Chương 1 Các khái niệm cơ bản 1. Vật dẫn điện và cách điện Trong kỹ thuật người ta chia vật liệu thành hai loại chính: Vật cho phép dòng điện đi qua gọi là vật dẫn điện Vật không cho phép dòng điện đi qua gọi là vật cách điện Tuy nhiên khái niệm này chỉ mang tính tương đối. Chúng phụ thuộc vào cấu tạo vật chất, các điều kiện bên ngoài tác động lên vật chất Về cấu tạo: Vật chất được cấu tạo từ các phần tử nhỏ nhất gọi là nguyên tử. Nguyên tử được cấu tạo gồm hạt nhân (gồm proton là hạt mang điện tích dương (+), neutron là hạt không mang điện) và lớp vỏ của nguyên tử (là các electron mang điện tích âm e-).
Vật chất được cấu tạo từ mối liên kết giữa các nguyên tử với nhau tạo thành tính bền vững của vật chất.1: Cấu trúc mạng liên kết nguyên tử của vật chất Các liên kết tạo cho lớp vỏ ngoài cùng có số lượng proton bằng số lượng electron, với trạng thái đó nguyên tử mang tính bền vững và được gọi là trung hoà về điện. Các chất loại này không có tính dẫn điện, gọi là chất cách điện Các liên kết tạo cho lớp vỏ ngoài cùng có số lượng proton khác số lượng electron thì trở thành ion, chúng dễ cho và nhận điện tử, các chất này gọi là chất dẫn điện Về nhiệt độ môi trường: Trong điều kiện nhiệt độ bình thường (< 250C) các nguyên tử liên kết bền vững. Khi tăng nhiệt độ, động năng trung bình của các nguyên tử gia tăng làm các liên kết yếu dần, một số e-- thoát khỏi liên kết trở 11 thành e-- tự do, lúc này nếu có điện trường ngoài tác động vào, vật chất có khả năng dẫn điện. Về điện trường ngoài: Trên bề mặt vật chất, khi đặt một điện trường hai bên chúng sẽ xuất hiện một lực điện trường E.
Các e-- sẽ chịu tác động của lực điện trường này, nếu lực điện trường đủ lớn, các e-- sẽ chuyển động ngược chiều điện trường, tạo thành dòng điện. Độ lớn của lực điện trường phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa hai điểm đặt và độ dày của vật dẫn. Tóm lại: Sự dẫn điện hay cách điện của vật chất phụ thuộc nhiều vào các yếu tố: Cấu tạo nguyên tử của vật chất Nhiệt độ của môi trường làm việc Hiệu điện thế giữa hai điểm đặt lên vật chất Độ dày của vật chất Vật dẫn điện: vật liệu dẫn điện là vật chất ở trạng thái bình thường có khả năng dẫn điện. Nói cách khác, là chất ở trạng tháI bình thường có sẵn các điện tích tự do để tạo thành dòng điện 1.
Các đặc tính của vật dẫn điện, vật cách điện - Các đặc tính của vật liệu dẫn điện. - Điện trở suất - Hệ số nhiệt - Nhiệt độ nóng chảy - Tỷ trọng Các thông số và phạm vi ứng dụng của các vật liệu dẫn điện thông thường được giới thiệu trong (Bảng 1.1: Vật liệu dẫn điện Điện trở Hệ số Nhiệt Tỷ TT Tên vật suẩt nhiệt độ trọng Hợp kim Phạm vi ứng dụng Ghi chú liệu nóng chảy mm2/m t0C 1 Đồng đỏ 0,0175 0,004 1080 8,9 Chủ yếu dùng làm dây hay đồng dẫn kỹ thuật 2 Thau (0,03 - 0,002 900 3,5 đồng với kẽm - Các lá tiếp xúc 0,06) - Các đầu nối dây 3 Nhôm 0,028 0,0049 660 2,7 - Làm dây dẫn điện - Bị ôxyt hoá nhanh, tạo - Làm lá nhôm trong tụ thành lớp bảo vệ, nên