Giáo trình Vật liệu điện (Trình độ: Cao đẳng) - Trường cao đẳng cơ giới Ninh Bình

n = Pn/S0 - Giới hạn bền uốn: u = [Pu.l/(b.h 2)].1,5 13 Trong đó : + k, n, u là các giới hạn bền (N/cm 2 hoặc MPa) + Pk, Pn, Pu là các lực kéo đứt, nén vỡ và uốn gẫy mẫu thử (N) + S0 là tiết diện ngang của mẫu thử (cm 2) + l là khoảng cách giữa hai gối đỡ (thường là 100 cm) + b là chiều rộng mẫu thử (thường là 12 cm) + h là chiều cao của mẫu thử (cm). 1.2.3. Tính chất hoá học của vật liệu cách điện Là khả năng của vật liệu: - Không bị phân huỷ, thoát ra các sản phẩm phụ. - Không bị già hoá. - Không gây ăn mòn các kim loại tiếp xúc. - Không phản ứng với các chất khác nhau như khí, nước, axit, kiềm, dầu mỡ, dung dịch muối ... - Có tính chịu bức xạ năng lượng cao. Đảm bảo sau khi bị bức xạ, khả năng chịu nhiệt và tính cơ học vẫn tốt, các tính chất điện không bị xấu đi. 1.2.4. Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện của VLCĐ. * Hiện tượng đánh thủng điện môi Trong điều kiện bình thường, vật liệu cách điện có điện trở rất lớn nên nó làm cách ly các phần mang điện với nhau. Nhưng nếu các vật liệu này đặt vào môi trường có điện áp cao thì các mối liên kết bên trong của vạt liệu sẽ bị phá hủy làm nó mất đi tính cách điện. Khi đó, người ta nói vật liệu cách điện đã bị đánh thủng. * Độ bền cách điện: Là điện áp đánh thủng tính trên cách điện có bề dầy một đơn vị. Ebđ = Uđt/d Trong đó: + Uđt là điện áp đánh thủng của VLCĐ (kV). + d là bề dầy của VLCĐ (mm). + Ebđ là độ bền điện (kV/mm). Các yêu cầu đối với chất điện môi : - Độ bền cách điện cao, điện áp đánh thủng Uđt lớn. - ổn định nhiệt cao. - Dẫn nhiệt tốt, làm việc tốt ở nơi có độ ẩm cao. - Độ bám dính tốt, ít rạn nứt, rách thủng. Như vậy, vừa đảm bảo tăng độ làm việc tin cậy vừa giảm kích thước của máy điện. 14 1.2.5. Độ bền nhiệt Khả năng của vật liệu điện và các chi tiết chịu đựng không bị phá hủy trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ gọi là độ bền nhiệt của vật liệu cách điện. Độ bền nhiệt của vật liệu cách điện vô cơ thường được xác định theo điểm bắt đầu biến đổi tính chất điện. Đại lượng độ bền nhiệt được đánh giá bằng trị số nhiệt độ khi vật liệu xuất hiện sự biến đổi tính chất. Độ bền nhiệt của vật liệu cách điện hữu cơ thường được xác định theo điểm bắt đầu biến dạng cơ học kéo hoặc uốn. Đối với các điện môi khác có thể xác định độ bền nhiệt theo các đặc tính điện. 1.2.6. Tính chọn vật liệu cách điện Khi cần chọn lựa vật liệu cách điện người ta căn cứ vào các tiêu chuẩn sau đây : + Độ cách điện : Tùy vào điện áp làm việc của thiết bị, người ta chọn loại vật liệu có bề dày thích hợp, sao cho vật liệu làm an toàn mà không bị đánh thủng. + Độ bền cơ : Tùy thuộc vào điều kiện làm việc của thiết bị mà ta chọn vật liệu cách điện có độ bền cơ thích hợp. + Độ bền nhiệt : Căn cứ vào sự phát nóng khi thiết bị làm việc, người ta sẽ chọn các loại vật liệu cách điện có nhiệt độ cho phép phù hợp. 1.2.7. Hư hỏng thường gặp Các loại vật liệu cách điện được sử dụng cách điện cho máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện lâu ngày sẽ bị hư hỏng và ta thường gặp các dạng hư hỏng sau : - Hư hỏng do diện : Do các máy điện thiết bị điện khi làm việc vượt quá các trị số định mức như : các đại lượng về dòng điện, điện áplàm cho các vật liệu cách điện bị giảm tuổi thọ hoặc bị đánh thủng. - Hư hỏng do bị già hóa của vật liệu cách điện : Trong quá trình làm việc các loại vật liệu cách điện đều chịu ảnh hưởng từ các tác động của môi trường như nhiệt độ, độ ẩmlàm cho các vật liệu giảm dần đi tính chất cách điện của chúng và dễ bị đánh thủng. - Hư hỏng do các tác động từ bên ngoài : Các vật liệu cách điện khi bị lực tác động từ bên ngoài có thể làm hư hỏng ví dụ như lớp emay trên các dây điện từ có đường kính tương đối lớn nếu bị uốn cong với bán kính nhỏ sẽ làm bong hoặc khi vào dây không cẩn thận sẽ làm lớp cách điện bị trầy xước. - Hư hỏng do mài mòn giữa các bộ phận : các chi tiết khi làm việc tiếp xúc và có sự chuyển động tương đối với nhau thì sẽ bị hư hỏng do sự mài mòn. 15 1.3. Một số vật liệu cách điện thông dụng 1.3.1. Vật liệu sợi * Sợi bông: Loại không tẩm chịu ẩm kém, chịu nhiệt thấp. Loại sợi ngâm (Cotopa) có khả năng chịu ẩm gấp hai lần, tính cách điện và chịu nhiệt cao hơn. Dùng cách điện cuộn dây máy biến thế, máy phát điện ... * Sợi Nylon: Chịu được axit và bazơ, chịu nhiệt tốt. Cơ tính bền, chịu ma sát. Dùng cho cáp điện. * Sợi thuỷ tinh: Là sợi mảnh được bện thành dây hoặc dệt thành băng. Chịu nhiệt cao, độ bền cơ và điện rất tốt. Khi cách điện thì dùng nhựa gắn với bề mặt cần cách điện. Được dùng cách điện ở vị trí có nhiệt độ làm việc cao. * Vải: Được dệt từ sợi bông tự nhiên hoặc từ các vật liệu tổng hợp thành băng, tấm, được sơn tẩm để tăng tính cách điện và sử dụng trong thiết bị có dòng điện lớn. 1.3.2. Giấy và các tông Thành phần chủ yếu là xenlulô, được chế tạo hình tấm hoặc quấn lại thành cuộn có kích thước khác nhau. Ưu điểm là rẻ tiền, độ bền cơ và độ dẻo cao, thuận tiện trong sản xuất nên được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện. Song độ bền điện và dẫn nhiệt không cao, tính hút ẩm mạnh. * Giấy cáp: Dùng làm cách điện của cáp điện lực có cường độ điện trường thấp. Các loại cáp có mã hiệu: K-100; KM-120; KB-170; KBMY-240 ... * Giấy quấn: Có ký hiệu EH-50; EH-70. Được chế tạo thành cuộn dùng để quấn lên các cuộn dây của máy điện hoặc sản xuất trụ, ống cách điện. * Giấy tụ điện: Có bề dầy từ 0,004  0,03mm Dùng để cách điện cho tụ điện giấy hoặc tụ điện giấy dầu. * Các tông cách điện: Loại dùng ngoài không khí cứng và đàn hồi, dùng để lót vào rãnh của máy điện, làm lõi cuộn dây, các vòng đệm ... Loại dùng trong dầu xốp và mềm hơn, có tính tẩm dầu tốt, dùng chủ yếu trong dầu máy biến áp. 1.3.3. Phíp Phíp: Được cấu tạo từ loại giấy không dính có thành phần sợi bông và xenlulô đến 50%. Phíp được sản xuất thành tấm có chiều dầy từ 0,6  20mm, độ bền cơ học cao, có thể gia công như khoan, bào, tiện ... Độ bền điện và điện trở suất nhỏ nên chủ yếu dùng cho các thiết bị điện hạ thế. 16 1.3.4. Amiăng, xi măng amiăng - Amiăng * Đặc tính: Là loại khoáng chất có cấu trúc xơ nhỏ. Tính chịu axit kém, độ háo nước cao. Được ứng dụng ở dạng xơ, sợi. * Công dụng: Chế tạo sợi, băng, giấy bìa cách điện và các sản phẩm cách điện khác như xi măng amiăng, chất dẻo amiăng, ... - Xi măng amiăng Được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện là một chất dẻo được ép nguội. Thành phần chủ yếu là các chất vô cơ, trong đó có chất độn là amiăng, còn chất kết dính là xi măng. 1.3.5. Vải sơn và băng cách điện - Vải sơn: Là loại vải bông, lụa , thủy tinh có tẩm sơn, có độ đàn hổi và độ mềm được dùng làm cách điện rãnh của các máy điện có điện áp thấp. Độ bền điện của loại băng sợi bông có trị số khoảng 35- 50kV/mm. Vải sơn cách điện thường được sản xuất ở dạng cuộn rộng 700- 1000mm, chiều dày của vải cách điện là 0,15-0,24mm. - Băng cách điện: Được sản xuất từ vải bông , vải thủy tinh. Băng tẩm cao su là những vải mịn có tẩm cao su, được sản xuất thành cuộn tròn và được dùng nhiều trong các thiết bị điện hạ thế. 1.3.6. Chất dẻo Chất dẻo là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật cũng như trong đời sống. Đặc điểm của chất dẻo là dưới tác dụng của sức ép bên ngoài sẽ nhận được hình dáng đã định trước của khuôn ép để chế tạo ra các sản phẩm. Trong kỹ thuật người ta thường dùng chất dẻo để làm các vật liệu cách điện cũng như làm các kết cấu thuần túy. - Cáp rôn: vật liệu có tính chịu hồ quang cao được dùng chế tạo làm khung cuộn dây, màng và sợi cách điện. - Cáp san: vật liệu trong suốt theo dạng màng cách điện thường dùng để cách điện rãnh máy điện hạ áp và trong tụ điện. 1.3.7. Nhựa cách điện * Đặc điểm: Nhựa có trạng thái trung gian giữa VLCĐ thể lỏng và VLCĐ thể rắn. * Phân loại: - Theo nguồn gốc: Nhựa thiên nhiên và nhựa tổng hợp. - Theo tính chất: Nhựa nhiệt cứng và nhựa nhiệt mềm. 17 a/ Nhựa thiên nhiên. - Nhựa thông: Được chưng cất từ dầu thông có độ ròn cao, chịu nhiệt thấp, độ bền điện 10 - 15 kV/mm. Có thể hoà tan trong dầu mỏ để ngâm tẩm cáp điện hoặc dùng làm chất tẩy bẩn trên bề mặt vật liệu hàn. - Cánh kiến: Là nhựa do một số côn trùng tiết ra có màu vàng nhạt hoặc nâu, rất ròn, dễ mềm dẻo và nóng chảy, dễ hoà tan trong rượu, cồn. Độ bền điện từ 20 - 30 kV/mm. Cánh kiến dùng ở dạng sơn dán các tấm mi ca hoặc các sản phẩm khác. - Nhựa đường: Tồn tại trong tự nhiên ở dạng khoáng sản (atfan) hay thu được khi chưng cất dầu mỏ. Màu đen hoặc sẫm, không tan trong rượu và nước. Độ bền điện từ 10 - 25 kV/mm. Dùng nhựa đường để sản xuất sơn, hợp chất cách điện, chống gỉ, đổ vào các đầu cáp điện áp cao ... b/ Nhựa tổng hợp. - Nhựa Bakêlít: Đặc chưng cho nhựa nhiệt cứng có tính cách điện tốt, độ bền cơ học cao, ít co giãn. Dùng để chế tạo chất dẻo ép lớp hoặc tẩm gỗ và các vật liệu khác. Bột nhựa cùng các chất độn như mạt cưa, giấy, giẻ vụn, sợi thuỷ tinh ... được ép thành khung, cuộn dây, hộp, vỏ cách điện.v.v.. - Nhựa êpôxi: Là chất lỏng nhớt có thể hoà tan trong axeton và các dung môi thích hợp khác. Khi đóng rắn có độ co ngót nhỏ và lực bán dính rất cao, chịu nhiệt tốt. Dùng để sản xuất keo dán, sơn, hợp chất rót vào máy biến áp nhỏ hay các đầu nối thiết bị, hộp nối đầu cáp điện lực v.v.. - Nhựa PE (polietylen): Đặc tính cơ tốt, màu trắng hoặc xám sáng, không hoà tan trong dung môi, chịu được axit và kiềm. Nhiệt độ làm việc cho phép 55  650C. Độ bền điện từ 15  20 kV/mm. Dùng để cách điện cho cáp tần số cao và cáp điện lực điện áp cao trong môi trường ẩm. Do bền vững dưới ánh sáng mặt trời nên dùng chế tạo các chi tiết cách điện rắn, cách điện cho dây dẫn, dây súp mềm. - Nhựa PVC (polivinylclorua): Rất bền đối với tác dụng của nước, kiềm, axit loãng, dầu xăng và rượu. Dùng để sản xuất ra các chất dẻo khác nhau và các sản phẩm giống như cao su, dùng làm cách điện cho dây dẫn, cho vỏ bọc của cáp, sản xuất bình ắc quy v.v.. Ngoài ra còn có các loại nhựa khác như Polystyrol (PS), lạp san, glíptan, têflon4 dùng để chế tạo đế, màng, thanh, tấm, ống cách điện hoặc chế tạo sơn cách điện. 1.3.8. Dầu cách điện - Dầu mỏ: Bao gồm dầu biến áp, dầu cáp điện, dầu tụ điện. * Dầu biến áp: - Độ bền cách điện: Ebđ = 200  250 kV/cm. - Điện trở suất:  = 1014  1016 cm. 18 - Nhiệt độ làm việc lâu dài 90  950C. - Là chất lỏng dễ cháy, hơi dầu hoà lẫn không khí tạo thành hỗn hợp nổ. - Dễ hút ẩm, chất bẩn và độ ẩm làm giảm nhiều độ bền điện. Lượng nước chứa trong dầu sẽ ảnh hưởng đến độ bền điện theo đồ thị hình 2.3. - ở nhiệt độ cao bị già hoá nhanh. - Tiếp xúc với đồng dễ gây ôxy hoá dầu. - Dùng để tẩm vật liệu xốp, sơ và để lấp đầy khoảng trống giữa các bộ phận của thiết bị điện nhằm nâng cao độ bền điện, dập dòng hồ quang đồng thời làm mát cho thiết bị. * Dầu cáp điện: Độ bền điện cao, chịu nhiệt tốt. Dùng để tẩm cách điện cho cáp có vỏ bọc bảo vệ. * Dầu tụ điện: Dùng để tẩm cho giấy cách điện trong tụ điện làm tăng dung lượng và độ bền điện của tụ. Hình 2.1 Mối quan hệ giữa lượng nước trong dầu và độ bền điện của dầu biến áp - Chất lỏng tổng hợp. * Chất lỏng Xôvôn (C12H5Cl5): Không màu trong suốt, không cháy, ổn định hơn trong điện trường mạnh. Tuy nhiên, không dùng cho biến áp hay máy cắt. Chú ý an toàn khi tiếp xúc. kV/ mm 0,05% 4 8 12 16 0 0,01 0,02 0,03 0,04 Eb® L­ î ng n­ í c chøa trong dÇu MBA. 25kV/ mm 19 * Chất lỏng Silích hữu cơ: Tổn hao điện môi và độ hút ẩm nhỏ, độ bền nhiệt cao, không bị hoá già do tác dụng của ôxy. Dùng làm chất tẩm và điện môi tụ điện. - Dầu thực vật. Chủ yếu là các loại dầu khô thu được từ việc chiết xuất các hạt cây có dầu trong tự nhiên: Dầu gai, dầu trẩu dùng chế tạo sơn, dầu cách điện, vải sơn và tẩm gỗ. Dầu thầu dầu dùng để tẩm cách điện cho tụ điện giấy. 1.3.9. Sơn và các hợp chất cách điện * Đặc điểm: Sơn là dạng dung dịch keo của các chất tạo màng (nhựa, bitum, dầu khô...) được hoà tan trong các dung môi dễ bay hơi như rượu, cồn, xăng ... Khi khô, các chất dung môi sẽ bay hơi chỉ còn nền sơn rắn lại tạo thành màng sơn. * Phân loại: - Theo công dụng: Có các loại sơn tẩm, sơn phủ, sơn dán. - Theo chế độ sấy: Sơn sấy nóng và sơn sấy nguội. - Theo thành phần tạo sơn: Sơn nhựa, sơn Glíp tan, sơn cánh kiến, ... a/ Sơn tẩm: Dùng để tẩm các thiết bị điện cần cách điện như cuộn dây máy biến áp, tẩm chất cách điện xốp và xơ như giấy, bìa, vải ... Khi được tẩm sơn, chất cách điện tăng được điện áp đánh thủng, độ dẫn nhiệt cao hơn, tính cơ học tốt hơn, tính háo nước và hút ẩm giảm đi. Các loại sơn tẩm như sơn xenlulo, sơn dầu gliptan, sơn silic hữu cơ, b/ Sơn phủ: Dùng để tạo ra trên bề mặt của vật liệu một lớp màng nhẵn bóng, chịu ẩm. Tăng điện áp phóng điện và điện trở bề mặt, chống bám ẩm, bám bụi và làm đẹp. Loại sơn này có thể phủ trực tiếp lên bề mặt kim loại như dây emay, các tấm thép lá kỹ thuật điện (gọi là sơn emay) Các loại sơn phủ như sơn nhựa (PVC, PS), sơn dầu bitum, men màu, c/ Sơn dán: Có độ bám dính cao, dùng để dán các vật liệu lại với nhau hoặc gắn vật liệu cách điện vào kim loại. Một số loại sơn dán như sơn glíptan dùng dán mica, sơn bakêlít để dán giấy và vải chế tạo téctôlít và hêtinax cách điện cho các thiết bị cao áp. 1.3.10. Chất đàn hồi Điển hình của chất cách điện đàn hồi là cao su * Đặc tính: Là vật liệu có tính đàn hồi tốt, tính kín nước và chống ẩm cao, dễ uốn. 20 * Công dụng: - Dùng làm vỏ dây dẫn và cáp điện đặt dưới đất. - Cách điện cho dây dẫn điện dùng ở máy nông nghiệp, động cơ điện, dụng cụ cầm tay, khí cụ điện hay di chuyển, dụng cụ gia dụng. - Dùng làm găng tay, ủng, thảm, ống nối cách điện và vỏ ắc quy, công tắc ... * Phân loại: Theo nguồn gốc có hai loại cao su: Thiên nhiên và tổng hợp. - Cao su thiên nhiên là sản phẩm từ mủ cao su có độ dẻo và dính cao, độ bền điện và nhiệt kém. Sau khi lưu hoá cao su tăng được tính chịu nhiệt, chịu lạnh và tăng độ bền điện, nhiệt. Ebđ = 200 - 300kV/cm. - Cao su tổng hợp được sản xuất từ các chất hữu cơ dùng thay thế cho cao su thiên nhiên trong điều kiện yêu cầu độ bền cơ, bền nhiệt cao hơn, chậm hoá già hoặc chịu được tác dụng của dầu, xăng... Một số loại cao su tổng hợp như: Butadien, cloropren, silic hữu cơ (CKT) ... 1.3.11. Điện môi vô cơ Là loại vật liệu điện quan trọng trong kỹ thuật điện và vô tuyến điện. Đa số những điện môi vô cơ có những đặc tính tốt như: tính chịu nhiệt cao, không hút ẩm, độ bền cơ cao và ổn định, chịu được tác dụng của bức xạ năng lượng và là vật liệu rẻ tiền. 1.3.12. Vật liệu cách điện bằng gốm sứ Vật liệu gốm là vật liệu vô cơ dùng để chế tạo các chi tiết có hình dạng khác nhau. Trước kia gốm được chế tạo chủ yếu là đất sét, khi hoà với nước thành một chất dẻo cho vào khuôn thì được các chi tiết khác nhau sau đó nung cứng. Hiện nay vật liệu gốm có hàm lượng đất sét rất ít hoặc không có đất sét, thành phần chủ yếu của nó là thạch anh, cao lanh, tinh thạch. Để chế tạo sứ thì đem thạch anh, cao lanh, tinh thạch nghiền nhỏ sau đo khử hết tạp chất, trộn với nước để tạo thành một chất dẻo, sau đó khử hết nước rồi cho chất dẻo đó vào khuôn để có các chi tiết, mang các chi tiết đi tráng men và nung cứng. Sau khi nung có các đặc điểm sau: N = 4000  6000 kg/cm 2; K = 350  500 kg/cm 2;  = 104  105 cm - Hằng số điện môi  = 67; Tang của góc tổn hao điện môi tg = 0,0150,02 ít dòn hơn và chịu được nhiều tác dụng của các nhân tố hoá học. Cường độ điện trường chọc thủng cách điện E CT = 10  35 kV/mm. - Được dùng rộng rãi nhất vì có tính năng cách điện rất tốt, độ bền cơ cao, chịu được tác động khắc nghiệt ngoài trời. - Cấu trúc xốp, bề mặt gồ ghề, dễ hút ẩm nên cần phải tráng men. Nhờ có 21 lớp men bên ngoài nhẫn bóng nên giảm được tính hút ẩm của sứ làm cho sứ có thể chịu được ẩm của không khí nâng cao được điện áp phóng điện mặt ngoài và hạn chế được dòng dò. - Sứ đường dây: Gồm các loại sứ đứng xiết cố định trên cột hạ thế hay sứ treo được liên kết từ các bát sứ dùng cho lưới cao thế. - Sứ dùng ở trạm: Gồm có các loại sứ đỡ, sứ xuyên, sứ định vị ... Một số loại sứ cách điện 1.3.13. Mica và các vật liệu trên cơ sở mica * Đặc tính: - Là vật liệu vô cơ ở dạng khoáng vật kết tinh có thể tách thành bản mỏng. - Độ bền điện và cơ cao, khá dẻo, tính chịu nhiệt và chịu ẩm tốt. - Bị phân huỷ và nhão ra khi ngâm trong dầu. * Phân loại và ứng dụng. - Mi ca dạng lá chế tạo vòng đệm, điện môi tụ điện, chi tiết định vị. - Micanít dùng cách điện cho vành góp, để lót đệm, băng mi ca cách điện cho cáp điện và thiết bị điện. Ngoài ra còn có loại mi ca vụn, mi ca tổng hợp được dùng nhiều trong kỹ thuật. 22 CHƯƠNG II: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN Mã bài: MH 16- 03 Giới thiệu: Trong chế tạo thiết bị điện, vật liệu dẫn điện có ý nghĩa rất quan trọng, quyết định đến khả năng làm việc của thiết bị. Vật liệu dẫn điện chủ yếu được ứng trong kỹ thuật điện là kim loại và hợp kim. Mục tiêu: -Nhận dạng, phân loại được chính các loại vật liệu dẫn điện dùng trong công nghiệp và dân dụng; - Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số vật liệu dẫn điện thường dùng; - Sử dụng phù hợp các loại vật liệu dẫn điện theo từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể; - Xác định được các nguyên nhân gây ra hư hỏng và có các phương án thay thế khả thi các loại vật liệu dẫn điện thường dùng; - Rèn luyện được tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong công việc. Nội dung chương: 2.1. Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn điện 2.1.1. Khái niệm về vật liệu dẫn điện a. Định nghĩa. Vật liệu dẫn điện (vật dẫn điện) là vật liệu ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do. Khi đặt vào điện trường, các điện tích này chuyển động theo hướng của trường tạo thành dòng điện. Vật liệu dẫn điện có thể là chất rắn, chất lỏng, trong một số trường hợp có thể là chất khí. b. Phân loại. Vật liệu dẫn điện được chia làm 2 loại: - Vật dẫn kim loại (VDKL): Là vật dẫn có tính dẫn điện tử. Ví dụ: Kim loại, hợp kim có điện dẫn suất lớn hoặc điện trở suất lớn. - Vật dẫn điện phân (VDĐP): Là vật dẫn có tính dẫn ion. Ví dụ: Các dung dịch axit, kiềm, muối. Trong đó vật liệu kim loại là vật liệu dẫn điện chính được sử dụng trong kỹ thuật điện. 23 2.1.2. Tính chất của vật liệu dẫn điện. a. Điện trở suất () - Điện dẫn suất (): )/.( 1 )/.( 2 2 mmmS S l G mmm l S R      Trong đó: R - Điện trở của vật dẫn (Ôm - ). G - Điện dẫn của vật dẫn (Simen - S). l - Chiều dài vật dẫn (m). S - Tiết diện của vật dẫn (mm2). b. Nhiệt dẫn xuất - (kcal/m.s.0C): Là lượng nhiệt Q (cal) toả ra trong một đơn vị thời gian, qua một đơn vị tiết diện thẳng góc với hướng toả nhiệt của vật dẫn đồng nhất và đẳng hướng, trên một đơn vị khoảng cách mà sự chênh lệch nhiệt độ bằng 1 đơn vị. c. Điểm nóng chảy - tnc ( 0C): Là giá trị nhiệt độ tại đó vật liệu bắt đầu chuyển trạng thái từ rắn sang lỏng. d. Nhiệt lượng riêng - q(kcal/kg.0C): Là nhiệt lượng cần thiết cho một đơn vị khối lượng của vật dẫn để nâng nhiệt độ lên 10C. Ngoài ra còn có sức bền đứt khi kéo, độ cứng Brinell, độ dãn dài tương đối, ... 2.1.3. Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu. a.Nhiệt độ Điện trở suất của kim loại và rất nhiều hợp kim thông thường tăng theo nhiệt độ theo quy định sau: ρt2 = ρt1 [ 1+ α (t2 - t1) ] Trong đó: α là hệ số thay đổi điện trở suất của kim loại theo nhiệ độ ứng với khoảng nhiệt độ (t2 - t1). Khi nhiệt độ tăng làm nóng chảy kim loại thì phần lớn các kim loại có điện trở suất tăng. b.Áp suất Khi kim loại bị nén hoặc kéo thì điện trở suất thay đổi theo công thức ρ = ρ0 (1±kδ) Trong đó: δ là giới hạn bền của kim loại( N/ cm2) k là hệ số thay đổi điện trở suất theo áp suất 24 Dấu (+) ứng với khi biến dạng nén, dấu( – )do nén 2.1.4. Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt động. a. Hiệu điện thế tiếp xúc. - Khi tiếp giáp hai kim loại khác nhau với nhau, giữa chúng sẽ sinh ra hiệu điện thế được gọi là hiệu điện thế tiếp xúc( hay thế điện hóa). - Sự xuất hiện hiệu điện thế tiếp xúc đóng vai trò quan trọng ở hiện tượng ăn mòn điện hóa và được ứng dụng trong một số khí cụ đo lường. b. Sức nhiệt động. Giữa hai kim loại nguyên chất khác nhau, được tiếp xúc với nhau sẽ phát sinh một suất điện động (sđđ) tiếp xúc. sđđ này chỉ phụ thuộc vào bản chất của các kim loại. Nếu người ta dính chặt hai đầu của hai dây kim loại với nhau và nung nóng thì giữa hai đầu kia của dây xuất hiện một suất điện động, được duy trì ở nhiệt độ thấp và không đổi, gần như tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai tiếp điểm, được coi là sức nhiệt động: E = E0.(1 - 2) (V) Trong đó: E0 (V) là sức nhiệt động riêng, tức là suất điện động này sinh ra giữa hai tiếp điểm có sự chênh lệch nhiệt độ 10C. Sức nhiệt động riêng phụ thuộc vào bản chất của cả hai kim loại trong tiếp xúc. 1 và 2 là nhiệt độ của hai tiếp điểm ( 0C). Dựa vào tính chất này, người ta có thể chế tạo các cặp nhiệt ngẫu. 2.2. Tính chất chung của kim loại và hợp kim 2.2.1. Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim - Để xây dựng và phát triển nền kinh tế quốc dân vững mạnh cần phải phát triển các ngành công nghiệp trong đó có ngành công nghiệp Điện là mũi nhọn. - Để chế tạo được các máy móc thiết bị điện phải có vật liệu, trong đó kim loại và hợp kim là vật liệu chủ yếu. - Kim loại và hợp kim được sử dụng chủ yếu làm vật liệu dẫn điện và vật liệu kết cấu bởi vì chúng có những tính chất và đặc điểm quan trọng, ưu việt hơn hẳn các loại vật liệu khác. Ví dụ như: Tính đa dạng về chủng loại, tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, độ bền cơ cao và có khả năng gia công cơ khí dễ dàng .v.v.. - Ngày nay, ngành công nghiệp vật liệu phát triển mạnh mẽ với nhiều loại vật liệu khác nhau có tính năng ngày càng tốt, sản lượng ngày càng cao, song vẫn không thể thay thế cho kim loại và hợp kim để chế tạo vật liệu dẫn điện. 25 2.2.2. Các tính chất của vật liệu kim loại a. Tính chất vật lý. Vật liệu kim loại là dạng vật chất có ánh kim, tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt, Tính giãn dài tốt, đàn hồi khá cao. Nhiệt độ nóng chảy của VLKL phần lớn là cao, chịu nhiệt tốt và không bị phá huỷ cấu trúc khi nguội. b. Tính chất hoá học. Hầu hết VLKL dùng làm vật dẫn đều ít bị ôxy hoá, tính bền nhiệt cao. Một số vật liệu có lớp ôxit mỏng ngoài mặt làm nhiệm vụ bảo vệ vững chắc phần bên trong. Khả năng chống ăn mòn do hơi ẩm, nước, bazơ, muối và axit của vật liệu kim loại tương đối tốt. c. Tính chất cơ học. VLKL có độ dẻo cao, dễ gia công cán thành tấm mỏng, kéo thành sợi mảnh. Chịu mài mòn và chịu tải trọng cơ khí tốt. Dễ cắt gọt và nhiệt luyện. 2.3. Những hư hỏng thường gặp và cách chọn vật liệu dẫn điện 2.3.1. Những hư hỏng thường gặp Các loại vật liệu dẫn điện được 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 hư hỏng và ta thường gặp các dạng hư hỏng sau: a. Ăn mòn kim loại Là một quá trình phá hủy kim loại, hợp kim dưới nhiều hình thức hóa học và điện hóa do tác dụng của môi trường xung quanh. Sự ăn mòn xảy ra thường xuyên và dưới nhiều hiện tượng khác nhau. Sắt thép để lâu ngày không được bảo vệ tốt sẽ bị rỉ, đồng để trong không khí ẩm hoặc môi trường có chất chua mặn sẽ tạo nên lớp vảy màu xanh lục đó là rỉ đồng. Môi trường xung quanh có tác dụng ăn mòn kim loại thường là: không khí ẩm, nước, nước biển, axit, kiềm...Ở nhiệt độ càng cao kim loại càng bị ăn mòn mạnh hơn. Sự ăn mòn đó là do tác dụng của môi trường xung quanh và tác dụng đó diễn ra dưới hai hình thức ăn mòn: + Ăn mòn hóa học + Ăn mòn hóa học. b. Hư hỏng do điện 26 Là do các loại máy điện, thiết bị điện, khí cụ điện, vật dẫn điện khi làm việc với các đại lượng, thông số vượt quá trị số định mức như: các đại lượng về dòng điện, điện áp, công suất... Ví dụ về quá điện áp: điện áp vượt quá trị số định mức như trong trường hợp quá điện áp do sét. Khi đó điện trường trong vật liệu cách điện tăng cao có thể xảy ra phóng điện gây hư hỏng cách điện dẫn đến vật dẫn xảy ra hiện tượng ngắn mạch. 