Chương I: VẬT LIỆU ĐIỆN 1. Vật liệu dẫn điện 1. Khái niệm chung 1. Khái niệm Vật liệu dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do.
Nếu đặt chúng vào trong 1 điện trường, các điện tích sẽ chuyển động theo một hướng nhất định của điện trường và tạo thành dòng điện. Người ta gọi đó là vật liệu có tính dẫn điện. Nhóm 1: Vật liệu dẫn điện có tính dẫn điện tử hay vật dẫn loại 1 (vật dẫn kim loại) Phần lớn thuộc về kim loại, hợp kim, một số ít là phi kim loại, thường tồn tại ở thể rắn,trường hợp đặc biệt ở thể lỏng là thủy ngân. - Đặc trưng của nhóm vật liệu dẫn điện là: Mọi sự hoạt động của các điện tích không làm thay đổi thực thể tạo nên vật dẫn đó.
Có hai loại vật liệu dẫn điện có tính dẫn điện tử. Loại 1: Có điện trở suất nhỏ gồm các vật liệu như đồng, nhôm, vàng, bạc. Khi sử dụng thường là hợp kim. Ứng dụng: Dùng làm dây dẫn, dây điện từ trong máy điện, khí cụ điện và một số dụng cụ đo lường.
Loại 2: Có điện trở suất cao ví dụ như: Hợp kim Manganin, Constantan. Ứng dụng: Dùng làm biến trở, điện trở mẫu, dùng trong các loại bóng đèn. Nhóm 2: Vật liệu dẫn điện có tính dẫn ion hay vật dẫn loại 2 (vật dẫn điện phân) Phần lớn chúng tồn tại dưới dạng dung dịch như axit, kiềm, muối… Đặc trưng của nhóm là: Khi dòng điện chạy qua vật dẫn làm thay đổi hoặc biến đổi hóa học trong nó. Tính chất chung 1.
Tính cơ học Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu tác động của các loại tải trọng. Các đặc trưng đó bao gồm: a. Độ bền: là khả năng chống lại các tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá hỏng. Tùy theo các dạng khác nhau của ngoại lực mà ta có các loại độ bền: độ bền kéo (sk), độ bền nén (sn), độ bền uốn (su).
Đơn vị đo của độ bền thường dùng là N/mm2 hoặc MN/mm2. Độ cứng: là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng lên kim loại thông qua vật nén. Nếu cùng một giá trị lực nén mà vết lõm trên mẫu đo càng lớn thì độ cứng của vật liệu đó càng kém. Thử độ cứng được thực hiện trên máy thử, và được đánh giá bằng các đơn vị đo độ cứng như sau: độ cứng Brinen (HB), Rocvell (HRA, HRB, HRC), Vicke (HV).
Độ dẻo: là khả năng vật liệu thay đổi hình dáng kích thước mà không bị phá hủy khi chịu tác dụng của lực bên ngoài. 5 Để xác định độ dẻo người ta thường tiến hành đánh giá theo cả hai chỉ tiêu cùng xác định trên mẫu sau khi thử độ bền kéo: - Độ giãn dài tương đối (δ): là khả năng vật liệu thay đổi chiều dài sau khi bị kéo đứt. - Độ thắt tiết diện tương đối (ψ): là khả năng vật liệu chịu thay đổi tiết diện sau khi bị kéo đứt. Ở đây: l0 và l1 là chiều dài mẫu trước và sau khi kéo, được tính cùng đơn vị đo.
F0 và F1 là diện tích tiết diện mẫu trước và sau khi kéo, được tính cùng đơn vị đo. Độ dai va đập: là khả năng vật liệu chịu được tải trọng va đập mà không bị phá hủy, ký hiệu là ak và đơn vị đo là J/mm2 hoặc kJ/m2. Tính vật lý Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hóa học của kim loại đó không thay đổi. Lý tính cơ bản của kim loại gồm có: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính dãn nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính.
Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 cm3 vật chất. Trong đó m: là khối lượng của vật chất. V là thể tích của vật chất. Tính nóng chảy: kim loại có tính chảy loãng khi bị đốt nóng và đông đặc lại khi làm nguội.
Nhiệt độ ứng với lúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy. Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ đúc, hàn. Tính dẫn nhiệt: là tính truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hoặc bị làm lạnh. Tính truyền nhiệt của kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng và ngược lại khi nhiệt độ giảm xuống.
Tính giãn nở: là tính chất thay đổi thể tích khi nhiệt độ của kim loại thay đổi. Được đặc trưng bằng hệ số giãn nở. Tính dẫn điện: là khả năng cho dòng điện đi qua của kim loại. So sánh tính dẫn nhiệt và dẫn điện ta thấy kim loại nào có tính dẫn nhiệt tốt thì tính dẫn điện cũng tốt và ngược lại.
f Từ tính: là khả năng bị từ hóa khi được đặt trong từ trường. Sắt, coban, niken và hầu hết các hợp kim của chúng đều có tính nhiễm từ. Tính nhiễm từ của thép và gang phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bên trong của kim loại. Tính hoá học Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hóa học của các chất khác như: ôxy, nước, axit… mà không bị phá hủy.
Tính năng hóa học của kim loại có thể chia thành các loại sau: a. Tính chịu ăn mòn: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường xung quanh. Tính chịu nhiệt: là độ bền của kim loại đối với sự ăn của ôxy trong không khí ở nhiệt độ cao. Tính chịu axit: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường axit.
Tính công nghệ Là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại, hợp kim, tính công nghệ bao gồm các tính chất sau: a. Tính đúc: được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co và thiên tích. Độ chảy loãng biểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim. Độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt.
Độ co càng lớn thì tính đúc càng kém. Tính rèn: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực tác dụng bên ngoài mà không bị phá hủy. Thép có tính rèn cao khi được nung nóng ở nhiệt độ phù hợp. Gang không có tính rèn vì giòn.
Đồng, nhôm, chì có tính rèn tốt ngay cả ở trạng thái nguội. Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử khi nung nóng chỗ hàn đến trạng thái chảy hay dẻo. Tính cắt gọt: là khả năng kim loại gia công dễ hay khó, được xác định bằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt và độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắt gọt. Một kim loại hay một hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quý nhưng tính công nghệ kém thì cũng khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo thành sản phẩm.
Một số vật liệu dẫn điện 1. Đồng và hợp kim của đồng a. - Có sức bền cơ giới đủ lớn. - Trong đa số trường hợp có thể chịu được tác dụng ăn mòn (có sức đề kháng tốt đối với sự ăn mòn).
- Dễ gia công: cán mỏng thành lá, kéo thành sợi. - Dễ uốn, dễ hàn. - Có khả năng tạo thành hợp kim tốt. - Là kim loại hiếm chỉ chiếm khoảng 0,01% trong lòng đất Đồng dùng trong kỹ thuật điện phải được tinh luyện bằng điện phân, tạp chất lẫn trong đồng dù một lượng rất nhỏ thì tính dẫn điện của nó cũng giảm đi đáng kể.
Qua nghiên cứu, người ta thấy rằng: nếu trong đồng có 0,5% Zn, Ni hay AI thì điện dẫn suất của nó (Ỵcu) giảm đi 25% -T- 40% và nếu trong đồng có 0,5% Ba, As, p, Si thì có thể giảm đến 55%. Vì vậy để làm vật dẫn, thường chỉ dùng đồng điện phân chứa trên 99,9% Cu. Hợp kim của đồng: Hợp kim trong đó vật liệu đồng là thành phàn cơ bản, có đặc điểm là sức bền cơ khí lớn, độ cứng cao, có độ dai tốt, màu đẹp và có tính chất dễ nóng chảy. Hợp kim của đồng có thể đúc thành các dạng bình phức tạp; người ta dễ dàng gia công trên máy công cụ và cỏ thể phủ lên bề mặt của các kim loại khác theo phương pháp mạ điện.
Những hợp kim chính của đồng được sử dụng trong kỹ thuật điện là: Đồng thanh, đồng thau, các hợp kim dùng làm điện trở. Ngoài việc dùng đồng tinh khiết để làm vật dẫn, người ta còn dùng các hợp kim của đồng với các chất khác như: thiếc, silic, phốtpho, bêrili, crôm, mangan, cadmi., trong đó đồng chiếm vị trí cơ bản, còn các chất khác có hàm lượng thấp. Căn cứ vào lượng và thành phàn các chất chứa trong đồng, người ta chia hợp kim của đồng thành các dạng chủ yếu như sau: - Đồng thanh (đồng đỏ): Đồng thanh là một hợp kim của đồng, có thêm một số kim loại khác để tăng cường độ cứng, sức bền và dễ nóng chảy. Đồng thanh được dùng để chế tạo các chi tiết dẫn điện trong các máy điện và khí cụ điện; để gia công các chi tiết nối và giữ dây dẫn, các ốc vít, đai cho hệ thống nối đất, cổ góp điện, các giá đỡ và giữ,.
- Đồng thau: Đồng thau là một hợp kim đồng với kẽm, trong đó kẽm không vượt quá 46%. Ở nhiệt độ cao, sức bền của đồng thau đối với sự ăn mòn do oxyt hóa sẽ giảm. Tốc độ oxyt hóa của đồng thau càng nhỏ (so với đồng tinh khiết) khi tỷ lệ phàn trăm của kẽm càng lớn. Nếu tỷ lệ phàn trăm của kẽm lớn hơn 25%, thì lớp bảo vệ của oxyt kẽm tạo nên trên bề mặt của vật liệu càng nhanh khi nhiệt độ càng lớn.
Còn nếu tỷ lệ phàn trăm của kẽm nhỏ thì trên bề mặt của vật liệu sẽ tạo một lớp màu hơi đen giàu oxyt đồng. Tính chất này của đồng thau với tỷ lệ lớn hơn 25% kẽm tạo thành một lớp bảo vệ ở 300°c và đôi khi được sử dụng để bảo vệ các chi tiết chống lại sự ăn mòn của không khí có Amôniac nếu không sử dụng một phương pháp bảo vệ nào khác. Để tăng sức đề kháng đối với sự ăn mòn điện hoá, người ta thường tẩm thiếc hay tráng kẽm khi đồng thau còn nóng Đồng thau được dùng trong kỹ thuật điện để gia công các chi tiết dẫn dòng như ổ cắm điện, các phích cắm, đui đèn, các đàu nối đến hệ thống tiếp đất, các ốc, vít. Nhôm và họp kim của nhôm a.