MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Mã bài: 11- 00 Giới thiệu: Vật liệu điện có vai trò rất to lớn trong công nghiệp điện. Để thấy rõ được bản chất cách điện hay dẫn điện của các loại vật liệu, chúng ta cần hiểu những khái niệm về cấu tạo của vật liệu cũng như sự hình thành các phần tử mang điện trong vật liệu. Bên cạnh đó chúng ta cũng cần nắm rõ về nguồn gốc, cách phân loại các loại vật liệu đó như thế nào để tiện lợi cho quá trình lựa chọn và sử dụng sau này. Nội dung bài học này nhằm trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản trên nhằm giúp cho học viên có những kiến thức cơ bản để học tập những bài học sau có hiệu quả hơn.
Mục tiêu: - Nêu bật được khái niệm và cấu tạo của vật liệu dẫn điện - Phân loại được chính xác chức năng của từng vật liệu cụ thể - R n luyện được tính chủ động và nghiêm túc trong công việc.Khái niệm, cấu tạo vật liệu điện Mục tiêu: Trình bầy được khái niệm, cấu tạo vật liệu điện 1.1 Khái niệm Tất cả những vật liệu dùng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn hoặc những vật liệu dùng làm phụ kiện đường dây, được gọi chung là vật liệu điện. Như vậy vật liệu điện bao gồm: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ. Để thấy được bản chất dẫn điện hay cách điện của vật liệu, chúng ta cần hiểu khái niệm về cấu tạo vật liệu cũng như sự hình thành các phần tử mang điện trong vật liệu. Cấu tạo nguyên tử của vật liệu Như chúng ta đã biết, mọi vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử.
Nguyên tử là phần tử cơ bản của vật chất. Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (êlectron e) mang điện tích âm, chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định. Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ các hạt prôton và nơtron. Nơtron là các hạt không mang điện tích còn prôton có điện tích dương với số lượng bằng Zq.
Ở trạng thái bình thường, nguyên tử được trung hòa về điện. Nếu vì lý do nào đó, nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện tích dương mà 4 ta thường gọi là ion dương. Ngược lại nếu nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm. Cấu tạo phân tử Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử.
Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết sau: Liên kết đồng hóa trị: Liên kết đồng hóa trị được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử của các nguyên tử trong phân tử. Khi đó mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững. Liên kết ion: Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử. Liên kết kim loại: Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn.
Kim loại được xem như là một hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do. Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Chính vì vậy liên kết kim loại là liên kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Liên kết Vandec – Vanx: Liên kết này là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững chắc.
Do vậy những liên kết phân tử là liên kết Vandec - Vanx có nhiệt độ nóng chảy và có độ bền cơ thấp. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn: Các tinh thể vật rắn có thể có cấu tạo đồng nhất. Sự phá hủy các kết cấu đồng nhất và tạo nên các khuyết tật trong vật rắn thường gặp nhiều trong thực tế. Những khuyết tật có thể được tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình chế tạo vật liệu.
Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn: Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường không bị kích thích, một số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy, còn ở các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận được năng lượng từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích). Nguyên tử luôn có xu hướng quay về trạng thái ổn định. Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lượng dư thừa. 5 Vùng các mức Vùng các mức Vùng các mức năng lượng tự do Năng lượng eV Năng lượng eV Năng lượng eV năng lượng tự do năng lượng tự do Vùng cấm W Vùng cấm W Vùng đầy điện Vùng đầy điện Vùng đầy điện tử tử tử Vật dẫn Bán dẫn Điện môi Hình 1.1: Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn ở nhiệt độ 00K 2.
Phân loại vật liệu điện Mục tiêu: - Phân loại được vật liệu điện theo khả năng dẫn điện, từ tính, trạng thái vật thể 2. Phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện Trên cơ sở giản đồ năng lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn. Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện là chất có vùng tự do nằm sát với vùng điền đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy (W 0,2eV). Vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn là chất có vùng cấm hẹp hơn so với vật liệu cách điện, vùng này có thể thay đổi nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài.
Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (W = 0,2 1,5eV). Điện môi (vật liệu cách điện) Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không x y ra. Các điện tử hóa trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng địên dẫn. Chiều rộng vùng cấm của vật liệu cách điện (W = 1,5 2eV).
Phân loại vật liệu điện theo từ tính Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: nghịch từ, thuận từ và dẫn từ. Vật liệu nghịch từ là những vật liệu có độ từ th m 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. 6 Vật liệu thuận từ là những vật liệu có độ từ th m 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. Vật liệu thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ bằng 1.
Vật liệu dẫn từ là những vật liệu có độ từ th m 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể Theo trạng thái vật thể có vật liệu ở thể rắn, thể lỏng và vật liệu ở thể khí. Ngoài ra ta cũng có thể phân loại vật liệu điện: + Theo công dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ và vật liệu bán dẫn. + Theo nguồn gốc: có vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ.
Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử của vật liệu điện? 2. Trình bày các mối liên kết trong vật liệu điện? So sánh đặc điểm của các mối liên kết đó? 3.Thế nào gọi là khuyết tật trong cấu tạo vật rắn và các khuyết tật đó ảnh hưởng như thế nào tới các tính chất của vật rắn?.Trình bày lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn? Nêu cách phân loại vật liệu điện theo lý thuết phân vùng năng lượng?.Vật liệu điện được phân loại như thế nào? trình bày các cách phân loại đó? 7 CHƢƠNG 1:VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Mã chƣơng: 11-01 Giới thiệu : Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật điện. Chúng được dùng để tạo ra cách điện bao bọc quanh những bộ phận dẫn điện trong các thiết bị điện và để tách rời các bộ phận có điện thế khác nhau. Nhiệm vụ của cách điện là chỉ cho dòng điện đi theo những con đường trong mạch điện đã được sơ đồ qui định.
Rõ ràng là nếu thiếu vật liệu cách điện sẽ không thể chế tạo được bất kỳ thiết bị điện nào kể cả loại đơn giản nhất. Vật liệu cách điện có ý nghĩa quan trọng như vậy nhưng muốn sử dụng đạt hiệu quả cao thì đòi hỏi người công nhân phải am hiểu về tính chất, các đặc tính kỹ thuật của từng loại vật liệu cách điện. Nội dung bài học này nhằm trang bị cho người học những kiến thức cơ bản của vật liệu cách điện và ứng dụng của nó. Mục tiêu: - Nhận dạng, phân loại được chính xác các loại vật liệu cách điện dùng trong công nghiệp và dân dụng.
- Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu cách điện thường dùng. - Sử dụng phù hợp các loại vật liệu cách điện 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 cách điện thường dùng. - R n luyện được tính c n thận, chính xác, chủ động trong công việc.
Nội dung chính: 1.Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện Mục tiêu: - Nhận dạng được các loại vật liệu cách điện đúng yêu cầu kỹ thuật. - Phân loại được các loại vật liệu cách điện đạt chính xác 90% 1. Khái niệm Phần địên của các thiết bị có phần dẫn điện và phần cách điện. Phần dẫn điện là tập hợp các vật dẫn khép kín mạch để cho dòng điện chạy qua.
Để đảm bảo mạch làm việc bình thường, vật dẫn cần được cách ly với các vật dẫn khác trong mạch, vật dẫn của mạch khác hoặc vật dẫn nào đó trong không gian. Ngoài ra còn phải cách ly vật dẫn với các nhân viên làm việc với mạch điện. Như vậy vật dẫn phải được bao bọc bởi các vật liệu cách điện. 8 Vật liệu cách điện còn được gọi là điện môi.
Điện môi là những vật liệu làm cho dòng điện đi đúng nơi qui định.Phân loại vật liệu cách điện Phân loại theo trạng thái vật l Vât liệu cách điện (điện môi) có thể ở thể khí, thể lỏng và thể rắn. Ở giữa thể lỏng và thể lỏng rắn, còn có một thể trung gian, gọi là thể mềm nhão như: các vật liệu có tính chất bôi trơn, các loại sơn t m. Phân loại theo thành phần hóa học Theo thành phần hoá học, ngưòi ta chia vật liệu cách điện thành: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ.