Giáo trình Điện cơ bản - Nghề: Điện tử công nghiệp - Trình độ: Cao đẳng (Tổng cục Dạy nghề)

Chia sẻ: Lê Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:281

Thêm vào BST

Báo xấu

667
lượt xem 306
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mô đun cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về vật liệu điện, thiết bị điện trong dân dụng và các khí cụ điện trong công nghiệp. Mô đung gồm 5 bài học: Bài 1 Vật liệu điện, Bài 2 Khí cụ điện, Bài 3 Thiết bị điện gia dụng, Bài 4 Rơ le điện tử, Bài 5 Rơ le số.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện cơ bản - Nghề: Điện tử công nghiệp - Trình độ: Cao đẳng (Tổng cục Dạy nghề)

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠ NG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGH Ề GIÁO TRÌNH Mô đun : ĐIỆN CƠ BẢN NGHỀ : ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quy ết định số:120/QĐTCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của T ổng c ục tr ưởng T ổng c ục D ạy ngh ề
1 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể đượ c phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc ho ặc sử d ụng v ới m ục đích kinh doanh thi ếu lành mạnh sẽ b ị nghiêm cấm.
2 LỜI GIỚI THIỆU Điện cơ bản là một trong những mô đun cơ sở được biên soạn dựa trên chương trình khung, chương trình dạy nghề do Bộ Lao động Thương binh và Xã hội và Tổng cục dạy nghề ban hành dành cho hệ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề Điện tử công nghiệp. Giáo trình được biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã được xây dựng ở mức độ đơn giản và dễ hiểu nhất, trong mỗi bài đều có hướng dẫn thực hành để rèn luyện kỹ năng và sáng tỏ lý thuyết. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa trên kinh nghiệm giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp và tham khảo ở nhiều giáo trình hiện có để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế. Nội dung c ủa môn học gồm có 5 bài: Bài 1: Vật li ệu điện Bài 2: Khí cụ điện Bài 3: Thiết b ị điện gia dụng Bài 4: Rơ le điện tử Bài 5: Rơ le số Giáo trình cũng là tài liệu giảng dạy và tham khảo tốt cho các ngành thuộc lĩnh vực điện dân dụng, điện cộng nghiệp, điện tử, cơ điện tử, cơ khí. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng đượ c mục tiêu đào tạo nhưng không tránh đượ c những khiếm khuy ết. R ất mong nh ận đượ c đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu ch ỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiế n đóng góp xin gửi về Trườ ng Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2013 Tham gia biên soạn 1. Ch ủ bi ên: TS. Lê Văn Hiền 2. Ths. Nguy ễn Th ị Hi ên 3. KS.Bùi Thị Sươ ng Mai
3 MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG TÊN MÔ ĐUN: ĐIỆN CƠ BẢN Mã mô đun: MĐ 14 Vị trí, tính chất, ý nghĩa, vai trò của mô đun: * Vị trí của mô đun: Mô đun đượ c bố trí dạy ngay đầu chươ ng trình sau khi học xong các môn cơ bản: toán, lý, chính trị... * Tính chất: Là mô đun bắt buộc * Ý nghĩa: Mô đun chứa đựng các kiến thức cơ b ản, thông dụng về: khí cụ điện, máy biến áp, động cơ điện xoay chiều... là thiế t bị ngõ ra chủ yếu thườ ng gặp trong lĩnh vực điện tử công nghiệp. * Vai trò của mô đun: Cung cấp cho h ọc sinh nh ững ki ến th ức c ơ b ản về vật liệu điệ n, thiết bị điệ n trong dân dụng và các khí cụ điệ n trong công nghiệp. Mục tiêu của mô đun: Sau khi học xong mô đun này học viên có năng lực * Về kiến th ức: Nhận dạng, l ựa ch ọn và sử dụng đúng tiêu chuẩn kỹ thuật các nhóm vật liệu