Chương 1: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN 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 thực hiện: Học xong bài học này, học viên có năng lực: Nhận dạng các loại vật liệu điện, đạt chính xác 90% trong mọi trường hợp. Phân loại các loại vật liệu điện có trong xưởng trường, đạt chính xác 90% theo cách phân loại do giáo viên đưa ra. Nội dung chính: 1. Khái niệm về vật liệu điện.
Phân loại vật liệu điện. Theo công dụng. Theo nguồn gốc. Theo trạng thái vật thể.
6 Hoạt động 1: Học trên lớp 1. Khái niệm về vật liệu điện: 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 (êlêctron 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. Trong đó: Z: số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự của nguyên tố đó ở trong bảng tuần hoàn Menđêlêép. q: điện tích của điện tử e (qe=1,601.
Prôton có khối lượng bằng 1,67.10-27 kg, êlêctron (e) có khối lượng bằng 9,1. ở trạng thái bình thường nguyên tử được trung hòa về điện, tức là trong nguyên tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện tử. Nếu vì lý do nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện tích dương mà ta thường gọi là ion dương. Ngược lại nếu nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm.
Để có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của hiđro, nguyên tử này được cấu tạo từ một prôton và một điện tử. Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân thì điện tử sẽ chịu lực hút f1 của hạt nhân và được xác định bởi công thức sau: q2 f1 (1.1) r2 Lực hút f1 được cân bằng bởi lực ly tâm của chuyển động f2, f2 được xác định bởi công thức sau: 7 mv 2 f2 (1.2) 2 Trong đó: - m: là khối lượng của điện tử. - v: là tốc độ chuyển động của điện tử.2) ta có: f1 = f2 hay là: mv 2 (1.3) r mv 2 Trong quá trình chuyển động điện tử có một điện năng: T và một thế 2 q2 năng U 2 , nên năng lượng của điện tử sẽ bằng: r q2 W T U (1.4) ở trên chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử có một mức năng lượng nhất định, năng lượng tỉ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử. Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r ra xa vô cùng ta q2 cần phải cung cấp thêm cho nó một năng lượng lớn hơn.
2r Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng ion hóa (Wi), khi bị ion hóa (bị mất điện tử), nguyên tử trở thành ion dương. Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do gọi là quá trình ion hóa. Trong một nguyên tử, năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hóa trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hóa thấp nhất vì chúng xa hạt nhân nhất. Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, song chúng luôn có xu thế trở về vị trí ban đầu.
Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang học. (quang năng) Trong thực tế ion hóa và năng lương kích thích nguyên tử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như: nhiệt năng, quang năng, điện năng, năng lượng của các tia song ngắn như các tia: , , hay tia rơnghen v. 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: 8 a.
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 bảo hòa, liên kết phân tử bền vững. Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hóa trị có thể là trung tính hay lưỡng cực. - Phân tử có trọng tâm điện tích dương và âm trùng nhau là phân tử trung tính.
Các chất được tạo nên từ các phân tử trung tính gọi là chất trung tính. - Phân tử có trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng cách ‘’a’’ nào đó gọi là phân tử cực tính hay còn gọi là lưỡng cực. Phân tử cực tính đặc trưng bởi mômen lưỡng cực m = q. Dựa vào trị số mômen lưỡng cực của phân tử người ta chia ra thành chất cực tính yếu và cực tính mạnh.
Những chất được cấu tạo bằng các phân tử cực tính gọi là chất cực tính. Liên kết đồng hóa trị còn thấy ở cả chất rắn vô cơ có mạng tinh thể cấu tạo từ các nguyên tử. 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 ion là liên kết khá bền vững.
Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. ví dụ các muối halôgen của các kim loại kiềm. Khả năng tạo nên một chất hoặc một hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dáng lớp điện tử ngoài cùng. 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.
Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt trên nhau giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng. Liên kết Vandec - Vanx. 9 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.
Khuyết tật của vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của trường tĩnh điện mạng tinh thể như: phá vỡ thành phần hợp thức; sự có mặt của các tạp chất lạ; áp lực cơ học; các lượng tử của giao động đàn hồi, lỗ xốp vv. Khuyết tật sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ học, lý học, hóa học và các tính chất về điện của vật liệu.Khuyết tật có thể tạo nên các tính năng đặc biệt tốt và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn: Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành các nhóm vật liệu dẫn điện, cách điện và vật liệu bán dẫn. 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. Do không có năng lượng của chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình thường của nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hóa trị hay còn gọi là vùng điền đầy (ở 00K các điện tử hóa trị của nguyên tử lấp đầy vùng này). Những điện tử tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng của chúng tập hợp thành vùng điện dẫn (phần trên cùng của sơ đồ phân bố vùng năng lượng ở hình .