Giáo trình Vật liệu điện, điện tử - Phần 2

ng đối lớn nên kích thước đầu vật liệu và mũ gang lớn ảnh hưởng không tốt đến đặc tính điện. - Với loại có đầu hình trụ: Có kích thước bé hơn nhưng quy trình chế tạo phức tạp do phải trán men trên bề mặt tại những vị trí nhất định. - Cách điện treo kiểu dĩa: dùng ở dạng bụi bẩn có hình dạng phức tạp hơn, có chiều dài rò điện lớn hơn. - Với vật liệu cách điện làm bằng thủy tinh cho kích thước và trọng lượng bé hơn, đặc tính điện tốt hơn. Ngoài ra, bất kì rạn nứt nào cũng đều làm vỡ thủy tinh dễ phát hiện ra phần tử bị hư hỏng. Ƣu điểm chung của cách điện treo kiểu đĩa: Khi có 1 phần tử bị phóng điện do rạn nứt hoặc do độ bền cơ, do đó cả chuỗi không bị phá hủy ít dẫn đến rơi dây chạm đất. Mặc khác chỉ cần thay thế 1 phần tử hư hỏng. Tuy nhiên, cũng cần phát hiện kịp thời vì nếu có thêm một vài phần tử bị xuyên thủng thì có thể dẫn đến phóng điện ngay ở điện áp làm việc nhất là lúc trời mưa. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 128 4.8.3.2.2 Cách điện kiểu thanh Hình 4.24: Kiểu thanh Ƣu điểm: Tiết kiệm được nhiều kim loại, trọng lượng bé. Đặc tính điện tốt hơn và bề mặt được làm sạch bởi mưa gió. Nhƣợc điểm: Khi bị hư hỏng phải thay thế toàn bộ và khi hư hỏng dễ rớt dây chạm đất. Độ bền cơ không cao và công nghệ chế tạo phức tạp. Cách điện thanh thích hợp cho vùng bụi bẩn. 4.8.3.2.3. Chuỗi cách điện - Dễ lắp ghép, linh hoạt, có khả năng chịu uốn khá, tải trọng cơ trên mỗi phần tử khi có gió to hoặc dứt dây giảm nhẹ. - Độ bền cơ của chuỗi bằng độ bền cơ của mỗi phần tử. - Đặc tính điện của chuỗi khác nhiều so với đặc tính điện cũa mỗi phân tử. Phóng điện của chuỗi có thể phát triển theo các đường sau: + Men theo bề mặt: xảy ra khi mưa ở chuỗi cách điện ngắn. Chiều dài phóng điện L1 = n.l1 với n là số đĩa. + Một phần men theo bề mặt và một phần đi trong không khí L2 = n.l2 + Theo đường AB xảy ra khi bề mặt khô sạch, chiều dài của đường phóng điện L =n.H. Điện áp phóng điện trong trường hợp này là lớn nhất. Để đạt được giới hạn phải tăng rãnh ở mặt dưới và đường kính D để Updư = Updk Hình 4.25: Chuỗi cách điện Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 129 4.8.3.4. Sự phân bố điện áp trên chuỗi cách điện Điện áp phóng điên của chuỗi phụ thuộc vào bề mặt cách điện và thời tiết Khi bề mặt cách điện khô sạch: Phân bố điện áp trên chuỗi sứ theo dòng điện dung như sơ đồ hình vẽ (hình vẽ) Hình 4.26: Sự phân bố điện áp C: điện dung của một đĩa Cd: điệnn dung của đĩa đối với dây dẫn Cdd: điện dung của đĩa đối với dây dẫn. Trong tính toán cách điện, giả thuyết các điện dung này không đổi dọc theo chiều dài chuỗi sứ và được thay thế bằng điện dung đơn vị chiều dài Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 130 C’ = C.H (4.26) C’d = Cd/H (4.27) C’dd = Cdd/H (4.28) Tại một điểm x cách điểm nối đất của chuỗi, áp và dòng được biểu diễn bởi các phương trình sau: → Ux = k1.e γ.x + k2.e -γ.x + k3 Xác định k1, k2, k3 từ các điều kiện biên: Khi x = 0 thì Ux = 0 Khi x = 1 thì Ux = U Điện áp giáng trên 1 phần tử (chiều dài H) cách đầu nối đất 1 đoạn thẳng bằng x: = Ta đặt γ = x = (k – 1).H; x + H = k.H ; 1 – n.H Trong dó k là đĩa thứ k tính từ đầu nối đất. = Từ đạo hàm = 0 ta xác định được đĩa thứ k = (4.29) Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 131 Các nguyên nhân gây sự phân bố điện áp không đều là do tồn tại các điện dung Cd và Cdd. Cd: làm chi điện áp giáng trên phần tử gần dây dẫn cao nhất và giảm dần về phía đất. Cdd: làm cho điện áp gần xà cao nhất và giảm dần về phía dây dẫn. Do Cd >>Cdd nên phân bố điện áp như hinh vẽ Do sự phân bố điện áp không đều trên đĩa cách điện, đĩa gần dây dẫn có thể xuất hiện vầng quang. Vì vậy, với cấp điện áp cao Udm > 110kV người ta tìm cách tăng Cdd để cải thiện sự phân bố điện áp. Người ta dùng các biện pháp sau: Ghi chú: các đai kim loại ngoài tác dụng làm cho sự phân bố điện áp đều hơn trên chuỗi cách điện còn có tác dụng lái dòng hồ uang ra xa bề mặt chuỗi cách điện, tránh hư hỏng lớp men cách điện. Khi bề mặt ẩm ƣớt: Trong trường hợp này, phân bố điện áp theo chiều dài của chuỗi đều đặn hơn vì chủ yếu là theo điện dẫn bề mặt của các phần tử. Ud = (4.30) n: là số đĩa trong chuỗi : Cường độ phóng điện ướt trung bình. H: Chiều cao của 1 đĩa cách điện Với loại sứ loại π -4,5; π -7; π -8,5; thì 2,15 (kV/cm) Π M -4,5 thì 2,7 (kV/cm) 4.8.4. Các loại cách điện đƣờng dây. Cách chọn số lƣợng đĩa cách điện và các khoảng cách không khí nhỏ nhất cho phép 4.8.4.1. Số lƣợng đĩa: Số lượng đĩa phụ thuộc vào cấp điện áp, loại cách điện, vị trí chuỗi cách điện, vật liệu làm cột Số lượng đĩa trong chuỗi phải đảm bảo sao cho điện áp Uu>Uqanb ứng với hệ số dự trữ nhất định: Uƣ = .n.H k1.Uqanb với k1 > 1; Uqanb = kcp.Uqanb = kcp.Uphamax = kcp. (4.31) Tron tính toán có thể lấy k1 = 1, 1 → Như vậy có đĩa ứng với cột thép hoặc bê tông cốt thép được tính n Số đĩa trong thực tế được làm tròn lên rồi cộng 1 với cấp điện áp 35 220kV. Đối với cấp điện áp lớn hơn 330kV thì cộng thêm 2. Đặc biệt tại các cột néo, cột góc, cột đầu, cột cuối ở cấp điện áp 35 110kV phải cộng thêm 1 đĩa so với cột đỡ. Ở cấp điện áp Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 132 lớn hơn 150kV, số lượng đĩa trong chuỗi lớn hơn 9 đĩa thì không có sự khác biệt số lượng đĩa ở cột đỡ và cột néo. Đối với đường dây cột xà gồ từ 35 220kV thì số lượng đĩa cách diện ít hơn 1 so với đường dây cột sắt. Đối với đường dây cột sắt sử dụng sứ loại π -4,5 ở các cấp điện áp khác nhau: Điện áp định mức kV 35 110 220 Điện áp làm việc lớn nhất cho phép lâu dài (kV) 40,5 126 252 Trị số quá điện áp nội bộ tính toán (kV) 77 204 381 Hệ số bội cho phép kcp 3,5 3,0 3,0 Trị quá điện áp nội bộ tính toán (kV) 11 256 475 Số lượng đĩa sứ 3 7 13 Điện áp xung phong điện bé nhất U0,5 kV 380 660 1140 Khoảng cách không khí bé nhất (cm) cho phép tại cột 45 115 210 Bảng 4.5: Số lƣợng đĩa cách điện 4.8.4.2. Khoảng cách không khí nhỏ nhất cho phép - Nếu đường dây đi qua vùng có ít sét thì khoảng cách đó được chọn theo điện áp phóng điện ướt của chuỗi cách điện hoặc chọn theo điều kiện quá điện áp nội bộ. - Nếu đường dây đi qua vùng có nhiều sét thì khoảng cách này có độ lớn sao cho độ bền xung nhỏ nhất phải lớn hơn U0,5 của chuỗi cách điện ở cực tính dương. Riêng đối với các đường dây đi qua các vùng bụi bẩn thì phải thực hiện các biện pháp sau đây để tăng độ an toàn cho đường dây. + Tăng mức cách điện đường dây bằng cách tăng số đĩa cách điện của chuỗi sứ. +Dùng các loại cách điện đặc biệt cho các vùng bụi bẩn (có chiều dài rò điện lớn hơn so với loại vật liệu cách điện thông thường). + Định kỳ làm sạch bề mặt cách điện. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 4.1: Trình bày các quá trình vật lý của chất cách điện?. Câu 4.2: Trình các tính chất của chất cách điện?. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cách điện của vật liệu?. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 133 Câu 4.3: Xác định điện áp đánh thủng và điện áp làm việc của một tấm cáctông dày 0,15 cm khi áp nó vào hai điện cực. Câu 4.4: Tính bề dày của một tấm nhựa PVC dùng làm cách điện cho lƣới 15kV. Biết rằng nhựa PVC có Ebđ= 32,5kV/mm, giới hạn điện áp an toàn = 3,12. Câu 4.5: Xác định điện áp đánh thủng và điện áp làm việc của một tấm mica dầy 0,15 cm khi áp nó vào hai điện cực. Biết rằng mica có Ebđ = (50 100)kV/mm, giới hạn điện áp an toàn = 5,4. Câu 4.6: Tính bề dày của một tấm cao su dùng làm cách điện cho lƣới 15kV. Biết rằng cao su có Câu hỏi trắc nghiệm lựa chọn Đọc kỹ các câu hỏi, chọn ý trả lời đúng nhất và tô đen vào ô thích hợp ở cột bên TT Nội dung câu hỏi a b c d 4.7. Vật liệu cách điện được chia ra làm các loại: a. Vật liệu cách điện thể rắn. b. Vật liệu cách điện thể lỏng. c. Vật liệu cách điện thể khí. d. Cả a,b và c đều đúng. □? □? □? □? 4.8. Một loại vật liệu được dùng làm sơn dán trong công nghệ sản xuất micanít cũng như trong việc lắp ráp sữa chữa. a. Sơn dầu bitum. b. Sơn cánh kiến. c. Sơn policlovinyl. d. Sơn polistirol □? □? □? □? 4.9. Một loại vật liệu sau khi bị đánh thủng, có khả năng cách điện được phục hồi trở lại mặc dầu sau nhiều lần bị đánh thủng một phần bị cháy hoặc bị phân hủy về mặt hóa học, loại vật liệu đó là: a. Các hợp chất cách điện. b. Dầu mỏ cách điện. c. Sơn và các hợp chất cách điện. d. Điện môi sáp. □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 134 4.10. Một loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật cách điện, trong nền của loại sơn này, ngoài bitum còn chứa cả dầu khô, nhờ có dầu khô nên màng của loại sơn này dễ uốn hơn, ít chịu ảnh hưởng của dung môi và ít bị hóa dẻo khi đốt nóng. a. Sơn dầu bitum. b. Sơn thuần bitum. c. Sơn policlovinyl. d. Sơn polistirol. □? □? □? □? 4.11. Để sản xuất cao su tổng hợp, người ta dùng: a. Cao su lưu hóa làm nguyên liệu. b. Cao su thiên nhiên làm nguyên liệu. c. Cao su thiên nhiên, cao su lưu hóa làm nguyên liệu. d. Rượu cồn, dầu mỏ và khí thiên nhiên làm nguyên liệu. □? □? □? □? 4.12. Thủy tinh là những chất vô cơ: a. Không định hình. b. Có định hình. c. Định hình luôn thay đổi. d. Không xác định được. □? □? □? □? 4.13. Loại sơn được dùng để tẩm những chất cách điện xốp và đặc biệt là chất cách điện ở dạng xơ (giấy, bìa, vải, sợi, dây quấn máy điện và thiết bị điện) được gọi là: a. Sơn phủ. b. Sơn tẩm. c. Sơn dán. d. Sơn cánh kiến. □? □? □? □? 4.14. Các hợp chất cách điện được phân thành các nhóm đó là: a. Hợp chất tẩm, hợp chất làm đầy. b. Hợp chất tẩm và dung môi. c. hợp chất làm đầy và dung môi. c. Cả a, b và c đều sai. □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 135 4.15. Một loại cao su có đặc tính cách điện thấp, nhưng lại rất bền với tác dụng của dầu, etxăng, ôzôn và các chất ôxy hóa khác. Được dùng làm vỏ bảo vệ cho các sản phẩm cáp, làm đệm cách điện đó là: a. Cao su butađien. b. Cao su butyl. c. Cao su silíc hữu cơ. d. Cao su cloropren. □? □? □? □? 4.16. Điện trở suất phụ thuộc vào các yếu tố: a. Bản chất của vật liệu. b. Kích thước của vật liệu. c. Chiều dài của vật liệu. d. Cả a,b và c đều sai □? □? □? □? 4.17. Căn cứ vào nguồn gốc chế tạo vật liệu cách điện được chia ra làm các loại: a. Vât liệu cách điện vô cơ, vât liệu cách điện hữu cơ. b. Vật liệu cách điện thể rắn. c. Vật liệu cách điện thể khí. d. Cả a,b và c đều sai. □? □? □? □? 4.18. Là loại sơn nhiệt cứng có khả năng bám dính rất tốt dùng để dán micamít v vCó tên gọi là: a. Sơn silíc hữu cơ. b. Sơn policlovinyl. c. Sơn gliptan. d. Sơn bakêlít. □? □? □? □? 4.19. Độ bền cách điện của vật liệu phụ thuộc vào: a. Điện trở của vật liệu. b. Bản chất của vật liệu. c. Kích thước của vật liệu. d. Cả a,b và c đều sai. □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 136 4.20. Xác định điện áp đánh thủng của một tấm các tông dầy 0,2cm khi áp nó vào hai điện cực. biết: Ebđ = 10KV/mm ; ε = 3. a. 15KV. b. 10KV. c. 30KV. d. 20 KV. □? □? □? □? 4.21. Điện trở suất của vật liệu cách điện có giá trị: a. Rất nhỏ b. Rất lớn. c. Trung bình. d. Cả b, c đúng. □? □? □? □? 4.22. Giá trị điện áp đánh thủng được tính theo công thức: a. U dt bđ .h b. U dt bđ . c. U dt . U cp .h d. Cả a,b và c đều đúng. □? □? □? □? 4.23. Một loại sơn là dung dịch hòa tan trong rượu, được dùng để tẩm hoặc dán và dùng rộng rãi trong trong việc sản xuất Hêtinắc, Téctôlít để chế tạo chất cách điện cao áp : a. Sơn silíc hữu cơ. b. Sơn policlovinyl. c. Sơn gliptan. d. Sơn bakêlít. □? □? □? □? 4.24. Vật liệu cách điện được chia thành các cấp chịu nhiệt theo thứ tự như sau: a. A,Y, E , F , H, C, B. b. Y, E , F , H, C, B,A. c. Y, A , E , B , F, H , C. d. H, C, B, A,Y, E , F . □? □? □? □? 