điện thông dụng theo Tiêu chuẩn Việt Nam. * Về kỹ năng: Tháo lắp và sửa chữa đượ c các khí cụ điện đúng theo thông số của nhà sản xuất. Phán đoán hư hỏng và sửa chữa đượ c các thiết bị điệ n gia dụng theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất. Lắp đặt đượ c hệ thống chiếu sáng cho hộ gia đình theo bản vẽ thiết kế. * Về thái độ: Rèn luyện tính tỷ mỉ, đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp Thời gian (gi ờ) Mã bài Tên các bài trong mô đun T.S LT TH KT ố MĐ 141 Vật liệu điện 10 8 1 1 1 Khái niệm về vật liệu điệ n 1 1 0
4 2 Vật liệu dẫn điện 5 4,5 0.5 3 Vật liệu cách điện 2 1,5 0,5 4 Vật liệu dẫn t ừ 1 1 0 MĐ 142 Khí cụ điện 70 28 40 1 1 Khái niệm 2 2 0 2 Phân loại 3 3 0 3 Yêu cầu chung đối với khí cụ điện 1 1 0 4 Khí cụ điện đóng cắt 18 7 11 5 Khí cụ điện bảo vệ 18 8 10 6 Khí cụ điện điều khiển 27 7 20 MĐ143 Thiết bị điện gia dụng 30 8 21 1 1 Thiết bị cấp nhi ệt 6 2 4 2 Máy biến áp một pha 8 3 5 3 Động cơ điện một pha 10 2 8 4 Thiết bị điện một chiều 5 1 4 MĐ 144 Rơ le điện tử 30 5 24 1 1 Cấu tạo 1 1 0 2 Phân loại 1 1 0 3 Các mạch điện ứng dụng 27 3 24 MĐ 145 Rơ le điện tử 40 8 31 1 1 Cấu tạo 1,25 1,25 0 2 Phân loại 0,25 0,25 0 3 Các mạch điện ứng dụng 37,5 6,5 31
5 BÀI 1 VẬT LIỆU ĐIỆN Mã bài: 1401 Giới thiệu Trong chươ ng trình đào tạo công nhân kỹ thuật thì vật liệu điện là môn học cơ sở không thể thiếu. Việc hi ểu đặ c điểm, tính chất để ứng dụng các vật liệu cơ bản theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật là việc rất quan trọng, c ần thi ết. Vì vậy, nội dung của bài này sẽ cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ b ản v ề v ật li ệu điện thông dụ ng để từ đó ứng dụng các vật liệu điện trongcác môn học chuyên ngành và trong thực tế. Mục tiêu: Phân biệt, nh ận d ạng đượ c các vật liệu điện thông dụng. Phân tích đượ c tính chất các vật liệu điện thông dụng. Sử dụng đúng các vật liệu này theo các tiêu chuẩn kỹ thu ật trong các điều kiện xác định. Rèn luyện tính cẩn thận, an toàn cho ngườ i và thiết bị Nội dung của bài: 1. Khái niệm về vật li ệu điệ n Mục tiêu: Hiểu đượ c cấu tạo chung và phân loại vật liệu. 1.1 Khái niệm về vật liệu điện 1.1.1 Khái niệm Vật liệu điện là tất cả những ch ất liệu dùng để sản xuất thiết bị sử dụng trong lĩnh vực ngành điện. Thườ ng ngườ i ta phân các loại vật liệu điện theo đặc điểm, tính chất và công dụng của nó.
6 1.1.2. Cấu t ạo nguyên tử Mọi vật liệu (v ật ch ất) đượ c 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 đượ c cấu tạo từ hạt nhân mang điệ n tích dươ ng và các điện tử (electron e) mang điện tích âm chuyển động xung quanh h ạt nhân theo qu ỹ đạo nhất định. Hạt nhân nguyên tử đượ c cấu tạo từ các hạt proton và nơtron. Nơtron là hạt không mang điện tích, còn proton có điệ n tích dươ ng với số lượ ng bằng Z.q Trong đó: Z – s ố l ượng điện tử của nguyên tử đồ ng thời cũng là số thứ tự của nguyên tố nguyên tử đó trong bảng tu ần hoàn Menđêlêep. q – điện tích của điện tử e (q = 1,6.10 19 culông). Proton có khối lượ ng bằng 1,6.10 27 kg, electron (e) có khối lượ ng bằng 9,1.10 31 kg. Ở trạng thái bình thườ ng nguyên tử trung hoà về điệ n, tức là trong nguyên tử có tổng các điện tích dươ ng của hạt nhân bằng tổng số điện tích âm của các điện tử. Nếu vì lý do nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tích thì sẽ trở thành điện tích dươ ng, ta gọi là ion dươ ng. Ngượ c lại nếu nguyên tử trung hoà nhận thêm điệ n tử thì trở thành ion âm. Để có khái niệm về năng lượ ng của điệ n tử ta xét nguyên tử của Hiđrô, nguyên tử này đượ c cấu tạo tử một proton và một điệ n tử. Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh h ạt nhân thì điện tử sẽ chịu l ực hút của hạt nhân f 1 và đượ c xác định bởi công thức sau: q2 f 1 = 2 ( 1.1 ) r Lực hút f1 sẽ đượ c cân bằng với l ực ly tâm của chuyển độ ng f2: mv 2 f 2 = ( 1.2 ) r Trong đó: m – khối l ượng c ủa điện tử v – tốc độ chuyển động của điện tử
7 q2 Từ (1.1) và (1.2) ta có: f1 = f2 hay mv2 = ( 1.3 ) r mv 2 Trong quá trình chuyển động điện tử có một động năng T = 2 q2 và một thế năng U = , nên năng lượ ng của điện tử bằng: r W e = T + U mv 2 q2 q2 q2 q2 Thay T = = . Vậy We = T + U = = ( 1.4 ) 2 2r 2r r 2r Biểu thức (1.4) ở trên chứng tỏ mỗi điệ n tử của nguyên tử có mộ t mức năng lượ ng nhất định, năng lượ ng này tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử. Để di chuyển điệ n tử từ quỹ đạ o chuyển động bán kính ra xa vô cùng cần phải cung c ấp cho nó một năng q2 lượ ng lớn hơn bằng 2 . r Năng lượ ng tối thi ểu cung c ấp cho điệ n tử để điện tử tách rời ra khỏi nguyên tử trở thành điệ n tử tự do ngườ i ta gọi là năng lượ ng ion hoá (Wi). Khi bị ion hoá (bị mất điệ n tử), nguyên tử trở thành ion dươ ng. Quá trình biến nguyên tử trung hoà thành ion dươ ng và điệ n tử tự do gọi là quá trình ion hoá. Trong một nguyên tử, năng lượ ng bị ion hoá của các lớp điệ n tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hoá trị ngoài cùng có mức năng lượ ng ion hoá thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân. Khi điện tử nhận đượ c năng lượ ng nhỏ hơn năng lượ ng ion hoá chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển t ừ m ức năng lượ ng này sang mức năng lượ ng khác, song chúng luôn có xu thế tr ở về vị trí ở trạng thái ban đầu. Phần năng lượ ng cung c ấp để kích thích nguyên tử sẽ đượ c trả lại dướ i d ạng năng lượ ng quang h ọc (quang năng). Trong thực tế, năng lượ ng ion hoá và năng lượ ng kích thích nguyên tử có thể nhận đượ c từ nhiều nguồn năng lượ ng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện năng; năng lượ ng của các tia sóng ngắn như tia , , hay tia R ơnghen… 1.1.3 Cấu t ạo phân tử 1.1.3.1. Liên kết đồng hoá trị
8 Liên kết đồng hoá trị đượ c đặc trưng bởi sự dùng chung các điệ n tử của các nguyên tử trong phân tử. khi có mật độ đám mây điệ n tử giữa các hạt nhân trở thành bão hoà, liên kết phân tử bền vững. Hình 1.1. C ấu t ạo phân tử Clo Lấy cấu trúc phân tử clo làm ví dụ. Phân tử clo (Cl 2) gồm 2 nguyên tử clo, mỗi nguyên tử clo có 17 điện tử, trong đó 7 điệ n tử ở lớp hoá trị ngoài cùng. Hai nguyên tử này đượ c liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử đượ c bổ sung thêm một điệ n tử của nguyên tử kia. Tùy 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 (lưỡ ng cực ). Phân tử có trọng tâm của các điệ n tích dươ ng và điệ n tích âm trùng nhau g ọi là phân tử trung tính. Các chất đượ c tạo nên bởi các phân tử trung tính gọi là chất trung tính. Phân tử có trọng tâm các điện tích dươ ng và điệ n tích âm không trùng nhau cách nhau m ột khoảng “a” nào đó đượ c gọi là phân tử cực tính hoặc phân tử lưỡ ng cực. Phân tử lưỡ ng cực đặc trưng bởi mômen lưỡ ng cực m = q.a . Dựa vào trị số mômen lưỡ ng cực của phân tử ngườ i ta chia ra thành chất cực tính yếu và cực tính mạnh. Những ch ất đượ c cấu tạo bằng các phân tử cực tính gọi là chất cực tính. 1.1.3.2. Liên kết ion Liên kết ion đượ c xác lập bởi lực hút giữa các ion dươ ng và các ion âm trong phân tử. Liên kết ion là liên kết 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 điển hình về tinh thể ion là các muối halogen của các kim loại kiềm. Cấu trúc tinh thể ion clorua natri và clorua xeri: ở ch ất th ứ nh ất các ion đượ c ràng buộc chặt ch ẽ, còn chất thứ hai không chặt chẽ. Khả năng tạo nên một chắt hoặc hợp ch ất m ạng không gian nào đó phụ thuộc chủ y ếu vào kích thướ c nguyên tử và hình dạng lớp điệ n tử hoá trị ngoài cùng. 1.1.3.3. Liên kết kim lo ại
