Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 1 - Phạm Thành Chung

VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN

Presented by PHAM THANH CHUNG

1

Introduction

★ Pham Thanh Chung ★ School of Electrical Engineering. ★ Hanoi University of Science and Technology. ★ Email: chung.phamthanh1@hust.edu.vn ★ Phone: 0912021209

2

Kiến thức cần thiết

★ Vật lý I, II, ★ Hóa học ★ Lý thuyết trường Tài liệu học tập

★ Giáo trình VLKTĐ- PGS.TS.Nguyễn Đình Thắng ★ Vật lý chất rắn- Nguyễn Thị Bảo Ngọc

3

Schedule

Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi Chương 7. Các đặc tính cơ-lý-hóa của điện môi Chương 8. Vật liệu điện môi Chương 9. Điện môi khí Chương 10. Điện môi lỏng Chương 11. Điện môi rắn Chương 12. Cách điện dùng trong các thiết bị điện

★ PHẦN 1 VẬT LIỆU ĐIỆN • Chương 1. Cấu tạo của vật chất. • Chương 2. Vật liệu dẫn điện • Chương 3. Vật liệu bán dẫn • Chương 4. Vật liệu từ • Chương 5. Vật liệu siêu dẫn ★ PHẦN 2 VẬT LIỆU ĐIỆN MÔI • • • • • • •

4

Giới thiệu chung Muc đích của môn học: Thông qua môn học này, hiểu được tính chất và đặc điểm của các vật liệu:  Vật liệu dẫn điện  Vật liệu bán dẫn điện  Vật liệu từ  Vật liệu siêu dẫn  Vật liệu cách điện

Học để trả lời

- Vì sao nó cách điện? - Vì sao nó dẫn điện? - Vì sao nó dẫn từ…?

5

Giới thiệu chung Tại sao phải sử dụng các loại vật liệu khác nhau?

Cấu tạo của MBA

Lõi thép (mạch từ)

6

Lõi thép: Fe, thép, tôn silic, titan… Dây quấn: Cu Vỏ: Nhựa, gỗ, thép, gang hoặc tôn mỏng Cách điện: Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp Ê may, phủ sơn cách điện, giấy dầu, tơ cách điện…. Dầu máy biến áp.. Dây quấn

Giới thiệu chung Cách chúng liên kết lại với nhau để tốt hơn?

VD: Sắt (Fe) bình thường dẫn điện tốt

Nếu trộn thêm Carbon (C) → thép cacbon (cacbua sắt Fe3C) Nếu trộn thêm Silic (Si) → thép silic (tôn silic) → dẫn điện tốt hơn Nếu trộn thêm Crôm (Cr)→ thép không gỉ

Fe

Tôn silic

7

Thép mạ Crôm

Cấu trúc tinh thể sắp xếp khác nhau? Một số dạng đặc thù của Cacbon (C)

8

Cấu trúc tinh thể sắp xếp khác nhau? Một số dạng đặc thù của Cacbon (C)

CaCO3 (hàng triệu n/tử →viên phấn)

9

Giới thiệu chung Lịch sử phát triển của khoa học vật liệu

★ Loài người thông minh ∼35 nghìn năm (thời kỳ đồ đá): sử dụng gỗ, đá, da để săn bắn, hái lượm và trồng trọt. ★ Chữ viết & số học:3000 năm TCN (nền văn minh Ai Cập

★ Thuyết đầu tiên về KHVL cửa Empedocles (Hy Lạp)

cổ đại – dọc dòng sông Nile)

∼450 TCN – Khởi nguồn lý thuyết vũ trụ của 4 nguyên tố (gốc rễ) nước, đất, kk và lửa →tạo ra tất cả cấu trúc TG.

