Biểu thức (2-14) chứng tỏ s.n.đ.đ là hàm số của hiệu nhiệt độ Sự xuất hiện hiệu điện thế tiếp xúc đóng vai trò quan trọng ở hiện tượng ăn mòn điện hóa và được úng dụng trong một số khí cụ đo lường, đặc biệt là ứng dụng để chế tạo các cặp nhiệt ngẫu dùng để đo nhiệt độ. Bảng thế điện hóa của các kim loại so với Hyđrô bảng 2.2 Bảng 2.2 Bảng thế điện hóa của các kim loại so với Hyđrô bảng 2.2 Kim loại Thế điện hóa Kim loại Thế điện hóa Vàng +1,500 Thiếc - 0,100 Bạc +0,081 Chì - 0,130 Đồng +0,345 Sắt - 0,440 Hyđrô +0,000 Kẽm - 0,760 Sức nhiệt điện động sinh ra của hai kim loại khác nhau khi tiêpa xúc được ứng dụng để chế tạo cặp nhiệt ngẫu. Gía trị của sức nhiệt điện động tiếp xúc: -7 EAB = 2,87.10 ..ln nA/nB (2-15) Trong đó: EAB sức nhiệt điện động tiếp xúc tác dụng giữa2 thanh kim loại A và B 3 nA và nB sô lượng điện tử tự do trong một đơn vị phân khối (1cm ) của 2 kim loại A và B  Nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xúc 2.2.5. Hệ số nhiệt độ dãn nở dài của vật dẫn kim loại Hệ số dãn nở nhiệt theo chiều dài của vật dẫn kim loại: 1 dl -1 l TK l (độ ) (2-14) lt dT Trong kỹ thuật cần phải chú ý đến hệ số l để tính toán hệ số nhiệt độ của vật dẫn: R = - l (2-15) Giữa các trị số của hệ số dãn nở dài theo nhiệt độ và nhiệt độ nóng chảy của kim loại có quan hệ với nhau theo tỷ lệ nhất định. Kim loại có giá trị l cao nóng chảy ở nhiệt độ thấp, còn lim loại có hệ số l nhỏ sẽ khó nóng chảy bảng 2.2 Bảng 2.3 18
VẬT LIỆU ĐIỆN Kim loại Khối lượng Nhiệt độ Hệ số nhiệt độ Hệ số nhiệt điện -1 riêng nóng chảy dãn nở dài trở suất dài độ , 3 0 6 -1 (g/cm ) C 1.10 , độ . Sắt 7,8 1535 11 0,006 Niken 8,9 1455 13 0,0065 Coban 8,7 1492 12,5 0,006 Chì 11,4 327 29 0,0037 Thiếc 7,3 232 23 0,0044 Kẽm 7,1 420 31 0.004 Cadmi 8,6 321 30 0,0042 2.2. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 2.2.1. Tầm quan trọng của kim loại của kim loại và hợp kim Đến ngày nay, loài người đã biết được trên một trăm nguyên tố hóa học, tất cả các nguyên tố được chia làm hai loại : kim loại và không kim loại trong dó kim loại chiếm tới 79 nguyên tố. Kim loại chứa nhiều nhất trong vỏ trái đất là nhôm 7% sau đó là sắt 5% Trong kỹ thuật điện kim loại và hợp kim của nó là chất liệu không thể thiếu, nó được sử dụng phổ biến để sản suất các thiết bị khí cụ điện. 2.2.2. Tính chất của kim loại của kim loại và hợp kim a. Tính chất lý học Tính chất lý học của kim loại và hợp kim là vẻ sángmặt ngoài, tính chảy loãng, tính dãn dài khi đốt nóng tính dẫn nhiệt, nhiệt dung độ dẫn điện, độ thấm từ ( tính nhiễm từ) - Vẻ sáng của kim loại: Theo vẻ sáng bề ngoài của kim loại có thể chia thành kim loại đen và kim loại màu. Kim loại đen là các hợp kim của sắt tức là gang và thép, còn kim loại màu là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại. Kim loại không trong suốt, ngay cả những tấm kim loại được cán dát rất mỏng cũng không để cho ánh sáng xuyên qua nó được, tuy vậy kim loại lại có độ phản chiếu ánh sáng ở mặt ngoài của nó, mỗi kim loại phản chiếu ánh sáng theo một màu sắc ánh sáng riêng mà ta quen gọi là màu của kim loại, thí dụ đồng có màu đỏ, thiếc màu trắng bạc, kẽm màu xám v.v Đôi khi trên mặt ngoài của thép có màu khác nhau như: vàng, xanh, tím những màu đó không phải là màu của thép, mà là màu của mặt ngoài thép bị phủ một lớp oxít, lớp này tạo 19
VẬT LIỆU ĐIỆN nên do nhiệt cắt gọt nhiệt, ở mỗi nhiệt độ khác nhau, lớp oxít này có màu sắc khác nhau. Chính nhờ sự biến màu của bề mặt ngoài của thépmà ta có thể phán đoán được nhiệt độ đốt nóng của thép khi nhiệt luyện hay rèn. - Tính nóng chảy: Kim loại có tính chảy loãng khi đốt nóng và đông đặc khi làm nguội. Nhiệt độ kim ứng với kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy. Điểm nóng chảy có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ đúc, vì khi đúc ta phải nấu chảy loãng kim loại ra để rót vào đầy khuôn, trong công nghệ điểm nóng chảy cũng có ý nghĩa quan trọng. Điểm nóng chảy của nhiều hợp kim lại khác điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên hợp kim đó. - Tính dẫn nhiệt: là tính chất truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hoặc làm lạnh, kim loại có tính chất dẫn nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, cũng như càng dễ nguội nhanh. Các vật có tính dẫn nhiệt kém muốn đốt nóng hoàn toàn phải mất nhiều thời gian và nếu làm nguội quá nhanh có thể gây nên nứt, vỡ. - Tính dãn nở nhiệt: Chỉ có một số kim loại có tính nhiễm từ, tức là nó bị từ hóa sau khi được đặt trong một từ trường. Sắt và hầu hết các hợp kim của sắt đều có tính nhiễm từ. Niken và Côban cũng có tính nhiễm từ và được gọi là chất sắt từ. Còn hầu hết các kim loại khác không có tính nhiễm từ. b. Tính chất hóa học Tính chất hóa học biểu thị khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác dụng hóa học và các môi trường có hoạt tính khác nhau. Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu thị ở hai dạng: - Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay oxy của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao. - Tính chịu axít: là khả năng chống lại tác dụng của môi trường axít c. Tính chất cơ học k Thông thường đặc tính cơ được đặc trưng bằng giới hạn bền kéo và độ giãn nở dài tương đối khi đứt l/l. Trên hình 2.2 trình bày hai đường cong 1 của dây dẫn làm bằng vật dẫn bị kéo: đường1 ứng với dây sản xuất bằng cách kéo nguội, đường2 2 l/l ứng với dây đã được ủ, ảnh hưởng của việc ủ dây Hình2.2. Quan hệ giữa ứng làm giảm giới hạn bền kéo 1,5  2 lần và tăng suất cơ khí kéo dây dẫn với độ giãn nở dài tương dối độ giãn dài tương đối khi đứt lên 15  20 lần 20
VẬT LIỆU ĐIỆN 2.3. NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.3.1. Những hư hỏng thường gặp Trong vật liệu dẫn điện thường gặp những hiện tượng hư hỏng sau: - Tính dẫn điện của chúng giảm đi đáng kể sau thời giam là việc lâu dài - Hay bị gãy hoặc bị biến dạng do chịu tác dụng của lực cơ khí, lực điện động và nhiệt độ cao gây ra - Bị ăn mòn hóa học do tác dụng của môi trường hoặc của các dung môi 2.3.2. Cách chọn vật liệu dẫn điện Chọn vật liệu dẫn điện phải đảm bảo được các yếu cầu về tính chất lý hóa, phỉ phù hợp cho việc sử dụng vật liệu, thông thường phải đảm bảo được các yêu cầu sau: - Độ dẫn điện phải tốt - Có sức bền cơ khí, đảm bảo được điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt - Có khả năng kết hợp được với các kim loại khác thành hợp kim - Phải đảm bảo được tính chất lý học như: tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở nhiệt - Đảm bảo được tính chất hóa học: tính chống ăn mòn do tác dụng của môi trường và các dung môi gây ra. - Đảm bảo được tính chất cơ học 2.4. MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN THÔNG DỤNG Kim loại có điện trở suất nhỏ (hay điện dẫn suất  lớn) là vật dẫn điện tốt. Đồng, nhôm, sắt, kẽm, vàng, bạc và hợp kim của chúng là những chất dẫn điện tốt. 2.4.1. Đồng và hợp kim của đồng 1. Đồng (Cu) Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất trong tất cả các vật liệu dẫn điện dùng trong kỹ thuật điện vì nó có những ưu điểm nổi trội so với các vật liệu dẫn điện khác - Đặc tính chung: - Là kim loại có màu đỏ nhạt sáng rực - Điện trở suất Cu nhỏ (chỉ lớn hơn so với bạc Ag nhưng do bạc đắt tiền hơn nên ít được dùng so với đồng). 21
VẬT LIỆU ĐIỆN - Có sức bền cơ giới đủ lớn. - Trong đa số trường hợp có thể chịu được tác dụng ăn mòn (có sức đề kháng tốt đối với sự ăn mòn). - Dễ gia công: cán mỏng thành lá, kéo thành sợi. - Dễ uốn, dễ hàn. - Có khả năng tạo thành hợp kim tốt. - Là kim loại hiếm chỉ chiếm khoảng 0,01% trong lòng đất Đồng dùng trong kỹ thuật điện phải được tinh luyện bằng điện phân, tạp chất lẫn trong đồng dù một lượng rất nhỏ thì tính dẫn điện của nó cũng giảm đi đáng kể. Qua nghiên cứu, người ta thấy rằng: nếu trong đồng có 0,5% Zn, Ni hay Al thì điện dẫn suất của nó ( Cu) giảm đi 25%  40% và nếu trong đồng có 0,5% Ba, As, P, Si thì có thể giảm đến 55%. Vì vậy để làm vật dẫn, thường chỉ dùng đồng điện phân chứa trên 99,9% Cu. - Điện trở suất và các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất Đồng được tiêu chuẩn hóa trên thị trường quốc tế ở 200C có: - = 1,7241.10-6(.cm) -  = 0,58.106 (1/.cm) - = 0,00393 (1/0C) Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất - ảnh hưởng của các tạp chất - ảnh hưởng của gia công cơ khí - ảnh hưởng của quá trình sử lý nhiệt Nhìn chung các ảnh hưởng trên đều giảm điện dẫn suất của đồng. -Phân loại: - Đồng khi kéo nguội được gọi là đồng cứng: nó có sức bền cao, độ giãn dài nhỏ, rắn và đàn hồi (khi uốn). - Đồng được nung nóng rồi để nguội gọi là đồng mềm: nó ít rắn hơn đồng cứng, sức bền cơ giới kém, độ giãn khi đứt rất lớn và có điện dẫn suất  cao. - Đồng được sử dụng trong công nghiệp là loại đồng tinh chế, nó được phân loại trên cơ sở các tạp chất có trong đồng tức là mức độ tinh khiết, bảng 2.4 Bảng 2.4 22
