zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Giáo trình Vật liệu điện - điện tử: Phần 1 - CĐ Giao thông Vận tải

Chia sẻ: Bautroimaudo Bautroimaudo | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Báo xấu

45
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Vật liệu điện - điện tử: Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: Tổng quan về vật liệu điện; vật liệu dẫn điện; vật liệu bán dẫn. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung giáo trình!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật liệu điện - điện tử: Phần 1 - CĐ Giao thông Vận tải

UÛY BAN NHAÂN DAÂN TP. HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG GIAO THOÂNG VAÄN TAÛI KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Biên soạn : ThS. PHẠM HỮU TẤN KS. PHẠM VĂN QUANG TP.HCM, NĂM 2014
LÔØI NOÙI ÑAÀU Nhaèm muïc ñích phuïc vuï cho vieäc giaûng daïy vaø laøm taøi lieäu tham khaûo cho caùc moân chuyeân ngaønh Điện – Điện tử trong Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TP.HCM. Cuoán saùch Thöïc taäp maùy ñieän ra ñôøi laøm giaùo trình ñeå giaûng daïy cho hoïc sinh ñang hoïc heä Cao ñaúng chuyeân ngaønh ñieän vaø caùc ngaønh lieân quan. Noäi dung cuoán saùch trình “ Thöïc taäp maùy ñieän” trình baøy chi tieát caùc vaán ñeà döïa theo chöông trình khung cuûa Boä Giáo Dục và Đào Tạo vaø keát hôïp vôùi kieán thöùc nhaèm naâng cao chaát löôïng ñaøo taïo, ñaùp öùng vôùi söï phaùt trieån coâng ngheä hieän ñaïi. Trong quaù trình bieân soaïn, giaùo trình seõ coøn moät soá haïn cheá vaø sai soùt. Mong nhaän ñöôïc söï ñoùng goùp yù kieán ñeå hoaøn thieän hôn. Moïi söï ñoùng goùp xin göûi veà: Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử ,Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải Taùc giaû
MỤC LỤC Trang Chöông 1 : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN (3 TIẾT). 1.1. Khái niệm về vật liệu học. 1 1.2. Cấu tạo vật liệu. 1 1.3. Một số khái niệm, định nghĩa về vật liệu kỹ thuật điện. 5 1.4. Phân loại vật liệu điện-điện tử . 5 Chöông 2 : VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN (15 TIẾT). 2.1. Quá trình vật lý của vật liệu dẫn điện. 11 2.2. Tính chất chung của vật liệu dẫn điện. 17 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu dẫn điện. 27 2.4. Phân loại vật liệu dẫn điện. 28 2.5. Kim loại dẫn điện. 29 2.6. Hợp kim dẫn điện. 35 2.7. Vật liệu có tính dẫn điện cao. 43 2.8. Kim loại và hợp kim siêu dẫn. 48 Chöông 3 : VẬT LIỆU BÁN DẪN (9 TIẾT). 3.1. Quá trình vật lý của chất bán dẫn. 59 3.2. Các tính chất của chất bán dẫn. 65 3.3. Tính dẫn điện của chất bán dẫn. 67 3.4. Phân loại vật liệu bán dẫn. 72 3.5. Ứng dụng vật liệu bán dẫn trong ngành điện. Chöông 4 : VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN (24 TIẾT). 4.1. Quá trình vật lý của chất cách điện. 84 4.2. Tính chất của chất cách điện. 100 4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cách điện. 107 4.4. Phân loại vật liệu cách điện 110 4.5. Vật liệu cách điện ở thể rắn. 111 4.6. Vật liệu cách điện ở thể lỏng. 119 4.7. Vật liệu cách điện ở thể khí. 122 4.8. Ứng dụng cách điện cho đường dây tải điện trên không. 124 Chöông 5 : VẬT LIỆU TỪ (9 TIẾT). 5.1. Các khái niệm cơ bản về vật liệu từ. 139 5.2. Các tính chất của vật liệu từ. 141 5.3. Phân loại vật liệu từ. 146 5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến từ tính của sắt từ 146 5.5. Vật liệu từ cứng. 147 5.6. Vật liệu từ mềm. 149
Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN 1.1. Khái niệm về vật liệu học 1.1.1. Nguyên liệu Nguyên liệu là những sản phẩm được lấy từ nông nghiệp hoặc từ công nghiệp khai thác từ trong thiên nhiên mà chưa qua chế biến 1.1.2. Vật liệu Vật liệu (tiếng Anh: Materials) là chất hoặc hợp chất được được con người dùng để làm ra những sản phẩm khác. Vật liệu là đầu vào trong một quá trình sản xuất hoặc chế tạo. Trong công nghiệp, vật liệu là những sản phẩm chưa hoàn thiện và thường được dùng để làm ra các sản phẩm cao cấp hơn. Hay nói cách khác, vật liệu là nguyên liệu đã qua chế biến để trở thành vật tư cho từng ngành được chế biến thành phẩm Ví dụ: Lõi thép máy biến áp. Dây dẫn điện. Gạch đá… 1.1.3. Nhiên liệu Nhiên liệu là vật liệu được lọc từ nguyên liệu dầu mỏ. 1.1.4. Vật liệu kĩ thuật điện Vật liệu kĩ thuật điện hay còn gọi đơn giản là vật liệu điện: được dùng để chế tạo và sửa chữa thiết bị điện từ những sản phẩm đã qua chế biến từ nguyên liệu. Ví dụ: Lá thép kĩ thuật điện. Dây quấn động cơ. Giấy cách điện… Trong ngành điện người ta sử dụng nhiều loại vật liệu điện như: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ… Mỗi loại vật liệu có tính chất và đặc tính khác nhau cũng như có các yếu tố ảnh hưởng khác nhau nên được ứng dụng trong những trường hợp khác nhau trong ngành điện. 1.2. Cấu tạo vật liệu Để thấy được bản chất dẫn điện và cách điện của vật liệu, chúng ta cần có khái niệm về cấu tạo vật liệu cũng như sự hình thành các phần tử mang điện trong vật liệu. Khoa KT Điện- Điện tử Trang 1
Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử 1.2.1. Cấu tạo nguyên tử Mọi vật liệu (vật chất) được 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 được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỷ đạo nhất định. Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ các hạt prôton và nơtron: nơtron là các hạt không mang điện tích, còn prôton có điện tích dương với số lượng bằng Z.q. Z: số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự của nguyên tố nguyên tử đó trong bảng tuần hoàn của Menđêlêép. q: điện tích của điện tử e (qe=1,601.10-19 culông) Prôton (p) có khối lượng bằng 1,67.10-27kg Electron (e) có khối lượng bằng 9,1.10-31kg Ở trạng thái bình thường nguyên tử được trung hoà về điện, tức là trong nguyên tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện tử. Nếu vì một lý do nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện tích dương, ta thường gọi là iôn dương. Ngược lại nếu nguyên tử trung hoà nhận thêm điện tử thì trở thành iôn âm. Ta xét năng lượng của điện tích của nguyên tử Hydrô có 1 prôton và 1 điện tích. Khi điện tử chuyển động trên quỷ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân thì điện tử sẽ chịu lực hút của hạt nhân f1 và được xác định bởi công thức sau: (1.1) Lực hút f1 sẽ tạo lực ly tâm của chuyển động f2 (1.2) m: khối lượng của điện tử v: là tốc độ chuyển động của điện tử Ta có f1 = f2 (1.3) Trong quá trình chuyển động điện tử có một động năng: (1.4) Khoa KT Điện- Điện tử Trang 2
Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử và một thế năng: (1.5) Nên năng lượng của điện tử sẽ bằng: W= T + U (1.6) Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách ra khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng iôn hoá (Wi). Khi bị iôn hoá (bị mất điện tử), nguyên tử trở thành iôn dương. Quá trình biến nguyên tử trung hoà thành iôn dương và điện tử tự do gọi là quá trình iôn hoá. Trong một nguyên tử, năng lượng iôn hoá của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hoá trị ngoài cùng có mức năng lượng iôn hoá thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân. Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng iôn hoá chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, song chúng luôn có xu thế trở về vị trí của trạng thái ban đầu. Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang năng. Trong thực tế, năng lượng iôn hoá và năng lượng kích thích nguyên tử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện năng… 1.2.2. Cấu tạo phân tử Phân tử được cấu tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử. Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết: Liên kết đồng hoá trị Liên kết đồng hoá trị là liên kết được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử của các nguyên tố trong phân tử. Khi đó mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hoà, liên kết phân tử bền vững. Ví dụ: trong phân tử clo (Cl2) gồm 2 nguyên tử clo, mỗi nguyên tử có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử hoá trị ở lớp ngoài cùng. Hai nguyên tử này liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung 2 điện tử, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của nguyên tử kia. Hình 1.1: Ngoài ra cũng tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hoá trị có thể 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. Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm không trùng nhau (có 1 khoảng cách) gọi là phân tử cực tính hay lưỡng cực. Khoa KT Điện- Điện tử Trang 3
Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Liên kết ion Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử. Liên kết ion 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 như tinh thể ion là các muối halogen của kim loại kiềm. Hình 1.2: Khả năng tạo nên một chất hoặc một hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dáng lớp điện tử hoá trị ngoài cùng. Liên kết kim loại Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn. Kim loại được xem như là một hệ thống cấu tạo từ các iôn dương nằm trong môi trường các điện tử tự do. Lực hút giữa các iôn dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại. Chính vì vậy liên kết kim loại là liên kết bền vững, kim loại có độ bền vững cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Lực hút giữa các ion dương và các điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Hình 1.3: Liên kết kim loại Sự tồn tại 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. Khoa KT Điện- Điện tử Trang 4
Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Liên kết Vandec - Vanx Liên kết này là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững chắc. Do vậy, những liên kết Vandec–Vanx có nhiệt độ nóng chảy và độ bền cơ thấp như parafin. 1.3. Một số khái niệm, định nghĩa về vật liệu kỹ thuật điện 1.3.1. Khái niệm vật liệu có tính dẫn điện tử Là vật vật liệu mà sự hoạt động của các điện tử không làm biết đổi thực thể đã tạo thành vật liệu đó. 13.2. Khái niệm vật liệu có tính dẫn ion Là vật liệu mà dòng điện đi qua sẽ tạo nên biến đổi hóa học. Vật liệu có tính dẫn ion thường là các dung dịch: dung dịch axit, dung dịch kiềm, dung dịch muối. 1.3.3. Định nghĩa vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường nó có thể chuyển tải điện năng tới các thiết bị điện và khi đặt nó trong từ trường hoặc kích thích bởi năng lượng từ bên ngoài nó sẽ tạo ra một dòng điện. 1.4. Phân loại vật liệu điện – điện tử 1.4.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện (theo lý thuyết phân vùng năng lượng) Vật liệu cách điện (vật liệu điện môi) Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xảy ra. Các điện tử hoá trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia dòng điện dẫn. Chiều rộng của vùng cấm điện môi nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài điện tử vôn (eV). Hình 1.4: Khoa KT Điện- Điện tử Trang 5
Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Vật liệu bán dẫn Là chất có vùng cấm hẹp hơn so với điện môi, vùng này có thể thay đổi nhờ tác động bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm bé W= 0,2 – 1,5eV Do đó ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hoá trị ở trong vùng đầy được tiếp sức chuyển động nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia dòng điện dẫn Hình 1.5: Vật liệu dẫn điện (vật dẫn) Là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy thậm chí có thể nằm chồng lên vùng đầy (W< 0,2eV). Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn ở nhiệt độ bình thường các điện tử hoá trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn. Chính vì vậy vật dẫn có tính dẫn điện tốt. Hình 1.6: 1.4.2. Phân loại theo từ tính Có 3 loại như sau: Khoa KT Điện- Điện tử Trang 6
Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Nghịch từ: là những chất có độ tự thẩm µ1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Loại này gồm có: sắt, niken, coban, và các hợp kim của chúng, hợp kim crom và mangan, pherit có các thành phần khác nhau. 1.4.3. Phân loại theo trạng thái vật thể Vật liệu điện theo trạng thái vật rắn. Vật liệu điện theo trạng thái vật lỏng. Vật liệu điện theo trạng thái khí. 1.4.4. Phân loại theo công dụng Vật liệu dẫn điện . Vật liệu cách điện. Vật liệu dẫn từ. Vật liệu bán dẫn. 1.4.5. Phân loại theo nguồn gốc Vật liệu hữu cơ. Vật liệu vô cơ. Câu hỏi ôn tập Câu 1: Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử? Câu 2: Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất? Câu 3: Phân biệt nguyên liệu, nhiên liệu, vật liệu? Câu 4: Tính lực hút hướng tâm và lực hút ly tâm của nguyên tử, biết: mc=9,1.10-31 (kg); qc= 1,601.10-19 (C); v=1,26.105 (m/s). Câu 5: Vật liệu điện được phân loại như thế nào? Trình bày các cách phân loại đó? Khoa KT Điện- Điện tử Trang 7
Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Câu hỏi trắc nghiệm lựa chọn TT Nội dung câu hỏi a b c d 1.6. Vật liệu điện bao gồm những loại vật liệu dùng để: □? □? □? □? a. Chế tạo dây dẫn điện. b. Chế tạo dây quấn máy điện. c. Chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn và phụ kiện đường dây. d. Dùng để chế tạo mạch từ của máy điện, khí cụ điện. 1.7. Vật liệu nghịch từ là những vật liệu có độ từ thẩm: □? □? □? □? a. 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. b. 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. c. 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. d. 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. 1.8. Theo nguồn gốc, vật liệu điện được chia làm các loại: □? □? □? □? a. Vật liệu ở thể rắn, thể lỏng và vật liệu ở thể khí. b. Vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ. c. Vật liệu dẫn điện, vật liệu cáh điện, vật liệu dẫn từ . d. Kim loại và các hợp kim của chúng. 1.9. Theo lý thuyết phân vùng năng lượng, vật liệu dẫn điện là □? □? □? □? những chất có vùng cấm: a. Nằm chồng lên vùng đầy ( hoặc không có vùng cấm) a. Rất lớn (W = 1,5 2eV). c. Chiều rộng vùng cấm (W = 0,2 1,5eV). d. Không xác định đƣợc. 1.10. Theo lý thuyết phân vùng năng lượng, vật liệu cách điện là □? □? □? □? những chất có vùng cấm : a. Nằm chồng lên vùng đầy ( hoặc không có vùng cấm) b. Rất lớn (W = 1,5 2eV). c. Chiều rộng vùng cấm (W = 0,2 1,5eV). d. Không xác định được. Khoa KT Điện- Điện tử Trang 8
Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử 1.11. Tất cả mọi loại vật liệu được cấu tạo từ: □? □? □? □? a. Những hạt nhân mang điện tích dương. b. Những hạt prôton và nơtron. c. Những hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử. d. Những nguyên tử và phân tử. 1.12. Vật liệu điện được chia thành các nhóm lớn như sau: □? □? □? □? a. Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện. b. Vật liệu dẫn từ, vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn. c. Vật liệu cách điện,vật liệu dẫn từ. d. Vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn. 1.13. Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử được cấu tạo bởi: □? □? □? □? a. Hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử mang điện d. tích âm. b. Hạt nhân mang điện tích dương và hạt prôton. c. Hạt nhân mang điện tích dương và nơtron. d. Hạt Proton, nơtron. 1.14. Theo lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân □? □? □? □? loại vật liệu thành các nhóm vật liệu: a. Dẫn điện, cách điện. b. Dẫn điện, cách điện và vật liệu bán dẫn. c. Dẫn điện, vật liệu bán dẫn, dãn từ. d. Dẫn điện, cách điện, dãn từ. 1.15. Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình □? □? □? □? thường sự dẫn điện bằng điện tử: a. Không xác định được b. Có xẩy ra nhưng yếu. c. Xẩy ra mạnh. d. Không xẩy ra. 1.16. Liên kết đồng hóa trị là dạng liên kết: □? □? □? □? Khoa KT Điện- Điện tử Trang 9
Trường CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử a. Bền vững. b. Rất bền vững. c. Yếu. d. Không xác định được. 1.17. Năng lượng ion hóa (Wi) là năng lượng tối thiểu cung cấp □? □? □? □? cho điện tử để: a. Các điện tử liên kết lại với nhau. b. Tăng lực liên kết giữa các điện tử . c. Điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do. d. Phá hủy điện tử. 1.18. Trong thực tế ion hóa và năng lương kích thích nguyên tử □? □? □? □? có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như: a. Nhiệt năng, điện năng, b. Quang năng. c. Năng lượng của các tia sóng ngắn. d. Cả a, b và c đều đúng. 1.19. Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các □? □? □? □? liên kết phân tử. Trong vật chất tồn tại các loại liên kết sau: a. Liên kết đồng hóa trị, liên kết kim loại. b. Liên kết ion. c. Liên kết Vandec – Vanx. d. Cả a, b và c đều đúng. 1.20 Vật liệu thuận từ là những vật liệu có độ từ thẩm: □? □? □? □? a. 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. b. 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. c. 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. d. 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. Khoa KT Điện- Điện tử Trang 10
Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử CHƢƠNG 2 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.1. Quá trình vật lý của vật liệu dẫn điện 2.1.1. Các khái niệm cơ bản về chất dẫn điện Dòng điện là sự chuyển dịch có trật tự của các điện tích dƣới tác động của điện trƣờng. Dòng điện xuất hiện trong vật chất bị ảnh hƣởng bởi điện áp, khi đó dƣới tác dụng của điện trƣờng sẽ tạo ra các trạng thái chuyển động một cách có trật tự của các điện tích có trong vật chất. Nhƣ vậy điều kiện cần thiết để có dòng điện ở bất kỳ vật chất nào chính là sự tồn tại các điện tích tự do. Nhƣng tùy thuộc vào bản chất thiên nhiên của các hạt mang điện có trong vật chất, hiện tƣợng dẫn điện đƣợc quan sát có những sự khác biệt rất khác nhau. Những dạng dẫn điện chủ yếu gồm: - Tính dẫn điện tử: Hạt mang điện là những điện tích âm, chính xác hơn là các điện tử. Tính dẫn điện này là đặc tính dẫn điện của kim loại và bán dẫn điện tử. - Tính dẫn điện ion hay phân li: Hạt mang điện là những ion, có thể là các điện tích dƣơng hoặc âm của phân tử hay nguyên tử. Sự chuyển dịch của các điện tích dẫn đến hiện tƣợng điện phân. - Tính dẫn điện điện di (thƣờng thấy ở điện môi lỏng): Vật chất mang điện là những nhóm điện tích của phân tử (hay molion). Sừ tồn tại của dòng điện trong vật chất dẫn đến hiện tƣợng điện chuyển. Chất dẫn điện là vật chất mà ở trang thái bình thƣờng có các điện tích tự do. Nếu đặt những vật liệu này vào trong một trƣờng điện, các diện tích sẽ chuyển động theo hƣớng nhất định của điện trƣờng và tạo thành dòng điện. Vật liệu dẫn điện có thể là các vật liệu ở thể rắn, lỏng và trong một số trƣờng hợp đặc biệt có thể là cả ở thế khí.  Các vật liệu ở thế rắn: Gồm kim loại, hợp kim và một số biến thể của cac-bon (than kỹ thuật điện). Kim loại dẫn điện chia làm 2 loại: Loại có điện dẫn cao và loại có điện trở cao. Loại có điện dẫn cao đƣợc dùng làm dây dẫn; lõi cáp, cuộn dây của máy biến áp và máy điện, cuộn dây sóng, anot của các đèn phát có công suất lớn … Kim loại, hợp kim có điện trở cao đƣợc dùng trong các dụng cụ nunh bằng điện trở nhƣ đèn thắp sáng, biến trở…  Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng: Gồm kim loại lỏng (nóng chảy) và các dung dịch điện phân (ở nhiệt độ phòng có thể kẻ thủy ngân Hg) Khoa KT Điện- Điện tử Trang 11
Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Cơ cấu của sự dẫn điện của kim loại (dạng rắn và dạng lỏng) là do sự di chuyển của các điện tử tự do, do đó các vật liệu này có điện dẫn điện tử (thƣờng đƣợc gọi là vật liệu dẫn điện loại 1) Các chất điện phân (thƣờng gọi là vật liệu dẫn điện loại 2) nhƣ các dung dịch axit, bazơ, muối… cơ cấu của sự dẫn điện của loại này là ...... di chuyển của các ion hệ quả là các thành phần của chất điện phân thay đổi dần dần và trên các điện cực xuất hiện các sản phẩm điện phân. Tất các các chất khí (kể cả khí kim loại) trong điện trƣờng yếu không phải là chất dẫn điện. Tuy nhiên nếu điện trƣờng vƣợt quá một giá trị bào đó (làm xuất hiện các hiện tƣợng ion do va đập và ion hóa quang) thì chất khí có thể trở thành chất dẫn diên có cả tính dẫn điện tử và tính dẫn ion. Chất khí bị ion hóa mạnh có số electron và ion dƣơng trong một đơn vị thể tích bằng nhau trở thành một môi trƣờng đặc biệt gọi là plazma. Kim loại đƣợc xem nhƣ một hệ thống cấu tạo từ các ion dƣơng nằm trong môi trƣờng các điện tử tự do, chúng quyết định nhiều tính chất đặc trƣng của kim loại. - Sức hút giữa các ion dƣơng và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại. - Đặt kim loại vào điện trƣờng ngoài, các điện tử chạy theo một hƣớng tạo ra dòng điện (tính dẫn điện của kim loại). - Khu nung nóng kim loại, dao động nhiệt của các ion dƣơng tăng làm cản trở điện tử chuyển động nên điện trở kim loại tăng. - Sự truyền động năng của các điện tử tự do và các ion dƣơng tạo nên tính dẫn nhiệt của kim loại. - Các điện tử khi hấp thụ năng lƣợng ánh sáng sẽ bị kích thích lên mức cao hơn, khi trở bề nó phát ra năng lƣợng dƣới dạng bức xạ. Sự khác nhau giữa 2 mức năng lƣợng đặc trƣng cho tần số ánh sáng phản xạ nên mỗi kim loại có màu riêng (ánh kim). - Tính dẻo của kim loại đƣợc giải thích là do các điện tử tự do bảo đảm mối liên kết kim loại không bị