★ ∼420 TCN, Leucippe- ptriển cấu tạo nguyên tử đầu tiên. Trong T/học: cho rằng cái tồn tại (ng tử) tồn tại, nhưng

cái không tồn tại (chân không) cũng tồn tại…

★ Trong T/học Trung Hoa, tất cả vạn vật đều phát sinh từ 5 ng tố cơ bản: Kim, Mộc, Thủy, Hỏa,Thổ (thời nhà Chu, T/kỷ 12 TCN ÷256 TCN)

10

Chương 1. Cấu tạo của vật chất

1. Cấu tạo của nguyên tử.

1.1. Mô hình nguyên tử BORH

Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất có thể

nhìn thấy được (tuy nhiên không phải nhỏ

nhất là không thể phân chia được)

Bất kỳ nguyên tử nào cũng được cấu tạo:

-Hạt nhân mang điện tích (+)

-Các điện tử (electron) mang điện tích (-) chuyển động xung quanh hạt nhân

theo 1 quĩ đạo nhất định.

Các nguyên tử khác nhau ở chỗ: Hạt nhận to hay bé Điện tử nhiều hay ít

(nhiều nguyên tử chỉ tồn tại trong t/g rất ngắn)

11

(Trong bẳng tuần hoàn có hơn 100 nguyên tử)

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 1.1. Mô hình nguyên tử BORH

Giữa hạt nhân và e có quan hệ ?

Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân thì điện tử sẽ chịu lực hút của hạt nhân f1:

Lực hút f1 sẽ được cân bằng với lực ly tâm trong quá trình chuyển động:

12

2q 2r .

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 1.1. Mô hình nguyên tử BORH

Giữa hạt nhân và e có quan hệ ?

Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r ra xa vô cùng cần phải cung cấp cho nó một năng lượng lớn hơn hoặc bằng

Năng lượng ion hóa (Wi)

Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do

13

Chương 1. Cấu tạo của vật chất

Yếu điểm của mô hình? Mô hình nguyên tử Borh không giải thích được:

-Vì sao các e cđ trong cùng 1 quỹ đạo xq hạt nhân? -Có nguyên tử sáng hơn nguyên tử khác?

Các mức năng lượng của e là gián đoạn: -Khi e còn nằm trong a/hg của hạt nhân, e chỉ được phép c/đ sang các quỹ đạo 1,2,3..(ko thể là 1.5, 2.5...ko liên tục) - Khi e di chuyển ra mức Wion hóa có thể nhận bất kỳ mức NL nào.

14

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 1.2. Thuyết cơ học lượng tử

Theo Borh: e có tính hạt (quan tâm đến bán kính & khoảng cách)

2 e đập vào nhau →không to hơn

Lượng tử: e có tính hạt + sóng (quan tâm đến không gian và thời gian)

Có 4 số lượng tử (n, l, m, ms) -Số lượng tử chính n với các giá trị 1, 2, 3 …xác định kích cỡ quỹ đạo (orbit) của điện tử và năng lượng của nó. - Số lượng tử orbital l (hay còn gọi là số lượng tử mômen góc quỹ đạo) mô tả mômen góc của chuyển động quỹ đạo. - Số lượng tử từ m mô tả thành phần của mômen góc quỹ đạo l theo một phương nhất định, còn gọi là phương lượng tử hóa. Đa số các trường hợp phương lượng tử hóa được chọn trùng với phương của trường ngoài. - Số lượng tử spin ms mô tả thành phần của spin điện tử theo một phương nhất định, thông thường là phương của trường đặt vào. 15

Chương 1. Cấu tạo của vật chất

2. Cấu tạo phân tử và các dạng liên kết Phân tử được cấu tạo bởi mối liên kết giữa các nguyên tử với nhau 2.1. Liên kết ion

Liên kết ion được xác lập bởi lực hút tĩnh điện giữa các ion (+) và các ion (-) trong phân tử. Lực liên kết này là rất lớn nên là liên kết khá bền vững, có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. (ví dụ: Na+Cl- …)

Nguyên tử Na (stt11):cấu trúc 2/8/1 Nguyên tử Cl (stt17): 2/8/7

Trong tự nhiên, các nguyên tử luôn có xu hướng (hoàn thiện) phải có đầy đủ số điện tử ở lớp ngoài cùng (hoàn hảo) → tồn tại lâu dài

16

Mô hình mạng tinh thể NaCl Cấu trúc liên kết ion clorua natri

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 2.2. Liên kết cộng hóa trị

Liên kết cộng hoá trị được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử của các

H

Cl

Cl

H

+

nguyên tử trong phân tử.

Tuỳ thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hoá

trị có thể là trung tính hay cực tính (lưỡng cực):

- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau là phân tử trung tính (không cực tính). Các chất tạo nên từ các phân tử trung tính được gọi là chất trung tính. (chẳng hạn như: Cl2, H2…)

17

- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng a nào đó là phân tử cực tính (lưỡng cực). Các chất tạo nên từ các phân tử cực tính được gọi là chất cực tính. (chẳng hạn như: HCl…)

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 2.2. Liên kết cộng hóa trị

Liên kết cộng hóa trị còn thấy ở cả chất rắn vô cơ có mạng tinh thể cấu tạo từ các nguyên tử, ví dụ như kim cương

18

Tinh thể nguyên tử cấu tạo từ những nguyên tử được sắp xếp một cách đều đặn, theo một trật tự nhất định trong không gian tạo thành một mạng tinh thể. Ở các điểm nút của mạng tinh thể là những nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị.

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 2.3. Liên kết kim loại

Đặc trưng cho các kim loại trong thực tế. Các nguyên tử kim loại lên kết với nhau qua liên kết kim loại.

Mô hình liên kết kim loại với các ion dương cố định ở nút mạng liên kết với “biển điện tử” xung quanh. Ví dụ: Fe có 26 e

19

• Dạng liên kết này tạo nên trong các tinh thể vật rắn (kim loại). • Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tự do tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Vì vậy đây là liên kết bền vững, có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. • Sự tồn tại của 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.

Chương 1. Cấu tạo của vật chất a. Cấu trúc tinh thể dạng ô lưới

Cubic

Cubic Dạng đơn giản

Cubic Đối xứng qua tâm

Triclinic

Rhombohedral

Đối xứng qua mặt

Hexagonal

Tetragonal Đối xứng qua tâm

Monoclinic Dạng đơn giản

Tetragonal Dạng đơn giản

Monoclinic Đối xứng qua 2 mặt

20

Chương 1. Cấu tạo của vật chất b. Sai hỏng trong mạng tinh thể

Trật khớp đường viền, trật khớp xoay và trật khớp hỗn hợp

21

Sai hỏng đường (line defect) hay sai hỏng 1,2,3 chiều

Sai hỏng điểm (point defect) hay sai hỏng không có chiều

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 2.4. Liên kết thứ cấp (liên kết yếu)

a. Liên kết Hydro

Liên kết hydro là được hình thành bởi lực hút giữa nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử mang điện tích âm của một nguyên tố và một nguyên tử mang điện tích âm của một nguyên tố khác.

Liên kết hydro trong phân tử nước và cấu trúc của nước trong tự nhiên

22

VD: 2 H + O-> 1 phân tử H2O. Vậy 2 phân tử nước lk với nhau bằng liên kết cộng hóa trị bất đối xứng. Do Oxi có 6e lớp ngoài cùng. Hydro có 1e -> cặp e dùng chung lệch về phía O.