khó hàn, khó ăn mòn xoay - Bị hơi nước mặn ăn - Làm cánh toả nhiệt mòn - Dùng làm tụ điện (tụ hoá) 4 Bạc 960 10,5 - Mạ vỏ ngoài dây dẫn để sử dụng hiệu ứng mặt ngoài trong lĩnh vực siêu cao tần 13 5 Nic ken 0,07 0,006 1450 8,8 - Mạ vỏ ngoài dây dẫn Có giá thành rẻ hơn bạc để sử dụng hiệu ứng mặt ngoài trong lĩnh vực siêu cao tần 6 Thiếc 0,115 0,0012 230 7,3 Hợp chất dùng - Hàn dây dẫn. Chất hàn dùng để hàn để làm chất - Hợp kim thiếc và chì trong khi lắp ráp linh hàn gồm: có nhiệt độ nóng chảy kiện điện tử - Thiếc 60% thấp hơn nhiệt độ nóng - Chì 40% chảy của từng kim loại thiếc và chì. 7 Chì 0,21 0,004 330 11,4 - Cầu chì bảo vệ quá Dùng làm chát hàn (xem dòng phần trên) - Dùng trong ac qui chì - Vỏ bọc cáp chôn 8 Sắt 0,098 0,0062 1520 7,8 - Dây săt mạ kem làm - Dây sắt mạ kẽm giá dây dẫn với tải nhẹ thành hạ hơn dây đồng - Dây lưỡng kim gồm - Dây lưỡng kim dẫn lõi sắt vỏ bọc đồng làm điện gần như dây đồng dây dẫn chịu lực cơ học do có hiệu ứng mặt lớn ngoài 14 9 Maganin 0,5 0,00005 1200 8,4 Hợp chất gồm: Dây điện trở - 80% đồng - 12% mangan - 2% nic ken 10 Contantan 0,5 0,000005 1270 8,9 Hợp chất gồm: Dây điện trở nung nóng - 60% đồng - # 40% nic ken - # 1% Mangan 11 Niken - 1,1 0,00015 1400 8,2 Hợp chất gồm: - Dùng làm dây đốt Crôm (nhiệt - 67% Nicken nóng (dây mỏ hàn, dây bếp điện, dây bàn là) độ làm - 16% săt việc: 900) - 15% crôm -1,5% mangan 15 - Các đặc tính của vật liệu cách điện.
Độ bền về điện. Nhiệt độ chịu đựng. Hằng số điện môi. Các thông số và phạm vi ứng dụng được trình bày ở (Bảng 1.2: Vật liệu cách điện Độ bền t0C Hằng Góc tổn TT Tên vật liệu về điện chịu số điện hao Tỷ Đặc điểm Phạm vi ứng dụng (kV/mm) đựng môi trọng 1 Mi ca 50-100 600 6-8 0,0004 2,8 Tách được - Dùng trong tụ điện thành từng - Dùng làm vật cách điện trong mảnh rất mỏng thiết bị nung nóng (VD:bàn là) 2 Sứ 20-28 1500- 6-7 0,03 2,5 - Giá đỡ cách điện cho đường dây 1700 dẫn - Dùng trong tụ điện, đế đèn, cốt cuộn dây 3 Thuỷ tinh 20-30 500- 4-10 0,0005- 2,2-4 1700 0,001 4 Gốm không không 1700- 0,02-0,03 4 - Kích thước - Dùng trong tụ điện chịu chịu 4500 nhỏ nhưng điện được được dung lớn điện áp nhiệt độ cao lớn 5 Bakêlit 10-40 4-4,6 0,05-0,12 1,2 6 Êbônit 20-30 50-60 2,7-3 0,01-0,015 1,2-1,4 17 7 Pretspan 9-12 100 3-4 0,15 1,6 Dùng làm cốt biến áp 8 Giấy làm tụ 20 100 3,5 0,01 1-1,2 Dùng trong tụ điện điện 9 Cao su 20 55 3 0,15 1,6 - Làm vỏ bọc dây dẫn - Làm tấm cách điện Lụa cách điện 8-60 105 3,8-4,5 0,04-0,08 1,5 Dùng trong biến áp Sáp 20-25 65 2,5 0,0002 0,95 Dùng làm chất tẩm sấy biến áp, động cơ điện để chống ẩm Paraphin 20-30 49-55 1,9-2,2 Dùng làm chất tẩm sấy biến áp, động cơ điện để chống ẩm Nhựa thông 10-15 60-70 3,5 0,01 1,1 - Dùng làm sạch mối hàn - Hỗn hợp paraphin và nhựa thông dùng làm chất tẩm sấy biến áp, động cơ điện để chống ẩm Êpoxi 18-20 1460 3,7-3,9 0,013 1,1-1,2 Hàn gắn các bộ kiện điện-điện tử Các loại Dùng làm chất cách điện plastic (polyetylen, polyclovinin) 18 1.
Điện trở cách điện của linh kiện và mạch điện tử Điện trở cách điện của linh kiện là điện áp lớn nhất cho phép đặt trên linh kiện mà linh kiện không bị đánh thủng (phóng điện). Các linh kiện có giá trị điện áp ghi trên thân linh kiện kèm theo các đại lượng đặc trưng. Ví dụ: Tụ điện được ghi trên thân như sau: 47/25vV, có nghĩa là giá trị điện dung của tụ là 47 và điện áp lớn nhất có thể chịu đựng được không quá 25v. Các linh kiện không ghi giá trị điện áp trên thân thường có tác dụng cho dòng điện một chiều (DC) và xoay chiều (AC) đi qua nên điện áp đánh thủng có tương quan với dòng điện nên thường được ghi bằng công suất.
Ví dụ: Điện trở được ghi trên thân như sau: 100/ 2W Có nghĩa là giá trị là 100 và công suất chịu đựng trên điện trở là 2W Các linh kiện bán dẫn do các thông số kỹ thuật rất nhiều và kích thước lại nhỏ nên các thông số kỹ thuật được ghi trong bảng tra mà không ghi trên thân nên muốn xác định điện trở cách điện cần phải tra bảng. Điện trở cách điện của mạch điện là điện áp lớn nhất cho phép giữa hai mạch dẫn đặt gần nhau mà không sảy ra hiện tượng phóng điện, hay dẫn điện. Trong thực tế khi thiết kế mạch điện có điện áp càng cao thì khoảng cách giữa các mạch điện càng lớn. Trong sửa chữa thường không quan tâm đến yếu tố này tuy nhiên khi mạch điện bị ẩm ướt, bị bụi ẩm.
thì cần quan tâm đến yếu tố này để tránh tình trạng mạch bị dẫn điện do yếu tố môi trường. Các hạt mang điện và dòng điện trong các môi trường Khái niệm hạt mang điện Hạt mang điện là phần tử cơ bản nhỏ nhất của vật chất mà có mang điện gọi là điện tích, nói cách khác đó là các hạt cơ sở của vật chất mà có tác dụng với các lực điện trường, từ trường. Trong kỹ thuật tuỳ vào môi trường mà tồn tại các loại hạt mang điện khác nhau, Chúng bao gồm các loại hạt mang điện chính sau: - e-- (electron): Là các điện tích nằm ở lớp vỏ của nguyên tử cấu tạo nên vật chất, khi nằm ở lớp vỏ ngoài cùng lực liên kết giữa vỏ và hạt nhân yếu dễ bứt ra khỏi nguyên tử để tạo thành các hạt mang điện ở trạng thái tự do dễ dàng di chuyển trong môi trường. 19 - ion+: Là các nguyên tử cấu tạo nên vật chất khi mất điện tử ở lớp ngoài cùng chúng có xu hướng lấy thêm điện tử để trở về trạng thái trung hoà về điện nên dễ dàng chịu tác dụng của lực điện, nếu ở trạng thái tự do thì dễ dàng di chuyển trong môi trường.
- ion--: Là các nguyên tử cấu tạo nên vật chất khi thừa điện tử ở lớp ngoài cùng chúng có xu hướng cho bớt điện tử để trở về trạng thái trung hoà về điện nên dễ bị tác dụng của các lực điện, nếu ở trạng thái tự do thì chúng dễ dàng chuyển động trong môi trường. Dòng điện trong các môi trường Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện dưới tác dụng của điện trường ngoài. Dòng điện trong kim loại Do kim loại ở thể rắn cấu trúc mạng tinh thể bền vững nên các nguyên tử kim loại liên kết bền vững, chỉ có các e- ở trạng thái tự do. Khi có điện trừơng ngoài tác động các e- sẽ chuyển động dưới tác tác dụng của lực điện trường để tạo thành dòng điện.
Vậy: Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển động có hướng của các e- dưới tác dụng của điện trường ngoài.