Chương 2. Vật liệu dẫn điện
Giải thích tại sao lại dẫn điện – thông số đặc trưng?
Khi đặt V -> I chạy qua nó V=1 V -> I=1 A
V=1 V -> I= 2 A (dẫn điện tốt hơn) Theo Đl Ohm: I = V/R -> đặc trưng cho vật liệu dẫn điện là I
Cùng R nhưng V2 > V1 thì I2 > I1
1. Dòng điện
Nếu có một điện tích dq chuyển qua một mặt phẳng tưởng tượng trong thời gian dt, thì dòng điện được định nghĩa là :
29
Về hướng: Là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích (Từ Vcao đến Vthấp) Theo quy ước lịch sử, mũi tên chỉ chiều dòng điện được vẽ theo chiều chuyển động của các điện tích dương, thậm chí ngay cả khi các hạt chuyển động không mang điện tích dương
Chương 2. Vật liệu dẫn điện 2. Mật độ dòng điện
30
Khái niệm cường độ dòng điện cho ta biết độ mạnh của dòng điện qua một đơn vị diện tích cho trước tuy nhiên nó không cho biết độ mạnh và hướng của dòng điện tại từng điểm trong vật liệu có dòng điện chảy qua. Để đặc trưng cho độ mạnh của dòng điện tại từng vị trí người ta đưa vào khái niệm mật độ dòng điện.
liên kết với nguyên tử và
Chương 2. Vật liệu dẫn điện 3. Vận tốc chuyển động có hướng của các điện tích • Độ lớn của I phụ thuộc vào vận tốc cđ có hướng của các điện tích. • Dưới tác dụng của E, một số điện tử thoát khỏi chuyển động trong tinh thể kim loại để tạo nên dòng điện. • Trong quá trình di chuyển chúng va chạm với các thành phần khác trong tinh thể. Các va chạm này có thể bao gồm:
- Va chạm điện tử-phonon. - Va chạm điện tử-sai hỏng mạng tinh thể. - Va chạm điện tử-tạp chất trong mạng tinh thể.
31
Chương 2. Vật liệu dẫn điện 3. Vận tốc chuyển động có hướng của các điện tích
Gọi thời gian trung bình giữa hai lần va chạm τ Gọi quãng đường tự do trung bình mà điện tử chuyển động được trước khi chịu một va chạm kế tiếp là
Nếu gọi n0 là mật độ khối của hạt mang điện,
le l là độ lớn điện tích của mỗi hạt
Trong một đơn vị thời gian số hạt mang điện dn di qua diện tích dS chính là số hạt mang điện nằm trong đoạn ống có đáy là dS và chiều dài là
Như vậy cường độ dòng điện chạy qua diện tích dS trong một đơn vị thời gian
32
Như vậy biểu thức mật độ dòng điện có thể viết lại thành:
Chương 2. Vật liệu dẫn điện 3. Vận tốc chuyển động có hướng của các điện tích Mà vận tốc trung bình có hướng của hạt mang điện được tính:
Trong đó a là gia tốc của hạt mang điện và
mn là khối lượng của hạt mang điện.
Mặt khác, theo định luật Ohm ta có: Với σ là điện dẫn suất của vật liệu Từ các biểu thức trên ta rút ra:
Với
độ linh động của hạt mang điện, nó đặc trưng cho khả năng chuyển động của hạt mang điện khi đặt trong điện trường ngoài
33
Biểu thức điện dẫn suất có thể viết cho trường hợp tổng quát trong đó hạt mang điện có các bản chất khác nhau (điện tử, ion, lỗ trống…) như sau:
Chương 2. Vật liệu dẫn điện 4. Điện trở suất
Điện trở suất là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của mỗi chất. Chất có điện trở suất thấp sẽ dễ dàng cho dòng điện truyền qua (chất dẫn điện) và chất có điện trở suất lớn sẽ có tính cản trở dòng điện lớn (chất cách điện). Điện trở suất nói lên tính cản trở sự dịch chuyển có hướng của các hạt mang điện của mỗi chất. Đơn vị của điện trở suất trong hệ đơn vị chuẩn SI là (Ω.m).
Với R là điện trở, S là tiết diện ngang (m2), l là chiều dài của khối vật dẫn.
Định luật ôm vi phân còn cho định nghĩa điện trở suất theo công thức:
Với E là cường độ điện trường, J là mật độ dòng điện.
34
Người ta còn định nghĩa điện trở suất là nghịch đảo của điện dẫn suất:
Chương 2. Vật liệu dẫn điện Các xác định điện trở suất của vật liệu
35
Chương 2. Vật liệu dẫn điện Điện trở suất của một số vật liệu
36
Điện trở suất ở 20o C của một số chất
Chương 2. Vật liệu dẫn điện 5. Quan hệ của điện trở suất với nhiệt độ
R của một vật liệu là do sự rối loạn chuyển động của các điện tử khi các điện tử này chịu một trong ba va chạm. Thời gian trung bình giữa hai lần va chạm tỉ lệ nghịch với độ lớn của các xác suất mà điện tử chịu một va chạm trong một đơn vị thời gian giữa hai lần va chạm α: τ=1/α Thời gian trung bình giữa hai lần va chạm được viết bằng:
công thức tính điện trở suất theo thời gian:
Ở nhiệt độ từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ vài trăm độ C, người ta sử dụng xấp xỉ sau để tính điện trở suất của vật liệu:
Trong đó ρ0 là điện trở suất ở nhiệt độ T0
37
T0 là nhiệt độ môi trường và thường chọn ở 200C. α là hệ số nhiệt của điện trở suất
Chương 2. Vật liệu dẫn điện 4. Quan hệ của điện trở suất với nhiệt độ
Điện trở suất và hệ số nhiệt của một số kim loại ở 20oC
Ứng dụng
Đo điện trở của mạch ở điện áp một chiều và nhiệt độ môi trường, sau đó
38
Quy luật thay đổi của điện trở suất cho phép xác định một phương pháp thường được sử dụng để tính giá trị nhiệt độ có thể đạt trong các cuộn dây của các thiết bị điện (máy biến áp hoặc động cơ) khi vận hành như sau : • đo điện trở ở nhiệt độ làm việc bình thường; • Tính trị số nhiệt độ trung bình theo các giá trị đo được theo hệ số α đã biết.
Chương 2. Vật liệu dẫn điện 5. Tính chất vật lý của kim loại
39
a. NHIỆT ĐỘ VÀ NHIỆT LƯỢNG NÓNG CHẢY b. TÍNH DẪN NHIỆT c. GIÃN NỞ NHIỆT d. VẺ SÁNG CỦA KIM LOẠI
Chương 2. Vật liệu dẫn điện 6. Tính chất hóa học của kim loại
Tính chất hoá học biểu thị khả năng của các kim loại chống lại tác dụng của môi trường hoá học. a. Khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay oxy của không khí ở
nhiệt độ thường và nhiệt độ cao gọi là tính chống ăn mòn.
b. Khả năng chống lại sự tác dụng của môi trường axit gọi là tính chịu axit
40
Chương 2. Vật liệu dẫn điện Phóng điện vầng quang trên đường dây cao áp
41
Chương 2. Vật liệu dẫn điện Độ bền chịu kéo, nén, uốn (σK , σN , σU ) Phụ thuộc vào diện tích tiết diện của vật liệu. Các σ còn phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì các σ giảm.
σ = vd
[kg.cm/cm2]
A S
Tính giòn Biểu thị bằng độ dài va đập
Với: A - năng lượng để bẻ gãy mẫu vật có tiết diện S (kg.cm)
S - diện tích mẫu vật (cm2)
Độ cứng: Biểu thị khả năng của bề mặt vật liệu chống lại các biến dạng gây bởi lực nén truyền từ vật liệu có kích thước bé hơn
=
T c
π
P .D.h
Với: D - đường kính viên bi thép
P
D
h
42
h - độ lún P - lực nén
Chương 2. Vật liệu dẫn điện
43
Máy đo độ bền kéo, nén, uốn Model: Z0.5 – Đức
Chương 2. Vật liệu dẫn điện 7. Tính chất cơ học của kim loại
Độ bền: Là khả năng của kim loại chống lại tác dụng của lực bên ngoài mà không
bị phá hỏng.
Độ đàn hồi: Là khả năng của kim loại thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực
cơ khí rồi trở lại như cũ khi bỏ lực tác dụng.
Độ dẻo: Là khả năng của kim loại bị biến dạng dưới tác dụng của lực cơ khí mà không bị phá hỏng , đồng thời vẫn giữ được hình dạng khi bỏ lực tác dụng.
44
Vật liệu dẫn điện 8. Vật liệu điện trở suất cao
Các hợp kim điện trở suất cao được sử dụng để chế tạo các phần
dẫn điện của các dụng cụ đo lường và các điện trở mẫu.
Ngoài yêu cầu phải có điện trở suất cao để giảm kích thước, chúng
còn cần có hệ số nhiệt của điện trở suất bé, không biến tính, suất sức
nhiệt điện động phải bé và dễ gia công.
Các yêu cầu trên có thể thỏa mãn bằng hợp kim mangan với đồng
trong đó tỷ lệ Mn từ 11,5 ÷ 13,5% với 0,4 ÷ 0,9% các tạp chất khác như
Al, Fe, Zn, Ni...
Hợp kim này có điện trở suất từ 0,42 ÷ 0,53 µΩ.m
Hệ số nhiệt của điện trở suất thay đổi từ -2 ÷ 25.10-6 °C-1 trong dải
nhiệt độ 10÷40°C.
45
Vật liệu dẫn điện 9. Vật liệu làm tiếp điểm a. Khái niệm Tiếp xúc điện Tiếp xúc điện là nơi mà dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề mặt tiếp xúc của hai vật dẫn được gọi là tiếp xúc điện. Các yêu cầu cơ bản của tiếp xúc điện:
46
Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo. Mối nơi tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao. Mối nối không được phát nóng quá giá trị cho phép. Ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện cực đại đi qua. Chịu được tác động của môi trường (nhiệt độ, chất hoá học...)
Vật liệu dẫn điện 9. Vật liệu làm tiếp điểm a. Để đảm bảo các yêu cầu trên, vật liều dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu: Có độ dẫn điện cao(giảm Rtx và chính điện trở của tiếp điểm). Dẫn nhiệt tốt (giảm phát nóng cục bộ của những điểm tiếp xúc).
Không bị oxy hóa (giảm Rtx để tăng độ ổn định của tiếp điểm). Có độ kết tinh và nóng chảy cao (giảm độ mài mòn về điện và giảm sự nóng
chảy hàn dính tiếp điểm đồng thời tăng tuổi thọ tiếp điểm).
Có độ bền cơ cao (giảm độ mài mòn cơ khí giữ nguyên dạng bề mặt tiếp xúc
và tăng tuổi thọ của tiếp điểm).
Có đủ độ dẻo (đê giảm điện trở tiếp xúc).
Dễ gia công khi chế tạo và giá thành rẻ.
Một số vật liều dùng làm tiếp điểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram...
47
Vật liệu dẫn điện 9. Vật liệu làm tiếp điểm c. Phân loại tiếp xúc điện Tiếp xúc cố định Các tiếp điểm được nối cố định với các chi tiết dẫn dòng điện như là: thanh cái, cáp điện, chỗ nối khí cụ vào mạch. Trong quá trình sử dụng, cả hai tiếp điểm được gắn chặt vào nhau nhờ các bu - lông, hàn nóng hay nguội. Tiếp xúc đóng mở Là tiếp xúc để đóng ngắt mạch điện. Trong trườnghợp này phát sinh hồ quang điện, cần xác định khoảng cách giữa tiếp điểm tĩnh và động dựa vào dòng điện định mức, điện áp định mức và chế độ làm việc của khí cụ điện. Tiếp xúc trượt Là tiếp xúc ở cổ góp và vành trượt, tiếp xúc này cũng dễ sinh ra hồ quang điện.
Một số cấu hình tiếp xúc trượt phổ biến được sử dụng trong các thử nghiệm trắc nghiệm
48
Vật liệu dẫn điện 9. Vật liệu làm tiếp điểm d. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc Vật liệu làm tiếp điểm: vật liệu mềm tiếp xúc tốt.
Kim loại làm tiếp điểm không bị ôxy hóa.
Lực ép tiếp điểm càng lớn thì sẽ tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc.
Nhiệt độ tiếp điểm càng cao thì điện trở tiếp xúc càng lớn.
Diện tích tiếp xúc.
Thông thường dùng hợp kim để làm tiếp điểm.
49
Vật liệu dẫn điện 9. Vật liệu làm tiếp điểm e. Hồ quang điện
Hồ quan điện không chỉ có tác hại với các thiết bị điện mà nó còn gây ảnh hưởng
không tốt lên con người và động vật, đặc biệt những người thường xuyên tiếp xúc
trực tiếp với hồ quang điện.
50
Vật liệu dẫn điện và điều kiện xuất hiện hồ quang điện: dòng điện và điện áp cao hơn trị số trong bảng sẽ phát sinh hồ quang điện
Sbk= a . l
Vật liệu dẫn điện 9. Vật liệu làm tiếp điểm f. Diện tích tiếp xúc Xét khi đặt hai vật dẫn tiếp xúc nhau, ta sẽ có diện tích bề mặt tiếp xúc
51
Nhưng thực tế S >>a.l vì giữa hai bề mặt tiếp xúc dù gia công thế nào thì vẫn có độ nhấp nhô, khi cho tiếp xúc hai vật với nhau thì chỉ có một số điểm trên tiếp giáp tiếp xúc. Do đó diện tích tiếp xúc thực nhỏ hơn nhiều diện tích tiếp xúc biểu kiến Sbk= a.l. Diện tích tiếp xúc còn phụ thuộc vào lực ép lên trên tiếp điểm và vật liệu làm tiếp điểm, lực ép càng lớn thì diện tích tiếp xúc càng lớn.
Vật liệu dẫn điện 9. Vật liệu làm tiếp điểm g. Lực ép tiếp xúc
52
Vật liệu dẫn điện 9. Vật liệu làm tiếp điểm h. Điện trở tiếp xúc (Công thức kinh nghiệm)
Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm kiểu bất kì tính theo công thức
53
K: hệ số phụ thuộc vật liệu và tình trạng bề mặt tiếp điểm ( theo bảng tra). F: Lực ép vào tiếp điểm (N) m: hệ số phụ thuộc số điểm tiếp xúc và kiểu tiếp xúc với: +Tiếp xúc mặt m = 1 +Tiếp xúc đường m = 0,7 +Tiếp xúc điểm m = 0,5
Vật liệu dẫn điện 9. Vật liệu làm tiếp điểm i. Điện trở tiếp xúc (Công thức giải tích)
Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm kiểu bất kì tính theo công thức
Trong đó
54
ρ: điện trở suất của vật dẫn (Ωcm) n: số điểm tiếp xúc F: Lực nén δd: Hệ số chống dập nát (slide 52)
Vật liệu dẫn điện 9. Vật liệu làm tiếp điểm j. Nhiệt độ của tiếp điểm
Nhiệt độ của tiếp điểm thay đổi sẽ làm Rtx thay đổi theo kết quả thí nghiệm với nhiệt độ nhỏ hơn 2000oC có thể tính Rtx qua công thức:
Trong đó
55
Rtx(0): điện trở tiếp xúc ở 0oC (Ω) q: Nhiệt độ của tiếp điểm
Vật liệu dẫn điện 9. Vật liệu làm tiếp điểm k. Mật độ dòng điện
Diện tích tiếp xúc được xác định tùy theo mật độ dòng điện cho phép. Theo kinh
nghiệm đối với thanh dẫn bằng đồng cho tiếp xúc nhau khi nguồn ở tần số 50 Hz
thì mật độ dòng điện cho phép là:
Trong đó : I là giá trị dòng hiệu dụng ;
S=Sbk diện tích tiếp xúc biểu kiến.
Biểu thức trên chỉ đúng khi dòng điện biến thiên trong khoảng từ 200 đến 2000A. Nếu ngoài trị số đó thì có thể lấy:
56
I < 200 A lấy Jcp = 0,31 [A/ mm2] I > 2000 A lấy Jcp = 0,12 [A/ mm2]
Vật liệu dẫn điện 9. Vật liệu làm tiếp điểm k. Mật độ dòng điện cho phép theo thời gian ngắn mạch
57
Thời gian sự cố ngắn mạch tăng thì mật độ dòng điện cho phép càng giảm
