Giáo trình Kỹ thuật điện (Trình độ Trung cấp) - Trường Cao đẳng Lào Cai

n trở suất ( mm2/m) S- tiết diện dây dẫn (mm2) l- Chiều dài dây dẫn(m) b. Điện dẫn G Điện dẫn G của một dây dẫn là đại lƣợng nghịch đảo của điện trở R G = R 1 (5) Điện dẫn G đƣợc tính với đơn vị là (1/) = (S) - Simen c. 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 đƣợc cho bởi công thức: i = no.S.vtb.e (6) 113 Trong đó: no : nhiệt độ phần tử mang điện. S : tiết diện vật dẫn vtb: tốc độ chuyển động trung bình của điện tử dƣới tác dụng của điện trƣờng E. e : điện tích của phần tử mang điện. Thay vtb = uE (u - độ di chuyển của phần tử mang điện) vào (6), ta đƣợc dạng tổng quát của định luật ôm: i = no.e.u.E = E (7) với  = no.e.u đƣợc gọi là điện dẫn suất. d. Điện dẫn suất  Đại lƣợng nghịch đảo của điện dẫn suất  gọi là điện trở suất   =  1 (8) Với một vật dẫn có tiết diện S và độ dài l không đổi thì  đƣợc xác định bởi biểu thức:  = R. l S (9) 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 (9), ta có: R = . S l = S l () (10) 2.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 2.2.1. Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim Hiện nay kim loại và hợp kim đƣợc dùng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế. Các kim loại đặc biệt là sắt và các hợp kim của của nó nhƣ gang, thép là những vật liệu chủ yếu của công nghiệp cơ khí, xây dựng và các phƣơng tiện giao thông vận tải . Một số thép đặc biệt dùng trong công nghệ hoá học, công nghệ hạt nhân, nghành vũ trụ. Kim loại và hợp kim đƣợc sử dụng rộng rãi để làm máy móc và công cụ đặc biệt là trong nghành điện vì chúng có ƣu điểm hơn hẳn các vật liệu khác: có tính dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền, độ cứng và độ dẻo dai cao. Ngày nay mặc dù chất dẻo ra đời và phát triển mạnh và bên cạnh đó còn có gỗ, tre và thuỷ tinh nhƣng kim loại và hợp kim là những vật liệu chủ yếu và quan trọng nhất của nghành công nghiệp hiện đại. a. Kim loại Để nhận biết đƣợc kim loại ngƣời ta dựa vào hệ số nhiệt điện trở ở kim loại hệ số này dƣơng tức là nhiệt độ tăng thì điện trở kim loại tăng. 114 b. Hợp kim Hợp kim là sản phẩm của sự nóng chảy của hai hay nhiều nguyên tố mà trong đó chủ yếu là kim loại. Trong thành phần hợp kim có thể có một lƣợng nhỏ các nguyên tố á kim. Ví dụ: Thép là hợp kim của sắt và các bon Nói chung kim loại nguyên chất có nhiều nhƣợc điểm nhƣ: độ dẻo, độ bền và độ cứng thấp, do đó các cơ cấu máy không làm bằng kim loại nguyên chất mà phải làm bằng hợp kim. 2.2.2.Các tính chất của vật liệu dẫn điện a. Tính chất lý học Vẻ sáng mặt ngoài của kim loại: theo vẽ sáng bề ngoài của kim loại có thể chia thành kim loại đen và kim loại màu: - Kim loại và hợp kim đen: gồm sắt và các hợp kim của sắt, tức là gang và thép. - Kim loại màu và hợp kim màu: là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại. Trọng lƣợng riêng: là trọng lƣợng của một đợn vị thể tích của vật: V p d  (G/cm 2 ) (11) Tính nóng chảy: kim loại có tính chảy loảng khi đốt nóng và đông đặc khi làm nguội. Nhiệt độ ứng với khi kim loại chuyển đổi 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. 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 dẫn nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, cũng nhƣ càng dễ nguội nhanh. Tính giãn nở nhiệt: khi đốt nóng các kim loại giản nở ra và khi làm nguội nó co lại. Sự giản nở nhiệt của các kim loại không giống nhau. Để đánh giá sự giản nở nhiệt của một vật nào đó, ngƣời ta đo chính xác độ giản dài của 1 mm vật đó khi nhiệt độ thay đổi 10C. Độ giản dài đo đƣợc gọi là hệ số giản nở nhiệt theo chiều dài. Tính dẫn điện: là khả năng dẫn điện của kim loại. Khi nhiệt độ cao tính dẫn điện giảm. ở nhiệt độ 00K điện trở của kim loại bằng không. Tính nhiễm từ: là khả năng kim loại bị từ hoá sau khi đƣợc đặt trong một từ trƣờng. Sắt và hầu hết các hợp kim của sắt đều có tính nhiễm từ. Niken và côban cũng có tính nhiễm từ và đƣợc gọi là chất sắt từ. Còn hầu hết các kim loại khác không có tính nhiễm từ. Nhiệt dung riêng: là nhiệt độ cần thiết làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 10C. b.Tính chất hoá học 115 Tính chất hoá học là biểu thị khả năng của kim loại và hợp kim chịu tác dụng hoá học của môi trƣờng có hoạt tính khác nhau và đƣợc biểu thị ở hai dạng chủ yếu: Tính chống ăn mòn: là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nƣớc hay ôxi của không khí ở nhiệt độ thƣờng hoặc nhiệt độ cao. Tính chịu axít: là khả năng chống lại tác dụng của các môi trƣờng axít. c.Tính chất cơ học Tính chất cơ học của kim loại hay còn gọi là cơ tính là khả năng chống lại tác dụng bên ngoài lên kim loại. Cơ tính của kim loại bao gồm: độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va chạm và độ mỏi. d. Tính công nghệ Tính công nghệ là khả năng kim loại có thể thực hiện đƣợc các phƣơng pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm. Tính công nghệ bao gồm: tính cắt gọt, tính hàn, tính đúc, tính nhiệt luyện. Tính cắt gọt: là khả năng của kim loại gia công cắt gọt dễ hay khó, đƣợc xác định bằng tốc độ cắt, lực cắt và độ bóng bề mặt của kim loại sau khi cắt gọt. Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết khi nung nóng cục bộ chổ nối đến trạng thái chảy hoặc dẻo Tính rèn: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực tác dụng lực từ bên ngoài để tạo thành hình dạng của chi tiết máy, mà không bị phá hỏng. Tính đúc: đƣợc xác định bởi độ chảy loảng của kim loại khi nấu chảy để đổ đầy vào khuôn đúc, độ co và tính thiên tích (tính thiên tích là độ không đồng nhất về thành phần hoá học trong từng phần của vật đúc và trong nội bộ các hạt của kim loại hay hợp kim). Tính nhiệt luyện: là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ dẻo, độ bền của kim loại bằng cách nung nóng kim loại tới nhiệt độ nhất định, giữ ở nhiệt độ đó một thời gian rồi sau đó làm nguội theo một chế độ nhất định. Sau khi nhiệt luyện, mức độ thay đổi của các kim loại cũng khác nhau, có kim loại thay đổi nhiều, có kim loại thay đổi ít và có kim loại hầu nhƣ không thay đổi. Tính kéo giãn: là tính chất của vật liệu có thể gia công đƣợc thành sợi. Yêu cầu vật liệu phải có cấu trúc dính chắc và phải có độ dẻo dai cao. Đây là một tính chất quan trọng trong công nghệ chế tại dây dẫn điện. e. Tính già hóa của kim loại Tính già hóa của kim loại là sự thay đổi theo thời gian của các tính chất kim loại hay hợp kim. ở nhiệt độ môi trƣờng xung quanh, thông thƣờng sau một thời gian kéo dài nó sẽ tạo nên sự già hóa (tính già hóa tự nhiên), còn khi nhiệt độ tăng lên thì tính già hóa nhanh hơn (tính già hóa nhân tạo). 2.3. NHỮNG HƢ HỎNG THƢỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.3.1. Những hƣ hỏng thƣờng gặp 116 Các loại vật liệu dẫn điện đƣợc sử dụng để chế tạo các bộ phận dẫn điện của máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện đa phần là những kim loại và hợp kim của chúng khi sử dụng lâu ngày sẽ bị hƣ hỏng và ta thƣờng gặp các dạng hƣ hỏng sau: Hƣ hỏng do bị ăn mòn kim loại. Hƣ hỏng do điện. Hƣ hỏng do bị già hóa của kim loại. Hƣ hỏng do các lực tác động từ bên ngoài. Hƣ hỏng do sự mài mòn giữa các bộ phận. a. Ăn mòn kim loại. Sự ăn mòn kim loại là một quá trình phá hủy kim loại và hợp kim dƣới hình thức hóa học và điện hóa do tác dụng của môi trƣờng xung quanh. Sự ăn mòn kim loại xẩy ra thƣơng xuyên và dƣới nhiều hiện tƣợng khác nhau. Sắt thép để lâu ngày không đƣợc bảo vệ tốt sẽ bị rỉ, đồng để trong không khí ẩm hoặc môi trƣờng có chất chua mặn sẽ tạo nên lớp vẩy màu xanh lục đó là rỉ đồng. Môi trƣờng xung quanh có tác dụng ăn mòn kim loại thƣờng là: không khí ẩm, nƣớc, nƣớc biển, axít, kiềm và các chất khác. ở nhiệt độ cao kim loại càng bị ăn mòn mạnh hơn. Sự ăn mòn đó là do tác dụng của môi trƣờng xung quanh và tác dụng đó diễn ra dƣới hai hình thức ăn mòn + ăn mòn hóa học. + ăn mòn điện hóa. * Phƣơng pháp chống ăn mòn kim loại. Trong kỹ thuật có rất nhiều phƣơng pháp chống ăn mòn kim loại đó là: + Phủ bằng lớp kim loại không bị ăn mòn. + Phủ một lớp bảo vệ không kim loại. + Phƣơng pháp bảo vệ bằng lớp ôxít.  Phủ bằng lớp kim loại không bị ăn mòn. Các phƣơng pháp phủ lớp kim loại bảo vệ là: phƣơng pháp nóng chảy, phƣơng pháp mạ, phƣơng pháp phun kim loại và cán dính kim loại. Phƣơng pháp nóng chảy: thƣờng phƣơng pháp đƣợc áp dụng để phủ lớp kẽm, thiếc, chì lên bề mặt chi tiết + Phủ kẽm: để phủ kẽm ngƣời ta đun nóng chảy kẽm ở nhiệt độ 4500C - 4800C sau đó nhúng chi tiết cần phủ kẽm vào. Lớp kẽm nóng chảy sẽ bám lên bề mặt ngoài của chi tiết và có bề dày từ (0,06  0,13)mm. Phủ kẽm đơn giản, nhanh nhƣng ít đƣợc dùng vì khó khống chế bề dày lớp kẽm nóng chảy hơn nữa làm giảm độ cứng của chi tiết + Phủ thiếc: khi phủ thiếc ngƣời ta nhúng chi tiết vào thiếc nóng chảy ở nhiệt độ 270 0 c - 300 0 c 117 + Phủ chì: ta nhúng chi tiết vào chì nóng chảy ở nhiệt độ 3500c. Chiều dày lớp chì bám vào chi tiết khoảng (0,5  0,7) mm. Thƣờng ngƣời ta phủ lớp chi - thiếc, lớp phủ này có độ bám chắc và độ dẻo cao hơn. Mạ kim loại: ngoài mục đích để bảo vệ kim loại không bị rỉ, mạ kim loại còn có tác dụng làm đẹp cho các chi tiết máy. Mạ kim loại cho phép ta khống chế đƣợc bề dày lớp kim loại phủ lên chi tiết. Tiết kiệm đƣợc kim loại và không phải nung nóng chi tiết cần mạ. Phun một lớp kim loại bảo vệ: đƣợc thực hiện bằng cách phun đắp lên chi tiết một lớp kim loại nóng chảy. Phƣơng pháp này có thể tiến hành với các lớp kim loại bảo vệ nhƣ: đồng, nhôm, kẽm,chì vv... Cán dính một lớp kim loại bảo vệ: thƣờng thực hiện cho các tấm kim loại, bằng cách cán dính vào các tấm kim loại một lớp kim loại bảo vệ mỏng. Các kim loại đƣợc cán dính vào để bảo vệ là: đồng, nhôm, niken vv...  Phủ lớp bảo vệ phi kim loại : Ngƣời ta thƣờng áp dụng các phƣơng pháp sau: sơn, sơn êmay, bôi dầu mỡ, phủ một lớp chất dẻo vv...  Phƣơng pháp bảo vệ bằng lớp ôxít: ngƣời ta dùng những ôxít bền vững với môi trƣờng để bọc lên trên những kim loại chịu ảnh hƣởng nhiều của môI trƣờng. b. Hư hỏng do điện. Là do các loại máy điện, thiết bị điện, khí cụ điện, vật dẫn điện khi làm việc với các đại lƣợng, thông số vƣợt quá trị số định mức nhƣ: các đại lƣợng về dòng điện, điện áp, công suất v.v... Ví dụ: + Quá dòng điện: Dòng điện vƣợt quá trị số định mức nhƣ, quá tải, ngắn mạch, khi đó các tổn hao trong dây quấn, vật dẫn điện vƣợt quá mức bình thƣờng làm nhiệt độ tăng cao gây hƣ hỏng. + Quá điện áp: điện áp vƣợt quá trị số định mức nhƣ trong trƣờng hợp quá điện áp do sét. Khi đó điện trƣờng trong vật liệu cách điện tăng cao có thể xẩy ra phóng điện gây hƣ hỏng cách điện dẫn đến vật dẫn xẫy ra hiện tƣợng ngắn mạch. + Các loại ngắn mạch: Ngắn mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất. Khi có ngắn mạch dòng điện rất lớn, đây là trƣờng hợp sự cố của mạch điện nên cần thiết phải có thiết bị bảo vệ. c. Hư hỏng do bị già hóa của kim loại. Tính già hóa của kim loại là sự thay đổi theo thời gian của các tính chất kim loại hay hợp kim. ở nhiệt độ môi trƣờng xung quanh, thông thƣờng sau một thời gian kéo dài nó sẽ tạo nên sự già hóa (tính già hóa tự nhiên), còn khi nhiệt độ tăng lên thì tính già hóa nhanh hơn (tính già hóa nhân tạo). d. Hư hỏng do các lực tác động từ bên ngoài. 118 Trong quá trình các loại máy điện, thiết bị điện, khí cụ điện, vật dẫn điện làm việc do các lực bên ngoài tác động hoặc bị chấn động làm chúng bị biến dạng thậm chí làm hỏng bộ dây quấn hay vật dẫn. e. Hư hỏng do sự mài mòn giữa các bộ phận Trong quá trình làm việc nếu các bộ phận tiếp xúc luôn có sự chuyển động tƣơng đối với nhau thì sẽ bị mài mòn dẫn đến bị hƣ hỏng. 2.3.2. Cách chọn vật liệu dẫn điện Khi cần lựa chọn vật liệu dẫn điện ta căn cứ vào: + Độ dẫn điện: tùy vào nhu cầu sử dụng mà ngƣời ta sẽ chọn vật liệu có điện trở suất phù hợp. Ví dụ nhƣ khi chế tạo dây dẫn thƣờng dùng đồng, nhôm (có điện trở suất () bé), còn khi làm các dây đốt nóng thì dùng các loại hợp kim nhƣ constantan, maiso, mâgnin v. v...(có điện trở suất () lớn hơn). + Độ bền cơ: tùy vào qui trình làm việc mà chọn vật liệu có độ bền cơ thích hợp, ví dụ: để tăng độ bền keó cho dây dẫn ngƣời ta dùng dây có lõi thép, tiếp điểm thì dùng đồng thau, đồng thanh. + Độ bền chống ăn mòn: căn cứ vào điều kiện và môi trƣờng làm việc của chi tiết, bộ phận hay thiết bị điện mà ngƣời ta chọn vật liệu có tính chống ăn mòn thích hợp. Ví dụ mối tiếp xúc cố định ngƣời ta không dùng những kim loại có điện thế hóa học khác nhau để tránh kim loại bị ăn mòn điện hóa, hoặc là khi môi trƣờng làm việc ẩm ƣớt và có nhiều khí hóa học thì ta lựa chọn những vật liệu có tính chống lại sự ăn mòn của môi trƣờng v v... 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 a. 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 ƣu 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 nhƣng do bạc đắt tiền hơn nên ít đƣợc dùng so với đồng). - Có sức bền cơ giới đủ lớn. - Trong đa số trƣờng hợp có thể chịu đƣợc 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. 119 - 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 đƣợc tinh luyện bằng điện phân, tạp chất lẫn trong đồng dù một lƣợng rất nhỏ thì tính dẫn điện của nó cũng giảm đi đáng kể. Qua nghiên cứu, ngƣời 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, thƣờng chỉ dùng đồng điện phân chứa trên 99,9% Cu. * Điện trở suất và các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất Đồng đƣợc tiêu chuẩn hóa trên thị trƣờng quốc tế ở 200C có: -  = 1,7241.10-6(.cm) -  = 0,58.106 (1/.cm) -  = 0,00393 (1/0C) Các yếu tố ảnh hƣởng đến điện trở suất - Ảnh hƣởng của các tạp chất - Ảnh hƣởng của gia công cơ khí - Ảnh hƣởng của quá trình xử lý nhiệt Nhìn chung các ảnh hƣởng trên đều giảm điện dẫn suất của đồng. * Phân loại: - Đồng khi kéo nguội đƣợc gọi là đồng cứng: nó có sức bền cao, độ giãn dài nhỏ, rắn và đàn hồi (khi uốn). - Đồng đƣợc 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 đƣợc sử dụng trong công nghiệp là loại đồng tinh chế, nó đƣợc phân loại trên cơ sở các tạp chất có trong đồng tức là mức độ tinh khiết, bảng 3.5 Bảng 3.5 Mức độ tinh khiết của đồng tinh chế Ký hiệu CuE Cu9 Cu5 Cu0 Cu% 99,95 99,90 99,50 99,00 Trong kỹ thuật ngƣời ta sử dụng đồng điện phân CuE và Cu9 để làm dây dẫn điện. * Ứng dụng: - Đồng cứng đƣợc dùng ở những nơi cần sức bền cơ giới cao, chịu đƣợc mài mòn nhƣ làm cổ góp điện, các thanh dẫn ở tủ phân phối, các thanh cái các trạm biến áp, các lƣỡi dao chính của cầu dao, các tiếp điểm của thiết bị bảo vệ... - Đồng mềm đƣợc dùng ở những nơi cần độ uốn lớn và sức bền cơ giới cao nhƣ: ruột dẫn điện cáp, thanh góp điện áp cao, dây dẫn điện, dây quấn trong các máy điện. b. Hợp kim của đồng 120 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; ngƣời ta dễ dàng gia công trên máy công cụ và cỏ thể phủ lên bề mặt của các kim loại khác theo phƣơng pháp mạ điện. Những hợp kim chính của đồng đƣợc 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, ngƣời ta còn dùng các hợp kim của đồng với các chất khác nhƣ: thiếc, silic, phốtpho, bêrili, crôm, mangan, cadmi..., trong đó đồng chiếm vị trí cơ bản, còn các chất khác có hàm lƣợng thấp. Căn cứ vào lƣợng và thành phần các chất chứa trong đồng, ngƣời ta chia hợp kim của đồng thành các dạng chủ yếu nhƣ sau: * Đồng thanh (đồng đỏ): Là hợp kim của đồng với các nguyên tố kim loại khác trừ kẽm. Nếu trong đồng thanh chỉ có hai nguyên tố kim loại thì ta gọi là đồng thanh nhị nguyên, nếu có nhiều hơn hai nguyên tố kim loại thì ta gọi là đồng thanh đa nguyên. Đồng thanh có đặc tính dễ cắt gọt và tính chống ăn mòn cao, một số đồng thanh còn có tính chống mài mòn làm hợp kim đỡ sát, chế tạo ổ trục. Đồng thanh có tính đúc tốt, đồng thanh với những thành phần thích hợp nó có những tính chất cơ học tốt hơn đồng . Điện trở suất của đồng thanh cao hơn đồng tinh khiết. Đồng thanh cũng đƣợc sử dụng rộng rãi để chế tạo lò xo dẫn điên, làm các tiếp điểm đặc biệt là tiếp điểm trƣợt. Tính chất của hợp kim đồng kỹ thuật đƣợc cho trong bảng 3.6 Bảng 3.6: Tính chất của hợp kim đồng kỹ thuật. Hợp kim Trạng thái Điện dẫn % so với đồng (Cu) Giới hạn bền kéo, kG/mm 2 Độ giãn dài tƣơng đối khi đứt, % Đồng thanh cadmi (0,9% cd) ủ Kéo nguội 95 83  90 Đến 31 Đến 73 50 4 Đồng thanh (0,8 %Cd; 0,6 %Sn) ủ Kéo nguội 55  60 50  55 29 Đến 73 55 4 Đồng thanh (2,5%Al; 2% Sn) ủ Kéo nguội 15  18 15  18 37 Đến 97 45 4 Đồng thanh phốt pho ủ Kéo nguội 10  15 10  15 40 105 60 3 Đồng thau ủ Kéo nguội 25 25 32  35 Đến 88 60  70 5 * Đồng thau: 121 Đồng thau là một hợp kim đồng với kẽm, trong đó kẽm không vƣợt 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 3000C và đôi khi đƣợc sử dụng để bảo vệ các chi tiết chống lại sự ăn mòn của không khí có Amôniac nếu không sử dụng một phƣơng pháp bảo vệ nào khác. Để tăng sức đề kháng đối với sự ăn mòn điện hoá, ngƣời ta thƣờng tẩm thiếc hay tráng kẽm khi đồng thau còn nóng Đồng thau đƣợc sử dụng nhiều trong nghành điện để gia công các chi tiết dẫn dòng điện nhƣ: các đầu cực, các thanh cái ở các bảng phân phối, các đầu nối đến hệ thống tiếp đất, các móc giữ, các móc hình chữ T, các mối nối nhánh, các đầu để gắn cầu chì, lƣỡi và ngàm trong cầu dao vv... 2.4.2. Nhôm và hợp kim của nhôm a. Nhôm (Al) * Tầm quan trọng của nhôm trong kỹ thuật điện. Sau đồng, nhôm là vật liệu quan trọng thứ hai đƣợc sử dụng trong kỹ thuật điện, nhôm có điện dẫn suất cao (nó chỉ thua bạc, đồng và thiếc), trọng lƣợng riêng giảm (2,76 G/cm 3), tính chất vật liệu và hoá học cho ta khả năng dùng nó làm dây dẫn điện. Nhôm có cấu trúc mạng tinh thể là „‟lập phƣơng diện tâm” và không đổi cho đến khi nguội ở nhiệt độ thƣờng. Nhôm có màu bạc trắng là kim loại tiêu biểu cho các kim loại nhẹ (nghĩa là kim loại có khối lƣợng riêng nhỏ hơn 5 G/cm3). Khối lƣợng riêng của nhôm đúc gần bằng 2,6 G/cm 3 , nhôm cán là 2,76 G/cm 3, nhẹ hơn đồng 3,5 lần. Hệ số nhiệt độ dãn nở dài, nhiệt dung và nhiệt nóng chảy của nhôm đều lớn hơn đồng. Nhôm có sức bền đối với sự ăn mòn của môi trƣờng do có lớp màng mỏng oxyt tạo ở bề mặt khi tiếp xúc với không khí. Lớp màng mỏng oxyt này có điện trở lớn nên cản trở việc thực hiện tiếp xúc tốt giữa các dây dẫn. Cũng tƣơng tự lớp này tạo khó khăn cho hàn và dính kết các dây dẫn. Ngoài ra nhôm còn có một số ƣu nhƣợc điểm sau: * ƣu điểm: - Giá thành thấp hơn nhiều lần so với đồng. - Trọng lƣợng nhẹ nên đƣợc dùng để chế tạo các đƣờng dây tải điện trên không, những đƣờng cáp này để có điện trở nhỏ, đƣờng kính dây phải lớn nên giảm đƣợc hiện tƣợng phóng điện vầng quang. 122 * Nhƣợc điểm: - Sức bền cơ khí tƣơng đối bé và gặp khó khăn trong việc thực hiện tiếp xúc điện khi nối với nhau. - Cùng một tiết diện và độ dài, nhôm có điện trở cao hơn đồng 1,63 lần. - Khó hàn nối hơn đồng, chổ nối tiếp xúc không hàn dễ hình thành lớp ôxít có trị số điện trở suất khá cao phá hủy chổ tiếp xúc. - Khi cho nhôm và đồng tiếp xúc nhau, nếu bị ẩm sẽ hình thành pin cục bộ có trị số suất điện động khá cao, dòng điện đi từ nhôm sang đồng phá huỷ mối tiếp xúc rất nhanh. * Ứng dụng: Trong kỹ thuật điện, nhôm đƣợc sử dụng phổ biến để chế tạo: - Dây dẫn điện đi trên không để truyền tải điện năng. - Ruột cáp điện. - Các thanh ghép và chi tiết cho trang thiết bị điện. - Dây quấn trong các máy điện. - Các lá nhôm để làm tụ điện, lõi dẫn từ máy biến áp, các rôto của động cơ điện,... b. 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 đƣợc 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 đƣợc thông qua việc tôi hợp kim (nung nóng đến 5006000C), kéo nó thành sợi ở kích thƣớc 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 đƣờng dây trên không, giảm chi phí xây dựng đáng kể. 2.4.3 Chì và hợp kim của chì * Đặc tính Chì là kim loại có màu tro sáng ngã màu xanh da trời, là kim loại mềm, dễ dàng uốn cong hoặc cắt bằng dao cắt công nghiệp. Chỗ mới cắt có màu sáng rực và màu sáng rực này mất đi rất nhanh và trở thành màu tro. Nó có sức bền đối với thời tiết xấu do có những tổ hợp bảo vệ hình thành trên bề mặt (PbCO3, PbSO4,). Không bị tác dụng bởi axit clohydric, axit sulphuaric, axit sulphuarơ, axit flohydric,axit phosphoric hoặc amôniac, clo, xút, borax. Chì hòa tan dễ dàng trong axit nitric pha loãng hay axit axêtic pha loãng. 123 Chì có sức bền với muối amoniac, clorua, dầunhƣng không bền đối với chất kiềm. Sự bay hơi của chì rất độc hại. Chì là kim loại rất dễ dát mỏng thành sợi, thành tấm. Ở trạng thái lỏng, chì dễ chảy và có thể làm đầy khuôn mẫu. Do nhiệt độ nóng chảy thấp nên ngƣời ta dùng chì làm vật liệu hàn và hàn gắn rất tốt. Chì không có sức đề kháng ở dao động, đặc biệt ở môi trƣờng nhiệt độ cao. Vì vậy cáp có vỏ bọc chì không nên đặt ở gần đƣờng sắt vì nhƣ vậy có thể xuất hiện các đƣờng nứt. Hợp kim chì với tỉ leeh phần trăm nhỏ của SB, Te, Cu, Sn thì sẽ tạo cho chì 1 cấu trúc mịn hơn và có sức đề kháng đối với sự dao động nhƣng ít bền đối với sự ăn mòn. Sau khi giãn nở do nhiệt, chì mềm không trở lại dạng kích thƣớc ban đầu. Chì là loại vật liệu bảo vệ tốt nhất đối với sự xuyên thủng của tia Rơnghen (tia X). * Ứng dụng Chì và hợp kim của chì dùng làm vỏ bảo vệ ở cáp điện nhằm chống ẩm ƣớt. Chì không bị thẩm thấu bởi chất lỏng và khí, nó bảo vệ ngăn cách đối với ẩm ƣớt. Chì tham gia vào các hợp kim. Chì đƣợc dùng để chế tạo ăcquy điện có các tấm bản chì. Chì đƣợc sử dụng làm dây chì nóng chảy để bảo vệ các đƣờng dây dẫn điện. Chì đƣợc sử dụng nhƣ vật liệu bảo vệ đối với sự hấp thụ của tia Rơnghen. 2.4.4. Sắt và hợp kim của sắt * Tính chất của sắt Sắt tinh khiết là kim loại màu trắng bạc, không khí khô không tác dụng vào sắt, song nó bị tác dụng bởi khí quyển ẩm và axit, nhƣng ít hơn sắt kỹ thuật (vì sắt kỹ thuật có nhiều tạp chất). Dây dẫn bằng thép bị ăn mòn thông qua hiện tƣợng rỉ ở nhiệt độ bình thƣờng, đặc biệt trong môi trƣờng ẩm thấp. Để tránh ăn mòn, bề mặt tiếp xúc của các thanh góp của các trang thiết bị điện ngƣời ta phủ một lớp cadmi, tức tạo ra một lớp bảo vệ ổn định đối với không khí.. Dây dẫn bằng thép có thể chịu đựng tốt ở nhiệt độ đến 1000C mà không làm biến đổi phẩm chất cơ khí của thép. Điện trở của dây dẫn thép ở dòng xoay chiều tăng hơn so với dòng một chiều do ảnh hƣởng của hiệu ứng màng ngoài.. * Ứng dụng Thép có điện trở suất gấp 7 † 8 lần so với đồng nhƣng sức bền cơ khí gấp 2 † 2,5 lần, do đó dây dẫn thép đƣợc sử dụng ở những cột lớn, những tuyến vƣợt sông 124 rộngvà có thể sử dụng cho những khoảng cột lớn từ 1500 † 1900m. Dây dẫn bằng thép có thể đƣợc mắc với độ võng bé hơn các dây dẫn khác, do vậy cột có thể thấp hơn nhƣng khỏe hơn. Lực kéo căng của dây thép khá lớn nên có thể dùng thép các cột thấp hơn. Sự phong phú của thép trong quặng thiên nhiên và giá thành thấp của thép làm cho giá thành của dây dẫn thép thấp hơn dây dẫn đồng hay nhôm. Sự tổn thất nhiều trong lƣới điện dùng dây dẫn thép phải đƣợc nghiên cứu và tính toán nên chỉ dùng dây dẫn thép trong trƣờng hợp năng lƣợng điện có giá thành hạ. Thanh ray của tàu điện, của đƣờng sắt con tàu sử dụng điện, của đƣờng sắt mêtrô đƣợc sử dụng nhƣ các đƣờng dây dẫn điện. Dây dẫn bằng thép thay cho dây đồng đối với những thiết bị phải làm việc trong những điều kiện nặng nhọc nhƣ va đập cơ khí, áp suất lớn, bụi khói,dẫn đến bị mài mòn nhanh. Dây dẫn bằng thép đƣợc dùng làm dây dẫn bảo vệ đối với quá điện áp của đƣờng dây trên không (dây chống sét), dây dẫn sét và trang thiết bị nối đất. Một lĩnh vực quan trọng khác của việc ứng dụng dây dẫn điện bằng thép và các chi tiết bằng gang là chế tạo các điện trở phát nóng với nhiệt độ phát nóng lên đến 300 – 5000C, đồng thời dùng làm biến trở khởi động và điều chỉnh. Thép rèn đôi khi đƣợc dùng ở vòng cổ góp của máy