MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Giới thiệu: Vật liệu điện có vai trò rất to lớn trong công nghiệp điện. Để thấy rõ đƣợc 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 nhƣ 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 nhƣ 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 đƣợc khái niệm và cấu tạo của vật liệu dẫn điện - Phân loại đƣợc chính xác chức năng của từng vật liệu cụ thể - R n luyện đƣợc tính chủ động và nghiêm túc trong công việc. Nội dung chính: 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 đƣờng dây, đƣợc gọi chung là vật liệu điện.
Nhƣ vậy vật liệu điện bao gồm: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ. Để thấy đƣợc bản chất dẫn điện hay cách điện của vật liệu, chúng ta cần hiểu khái niệm về cấu tạo vật liệu cũng nhƣ sự hình thành các phần tử mang điện trong vật liệu. Cấu tạo nguyên tử của vật liệu Nhƣ chúng ta đã biết, mọi vật chất đƣợc 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 đƣợc cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dƣơng 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 đƣợc tạo nên từ các hạt prôton và nơtron. Nơtron là các hạt không mang điện tích còn prôton có điện tích dƣơng với số lƣợng bằng Zq. Ở trạng thái bình thƣờng, nguyên tử đƣợc 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 dƣơng mà ta thƣờng gọi là ion dƣơng. Ngƣợc lại nếu nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm. Cấu tạo phân tử 1. Cấu tạo phân tử Phân tử đƣợc tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử.
Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết sau: 10 a. Liên kết đồng hóa trị: Liên kết đồng hóa trị đƣợc đặc trƣng 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 đƣợc xác lập bởi lực hút giữa các ion dƣơng và các ion âm trong phân tử.
Liên kết kim loại: Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn. Kim loại đƣợc xem nhƣ là một hệ thống cấu tạo từ các ion dƣơng nằm trong môi trƣờng các điện tử tự do. Lực hút giữa các ion dƣơng 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 thƣờng gặp nhiều trong thực tế.
Những khuyết tật có thể đƣợc tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình chế tạo vật liệu. Lý thuyết phân vùng năng lƣợng Khi nguyên tử ở trạng thái bình thƣờng không bị kích thích, một số trong các mức năng lƣợng đƣợc các điện tử lấp đầy, còn ở các mức năng lƣợng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận đƣợc năng lƣợng từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích). Nguyên tử luôn có xu hƣớng quay về trạng thái ổn định. Khi điện tử chuyển từ mức năng lƣợng kích thích sang mức năng lƣợng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lƣợng dƣ thừa.
Vùng các mức Vùng các mức Vùng các mức Năng lƣợng eV Năng lƣợng eV Năng lƣợng eV năng lƣợng tự do năng lƣợng tự do năng lƣợng tự do Vùng cấm W W Vùng cấm 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 lƣợng của vật rắn ở nhiệt độ 00K 11 2. Phân loại vật liệu điện 2. Phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện Trên cơ sở giản đồ năng lƣợng, ngƣời 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 lƣợng từ bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (W = 0,2 1,5eV). Vật liệu cách điện ( điện môi) Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thƣờng sự dẫn điện bằng điện tử không xẩy ra. Các điện tử hóa trị tuy đƣợc cung cấp thêm năng lƣợng 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 theo từ tính Theo từ tính ngƣời ta chia vật liệu thành: vật liệu dẫn từ, vật liệu thuận từ và vật liệu nghịch từ 2. Vật liệu nghịch từ: Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trƣờng bên ngoài. Vật liệu thuận từ: Là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trƣờng 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 thẩm 1 và phụ thuộc vào từ trƣờng 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 hƣởng nhƣ thế nào tới các tính chất của vật rắn?.Trình bày lý thuyết phân vùng năng lƣợng trong vật rắn? Nêu cách phân loại vật liệu điện theo lý thuết phân vùng năng lƣợng?.Vật liệu điện đƣợc phân loại nhƣ thế nào? trình bày các cách phân loại đó? 13 CHƢƠNG 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Mã chƣơng: MH12.01 Giới thiệu : Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật điện. Chúng đƣợc 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 đƣờng trong mạch điện đã đƣợc sơ đồ qui định. Rõ ràng là nếu thiếu vật liệu cách điện sẽ không thể chế tạo đƣợc bất kỳ thiết bị điện nào kể cả loại đơn giản nhất. Vật liệu cách điện có ý nghĩa quan trọng nhƣ vậy nhƣng muốn sử dụng đạt hiệu quả cao thì đòi hỏi ngƣời 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 ngƣời học những kiến thức cơ bản của vật liệu cách điện và ứng dụng của nó.
Mục tiêu: - Nhận dạng, phân loại đƣợc chính xác các loại vật liệu cách điện dùng trong công nghiệp và dân dụng. - Trình bày đƣợc các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu cách điện thƣờng dùng. - Sử dụng phù hợp các loại vật liệu cách điện theo từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể. - Xác định đƣợc các nguyên nhân gây ra hƣ hỏng và có phƣơng án thay thế khả thi các loại vật liệu cách điện thƣờng dùng.
- R n luyện đƣợc tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong công việc. Nội dung chính: 1.Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện 1. Khái niệm Phần điện 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 thƣờng, vật dẫn cần đƣợc 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. Nhƣ vậy vật dẫn phải đƣợc bao bọc bởi các vật liệu cách điện. Vật liệu cách điện còn đƣợc gọi là điện môi.
Điện môi là những vật liệu làm cho dòng điện đi đúng nơi qui định. Phân loại vật cách điện 1. Phân loại theo trạng thái vật thể - Vât liệu cách điện (điện môi) có thể ở thể khí, thể lỏng và thể rắn. 14 - Ở giữa thể lỏng và thể lỏng rắn, còn có một thể trung gian, gọi là thể mềm nhão nhƣ: các vật liệu có tính chất bôi trơn, các loại sơn tẩm.
Phân loại theo thành phần hóa học Theo thành phần hoá học, ngƣòi ta chia vật liệu cách điện thành: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ - Vật liệu cách điện hữu cơ: chia làm hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo. - Vật liệu cách điện vô cơ: vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại vật liệu nhƣ: sứ gốm, thủy tinh, mica, amiăng v.