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 trường xung quanh thông thường sau một thời gian kéo dài nó sẽ tạo nên sự già hóa( tính già hóa tự nhiên), còn khi nhiệt độ tăng thì tính già hóa nhanh hơn( tính già hóa nhân tạo). d. 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 tương đối với nhau thì sẽ bị mài mòn dẫn đến hư hỏng. 2.3.2. Cách chọn vật liệu dẫn điện Chọn vật liệu dẫn điện phải đảm bảo được các yêu cầu về tính chất lý, hóa phù hợp cho việc sử dụng vật liệu, thông thường phải đảm bảo được các yêu cầu sau: - Độ dẫn điện phải tốt - Có sức bền cơ khí đảm bảo được điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt. - Có khả năng kết hợp được với các kim loại khác thành hợp kim. - Phải đảm bảo được tính chất lý học như: tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở nhiệt. - Đảm bảo được tính chất hóa học như: chống ăn mòn do tác dụng của môi trường và các dung môi gây ra. - Đảm bảo được các tính chất cơ học. 2.4. Một số vật liệu dẫn điện thông dụng. 2.4.1. Đồng và hợp kim đồng. a. Đồng (Cu). * Đặc tính (bảng 3-1): - Đồng là kim loại mềm, màu đỏ nhạt sáng rực, tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt. 27 - Đồng khá bền trong không khí ẩm song bị ôxy hoá làm tăng điện trở bề mặt, bị ăn mòn trong axit hoặc khi tiếp xúc với lưu huỳnh ở nhiệt độ cao. - Sức bền cơ tương đối cao và có khả năng đề kháng tốt khi thời tiết xấu. - Dễ dát mỏng, kéo sợi. - Gia công nguội bị biến cứng nhưng cường độ chịu lực lớn. - Có khả năng hàn gắn nhưng không tôi được. Bảng 3-1: Giới thiệu một số đặc tính điển hình của đồng. Đặc tính Đồng cứng Đồng mềm Trọng lượng riêng (KG/dm3) 8,9 8,9 Điện trở suất (.mm2/m) 0,01786 0,01748 Nhiệt dẫn suất (kcal/m.s.0C) 0,095 0,095 Nhiệt độ nóng chảy (0C) 1083 1083 Độ dãn dài khi kéo đứt (%) 4 45 Sức bền đứt khi kéo (KG/mm2) 45 21 Độ cứng Brinell (KG/mm2) 95 35 * Phân loại và ứng dụng: Đồng tinh chế được phân loại trên cơ sở tạp chất lẫn trong đồng (đồng tinh khiết và không tinh khiết). - Đồng điện phân đặc biệt - M00: Là loại đồng có 99,99% đồng nguyên chất. - Đồng điện phân thường: M0 (CuE) - 99,95% đồng; M1 (Cu9) - 99,9% đồng; M2 (Cu5) - 99,5% đồng; M3 (Cu0) - 99% đồng. Đồng được dùng rộng rãi trong kỹ thuật điện để chế tạo dây quấn điện từ, lõi cáp, thanh góp. Chế tạo bán thành phẩm ở dạng thanh tròn, chữ nhật, vuông, sáu cạnh, dạng tấm, ống, băng dẹt, dạng lá hay dạng sợi. b. Hợp kim đồng. * Đặc tính: - Là hợp kim trong đó vật liệu đồng là thành phần cơ bản. - Sức bền cơ khí lớn, độ cứng cao, độ dai tốt, màu đẹp và dễ nóng chảy. - Có thể đúc thành các hình dạng phức tạp, dễ gia công trên máy công cụ và phủ lên bề mặt kim loại khác bằng phương pháp mạ điện. * Phân loại và ứng dụng: * Đồng thanh: 28 - Là hợp kim của đồng với một số kim loại như : Thiếc (Sn); Chì (Pb); Nhôm (Al); Cadimi (Cd); Niken (Ni); ... nhằm tăng độ cứng, tăng sức bền và dễ nóng chảy. - Đồng thanh được dùng để chế tạo các chi tiết, bộ phận trong máy điện, khí cụ điện như gia công các chi tiết dùng để nối dây dẫn, giữ dây, đai ốc, ốc vít cho hệ thống nối đất. Chế tạo vành góp, cổ góp điện, giá đỡ chổi than, khung tiếp điểm. Chế tạo các dây dẫn viễn thông, các đường dây trên không và các dây dẫn tải điện cho các phương tiện chạy bằng điện. * Đồng thau: - Là hợp kim của đồng với kẽm (Zn) (có thể đạt tới 46%), ngoài ra còn có thêm các nguyên tố tạp chất khác. - Đồng thau được dùng để đúc, cán nóng hoặc để hàn gắn. Gia công các chi tiế dẫn điện như đầu cực ở bảng phân phối, các đầu nối hệ thống tiếp đât, các đầu đế gắn cầu chì, đế đèn, đui đèn, gia công vít, đai ốc. 2.4.2. Nhôm và hợp kim nhôm. a. Nhôm (Al). * Đặc tính (theo bảng 3-2): - Nhôm là kim loại màu trắng bạc, dẫn điện dẫn nhiệt tốt. - Dễ dát mỏng, gia công dễ dàng khi nóng và nguội, dễ kéo sợi. - Sức bền cơ học kém. - ôxy hoá bề mặt làm tăng tính chống ăn mòn bởi không khí nhưng gây khó khăn cho viện hàn gắn. Bảng 3-2: Các đặc tính của nhôm Đặc tính Nhôm Trọng lượng riêng (KG/dm3) 2,7 Điện trở suất (.mm2/m) 0,02941 Nhiệt dẫn suất (kcal/m.s.0C) Nhiệt độ nóng chảy (0C) 657 Độ dãn dài khi kéo đứt (%) Sức bền đứt khi kéo (KG/mm2) 9-17 Độ cứng Brinell (KG/mm2) * Ứng dụng: - Dùng làm dây dẫn điện của đường dây truyền tải điện. 29 - Dùng làm cáp điện, dây quấn máy biến áp, ống nối, các thanh góp và các chi tiết cho các thiết bị điện. - Chế tạo các điện cực cho tụ điện phân. Làm thanh dẫn của rôto máy điện không đồng bộ. Dùng để chế tạo hợp kim. b. Hợp kim nhôm. * Đặc tính: - Là hợp kim của nhôm và một số kim loại khác. - Điện dẫn suất thấp hơn nhưng cơ tính và hoá tính tốt hơn. * Ứng dụng: - Chế tạo dây dẫn có khả năng dẫn điện tốt, sức bền cao hơn gấp hai lần so với nhôm nguyên chất. - Chế tạo các chi tiết trong máy điện, thiết bị điện, dụng cụ đo điện, ... yêu cầu nhẹ, tản nhiệt tốt, dễ gia công áp lực và dễ đúc. - Chế tạo điện trở nhiệt trong thiết bị điện gia dụng. 2.4.3. Chì và hợp kim chì a. Chì ( Pb) Là kim loại có màu tro sáng hơi ngả xanh da trời, là kim loại công nghiệp rất mềm, có thể uốn cong dễ dàng. Là kim loại dễ dát mỏng, có thể được dát và kéo thành những lá mỏng. Chì dễ chảy lỏng (327,3°C) Sự bay hơi của chì rất độc. b. Hợp kim chì: Là hợp kim của chì với các nguyên tố: Sb, Te, Cu, Sn với một hàm lượng nhỏ thì có cấu trúc mịn hơn và chịu được sự rung động song ít bền với sự ăn mòn. *Ứng dụng: - Chì và hợp kim chì được dùng để làm lớp vỏ bảo vệ cáp điện nhằm chống lại ẩm ướt. - Chì còn được dùng chế tạo ắc quy điện có các tấm bản chì - Một ứng ứng dụng quan trọng của chì là tham gia vào các hợp kim - Nó được sử dụng như một vật liệu bảo vệ đối với tia X. Những tấm chì bảo vệ thường theo tiêu chuẩn chiều dày( 4÷9)mm có tác dụng bảo vệ như tấm thép dày 11,5mm hay lớp gạch có chiều