điện để thay thế cho các vòng bằng đồng hay thanh gang. Sắt đƣợc làm dây tóc bóng đèn hay sử dụng làm điện trở. Sắt tinh khiết (đƣợc chế tạo bằng điện phân) đƣợc sử dụng chế tạo các điện cực anot (điện cực dƣơng) ở các chỉnh lƣu với bể thủy ngân. 2.4.5. Wofram (W) * Đặc tính của wonfram (W) Wonfram là kim loại rất cứng, có màu tro chiếu sáng, không bị thay đổi ở nhiệt độ thƣờng dù có hơi nƣớc. Ở 7000C, wonfram bắt đầu bị oxi hóa, tạo nên oxit màu trắng (WO3), nếu tăng nhiệt độ, oxit trắng này sẽ chuyển sang màu vàng. Ở nhiệt độ cao, wonfram phản ứng với oxit cacbon, nitơ, hơi nƣớc và hydro cacbua, wonfram không phản ứng với thủy ngân và hidro. Ở các khí cụ điện với kỹ thuật chân không, có sợi tóc nung nóng bằng wonfram (đèn nung sáng, bóng điện tử), nếu bên trong có vết hơi nƣớc thì dây tóc sẽ bị hủy hoại rất nhanh. Giải thích tại sao ? Ở nhiệt độ của dây tóc, hơi nƣớc bị phân tích và oxy từ kết quả của sự phân tích này sẽ tác dụng với wonfram tạo nên oxit WO3 bám vào bờ của bóng đèn. Trên đƣờng đi từ sợi tóc đến các bờ của bóng đèn, hay sau khi đạt đến bờ bóng đèn, WO3 sẽ bị 125 giảm bởi hydro (do sự phân tích của hơi nƣớc) sẽ tái tạo lại nƣớc. Nhƣ vậy wonfram của sợi tóc sẽ vận chuyển và bám vào bờ của bóng đèn. Wonfram không tan trong axit, nó hòa tan trong Na2CO3 nóng chảy. Những chi tiết wonfram tƣơng đối dày cũng dễ vỡ và đứt vì mối liên hệ cơ học giữa mạng tinh thể rất yếu. Đối với những sợi tóc phải uốn thành những vòng xoắn, ngƣời ta chỉ sử dụng dây đa tinh thể, mạng kết cấu này sẽ cản trở việc tái tạo lại mạng tinh thể bằng cách đƣa vào các oxit khó bay hơi (SiO2, CaO, K2O, Al2O3, ThO2). Cùng với việc thêm vào oxit ThO2 (0,75†2%) ngƣời ta đã thành công trong việc chế tạo dây tóc bằng wonfram, nó chịu đƣợc đến nhiệt độ 25000C và tƣơng đối bền vững đối với sự biến dạng. Wonfram là kim loại có sức bền đứt và độ cứng rất cao, có nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong tất cả các kim loại (33800C) Sức bền cơ khí và sự kéo dài của wonfram thay đổi tùy theo nhiệt độ và phƣơng pháp gia công. Tốc độ bay hơi của wonfram trong khí quyển nitơ là 2 † 5% nhỏ hơn trong chân không, còn trong khí argon là 1,3 ÷ 3% nhỏ hơn trong chân không. Sự phát xạ điện tử của wonfram thay đổi theo nhiệt độ của Catod. * Ứng dụng Wonfram là loại kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất, đƣợc chế tạo thành dây sợi tóc trong bóng đèn dây tóc, chế tạo các điện trở phát nóng cho các lò điện, chế tạo các phần tử nhiệt, Nó có sự phát xạ điện tử tƣơng đối thỏa mãn nên trƣớc đây đƣợc dùng trong các bóng đèn điện tử. - Wonfram đƣợc dùng làm dây vòng xoắn ở đèn nung sáng. - Wonfram đƣợc dùng các điện cực catôt (cực âm). - Wonfram đƣợc dùng làm điện trở nung nóng. - Các tiếp điểm điện: Wonfram có độ tinh khiết 99,5 ÷ 99,8% có khả năng chịu đựng phóng điện thông qua hồ quang, vì vậy ngƣời ta sử dụng nó nhƣ vật liệu cho các tiếp điểm điện khi ngắt, đối với dòng điện bé. 3. VẬT LIỆU DẪN TỪ 3.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU DẪN TỪ 3.1.1. Khái niệm Một trong những tác dụng cơ bản của dòng điện là tác dụng từ. Đó chính là cơ sở để chế tạo các loại máy điện. Để truyền tải đƣợc năng lƣợng từ trƣờng cần phải có những vật liệu có từ tính, đó chính là nhóm vật liệu dẫn từ (còn gọi là vật liệu sắt từ ). Kim loại chủ yếu có từ tính là sắt cacbon, niken và các hợp kim của chúng, bên cạnh đó còn có côban cũng đƣợc gọi là chất sắt từ đã qua quá trình tinh luyện. 3.1.2. Tính chất của vật liệu dẫn từ 126 Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu là các điện tích luôn chuyển động nằm theo quỹ đạo kín, tạo nên những dòng điện vòng đó là sự quay của các điện tử xung quanh trục của mình và sự quay theo quỷ đạo của các điện tử trong nguyên tử. Hiện tƣợng sắt từ là do trong một số vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nhất định đã phân thành những vùng mà trong từng vùng ấy các điện tử đều định hƣớng song song với nhau. Các vùng ấy đƣợc gọi là đômen tử. Nhƣ vậy tính chất đặc trƣng cho trạng thái sắt từ của các chất là nó có độ nhiễm từ tự phát ngay khi không có từ trƣờng ngoài. Mặc dù trong chất sắt từ có những vùng từ hóa tự phát nhƣng mômen từ của các đômen lại có hƣớng rất khác nhau. Các chất sắt từ đơn tinh thể có khả năng từ hóa dị hƣớng nghĩa là theo các trục khác nhau mức từ hóa khó hay dễ cũng khác nhau. Trong trƣờng hợp các chất sắt từ đa tinh thể có tính dị hƣớng thể hiện rất rõ ngƣời ta gọi chất đó là có cấu tạo thớ từ tính. Tạo đƣợc thớ từ theo ý muốn có ý nghĩa lớn, nó đƣợc sử dụng trong kỹ thuật để nâng cao đặc tính từ của vật liệu theo hƣớng xác định. 3.1.3. Các đặc tính của vật liệu dẫn từ Tại mỗi điểm trong từ trƣờng, hệ số từ thẩm bằng tỷ số giữa cƣờng độ từ cảm B và cƣờng độ từ trƣờng H. Môi trƣờng là chân không, có các trị số cƣờng độ từ cảm B0 và từ trƣờng H0, thì: 0 = 0 0 H B (6.1) 0-hệ số từ thẩm tuyệt đối của chân không, về trị số 0= 4.10 -7 s/m. Đơn vị s/m còn gọi là Henry/mét (H/m). Trong môi trƣờng khác chân không, ta có:  0 = H B hay B =  0H (6.2)  - hệ số từ thẩm tƣơng đối của môi trƣờng từ trƣờng khác chân không, cho biết hệ số từ thẩm tuyệt đối của môi trƣờng so với hệ số từ thẩm của chân không 0 là bao nhiêu. Theo hệ số từ thẩm và từ tính của vật chất, ngƣời ta chia ra các chất thuận từ, nghịch từ và dẫn từ. a. Chất thuận từ: là chất có độ từ thẩm  > 1 và không phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ, oxyt, muối sắt, muối côban, muối niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim. b. Chất nghịch từ: là chất có độ từ thẩm  < 1 và không phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng ngoài. Loại này gồm có hydro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, antimon, gali,... . Các chất thuận từ và ngịch từ giống nhau ở chỗ từ yếu, tức là cùng có độ từ thẩm  sấp sỉ bằng 1. Ví dụ nhôm là chất thuận từ có  = 1,000023, còn đồng là chất nghịch từ có  = 0,999995. 127 c. Chất dẫn từ: là chất có độ từ thẩm  >> 1 và phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng ngoài. Loại này gồm có sắt, niken, côban và các hợp kim của chúng, hợp kim crôm - mangan, gađôlonit và ferit có các thành phần khác nhau. 3.1.4 Những hƣ hỏng thƣờng gặp vật liệu dẫn từ Các loại vật liệu dẫn từ đƣợc sử dụng để chế tạo các mạch từ của các thiết bị điện, máy điện và khí cụ điện, nên khi sử dụng lâu ngày sẽ bị hƣ hỏng và ta thƣờng gặp các dạng hƣ hỏng sau: + Hƣ hỏng do bị ăn mòn kim loại: đa phần chúng là các chất sắt từ và các hợp chất sắt từ nên chúng cũng bị tác dụng của môi trƣờng xung quanh và tác dụng đó diễn ra dƣới hai hình thức ăn mòn, ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa nhƣ những kim loại khác mặc dầu trên bề mặt chúng có sơn lớp sơn cách điện. + Hƣ hỏng do điện: trong quá trình làm việc do xẩy ra các hiện tƣơng nhƣ quá điện áp, do bị ngắn mạch nên các cuộn dây đặt trên mạch từ bị cháy nên làm hỏng các mạch từ. + Hƣ hỏng do bị già hóa của kim loại: dƣới tác dụng của thời gian và môi trƣờng làm cho các tính chất của vật liệu từ thay đổi. + Hƣ hỏng do các lực tác động từ bên ngoài: dƣới tác dụng của ngoại lực làm cho các vật liệu từ bị biến dạng hoặc bị hỏng. + Dƣới tác dụng của nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng lên (khoảng 1250C) các vật liệu có từ tính sẽ mất từ tính. 3.2 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN TỪ THÔNG DỤNG 3.2.1. Vật liệu từ mềm Là những vật liệu có độ thấm từ cao lực kháng từ nhỏ tổn thất nhỏ thƣờng dùng làm lõi máy biến áp, nam châm. Để giảm dòng điện xoáy ngƣời ta phủ một lớp mỏng lên vật liệu từ mềm có sơn cách điện để tăng điện trở suất. a. Thép kỹ thuật (gồm cả gang) đƣợc dùng làm từ trƣờng trong mạch từ không đổi. Thép kỹ thuật có cƣờng độ từ cảm bão hoà cao (tới 2,2 Tesla), hằng số từ thẩm lớn và cƣờng độ khử từ nhỏ. b. Thép lá kỹ thuật điện là hợp chất sắt-silic (1-4%Si). Silic cải thiện đặc tính từ của sắt kỹ thuật: tăng hằng số từ thẩm, giảm cƣờng độ khử từ, tăng điện trở suất (để giảm dòng điện Fucô hay dòng điện xoáy). c. Pecmaloi là hợp kim sắt - niken (22%Ni), ngoài ra còn có một số tạp chất: Molipden, crôm, silic, nhôm. Pecmaloi có hằng số từ thẩm lớn gấp 10-50 lần so với thép lá kỹ thuật điện, chỉ cần một cƣờng độ từ trƣờng nhỏ vài phần đến vài chục phần trăm A/m, thép đã đạt tới cƣờng độ từ cảm bão hoà. d. Ferit là vật liệu sắt từ gồm có bột oxýt sắt, kẽm và một số nguyên tố khác. Khi chế tạo, hỗn hợp đƣợc ép trong khuôn với công suất lớn và nung đến nhiệt độ khoảng 1200 0C, thành phẩm sẽ có dạng theo ý muốn. Ferit có điện trở suất rất lớn, thực tế có thể coi gần nhƣ không dẫn điện, nên dòng điện xoáy chạy trong ferit rất nhỏ. Bởi vậy 128 cho phép dùng ferit làm mạch từ của từ trƣờng biến thiên với tần số cao. Ferit niken- kẽm bằng cách nhiệt phân muối, gọi là Oxyfe. Ferit và Oxyfe có hằng số từ thẩm ban đầu lớn, từ dƣ nhỏ (0,18-0,32 Tesla) và từ trƣờng khử từ nhỏ (8-80 A/m). Chúng đƣợc sử dụng rất rọng rãi làm mạch từ của các linh kiện điện tử, khuếch đại từ, máy tính,.... e. Những hợp kim có độ thẩm từ cao. - Hợp kim niken cao chứa 72 - 80% Niken - Hợp kim niken thấp chứa 40 - 50% Niken Ứng dụng: Hợp kim niken thấp không có phụ gia chế tạo lõi máy biến áp cỡ nhỏ, cuộn kháng, rơle. Hợp kim niken cao có phụ gia dùng trong máy biến áp xung, bộ khuếch đại từ, rơle không tiếp điểm và bộ nhớ máy tính. 3.2.2 Vật liệu từ cứng Gồm : Thép hợp kim tôi cứng, hợp kim đúc, nam châm dạng bột, ferit từ cứng, hợp kim biến dạng đàn hồi và băng từ. a. Thép hợp kim tôi cứng Đặc điểm : Tính chất từ tính thấp, dễ gia công, giá thành rẻ. Ứng dụng: Sản xuất nam châm vĩnh cửu. b. Hợp kim nam châm cứng- đúc Đặc điểm : Là hợp kim của 3 nguyên tố: Nhôm - Niken- Sắt gọi là alni, có năng lƣợng từ lớn.Tính chất từ tính phụ thuộc vào những kết cấu tinh thể và kết cấu từ. Hợp kim này giòn và cứng không gia công cơ khí đƣợc chỉ hoàn thiện sản phẩm bằng cách đúc và mài mòn. Ứng dụng :sản xuất nam châm vĩnh cửu c. Nam châm bột: có 2 loại + Loại 1 : Nam châm gốm kim loại là nam châm có kết dính + Loại 2 : Nam châm nhựa kim loại là nam châm không có kết dính ở trƣờng từ có tần số cao. d. Ferit nam châm cứng Có điện trở suất cao bằng hàng triệu lần điện trở suất của hợp kim cứng, cƣờng độ cơ học thấp, tính giòn cao, tính chất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Ứng dụng : Dùng ở các thiết bị có tần số cao e. Băng từ và các hợp kim biến dạng dẻo Dùng chế tạo thép nam châm cứng và các hợp kim tạo thành băng từ ghi chép và các băng ghi âm thanh hoặc dây kim loại. Khi hợp kim không thể hình thành băng hay sợi kim loại thì tạo thành các băng chất dẻo. 3.2.3 Nam châm điện Khi một lõi thép đƣợc đặt trong một cuộn dây có dòng điện chạy qua (mạch từ 129 hở) thì lõi thép sẽ trở thành nam châm và hút dƣới tác động của lực điện từ ở bên trong cuộn dây. Vậy nam châm điện là một thiết bị gồm có cuộn dây từ hoá và một mạch từ, phần động gọi là nêm từ đƣợc kéo bởi phần chính mạch từ với lực: F = 4.105B2S Với: F là lực đƣợc xác định bằng N B là cảm ứng từ đƣợc tính bằng T S là diện tích các cực tính bằng m2 Trong trƣờng hợp mạch từ của nam châm điện làm việc ở trạng thái không bão hòa, sự biến đổi của dòng điện cho phép làm thay đổi cảm ứng từ do đó làm biến đổi lực kéo của nam châm. - Nam châm điện đƣợc ứng dụng rộng rãi VD: Để cố định các chi tiết gia công trong máy công cụ, rơ le, cơ cấu phanh... 4. VẬT LIỆU BÁN DẪN 4.1. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CHẤT BÁN DẪN 4.1.1. Khái niệm Chất bán dẫn chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, đặc điểm của nó là điện trở suất lớn hơn vật liệu dẫn điện nhƣng nhỏ hơn của vật liệu cách điện. Tuy nhiên không có một danh giới rõ rệt giữa ba loại vật liệu kể trên. 4.1.2. Phân loại chất bán dẫn a. Chất bán dẫn thuần * Một số chất bán dẫn thường gặp  Silic, (Si) Si là một trong những nguyên tố có rất nhiều trong thiên nhiên dƣới dạng SiO2 trong các mỏ khác nhau và dƣới dạng Silicat (Si chiếm khoảng 28% trong lớp vỏ trái đất). Nhƣng, kỹ thuật để sản xuất Si tinh khiết rất phức tạp nên những dụng cụ sử dụng bán dẫn Si rất đắt so với các dụng cụ bán dẫn sử các chất khác mặc dù các chất này trong thiên nhiên hiếm hơn nhiều so với Si. Điện dẫn suất của Si biến đổi trong phạm vi rộng. Silic nguyên chất đƣợc chế tạo làm các điện trở phi tuyến trong mạch điện tần số cao, dùng làm chất bán dẫn điện trong các máy tách sóng, trong các bộ khuyếch đại,...Silic đƣợc sử dụng nhƣ chất khử oxy trong luyện kim. Silic trong hợp hợp kim Sắt - Silic (15% Si) đƣợc chế tao dƣới dạng tấm, lá dùng để làm lõi thép dẫn từ của các máy biến áp. Ngoài ra nó còn đƣợc sử dụng để chế tạo các hợp kim khác của sắt - Si ; đồng thanh, đồng thau - Silic, ... đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp  Giecmani, (Ge) Ge rất hiếm trong tự nhiên, Ge đƣợc dùng để chế tạo các chất bán dẫn trong các máy tách sóng, các bộ chỉnh lƣu phẳng, các transisto và các bộ khuyếch đại....  Cácbon, (C) 130 Các bon đƣợc tìm thấy nhiều trong tự nhiên. Trong kỹ thuật, chia các bon thành 3 dạng: Kim cƣơng (diamant), graphit và các bon vô định hình (carbone amorphe), trong đó kim cƣơng, graphit khai thác từ các mỏ trong tự nhiên còn các bon vô định hình có thể đƣợc điều chế bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau. Các bon đƣợc dùng rất nhiều trong kỹ thuật điện, điện tử để chế tạo: - Các điện cực các bon (điện cực điện phân, hàn hồ quang điện). - Chổi than (graphit, các bon vô định hình). - Tiếp điểm điện. - Điện trở đốt nóng, điện trở hoá học. - Dùng trong các Micro, ống nói dƣới dạng hạt nhỏ, khối hoặc màn. * Dòng điện trong chất bán dẫn nguyên chất Để hiểu đƣợc bản chất sự dẫn điện của bán dẫn ta nghiên cứu cấu trúc bên trong của nó. Ta hãy xét tinh thể Silic là một bán dẫn điển hình. Trong mạng tinh thể, mỗi nguyên tử Si liên kết với 15 nguyên tử Si khác ở bên cạnh bằng 15 mối liên kết đồng hoá trị (Hình 3.1). Si Si Hình 3.1 Mô hình cấu trúc nguyên tử Si Ở nhiệt độ thấp những liên kết này rất bền vững. Do đó chất bán dẫn Si có tính dẫn điện. Khi đốt nóng, mạng tinh thể chất bán dẫn Si thu thêm năng lƣợng. Do chuyển động nhiệt, một số nguyên tử mất liên kết với hạt nhân, trở thành điện tử tự do. Hình 3.2 giúp ta hình dung đƣợc tình trạng của chất bán dẫn lúc này. Eng Hình 3.2: Mạng tinh thể Si tạp chất Si Si Si Si Si Si Si Si 2 - 3 1 4 131 Si Si Si Si - Si Si Si Ge Si Si Giả sử khi một điện tử tách khỏi nguyên tử số 1, nguyên tử này trở thành ion dƣơng, xem nhƣ một lỗ trống có thể lấy điện tử của một nguyên tử 2 nào đó ở gần để lấp lỗ trống và trở thành trung hoà. Nguyên tử số 2 vừa mất điện tử lại trở thành lỗ trống và lại lấy điện tử của nguyên tử 3 nào đó ở gần. Hiện tƣợng cứ tiếp diễn nhƣ vậy gây ra sự chuyển dịch của vị trí lỗ trống. Nếu không có điện trƣờng ngoài Eng tác động, hiện tƣợng xảy ra hỗn độn, trong chất bán dẫn không có dòng điện. Còn nếu có điện trƣờng ngoài Eng, điện tử sẽ chuyển dịch ngƣợc chiều điện trƣờng (hình 3.2) tạo thành dòng điện. Tính dẫn điện của chất bán dẫn Si tăng lên Vậy bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn là dòng chuyển dời có hƣớng đồng thời của điện tử ngƣợc chiều điện trƣờng và lỗ trống thuận chiều điện trƣờng. b. Chất bán dẫn tạp * Dòng điện trong vật liệu bán dẫn tạp chất Trong thực tiễn, chế tạo các chất bán dẫn nguyên chất rất khó khăn. Các bán dẫn thƣờng có lẫn một ít tạp chất, hơn nữa trong kỹ thuật ngƣời ta còn chủ động pha thêm tạp chất vào chất bán dẫn nguyên chất. Nếu có một ít tạp chất lẫn vào (dù là một lƣợng rất nhỏ, không đáng kể) cũng đủ làm cho độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên nhiều lần, thậm chí hàng chục nghìn lần. Ví dụ : Nếu cho vào Si một ít Ge là chất có 5 điện tử hoá trị; khi vào mạng tinh thể Si, 15 điện tử hoá trị của Ge kết chặt từng đôi một với 15 điện tử của các nguyên tử Si láng giềng, còn điện tử thứ 5 trở thành điện tử tự do chuyển động tự do trong mạng tinh thể (hình 3.3). Khi đó mật độ điện tử tự do trong chất bán dẫn Si tăng lên rất nhiều. Dƣới tác dụng của điện trƣờng, các điện tử tự do này chuyển động có hƣớng tạo thành dòng điện. Loại bán dẫn có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng điện tử tự do gọi là chất bán dẫn loại n hay bán dẫn điện tử. Hình 3.3: Mạng tinh thể Si tạp chất Ge Nếu ta cho vào Silic một chút các nguyên tố thuộc nhóm III trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep, chẳng hạn Indi (In) : Ở vành ngoài cùng của In có 3 điện tử hoá trị, nên khi vào mạng tinh thể Si, nó tạo ra một lỗ trống trong mối liên kết giữa các nguyên tử. Điện tử của nguyên tử bên cạnh dễ dàng nhảy vào lỗ trống này và tạo thành lỗ trống mới, quà trình cứ tiếp diễn mãi; lỗ trống chạy tự do trong tinh thể. Khi đó mật độ lỗ trống trong chất bán dẫn tăng lên rất nhiều. Dƣới tác dụng của điện trƣờng, điện 132 tử chuyển dời có hƣớng ngƣợc chiều điện trƣờng, còn lỗ trống thì chuyển dịch thuận chiều điện trƣờng. Ta xem lỗ trống tƣơng tự nhƣ điện tích dƣơng và dòng điện chạy trong chất bán dẫn này là dòng những lỗ trống chuyển động. Chất bán dẫn này gọi là chất bán dẫn loại p hay bán dẫn lỗ trống. 