4.25. Khi cần chọn lựa vật liệu cách điện người ta căn cứ vào: a. Vật liệu cách điện thể rắn. b. Vật liệu cách điện thể khí. c. Kích thước của vật liệu. d. Độ bền nhiệt, độ cách điện. □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 137 4.26. Vật liệu cách điện có tính chịu hồ quang cao được dùng chế tạo khung cuộn dây, màng hoặc sợi cách điện là: a. Polyetylen b. Pôliprôpilen. c. Cáp rôn. d. Polyfocmandehit. □? □? □? □? 4.27. Dựa theo cách sử dụng, sơn cách điện có thể chia thành các nhóm chính: a. Sơn silíc hữu cơ. b. Sơn tẩm, sơn phủ và sơn dán. c. Sơn cánh kiến. d. Sơn dầu. □? □? □? □? 4.28. Vật liệu rắn, cứng có tính chống mài mòn chống ma sát cao và các sản phẩm của nó được thực hiện bằng đúc áp lực là: a. Polyetylen . b. Pôliprôpilen. c. Cáp rôn. d. Polyfocmandehit □? □? □? □? 4.29. Phíp cách điện được dùng một loại vật liệu đem ngâm trong dung dịch clorua kẽm, rồi ép và trãi qua quá trình gia công thành một vật liệu mịn thuần nhất, vật liệu đó là: a. Gỗ. b. Tre. c. Giấy . d. Sợi amiăng □? □? □? □? 4.30. Độ bền cách điện của vật liệu là: a. Giới hạn điện áp cho phép một tấm vật liệu cách điện còn làm việc được. b. Giới hạn điện áp an toàn ε . c. Giới hạn điện áp cho phép một tấm vật liệu cách điện dày 1mm còn làm việc được d. Giới hạn điện áp cho phép một tấm vật liệu cách điện dày 1mm bị chọc thủng. □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 138 4.31. Tính bề dầy 1 tấm nhựa PVC cách điện cho lưới 15KV, Biết: ε = 3,12; Ebđ = 32,5KV/mm. a. 14,4mm. b. 1,44mm. c. 1,8mm. d. 144mm. □? □? □? □? 4.32. Vécni cách điện được dùng để: a. Sơn tẩm, tăng cường cách điện, chống ẩm. b. Nâng cao độ bền cơ cho dây quấn máy điện c. Nâng cao tính thẩm mĩ cho bộ dây quấn. d. Cả a và b đều đúng. □? □? □? □? 4.33. Một loại vật liệu có đặc tính cơ tốt, có độ trong suốt cao, chịu được axit và kiềm. Được dùng để làm cách điện cho cáp điện tần số cao và cáp điện lực điện áp cao làm việc trong môi trường ẩm vật liệu đó là: a. Pôliêtilen. b. Pôliprôpilen. c. Nhựa PVC. d. Pôliizôbutilen. □? □? □? □? 4.34. Một loại nhựa giòn có màu vàng hoặc nâu có tính chất cách điện như sau: δ= ( 1014 ÷ 1015 ) Ωcm, Eđt=(10÷15)kV/mm và có hằng số điện môi ε và tg phụ thuộc vào nhiệt độ đó là: a. Nhựa tổng hợp. b. Nhựa fênolfomandêhyt. c. Nhựa silíc hữu cơ. d. Nhựa thông. □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 139 CHƢƠNG 5 VẬT LIỆU TỪ 5.1. Các khái niệm cơ bản về vật liệu từ 5.1.1. Từ học Từ học (tiếng Anh: magnetism) là một ngành khoa học thuộc Vật lý học nghiên cứu về hiện tượng hút và đẩy của các chất và hợp chất gây ra bởi từ tính của chúng. Mặc dù tất cả các chất và hợp chất đều bị ảnh hưởng của từ trường tạo ra bởi một nam châm với một mức độ nào đó nhưng một số trong mchúng có phản ứng rất dễ nhận thấy là sắt, thép, ô-xít sắt. Những chất và hợp chất có từ tính đặc biệt là đối tượng của từ học dùng để chế tạo những sản phẩm phục vụ con người được gọi là vật liệu từ. Từ tính gây ra bởi lực từ, lực từ là một dạng lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên, nó được sinh ra do chuyển động của các hạt có điện tích. Phương trình Maxwell cho biết nguồn gốc và mối liên hệ của các từ trường và điện trường gây ra lực từ. Mối quan hệ giữa lực từ và lực điện rất mật 5.1.1. Nguồn gốc từ tính của vật liệu từ Hầu hết mọi người đều biết vật liệu từ là gì, nhưng rất ít người biết một nam châm họat động như thế nào?. Để hiểu được điều này thì trước hết chúng ta hãy tìm hiểu mối tương quan giữa hiện tượng từ và hiện tượng điện. Một nam châm điện đơn giản có thể tạo ra bằng cách cuộn dây đồng thành cuộn và nối cuộn dây với một accu. Một từ trường được tạo ra bên trong cuộn dây , nhưng nó chỉ tồn tại khi dòng điện vẫn còn chạy qua cuộn dây. Một thanh nam châm thông thường không có một mối liên hệ rõ ràng với dòng điện thì nó sẽ làm việc như thế nao? Trường được tạo ra bởi nam châm được liên hệ với sự chuyển động và các tương tác của các electron, các hạt tích điện âm, chuyển động theo quỹ đạo hạt nhân của mỗi nguyên tử. Hiện tượng điện là sự chuyển động của các electron ở trong một cuộn dây hoặc trong một nguyên tử, như vậy mỗi nguyên tử biểu hiện như một nam châm vĩnh cửu nhỏ xíu vốn có sẵn của nó. Electron dang quay tròn tạo ra một mômen từ quỹ đạo của riêng nó, được đo bằng magneton Bohr ( B), và cũng có một mômen từ spin tương ứng với nó do electron tự quay, giống như trái đất quay trên trục của bản thân nó Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 140 (được minh họa trên hình 5.1). Trong hầu hết các vật liệu đều có mômen từ tổng cộng, nhờ các electron tạo thành nhóm từng cặp, gây ra mômen từ bị triệt tiêu bởi lân cận của nó. Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các electron đã được sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất. Trường được tạo ra trong vật liệu ( hoặc bằng một nam chân điện) có một hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều thể hiện một lực để cố gắng sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn. Các lực này được sử dụng để điều khiển môtơ điện, tạo âm thanh trong một hệ loa, kiểm soát cuộn tiếng trong CD player, v.v...Các tương tác giữa từ và điện, vì vậy là một khía cạnh thiết yếu của nhiều thiết bị mà chúng ta sử dụng hàng ngày. Hình 5.1: Quỹ đạo của một electron đang quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử Vậy, nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của của vật liệu là do các điện tích luôn luôn chuyển động theo các quĩ đạo kín tạo nên những dòng điện vòng. Nói cụ thể hơn là do sự quay của các điện tích tích xung quanh trục của mình (spin điện tử) và sự quay theo quĩ đạo của các điện tử trong nguyên tử;mômen từ của proton và nơtron nhỏ hơn hàng ngàn lần so với mômen từ của điện tử. Vì vậy tính chất từ của nguyên tử được xác định bằng điện tử, mômen từ của hạt nhân có thể bỏ qua. Mọi vật chất nếu đưa vào từ trường sẽ hình thành momen từ. Momen tưc của một đơn vị thể tích M được xác định bởi: M = = kM. (5.1) Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 141 Trong đó: : Vectơ cường độ từ trường M: Độ từ hóa V: thể tích vật kM: Hệ số đặc trưng cho khả năng nhiễm từ trong từ trường của vật. kM - là đại lượng không đơn vị, được gọi là độ từ cảm (hay hệ số phân cựctừ). Trong thể tích vật nhiễm từ tạo thành một từ trường riêng (Theo hướng hoặc ngược hướng với từ trường ngoài ). Vì vậy (vectơ cảm ứng từ tổng cộng trong vật chất) xác định bằng tổng các vectơ cảm ứng từ của từ trường ngoài và từ trường riêng: = 0 + I = 0. (5.2) (5.2) Trong đó : = 4 [H/m] kM = C/(T- (5.3) 5.2. Các tính chất của vật liệu từ 5.2.1. Các đặc tính của vật liệu dẫn từ Các nguyên tố có tính chất sắt từ là: sắt cacbon, niken và các hợp kim của chúng, bên cạnh đó còn có côban cũng được gọi là chất sắt từ. 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 qũy đạo của các điện tử trong nguyên tử. Hiện tượng 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 hướng song song với nhau. Các vùng ấy đơợc gọi là đômen tử. Như vậy tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ của các chất là nó có độ nhiễm từ tự phát ngay khi không có từ trường ngoài. Mặc dù trong chất sắt từ có những vùng từ hóa tự phát nhưng momen từ của các đômen lại có hướng rất khác nhau. Các chất sắt từ đơn tinh thể có khả năng từ hóa dị hướng nghĩa là theo các trục khác nhau mức từ hóa khó hay dễ cũng khác nhau. Trong trường hợp các chất sắt từ đa tinh thể có tính dị hướng thể hiện rất rõ người ta gọi chất đó là có cấu tạo thớ từ tính. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 142  Quá trình từ hóa vật liệu sắt từ dưới ảnh hưởng của từ trƣờng bên ngoài gồm có các hiện tƣợng sau: + Tăng thể tích của các đômen có momen từ tạo với hướng từ trường góc nhỏ nhất và giảm kích thước của các đômen khác (quá trình chuyển dịch mặt phân cách của các đômen). + Quay các véc tơ mômen từ hóa theo hướng từ trường ngoài (quá trình định hướng). Quá trình từ hóa vật liệu sắt từ có thể đặc trưng bằng đường cong từ hóa B = f(H), có dạng tương tự với tất cả các vật liệu sắt từ. Khi từ hóa chất sắt từ đơn tinh thể thì kích thước của chúng có thay đổi. Quá trình từ hoá lại vật liệu sắt từ trong từ trường biến đổi bao giờ cũng có tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt do tổn hao từ trễ và tổn hao động học. Tổn hao động học là do dòng điện xoáy cảm ứng trong khối sắt từ và một phần còn do hiệu ứng gọi là hậu quả từ hoá hay độ nhớt từ. Tổn hao dòng điện xoáy phụ thuộc vào điện trở. Điện trở suất chất sắt từ càng cao thì tổn hao dòng điện xoáy càng nhỏ. Công suất tổn hao dòng điện xoáy có thể tính theo công thức: (5.3) Trong đó: +  : là hệ số phụ thuộc vào loại chất sắt từ (trong đó phụ thuộc vào điện trở suất) và hình dáng của nó. + f: là tần số dòng điện. + Bmax: cảm ứng từ lớn nhất đạt được trong một chu trình. + V: thể tích chất sắt từ. Chú ý đến các tổn hao có liên quan tới hậu quả từ hoá khi chất sắt từ làm việc ở chế độ xung. 5.2.2. Từ hóa Thực nghiệm đã chỉ rõ rằng tính chất đặc biệt của trạng thái sắt từ là do cấu trúc vùng (miền) domen bên trong. Các domen là những vùng vĩ mô có thể từ hóa đến giá tri bão hòa ngay khi không có từ trường ngoài. Từ hóa tự phát của các miền là do sự định hướng song song các mômen từ của nguyên tử trong sắt từ. Trong vật lý, có hai loại lực có ảnh hưởng lớn đến các hiện tượng trong nguyên tử, đó là lực từ và lực điện. Tuy nhiên lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng lực từ rất yếu để có thể chống lại chuyển động nhiệt khi nhiệt độ lớn hơn một vài độ K. Vì thế trạng thái sắt từ xuất hiện do lực điện. Năng lượng tương tác tĩnh điện của điện tử hóa ρf =  f . Bmax. V Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 143 trị có thể chiếm khoảng một vài eV, và chỉ cần một năng lượng nhỏ của năng lượng này cũng đủ để đạt hiệu ứng định hướng cần thiết. Sự phụ thuộc cảm ứng từ vào cường độ từ trường gọi là đường cong từ hóa. Để nhận được đường cong từ hóa ta xét trạng thái khử từ của mẫu (tức là sự vắng mặt từ trường ngoài thì cảm ứng từ bằng 0). Hình 5.2: Cấu trúc domen của sắt từ và sự định hƣớng của domen trong trƣờng ngoài H : a/H=0, b/H nhỏ, c/H lớn ,d/trạng thái bão hoà. 5.2.3. Độ từ thẩm Độ từ thẩm là tỉ số của đại lượng cảm ứng từ B và cường độ từ trường H ở điểm xác định trên đường cong từ hoá cơ bản trong hệ SI hằng số ì0 = 4.10 -7 H/m. Trên hình a trục dọc bên trái đặt giá trị cảm ứng từ tính theo gaus, bên phải tính theo hệ SI– Tesla (T); 1 gaus =10 -4T. Trên trục ngang là cường độ từ trường H đơn vị ơcstét, theo hệ SI là A/m; 1ơcstét = 79,6A/m. Việc tính đổi các trị số của cảm ứng từ hoặc cường độ từ trường từ thứ nguyên của một hệ đơn vị này sang đơn vị khác rất đơn giản nên ta có thể dẫn các đặc tính của các vật liệu từ trong một hệ thống đơn vị. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 144 Hình 5.3: Đƣờng cong từ hoá Hình 5.4: Độ từ thẩm Vùng 1: sắt đặc biệt tinh khiết Vùng 2: sắt tinh khiết (99,98%Fe); Vùng 3: sắt kỹ thuật tinh khiết (99,92%Fe) Vùng 4: Pécmalôi (78%Ni); Vùng 5: Niken; 6: hợp kim sắt-niken (26%Ni) Độ tự thẩm của vật liệu sắt từ phụ thuộc vào nhiệt độ, trị số lớn nhất đạt được ứng với nhiệt độ điểm Quyri. Đối với sắt tinh khiết điểm Quyri khoảng 7690C, niken - 358 0 C, côban 1131 0C. Khi nhiệt độ vượt quá điểm Quyri các vùng từ hoá tự phát bị phá huỷ do chuyển động nhiệt, vì vậy vật liệu sẽ mất từ tính. 5.2.3. Mạch từ và tính toán mạch từ Mạch từ là gồm lõi sắt từ có hay không có các khe không khí và từ thông sẽ đóng kín qua chúng. Việc sử dụng vật liệu sắt từ nhằm mục đích thu được từ trở cực tiểu, đối với từ trở này, sức từ động cần thiết để đảm bảo cảm ứng từ hay từ thông mong muốn có giá trị của nó nhỏ nhất. Mạch từ rất đơn giản bao gồm bởi lõi cuộn dây hình xuyến (hình 5.2) hoặc người ta dùng các mạch từ nối tiếp hay rẽ nhánh mà các đoạn có thể thực hiện bằng các vật liệu khác nhau. Tính toán một mạch từ tức là xác định sức từ động theo các giá trị của từ thông đã cho, các kích thước của mạch và bản chất của các vật liệu được sử dụng. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 145 Z miR2mi X2 mi Hình 5.5: Mạch từ Các công thức cơ bản Khi tính toán mạch từ, có thể áp dụng các định luật cơ bản của mạch điện bởi vì giữa chúng tồn tại sự tương tự qua lại. Định luật Kirchhoff 1: áp dụng cho mạch từ được phát biểu như sau. Đối với một nút bất kỳ trong mạch từ, tổng các từ thông đi vào (có chiều về phía điểm nút) và đi ra (có chiều đi ra khỏi điểm nút) bằng zéro (5.4) b) Định luật Kirchhoff 2: phát biểu như sau: đối với một mạch vòng khép kín trong mạch từ, tổng các từ áp rơi trên mạch vòng đó và các sức từ động bằng zéro. (5.5) c) Định luật Ohm phát biểu nhƣ sau: đối với một nhánh bất kỳ trong mạch từ tích số giữa từ thông chảy qua và tổng trở từ bằng từ áp rơi giữa hai đầu của nhánh đó. (5.6) Trong các công thức trên: -i : là từ thông chảy qua các nhánh của mạch từ (wb). - Fi : là sức từ động của các nhánh từ tương ứng (A.t). - Rmk : từ trở của nhánh từ tương ứng (1/H). - Zmi : tổng trở từ của các nhánh (1/H). - Umi : từ áp rơi trên các nhánh từ (A). Tổng trở Zmi của nhánh từ bao gồm hai thành phần là từ trở Rmi và từ kháng Xmi, giữa chúng có quan hệ tam giác vuông.   Fi K Rmk 0 . i Z mi U mi . (5.7) Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 146 5.2.5. Các hƣ hỏng thƣờng gặp Các loại vật liệu dẫn từ được 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 hư hỏng và ta thường gặp các dạng hư hỏng sau: + Hư 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 trường xung quanh và tác dụng đó diễn ra dưới hai hình thức ăn mòn, ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa như những kim loại khác mặc dầu trên bề mặt chúng có sơn lớp sơn cách điện. + Hư hỏng do điện: trong quá trình làm việc do xẩy ra các hiện tương như quá điện áp, do bị ngắn mạch nên các cuộn dây đặt trên mạch từ bị cháy nên làm hỏng các mạch từ. + Hư hỏng do bị già hóa của kim loại: dưới tác dụng của tời gian và môi trường làm cho các tính chất của vật liệu từ thay đổi. + Hư hỏng do các lực tác động từ bên ngoài: dưới tác dụng của ngoại lực làm cho các vật liệu từ bị biến dạng hoặc bị hỏng. + Dưới tác dụng của nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng lên (khoảng 125 oC) các vật liệu có từ tính sẽ mất từ tính. 5.3. Phân loại vật liệu từ Từ cảm ( χ ) của vật liệu là một đại lượng đặc trưng cho sự cảm ứng của vật liệu dưới tác động của từ trường ngoài. Người ta dựa vào đại lượng này để phân chia các vật liệu thành 5 loại như sau: Nghịch từ: là vật liệu có χ nhỏ hơn không (âm) và có giá trị tuyệt đối rất nhỏ, chỉ cỡ khoảng 10-5. Thuận từ: là vật liệu có χ lớn hơn không (dương) và có giá trị tuyệt đối nhỏ cỡ 10 -3 . Sắt từ: là vật liệu có χ dương và rất lớn, có thể đạt đến 105. Feri từ: là vật liệu có χ dương và lớn (tuy nhiên nhỏ hơn sắt từ). Phản sắt từ: là vật liệu có χ dương nhưng rất nhỏ. 5.4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến từ tính của sắt từ Khi làm nóng sắt từ ta sẽ làm yếu vai trò trao đổi tương hỗ bên trong nó, dẫn tới quá trình phản định hướng nhiệt của mômen từ và giảm từ hóa tự phát. Khi nhiệt độ lớn hơn một nhiệt độ nào đó sẽ xảy ra sự phân chia lại cấu trúc miền, tức là từ hóa tự phát biến mất và chuyển vào trạng thái thuận từ. Nhiệt độ của chuyển tiếp pha đó Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 147 gọi là điểm từ Quiri. Gần điểm từ Quiri quan sát thấy hàng loạt sự khác thường, đồng thời với sự thay đổi các tính chất không từ của sắt từ như điện trở suất, nhiệt dung riêng, hệ số nở dài, và những tham số khác. Nhiệt độ Quiri trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha từ tính sắt từ sang thuật từ. Như vậy, vật liệu từ ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri sẽ ảnh hưởng đến tính chất dẫn từ. Nên tránh sử dụng vật liệu từ ở nhiệt độ cao. 5.5. Vật liệu từ cứng Các vật liệu từ cứng thường có tổn hao do từ trễ lớn, cường độ từ trường khử từ cao, độ từ thẩm nhỏ hơn so với vật liệu sắt từ mềm. Tùy theo thành phần trạng thái và phương pháp chế tạo các vật liệu sắt từ cứng được chia làm nhiều loại: - Thép hợp kim hóa, được tôi đến trạng thái máctenxít. - Các hợp kim từ cứng. alni, alnisi, alnico, macnico... - Các nam châm dạng bột. Các vật liệu sắt từ cứng có độ dẫn từ thấp hơn, có từ dư lớn, nhưng có khả năng luyện từ, chủ yếu dùng để chế tạo nam chậm vĩnh cửu trong máy điện, trong các cơ cấu đo. Vật liệu chủ yếu là thép cácbon, thép crom, thép vonfram, thép côban. 5.5.1. Thép hợp kim hóa được tôi đến trạng thái mactenxít Là loại thép được hợp kim hoá với các chất như: vonfram, crôm, molipden, côban. Loại thép này là vật liệu đơn giản và dễ kiếm nhất để làm nam châm vĩnh cửu. Thành phần và tính chất của thép này cho trong bảng. Các tính chất cho trong bảng (bảng5.6.) được đảm bảo đối với thép mactenxít sau khi nhiệt luyện đặc biệt đối với từng loại một và sau đó được ổn định trong nước sôi 5 giờ. Nhãn hiệu Thành phần hóa học % Các tính chất từ (không nhỏ hơn) C Cr VV Co Mo Cảm ứng từ dư Bd k.gauss Lực kháng từ Hk ơcstet EX 0,95 đến 1,10 1,30 đến 1,60 - - - 9,0 58 Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 148 EX3 0,90 đến 1,10 2,80 đến 3,60 - - - 9,5 60 E7B6 0,68 đến 0,78 0,30 đến 0,50 5,20 đến 6,20 - - 10,0 62 EX5K5 0,90 đến 1,05 5,50 đến 6,50 - 5,50 đến 6,5 - 8,5 100 EX9K15M 0,90 đến 1,05 8,0 đến 10,0 - 13,5 đến 16,5 1,20 đến 1,70 8,0 170 Bảng 5.1: Thành phần và tính chất thép mactenxít làm nam châm vĩnh cửu 5.5.2. Các hợp kim từ cứng Thường được gọi là hợp kim aluni: (Al - Ni - Fe) Loại này có năng lượng từ lớn. Nếu cho thêm côban hoặc silic thì tính chất từ của hợp kim tăng lên. Hợp kim aluni, nếu cho thêm silic gọi là alunisi, nếu cho thêm côban gọi là alunico. Nếu trong hợp kim alunico có hàm lượng côban là lớn nhất ta gọi là macnico. Tất cả các hợp kim trên đều có khuyết điểm khó chế tạo thành các chi tiết có kích thước chính xác do hợp kim có tính chất cứng và giòn. Nên chỉ có thể gia công bằng phương pháp mài. Tùy theo thành phần và phương pháp gia công mà tính chất từ có thể thay đổi. Nam châm hợp kim manicô nhẹ hơn nam châm aluni cùng năng lượng 4 lần và nhẹ hơn nam châm thép crôm thông thường 22 lần 5.5.3. Các nam châm dạng bột Chế tạo nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp luyện kim bột được đề ra vì hợp kim đúc sắt – niken – nhôm không thể chế tạo sản phẩm nhỏ và có kích thước chinh xác được. Chúng ta cần phân biệt hai loại nam châm bột kim loại gốm và nam châm bột có các hạt gắn bằng chất kết dính nào đó (nam châm kim loại dẻo). Loại thứ nhất được chế tạo bằng cách ép bột nghiền từ các hợp kim từ cứng, sau đố thiêu kết ở nhiệt độ cao. Các chi tiết nhỏ chế tạo bằng công nghệ này có kích thước tương đối chính xác, không cần gia công thêm. Loại thứ hai được chế tạo bằng phương pháp ép giống như ép các chi tiết bằng chất dẻo nhưng chất độn ở đây được nghiền từ hợp kim từ cứng. Vì chất độn cứng nên cần áp suất riêng để ép cao ( 5 tấn /cm2). Nam châm kim loại bột kinh tế nhất khi sản xuất tự động hóa hàng loạt nam châm có cấu tạo phức tạp và kích hước không lớn. Công nghệ hợp kim dẻo có thể chế tạo nam châm có lõi. Tính chất từ của các nam châm kim loại dẻo kém nhiều, lực kháng từ giảm (10 15)%, từ dư giảm (35 50)%, năng lượng tích lũy giảm (40 60)% so với nam châm đúc. Nam châm kim loại dẻo Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 149 có điện trở cao, do đó có thể sử dụng nó trong các thiết bị có trường biến đổi tần số cao 5.5.4. Ferít từ cứng Trong số các ferít từ cứng được biết nhiều nhất là ferít bari BaO6Fe2O3. Nó được sản xuất ở dạng đĩa mỏng, chúng có tính ổn định cao đối với tác dụng của từ trường ngoài, chịu được lắc và va đập. Nhưng nhược điểm là độ bền cơ thấp, độ giòn lớn, tính chất từ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nghĩa là lớn hơn nam châm đúc. 5.6. Vật liệu từ mềm Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao, lực kháng từ và tổn hao từ trễ nhỏ. Được dùng để chế tạo mạch từ của các thiết bị điện, đồ dùng điện. Đặc điểm của loại vật liệu này là độ dẫn từ lớn, tổn hao bé. 5.6.1. Sắt (thép cácbon thấp). Nhìn chung sắt thỏi chứa một lượng nhỏ tạp chất, như là cácbon, sulfur, mangan, silíc, và các nguyên tố khác làm yếu đi những tính chất từ tính của nó. Bởi vì điện trở suất của nó tương đối thấp, thép thỏi phần lớn chỉ dùng cho các lõi từ. Nó thường được làm bằng sắt đúc tinh chế trong các lò luyện kim hoặc lò thổi với tổng lượng chứa (0,08 – 0,1)% tạp chất. Vật liệu này được biết đến dưới cái tên là thép armco được sản xuất theo nhiều cấp độ khác nhau. Thép điện cácbon thấp, hoặc tấm điện, một trong những loại khác nhau của thép thỏi, độ dày của tấm từ 0,2 đến 4mm, không chứa trên 0,04% cácbon và không quá 0,6% của các nguyên tố khác. Độ thẩm từ cao nhất đối với những loại thép khác nhau không trên mức 3500 4500, lực kháng từ tương ứng không cao hơn (100 62)A/m... Sắt đặc biệt tinh khiết được sản xuất bằng cách điện phân trong dung dịch của sulfátắt hay clorua sắt. Nó chứa 0,05 tạp chất. Vì có điện trở tương đối thấp nên sắt tinh khiết kỹ thuật được sử dụng tương đối ít, chủ yếu làm mạch từ từ thông không đổi. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 150 Vật liệu Tạp chất (%) Các tính chất từ Độ thẩm từ Lực kháng từ HC (A/m) C O2 Ban đầu min Lớn nhất max Sắt thỏi 0,02 0,06 250 7000 64 Sắt điện phân 0,02 0,01 600 15000 28 Sắt cacbonyl 0,005 0,005 3300 21000 6,4 Sắt điện phân nóng chảy trong chân không 0,01 - - 61000 7,2 Sắt tinh chế trong hyđrô 0,005 0,003 6000 200000 3,2 Sắt tinh chế cao trong hyđrô - - 20000 340000 2,4 Tinh chế đơn của sắt tinh khiết nhất được ủ ram trong hyđrô - - - 1430000 0,8 Bảng 5.2: Tính chất của sắt 5.6.2. Thép lá kỹ thuật điện 5.6.2.1. Tính chất Từ những lá thép cacbon thấp có thành phần C < 0,04% và các tạp chất khác <0,6%) có trị số từ thẩm tƣơng đối từ 3500 4500, cƣờng độ từ trƣờng khử từ (6496)A/m. Người ta đưa thêm silic vào thành phần của những lá thép này. Hàm lượng silic này dùng để hạn chế tổn hao do từ trễ và tăng điện trở của thép để giảm tổn hao do dòng điện xoáy. Nếu thành phần silic nhiều (trên 5%) thì làm tăng độ dòn, giảm độ dẻo nên vật liệu rất khó gia công. Tùy theo thành phần silic có trong thép nhiều hay ít mà tính chất từ thay đổi khác nhau. Thép có hàm lượng silic cao chủ yếu làm mạch từ cho máy biến áp. Thép có hàm lượng silic rất nhỏ được dùng làm mạch từ trong trường hợp từ thông không đổi. 5.6.2.2. Phân loại - Theo thành phần ta có: sắt kỹ thuật; thép silic. - Theo công nghệ chế tạo ta có 2 loại: thép cán nóng và thép cán nguội. Trong Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 151 thép cán nóng và thép cán nguội ta có: + Thép đẳng hướng: có tính năng từ tính tốt hơn thường dùng làm lõi thép máy biến áp. + Thép vô hướng: thường dùng trong máy điện quay 5.6.2.3. Giải thích ký hiệu Nếu lá thép kỹ thuật điện có hàm lượng C< 0,4% và tạp chất < 0,6% ta gọi là sắt kỹ thuật. + 21, 22. + 31, 32. + 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48. + 31O, 320, 330, 330A, 340, 370, 380. + 110O, 1200, 1300, 3100, 3200. Trong đó: Con số thứ nhất chỉ hàm lượng gần đúng của silíc theo phần trăm; khi tăng hàm lượng silíc, khối lượng riêng giảm và điện trở suất của nó tăng lên. Con số thứ hai đặc trưng cho tính chất điện và từ của thép. + Các con số 1, 2, 3 đảm bảo suất tổn hao xác định khi từ hoá lại ở tần số Pécmaloi50Hz) và cảm ứng từ trong từ trường mạnh. + Chữ A ký hiệu suất tổn hao rất thấp + Số 4 cho biết thép được định mức tổn hao khi từ hóa ở tần số 400Hz và cảm ứng từ trong từ trường trung bình. + Thép có ký hiệu số 5, 6 dùng trong từ trường yếu từ (0,002 0,008)A/cm và trị số bđ của chúng được đảm bảo. + Con số 7, 8 chỉ đặc điểm chủ yếu của độ từ thẩm trong cường độ từ trường trung bình từ (0,0310)A/cm. + Con