dày 110mm 2.4.4. Sắt (Fe). * Đặc tính: - Là kim loại rẻ tiền và dễ kiếm; 30 - Độ bền cơ cao; - Điện trở suất cao, khi dùng dẫn dòng xoay chiều thì xảy ra hiện tợng hiệu ứng bề mặt và tổn thất từ trễ; - Khả Năng chống ăn mòn kém, bị ăn mòn mạnh khi độ ẩm và nhiệt độ cao. * Ứng dụng: - Làm dây dẫn đường dây tải điện trên không công suất nhỏ - Chế tạo thanh dẫn, đường ray tàu điện; - Chế tạo lõi thép của dây nhôm thép, dây lưỡng kim. - Dùng làm vật liệu từ. 2.4.5. Wonfram Là vật liệu chủ yếu làm dây tóc của bóng đèn - Điện trở suất: (0,0530÷0,0612)Ωmm2 /m - Nhiệt độ nóng chảy: 3380°C ( cao nhất trong các kim loại) - Là kim loại rắn, rất nặng, có màu xám. Vonfram được dùng làm tiếp điểm, làm các điện trở phát nóng cho các lò điện. * Ưu điểm: - Độ mài mòn nhỏ do vật liệu có độ cứng cao. - Có khả năng chống tác dụng của hồ quang, không làm dính tiếp điểm do khó nóng chảy. - Độ ăn mòn bề mặt nhỏ * Nhược điểm: - Khó gia công - Cần có áp lực lớn để giảm điện trở tiếp xúc. - Ở điều kiện khí quyển tạo thành màng oxit. 2.4.6. Kim loại dùng làm tiếp điểm và cổ góp. a. Tính chất chung: Mặc dù các tiếp điểm có nhiều tính chất khác nhau nhưng vẫn phải có một số tính chất chung: - Đảm bảo độ bền, dẫn điện tốt - Dẫn nhiệt tốt, ít bị oxi hoá - Ít bị ăn mòn khi gặp các điều kiện bên ngoài - Có nhiệt độ nóng chảy, hoá hơi cao - Giá thành hạ, gia công dễ dàng 31 - Có điện trở suất lớn. b. Điều kiện riêng: * Tiếp điểm cố định: Mối nối, bulông, ốc vít ghép. - Vật liệu thường dùng: Đồng, nhôm, thép và kẽm. Đồng và hợp kim đồng thường dùng ở điện áp nhỏ và điều kiện làm việc bình thường. Các tiếp điểm thường được mạ niken, tẩm thiếc hay bọc bạc để chống ăn mòn. Nhôm có điện trở suất lớn và sức bền cơ thấp nên không dùng ở nơi có dòng ngắt mạch lớn. - Yêu cầu: Đảm bảo độ bền ứng với các lực ép khác nhau. Có giá trị điện trở ổn định theo thời gian. * Tiếp điểm di động (tiếp điểm cắt): Rơle, Cầu dao, Contactor... - Vật liệu thường dùng: Platin, Palađi, Rôđi, Wonfram, Môlipđen, Đồng. Platin, Palađi và Rôđi có độ cứng và nhiệt độ nóng chảy cao, điện dẫn suất và nhiệt dẫn suất cao, bền trong hồ quan nên dùng để chế tạo các tiếp điểm quan trọng, có độ chính xác lớn, ở dòng điện nhỏ. Wonfram bền đối với hồ quang điện, có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng rất cao nên có sức bền đối với sự mài mòn cơ khí. Tiếp điểm Wonfram không bị hàn dính chặt trong quá trình làm việc và có tuổi thọ cao nên thường được dùng ở những nơi có áp lực cần thiết lớn. Môlipđen thường được dùng làm tiếp điểm trong chân không hoặc trong khí trơ để bảo vệ. - Yêu cầu: Bền cơ học, không bị oxi hoá, bền với hồ quang, không bị hàn chặt. * Tiếp điểm trượt: ở cổ góp điện, các vành trượt trên máy điện. - Vật liệu thường dùng: Đồng và hợp kim đồng, nhôm, các bon điện graphit. Đồng và hợp kim đồng thường làm vành, cổ góp máy điện, tiếp điểm của máy cắt, dao cách ly. Nhôm được chế tạo các chi tiết tiếp xúc ở cần lấy điện của các phương tiện vận tải bằng điện. Graphít đồng dùng chế tạo cổ góp máy phát và động cơ điện một chiều. - Yêu cầu: Chống được sự ăn mòn của hồ quang. Chịu được sự mài mòn của ma sát. Ngoài ra, để chế tạo tiếp điểm có công suất cắt lớn, người ta sử dụng vật liệu kim loại gốm tạo nên từ hỗn hợp kim loại: Một loại có điện dẫn suất lớn, 32 một loại có sức bền cơ khí lớn. Những vật liệu tổng hợp hay dùng là Bạc - Wonfram, Bạc - Môlipđen. 2.4.7 Hợp kim có điện trở cao và chịu nhiệt Yêu cầu đối với hợp kim này phải có điện trở suất lớn và hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ, chịu nhiệt độ cao, dễ chế tạo dạng sợi mảnh và rẻ tiền. a. Phân loại: - Vật liệu dùng làm điện trở mẫu: Các điện trở chính xác, ứng dụng trong kỹ thuật đo lường hay các linh kiện điện tử quang trọng. Đặc tính là không bị thay đổi theo nhiệt độ, theo thời gian, theo dòng điện. - Vật liệu dùng làm điện trở khởi động: Nối vào phần Rôto của động cơ sử dụng làm khởi động các động cơ yêu cầu có sức bền khi dùng, chịu được các lực điện động lớn, chịu được sự ăn mòn. - Vật liệu dùng làm các bộ phận gia nhiệt: Nhiệt độ nóng chảy cao và dẫn nhiệt tốt, chịu được sự va đập, chịu được lực điện động, không bị co dòn khi nhiệt độ tăng, không bị oxi hoá ứng với nhiệt độ khác nhau. b. Một số hợp kim thông dụng: * Hợp kim Mangan - Có màu cà phê đỏ nhạt, bền nhưng dễ kéo thành sơi dải băng và các tấm mỏng. - So với đồng thì nó có sức nhiệt điện động rất nhỏ chính vì vậy người ta sử dụng để chế tạo các điện trở chính xác, cầu đo điện trở, đo tần số. Đảm bảo kết quả đo lường chính xác khi nhiệt độ, dòng điện thay đổi. - Việc sử dụng hợp kim Mangan vào việc đo lường, điện trở mẫu phải đảm bảo tính bất biến về giá trị điện trở ở thời gian làm việc lâu dài với nhiệm vụ cho phép. * Hợp kim Constantan: - Hợp kim này có thể gia công dễ dàng cả khi nguội hoặc nóng, có thể kéo thành sợi rất mảnh 0,02mm hoặc dát mỏng. - Dễ dàng hàn gắn và dính chặt, hệ số biến đổi theo điện trở suất theo nhiệt độ là rất nhỏ, gần như không đổi. - Khi nung nóng đến 9000C trong vòng 3 giây rồi làm nguội ở nhiệt độ thường sẽ tạo một lớp oxit ở mặt ngoài ngăn cách làm nhiệm vụ bả vệ và nó trở thành vật liệu mềm dễ uốn. - Nếu dùng là điện trở thì không để quá 4500C. Vì nếu quá nhiệt độ này nó dễ bị ôxi hoá. - Có sức nhiệt điện động rất lớn so với đồng cho nên có thể làm các điện trở mẫu. * Hợp kim Niken - Crôm 33 - Có sức bền tốt ở nhiệt độ cao, khó bị oxi hoá, hệ số biến đổi theo nhiệt độ nhỏ. - Được tạo thành bằng cách hoà tan rắn giữa Ni - Cr. Dùng làm điện trở nung nóng, sưởi nóng hoặc phát sáng. - Hợp kim này có thể cho thêm Mn để dễ dát mỏng, dễ uốn và dễ gia công các chi tiết. - Nếu cho thêm Molipđen với hàm lượng thích hợp thì sẽ tăng tính ổn định nhiệt độ, tăng sức bền. - Bền với sự oxi hoá vì tốc độ oxi hoá với Ni và Cr đều chậm. 2.4.8. Lưỡng kim - Để chế tạo các cặp nhiệt điện (nhiệt ngẫu), người ta sử dụng các kim loại như đồng, sắt, platin, môlipđen, wonfram, bạc, vàng, hợp kim của platin, hợp kim đồng - niken. Nhiệt ngẫu được sử dụng trong các kết cấu hoả kế (nhiệt kế) dùng để đo ở các nhiệt độ khác nhau. Nó còn được sử dụng ở những dụng cụ đo điện với dòng điện xoay chiều không sin có tần số lớn đến 107Hz (tần số sóng vô tuyến hoặc hữu tuyến ...) - Các vật liệu lưỡng kim như: Đồng - Ni ken, Nhôm - Sắt, sắt - niken, hợp kim inva ... chế tạo thanh lưỡng kim trong các rơle nhiệt, dây lưỡng kim trong truyền tải điện năng ... 34 CHƯƠNG III:VẬT LIỆU DẪN TỪ Mã bài: MH 16- 04 Giới thiệu: Vật liệu dẫn từ là loại vật liệu có khả năng đặc biệt vì chúng có từ tính và được đặc trưng bởi cảm ứng từ. Chúng có từ từ tính tự nhiên như các loại quặng manhetit hay xuất hiện từ tính khi được đăt trong từ trường ( sắt và hợp kim của sắt, niken, coban...) Lĩnh vực ứng dụng của vật liệu dẫn từ rất rộng rãi. Mục tiêu: - Nhận dạng, phân loại chính xác các loại vật liệu dẫn từ dùng trong công nghiệp và dân dụng; - Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu dẫn từ thường dùng; - Sử dụng phù hợp các loại vật liệu dẫn từ theo từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể; - Xác định được các nguyên nhân gây ra hư hỏng và có phương án thay thế khả thi các loại vật liệu dẫn từ thường dùng. - Rèn luyện được tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong công việc. 3.1. Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn từ 3.1.1. Khái niệm. - Vật liệu có từ tính là do các điện tích luôn luôn chuyển động ngầm theo các quỹ đạo kín tạo nên các dòng điện vòng; Cụ thể hơn, nó là sự quay của các điện tử xung quanh trục của mình - spin điện tử và sự quay theo quỹ đạo của các điện tử trong nguyên tử. - Hiện tượng sắt từ chỉ xảy ra đối với một số vật liệu (như: Sắt, niken, côban và hợp kim của chúng) tồn tại những vùng vĩ mô có các điện tử quay (spin điện tử) định hướng song song với nhau. Các vùng ấy gọi là Đô men từ. 3.1.2. Tính chất vật liệu dẫn từ - Chất sắt từ có độ nhiễm từ tự phát ngay khi không có từ trường ngoài. - Những chất sắt từ mà mô men từ của các Đô men từ có hướng khác nhau thì từ thông ở không gian bên ngoài vật liệu bằng không. - Các chất sắt từ đơn tinh thể có khả năng từ hoá theo các trục khác nhau, mức độ từ hoá khó hay dễ cũng khác nhau. - Các chất sắt từ đa tinh thể có khả năng từ hoá dị hướng thể hiện rất rõ được gọi là chất có cấu tạo thớ từ tính. 35 - Chất sắt từ sẽ bị từ hoá khi đặt trong từ trường. Quá trình từ hoá diễn ra bằng 2 cách: + Tăng thể tích các đô men có mô men từ tạo với hướng từ trường góc nhỏ nhất và giảm thể tích các đô men khác. + Quay các véc tơ mô men từ hoá theo hướng từ trường ngoài. 3.1.3.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 coban 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 quỹ 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. 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. 3.1.4. Đường cong từ hoá: Là đường đặc tính biểu diễn mối quan hệ B = f(H) Quá trình từ hoá được đặc trưng bởi đường cong từ hoá hình 4.1. Hình 4.1: Đường cong từ hóa Luyện từ cho sắt từ bằng cách tăng dần dòng điện gây từ (do đó tăng cường độ từ trường khác). B(Gauss 1200 8000 4000 0 0 0 0 1 1 H(Ơcstet0 Tesla 1,2 0,8 0,4 36 - Lúc đầu, cường độ từ cảm B tăng tỷ lệ với cường độ từ trường H và quan hệ B = f(H) là đường thẳng (đoạn OA). Đó là giai đoạn tỷ lệ  = const, sau đó B tăng chậm dần theo H, ta có giai đoạn bắt đầu bão hoà từ (đoạn AB),  giảm dần. - Khi H đã đủ lớn, B tăng rất chậm, ta có giai đoạn bão hoà thực sự, đường cong B = f(H) gần như nằm ngang. - Khi sắt từ đã đến giai đoạn bão hoà (điểm B), ta bắt đầu giảm H, B giảm theo. Ban đầu B giảm chậm, sau đó giảm nhanh hơn (đoạn BC). Ta thấy cùng một giá trị của H mà B có 2 giá trị khác nhau (khi giảm lớn hơn khi tăng). Hiện tượng đó gọi là hiện tượng từ trễ. Khi H giảm về 0, B vẫn còn một giá trị nào đó gọi là từ dư Bdư (đoạn 0C). - Để khử từ dư, ta đổi chiều H và tăng dần trị số về phía âm cho đến khi B = 0, ta có giá trị tương ứng của H gọi là từ trường khử từ Hc (đoạn 0D). - Tiếp tục tăng H từ Hc đến giai đoạn bão hoà từ thực sự về phía âm, ta được đoạn DE. Điểm E ứng với điểm bão hoà từ về phía âm có cường độ từ trường bão hoà -BB. - Ta giảm HB về 0, B giảm từ giá trị -BB về giá trị Bdư (nhánh EF). - Đổi chiều H, tiếp tục tăng qua trị số khử từ Hc và trị số bão hoà HB (đoạn FGB), ta được một đường cong khép kín BCDEFGB gọi là chu trình từ hoá hay chu trình từ trễ. Diện tích của chu trình từ trễ gọi là mắt từ trễ Hình 4.2: Chu trình từ hóa vật liệu sắt từ Trên chu trình từ trễ có những điểm đáng chú ý: Điểm 1 có H = 0, B = Bo Điểm 2 có B = 0, H = HC Khi từ hoá với từ trường xoay chiều vật kiệu sắt từ có tổn hao do từ hóa gồm hai phần: Tổn hao do từ trễ và tổn hao do dòng điện xoáy. 0 A B C BB +HB +HC -HC D E F G -HB 37 3.2 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. 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. 3.2.1. Các công thức cơ bản Khi tính toán mạch từ, có thể áp dụng các định luật cơ bản của mạch điện vì giữa chúng tồn tại sự tương tự qua lại. a. Định luật Kirchauffe 1: Áp dụng cho mạch từ được phát biểu như sau: Đối với một nút bất kì trong mạch từ, tổng các từ thông đi vào và đi ra khỏi nút bằng không. b. Định luật Kirchauffe2: 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 không. c. Định luật Ohm phát biểu như 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. 3.2.2. Sơ đồ thay thế của mạch từ Rn, R1, Rg là từ trở của nắp, lõi và gông mạch từ Rδ là từ trở của khe hở không khí Rσ là từ trở rò từ lõi này sang lõi kia δ: Khe hở không khí Ф 0 : từ thông tổng qua gông của mạch từ Ф lv: từ thông làm việc Ф σ: từ thông rò từ lõi này sang lõi kia 38 3.2.3. Mạch từ xoay chiều Mạch từ xoay chiều có các đặc điểm khác mạch từ một chiều: - Dòng điện trong cuộn dây xoay chiều phụ thuộc vào tổng trở của nó. - Đối với mạch từ xoay chiều, khi khe hở không khí tăng lên dẫn đến sự tăng theo của từ trở mạch từ và ngược lại. - Đối với mạch từ xoay chiều cuộn dây điện áp, số vòng dây có quan hệ chặt chẽ tới giá trị từ thông trong mạch từ và điện áp U. 3.2.4. Những hư hỏng thường 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 động của môi trường xung quanh và tác dụng đó diễn ra dưới hai hình thức ăn mòn: ăn mòn điện hóa, ăn mòn hóa học như những kim loại khác mặc dù trên bề mặt chúng có lớp sơn cách điện + Hư hỏng do điện: Trong quá trình làm việc do xảy ra các hiện tượng như quá điện áp, do bị ngắn mạch nên các cuộn dây đặt trên mạch từ bị cháy dẫn tới làm hỏng các mạch từ. + Hư hỏng do bị già hóa của kim loại: Dưới tác dụng của thời gian và môi trường làm cho các tính chất của vật liệu từ bị thay đổi. + Hư hỏng do các tác động từ bên ngoài: Dưới tác dụng của ngọa 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°C) các vật liệu có từ tính sẽ mất từ tính. 3.3. Một số vật liệu dẫn từ thông dụng Tất cả các vật liệu dẫn từ tuỳ theo tính chất có thể chia làm 3 nhóm: - Vật liệu sắt từ mềm: Có trị số lực kháng từ thấp, độ thẩm từ cao, suất tổn thất thấp. Các vật liệu nhóm này được dùng trong các mạch xoay chiều và một chiều của các thiết bị điện: thép lá kỹ thuật điện, thép kỹ thuật điện, thép cácbon thấp, Fecmalôi. - Vật liệu sắt từ cứng: Thường dùng là hợp kim để chế tạo nam châm vĩnh cửu, chúng có cảm ứng từ dư rất cao. - Vật liệu sắt từ đặc biệt: Các vật liệu kích thích từ cao, độ bão hoà lớn, điện trở suất cao, thường gọi là các chất điện ngôi từ. ứng dụng trong kỹ thuật Radio, thông tin, Rađa, máy tính. 39 3.3.1. Vật liệu sắt từ mềm. a. Thép lá kỹ thuật điện. Trong công nghiệp đặc biệt là trong kỹ thuật điện thép lá kỹ thuật điện được ứng dụng rất rộng rãi, chúng có đặc tính từ và đặc tính điện khác nhau. Khi thay đổi hàm lượng Silic trong công nghiệp chế tạo loại thép có hàm lượng Silic cao được dùng khi yêu cầu có tổn thất từ trễ và dòng xoáy nhỏ, đồ thẩm thấu từ lớn, từ trường yếu và trung tính. Thép có hàm lượng Silic thấp thì độ thẩm thấu từ nhỏ, độ bão hoà từ lớn, thường dùng loại thép này cho thiết bị một chiều hoặc xoay chiều tần số thấp, cảm ứng từ cao. Thép cán nguội có hàm lượng Silic thường là cao được dùng nhiều vì tổn thất từ nhỏ hơn so với thép cán nóng và độ thẩm thấu từ theo chiều cảm ứng nhỏ. Thép khối có độ thẩm thấu từ nhỏ. Thép lá kỹ thuật điện đặc biệt là loại được cán nguội dễ biến chất khi bị biến dạng và dễ bị thay đổi từ tính khi bị rèn, dập, cắt, kéo... b. Fecmalôi Là hợp kim của Sắt và Niken, tuỳ theo hàm lượng của Ni mà chia Fecmalôi ra làm hai loại sau: - Fecmalôi nhiều Ni; Ni = (72  80)% Công dụng: Làm lõi cuộn cảm có kích thước nhỏ, làm MBA âm tần nhỏ và các MBA xung và trong khuếch đại từ. - Fecmalôi ít Ni; Ni = (40  50)% Có cảm ứng từ bão hoà lớn gấp đôi so với loại nhiều Ni. Do đó nó được dùng làm lõi MBA lực, làm lõi cuộn cảm và các dụng cụ cần có mật độ từ thông cao. Đưa vào thành phần của Fecmalôi các tạp chất như: Đồng, Mangan, Molipđen thì tác dụng của Mangan nâng cao điện trở suất của Fecmalôi. Tác dụng của Molipđen làm cho Fecmalôi chịu được biến dạng. Tác dụng của Đồng làm cho độ thẩm từ trong phạm vi từ trường bé. 3.3.2. Vật liệu sắt từ cứng Loại này có lực khử từ HC lớn, đường cong từ trễ lớn. Công dụng: Dùng làm các nam châm vĩnh cửu. Đặc trưng của nó là cho năng lượng ra bên ngoài lớn. Vật liệu dùng làm nam châm vĩnh cửu đơn giản nhất là thép chứa Silic, Vonfram, Crôm, Molipđen ngoài ra còn có các hợp kim (gồm Al, Ni, Fe). 40 3.3.3. Các vật liệu sắt từ có công dụng đặc biệt * Từ môi Là vật liệu do ép bột của chất liên kết hữu cơ hay vô cơ với vật liệu sắt từ. Thành phần cơ bản gồm Cacbonic, Fecmalôi và Alusife. Yêu cầu phải có từ tính tốt, chất liên kết phải có khả năng để tạo nên màn cách điện chắc chắn giữa các hạt và gắn liền các hạt với nhau và có cùng một độ dày. Từ môi cần có tổn hao điện môi bé, có độ thẩm từ  ổn định với thời gian và khi nhiệt độ thay đổi. Vật liệu này dùng làm lõi các cuộn cảm của bộ lọc máy phát điện. * Ferit Là loại vật liệu có điện dẫn, điện tử bé, điện trở suất của nó lớn hơn vật liệu sắt từ (từ 1011  1016) lần, do đó năng lượng tổn hao ở cùng tần số cao rất bé. Công dụng: Được dùng nhiều trong kỹ thuật vô tuyến điện tử. Ferit là hệ thống có Oxit sắt và Oxit kim loại, Ferit chia làm 4 loại: - Ferit mềm - Ferit cao tần - Ferit có đường từ trễ hẹp - Ferit từ cứng. + Ferit mềm: Là hợp kim của Niken và Kẽm có cảm ứng từ B đạt 0,3 Tesla. Lực khử từ đạt HC = 0,2 ơtstet. Dùng làm cuộn dây của bộ lọc, dùng làm màn từ, dùng làm loi MBa xung, lõi MBA quét mành trong vô tuyến truyền hình. + Ferit cao tần: Là loại Ferit có chứa nhiều oxit Mangan, nó được dùng trong phạm vi tần số cao, khi dùng trong tần số cao nó sẽ xuất hiện nhiều tính chất đặc biệt có thể điều khiển được bằng cách cho trường tác dụng thay đổi. Công dụng: Dùng để chế tạo phần tử điều khiển và dẫn sóng, chế tạo các đổi nối. + Ferit có đường từ trễ hẹp: Có đường cảm ứng từ dự B0 lớn gần bằng trị số cảm ứng từ B. Lực khử từ Hc bé. Từ hoá nó được dùng ở trạng thái từ hoá với cảm ứng từ +B0V - B0. Công dụng: Dùng làm các phần tử đổi nối với hai trạng thái ổn định và các phần tử nhớ trong máy tính điện tử. + Ferit cứng: Là vật liệu từ cứng. 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trọng Thắng, Công nghệ chế tạo và tính toán sửa chữa máy điện 1,2,3 NXB Giáo Dục 2000. [2] Trần Khánh Hà, Máy điện 1,2 NXB Khoa học và kỹ thuật 2004. [3] Nguyễn Xuân Phú ( chủ biên), Quấn dây, sử dụng và sủa chữa động cơ xoay chiều và một chiều thông dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật 2000. [4] Đặng văn Đào, Kỹ Thuật Điện, NXB Giáo Dục 2004. [5] Trần Thế San, Nguyễn Đức Phấn, Thực hành kỹ thuật cơ điện lạnh, NXB Đà Nẵng 2001. [6] Nguyễn Xuân Phú, Khí cụ điện- Kết cấu, sue dụng và sửa chữa, NXB Khoa học và Kỹ thuật 2002.