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 2.4. Liên kết thứ cấp (liên kết yếu)

b. Liên kết Vanderwaals

23

• Liên kết Van der Waals có mặt trong tất cả các vật liệu nhưng nó rất yếu so với các liên kết sơ cấp. Năng lượng liên kết nhỏ hơn 40kJ/mol. Nó là nguyên nhân dẫn tới sự hoá lỏng hay sự hoá rắn của các khí như H2, N2, O2… • Trong liên kết sơ cấp, các nguyên tử đều có xu hướng tạo nên cấu hình điện tử của các nguyên tử khí hiếm bằng cách cho nhận hoặc chia sẻ điện tử. • Thực tế thì các nguyên tử vẫn có thể tạo thành liên kết với nhau mà không cần cho nhận hay chia sẻ điện tử. Liên kết đó được gọi là liên kết Van der Waals hay là một dạng của liên kết thứ cấp.

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 3. Lý thuyết phân vùng năng lượng.

3.1. Cơ chế hình thành các vùng năng lượng của vật liệu

o Theo Borh: Điện tử nhận NL ra quỹ đạo xa hơn ( Ví dụ: 1

eV, 2 eV…)

o Mỗi một điện tử trong nguyên tử đều có một mức năng

lượng nhất định.

o Nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi những vạch quang phổ hoàn toàn xác định-> C/tỏ các ngtử khác nhau có những trạng thái năng lượng hay mức NL khau.

o Trong vật chất các điện tử giống nhau tập hợp lại thành 1

dải (vùng) được gọi là vùng năng lượng.

o Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải

thích, phân loại vật liệu thành các nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn và điện môi (cách điện).

24

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 3. Lý thuyết phân vùng năng lượng.

3.1. Cơ chế hình thành các vùng năng lượng của vật liệu

W

Vùng tự do (điện dẫn)

Với vật chất được chia thành 3 vùng như sau:

- Vùng hoá trị (vùng đầy): Ở đây các điện tử hoá

Vùng cấm (vùng trống)

ΔW

trị có mức năng lượng thấp.

Vùng hoá trị (vùng đầy)

- Vùng tự do (vùng điện dẫn): các điện tử vùng

này có mức năng lượng cao hơn (tập hợp các mức NL từ ion hóa trở lên).

Nguyên tử

Vật thể

- Vùng cấm (vùng trống): nằm giữa vùng hoá trị

và vùng tự do

25

Căn cứ vào độ lớn 3 vùng-> chia VL ra làm 3 loại:

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 3. Lý thuyết phân vùng năng lượng.

3.2. Phân loại vật liệu

a. Theo cấu trúc phân vùng năng lượng

1. Cách điện: ∆W=5÷8 eV 2. Dẫn điện: ∆W=0.1÷0.2 eV 3. Bán dẫn: ∆W=1÷2 eV (cần

cung cấp 1 NL đủ lớn để e di chuyển lên vùng dẫn) VD: Diot với V ngưỡng 1 V V> 1 V diot dẫn điện V<1 V diot không dẫn điện

Độ rộng của vùng trống trong các vật liệu cách điện, bán dẫn và dẫn điện

26

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 3. Lý thuyết phân vùng năng lượng.

3.2. Phân loại vật liệu

b. Theo điện trở suất của vật liệu

1. Cách điện: ρ > 108 Ω.m 2. Dẫn điện: ρ < 10-5 Ω.m 3. Bán dẫn: Nằm giữa

27

Chương 1. Cấu tạo của vật chất 3. Lý thuyết phân vùng năng lượng.

3.2. Phân loại vật liệu

c. Theo độ thẩm từ của vật liệu

Dựa vào độ từ thẩm µ của vật liệu người ta chia:

- Vật liệu nghịch từ: µ < 1, không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài.

Bao gồm: hydrô, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, muối mỏ và kim loại như:

đồng, kẽm, vàng, bạc, thuỷ ngân, gali, antimoan.

- Vật liệu thuận từ: µ > 1, không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài.

Bao gồm: oxy, nitơ oxit, các muối côban và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim.

- Vật liệu dẫn từ: µ >> 1, phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Bao

gồm: sắt, niken, coban và các hợp kim của chúng, hợp kim crôm, mangan, gađolonít,

28

pherit.