số 0 thứ 3 chỉ thép được cán nguội (thép có thớ). + Có hai số 0 liên tiếp là thép được cán nguội và ít thớ. Con số thứ nhất Nhãn hiệu thép Mức hợp kim hóa silíc của thép Hàm lượng Si, % Khối lượng 3 riêng, g/cm Điện trở suất 2 .mm /m 1 Hợp kim hóa yếu 0,8 - 1,8 7,80 0,25 2 Hợp kim hóa trung bình 1,8 - 2,8 7,75 0,40 3 Hợp kim hóa tăng cao 2,8 - 3,8 7,65 0,50 4 Hợp kim hóa cao 3,8 - 4,8 7,55 0,60 Bảng 5.3: Sự phụ thuộc của khối lƣợng riệng và điện trở suất thép lá kỹ thuật điện vào hàm lƣợng Silic Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 152 5.6.2.4. Công dụng - Thép với hàm lượng silic cao chủ yếu dùng để làm lỏi thép máy biến áp mà thường gọi là tôn silic. - Thép có thớ đẳng hướng: có tính năng từ tính tốt hơn thường dùng làm lõi thép máy biến áp. Sử dụng các thép này làm máy biến áp điện lực giảm được trọng lượng và kích thước. - Thép có thớ vô hướng: thường dùng trong máy điện quay. Các kích thước thường dùng nhất của thép kỹ thuật điện được cho trong bảng sau: Kích thước Đơn vị đo Trị số thường dùng nhất Dày mm 0,1; 0,2; 0,35; 0,5, 1 Rộng m 0,24; 0,6; 0,7; 0,75; 0,86; 1 Dài m 0,72; 1,2; 1,34; 1,5; 1,75; 2 Bảng 5.4: Kích thƣớc thƣờng dùng của thép kỹ thuật điện Các tiêu chuẩn quy định tính chất điện và từ đối với các nhãn hiệu thép kỹ thuật điện là: - Cảm ứng từ (ký hiệu bằng chữ B với con số chỉ cường độ từ trường tương ứng tính theo A/cm); - Tổng suất tổn hao công suất dòng điện xoay chiều tính bằng W trên 1kg thép đặt trong từ trường xoay chiều, được ký hiệu bằng chữ P với con số ở dạng phân số; tử số giá trị biên độ cảm ứng từ tính theo kilôgam, mẫu số là tần số tính bằng héc. 5.6.3. Pécmalôi 3. Pécmalôi là hợp kim sắt với niken có trị số độ tự thẩm ban đầu rất lớn trong vùng từ trường yếu, bởi vì chúng không có hiện tượng dị hướng và từ giảo (khi từ hoá chất sắt từ đơn tinh thể thì kích thước của chúng có thay đổi, gọi là hiện tượng từ giảo). Pécmalôi có nhiều niken (độ từ thẩm cao và điện trở suất cao) dùng làm lõi cuộn cảm có kích thước nhỏ, máy biến áp âm tần nhỏ, các biến áp xung và trong các khuếch đại từ. Pécmalôi ít niken (độ từ thẩm được nâng cao, từ cảm bảo hoà, điện trở suất được nâng cao) dùng làm lõi thép máy biến áp điện lực, cuộn cảm và các dụng cụ đo cần có mật độ từ thông cao. Các pécmalôi với vòng từ trễ hình chữ nhật có thể dùng làm lõi khuếch đại từ, cơ cấu chuyển mạch, thiết bị chỉnh lưu và các phần tử của máy tính. Pécmalôi rất nhạy cảm với tác dụng cơ học. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 153 5.6.4. Alusife Alusife là hợp kim của sắt với silic và nhôm. Thành phần tốt nhất là Alusife: 9,5%Si; 5,6%Al; còn lại là Fe. Hợp kim này có đặc tính cứng và giòn và có độ tự thẩm cao, điện trở suất cao nhưng cũng có thể chế tạo ở dạng đúc định hình. Ứng dụng: màn từ, thân các dụng cụđược chế tạo bằng phương pháp đúc với thành của chi tiết không mỏng hơn 2 –3 mm vì hợp kim này giòn. Do đó mà người ta ít sử dụng Alusife. Do có tính giòn nên người ta cũng có thể nghiền nhỏ Alusife thành bột như cácbonyl sắt để sản xuất lõi thép cao tần. 5.6.5. Ferít từ mềm Loại ferít từ mềm có từ cảm lớn nhất (hơn 3000gauss) và lực kháng từ nhỏ khoảng 0,2 ơcstet. Ferít với trị số lớn có trị số tổn hao lớn và tăng nhanh khi tần số tăng. Ferít có hằng số điện môi tương đối lớn, trị số này phụ thuộc vào tần số và thành phần ferít. Khi tần số tăng hằng số điện môi giảm. Tang góc tổn hao của ferít từ 0,005 đến 0,1. Ferít có hiện tượng từ giảo và ở các ferít khác nhau hiệu ứng này cũng khác nhau. 5.6.6. Các vật liệu từ mềm có công dụng đặc biệt Các hợp kim có đặc tính độ từ thẩm thay đổi rất ít khi cường độ từ trường thay đổi: có tên gọi là pecminva, là hợp kim có thành phần là 25% Fe, 45% Ni và 30%Ni. Hợp kim ủ ở nhiệt độ 10000C, sau đó giữ nhiệt độ 400-500 0C rồi làm nguội chậm. Pecminva có lực kháng nhỏ, ổn định từ kém, nhạy cảm với nhiệt độ. Hợp kim có độ từ thẩm ổn định hơn (ít biến đổi trong từ trường) gọi là izôpécmơ, trong thành phần của nó có sắt, niken và nhôm hay đồng. Các hợp kim có độ từ thẩm phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ: đay là hợp kim nhiệt gồm Ni – Cu, Fe – Ni – Cr. Các hợp kim này dùng để bù sai số nhiệt độ trong các thiết bị, sai số này gây nên bởi sự biến đổi từ cảm của nam châm vĩnh cửu hay điện trở của dây dẫntrong các dụng cụ điện khi nhiệt độ môi trường khác với nhiệt độ lúc khắc độ (nhiệt độ chuẩn của thiết bị). Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 154 Các hợp kim có độ từ giảo cao: gồm hợp kim Fe – Cr, Fe – Co và Fe – Al. Các hợp kim này dùng để làm máy phát dao động âm ở tần số âm thanh và siêu âm. Các hợp kim có độ từ giảo bảo hoà rất cao: gồm có hợp kim sắt – coban có từ cảm bảo hoà rất cao, đến 24000gaus. Điện trở của hợp kim này không lớn, hợp kim này có tên gọi là pecmenduyra với hàm lượng Co từ 50% đến 70%. Pecmenduyra có giá thành cao nên chỉ dùng ở các thiết bị đặc biệt, trong các bộ phận của loa điện động, màng ống điện thoại, dao động . CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 5.1. Trình bày khái niệm vật liệu từ? Nêu các đặc tính chủa vật liệu dẫn từ? Câu 5.2. Thế nào là đường cong từ hóa? Trình bày đường cong từ hóa của một số vật liệu từ điển hình? Câu 5.3. Trình bày khái niệm về mạch từ? Nêu các cách tính toán một số mạch từ đơn giản? Câu 5.4. Nêu các định luật cơ bản về mạch từ? Câu 5.5. Từ một mạch từ hãy vẽ ra sơ đồ thay thế và nêu các đại lượng có trong sơ đồ? Câu 5.6. Cho biết các hư hỏng thường xẩy ra của mạch từ? Câu 5.7. Thế nào là vật liệu từ mềm, từ cứng và vật liệu từ có công dụng từ đặc biệt? Câu 5.8. Nêu tính chất của thép lá kỹ thuật điện? Cách phân loại và giải thích các ký hiệu của thép lá kỹ thuật điện? Câu 5.9. Nêu tính chất và công dụng của các loại vật liệu từ đã học? Câu 5.10. Mạch có các kích thước S = S = 9 cm2, = 0,050 cm, LC = 30cm và N = 500 vòng. Giả sử như đối với sắtr = 70000. a. Hãy xác định từ trở RC và R. Giả sử mạch từ làm việc tại BC = 0,1T. b. Hãy xác định từ thông và dòng điện I. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 155 Câu hỏi trắc nghiệm lựa chọn Đọc kỹ các câu hỏi, chọn ý trả lời đúng nhất và tô đen vào ô thích hợp ở cột bên TT Nội dung câu hỏi a b c d 5.11. Đường cong từ hoá là: a. Đường biểu diễn cường độ từ trường. b. Đường biểu diễn quan hệ B(H). c. Đường biểu diễn cường độ từ cảm. d. Cả a,b và c đều đúng. □? □? □? □? 5.12. Pécmaloi (permallois) là hợp kim của sắt với: a. Nikel. b. Mangan. c. Côban. d. Nhôm. □? □? □? □? 5.13. Các vật liệu thường có tổn hao do từ trễ lớn, cường độ từ trường khử từ cao, độ từ thẩm nhỏ đó là loại: a. Thép hợp kim hóa được tôi đến trạng thái mactenxít. b. Ferít có vòng từ trễ chữ nhật. c. Vật liệu sắt từ mềm. d. Vật liệu sắt từ cứng. □? □? □? □? 5.14. Hợp kim của Fe - Co có từ cảm bảo hòa từ rất cao đến 24000 gauss. Điện trở của hợp kim không lớn và có hàm lượng côban từ 50 đên 70%, có tên gọi là: a. Ferít từ mềm. b. Ferít từ cao tần. c. Pecmenđuyara. d. Ferít có vòng từ trễ chữ nhật. □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 156 5.15. Đặc điểm của vật liệu sắt từ cứng là: a. Có độ dẫn từ thấp, có từ dư lớn. b. Độ dẫn từ lớn, tổn hao bé. c. Cả a và b đều đúng. d. Cả a và b đều sai. □? □? □? □? 5.16. Đường cong khép kín đặc trưng cho tình trạng từ hoá của vật liệu còn được gọi là: a. Đường cong từ hoá cuả vật liệụ. b. Đường biểu diễn cường độ từ trường. c. Chu trình từ trễ của vật liệụ . d. Cả a, b và c đều saị □? □? □? □? 5.17. Hệ số từ thẩm của chất sắt từ là: a. Thay đổi. b. Không thay đổi c. Phụ thuộc vào cảm ứng từ B. d. Phụ thuộc vào cường độ từ trường. □? □? □? □? 5.18. Vật liệu sắt từ được phân làm các loại sau: a. Vật liệu: sắt và các hợp kim của sắt. b. Vật liệu: sắt các hợp kim của sắt, ni ken và coban. c. Vật liệu: sắt từ cứng, sắt từ mềm và có công dụng từ đặc biệt. d. Câu a và b đúng □? □? □? □? 5.19. 1Vật liệu dẫn từ được dùng để chế tạo: a. Bộ dây quấn máy điện. b. Mạch từ của các thiết bị, đồ dùng điện. c. Mạch từ của các cuộn dây trong các thiết bị điện tử, máy khuếch đại từ. d. Câu b và c đúng □? □? □? □? 5.20. Đặc điểm của vật liệu sắt từ mềm là: a. Có độ dẫn từ thấp, có từ dư lớn. b. Độ dẫn từ lớn, tổn hao bé. c. Cả a và b đều đúng. d. Cả a và b đều saị □? □? □? □? 5.21. Để truyền tải được năng lượng từ trường ta phải dùng vật liệu; a. Vật liệu cách điện. b. Vật liệu dẫn điện. c. Vật liệu dẫn từ. d. Cả a,b và c đều sai □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 157 5.22. Trong hình (1 ) đường cong từ hoá số 2 là đường cong từ hoá của: a. Sắt đặc biệt tinh khiết. b. Sắt kỹ thuật tinh khiết (99,92%Fe). c. Sắt tinh khiết (99,98%Fe). d. Hợp kim sắt – Niken (26%). □? □? □? □? 5.23. Trong hình 5.1, đường cong từ hoá số 3 là đường cong từ hoá của: a. Sắt đặc biệt tinh khiết. b. Sắt kỹ thuật tinh khiết (99,92%Fe) c. Sắt tinh khiết (99,98%Fe) d. Hợp kim sắt – Niken (26%) □? □? □? □? 5.24. Hợp kim có độ từ thẩm cao gồm các loại: a. Pécmaloi, Alusifẹ b. Pécmaloi, Alusife, Alunico c. Pécmaloi, Alusife, Alunisi d. Pécmaloi, Alusife, Alunị □? □? □? □? 5.25. Các vật liệu sắt từ mềm bao gồm: a. Pécmaloi, Alusife, sắt kỹ thuật, thép silíc. b. Alusife, sắt kỹ thuật, thép silíc c. Pécmaloi, sắt kỹ thuật, thép silíc . d. Sắt kỹ thuật, thép silíc □? □? □? □? 5.26. Các vật liệu sắt từ cứng bao gồm: a. Thép hợp kim hoá, Các nam châm dạng bột b. Các hợp kim từ cứng, Alunico, Alusife c. Thép hợp kim hoá, Các nam châm dạng bột, Các hợp kim từ cứng. d. Thép hợp kim hoá, các nam châm dạng bột, pécmaloi. □? □? □? □? 5.27. Trong hình 5.1, đường cong từ hoá số 6 là đường cong từ hoá của: a. Sắt đặc biệt tinh khiết. b. Sắt kỹ thuật tinh khiết (99,92%Fe) c. Sắt tinh khiết (99,98%Fe) d. Hợp kim sắt – Niken (26%) □? □? □? □? 5.28. Trong ký hiệu thép ỹ thuật điện được ký hiệu bằng chữ và các con số, con số thứ nhất chỉ: a. Đặc trưng cho tính chất điện và từ của thép. b. Chỉ thép được cán nguội. c. Thép được cán nguội và ít thớ. d. Chỉ hàm lượng gần đúng của silíc theo phần trăm. □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 158 5.29. Thép kỹ thuật điện được ký hiệu bằng chữ và các con số, con số thứ hai chỉ: a. Đặc trưng cho tính chất điện và từ của thép. b. Chỉ thép được cán nguội. c. Thép được cán nguội và ít thớ. d. Chỉ hàm lượng gần đúng của silíc theo phần trăm. □? □? □? □? 5.30. Vật liệu sắt từ có các loại sau: a. Vật liệu sắt từ mềm, vật liệu sắt từ cứng, b. Vật liệu sắt từ mềm, vật liệu sắt từ cứng và vật liệu có công dụng từ đặc biệt c. Vật liệu sắt từ mềm, vật liệu có công dụng từ đặc biệt d. Vật liệu sắt từ cứng, vật liệu có công dụng từ đặc biệt, Vật liệu sắt từ mềm □? □? □? □? 5.31. Theo công nghệ chế tạo thép lá kỹ thuật điện có các loại: a. Sắt kỹ thuật, thép silíc b. Thép đẳng hướng. c. Thép cán nóng và thép cán nguội. d. Thép vô hướng □? □? □? □? 5.32. Một hợp kim có hàm lượng (40-50)% Nikel số phần trăm còn lại là sắt và các tạp chất có tên gọi là: a. Pécmaloi b. Alusife. c. Pécmaloi loại nhiều niken. d. Pécmaloi loại ít niken. □? □? □? □? 5.33. Các hợp kim có độ từ thẩm phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ được gọi là: a. Vật liệu sắt từ mềm. b. Pécmaloi loại nhiều niken. c. Vật liệu có công dụng từ đặc biệt. d. Sắt kỹ thuật tinh khiết (99,92%Fe). □? □? □? □? 5.34. Để truyền tải được năng lượng từ trường ta phải dùng vật liệu: a. Vật liệu cách điện. b. Vật liệu dẫn điện. c. Vật liệu dẫn từ. d. Cả a,b và c đều sai. □? □? □? □? TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Vũ Văn, Vật liệu Điện –Điện tử, NXB ĐH QG TP.HCM-2005 [2] Nguyễn Đình Thắng, Vật liệu Điện, NXB GD -2006 [3] Nguyễn Xuân Phú , Vật liệu Kỹ thuật Điện, NXB KHKT-2000 [4] Lê Công Dưỡng, Vật liệu học, NXB KHKT Hà Nội-1997 . [5] V.V. PaSưnKov, V.S. SoroKin , Vật liệu Kỹ thuật Điện (tiếng Nga), NXB VưcSaya, Xkola-1986