9 Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật r ắn. Kim lo ại đượ c xem như là một hệ thống cấu t ạo t ừ các ion dươ ng nằm trong môi trườ ng các điện tử tự do. L ực hút giữa các ion dươ ng và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim lo ại. Chính vì vậy liên kết kim loại là loại liên kết bền vững, kim lo ại có độ bề n cơ học và nhiệ t độ nóng chảy cao. Lực hút giữa các ion dươ ng và các điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim lo ại. E Hinh 1.2 Liên kết kim lo ại + + + + + Sự tồn tại của các điệ n tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim U và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim lo ại đượ c giải thích + + + + + bởi sự dịch chuy ển và trượ t lên nhau giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng. + + + + + 1.1.3.4. Liên kết VandecVan Liên kết này là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử vững chắc. Do v ậy nh ững liên kết phân tử là liên kế t Vandec – Vanx có nhiệt độ nóng chảy và độ bền cơ thấp như parafin. 1.1.4. Khuy ết t ật trong c ấu t ạo v ật r ắn Các tinh thể vật r ắn có thể có kết cấu đồ ng nhất. Sự phá huỷ các kết cấu đồng nhất và tạo nên các khuyết tật trong v ật r ắn th ường g ặp nhiều trong th ực tế. Nh ững khuy ết t ật có thể đượ c tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình công nghệ chế t ạo v ật li ệu. Khuyết tật của v ật r ắn là bất kỳ hiện tượ ng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của tr ườ ng tĩnh điệ n mạng tinh thể như: phá vỡ thành phần hợp thức; sự có mặt của các tạp chất lạ; áp lực cơ học; các lượ ng tử của dao động đàn hồi – phônôn; mặt tinh th ể ph ụ – đoạn tầng; khe rãnh, lỗ xốp… Khuyết tật sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ – lý – hoá và các tính chất về điện của vật liệu. Khuyết t ật có thể tạo nên các tính năng đặ c
10 biệt tốt (ví dụ: vi mạch IC…) và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi (ví dụ: vật liệu cách điện có lẫn kim loại) 1.1.5. Lý thuyết về vùng năng lượ ng Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượ ng để giải thích, phân loại vật li ệu thành các nhóm vật liệu dẫn điệ n, bán dẫn và điệ n môi (cách điện) Việc nghiên cứu quang ph ổ phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí khi các nguyên tử cách xa nhau m ột kho ảng cách lớn chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất đượ c đặc trưng bởi những vạch quang phổ hoàn toàn xác định. Điều đó chứng tỏ rằng các nguyên tử khác nhau có những tr ạng thái năng lượ ng hay m ức năng lượ ng khác nhau. Khi nguyên tử ở trạng thái bình thườ ng không bị kích thích, một số trong các mức năng lượ ng bị nguyên tử lấp đầy, còn các mức năng lượ ng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi các nguyên tử nhận đượ c năng lượ ng từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích). Nguyên tử luôn có xu hướ ng quay v ề tr ạng thái ổn định. Khi điệ n tử chuyển từ mức năng lượ ng kích thích sang m ức năng lượ ng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lượ ng dư thừa. Những