VẬT LIỆU ĐIỆN Ký hiệu CuE Cu9 Cu5 Cu0 Cu% 99,95 99,90 99,50 99,00 Trong kỹ thuật người ta sử dụng đồng điện phân CuE và Cu9 để làm dây dẫn điện. - Tính chất cơ học và các yếu tố ảnh hưởng: - ảnh hưởng của chất thêm vào : Các kim loại thêm vào : Al, Zn, Ni, sẽ làm tăng sức bền cơ khí. Do đó người ta sử dụng nhiều hợp kim của đồng. - ảnh hưởng của gia công cơ khí: 2 +/ ở trạng thái ủ nhiệt ( mềm) độ bền đứt khi kéo: k = 22kG/cm 2 +/ Khi kéo thành sợi (nguội ): k = 45kG/cm Vì vậy, để dễ dàng khi sử dụng nên gia nhiệt vật liệu đồng Lưư ý: Vì sức bền cơ khí của đồng giảm khi nhiệt độ 770C từ 45kG/cm2 xuống 35kG/cm2 sau khoảng thời gian là 80 ngày, nên những quy định về phương diện kỹ thuật phải làm sao cho giới hạn nung nóng bình thường của dây dẫn trần sao cho nhiệt độ của chúng không vượt quá 700C. - Các đặc tính hóa học và sự đề kháng đối với sự ăn mòn: - ở nhiệt độ thường , đồng là vật liệu có sức đề kháng tốt với sự ăn mòn ( do Đồng có điện hóa lớn +0,340 so với H là +0,000) - Đồng có khả năng đè kháng tốt với tác động của nước và những khi thời tiết xấu và có tạo thành lớp ôxit đồng có tác dụng bảo vệ. - Ứng dụng: - Đồng cứng được dùng ở những nơi cần sức bền cơ giới cao, chịu được mài mòn như làm cổ góp điện, các thanh dẫn ở tủ phân phối, các thanh cái các trạm biến áp, các lưỡi dao chính của cầu dao, các tiếp điểm của thiết bị bảo vệ - Đồng mềm được dùng ở những nơi cần độ uốn lớn và sức bền cơ giới cao như: ruột dẫn điện cáp, thanh góp điện áp cao, dây dẫn điện, dây quấn trong các máy điện. Bảng2.5 Các tính chất vật lý hóa học chính của đồng điện phân Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu Trọng lượng riêng Kg/dm3 8,90 Điện trở suất ở nhiệt độ 200C mm2/m - Dây mềm - 0,01748 - Dây cứng - 0,01786 - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt 1/0C 0,00393 độ ( ở 00 C- 1500C ) W/cm.grd 3,92 - Nhiệt dẫn suất 0,938 23
VẬT LIỆU ĐIỆN - Nhiệt độ nóng chảy Calo/cm.s.grd 0C 1083 - Nhiệt lượng riêng trung bình ở 250C 0C 0,0918 - Điểm sôi ở 760mm cột thủy ngân Kcal/kg.grd 2325 - Hệ số giãn nở dài trung bình ở 200C 0C 16,42.10-6 - Nhiệt độ kết tinh lại 1/độ ( grd) 200 - Modun đàn hồi, E 0C 13000 - Sức bền đứt khi kéo kG/mm2 - Dây mềm kG/mm2 21 - Dây cứng 45 Thế điện hóa so với H +0,34 V 2. Hợp kim của đồng Hợp kim trong đó vật liệu đồng là thành phần cơ bản, có đặc điểm là sức bền cơ khí lớn, độ cứng cao, có độ dai tốt, màu đẹp và có tính chất dễ nóng chảy. Hợp kim của đồng có thể đúc thành các dạng bình phức tạp; người ta dễ dàng gia công trên máy công cụ và cỏ thể phủ lên bề mặt của các kim loại khác theo phương pháp mạ điện. Những hợp kim chính của đồng được sử dụng trong kỹ thuật điện là: Đồng thanh, đồng thau, các hợp kim dùng làm điện trở. Ngoài việc dùng đồng tinh khiết để làm vật dẫn, người ta còn dùng các hợp kim của đồng với các chất khác như: thiếc, silic, phốtpho, bêrili, crôm, mangan, cadmi , trong đó đồng chiếm vị trí cơ bản, còn các chất khác có hàm lượng thấp. Căn cứ vào lượng và thành phần các chất chứa trong đồng, người ta chia hợp kim của đồng thành các dạng chủ yếu như sau: - Đồng thanh (đồng đỏ): Đồng thanh là một hợp kim của đồng, có thêm một số kim loại khác để tăng cường độ cứng, sức bền và dễ nóng chảy. Tuỳ theo các vật liệu thêm vào, người ta phân biệt: o Đồng thanh với thiếc. o Đồng thanh với thiếc và kẽm. o Đồng thanh với nhôm. o Đồng thanh với Bêrili. Đồng thanh được dùng để chế tạo các chi tiết dẫn điện trong các máy điện và khí cụ điện; để gia công các chi tiết nối và giữ dây dẫn, các ốc vít, đai cho hệ thống nối đất, cổ góp điện, các giá đỡ và giữ, 24
VẬT LIỆU ĐIỆN Bảng2 . Tính chất vật lý của đồng thanh Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu -Trọng lượng riêng Kg/dm3 7,2- 8,9 -Điện trở suất ở nhiệt độ 200C cm.10-6 1,92-11,1 -Điện dẫn suất -1cm-1.106 0,52-0,09 - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt - độ 1/0C 0,004 - Nhiệt dẫn suất W/cm.grd 0,54- 0,43 - Nhiệt độ nóng chảy bình thường 0C 900-1200 - Nhiệt lượng riêng trung bình ở 250C Kcal/kg.grd 0,10 - Hệ số giãn nở dài trung bình 0-1000C 1/độ ( grd) 16,6.10-6 - Nhiệt độ xử lý nhiệt ( ủ) 0C 630-750 - Modun đàn hồi, E kG/mm2 9000-13000 - Sức bền đứt khi kéo kG/mm2 50 - 85 - Độ dãn dài riêng khi kéo đứt % 3-30 Bảng2 . Các đặc tính cơ của đồng thanh- Nhôm đựoc sử dụng trong kỹ thuật điện Ký hiệu Mức độ cứng Sức bền khi Đỗ dẫn dài Độ cứng Trọng lương 2 Kéo:Kg/mm tương đối Brinell HB riêng (tối thiểu) Khi đứt % (tối thiểu) Kg/cm2 (tối thiểu) BzAl5 - Mềm 35-45 30 70 8,2 - ½ cứng 42-45 15 110 8,2 - Cứng 50-63 8 140 7,6 - Đồng thau: Đồng thau là một hợp kim đồng với kẽm, trong đó kẽm không vượt quá 46%. Ở nhiệt độ cao, sức bền của đồng thau đối với sự ăn mòn do oxyt hóa sẽ giảm. Tốc độ oxyt hóa của đồng thau càng nhỏ (so với đồng tinh khiết) khi tỷ lệ phần trăm của kẽm càng lớn. Nếu tỷ lệ phần trăm của kẽm lớn hơn 25%, thì lớp bảo vệ của oxyt kẽm tạo nên trên bề mặt của vật liệu càng nhanh khi nhiệt độ càng lớn. Còn nếu tỷ lệ phần trăm của kẽm nhỏ thì trên bề mặt của vật liệu sẽ tạo một lớp màu hơi đen giàu oxyt đồng. Tính chất này của đồng thau với tỷ lệ lớn hơn 25% kẽm tạo thành một lớp bảo vệ ở 300 0C và đôi khi được sử dụng 25
VẬT LIỆU ĐIỆN để bảo vệ các chi tiết chống lại sự ăn mòn của không khí có Amôniac nếu không sử dụng một phương pháp bảo vệ nào khác. Để tăng sức đề kháng đối với sự ăn mòn điện hoá, người ta thường tẩm thiếc hay tráng kẽm khi đồng thau còn nóng Đồng thau được dùng trong kỹ thuật điện để gia công các chi tiết dẫn dòng như ổ cắm điện, các phích cắm, đui đèn, các đầu nối đến hệ thống tiếp đất, các ốc, vít 2.4.2. Nhôm và hợp kim của nhôm 1. Nhôm (Al) - Đặc tính chung: Sau đồng, nhôm là vật liệu dẫn điện quan trọng thứ hai được sử dụng trong kỹ thuật điện Là kim loại màu trắng bạc, rất mềm, rất ít đề kháng khi va chạm và xây xát, có trọng lượng riêng nhỏ ( nhẹ). Chiếm 7,5% trong vỏ trái đất ( nhiều nhất trong các kim loại) - Có điện dẫn suất và nhiệt dẫn cao, chỉ sau Ag và Cu - Gia công dễ dàng khi nóng và khi nguội - Có sức bền đối với sự ăn mòn do có lớp oxit rất mỏng tạo ra khi tiếp xúc với không khí. - Sức bền cơ khí tương đối bé - Lớp oxit có điện dẫn lớn nên khi khó khăn cho việc tiếp xúc Bảng2 . Các hằng số vật lý hóa học chính của dây dẫn nhôm( 99,5%Al) Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu -Trọng lượng riêng ở 200C Kg/dm3 2,7 -Điện trở suất ở nhiệt độ 200C cm.10-6 2,94 -Điện dẫn suất ở 200C -1cm-1.106 0,34 - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt - độ ở 200C 1/0C 0,004 - Nhiệt dẫn suất W/cm.grd 2,1 - Nhiệt độ nóng chảy bình thường 0C 93 - Nhiệt lượng riêng trung bình ở 250C Kcal/kg.grd 0,2259 - Điểm sôi ở 760mm cột thủy ngân 0C 2270 - Hệ số giãn nở dài trung bình 20-1000C 1/độ ( grd) 23,81.10-6 - Nhiệt độ xử lý nhiệt ( ủ) 0C 630-750 26
VẬT LIỆU ĐIỆN - Modun đàn hồi, E kG/mm2 9000-13000 - Sức bền đứt khi kéo kG/mm2 50 - 85 - Độ dãn dài riêng khi kéo đứt % 3-30 - Điện trở suất và các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất Điện trở suất của nhôm ở 20 0C là 2,941.10-6(.cm). Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ = 0,004- 0,0049 (1/ 0C) tùy thuộc vào mức độ tinh khiết, điện dẫn suất  = 0,34.106 (1/.cm) So sánh với đồng, nhôm có tính chất cơ và điện ít thuận lợi hơn. Trọng lượng nhẹ (trọng lượng Al nhỏ hơn Cu 3,5 lần), tính dẻo cao. So với đồng, nhôm kém hơn về các mặt điện và cơ. Với dây dẫn có cùng tiết diện và độ dài thì dây bằng nhôm có điện trở lớn hơn đồng khoảng 0,0295/0,0175 = 1,68 lần. Do đó nếu có hai dây dẫn bằng nhôm và đồng có điện trở như nhau thì dây nhôm phải có tiết diện lớn hơn 1,669 lần so với dây đồng (hay đường kính của dây nhôm lớn hơn do với dây đồng là 1,68 = 1,3 lần). Vì vậy, nếu bị ràng buộc bởi kích thước thì không thể thay đồng bằng nhôm được. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất - ảnh hưởng của các tạp chất - ảnh hưởng của gia công cơ khí - ảnh hưởng của quá trình sử lý nhiệt Nhìn chung các ảnh hưởng trên đều làm tăng điện trở suất và thay đổi hệ số của nhôm. Bảng2 . ảnh hưởng phụ của sắt và Silic đối với điện trở suất của nhôm Nhôm đã được Các chất thêm vào, % Điện trở Hệ số thay đổi xử lý (ủ nhiệt) Fe Si suất ở 200C điện trở suất theo nhiệt độ ở 200C -Nhôm tinh 0,0005 0,0023 2,63 4,33.10-6 khiết 0,34 0,1 2,767 4,10.10-6 - Al 99,5% 0,56 0,32 2,78 4,13.10-6 - AL 99,0% 0,96 0,41 2,835 4,10.10-6 - Al 98,5% 27
VẬT LIỆU ĐIỆN -Phân loại: Nhôm dùng trong công nghiệp được phân loại trên cơ sở tỷ lệ phần trăm của kim loại tinh khiết và tạp chất. Nhôm được sử dụng làm dây dẫn điện trong kỹ thuật điện thường phải đảm bảo tinh khiết, tối thiểu 99,5% Al, các tạp chất khác như sắt, silic tối đa là 0,45%, đồng và kẽm tối đa là 0,05%. Ở nhiệt độ thường, khi để trong không khí, nhôm sẽ được bọc một lớp mỏng, chắc nịt oxit, lớp này có điện trở lớn và nó ngăn ngừa việc oxyt hóa tiếp tục, do vậy nó đảm bảo là một lớp bảo vệ tốt đối với sự ăn mòn, ngay cả trong điều kiện môi trường khí hậu ẩm ướt và hay thay đổi. Song trong trường hợp tồn tại các khí khác trong khí quyển như CO 2, NH3, SO2 và độ ẩm lớn có thể phát sinh ăn mòn điện hóa. Hiện tượng ăn mòn điện hóa có thể xảy ra ở mối tiếp xúc giữa kim loại cơ bản và tuỳ theo tình hình cụ thể, có thể dẫn đến sự liên hệ từng phần tử nhỏ của chúng. Trong sự tồn tại của độ ẩm và các tạp chất có trong không khí sẽ tạo lên hàng loạt những phần tử điện Ganvanic bé nhỏ dẫn đến sự ăn mòn dây dẫn. Những liên hệ ấy có thể làm mất tính tinh khiết của nhôm và do đó dễ dàng tạo nên sự ăn mòn nhanh, đặc biệt ở những vị trí tiếp xúc trong quá trình lắp đặt điện. Thông qua các thí nghiệm thực hiện trên bờ biển trong không khí với gió mạnh, bụi cát và không khí ẩm của biển, đối với dây dẫn nhôm có độ tinh khiết khác nhau, người ta thấy rằng: nhôm với độ tinh khiết 99,5% được gia công và lắp ráp dù cho sự chăm sóc cẩn thận nó vẫn bị ăn mòn nhiều hơn đồng. Đặc biệt trong kỹ thuật điện hay phải nối điện đồng với nhôm. Nếu chỗ tiếp xúc bị ẩm thì ở đấy sẽ có một sức điện động có chiều đi từ nhôm sang đồng, do đó phần nhôm ở chỗ tiếp xúc bị ăn mòn rất nhanh. Vì vậy chỗ tiếp xúc giữa nhôm và đồng cần được chú ý bảo vệ chống ẩm (ví dụ như quét sơn). Nhôm được sử dụng trong công nghiệp được phân loại trên cơ sở tỷ lệ % của kim loại tính khiết và tạp chất, bảng 2.5 Bảng 2.6 Ký hiệu AB1 AB2 A-00 A-0 A-1 A-2 A-3 Nhôm% 99,90 99,85 99,70 99,60 99,50 99,00 98,00 28
VẬT LIỆU ĐIỆN Theo tiêu chuẩn nước ngoài thi nhôm được sử dụng trong kỹ thuật để làm dây dẫn điện phải có độ tinh khiết > 99,5% - Tính chất cơ học và các yếu tố ảnh hưởng: + ảnh hưởng của những chất thêm vào: các kim loại thêm vào : Fe, Zn, Si, Mg sẽ làm tăng sức bền cơ khí + ảnh hưởng của gia công cơ khí: khi gia công cơ khí tính chất cơ của 2 nhôm phụ thuộc vào tạp chất: Nhôm tinh khiết thì  k = 6kG/cm , khi có tạp 2 chất 0,5% thì k = 11kG/cm - Các đặc tính hóa học và sự đề kháng đối với sự ăn mòn: Nhôm tác dụng mạnh với oxi, trong không khí ngay ở nhiệt độ thường nhôm được bọc một lớp mỏng, chắc nịch oxit. Lớp này có điện trở cao và nó nagưn cản việc oxi hóa tiếp tục. Do vậy nó đảm bảo sẽ có một lớp bảo vệ tốt đối với sự ăn mòn ngay cả trong điều kiện môi trường khí hậu ẩm uớt Song trong trường hợp có tồn tại trong khí quyển các loại khí như CO2 , NH3 , S02 . Và độ ẩm ướt lớn có thể phát sinh ăn mòn điện hóa, vì nhôm có thế điện hóa gần như ít nhất so với H (-1,34) và sự tiếp xúc với các kim loại khác có điện hóa lớn hơn thì sẽ nguy hại đối với nhôm, ví dụ như Cu ( +0,34), trong trường hợp này sẽ phát sinh dòng điện từ nhôm về đồng làm cho nhôm bị hư hại nặng. + - Trong không khí có hơi nước, nên có các ion H , OH , HCO3 , nên đồng và nhôm và dung dịch điện tạo thành 1 pin cực dương là Cu cực âm là Al, Cực Al bị mòn dần vì Al +3 chạy vào dung dịch do lực hóa học của các phân tử nước. Các điện tử thừa trong nhôm sẽ chạy sang cực đồng và khử điện thế của các ion H +, trong dung dịch các ion Al+3 kết hợp OH - tạo thành Al(OH)3 , +3 + +3 - 2Al – 6e = 2Al , 4H +6e = 3H2 , 2Al + 6OH = 2 Al(OH)3 Vì thế nhôm bị ăn nòn khá mạnh - Ứng dụng: Trong kỹ thuật điện, nhôm được sử dụng phổ biến để chế tạo: o Dây dẫn điện đi trên không để truyền tải điện năng. o Ruột cáp điện. o Các thanh ghép và chi tiết cho trang thiết bị điện. o Dây quấn trong các máy điện. o Các lá nhôm để làm tụ điện, lõi dẫn từ máy biến áp, các rôto của động cơ điện, 29
VẬT LIỆU ĐIỆN 2. Hợp kim của nhôm: Nhôm có nhiều hợp kim dùng để đúc và để kéo dây dẫn điện. Các hợp kim chính của nhôm dùng để đúc có thể là những loại sau: Al-Zn-Cu, Al-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Si, Al-Si-Cu, Al-Si-Mg, Al-Mg, Al-Mg-Mn. Một hợp kim được dùng phổ biến để chế tạo dây dẫn là hợp kim "aldrey". Chúng là hợp kim của nhôm với (0,30,5)%Mg, (0,40,7)% Si, (0,20,3)% Fe. Tổ hợp làm cho hợp kim có tính chất cơ khí tốt. Dây dẫn bằng hợp kim loại "aldrey" nhận được thông qua việc tôi hợp kim (nung nóng đến 5006000C), kéo nó thành sợi ở kích thước mong muốn và làm già hóa nhân tạo bằng nung nóng 1502000C. Sức bền của dây dẫn "aldrey" lớn gấp khoảng 2 lần so với dây dẫn Al tinh khiết. Vì vậy, khi dùng dây dẫn "aldrey" có thể tăng khoảng cách giữa các cột của đường dây trên không, giảm chi phí xây dựng đáng kể. 2.4.3. Chì và hợp kim của chì Chì được tinh luyện từ các mỏ có trong tự nhiên như: Galen (PbS), Xezurit (PbCO3), Anglezit (PbSO4) Có thể thu được chì ở mức độ tinh khiết (9299,94%). Chì là kim loại có màu tro sáng, rất mềm, có thể uốn cong, dát mỏng dễ dàng hoặc cắt bằng dao cắt công nghiệp, nhiệt độ nóng chảy thấp. Chì có điện trở suất cao = 0,21 mm 2/m và nhiệt dẫn suất nhỏ. Nó là vật liệu bảo vệ tốt nhất đối với sự xuyên thủng của tia X (tia Rơntgen). Một lớp chì dày 1mm ở 200300kV có tác dụng bảo vệ như một lớp thép dày 11,5mm hay một lớp gạch có chiều dày 110mm. Chì và hợp kim của nó được dùng để làm lớp vỏ bảo vệ ở cáp điện nhằm chống lại ẩm ướt. Chì còn được dùng để chế tạo các bản cực của acquy, dùng để làm dây chảy bảo vệ các đường dây dẫn điện và các thiết bị điện. Chì được tinh luyện từ các mỏ có trong tự nhiên như: Galen (PbS), Xezurit (PbCO3), Anglezit (PbSO4) Có thể thu được chì ở mức độ tinh khiết (9299,94%). Chì là kim loại có màu tro sáng, rất mềm, có thể uốn cong, dát mỏng dễ dàng hoặc cắt bằng dao cắt công nghiệp, nhiệt độ nóng chảy thấp. 30
VẬT LIỆU ĐIỆN Chì có điện trở suất cao = 0,21 mm 2/m và nhiệt dẫn suất nhỏ. Nó là vật liệu bảo vệ tốt nhất đối với sự xuyên thủng của tia X (tia Rơntgen). Một lớp chì dày 1mm ở 200300kV có tác dụng bảo vệ như một lớp thép dày 11,5mm hay một lớp gạch có chiều dày 110mm. Chì và hợp kim của nó được dùng để làm lớp vỏ bảo vệ ở cáp điện nhằm chống lại ẩm ướt. Chì còn được dùng để chế tạo các bản cực của acquy, dùng để làm dây chảy bảo vệ các đường dây dẫn điện và các thiết bị điện. Bảng2 . Các hằng số vật lý hóa học chính của Chì Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu -Trọng lượng riêng ở 200C Kg/dm3 11.34 -Điện trở suất ở nhiệt độ 200C cm.10-6 20,8 -Điện dẫn suất ở 200C -1cm-1.106 0,048 - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt - độ ở 200C 1/0C 0,00428 - Nhiệt dẫn suất W/cm.grd 0,35 - Nhiệt độ nóng chảy bình thường 0C 327,3 - Nhiệt lượng riêng trung bình ở 250C Kcal/kg.grd 0,00309 - Điểm sôi ở 760mm cột thủy ngân 0C 1740 - Hệ số giãn nở dài trung bình 20-1000C 1/độ ( grd) 29,3.10-6 - Modun đàn hồi, E kG/mm2 1700 - Sức bền đứt khi kéo kG/mm2 1,5 - Thế điện hóa so với H V - 0,13 2.4.4. Sắt và hợp kim của sắt . Trong vỏ quả đất, sắt là kim loại có nhiều thứ hai, sau Al (khoảng 5%). Sắt được sản xuất tương đối dễ dàng nên giá thành hạ so với các kim loại khác. Trên cơ sở tỷ lệ Cacbon chứa trong sắt mà người ta phân thành: - Gang: là sắt chứa tỷ lệ (1,7  4,5)% C - Thép: là sắt chứa tỷ lệ (0,5  1,7)% C - Sắt rèn: là sắt chứa tỷ lệ dưới 0,5% C 31
VẬT LIỆU ĐIỆN Sắt tinh khiết (99,7  99,9)% Fe trong kỹ thuật thực tế rất ít được sử dụng. Bảng2 . Các hằng số vật lý hóa học chính của sắt tinh khiết Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu -Trọng lượng riêng ở 200C Kg/dm3 7,86 -Điện trở suất ở nhiệt độ 200C cm.10-6 10 -Điện dẫn suất ở 200C -1cm-1.106 0,10 - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt - độ ở 0-1000C 1/0C 0,00657 - Nhiệt dẫn suất W/cm.grd 0,75 - Nhiệt độ nóng chảy bình thường 0C 1535 - Nhiệt lượng riêng trung bình ở 20-1000C Kcal/kg.grd 0,111 - Điểm sôi ở 760mm cột thủy ngân 0C 2740 - Hệ số giãn nở dài trung bình 20-1000C 1/độ ( grd) 12,3.10-6 - Độ dãn dài riêng khi đứt % 50 - Modun đàn hồi, E kG/mm2 21070 - Sức bền đứt khi kéo kG/mm2 22 - Thê điện hóa so với H V 0,44 . Thép được dùng làm vật dẫn thường dùng loại thép có hàm lượng Cacbon (0,10  0,19)%C, có giới hạn chịu kéo (70  75)kg/mm 2, độ giãn khi đứt (5  8)%, điện trở suất lớn hơn đồng (6  7) lần. Nhược điểm của thép là dễ bị ăn mòn thông qua hiện tượng rỉ ngay ở nhiệt độ bình thường và đặc biệt là rỉ rất nhanh ở nhiệt độ cao và ở môi trường ẩm ướt. Để khắc phục hiện tượng này, bề mặt tiếp xúc của sắt thường được phủ một lớp vật liệu ổn định hơn như Cadmi, Zn, Mặc dù vậy, nó cũng có một số ưu điểm nổi trội so với các kim loại khác nên được sử dụng phổ biến làm vật dẫn: . Thép có sức bền cơ khí lớn gấp 2  2,5 lần so với đồng và do đó dây dẫn thép có thể dùng ở những khoảng cột lớn, những tuyến vượt sông rộng (có thể sử dụng với khoảng cột từ 1500  1900m). . Sự phong phú của thép trong quặng thiên nhiên và giá thành hạ tạo cho dây dẫn hoặc thanh dẫn điện bằng thép có giá thấp hơn nhiều so với bằng đồng hoặc nhôm. 32
VẬT LIỆU ĐIỆN . Đối với đường dây dẫn truyền tải điện năng, người ta sử dụng dây dẫn bằng thép nhiều sợi hoặc bện thành chão hoặc sử dụng chão thép-nhôm, với thép được tráng kẽm được đặt ở giữa. Để dùng thép làm thanh dẫn thường là thép cacbon dát mỏng khi nóng (C = 0,74%, Mn = 0,71%, S = 0,002%, Si = 0,25%, P = 0,03%) có điện trở suất = 0,135  mm2/m. Thép hay được dùng làm dây dẫn, thanh dẫn để bảo vệ quá điện áp (chống sét) và các trang thiết bị bảo vệ nối đất. Ngoài ra, thép còn được dùng để chế tạo các điện trở phát nóng với nhiệt độ thích ứng 3005000C 2.4.5. Kẽm 2.4.5.1. Sản xuất và chế tạo Kẽm được thấy trong tự nhiên dưới dạng hợp chất ZnS , các bonnat kẽm (ZnCO3), Silicat( Zn2SiO4), oxýt ZnO v.v Các phương pháp lấy kẽm từ hợp chất là : - Phương pháp láy kẽm bằng cách làm khô thông qua sự sàn lọc bằng lưới ở nhiệt độ 850- 900 0C và làm giảm oxýt nhờ sự giúp đỡ của cacbon ở 1300- 15000C trong phònh đóng kín để ngăn cản oxýt hóa. Sau đó kẽm thô đựợc tinh chế theo phương pháp khô trong ló có ngọn lửa hoặc theo phương pháp điện phân dung dịch sulfat ZnSO4 . Chúng ta sẽ thu được kẽm với độ tinh khiết 99.9% - Phương pháp lấy kẽm thông qua điện phân từ mỏ calci và có sunfat chịu điện phân như ZnSO4 trong bình bằng gỗ bọc chì. Theo tiêu chuẩn một số nước kẽm được phân loại tùy theo đặc tính của kẽm, mức độ tạp chất vv và có những loại sau: loại phẩm chất L, loại phẩm chất O, và loại phẩm chất Z sự cấu thành của những loại kẽm các thành phẩm trên được giới thiệu bảng 2.7 Bảng2 . Sự cấu thành của kẽm luyện kim Phẩm Ký Zn% Hàm lượng tạp chất %(max) chất hiệu (min) Pb Cd Fe As Sb Cu Sn Tạp chất khác L ZnL 98,6 1,50 0,1 0,04 0,005 0,015 0,005 0,002 Còn lại O ZnO 98,6 1,25 0,2 0,04 0,005 0,015 0,05 0,002 Còn lại Z ZnZ 97,5 2,00 0,2 0,10 0,010 0,015 0,05 0,05 Còn lại 33
VẬT LIỆU ĐIỆN Giữa các tạp chất trên, thì Pb tạo cho kẽm dễ dát dát, còn sắt Fe làm cho kẽm dễ vỡ ( dòn), kẽm luyện kim đựợc đúc thành các khối có trọng lượng 20 2kg. Kẽm được dùng trong kỹ thuật điện cho các phần tử galvanic, phải có tỉ lệ phần trăm tối đa 1%Pb và 0,02%Fe 2.4.5.2. Hằng số vật lý và hóa Hằng số vật lý cho trong bảng 2.8 Bảng2 . Hằng số vật lý và hóa học chính của kẽm Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu -Trọng lượng riêng ở 200C Kg/dm3 7,14 -Điện trở suất ở nhiệt độ 200C cm.10-6 5,92 -Điện dẫn suất ở 200C -1cm-1.106 0,17 - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt - độ ở 200C 1/0C 0,00419 - Nhiệt dẫn suất ở 200C W/cm.grd 1,128 - Nhiệt độ nóng chảy bình thường 0C 419,5 - Nhiệt lượng riêng trung bình ở 250C Kcal/kg.grd 0,0946 - Điểm sôi ở 760mm cột thủy ngân 0C 907 - Hệ số giãn nở dài trung bình 20-1000C 1/độ ( grd) 39,5.10-6 - Nhiệt độ xử lý nhiệt ( ủ) 0C 630-750 - Modun đàn hồi, E kG/mm2 13000 - Sức bền đứt khi kéo kG/mm2 11,2 – 13,3 - Độ dãn dài riêng khi kéo đứt % 35-45 - Thế điện hóa so với H V - 0,76 2.4.5.2. Đặc tính Kẽm là kim loại có màu tro xám hơi ngả màu trắng. Nó có tính chiếu sáng và sau một thời gian nó trở nên màu mờ đục do vì tác dụng của không khí, không khí dễ tạo cho kẽm một lớp oxít bảo vệ, sau đó lớp này chuyển thành kiềm cácbonnat, chính lớp này bảo vệ cho kẽm không bị ăn mòn. Kẽm có cấu trúc tinh thể, ở nhiệt độ bình thường ít chịu dát mỏng, song nếu nung nóng ở 100 - 1500C thì tính dát mỏng tăng lên, và do vậy người ta có thể dát mỏng, rèn và kéo thành sợi. ở nhiệt độ 200 – 250 0C thì kẽm trở nên dòn vì vậy có thể đập vỡ thành bột. ở trạng thái lỏng, nó chảy dễ dàng và có thể rtót đầy vào khuôn dễ ràng. Nó dễ bị tác dụng của axít và chất kiềm với những chất đó nó tạo 34
VẬT LIỆU ĐIỆN thành tổ hợp chất độc. Các đặc tính của kẽm dùng làm dây dẫn so với kim loại khác được giới thiệu bảng 2 Bảng2 . Tính chất của kẽm và magiê dùng làm dây dẫn so sánh với đồng và nhôm Vật liệu Trọng Điện dẫn Sức bền Độ Quan hệ ở đồng tương đương lượng suất đứt khi dẫn Đường kính Trọng lượng dây riêng m/mm2 kéo dài dây dẫn. dẫn trọng lượng Kg/dm3 Kg/mm2 % Đường kính đồng đồng - Đồng mềm 8,9 56 26 45 1 1 - Nhôm 2,7 36 8 20 1,25 0,47 - Magiê 99,7% 1,7 21,7 20 10 1,6 0,44 - Kẽm 99,9% 7,1 16,2 20 30 1,83 2,67 - Kẽm với 0,13% Fe 7,1 15,5-15,8 18 40-43 1,89 2,86 - Kẽm với 6,4%Al và 6,8 16,8 24,6 47,9 1,82 2.54 0,21% Cu Từ bảng 2 chúng ta có nhận xét là: Dây dẫn bằng kẽm, ở nhiệt độ bình thường, tính chất cơ khí có thể so sánh với tính chất cơ khí của đồng mềm. Khi tăng nhiệt độ, sức bền khi kéo của kễm sẽ giảm rất nhiều (ở 100 0C giảm đến 60- 70% trong khi đó, sức bền khi kép của đồng ở cùng nhiệt độ sẽ chỉ giảm đến 9%, còn nhôm chỉ giảm 10% 2.4.5.3. ứng dụng Những ứng dụng chính của kẽm trong kỹ thuật điện là : - Dây dẫn bằng kẽm khi thêm thành phần đồng hay nhôm vào, đôi lúc được dùng thay thế cho dây dẫn bằng đồng hay bằng nhôm. - Dây dẫn ZnAl-1 ( bảng 2 ) cho phẩm chất tốt vì nó không tạo nên đường nứt nẻ. Tương tự như vậy, dây dẫn với 0,13%Fe có thể kéo thành sợi nhỏ khi nguội mà không bị nứt nẻ. - Các thanh góp bằng kẽm cho phép áp suất 20-50kG/cm2 - Các điện cực dùng cho các phần tử galvani - Các lá kẽm dùng làm cầu chì nóng chảy, sản suất theo phương pháp điện phân( 99,95%) bảng 2 Vật liệu Sức bền đứt Độ dãn dài % Điện dẫn suất kG/mm2 m/mm2 - Zn 99,99 14 60 16,5 - Zn 99,90 23 15 16,0 35
VẬT LIỆU ĐIỆN - Zn 98,50 29 19 16,0 - Zn Al- 1 20 30 16,7 - Zn Al-4 22 68 16,9 - Zn Al- 10 30 50 18,6 2.4.6. Một số kim loại và hợi kim khác 2.4.5.1. Wofram (W) Wofram (Tungsten) tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng mỏ: Woframit (FeOMnO)WO3, quặng selit (CaOWO3), thông qua các phản ứng hóa học khác nhau, các quặng này chuyển thành Trioxyt Wofram (WO 3) rồi điều chế từ đây được Wofram (W) thông qua điện phân ở nhiệt độ cao 1050  13000C. Wofram là một kim loại có sức bền đứt và độ cứng rất cao, nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong số tất cả các kim loại được sử dụng trong kỹ thuật điện, được chế tạo thành sợi tóc trong các bóng đèn điện sợi đốt, chế tạo các điện trở phát nóng cho các lò điện, Tuy nhiên, để cản trở sự oxyt hóa dây tóc và sự bay hơi của nó, các bóng đèn nung sáng được thực hiện trong chân không hay với môi trường khí trơ (argon, nitơ), khi đó có thể làm việc ở 23000C. Wofram tinh khiết (99,5  99,8%) còn được dùng để chế tạo các tiếp điểm điện có dòng điện nhỏ. Đối với tiếp điểm điện ở công suất lớn (dòng điện lớn), người ta dùng hợp kim của Wofram với bạc hay Wofram với đồng nén lại. Bảng2 . Các hằng số vật lý hóa học chính của Wofram Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu -Trọng lượng riêng ở 200C Kg/dm3 19,3 -Điện trở suất ở nhiệt độ 200C cm.10-6 5,55 -Điện dẫn suất ở 200C -1cm-1.106 0,18 - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt - độ ở 200C 1/0C 0,00468 - Nhiệt dẫn suất W/cm.grd 1,99 - Nhiệt độ nóng chảy bình thường 0C 3380 - Nhiệt lượng riêng trung bình ở 250C Kcal/kg.grd 0,0338 - Điểm sôi ở 760mm cột thủy ngân 0C 5000 - Hệ số giãn nở dài trung bình 20-1000C 1/độ ( grd) 4,5.10-6 36
VẬT LIỆU ĐIỆN - Modun đàn hồi, E kG/mm2 37000-40000 - Sức bền đứt khi kéo kG/mm2 350 - Thế điện hóa so với H V - 0,58 2.4.5.2. Niken (Ni) Niken còn được gọi là kền, tồn tại dưới dạng mỏ trong thiên nhiên: o Sulfua đa kim loại: quặng Milerit (NiS), Penlandit ((FeNi)2S8). o Silicat: Canarit (2NiO3SiO2.H2O), Gac-ni-erit (NiMgSiO3) o Sulfua và Asenua - Nikelen: NiAs, NiAs2. Qua hàng loạt các phản ứng người ta có thể chế tạo được Niken với độ tinh khiết 99,9%. Niken là kim loại màu trắng-xám tro, nó không bị oxyt hóa trong không khí và trong nước ở điều kiện bình thường (chỉ bị oxyt hóa ở nhiệt độ trên 5000C) là kim loại bền, dễ dát mỏng và vuốt giãn được cả khi nguội và khi nóng. Niken được dùng để chế tạo các nhiệt ngẫu đo nhiệt độ (Ni-Fe, Ni-Cr); chế tạo các tiếp điểm điện làm việc trong môi trường Cacbua Hydro đối với dòng điện nhỏ và điện áp lớn (đối với công suất lớn, tiếp điểm dùng hợp kim Ni-Ag) ; chế tạo các điện trở phát nóng, đến 900 0C ; dùng để mạ bảo vệ cho những chi tiết bằng sắt thép thông qua phương pháp điện phân, dùng để chế tạo các máy điện cực dương (anot) của các acquy kiềm. Bảng2 . Các hằng số vật lý hóa học chính của Niken Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu -Trọng lượng riêng ở 200C Kg/dm3 8,9 -Điện trở suất ở nhiệt độ 200C cm.10-6 8,69 ủ nhiệt mềm 9,52 cứng -Điện dẫn suất ở 200C -1cm-1.106 0,15 ủ nhiệt mềm 0,105 cứng - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt 1/0C 0,0044- 0,0069 độ ở 200C - Nhiệt dẫn suất W/cm.grd 0,593 - Nhiệt độ nóng chảy bình thường 0C 1453 - Nhiệt lượng riêng trung bình ở 250C Kcal/kg.grd 0,1086 - Điểm sôi ở 760mm cột thủy ngân 0C 3000 37
VẬT LIỆU ĐIỆN - Hệ số giãn nở dài trung bình 20-1000C 1/độ ( grd) 13.10-6 - Modun đàn hồi, E kG/mm2 20500 - Sức bền đứt khi kéo kG/mm2 40 ủ nhiệt mềm 80 cứng - Thế điện hóa so với H V - 0,25 2.4.5.3. Bạc (Ag) Bạc được điều chế từ các mỏ trong tự nhiên: Acgentit (Ag2S), Pira- Acgirit (Ag3SbS3), Kera-Acgerit [(AgCl)Ag2Sb] ngoài ra còn tìm thấy Ag trong nước biển (0,001mg/1lit). Thông qua điện phân tinh chế có thể thu được bạc tinh khiết (99,80  99,999)%. Bạc là kim loại có điện trở suất nhỏ = 0,016 mm 2/m nên dẫn điện tốt nhất trong tất cả các kim loại. Nó có màu trắng và chiếu sáng, chiếu sáng này không bị mất đi trong môi trường không khí. Ở nhiệt độ bình thường, thậm chí cả ở nhiệt độ cao bạc vẫn không bị oxyt hóa do vậy Ag được liệt vào nhóm kim loại quý. Trong kỹ thuật điện, bạc được sử dụng . Làm dây dẫn, dây quấn, tiếp điểm trong kỹ thuật thu thanh, vô tuyến, làm dây chảy bảo vệ. . Hợp kim với Mangan hay Niken được dùng làm dây dẫn trong các máy đo. . Để mạ cho các kim loại khác, ngăn oxyt hóa, để tráng gương, tráng kim loại cho các dụng cụ chiếu sáng, Bảng2 . Các hằng số vật lý hóa học chính của Bạc Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu -Trọng lượng riêng ở 200C Kg/dm3 10,5 -Điện trở suất ở nhiệt độ 200C cm.10-6 1,6 -Điện dẫn suất ở 200C -1cm-1.106 0,0625 - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt - độ ở 200C 1/0C 0,0036-0,0041 - Nhiệt dẫn suất W/cm.grd 4,58 - Nhiệt độ nóng chảy bình thường 0C 960,8 - Nhiệt lượng riêng trung bình ở 250C Kcal/kg.grd 0,0575 38
VẬT LIỆU ĐIỆN - Điểm sôi ở 760mm cột thủy ngân 0C 2177 - Hệ số giãn nở dài trung bình 20-1000C 1/độ ( grd) 19,68.10-6 - Modun đàn hồi, E kG/mm2 8200 - Sức bền đứt khi kéo kG/mm2 16 ủ nhiệt mềm 29 kéo - Thế điện hóa so với H V 0,808 2.4.5.4. Vàng (Au) Vàng được tìm thấy trong thiên nhiên dưới dạng hạt, lá, bụi bột bằng cách đãi theo phương pháp đặc biệt rồi chưng cất, tinh luyện thông qua điện phân hoặc thông qua kết tủa chọn lọc có thể thu được vàng tinh khiết (99,88  99,998%). Vàng là kim loại có màu vàng đặc trưng, sáng rực. Màu sáng này không bị mất đi trong không khí hay trong axit, không bị oxyt hóa ở nhiệt độ cao. Trong kỹ thuật điện, vàng được sử dụng: . Để làm các tiếp điểm điện, thường dưới dạng hợp kim: 70% Au + 24%Ag + 6% Pt. . Để mạ các vật liệu khác chống ăn mòn điện. . Làm dây dẫn (hợp kim Au + 20% Cr), các điện trở trong điện kế, vì chúng có hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ rất nhỏ. Bảng2 . Các hằng số vật lý hóa học chính của Vàng Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu -Trọng lượng riêng ở 200C Kg/dm3 19,29 -Điện trở suất ở nhiệt độ 200C cm.10-6 2,20 -Điện dẫn suất ở 200C -1cm-1.106 0,045 - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt - độ ở 200C 1/0C 0,00365 - Nhiệt dẫn suất W/cm.grd 3,12 - Nhiệt độ nóng chảy bình thường 0C 1063 - Nhiệt lượng riêng trung bình ở 250C Kcal/kg.grd 0,031 - Điểm sôi ở 760mm cột thủy ngân 0C 2700 - Hệ số giãn nở dài trung bình 20-1000C 1/độ ( grd) 14,3.10-6 - Modun đàn hồi, E kG/mm2 7900 - Sức bền đứt khi kéo kG/mm2 14 39
VẬT LIỆU ĐIỆN - Thế điện hóa so với H V 15 2.4.5.5. Thiếc (Sn) Thiếc là kim loại có ánh sáng bạc, sức bền đối với ảnh hưởng của môi trường, là kim loại rất mềm (sau chì), dễ dát mỏng và dễ uốn dẻo. Thiếc được dùng trong kỹ thuật điện để chế tạo đồng thanh, làm lớp vỏ bọc bên ngoài để bảo vệ các vật liệu dễ bị ăn mòn bởi môi trường, để làm chất hàn, Bảng2 . Các hằng số vật lý hóa học chính của Thiếc Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu -Trọng lượng riêng ở 200C Kg/dm3 7,3 -Điện trở suất ở nhiệt độ 200C cm.10-6 11,4 -Điện dẫn suất ở 200C -1cm-1.106 0,087 - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt - độ ở 200C 1/0C 0,0044 - Nhiệt dẫn suất W/cm.grd 0,16 - Nhiệt độ nóng chảy bình thường 0C 231,9 - Nhiệt lượng riêng trung bình ở 250C Kcal/kg.grd 0,0548 - Điểm sôi ở 760mm cột thủy ngân 0C 2300 - Hệ số giãn nở dài trung bình 20-1000C 1/độ ( grd) 27,03.10-6 - Modun đàn hồi, E kG/mm2 1150 - Sức bền đứt khi kéo kG/mm2 2,75 - Thế điện hóa so với H V - 0,10 2.4.5.7. Thủy ngân (Hg) Thủy ngân là kim loại duy nhất ở thể lỏng và có thể bay hơi trong điều kiện thường. Thủy ngân tinh khiết có màu trắng bạc, chiếu sáng. Ở nhiệt độ –38,87 0C, nó đông rắn lại, tạo thành một khối tinh thể dễ dát mỏng và vuốt giãn được. Thủy ngân có sức bền đối với sự tác động của không khí khô. Khi nung nóng trong không khí nó bị oxyt hoá (ở nhiệt độ 3500C, nó bị oxyt hóa rất dễ dàng). Thủy ngân được sử dụng trong các đèn chiếu sáng, đèn chỉnh lưu, đèn chiếu đặc biệt dùng trong y tế, máy chiếu, máy in, Ngoài ra còn được dùng làm các tiếp điểm trong kỹ thuật đo, trong Rơle và các khí cụ điện. 40
VẬT LIỆU ĐIỆN Bảng2 . Các hằng số vật lý hóa học chính của thủy ngân Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu -Trọng lượng riêng ở 200C Kg/dm3 13,546 -Điện trở suất ở nhiệt độ 200C cm.10-6 95,8 -Điện dẫn suất ở 200C -1cm-1.106 0,010438 - Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt - 0,90.10-3 độ ở 200C 1/0C - Nhiệt dẫn suất W/cm.grd 0,103 - Nhiệt độ nóng chảy bình thường 0C -38,87 - Nhiệt lượng riêng trung bình ở 250C Kcal/kg.grd 0,0332 - Điểm sôi ở 760mm cột thủy ngân 0C 356,95 - Hệ số giãn nở dài trung bình 20-1000C 1/độ ( grd) 18,2.10-5 - Modun đàn hồi, E kG/mm2 8200 - Sức bền đứt khi kéo kG/mm2 16 ủ nhiệt mềm 29 kéo - Thế điện hóa so với H V 0,86 2.5. HỢP KIM CÓ ĐIỆN TRỞ CAO Hợp kim có điện trở cao được dùng trong kỹ thuật điện để chế tạo các dụng cụ đo lường, điện trở mẫu, biến trở, dụng cụ nung nóng. Đối với tất cả các thiết bị ấy đều yêu cầu dây dẫn có điện trở suất cao và hệ số biến đổi của điện trở suất đối với nhiệt độ nhỏ so với các phần tử hợp thành. Hiện nay thường dùng các hợp kim có gốc là đồng: Manganin, Constantanvà Nikennin, Niken-Crôm, Niken-Nhôm. 2.5.1. Hợp kim Manganin (86%Cu, 2%Ni, 12%Mn) Hợp kim Manganin là hợp kim chủ yếu dùng trong thiết bị nung và điện trở mẫu (điện trở chính xác). Sở dĩ được dùng làm điện trở mẫu là bởi nó không làm sai lệch kết quả đo lường ở những dòng điện khác nhau cũng như ở những nhiệt độ môi trường xung quanh khác nhau. 2.5.2. Hợp kim Constantan (60%Cu, 40%Ni) 41
VẬT LIỆU ĐIỆN Constantan dễ hàn và dính rất chặt, hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ rất nhỏ (Constantan với nghĩa của nó là hằng số), có trị số âm. Constantan được dùng làm biến trở và phần tử nung nóng, Constantan không được dùng ở nhiệt độ trên 4500C vì lúc đó nó sẽ bị oxyt hóa. Constantan ghép với đồng hay sắt có sức nhiệt điện động lớn. Đó là nhược điểm khi dùng điện trở bằng Constantan trong các sơ đồ đo. Do có sự chênh lệch nhiệt độ ở chỗ tiếp xúc nên có sức nhiệt điện động xuất hiện, đó là nguồn sai số. Đặc biệt trong các cầu đo chỉ không và sơ đồ phân điện áp. Constantan được dùng nhiều làm cặp nhiệt ngẫu để đo nhiệt độ đến 7000C. 2.5.3. Hợp kim Nikenin [(2535)%Ni, (23)%Mn, 67%Cu] Hợp kim Nikenin rẻ tiền hơn Constantan, dễ gia công, có điện trở suất nhỏ hơn và hệ số biến đổi của điện trở suất đối với nhiệt độ lớn hơn Constantan. Người ta thường dùng hợp kim Nikenin làm biến trở khởi động và điều chỉnh. 2.5.4. Hợp kim Crôm-Niken (Nicrom) Hợp kim Nicrom [1,5% Mn, (5578)%Ni, (1523)%Cr, còn lại là Fe] có sức bền tốt ở nhiệt độ cao, điện trở suất và hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ. Hợp kim này được dùng để làm các phần tử nung bằng điện như bếp điện, mỏ hàn, với nhiệt độ đến 10000C. 2.5.5. Hợp kim Crôm - Nhôm Hợp kim Crôm - Nhôm là hợp kim rất rẻ được dùng để chế tạo các thiết bị nung lớn và lò điện lớn dùng trong công nghiệp. Bảng 2.6. Tổng hợp hành phần và các tính chất cơ bản của một số hợp kim có điện trở cao hay dùng trong kỹ thuật điện. 42
VẬT LIỆU ĐIỆN Bảng 2.6 Thành phần % có trong hợp Tính chất cơ bản kim Sức nhiệt Tên hợp điện Giới hạn kim C M A động nhiệt độ Ni Cr Fe (mm2/ (10- u n l với làm việc m) 6/0C) đồng (0C) (mV/gr ad) Mangani 8 0,420, 12 2 10-15 1-2 100-200 n 6 8 Constant 6 0,430, 40 -5 0,5 400-500 an 0 52 6 2 253 Nikenin 0,4 20 250 7 3 5 cò Crôm- 557 15 0,000 1,5 n 1,01,2 1100 Niken 8 23 13 lại cò Crôm- 0,000 30 4 n 1,21,5 1200 Nhôm 14 lại 2.6. VẬT LIỆU LÀM ĐIỆN TRỞ 2.6.1. Khái niệm và phân loại 2.6.1.1 Khái niệm Vật liệu dùng để chế tạo các điện trở phải có: + Điện trở suất lớn + Có hệ số biết đổi theo điện trở suất phải nhỏ để đảm bảo sự ổn định đối với sự biến đổi của nhiệt độ( R lớn dẫn tới P lớn dẫn tới T0 lớn làm cho thay đổi và thay đổi) 2.6.1.2. Phân loại 43
VẬT LIỆU ĐIỆN - Vật liệu dùng làm điện trở chính xác sử dụng ở những dụng cụ đo lường điện và điện trở chuẩn. Loại này có các yêu cầu là đặc tính không được thay đổi theo thời gian để nó không tạo ra sai số trong các phép đo - Vật liệu dùng làm bộ biến trở khởi động, loại này có yêu cầu: Phải có sức bền trong quá trình nung nóng và sức bền đối với sự ăn mòn. - Vật liệu được sử dụng ở những khí cụ điện sưởi nóng và đun nóng, yêu cầu phải có sức bền đối với thời gian kéo dài khi nhiệt độ cao. Lưu ý: Những kim loại tính khiết ít được dùng làm biến trở vì: Điện trở suất nhỏ hơn hợp kim của chúng, của hợp kim tinh khiết >> của hợp kim, bị ăn mòn ở nhiệt độ cao. 2.6.2. Hợp kim dùng làm điện trở 2.6.2.1. Hợp kim dùng làm điện trở chính xác và dùng làm bộ biến trở - Hợp kim loại Mangan, thành phần: 86% Cu, 2% Ni, 12% Mn Đặc điểm: có sức nhiệt điện động nhỏ ứng dụng: Chế tạo các điện trở chính xác vì nó không làm sai lệch kết quả đo lường ở những nhiệt độ khác nhau và những dòng điện khác nhau. - Hợp kim loại Constantan, thành phần: 60% Cu, 40% Ni, Đặc điểm: Hệ số biến đổi theo điện trở suất rất nhỏ ứng dụng: Dùng làm biến trở và phần tử nung nóng 2.6.2.2. Hợp kim dùng làm biến trở sưởi nóng và nung nóng - Hợp kim trên cơ sở Niken và Crôm Thành phần hợp kim được tạo thành theo cách hòa tan rắn Niken và Crôm Đặc điểm: có sức bền tốt ở nhiệt độ cao, điện trở suất lớn và hệ số biến đổi theo điện trở suất nhỏ - Ngoài ra còn có các loại hợp kim + Hợp kim trên cơ sở Ni , Fe, Crôm + Hợp kim trên cơ sở Fe, Crôm, Al + Dây làm điện trở trên cơ sở Cacbua Silic , Fe, Crôm 2.7. VẬT LIỆU DÙNG LÀM TIẾP ĐIỂM VÀ CỔ GÓP 2.7.1. Yêu cầu đối với vật liệu làm tiếp điểm - Có sức bền cỏ khí và độ rắn tốt ( tuổi thọ cao) 44
VẬT LIỆU ĐIỆN - Có điện dẫn suất và dẫn nhiệt tốt để không nóng quá nhiệt độ cho phép khi những tiếp điểm này có dòng điện định mức đi qua - Có sức bền đối với sự ăn mòn do các tác nhân bên ngoài ( Nước, không khí ẩm ) - Có nhiệt độ nóng chảy và hóa hơi cao, ôxi của nó phải có điện dẫn suất lớn ( tức là để có thể chịu được dòng ngắn mạch cao, Rtx nhỏ) - Gia cong dễ dàngm giá thành hạ Bên cạnh những điểm nêu trên, nó phải thỏa mãn các điều kiện tùy thuộc và dạng tiếp điểm ( có 3 dạng tiếp điểm cố định, di động và trượt) + Với tiếp điểm cô định: Phải có sức bền nén đẻ có thể chịu được áp suất lớn, ( lực ấn lớn), phải có điện trở ổn định trong thời gian làm việc lâu dài (Rtx ổn định ) +Với tiếp điểm di động: Chúng làm việc theo cách ấn ( đóng và mở các MC điện, Công tắc tơ, Rơle điện ) , phải có sức bền đối với sự ăn mòn do tác động cơ khí khi đóng mở, phải có sức bền đối với sự tác động của hồ quang không bị hàn chặt. + Với tiếp điểm trượt: Chúng làm việc theo cách trượt như: Cổ góp máy điện, DCL Phải có sức bền đối với sự mài mòn cơ khí do ma sát 2.7.2. Sức bền của các tiếp điểm và các yếu tố ảnh hưởng tới sức bền 2.7.2.1. Bản chất bề mặt - Điện trở của tiếp điểm càng lớn khi điện trở suất của vật liệu càng lớn và điện trở càng nhỏ khi ứng suất của vật liệu càng nhỏ, vì vật liệu càng mềm thì sự biến dạng của vật liệu càng dễ dàng và số lượng điểm tiếp xúc càng lớn, tức là tổng bề mặt tiếp xúc càng tăng lên - Khi phụ tải thay đổi hay ngắn mạch, sẽ sinh ra ứng suất rất lớn sẽ làm yếu tiếp điểm - Bản chất của vật liệu và những điều kiện làm việc ảnh hưởng đến sự ăn mòn các tiếp điểm ( Tác động của không khí, nước, hóa chất ) tạo nên trên bề mặt tiếp xúc lớp làm xấu tính chất dẫn điện, do đó Rtx tăng lên Để tránh ăn mòn , người ta ngăn không cho không khí ẩm xâm nhập hay bảo vệ các tiếp điểm bằng phương pháp mạ điện ( mạ thiếc hay bạc đối với đồng) 2.7.2.2. Lực ấn 45
VẬT LIỆU ĐIỆN Là yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến điện trở tiếp điểm. Khi cùng một diện tích tiếp xúc, nếu lực ấn càng lớn thì diện tích tiếp xúc càng lớn vì diện tích tiếp xúc thực thê phụ thuộc vào lực ấn Lực ấn ơ những tiếp điểm cố định được ghép bằng Bulông cần phải tương đối lớn để đảm bảo R tx nhỏ. Song cũng không được quá lớn vì sẽ tạo nên ứng suất lớn trong vật liệu sẽ làm mất tích đàn hồi sẽ làm xấu mối tiếp xúc. 2.7.2.3. Nhiệt độ của tiếp điểm - Nhiệt độ từ nhiệt độ bình thường đến 2500 C, do điện trở suất tăng theo nhiệt độ vì thế điện trở mà dòng điện đi qua tiếp điểm sẽ tăng - Nhiệt độ từ 250 0 C đến 400 0 C sức bền cơ học của vật liệu giảm làm tăng diện tích tiếp xúc sẽ làm giảm điện trở mà dòng điện đi qua. - Nhiệt độ lớn hơn 400 0 C, điện trở mà dòng điện đi qua sẽ tăng lại cho đến lúc nóng chảy và khi đó điện trở sẽ giảm đột ngột. 2.7.2.4. Trạng thái của bề mặt lúc tiếp xúc Diện tích tiếp xúc càng lớn bao nhiêu thì càng tốt bấy nhiêu ( bản chất của tiếp xúc mặt là tiếp xúc điểm) 2.7.3. Vật liệu làm tiếp điểm 2.7.3.1. Vật liệu làm tiếp điểm cố định thường sử dụng đồng, nhôm , sắt - Đồng và hợp kim của nó có phẩm chất cứng nên có thể sử dụng ở đièu kiện bình thường. để có sức bền đối với sự ăn mòn được tốt, người ta bọc Ni tẩm Silic mạ Ag - Nhôm có sức bền cơ giới thấp, nên không dùng ở nơi có dòng điện ngắn mạch lớn. - Thép có lớn do đó chỉ dùng khi Công suất bé và điện áp lớn ( dòng điện bé) 2.7.3.2. Vật liệu lam tiếp điểm di động - Platin: Có tính ổn định cao đối với sự ăn mòn trong không khí do không tạo màng oxi nên đảm bảo độ ổn định cho tiếp điểm dẫn tới Rtx nhỏ - Bạc: Bạc tinh khiết ít dùng làm tiếp điểm vì bị hồ quang ăn mòn. Tiếp điẻm hợp kim Ag và Cu có độ cứng cao và ăn mòn nhỏ thường được sử dụng. - Ngoài ra còn dùng W, Mo, làm vật liệu tiếp điểm. 2.7.3.3. Vật liệu làm tiếp điểm trượt 46
VẬT LIỆU ĐIỆN - Cu và hợp kim của nó: dùng ở tiếp điểm DCL, tiếp điểm MCĐ, Cổ góp KCĐ: máy khoan, máy điện một chiều - Al dùng làm tiếp điểm của các phương tiện vận tải bằng điện ( xe điện) - C dùng trong các chi tiết KCĐ, các phương tiện vận tải bằng điện vì nó không ăn mòn dây dẫn điện và có tuổi thọ khá cao. 2.7.3.4. Vật liệu làm tiếp điểm có công suất lớn ( MCĐ có U cao) - Là các vật liệu tổng hợp, chúng được tạo nên từ những kim loại khó nóng chảy với kim loại dẫn điện tốt, một kim loại dẫn điện tốt còn kim loại kia có sức bền cỏ khí lớn. Những vật liệu này gồm Ag- W, Ag- Ni, Cu- Ni. - Được sử dụng ở những tiếp điểm có công suất lớn, áp suất tiếp xúc lớn và có độ cứng cao. 2.8. LƯỠNG KIM LOẠI 2.8.1. Khái niệm Nguời ta gọi những sản phẩm dùng vật liệu lưỡng kim loại là những sản phẩm kỹ thuật được chế tạo bằng nhiều cách để tạo thành một khối liên hệ chặt của hai kim loại. 2.8.2. Dây dẫn và thanh góp bằng lưỡng kim- Thép - Đồng Quanh hệ giữa điện trở ở dòng điện xoay chiều với tần số f =5000Hz và điện trở ở dòng điện một chiều đối với dây dẫn đồng có đường kính 5mm là: R xc 3,9 Rmc Dòng điện chạy qua lớp mặt ngoài có chiều dày 0,5-0,6mm, còn trung tâm của tiết diện trở thành mất tác dụng việc dẫn điện. Kết quả cho thấy : lõi của dây dẫn có thể được làm bằng thép, như vậy sẽ tiết kiệm đồng mà vẫn không hề ảnh hưởng đến điện trở ở dòng điện xoay chiều. Điều này sẽ là biện pháp tốt để làm tăng sức bền cơ khí của dây dẫn, và lớp đồng ở bên ngoài cũng sẽ là lớp bảo vệ rất tốt đối với sự ăn mòn. Do vậy, người ta đã thực hiện dây dẫn bằng vật liệu lưỡng kim thép- đồng đối với đường dây thông tin liên lạc có đường kính 1- 4mm. Dây dẫn bằng vật liệu lưỡng kim loại trong một số trường hợp dùng làm dây dẫn điện trong mạch nhị thứ ở tần số 50Hz. Và được chế tạo thành các thanh góp trong các trong các trang thiết bị dùng để nối. 2.8.3. Dây dẫn lưỡng kim - Đồng- Nhôm 47
VẬT LIỆU ĐIỆN Tổ hợp lưỡng kim đồng- nhôm được chế tạo đặc biệt dưới dạng các tấm có một mặt hay cả hai mặt và dùng trong các cấu trúc phản chiếu, lò sưởi điện hoặc các chi tiết dùng để nối vv Các tấm lưỡng kim- đồng – nhôm được dùng làm các con nối dây dẫn điện , con nối dây đồng và dây nhôm. Do thuận lợi là có thể dễ ràng hàn dính bằng hợp kim dính chặt dựa trên vật liệu cơ bản là thiếc , vật liệu lưỡng kim này có thể dùng để chế tạo các chi tiết trong thiết bị thu và phát thanh như làm cuộn dây ăngten bộ cảm biến vv CÂU HỎI CHƯƠNG 2 1. Nêu tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện, giải thích cụ thể từng tính chất đó. 2. Trình bày đặc tính chung, phân loại, tính chất cơ học và các ứng dụng của kim loại Đồng, Nhôm, Bạc và Sắt. 3. Trình bày khái niệm và phân loại vật liệu làm điện trở. 4. Trình bày khái niệm và phân loại vật liệu làm tiếp điểm. 48
VẬT LIỆU ĐIỆN CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 3.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 3.1.1 KHÁI NIỆM Vật liệu dùng làm cách điện (còn gọi là chất điện môi) là các chất mà trong điều kiện bình thường điện tích xuất hiện ở đâu thì ở nguyên ở chỗ đấy, tức là ở điều kiện bình thường, điện môi là vật liệu không dẫn điện, điện dẫn  của chúng bằng không hoặc nhỏ không đáng kể. Vật liệu cách điện có vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện, Việc nghiên cứu vật liệu cách điện để tìm hiểu các tính chất, đặc điểm, để từ đó chọn lựa cho phù hợp. 3.1.2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 3.1.2.1. Phân loại theo trạng thái vật lý Theo trạng thái vật lý, có: Vật liệu cách điện thể khí, Vật liệu cách điện thể lỏng, Vật liệu cách điện thể rắn. Vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng luôn luôn phải sử dụng với vật liệu cách điện ở thể rắn thì mới hình thành được cách điện vì các phần tử kim loại không thể giữ chặt được trong không khí. Vật liệu cách điện rắn còn được phân thành các nhóm: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng. Ở giữa thể lỏng và thể rắn còn có một thể trung gian gọi là thể mềm nhão như: các vật liệu có tính bôi trơn, các loại sơn tẩm. 3.1.2.2. Phân loại theo thành phần hóa học Theo thành phần hoá học, người ta phân ra: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ. 1. Vật liệu cách điện hữu cơ: chia thành hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo. . Nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên sử dụng các hợp chất cơ bản có trong thiên nhiên, hoặc giữ nguyên thành phần hóa học như: cao su, lụa, phíp, xenluloit, 49
VẬT LIỆU ĐIỆN . Nhóm nhân tạo thường được gọi là nhựa nhân tạo gồm có: nhựa phênol, nhựa amino, nhựa polyeste, nhựa epoxy, xilicon, polyetylen, vinyl, polyamit, 2. Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại vật liệu rắn như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiăng 3.1.2.3. Phân loại theo tính chịu nhiệt Phân loại theo tính chịu nhiệt là sự phân loại cơ bản, phổ biến vật liệu cách điện dùng trong kỹ thuật điện. Khi lựa chọn vật liệu cách điện, đầu tiên cần biết vật liệu có tính chịu nhiệt theo cấp nào. Người ta đã phân vật liệu theo tính chịu nhiệt như bảng 3.2. Bảng 3.2 Cấp Nhiệt độ cách cho phép Các vật liệu cách điện chủ yếu điện (0C) Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu Y 90 tương tự không tẩm nhựa, các loại nhựa polyetylen, PVC, polistinol, anilin, abomit Giấy, vải sợi, lụa trong dầu, nhựa polyeste, cao su A 105 nhân tạo, các loại sơn cách điện có dầu làm khô Nhựa tráng Polyvinylphocman, poliamit, epoxi. Giấy ép hoặc vải ép có nhựa phendfocmandehit (gọi chung E 120 là Bakelit giấy). Nhựa Melaminfocmandehit có chất động xenlulo. Vải có tẩm thấm Polyamit. Nhựa Polyamit. Nhựa Phênol-Phurphurol có độn xenlulo. Nhựa Polyeste, amiang, mica, thủy tinh có chất độn. Sơn cách điện có dầu làm khô dùng ở các bộ phận tiếp xúc với không khí. Sơn cách điện alkit, sơn cách điện B 130 từ nhựa phênol. Nhựa PhênolPhurol có chất độn khoáng, nhựa epoxi, sợi thủy tinh, nhựa Melaminfocmandehit. F 155 Sợi amiang, sợi thủy tinh có chất kết dính H 180 Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính C >180 Mica không có chất kết dính, thủy tinh, sứ, 50
VẬT LIỆU ĐIỆN Polytetraflotylen, Polymonoclortrifloetylen. 3.6. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Khi lựa chọn, sử dụng vật liệu cách điện cần phải chú ý đến không những các phẩm chất cách điện của nó mà còn phải xem xét tính ổn định của những phẩm chất này dưới các tác dụng cơ học, hóa lý học, tác dụng của môi trường xung quanh, gọi chung là các điều kiện vận hành tác động đến vật liệu cách điện. Dưới tác động của điều kiện vận hành, tính chất của vật liệu cách điện bị giảm sút liên tục, người ta gọi đó là sự lão hóa vật liệu cách điện. Do vậy, tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ rất khác nhau trong những điều kiện khác nhau. Bởi thế cần phải nghiên cứu về tính chất cơ lý hoá, nhiệt của vật liệu cách điện để có thể ngăn cản quá trình lão hoá, nâng cao tuổi thọ của vật liệu cách điện. 3.6.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện Các vật liệu cách điện với mức độ khác nhau đều có thể hút ẩm (hút hơi nước từ môi trường không khí) và thấm ẩm (cho hơi nước xuyên qua). Nước là loại điện môi cực tính mạnh, hằng số điện môi tương đối  = 80  81, độ điện dẫn  =10 -5  10-6 (1/cm) nên khi vật liệu cách điện bị ngấm ẩm thì phẩm chất cách điện bị giảm sút trầm trọng. Hơi ẩm trong không khí còn có thể ngưng tụ trên bề mặt điện môi, đó là nguyên nhân khiến cho điện áp phóng điện bề mặt có trị số rất thấp so với điện áp đánh thủng. 1. Độ ẩm của không khí Trong không khí luôn chứa hơi ẩm, lượng ẩm trong không khí được xác định bởi tham số gọi là độ ẩm của không khí. Độ ẩm gồm có độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối. a. Độ ẩm tuyệt đối: Độ ẩm tuyệt đối là khối lượng hơi nước trong 1 đơn vị thể tích không khí 3 (g/m ). Ở nhiệt độ xác định, độ ẩm tuyệt đối không thể vượt qua m max (mmax được gọi là độ ẩm bão hoà). Nếu khối lượng nước nhiều hơn giá trị m max thì hơi nước sẽ rơi xuống dưới dạng sương. Quan hệ giữa độ ẩm bão hòa và nhiệt độ cho trên hình 3.6. 90 mMax (g/cm3) 80 51 70 60 50 40 30 20 10 -20 -10 0 10 20 30 40 50 t (0C) Hình 3.6. Quan hệ giữa độ ẩm bào hoà mmax theo nhiệt độ
VẬT LIỆU ĐIỆN b. Độ ẩm tương đối, % m Độ ẩm tương đối là tỷ số: % = .100% (3-12) mmax Ở trạng thái bão hòa của hơi nước trong không khí sẽ có % = 100%. Thường các ẩm kế chỉ cho số liệu về độ ẩm tương đối % nên khi cần xác định độ ẩm tuyệt đối sẽ phải tính theo công thức: %. m =mmax (3-13) 100 và do mmax là hàm của nhiệt độ môi trường không khí (t) nên m = f( %, t). Như vậy, từ các số liệu về độ ẩm tương đối và nhiệt độ của không khí có thể xấc định được độ ẩm tuyệt đối m (bằng cách tính toán, tra bảng số, đồ thị ). Theo quy ước quốc tế, điều kiện khí hậu chuẩn của không khí được qui định: Áp suất p = 760 mmHg. Nhiệt độ t = 200C. Độ ẩm tuyệt đối m = 11g/m3 (độ ẩm tương đối % khoảng 60  70%). Khí hậu Việt Nam khác xa với khí hậu chuẩn. Khí hậu Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới. Ở miền Bắc, nhiệt độ trung bình hàng năm là 22,7 0C, nhiệt độ cực đại có thể đạt tới 42,8 0C. Độ ẩm thường xuyên cao là một trong các đặc điểm nổi bật của khí hậu nước ta. Độ ẩm tuyệt đối trung bình hàng năm ở đồng bằng Bắc bộ là m = 24  26 g/m 3, trong các tháng hè có thể lên tới 30  33g/m3 và trong các tháng mùa đông cũng tới mức 13  17g/m3. 2. Độ ẩm của vật liệu  52
VẬT LIỆU ĐIỆN Độ ẩm của vật liệu  là lượng hơi nước trong một đơn vị trọng lượng của vật liệu. Khi đặt mẫu vật liệu cách điện trong môi trường không khí có độ ẩm % và nhiệt độ t (0C) thì sau một thời gian nhất định, độ ẩm của vật liệu  sẽ đạt tới giới hạn được gọi là độ ẩm cân bằng (cb). Nếu mẫu vật liệu vốn khô ráo được đặt trong môi trường không khí ẩm (vật liệu có độ ẩm ban đầu  cb) thì độ ẩm mẫu sẽ cb giảm tới trị số cb như đường 2 1 (vật liệu ngấm ẩm) trên hình 3.7. (vật liệu sấy khô). 0 t (h) Hình 3.7 Đối với vật liệu xốp, loại vật liệu có khả năng hút ẩm rất mạnh, người ta đưa ra độ ẩm quy ước. Đó là trị số cb khi vật liệu được đặt trong không khí ở điều kiện khí hậu chuẩn. 3. Tính thấm ẩm Tính thấm ẩm là khả năng cho hơi ẩm xuyên thấu qua vật liệu cách điện. Khi vật liệu bị thấm ẩm thì tính năng cách điện của nó giảm:  (), , tg Eđt. Nếu vật liệu không thấm nước sẽ hấp thụ trên bề mặt một lượng nước hoặc hơi nước. Căn cứ vào góc biên dính nước  của giọt nước trên bề mặt phẳng của vật liệu (hình 3.6), người ta chia vật liệu cách điện hấp phụ tốt và hấp phụ yếu.  < 900: vật liệu hấp phụ tốt (hình 3.8a). 53
VẬT LIỆU ĐIỆN  > 900: vật liệu hấp phụ yếu (hình 3.8b).   a) b) Hình 3.8 Vật liệu hấp phụ tốt sẽ dễ bị phóng điện, dòng dò lớn do  (). Sự hấp phụ của vật liệu cách điện phụ thuộc vào loại vật liệu, kết cấu vật liệu, áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, của môi trường. 4. Nhận xét Qua phân tích, ta thấy rằng tính hút ẩm của vật liệu cách điện không những phụ thuộc vào kết cấu và loại vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ ẩm của môi trường làm việc. Nó sẽ làm biến đổi tính chất ban đầu của vật liệu dẫn đến lão hóa và làm giảm phẩm chất cách điện của vật liệu, tg, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện. Đặc biệt là đối với các vật liệu cách điện ở thể rắn. Để hạn chế nguy hại do hơi ẩm đối với vật liệu cách điện cần sử dụng các biện pháp sau đây: . Sấy khô và sấy trong chân không để hơi ẩm thoát ra bên ngoài. . Tẩm các loại vật liệu xốp bằng sơn cách điện. Sơn tẩm lấp đầy các lỗ xốp khiến cho hơi ẩm một mặt thoát ra bên ngoài, mặt khác làm tăng phẩm chất cách điện của vật liệu. . Quét lên bề mặt các vật liệu rắn lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn hơi ẩm lọt vào bên trong. . Tăng bề mặt điện môi, thường xuyên vệ sinh bề mặt vật liệu cách điện, tránh bụi bẩn bám vào làm tăng khả năng thấm ẩm có thể gây phóng điện trên bề mặt. 3.6.3. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện 54
VẬT LIỆU ĐIỆN Trong nhiều trường hợp thực tế, vật liệu cách điện còn phải chịu tải cơ học, do đó khi nghiên cứu vật liệu cách điện cần xét đến tính chất cơ học của nó. Khác với vật liệu dẫn điện kim loại có độ bền kéo σ k , nén σ n và uốn σ u hầu như gần bằng nhau, còn vật liệu cách điện, các tham số trên chênh lệch nhau khá xa. Căn cứ các độ bền này, người ta tính toán, chế tạo cách điện phù hợp với khả năng chịu lực tốt nhất của nó. 4 2 Ví dụ: Thuỷ tinh có độ bền nén σ n = 2.10 kG/cm trong khi độ bền kéo 2 2 σ k = 5.10 kG/cm . Vì thế thuỷ tinh thường được dùng vật liệu cách điện đỡ. Ngoài ra, khi chọn vật liệu cách điện cũng cần phải xét đến khả năng chịu va đập, độ rắn, độ giãn nở theo nhiệt của vật liệu. Đặc biệt chú ý khi gắn các loại vật liệu cách điện với nhau cần phải chọn vật liệu có hệ số giãn nở vì nhiệt gần bằng nhau. 3.6.2. Tính hóa học của vật liệu cách điện Tính chịu nhiệt của vật liệu cách điện là khả năng chịu tác dụng của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ. Mỗi loại vật liệu cách điện chỉ chịu được một nhiệt độ nhất định (tức là có độ bền chịu nhiệt độ nhất định). Độ bền chịu nhiệt được xác định theo nhiệt độ làm thay đổi tính năng của vật liệu cách điện. Đối với vật liệu cách điện vô cơ, độ bền chịu nhiệt được biểu thị bằng nhiệt độ mà nó bắt đầu có sự biến đổi rõ rệt các phẩm chất cách điện như tổn hao tg tăng, điện trở cách điện giảm sút Đối với vật liệu cách điện hữu cơ, độ bền chịu nhiệt là nhiệt độ gây nên các biến dạng cơ học, những biến dạng này đương nhiên sẽ dẫn đến sự suy giảm các phẩm chất cách điện của nó. Về mặt hóa học, nhiệt độ tăng sẽ dẫn đến tốc độ của các phản ứng hóa học xảy ra trong vật liệu cách điện tăng (thực nghiệm cho thấy tốc độ phản ứng hóa học tăng dạng hàm mũ theo nhiệt độ). Vì vậy, sự giảm sút phẩm chất cách điện của vật liệu gia tăng rất mạnh khi nhiệt độ tăng quá mức cho phép. 55
VẬT LIỆU ĐIỆN Bởi thế, ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IEC (International Electrical Commission) đã phân loại vật liệu cách điện theo nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép (đã nêu ở bảng 3.2). 3.1. HIỆN TƯỢNG ĐÁNH THỦNG ĐIỆN MÔI VÀ ĐỘ BỀN CÁCH ĐIỆN Mục đích của việc sử dụng vật liệu cách điện trong kỹ thuật điện là để duy trì khả năng cách điện của chúng trong điện trường. Bởi vậy, khi nghiên cứu vật liệu cách điện không thể không xét đến ảnh hưởng của điện môi trong điện trường. 3.1.1. Khái niệm về điện trường Sở dĩ các điện tích có tác dụng lực tương tác với nhau vì điện tích tạo ra trong không gian quanh nó một điện trường. Để đặc trưng cho sự mạnh yếu của điện trường, người ta đưa ra khái niệm cường độ điện trường E: F E = , (V/m) (3-1) q trong đó: F: lực điện tác dụng lên điện tích thử tại điểm ta xét (N). q: điện tích thử dương (C). Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng vật lý đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực, được đo bằng thương số của lực điện trường tác dụng lên một điện tích thử đặt tại điểm đó và độ lớn của điện tích thử đó. 3.1.2. Điện môi Điện môi là những chất không không dẫn điện vì trong điện môi không có hoặc có rất ít các điện tích tự do. Hằng số điện môi: từ công thức D = .0.E (3-2) D: là cảm ứng điện thường gọi là véc tơ dịch chuyển điện tích E: là điện trường 56
VẬT LIỆU ĐIỆN : là hằng số điện môi 11 0: hằng số điện môi trong chân không 0 =1/4.9.10 (F/m) Trong chân không - thực tiễn- trong không khí D = 0.E (3-3) Còn trong môi trường có hằng số điện môi  thì D = .0.E (3-4) Khi ta đặt giữa hai điện cực một tấm cách điện hình 3.1 thì có sự khác nhau giữa điện trường trong không khí và điện trường trong tấm cách điện. Trong không khí số đường sức điện trường và số đường dịch chuyển bằng nhau, và từ công thức(3-3) điện trường là: E= D/0 (3-5) =3 =1 =1 A C B Hình 3.1.Tấm cách điện nằm giữa điện môi Trong cách điện C có hằng số điện môi , điênh trường giảm tỷ lệ nghịc với . Trên hình 3.1 cho thấy với  =3 số đường sức điện trường bằng 1/ =1/3 số đường sức trong không khí. Điện tích dịch chuyển đến bề mặt của cách điện C, thì một số điện tích bị giữ lại, còn lại số điện tích tự do chuyển động qua được cách điện. Số điện tích tự do này tạo ra điện trường trong cách điện. Nếu khe hở E0 là điện trường trong không khí theo công thức(3.3) ta có: D = 0.E = E0 Còn trong cách điện C với hằng số điện môi  , thì điện trường giảm  lần tức là E= E0/ 3.1.3. Đặc điểm điện môi đặt trong điện trường Khác với kim loại và các chất điện phân, trong điện môi không có các hạt mang điện tự do. Sự phân bố điện tích âm và điện tích dương trong phân tử thường đối xứng, các trọng tâm điện tích dương và điện tích âm trùng nhau. Người ta gọi các phân tử đó là loại phân tử không phân cực. 57
VẬT LIỆU ĐIỆN Khi đặt điện môi thuộc loại không phân cực trong điện trường (hình 3.2), điện trường sẽ chuyển các phân tử thành các lưỡng cực điện. Các lưỡng cực điện đầu dương hướng về phía cực âm của điện trường, đầu âm hướng về phía cực dương của điện trường. Kết quả là trong điện môi hình thành điện trường mới gọi là điện trường phân cực EP, ngược chiều với điện trường ngoài. Cường độ điện trường phân cực E P nhỏ hơn cường độ điện trường ngoài E ng nên cường độ điện trường tổng hợp E trong chất điện môi có chiều cùng với chiều của điện trường ngoài và có trị số cường độ điện trường nhỏ hơn cường độ điện trường ngoài cho trước. Nếu cường độ điện trường trong chân không là E 0 thì khi đặt điện môi vào, cường độ điện trường sẽ là: E = E0 (3-6)   -gọi là hằng số điện môi tương đối của chất điện môi . Eng _ + _ + _ + E _ + _ + _ + + Ep - _ + _ + _ + _ + _ + _ + Hình 3.2 Sự phân cực của điện môi Tuy nhiên khi điện môi đặt trong điện trường thì có những biến đổi cơ bản khi đó điện môi chịu tác dụng của cường độ điện trường E được xác định như sau: U E (3-7) h U h Trong đó: U là điện áp đặt lên hai cực điện môi h là chiều dầy khối điện môi Hình 3.3.Điện môi khi đặt trong điện trường Điện môi trong điện trường phụ thuộc vào: - Cường độ điện trường (mạnh, yếu, xoay chiều , một chiều) - Thời gían điện môi nằm trong điện trường ( dài, ngắn) 58
VẬT LIỆU ĐIỆN - Yếu tố môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất Về cơ bản dưới tác dụng của điện trường có thể xảy ra bốn hiện tượng cơ bản sau: - Sự dẫn điện của điện môi - Sự phân cực điện môi - Tổn hao điện môi - Phóng thủng điện môi 3.1.4. Độ bền cách điện Trong điện môi có lẫn tạp chất có khả năng tạo ra một số điện tử tự do. Trong điều kiện bình thường độ dẫn điện của điện môi rất thấp, dòng điện qua điện môi gọi là dòng điện rò, trị số rất bé. Khi cường độ điện trường đủ lớn, lực tĩnh điện tác dụng lên điện tử, có thể bứt điện tử ra khỏi mối liên kết với hạt nhân trở thành điện tử tự do. Độ dẫn điện của điện môi tăng lên. Dòng điện qua điện môi tăng lên đột ngột, điện môi trở thành vật dẫn. Đó là hiện tượng đánh thủng cách điện. Cường độ điện trường đủu để gây ra hiện tượng đánh thủng điện môi gọi là cường độ đánh thủng E đt. Điện môi có Eđt càng lớn thì độ bền cách điện càng tốt. Vì thế cường độ đánh thủng được gọi là độ bền cách điện. Cường độ đánh thủng của điện môi phụ thuộc vào trạng thái của vật liệu cách điện như: độ ẩm, nhiệt độ, tác dụng của các tia bức xạ, Để đảm bảo cho điện môi làm việc tốt, cường độ điện trường đặt vào điện môi không vượt quá trị số giới hạn gọi là cường độ cho phép E cp. Thông thường chọn trị số Ecp nhỏ hơn Eđt từ hai đến ba lần: Eđt = kat Ecp (3-9) (kat - hệ số an toàn, thường lấy kat= 2-3 ). Căn cứ vào độ dày (d) của điện môi có thể xác định trị số điện áp đánh thủng Uđt và điện áp cho phép Ucp của thiết bị: Uđt = Eđt .d (3-10) Ucp = Ecp.d (3-11) 59
VẬT LIỆU ĐIỆN Bảng 3.1 nêu lên thông số đặc trưng của một số vật liệu cách điện thường gặp. Ví dụ: Xác định điện áp cho phép và điện áp đánh thủng của một tấm cáctông cách điện có bề dày d = 0,15 cm áp sát vào hai điện cực, cho biết hệ số an toàn bằng 3. Giải Tra bảng (3-1), được cường độ đánh thủng của cáctông cách điện lấy trung bình Eđt = 100 kV/cm. Ta có điện áp đánh thủng theo (3-10): Uđt = Eđt .d = 100. 0,15 = 15 kV Điện áp cho phép: Ucp = Uđt/ kat = 15/3 = 5 kV Bảng 3.1 Vật liệu Eđt, kV/cm  , cm Giấy tẩm dầu 100  250 3,6 Không khí 30 1 VảI sơn 100  400 3  4 1011  1013 Đá hoa 30  50 7  8 108  1011 Paraphin 200  250 2  2,2 1016  1017 Polietylen 500 2,25 1014  1016 Cao su 150  200 3  6 1013  1014 Thủy tinh 100  150 6  10 1014 Thủy tinh hữu cơ 400  500 3 1014  1016 Vải thủy tinh 300  400 3  4 5.1013 Mica 500  1000 5,4 5.10-3  1014 Dầu Xovon 150 5,3 5.1014  5.1015 Dầu biến áp 50  180 2  2,5 1014  1015 Sứ 150  200 5,5 1015  1016 Ebonit 600  800 3  3,5 108  1010 Cáctông cách điện 80  120 3  3,5 1011  1013 3.2. ĐIỆN DẪN ĐIỆN MÔI 60
VẬT LIỆU ĐIỆN Xác định bởi cách điện có hướng của các điện tích tự do tồn tại trong các chất điện môi dưới tác dụng của điện trường ngoài đặt lên điện môi. Dưới tác dụng của lực điện trường F= E.q các điện tích dương cách điện theo chiều điện trường, các điện tích âm cách điện ngược lại. Như vậy trong điện môi xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện điện dẫn, dòng điện này phụ thuộc vào mật độ điện tích tự do trong điện môi, dòng điện điện dẫn còn gọi là dòng điện rò (thường có giá trị rất nhỏ) Điện dẫn điện môi gồm : - Điện dẫn điện tử : Thành phần mang điện là các điện tử tự do - Điện dẫn ion : Thành phần mang điện là các ion dương và ion âm - Điện dẫn điện ly : Thành phần mang điện là các nhóm các phần tử tích điện, các tạp chất tồn tại trong điện môi. 3.3. PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI 3.3.1. Hiện tượng phân cực điện môi Khi đưa một thanh điện môi vào trong điện trường của một vật mang điện , thì trên các mặt giới hạn của thanh điện môi sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu. Mặt đối diện được tích điện trái dấu , mặt còn lại tích điện cùng dấu Hiện tượng trên thanh điện môi, khi đặt trong điện trường có xuất hiện các điện tích gọi là hiện tượng phân cực điện môi. Hiện tượng này trông bề ngoài giống như hiện tượng điện trường trong kim loại, nhưng về bản chất thì khác hẳn nhau. Trong hiện tượng phân cực điện môi, ta không thể tách riêng các điện tích để chỉ còn lại một loại điện tích. Trên thanh điện môi điện tích xuất hiện ở đâu thì sẽ định hướng ở đó, không dịch chuyển tự do được, vì vậy chúng được gọi là các điện tích liên kết. 3.3.2. Phân tử phân cực và phân tử không phân cực Mỗi phân tử hay nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện tích dương còn các điện tử mang điện tích âm. Khi xét tương tác của mỗi electron với các điện tích bên ngoài coi một cách gần đúng nhe e đứng yên tại một điểm nào đó Tác dụng của e trong phân tử tương đương với tác dụng của một điện tích tổng cộng -q của chúng tại một điểm nào đó trong phân tử, điểm này gọi là trọng tâm của điện tích âm. Tương đương như vậy, tác dụng của hạt nhân tương đương với tác dụng của điện tích tổng cộng +q của chúng đặt tại trọng tâm của điện tích dương. 61
VẬT LIỆU ĐIỆN Phân tử không phân cực là loại phân tử có phân bố các e đối xứng xung quanh hạt nhân, tức là tâm điện tích dương trùng với tâm điện tích âm, phân tử không phải là lưỡng cực điện có mô men điện của nó bằng không. Phân tử phân cực là loại phân tử có phân bố các e không đối xứng xung quanh hạt nhân, tức là tâm điện tích dương không trùng với tâm điện tích âm, phân tử là lưỡng cực điện có mô men điện của nó khác không. 3.3.3. Phân cực điện môi */Trường hợp điện môi cấu tạo bởi phân tử phân cực - Khi chưa đặt điện môi trong điện trường ngoài, do chuyển động nhiệt các lưỡng cực phân tử cách điện hỗn loạn nên tổng mô men điện của lưỡng cực bằng không. - Khi đặt điện môi trong điện trường ngoài, các lưỡng cực phân tử trong điện môi quay theo hướng điện trường ngoài, nên tổng mô men điện của lưỡng cực khác không */ Trường hợp điện môi cấu tạo bởi phân tử không phân cực - Khi chưa đặt điện môi trong điện trường ngoài, phân tử điện môi chưa phải là một lưỡng cực ( vì tâm của chúng trùng nhau) - Khi đặt điện môi trong điện trường ngoài, các phân tử trong khối điện môi trở thành các lưỡng cực điện do sự biến dạng của lớp vỏ e của phân tử ( sự dịch chuyển trong tâm điện tích âm) */ Trường hợp điện môi tinh thể - Điện môi tinh thể ion có mạng tinh thể ion lập phương, có thể coi tinh thể như một (phân tử khổng lồ) các mạng ion âm và dương trùng nhau. - Dưới tác dụng của điện trường các mạng ion dương dịch chuyển theo chiều điện trường, các mạng ion âm dịch chuyển theo chiều ngược lại gây ra hiện tượng phân cực điện môi gọi là phân cực ion. Kết luận: Như vậy phân cực là qúa trình xê dịch trong phạm vi nhỏ của các điện tích ràng buộc hoặc sự xoay hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường ngoài. Trong chất điện môi tồn tại rấy ít các điện tích tự do, còn lại đa số các điện tích có liên kết chặt chẽ với những phân tử bên cạnh gọi là những điện tích ràng buộc. Dưới tác dụng của điện trường, chúng không thể cách điện xuyên suốt qua điện môi để tạo thành dòng điện, mà chỉ có thể xê dịch rất ít hoặc xoay hướng theo chiều điện trường. 62
VẬT LIỆU ĐIỆN */ Các dạng phân cực chính của điện môi - Phân cực điện tử : là dạng phân cực do sự xê dịch có giới hạn của các quỹ đạo chuyển động của các điện tử dưới tác dụng của E ngoài. - Phân cực ion: là dạng phân cực do sự xê dịch của các ion liên kết dưới tác dụng của E ngoài. - Phân cực lưỡng cực : là dạng phân cực gây nên bởi sự định hướng của các lưỡng cực ( các phân tử có cực tính) - Phân cực kết cấu: là dạng phân cực đặc trưng cho điện môi có kết cấu không đồng nhất. - Phân cực tự phát: là dạng phân cực đăc trưng cho các sécnhét điện ( điện môi séc nhét có đặc điểm nổi bật là phân cực khi E ngoài bằng không). 3.4. TỔN HAO ĐIỆN MÔI Trong điện môi xảy ra quá trình phân cực, phía cực dương xuất hiện điện tích âm, phía cực âm xuất hiện điện tích dương. Điện môi sẽ tạo thành tụ điện. Hai quá trình điện dẫn và phân cực nói trên tác động lên điện môi làm cho nó phát nóng gây tổn hao điện môi. Phần điện năng tiêu hao để các hạt điện tích thắng lực liên kết khi chuyển động trong điện môi dưới tác dụng của điện trường bên ngoài E ng gọi là tổn hao điện môi. Khi khai thác các thiết bị điện, vấn đề tổn hao điện môi cần được chú ý đến, đặc biệt khi chúng làm việc ở điện áp cao hoặc tần số cao. Bởi trong điện trường, tổn hao điện môi có thể phá vỡ sự cân bằng nhiệt hoặc phá vỡ các liên kết hóa học trong điện môi, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện dẫn đến điện môi mất hẳn khả năng cách điện. Tổn hao điện môi có thể đặc trưng bởi suất tổn hao điện môi, đó là công suất tổn hao tính trong một đơn vị thể tích của điện môi. Ở điện áp xoay chiều, người ta thường dùng góc tổn hao điện môi  và ứng với nó là tg. Góc tổn hao điện môi là góc phụ của góc lệch pha giữa dòng điện i và điện áp u trong điện môi. Để đơn giản, ta xét tổn hao điện môi của chất điện môi giữa hai bản cực của một tụ điện. Biết hằng số điện môi là , tụ được nối vào một điện áp xoay chiều U. Khi đó: Dòng điện tích điện cho tụ điện It sẽ gồm hai thành phần (hình 3.2): 63
VẬT LIỆU ĐIỆN 0 . Dòng tích điện thực sự, I C sớm pha 90 so với điện áp đặt vào tụ mang tích chất điện dung có trị số: I R IC = .C.U, (A) (3-12) I C I hay IC = 2 f.C.U, (A) (3-13) t trong đó  C: điện dung của tụ (F) f: tần số dòng điện (Hz) 0 U: điện áp đặt vào tụ (V) U C : tần số góc,  = 2 f (rad/s) Hình 3.4. Sơ đồ phức của dòng điện và điện áp trên tụ điện . Dòng điện IR gây tổn hao, làm nóng điện môi, đồng pha với điện áp U. Dòng tích điện: 2 2 I = (3-14) t IC IR trong đó: IC = It cos IR = It sin IR tgδ hay IR = ICtg = .C.U.tg (3-15) IC Công suất tổn hao điện môi: 2 P = U.IR = .C.U .tg (W) (3-16) nếu thay: C = .C0 C0: điện dung của tụ điện với chất điện môi là không khí : hằng số điện môi tương ứng vào (3-10), ta được: 2 P = ..C0.U .tg (3-17) Với: : góc tổn hao điện môi tg: hệ số tổn hao điện môi, tgδ IR . IC .tg: số tổn hao. Từ (3-17) ta thấy P thay đổi tỷ lệ thuận theo tg. 64