biến đổi khi các nguyên tử (ion dƣơng) dịch chuyển vị trí tƣơng đối với nhau. - Một số kim loại có độ từ thẩm từ, có tính chất nóng chảy (điểm nóng chảy của hợp kim khác với điểm nóng chảy kim loại tạo ra nó), có tính giãn nở nhiệt. - Kim loại có tính chống lại sự ăn mòn của hơi nƣớc, oxy của không khí ở nhiệt độ thƣờng. - Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy 2 hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại còn một lƣợng nhỏ là á kim. Ngƣời ta thay thế kim loại nguyên chất bằng hợp kim vì kim loại có tính dẻo, độ bền thấp, điện trở nhỏ và thay đổi theo nhiệt độ, có hệ số giãn nở nhiệt lớn nên không dùng trong các cơ cấu máy chính xác. - Kim loại có tính chất cơ học: Nó có khả năng chống lại tác dụng của lực ngoài, nó có tính chất công nghệ nhƣ tính cắt gọt, tính hàn, rèn, đúc.... Khoa KT Điện- Điện tử Trang 12
Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử 2.1.2. Tính dẫn điện của kim loại Kim loại mang tính dẫn điện tử, khác với tính dẫn i-on là không có sự chuyển dịch nhìn thấy trong vật chất khi có dòng điện chảy qua. Mặc dù trong kim loại có một số lƣợng lớn các điện tích chảy qua trong một thời gian dài nhƣng không phát hiện bất kỳ sự thay đổi nào về khối lƣợng cũng nhƣ thay đổi về cấu tạo hóa học (không kể tới sự oxy hóa kim loại); các electron nằm ở không gian giữa các nút tinh thể; chúng dao động một cách hỗn loạn, tốc độ của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ. Kích thƣớc của các electron không đáng kể so với kích thƣớc nguyên tử lại càng không đáng kể so với khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử; nhƣ vậy các electron trong mức độ nào đó có thể xem nhƣ là các phân tử khí. Vì thế đôi khi chúng đƣợc gọi là khí điện tử. Khi kim loại không bị tác dụng của điện trƣờng ngoài thì sự phân bố tốc độ chuyển động nhiệt của các electron (vt) theo các hƣớng có xác suất nhƣ nhau, dòng điện không tồn tại khi không có điện trƣờng ngoài (hình 2.1) Hình 2.1: Chuyển động của các electron khi không có điện trƣờng ngoài Nếu kim loại đƣợc đặt trong một điện trƣờng ngoài E thì mỗi electron sẽ chịu tác động của một lực: F = e.E (2.1) Các electron chuyển động với một gia tốc ngƣợc hƣớng điện trƣờng E (hình 2.2) và bằng: a= (2.2) Trong đó e = -1,6.10-19 (C) ; m = 9,1.10-31 (kg) Khoa KT Điện- Điện tử Trang 13
Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Hình 2.2: Các electron chuyển động ngƣợc hƣớng điện trƣờng Qua thời gian t kể từ khi bắt đầu chuyển động vận tốc electron đạt đƣợc: vc = a.t = (2.3) Tốc độ chung của electron bằng tổng của vt và ve. Các electron va chạm với các nguyên tử ở nút tinh thể, sau mỗi lần va chạm vận tốc giảm về 0, sau đó lại tăng lên với gia tốc a. Gọi t0 là thời gian chuyển động tự do không va chạm của electron. Khi đó tốc độ cực đại của electron là: vemax = (2.4) Vận tốc trung bình: ve = = (2.5) Với to = l/vt; l: độ dài bƣớc tự do của electron. Có thể chứng minh rằng độ dài bƣớc tự do tỷ lệ nghịch với nhiệt độ: l= (2.6) Trong đó: - ky = Hệ số đàn hồi - N: mật độ nguyên tử - k: Hằng số Boltzmann. - T: Nhiệt độ Khoa KT Điện- Điện tử Trang 14
Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Li 110 Na 350 K 370 Ni 133 Cu 420 Ag 570 Au 410 Fe 220 Bảng 2.1: Độ dài bƣớc tự do của electron trong một số kim loại ở 00C (Đơn vị A0) Giả thiết trên một đơn vị thể tích (là một khối vuông có độ dài là 1 đơn vị) của vật chất có n hạt mang điện; giá trị điện tích của mỗi hạt là e. Tổng điện tích tự do trên đơn vị thể tích là ne. Tích của vetb với ne cho ta số lƣợng điện tích ở mỗi một đơn vị thời gian qua một đơn vị mặt cắt của vật thể, hay đó là mật độ dòng điện: J = ne v etb = = γE (2.7) Đây là công thức tính cho một electron. Nếu xét tác động của điện trƣờng lên tập hợp các electron tự do thì vận tốc trung bình sẽ lớn hơn cỡ hai lần. Khi đó: γ = (2.8) Nhƣ vậy điện dẫn suất (do đó điện trở suất và điện trở) của kim loại không phụ thuộc điện áp đặt lên nó. Giả thiết động năng chuyển động nhiệt của electron tuân theo định luật chuyển động nhiệt của khí lý tƣởng, ta có: (2.9) vt = (2.10) γ= (2.11) Vậy khi nhiệt độ tăng lên thì điện trở của kim loại càng tăng. Vật lý lƣợng tử hiện đại đƣa ra những công thức chính xác hơn nhƣng bản chất vấn đề không thay đổi. Khoa KT Điện- Điện tử Trang 15
Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Hình 2.3: Điện trƣờng Giả sử ta quan sát một thể tích đơn vị dƣới tác động của điện trƣờng E vuông góc với một mặt của khối vuông. Mật độ dòng điện trong kim loại đƣợc xác định bằng: J = ne vetb (2.12) Mặt khác: I= I = J.S U = E.I R= (2.13) Sau đó đơn giản, ta có: J= (2.14) Từ (1.10 và (2.13) ta có: γ = ne (2.15) Tỷ số µ = đƣợc gọi là độ linh động (mobility) của hạt mang điện, đơn vị của µ là: (2.16) Công thức (2.14) đƣợc viết theo dạng sau: γ = n.e.µ (2.17) Gọi là thời gian trung bình giữa 2 lần va đập, ta có: vetb = eEτ/m Khoa KT Điện- Điện tử Trang 16
Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử µ = vetb/E = eτ/m (2.18) Độ linh động điện tử µe (m2/V.s) của một số kim loại. Cu: µe = 0.0032 Al: µe = 0.0015 Ag: µe = 0.005 2.2. Tính chất chung của vật liệu dẫn điện 2.2.1. Tính chất của kim loại 2.2.1.1. Tính chất lý học Vẽ sáng mặt ngoài của kim loại: theo vẽ sáng bề ngoài của kim loại có thể chia thành kim loại đen và kim loại màu: - Kim loại và hợp kim đen: gồm sắt và các hợp kim của sắt, tức là gang và thép. - Kim loại màu và hợp kim màu: là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại. Trọng lƣợng riêng: là trọng lƣợng của một đợn vị thể tích của vật. Tính nóng chảy: kim loại có tính chảy loảng khi đốt nóng và đông đặc khi làm nguội. Nhiệt độ ứng với khi kim loại chuyển đổi từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy. Điểm nóng chảy có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ đúc. Điểm nóng chảy của nhiều hợp kim lại khác điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên hợp kim đó. Tính dẫn nhiệt: là tính chất truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hoặc làm lạnh. Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, cũng nhƣ càng dễ nguội nhanh. Tính giãn nở nhiệt: khi đốt nóng các kim loại giản nở ra và khi làm nguội nó co lại. Sự giản nở nhiệt của các kim loại không giống nhau. Để đánh giá sự giản nở nhiệt của một vật nào đó, ngƣời ta đo chính xác độ giản dài của 1 mm vật đó khi nhiệt độ thay đổi 10C. Độ giản dài đo đuợc gọi là hệ số giản nở nhiệt theo chiều dài. Tính dẫn điện: là khả năng dẫn điện của kim loại. Khi nhiệt độ cao tính dẫn điện giảm. Ở nhiệt độ 00 K điện trở của kim loại bằng không. Tính nhiễm từ: là khả năng kim loại bị từ hoá sau khi đƣợc đặt trong một từ trƣờng. Sắt và hầu hết các hợp kim của sắt đều có tính nhiễm từ. Ni ken và cô ban cũng có tính nhiễm từ và đƣợc gọi là chất sắt từ. Còn hầu hết các kim loại khác không có tính nhiễm từ. Nhiệt dung riêng: là nhiệt độ cần thiết làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 10C. Khoa KT Điện- Điện tử Trang 17

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.