điều nói trên đượ c đặc trưng bởi biểu đồ năng lượ ng. Khi chất khí hoá lỏng và sau đó tạo nên mạng tinh thể của v ật rắn, các nguyên tử nằm sát nhau, t ất c ả các mức năng lượ ng của nguyên tử bị dịch chuyển nh ẹ do tác động của các nguyên tử bên cạnh tạo nên một dải năng lượ ng hay còn gọi là vùng các mức năng lượ ng . ng löôïng eV ng löôïng eV ng löôïng eV w w Naê Naê Naê Vaä t daã n Baù n daã n Ñieä n moâ i Vuø ng ñaà y ñieä n töû Vuø ng caù c möù c naê ng löôïng töï do Vuø ng caá m Hình 1.3 Vùng năng lượ ng của v ật liệu
11 Do không có năng lượ ng chuy ển động nhiệt nên vùng năng lượ ng bình thườ ng của các nguyên tử ở vị trí thấp nhất và đượ c gọi là vùng hoá trị hay còn gọi là vùng đầy (ở 00K các điện tử hoá trị của nguyên tử lấp đầy vùng này). Những điện tử tự do có mức năng lượ ng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượ ng của chúng tập hợp thành vùng tự do hay vùng điệ n dẫn. 1.2. Phân loại vật li ệu 1.2.1. Phân loại theo kh ả năng dẫn điện Trên cơ sở giản đồ năng lượ ng ngườ i ta phân loại theo vật liệu cách điện (điện môi), bán dẫn và dẫn điệ n. 1.2.1.1. Điện môi: là chất có vùng cấm lớn đế n mức ở điề u kiện thườ ng sự dãn điện bằng điệ n tử không xảy ra. Các điệ n tử hoá trị tuy đượ c cung cấp thêm năng lượ ng của sự chuy ển độ ng nhiệt vẫn không thể di chuy ển t ới vùng tự do để tham gia vào dòng điệ n dẫn. Chiều rộng vùng cấm của điệ n môi W nằm trong kho ảng t ừ 1,5 đến vài điệ n tử vôn (eV). 1.2.1.2. Bán dẫn: là chất có vùng cấm hẹp hơn nhi ều so v ới điện môi, vùng này có thể thay đổi nhờ tác động năng lượ ng bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé ( W = 0,2 – 1,5eV), do đó ở nhiệt độ bình thườ ng một số điện tử hoá trị ở trong vùng đầ y đượ c tiế p sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển t ới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn. 1.2.1.3. Vật dẫn: là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy thậm chí có thể nằm chồng lên vùng đầy ( W
12 1.2.2.2. Thuận t ừ: là những ch ất có độ từ thẩm > 1 và cũng không phụ thuộc vào từ trườ ng bên ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ oxit, muối đất hiếm, muối sắt, các muối coban và niken, kim lo ại kiềm, nhôm, bạch kim. 1.2.2.3. Ch ất d ẫn t ừ: là các chất có > 1 và phụ thuộc vào cườ ng độ từ trườ ng bên ngoài. Loại này gồm có: sắt, niken, coban, và các hợp kim của chúng; hợp kim crom và mangan, gađolonit, pherit có các thành phần khác nhau. 2. Vật liệu dẫn điện Mục tiêu: Hiểu đượ c khái niệm, tính chất, cách chọn lựa vật liệu d ẫn điện Nhận biết và ứng dụng các vật liệu dẫn điện trong thực tế. 2.1. Khái niệm về vật liệu d ẫn điện Vật liệu dẫn điện là vật chất khi ở tr ạng thái bình thườ ng có các điện tích tự do, nếu đặt chúng vào trong điệ n trườ ng các điệ n tích sẽ chuyển động theo một hướng nh ất định và tạo thành dòng điệ n. Ngườ i ta gọi chúng là vật liệu có tính dẫn điện. 2.2. Tính chất của vật li ệu d ẫn điện 2.2.1. Điện dẫn suất và điệ n trớ suất Khi đặt vật dẫn một từ tru ờng E thì có dòng điệ n chạy trong vật dẫn và đượ c tính theo công thức: I = n 0qeSvtb (1.5) Trong đó: n0 – là mật độ điện tử tự do của v ật d ẫn q e – điện tích của điện tử S – ti ết di ện c ủa dây dẫn v tb – tốc độ chuyển động trung bình của điện tử dướ i tác dụng của điện trườ ng E
13 v Nếu gọi K là độ linh hoạt của điện tử K = thì có biểu thức E của định luật Ôm như sau: I = n 0qeSKE (1.6) I Điện dẫn suất = (1.7) S Trị số nghịch đảo của điện dẫn suất gọi là điện trở suất , nếu vật dẫn có tiết diện không đổi là S và độ dài l thì: S = R (1.8) l Đơn vị của điện trở suất là: .mm2/m. Trong h ệ SI điện trở suất có thứ nguyên là .m 2.2.2. Hệ số nhiệt c ủa điện trở suất Điện trở suất của kim lo ại ph ụ thu ộc vào nhiệt độ . Giá trị của điện trở suất có thể tính theo công thức: t = 0 ( 1 + p . t) (1.9) Trong đó: t – điện trở suất của v ật li ệu đo ở nhiệt độ t0 0 điện trở suất của nhi ệt độ ban đầu t0 p – hệ số nhi ệt c ủa điện trở suất Hệ số nhiệt của điệ n trở suất nói lên sự thay đổ i điện trở suất của vật liệu khi nhi ệt độ thay đổi. 2.2.3. Sức nhi ệt động Khi cho hai kim lo ại khác nhau tiếp xúc với nhau thì giữa chúng phát sinh hi ệu điện thế gọi là hiệu điện thế tiếp xúc. Nguyên nhân sinh ra hiệu điện thế tiếp xúc là do công thoát của điệ n tử của mỗi kim loại khác nhau, do đó số điện tử tự do trong các kim loại hoặc hợp kim không bằng nhau. Theo thuy ết điện tử, hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại A và B bằng: n0 A KT u AB= uB uA + e ln n0 B (1.10 ) Ở đây: uA và uB là điện thế tiếp xúc của hai kim lo ại A và B, n0A và n0B là mật độ điện tử trong kim lo ại A và B
14 Hiệu điện thế tiếp xúc giữa các cặp kim loại dao động trong phạm vi từ vài phần mườ i vôn đến vài vôn, nếu nhiệt độ của cặp bằng nhau, tổng hiệu điện thế trong mạch kín bằng không. Nhưng khi một phần tử của cặp có nhiệt độ T1 còn phần kia là T2 thì trong tr ường h ợp này sẽ phát sinh sức nhi ệt điện động: u = u AB + u AB KT1 n KT n = u B – uA + ln 0 A +uA – uB + 2 ln 0 B (1.11) e noB e noA Từ đó ta có: K n u= (T1 – T2)ln 0 A =A(T1 – T2) (1.12) e noB Biểu thức nhận đượ c (1.11 ) ch ứng tỏ s.n.đ.đ là hàm số của hiệu nhiệt độ. Ngườ i ta dùng hai dây dẫn có s.n.đ.đ lớn và có quan hệ tuyến tính với nhiệt độ, để đo nhiệt độ (cặp nhiệt ngẫu). Trong các dụng cụ đo và điện trở mẫu nên sử dụng những kim lo ại và hợp kim có s.n.đ.đ nhỏ đố i với đồng để không gây ra sai số khi đo. Có những cặp nhiệt ng ẫu đổi dấu sđđ trong quá trình đốt. 2.2.4. Hệ s ố nhi ệt độ dãn nở dài của vật dẫn kim lo ại Hệ số dãn nở nhiệt theo chi ều dài của vật dẫn kim lo ại: 1 dl l =TKl = l l (độ 1) (1.13) t t Trong kỹ thu ật c ần ph ải chú ý đế n hệ số l để tính toán hệ số nhiệt độ của vật dẫn: R = l (1.14) Giữa các trị số của hệ số dãn nở dài theo nhiệt độ và nhiệ t độ nóng chảy của kim loại có quan hệ với nhau theo quy lu ật nh ất đị nh. Kim loại có giá trị l cao nóng chảy ở nhiệt độ thấp, còn kim loại có hệ số l nhỏ sẽ khó nóng chảy. 2.2.5. Tính chất cơ học c ủa v ật dẫn: Thông thườ ng đặc tính cơ đượ c đặc trưng bằng gi ới h ạn b ền kéo và độ dãn dài tươ ng đố i khi đứt l/l. 2.3. Đặc điểm và tính chất chọn lựa Vật liệu dẫn điệ n trong quá trình sử dụng có những đặ c điểm sau:
15 Tính dẫn điện giảm đi đáng kể sau th ời gian làm việc lâu dài. Hay bị gãy hoặc biến dạng do ch ịu tác dụng của lực cơ học, lực điện động và nhiệt độ cao. Bị ăn mòn hóa học do tác dụng của môi trườ ng hoặc của các dung môi. Vì vậy, khi ch ọn v ật li ệu d ẫn điệ n phải đảm bảo đượ c các yêu cầu về tính chất lý hóa, để phù hợp với mục đích sử dụng vật liệu. Thông thườ ng phải đảm bảo các yêu cầu sau: Độ dẫn điện tốt. Có sức bền cơ học, đảm bảo đượ c điều kiện ổn đị nh độ ng và ổn định nhiệt. Có khả năng kết hợp với các kim loại khác thành hợp kim. Đảm bảo đượ c tính chất lý học như: tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở vì nhiệt. Đảm bảo đượ c tính chất hóa học: tính chống ăn mòn do tác dụng của môi trườ ng và các dung môi gây ra. Đảm bảo đượ c tính chất cơ học. 2.4. Phân loại và phạm vi ứng d ụng Vật liệu dẫn điệ n có thể ở thể rắn, lỏng và trong một số điề u kiện phù hợp có thể là thể khí hoặc hơi. Vật liệu dẫn điệ n ở thể rắn gồm các kim loại và hợp kim của chúng. Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng bao g ồm các kim loại lỏng và các dung dịch điện phân. Vì kim loại thườ ng nóng chảy ở nhiệt độ rất cao (trừ thủy ngân có nhiệt độ nóng chảy ở 39 0C) do đó trong điều kiện nhiệt độ bình thườ ng chỉ có thể dùng vật liệu dẫn điệ n kim loại lỏng là thủy ngân. Các chất ở thể khí hoặc hơi có thể trở nên dẫn điệ n nếu chịu tác động của điện trườ ng lớn. Vật liệu dẫn điệ n đượ c phân thành hai loại: vật liệu có tính dẫn điện tử và vật liệu có tính dẫn ion. Vật liệu có tính dẫn điệ n tử: là vật chất mà sự hoạt độ ng của các điện tử không làm biến đổi thực thể đã tạo thành vật liệu đó. Vậ t
16 dẫn có tính dẫn điện tử bao gồm nh ững kim lo ại ở tr ạng thái rắn hoặc lỏng, hợp kim c ủa chúng và một số chất không phải kim loại nh ư than đá. Kim loại và hợp kim có tính dẫn điện tốt đượ c chế tạo thành dây dẫn điện, cáp điện, dây quấn máy biến áp, máy điệ n... Các kim loại và hợp kim có điện trở cao dùng trong các dụng cụ đố t nóng bằng điện, đèn thắp sáng, biến tr ở và điện trở mẫu... Vật liệu có tính dẫn ion: là những vật chất mà dòng điệ n đi qua sẽ tạo nên sự biến đổi hóa học. Vật dẫn có tính ion thông thườ ng là các dung dịch: dung d ịch axit, dung d ịch ki ềm và các dung dịch mu ối. Tất cả các chất khí và hơi, kể cả hơi kim loại, n ếu c ường độ điện trườ ng ngoài thấp sẽ không phải là vật dẫn (cách điện). Nhưng nếu cườ ng độ điện trườ ng ngoài vượ t quá một giá trị giới hạn nào đó đủ gây ion hóa quang và ion hóa va chạm thì chất khí đó trở thành vật dẫn có điện dẫn ion và điện tử. Khi bị ion hóa mạnh sẽ có số điện tử và ion dươ ng b ằng nhau sinh ra trong m ột đơn vị thể tích là môi trườ ng dẫn điện đặc biệt gọi là plazma. 2.5. Một số v ật li ệu thông dụng 2.5.1. Đồng và hợp kim của đồng 2.5.1.1. Đồng Đồng là vật liệu dẫn điện quan tr ọng nhất trong t ất c ả các loại vật liệu dẫn điện dùng trong kỹ thu ật điệ n, vì nó có các ưu điểm nổ i trội so với các vật liệu dẫn điệ n khác. Đặc tính của đồng: + Điện trở suất nh ỏ (ch ỉ l ớn h ơn so v ới b ạc Ag) + Độ bền cơ học tươ ng đố i cao + Trong nhiều tr ường h ợp đồng có tính chất chống ăn mòn tốt (đồng bị oxy hóa tươ ng đối chậm so với sắt ngay khi có độ ẩ m cao; đồng chỉ bị oxy hóa mạnh ở nhiệt độ cao). + Khả năng gia công tốt, đồng cán đượ c thành tấm, thanh, kéo thành sợi; độ nhỏ của dây có thể đạt tới phần nghìn milimet. + Hàn và gắn tươ ng đối dễ dàng. + Có khả năng tạo thành hợp kim tốt
17 Đồng tiêu chuẩn là đồng ở trạng thái ủ, ở 20 0C có điện dẫn suất 58m/ .mm2, nghĩa là = 0,017241 .mm2/ m. Ngườ i ta th ường ch ọn số liệu này làm gốc để đánh giá điện dẫn suất của các kim loại và hợp kim khác. Phân loại + Đồng đượ c kéo nguội gọi là đồng cứng: có sức bền cao, độ dãn dài nhỏ, rắn và đàn hồi (khi u ốn). + Đồng đượ c nung nóng rồi để nguội gọi là đồ ng mềm: nó ít rắn hơn đồng cứng, sức b ền c ơ h ọc kém, độ dãn khi đứt lớn và điệ n dẫ n suất cao. + Đồng đượ c sử dụng trong công nghiệp là loại đồ ng tinh chế, nó đượ c phân loại trên cơ sở các tạp chất có trong đồ ng (mức độ tinh khiết của đồng) Bảng 1.1: Phân loại đồng theo t ỷ lệ tạp ch ất Ký hiệu CuE Cu9 Cu5 Cu0 Cu% 99,95 99,90 99,50 99,00 Trong kỹ thu ật ng ười ta s ử d ụng đồng có tỷ lệ đồng 99,95% và 99,90% để làm dây dẫn điện. Ứng dụng + Đồng cứng đượ c dùng ở những nơi cần sức b ền c ơ gi ới cao, chịu mài mòn như làm cổ góp điện, thanh dẫn ở tủ phân phối, thanh cái trạm biến áp, lưỡ i dao chính của cầu dao cách ly, các tiế p điểm của thiết bị bảo v ệ... + Đồng mềm dùng ở những nơi có độ uố n lớn và sức bề n cơ học cao như: ru ột cáp dẫn điện, thanh góp điện áp cao, dây dẫn điệ n, dây quấn máy điện. 2.5.1.2. H ợp kim c ủa đồng Ngoài việc dùng đồng tinh khiết làm vật dẫn, ngườ i ta còn dùng các hợp kim c ủa đồng với các chất khác như: thiếc, silic, photpho, crom, mangan, cadimi... trong đó đồng chiếm tỷ lệ cao còn các chất khác có hàm lượ ng thấp. Căn cứ vào lượ ng và thành phần các chất ta có 2 loại hợp kim đồng: đồng thanh và đồng thau. Bảng 1.2. Tính chất của h ợp kim đồng kỹ thuật
18 Điện dẫn Giới hạn Độ giãn dài Trạng Hợp kim %, so với bền kéo, tươ ng đối khi thái đồng kG/mm2 đứt % Đồng thanh ủ 95 Đến 31 50 Camidi (0,9% Cd) kéo nguội 83 ÷ 90 Đến 73 4 Đồng thanh ủ 55 ÷ 60 29 55 (0,8%Cd, 0,6% kéo nguội 50 ÷ 55 đến 73 4 Sn) Đồng thanh ủ 15 ÷ 18 37 45 (2,5% Al, 2% Sn) kéo nguội 15 ÷ 18 đến 97 4 Đồng thanh ủ 10 ÷ 15 40 60 photpho (7%Sn, kéo nguội 10 ÷ 15 105 3 0,1%P) Đồng thau ủ 25 32 ÷ 35 60 ÷ 70 (70%Cu, 30%Zn) kéo nguội 25 đến 88 5 Ứng dụng của h ợp kim đồng: Đồng thanh đượ c 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 th ống nối đất, cỏ góp điệ n, các gia đỡ ... Đồng thau đượ c dùng trong kỹ thu ật điện để gia cong các chi tiết dẫn dòng như ổ cắm điệ n, phích cắm, đui đèn, đầ u nố i hệ thống tiếp đất, các ốc, vít... 2.5.2. Nhôm Sau đồng, nhôm là vật liệu quan tr ọng th ứ hai đượ c sử dụng trong kỹ thuật điện, nhôm có điệ n dẫn suất cao (nó chỉ thua bạc và đồ ng), trọng lượ ng riêng giảm, tính chất vật li ệu và hoá học cho ta khả năng dùng nó làm dây dẫn điện. Nhôm có màu trắng bạc là kim loại tiêu biểu cho các kim loại nhẹ (nghĩa là kim loại có khối lượ ng nhỏ hơn 5 G/cm 3). Khối lượ ng riêng của nhôm đúc gần bằng 2,6G/cm 3), nhôm cán là 2,7G/cm 3, nhẹ
19 hơn đồng 3.5 lần. Hệ số nhi ệt độ dãn nở dài, nhiệt dung và nhiệ t độ nóng chảy của nhôm đều lớn hơn đồng. Điện dẫn suất của nhôm = 0,028 .mm2/ m. Ngoài ra nhôm còn có một số ưu, nh ược điểm sau: Nhượ c điểm: - Cùng một tiết diện và độ dài, nhôm có điệ n trở cao hơn đồ ng 1,63 lần - Khó hàn nối hơn đồng, chỗ tiếp xúc không hàn dễ hình thành lớp ôxít có điện trở cao, phá huỷ chỗ tiếp xúc. Khi nhôm và đồng tiếp xúc nhau, nếu bị ẩm s ẽ hình thành pin cục bộ có trị số suất điệ n độ ng khá cao, dòng điện đi từ nhôm sang đồng phá huỷ mối tiếp xúc rất nhanh. Ưu điểm Giá thành hạ. Trọng lượ ng nh ẹ nên đượ c dùng để chế tạo các đườ ng dây tải điện trên không; những đườ ng cáp này để có điệ n trở nhỏ, đườ ng kính dây càng phải l ớn nên giảm đượ c hiện tượ ng phóng điệ n vầng quang. Nhôm tinh khi ết có thể thay th ế chì để làm vỏ cáp. Nhôm dùng trong công nghiệp đượ c phân loại trên cơ sở tỷ lệ phần trăm của kim lo ại tinh khi ết và tạp chất. Nhôm sử dụng trong kỹ thuật điện phải bảo đảm tinh khiết tối thi ểu 99,5% Al, các tạp chất khác như sắt, silic t ối đa là 0,45%, đồng và kẽ m là 0,05%. Bảng 1.3: Phân loại nhôm theo t ỷ lệ tạp ch ất Ký hiệu AB1 AB2 A00 A0 A1 A2 A3 Nhôm % 99,90 99,85 99,70 99,60 99,50 99,00 98,00 Theo tiêu chuẩn qu ốc t ế, nhôm dùng trong k ỹ thuật điện để làm dây dẫn có độ tinh khi ết l ớn h ơn 99,5%. Ứng dụng của nhôm: trong kỹ thu ật điệ n, nhôm được sử dụng phổ biến để chế tạo: Dây dẫn điện trên không để truyền tải điệ n năng.