4.2. ỨNG DỤNG CHẤT BÁN DẪN 4.2.1. Ứng dụng chất bán dẫn chất bán dẫn thuần a. Silic (Si) Si là vật liệu chủ yếu để sản xuất vi mạch tích phân có kích thƣớc cực nhỏ và có cấu tạo rất phức tạp, đƣợc sử dụng trong kỹ thuật máy tính. Từ Si ngƣời ta chế tạo ra diode chỉnh lƣu ở tần số cao hoặc thấp, các transistor công suất cao hoạt động ở tần số tới 109Hz. Diode chỉnh lƣu từ Si có thể chịu đƣợc điện áp ngƣợc tới 1500 V, dòng điện cho qua tới 1500 A. Si đƣợc sử dụng rộng rãi ở dụng cụ quang học độ nhạy cao, diode quang có tác động cực nhanh, tế bào quang điện dùng để biến đổi năng lƣợng ánh sáng thành năng lƣợng điện có hiệu suất đạt 10 - 12%. Nhờ Si có độ rộng vùng cấm cao hơn Ge, các dụng cụ từ Si có thể hoạt động đƣợc ở nhiệt độ cao hơn hẳn so với Ge. Nhiệt độ hoạt động của bán dẫn Si đạt khoảng180 † 2000C. b. Giecmani (Ge) Trên cơ sở của Ge sản xuất số lƣợng lớn dụng cụ có nhiều công dụng khác nhau, đầu tiên phải nói tới diode và transistor. Đặc biệt là diode chỉnh lƣu mặt phẳng và các transistor lƣỡng cực. Các diode chỉnh lƣu mặt phẳng tính ở dòng điện từ (0,3 †1000)A và điện áp rơi ttrên có không quá 0,5 V. Nhƣợc điểm của diode Ge là tính chịu điện áp ngƣợc không cao. Các transistor từ Ge có thể là cao tần hoạc âm tần công suất nhỏ hoặc công suất lớn. Nhờ có độ nhạy của các điện tích cao, Ge sử dụng để sản xuất các độ cảm biến. Tính chất quang của Ge sử dụng để sản xuât transistor quang, diode quang. Nhiệt độ hoạt động của bán dẫn Ge từ 600C ÷700C, giới hạn trên của nhiệt độ hoạt động là nhƣợc điểm cơ bản của Ge. c. Cácbon (C) Các bon đƣợc dùng rất nhiều trong kỹ thuật điện, điện tử để chế tạo: - Các điện cực các bon (điện cực điện phân, hàn hồ quang điện). - Chổi than (graphit, các bon vô định hình). - Tiếp điểm điện. - Điện trở đốt nóng, điện trở hoá học. - Dùng trong các Micro, ống nói dƣới dạng hạt nhỏ, khối hoặc màn. 4.2.2. Ứng dụng chất bán dẫn tạp chất Bằng cách ghép các bán dẫn loại n với loại p, ngƣời ta đã chế tạo đƣợc rất nhiều dụng cụ điện, điện tử quan trọng. Dƣới đây là một số ứng dụng bán dẫn tạp chất a. Điốt bán dẫn (đèn bán dẫn 2 cực). 133 Điôt bán dẫn đƣợc cấu tạo từ một tiếp giáp P-N với mục đích sử dụng nó nhƣ một van điện. Tuỳ theo diện tích của phần tiếp xúc giữa hai lớp P và N mà ngƣời ta gọi là điôt tiếp điểm hay điôt tiếp mặt. Ở điôt tiếp điểm, mặt tiếp xúc giữa hai lớp bán dẫn thu nhỏ lại hầu nhƣ chỉ còn ở một điểm nhằm mục đích giảm điện dung ký sinh của mặt ghép để điôt có thể làm việc đƣợc ở tần số cao. Điôt tiếp điểm đƣợc sử dụng ở các mạch để xử lý tín hiệu vô tuyến điện nhƣ tách sóng, điều chế, biến tần ... Khác với điôt tiếp điểm, điôt tiếp mặt thì mặt tiếp xúc của hai lớp P và N có điện tích đủ lớn nhằm chịu đƣợc dòng điện lớn để sử dụng chúng vào mục đích chỉnh lƣu. b. Transisto (đèn bán dẫn 3 cực). Tranzito lƣỡng cực gồm có hai tiếp giáp P-N đƣợc tạo nên bởi 3 miền bán dẫn loại P và N xếp xen kẽ nhau. Nếu miền bán dẫn ở giữa là bán dẫn loại N thì ta có tranzito lƣỡng cực loại P-N-P. Nếu miền bán dẫn ở giữa là bán dẫn loại P thì ta có tranzito lƣỡng cực loại N-P-N. Tranzito lƣỡng cực là linh kiện có 3 chân, tranzito đƣợc sử dụng điều khiển chuyển mạch hoặc điều khiển khuếch đại. Các tranzito có loại có cấu trúc pnp, có loại có cấu trúc npn. Tranzito lƣỡng cực loại npn dùng một dòng nhỏ đi vào cực badơ B (cấp dòng) và một điện áp dƣơng (có quan hệ với cực emitơ E) để điều khiển dòng lớn hơn chảy từ cực colectơ C đến cực emitơ E. Ngƣợc lại, tranzito loại pnp dùng một dòng nhỏ đi ra khỏi cực badơ B (rút dòng) và một điện áp âm (có quan hệ với cực emitơ E) để điều khiển dòng lớn hơn chảy từ cực emitơ đến cực colectơ. Tranzito lƣỡng cực là linh kiện rất tiện dụng. Khả năng điều khiển dòng điện của tranzito lƣỡng cực bằng cách đặt tín hiệu điều khiển đã làm cho loại tranzito này trở thành linh kiện đƣợc phổ dụng trong các mạch chuyển mạch điều khiển bằng điện, mạch điều chỉnh dòng, mạch khuếch đại, mạch dao động và các mạch nhớ. 134 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG III 1. Trình bày khái niệm, cách phân loại vật liệu cách điện. 2. Trình bày những hƣ hỏng thƣờng gặp và cách chon vật liệu cách điện. 3. Trình bày các chất cách điện thể khí đƣợc sử dụng phổ biến trong thực tế. Nêu các đặc tính chính của chúng. 4. Trình bày đặc tính và công dụng của dầu máy biến áp. 5. Nêu công dụng của dầu máy biến áp. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự hóa già của dầu 6. Hãy phân tích ƣu nhƣợc điểm của dầu biến áp. 7. Theo thành phần hóa học, mica đƣợc chia thành hai loại mica mutscôvit và mica flogopit. Em hãy cho biết mica mutscôvit có những ƣu điểm gì hơn so với mica flogopit, nhiệt độ hoặc môi trƣờng dầu có ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến tính chất mica. Kể một số ứng dụng mica? 8. Trình bày khái niệm và tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện, giải thích cụ thể từng tính chất đó ? 9. Phân loại chất cách điện thể rắn. Các chất cách điện thể rắn vô cơ đƣợc sử dụng trong thực tế. 10. Khí elegaz (SF6) có cƣờng độ cách điện cao hơn cƣờng độ cách điện của không khí 23 lần, có độ ổn định cao, có khả năng dập tắt hồ quang tốt, là chất khí có khả năng tự phục hồi. Tuy nhiên sau nhiều lần sử dụng chất khí này bị hồ quang phân hủy tạo ra nhiều sản phẩm độc hại có mùi trứng thối. Nếu có mùi trứng thối cần phải tiến hành làm gì? Kể một số ứng dụng của khí elegaz? 11. Trình bày các cách điện rắn hữu cơ đƣợc sử dụng trong thực tế. Nêu các đặc tính cơ bản của chúng. 12. Trình bày các tác nhân môi trƣờng ảnh hƣởng đến vật liệu dẫn điện ? 13. Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất trong tất cả các vật liệu dẫn điện dùng trong kỹ thuật điện vì đồng có những ƣu điểm nổi trội hơn so với các vật liệu dẫn điện khác, trình bày các ƣu điểm của đồng và ứng dụng của đồng trong kỹ thuật điện? 14. Trình bày đặc tính chung, phân loại, tính chất cơ học và các ứng dụng của kim loại Đồng, Nhôm, Chì, Wonfram và Sắt. 15. Trình bày khái niệm chất bán dẫn, đặc điểm chất bán dẫn thuần và bán dẫn tạp? 16. Hãy nêu ứng dụng của chất bán dẫn thuần và bán dẫn tạp? 135 XÁC NHẬN KHOA Bài giảng môn học “Kỹ thuật điện” đã bám sát các nội dung trong chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học: Kỹ thuật điện thay thế cho giáo trình. Người biên soạn ( Ký, ghi rõ họ tên) Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên)