intTypePromotion=3

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

0
512
lượt xem
284
download

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

Mô tả tài liệu
  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:
Lưu

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

  1. BỘ LAO ĐỘNG THƯƠ NG BINH VÀ XàHỘI 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                
  2. 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.
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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.
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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  
  11. 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
  12. 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 
  13. 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
  14. 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
  15. 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:
  16. 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 
  17. 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
  18. 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
  19. 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 
  20. 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.

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản