Giáo trình Vật liệu - khí cụ điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trung cấp) - Trường Cao đẳng nghề Xây dựng

Chia sẻ: Lạc Vũ Chi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Vật liệu - khí cụ điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trung cấp) được biên soạn với mục tiêu nhằm nhằm cung cấp những kiến thức về khái niệm, cấu tạo, nguyên lý, cách lựa chọn và cách sửa chữa, bảo dưỡng những sai hỏng thường gặp của các vật liệu - khí cụ điện thường dùng trong hệ thống điện và điều khiển máy điện. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật liệu - khí cụ điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trung cấp) - Trường Cao đẳng nghề Xây dựng

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: VẬT LIỆU-KHÍ CỤ ĐIỆN NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo quyết định số: …. /QĐ … ngày … tháng … năm … của Hiệu trưởng Quảng Ninh, năm 2020 1
2
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nội bộ nên các nguồn thông tin có thể được 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 hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU Môn học Vật liêu - Khí cụ điện là môn học bắt buộc trong chương trình đào tạo Cao đẳng và Trung cấp nghề điện công nghiệp. Tài liệu “Vật liêu - Khí cụ điện” được biên soạn theo nội dung của chương trình chi tiết môn “Vật liêu - Khí cụ điện” đào tạo trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề điện công nghiệp tại Trường Cao đẳng nghề Xây dựng, tài liệu này nhằm cung cấp những kiến thức về khái niệm, cấu tạo, nguyên lý, cách lựa chọn và cách sửa chữa, bảo dưỡng những sai hỏng thường gặp của các Vật liệu -Khí cụ điện thường dùng trong hệ thống điện và điều khiển máy điện. Nội dung của tài liệu gồm: Chương 1: Vật liệu điện; Chương 2: Khí cụ điện. Mặc dù đã cố gắng trong quá trình biên soạn, nhưng chắc chắn tài liệu không tránh khỏi những khiếm khuyết. Tác giả rất mong nhận được góp ý trân thành của bạn đọc để tài liệu được hoàn thiện hơn Trân thành cảm ơn! Nhóm tác giả 3
4
Chương I: VẬT LIỆU ĐIỆN 1. Vật liệu dẫn điện 1.1. Khái niệm chung 1.1.1. Khái niệm Vật liệu dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do. Nếu đặt chúng vào trong 1 điện trường, các điện tích sẽ chuyển động theo một hướng nhất định của điện trường và tạo thành dòng điện. Người ta gọi đó là vật liệu có tính dẫn điện. 1.1.2. Phân loại a. Nhóm 1: Vật liệu dẫn điện có tính dẫn điện tử hay vật dẫn loại 1 (vật dẫn kim loại) Phần lớn thuộc về kim loại, hợp kim, một số ít là phi kim loại, thường tồn tại ở thể rắn,trường hợp đặc biệt ở thể lỏng là thủy ngân. - Đặc trưng của nhóm vật liệu dẫn điện là: Mọi sự hoạt động của các điện tích không làm thay đổi thực thể tạo nên vật dẫn đó. Có hai loại vật liệu dẫn điện có tính dẫn điện tử. Loại 1: Có điện trở suất nhỏ gồm các vật liệu như đồng, nhôm, vàng, bạc. Khi sử dụng thường là hợp kim. Ứng dụng: Dùng làm dây dẫn, dây điện từ trong máy điện, khí cụ điện và một số dụng cụ đo lường. Loại 2: Có điện trở suất cao ví dụ như: Hợp kim Manganin, Constantan. Ứng dụng: Dùng làm biến trở, điện trở mẫu, dùng trong các loại bóng đèn. b. Nhóm 2: Vật liệu dẫn điện có tính dẫn ion hay vật dẫn loại 2 (vật dẫn điện phân) Phần lớn chúng tồn tại dưới dạng dung dịch như axit, kiềm, muối… Đặc trưng của nhóm là: Khi dòng điện chạy qua vật dẫn làm thay đổi hoặc biến đổi hóa học trong nó. 1.2. Tính chất chung 1.2.1. Tính cơ học Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu tác động của các loại tải trọng. Các đặc trưng đó bao gồm: a. Độ bền: là khả năng chống lại các tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá hỏng. Tùy theo các dạng khác nhau của ngoại lực mà ta có các loại độ bền: độ bền kéo (sk), độ bền nén (sn), độ bền uốn (su). Đơn vị đo của độ bền thường dùng là N/mm2 hoặc MN/mm2. b. Độ cứng: là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng lên kim loại thông qua vật nén. Nếu cùng một giá trị lực nén mà vết lõm trên mẫu đo càng lớn thì độ cứng của vật liệu đó càng kém. Thử độ cứng được thực hiện trên máy thử, và được đánh giá bằng các đơn vị đo độ cứng như sau: độ cứng Brinen (HB), Rocvell (HRA, HRB, HRC), Vicke (HV). c. Độ dẻo: là khả năng vật liệu thay đổi hình dáng kích thước mà không bị phá hủy khi chịu tác dụng của lực bên ngoài. 5
Để xác định độ dẻo người ta thường tiến hành đánh giá theo cả hai chỉ tiêu cùng xác định trên mẫu sau khi thử độ bền kéo: - Độ giãn dài tương đối (δ): là khả năng vật liệu thay đổi chiều dài sau khi bị kéo đứt. - Độ thắt tiết diện tương đối (ψ): là khả năng vật liệu chịu thay đổi tiết diện sau khi bị kéo đứt. Ở đây: l0 và l1 là chiều dài mẫu trước và sau khi kéo, được tính cùng đơn vị đo. F0 và F1 là diện tích tiết diện mẫu trước và sau khi kéo, được tính cùng đơn vị đo. d. Độ dai va đập: là khả năng vật liệu chịu được tải trọng va đập mà không bị phá hủy, ký hiệu là ak và đơn vị đo là J/mm2 hoặc kJ/m2. 1.2.2. Tính vật lý Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hóa học của kim loại đó không thay đổi. Lý tính cơ bản của kim loại gồm có: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính dãn nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính. a. Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 cm3 vật chất. Trong đó m: là khối lượng của vật chất. V là thể tích của vật chất. b. Tính nóng chảy: kim loại có tính chảy loãng khi bị đốt nóng và đông đặc lại khi làm nguội. Nhiệt độ ứng với lúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy. Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ đúc, hàn. c. Tính dẫn nhiệt: là tính truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hoặc bị làm lạnh. Tính truyền nhiệt của kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng và ngược lại khi nhiệt độ giảm xuống. d. Tính giãn nở: là tính chất thay đổi thể tích khi nhiệt độ của kim loại thay đổi. Được đặc trưng bằng hệ số giãn nở. e. Tính dẫn điện: là khả năng cho dòng điện đi qua của kim loại. So sánh tính dẫn nhiệt và dẫn điện ta thấy kim loại nào có tính dẫn nhiệt tốt thì tính dẫn điện cũng tốt và ngược lại. f Từ tính: là khả năng bị từ hóa khi được đặt trong từ trường. Sắt, coban, niken và hầu hết các hợp kim của chúng đều có tính nhiễm từ. Tính nhiễm từ của thép và gang phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bên trong của kim loại. 1.2.3. Tính hoá học Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hóa học của các chất khác như: ôxy, nước, axit… mà không bị phá hủy. Tính năng hóa học của kim loại có thể chia thành các loại sau: a. Tính chịu ăn mòn: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường xung quanh. b. Tính chịu nhiệt: là độ bền của kim loại đối với sự ăn của ôxy trong không khí ở nhiệt độ cao. 6
c. Tính chịu axit: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường axit. 1.2.4. Tính công nghệ Là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại, hợp kim, tính công nghệ bao gồm các tính chất sau: a. Tính đúc: được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co và thiên tích. Độ chảy loãng biểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim. Độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt. Độ co càng lớn thì tính đúc càng kém. b. Tính rèn: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực tác dụng bên ngoài mà không bị phá hủy. Thép có tính rèn cao khi được nung nóng ở nhiệt độ phù hợp. Gang không có tính rèn vì giòn. Đồng, nhôm, chì có tính rèn tốt ngay cả ở trạng thái nguội. c. Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử khi nung nóng chỗ hàn đến trạng thái chảy hay dẻo. d. Tính cắt gọt: là khả năng kim loại gia công dễ hay khó, được xác định bằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt và độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắt gọt. Một kim loại hay một hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quý nhưng tính công nghệ kém thì cũng khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo thành sản phẩm. 1.3. Một số vật liệu dẫn điện 1.3.1. Đồng và hợp kim của đồng a. Đồng (Cu) Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất trong tất cả các vật liệu dẫn điện dùng trong kỹ thuật điện vì nó có những ưu điểm nổi trội so với các vật liệu dẫn điện khác - Đặc tính chung: - Là kim loại có màu đỏ nhạt sáng rực - Điện trở suất peu nhỏ (chỉ lớn hơn so với bạc Ag nhưng do bạc đắt tiền hơn nên ít được dùng so với đồng). - Có sức bền cơ giới đủ lớn. - Trong đa số trường hợp có thể chịu được tác dụng ăn mòn (có sức đề kháng tốt đối với sự ăn mòn). - Dễ gia công: cán mỏng thành lá, kéo thành sợi. - Dễ uốn, dễ hàn. - Có khả năng tạo thành hợp kim tốt. - Là kim loại hiếm chỉ chiếm khoảng 0,01% trong lòng đất Đồng dùng trong kỹ thuật điện phải được tinh luyện bằng điện phân, tạp chất lẫn trong đồng dù một lượng rất nhỏ thì tính dẫn điện của nó cũng giảm đi đáng kể. Qua nghiên cứu, người ta thấy rằng: nếu trong đồng có 0,5% Zn, Ni hay AI thì điện dẫn suất của nó (Ỵcu) giảm đi 25% -T- 40% và nếu trong đồng có 0,5% Ba, As, p, Si thì có thể giảm đến 55%. Vì vậy để làm vật dẫn, thường chỉ dùng đồng điện phân chứa trên 99,9% Cu. 7
b. Hợp kim của đồng: Hợp kim trong đó vật liệu đồng là thành phàn cơ bản, có đặc điểm là sức bền cơ khí lớn, độ cứng cao, có độ dai tốt, màu đẹp và có tính chất dễ nóng chảy. Hợp kim của đồng có thể đúc thành các dạng bình phức tạp; người ta dễ dàng gia công trên máy công cụ và cỏ thể phủ lên bề mặt của các kim loại khác theo phương pháp mạ điện. Những hợp kim chính của đồng được sử dụng trong kỹ thuật điện là: Đồng thanh, đồng thau, các hợp kim dùng làm điện trở. Ngoài việc dùng đồng tinh khiết để làm vật dẫn, người ta còn dùng các hợp kim của đồng với các chất khác như: thiếc, silic, phốtpho, bêrili, crôm, mangan, cadmi..., trong đó đồng chiếm vị trí cơ bản, còn các chất khác có hàm lượng thấp. Căn cứ vào lượng và thành phàn các chất chứa trong đồng, người ta chia hợp kim của đồng thành các dạng chủ yếu như sau: - Đồng thanh (đồng đỏ): Đồng thanh là một hợp kim của đồng, có thêm một số kim loại khác để tăng cường độ cứng, sức bền và dễ nóng chảy. Đồng thanh được 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 thống nối đất, cổ góp điện, các giá đỡ và giữ,... - Đồng thau: Đồng thau là một hợp kim đồng với kẽm, trong đó kẽm không vượt quá 46%. Ở nhiệt độ cao, sức bền của đồng thau đối với sự ăn mòn do oxyt hóa sẽ giảm. Tốc độ oxyt hóa của đồng thau càng nhỏ (so với đồng tinh khiết) khi tỷ lệ phàn trăm của kẽm càng lớn. Nếu tỷ lệ phàn trăm của kẽm lớn hơn 25%, thì lớp bảo vệ của oxyt kẽm tạo nên trên bề mặt của vật liệu càng nhanh khi nhiệt độ càng lớn. Còn nếu tỷ lệ phàn trăm của kẽm nhỏ thì trên bề mặt của vật liệu sẽ tạo một lớp màu hơi đen giàu oxyt đồng. Tính chất này của đồng thau với tỷ lệ lớn hơn 25% kẽm tạo thành một lớp bảo vệ ở 300°c và đôi khi được sử dụng để bảo vệ các chi tiết chống lại sự ăn mòn của không khí có Amôniac nếu không sử dụng một phương pháp bảo vệ nào khác. Để tăng sức đề kháng đối với sự ăn mòn điện hoá, người ta thường tẩm thiếc hay tráng kẽm khi đồng thau còn nóng Đồng thau được dùng trong kỹ thuật điện để gia công các chi tiết dẫn dòng như ổ cắm điện, các phích cắm, đui đèn, các đàu nối đến hệ thống tiếp đất, các ốc, vít... 3.3.2. Nhôm và họp kim của nhôm a. Nhôm (Al) - Đặc tính chung: Sau đồng, nhôm là vật liệu dẫn điện quan trọng thứ hai được sử dụng trong kỹ thuật điện Là kim loại màu trắng bạc, rất mềm, rất ít đề kháng khi va chạm và xây xát, có trọng lượng riêng nhỏ (nhẹ). Chiếm 7,5% trong vỏ trái đất (nhiều nhất trong các kim loại) - Có điện dẫn suất và nhiệt dẫn cao, chỉ sau Ag và Cu - Gia công dễ dàng khi nóng và khi nguội - Có sức bền đối với sự ăn mòn do có lớp oxit rất mỏng tạo ra khi tiếp xúc với không khí. - Sức bền cơ khí tương đối bé - Lớp oxit có điện dẫn lớn nên khi khó khăn cho việc tiếp xúc 8
Trong kỹ thuật điện, nhôm được sử dụng phổ biến để chế tạo: - Dây dẫn điện đi trên không để truyền tải điện năng, o Ruột cáp điện. - Các thanh ghép và chi tiết cho trang thiết bị điện, - Dây quấn trong các máy điện. - Các lá nhôm để làm tụ điện, lõi dẫn từ máy biến áp, các rôto của động cơ điện,... b. Hợp kim nhôm: Nhôm có nhiều hợp kim dùng để đúc và để kéo dây dẫn điện. Các hợp kim chính của nhôm dùng để đúc có thể là những loại sau: Al-Zn-Cu, Al-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Si, Al-Si-Cu, Al-Si-Mg, Al-Mg, Al-Mg-Mn. Một hợp kim được dùng phổ biến để chế tạo dây dẫn là hợp kim "aldrey". Chúng là hợp kim của nhôm với (0,3-ỉ-0,5)%Mg, (0,4-K),7)% Si, (0,2-K),3)% Fe. Tổ hợp làm cho hợp kim có tính chất cơ khí tốt. Dây dẫn bằng hợp kim loại "aldrey" nhận được thông qua việc tôi hợp kim (nung nóng đến 500-ỉ-6000C), kéo nó thành sợi ở kích thước mong muốn và làm già hóa nhân tạo bằng nung nóng 150-ỉ-2000c. Sức bền của dây dẫn "aldrey" lớn gấp khoảng 2 làn so với dây dẫn AI tinh khiết. Vì vậy, khi dùng dây dẫn "aldrey" có thể tăng khoảng cách giữa các cột của đường dây trên không, giảm chi phí xây dựng đáng kể. 3.3.3. Chì và hợp kim của chì Chì được tinh luyện từ các mỏ có trong tự nhiên như: Galen (PbS), Xezurit (PbC03), Anglezit (PbS04)...Có thể thu được chì ở mức độ tinh khiết (92-^99,94%). Chì là kim loại có màu tro sáng, rất mềm, có thể uốn cong, dát mỏng dễ dàng hoặc cắt bằng dao cắt công nghiệp, nhiệt độ nóng chảy thấp. Chì có điện trở suất cao p = 0,21 Qmm2/m và nhiệt dẫn suất nhỏ. Nó là vật liệu bảo vệ tốt nhất đối với sự xuyên thủng của tia X (tia Rơntgen). Một lớp chì dày lmm ở 200-ỉ-300kV có tác dụng bảo vệ như một lớp thép dày 1 l,5mm hay một lớp gạch có chiều dày 110mm. Chì và hợp kim của nó được dùng để làm lớp vỏ bảo vệ ở cáp điện nhằm chống lại ẩm ướt. Chì còn được dùng để chế tạo các bản cực của acquy, dùng để làm dây chảy bảo vệ các đường dây dẫn điện và các thiết bị điện. Chì được tinh luyện từ các mỏ có trong tự nhiên như: Galen (PbS), Xezurit (PbC03), Anglezit (PbS04)...Có thể thu được chì ở mức độ tinh khiết (92-^99,94%). Chì là kim loại có màu tro sáng, rất mềm, có thể uốn cong, dát mỏng dễ dàng hoặc cắt bằng dao cắt công nghiệp, nhiệt độ nóng chảy thấp. Chì có điện trở suất cao p = 0,21 Qmm2/m và nhiệt dẫn suất nhỏ. Nó là vật liệu bảo vệ tốt nhất đối với sự xuyên thủng của tia X (tia Rơntgen). Một lớp chì dày lmm ở 200-ỉ-300kV có tác dụng bảo vệ như một lớp thép dày 1 l,5mm hay một lớp gạch có chiều dày 110mm. Chì và hợp kim của nó được dùng để làm lớp vỏ bảo vệ ở cáp điện nhằm chống lại ẩm ướt. Chì còn được dùng để chế tạo các bản cực của acquy, dùng để làm dây chảy bảo vệ các đường dây dẫn điện và các thiết bị điện. 3.3.4. Sắt thép 9
Thép là hợp kim của sắt với cacbon vói hàm lƣợng cacbon không quá 2,14%. Thép là kim loại rẻ tiền và dễ kiếm nhất, nó có độ bền cơ cao nên đôi lúc cũng được dùng làm vật dẫn. Nhưng ngay cả sắt tinh khiết cũng có điện trở suất lớn hơn rất nhiều so với đồng và nhôm (khoảng 0,1 Ωmm2/m). Trong kỹ thuật điện ngƣời ta thƣờng dùng thép có hàm lượng cacbon thấp. Dòng điện xoay chiều trong thép sẽ gây nên hiệu ứng bề mặt đáng kể, vì vậy điện trở dây thép đối với dòng điện xoay chiều cao hơn điện trở cao hơn điện trở đối với dòng điện một chiều. Ngoài ra dòng điện xoay chiều trong thép còn gây ra tổn thất từ trể. Để làm dây dẫn điện ngƣời ta thƣờng dùng thép mềm có từ (0,10 - 0,15)% cacbon, giới hạn bền kéo (70 - 75) kG/mm2, độ dãn dài tƣơng đối khi đứt (5 - 8)%, điện dẫn suất nhỏ hơn đồng sáu bảy lần. Vì thế thép dùng làm dây dẫn đường dây tải điện trên không với công suất tương đối nhỏ. Trong trường hợp này sử dụng thép có lợi vì khi trị số dòng điện nhỏ, tiết diện dây không xác định theo điện trở mà theo độ bền cơ của nó. Thép cũng dùng làm vật liệu dẫn điện dưới dạng thanh dẫn, đường ray tàu điện, đƣờng sắt chạy điện, tàu điện ngầm vv... Để làm lỏi của dây nhôm, lỏi dây dùng dây thép có độ bền đặc biệt với giới hạn bền kéo từ (120 - 150)kG/mm2 và độ giản dài tƣơng đối từ (4 - 5)%. Nhược điểm của thép là khả năng chống ăn mòn kém ngay cả ở nhiệt độ bình thƣờng và đặc biệt khi độ ẩm cao thép bị gỉ rất nhanh, nhiệt độ càng cao tốc độ ăn mòn càng mạnh. Vì vậy bề mặt dây thép cần đƣợc bảo vệ bằng lớp kim loại bền hợn. Thông thƣơng dây thép đƣợc mạ bằng kẽm để bảo vệ cho thép khỏi bị gỉ. Dây dẫn bằng thép có độ bền cơ khí lớn gấp (2 - 2,5) lần so với đồng do đó dây dẫn thép đƣợc dùng ở những khoảng cột lớn, ở những tuyến vượt sông rộng vv...và có thể sử dụng cho những khoảng cột từ (1500 - 1900)m. Dây dẫn bằng thép có thể đƣợc mắc với độ võng bé hơn các dây dẫn khác. 3.3.5. Wofram (W) Wofram (Tungsten) tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng mỏ: Woframit (FeOMnO)WƠ3, quặng selit (Ca0W03), thông qua các phản ứng hóa học khác nhau, các quặng này chuyển thành Trioxyt Wofram (WƠ3) rồi điều chế từ đây được Wofram (W) thông qua điện phân ở nhiệt độ cao 1050 -7- 1300°c. Wofram là một kim loại có sức bền đứt và độ cứng rất cao, nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong số tất cả các kim loại được sử dụng trong kỹ thuật điện, được chế tạo thành sợi tóc trong các bóng đèn điện sợi đốt, chế tạo các điện trở phát nóng cho các lò điện,...Tuy nhiên, để cản trở sự oxyt hóa dây tóc và sự bay hơi của nó, các bóng đèn nung sáng được thực hiện trong chân không hay với môi trường khí trơ (argon, nitơ), khi đó có thể làm việc ở 2300°c. Wofram tinh khiết (99,5 -7- 99,8%) còn được dùng để chế tạo các tiếp điểm điện có dòng điện nhỏ. Đối với tiếp điểm điện ở công suất lớn (dòng điện lớn), người ta dùng hợp kim của Wofram với bạc hay Wofram với đồng nén lại. 2. Vật liệu cách điện 2.1. Khái niệm chung 2.1.1. Khái niệm Vật liệu cách điện (điện môi) là các chất mà trong điều kiện bình thường không có các điện tử tự do, nên không dẫn điện. Điện dẫn suất bằng không (ɣ=0) hoặc nhỏ không đáng kể. 2.1.2. Phân loại a. Vật liệu cách điện thể rắn - Cao su - Đất sét - Nhựa 10
- Gỗ và giấy - Thủy Tinh - Mica b. Vật liệu cách điện thể lỏng - Dầu cách điện có nguồn gốc từ dầu mỏ - Dầu máy biến thế, máy cắt, thiết bị điều áp dưới tải - Dầu tụ điện - Dầu cáp điện lực - Dầu cách điện tổng hợp c. Vật liệu cách điện thể khí - Các chất khí đơn giản như không khí - Khí Hydro: H2 - Khí Heli: He - Khí Oxy: O2 - Khí CO2, SO2... 2.2. Tính chất chung 2.2.1.Tính vật lý (hút ẩm) Các vật liệu cách điện nói chung ở mức độ ít hay nhiều đều hút ẩm vào bên trong từ môi trường xung quanh hay thấm ẩm, tức là cho hơi nước xuyên qua chúng. Khi bị thấm ẩm, các tính chất cách điện của vật liệu cách điện bị giảm nhiều. Những vật liệu cách điện không cho nước đi vào bên trong nó khi đặt ở môi trường có độ ẩm cao thì trên bề mặt có thể ngưng tụ một lớp ẩm làm cho dòng rò bề mặt tăng, có thể gây ra sự cố cho các thiết bị điện. Nhận xét: Qua phân tích, ta thấy rằng tính hút ẩm của vật liệu cách điện không những phụ thuộc vào kết cấu và loại vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và độ ẩm… của môi trường làm việc. Nó sẽ làm biến đổi tính chất ban đầu của vật liệu, dẫn đến lão hoá và làm giảm phẩm chất cách điện của vật liệu, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện. Đặc biệt là đối với các vật liệu cách điện ở thể rắn. Để hạn chế nguy hại do hơi ẩm đối với vật liệu cách điện cần sử dụng các biện pháp sau đây: - Sấy khô và sấy trong chân không để hơi ẩm thoát ra bên ngoài. - Tẩm các loại vật liệu xốp bằng sơn cách điện. Lớp sơn tẩm này có tác dụng lấp đầy các lỗ xốp khiến cho hơi ẩm một mặt thoát ra bên ngoài, mặt khác làm tăng phẩm chất cách điện của vật liệu. - Quét lên bề mặt các vật liệu rắn lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn hơi ẩm lọt vào bên trong. - Tăng bề mặt điện môi, thường xuyên vệ sinh bề mặt vật liệu cách điện, tránh bụi bẩn bám vào làm tăng khả năng thấm ẩm có thể gây phóng điện trên bề mặt. 2.2.2. Tính cơ học 11
Các chi tiết bằng vật liệu cách điện trong các thiết bị điện, khi vận hành, ngoài sự tác động của điện trường còn phải chịu tác động của phụ tải cơ học nhất định. Vì vậy khi chọn vật liệu cách điện cần phải xem xét tới độ bền cơ của các vật liệu và khả năng chịu đựng củ chúng mà không bị biến dạng. a) Độ bền chịu kéo, chịu nén và uốn. Các dạng đơn giản nhất của phụ tải tĩnh cơ học: nén, kéo và uốn được nghiên cứu trên cơ sở quy luật cơ bản ở giáo trình sức bền vật liệu . Trị số của độ bền chịu kéo (k), chịu nén (n), và uốn (n), được đo bằng kG/cm2 hoặc trong hệ SI bằng N/m2 , (1 N/m2  10-5 kG/cm2 ). Các vật liệu kết cấu không đẳng hướng (vật liệu có nhiều lớp, sợi v.v...) có độ bền cơ học phụ thuộc vào phương tác dụng của tải trọng theo các hướng không gian khác nhau thì có độ bền khác nhau. Đối với các vật liệu như: thủy tinh, sứ, chất dẻo v.v... độ 21 bền uốn có trị số bé. Ví dụ: thủy tinh, thạch anh có độ bền chịu nén n = 20.000 kG/cm2 , còn khi kéo đứt thì chưa đến 500 kG/cm2 , chính vì vậy người ta sử dụng nó ở vị trí đỡ. Ngoài ra độ bền cơ phụ thuộc diện tích tiết diện ngang và nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì độ bền giảm. b) Tính giòn: nhiều vật liệu giòn tức là trong khi có độ bền tương đối cao đối với phụ tải tĩnh thì lại dễ bị phá hủy bởi lực tác động bất ngờ đặt vào. Để đánh giá khả năng của vật liệu chống lại tác động của phụ tải động người ta xác định ứng suất dai va đập. Polietylen có ứng suất dai va đập rất cao vđ  100kG.cm/cm2 , còn với vật liệu gốm và mica lệch chỉ khoảng (25) kG.cm/cm2. Việc kiểm tra độ giòn và độ dai va đập rất quan trọng đối với vật liệu cách điện trong trang bị điện của máy bay. c) Độ cứng: độ cứng vật liệu là khả năng của bề mặt vật liệu chống lại biến dạng gây nên bởi lực nén truyền từ vật có kích thước nhỏ vào nó. Độ cứng được xác định theo nhiều phương pháp khác nhau d) Theo thang khoáng vật hay là thang thập phân quy ước của độ cứng. Nếu ta quy ước hoạt thạch là một đơn vị thì thạch cao có độ cứng là 1,4; apatit là 44, thạch anh là 1500; hoàng ngọc (topa) là 5500; kim cương là 5.000.000. e) Độ nhớt: đối với vật liệu cách điện thể lỏng hoặc nửa lỏng như dầu, sơn, hỗn hợp tráng, tẩm, dầu biến áp v.v...thì độ nhớt là một đặc tính cơ học quan trọng. Có ba khái niệm độ nhớt của chất lỏng như sau: - Độ nhớt động lực học () hay còn gọi là hệ số ma sát bên trong của chất lỏng - Độ nhớt động học (v) bằng tỉ số độ nhớt động lực học của chất lỏng và mật độ của nó:   v  ( 2.1) Trong đó: +  là mật độ của chất lỏng +  là độ nhớt động lực học của chất lỏng. - Độ nhớt tương đối theo Angle: đây là độ nhớt đo bằng tỉ số giữa thời gian chảy từ nhớt kế Angle của 200ml chất lỏng (ở nhiệt độ thí nghiệm cho trước) 2.2.3. Tính hoá học Độ tin cậy của vật liệu phải được đảm bảo khi làm việc lâu dài nghĩa là không bị phân hủy để giải thoát ra các sản phẩm phụ và không ăn mòn lim loại tiếp xúc với nó, không phản ứng với các chất khác (ví dụ: khí, nước, axít, kiềm, dung dịch muối…). Độ bền đối với tác động của các chất này ở các vật liệu cách điện khác nhau thì rất khác nhau. Khi sản xuất các chi tiết có thể gia công vật liệu bằng những phương pháp hoá công khác nhau – dính được, hoà tan trong dung dịch tạo thành sơn. 12
Độ hoà tan của vật liệu rắn có thể đánh giá bằng khối lượng vật liệu chuyển sang dung dịch trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị diện tích tiếp xúc giữa vật liệu với dung môi. Ngoài ra người ta còn đánh giá độ hoà tan theo khối lượng lớn nhất của chất có thể hoà tan trong dung dịch. Dễ hoà tan nhất là các chất có bản chất hoá học gần với dung môi và chứa các nguyên tử giống nhau trong phân tử. Các chất lưỡng cực dễ hoà tan hơn trong chất lỏng lưỡng cực, các chất trung tính trong chất lỏng trung tính. Ví dụ, hyđrô cácbon không cực hay cực tính yếu (paafin, cao su) dễ hoà tan trong hyđrô các bon lỏng như: xăng… Khi tăng mức trùng hợp thì độ hoà tan giảm. Khi tăng nhiệt độ thì độ hoà tan tăng lên. 2.3. Một số vật liệu cách điện 2.3.1. Vật liệu sợi. Vật liệu cách điện sợi đƣợc chế tạo bằng vật liệu hữu cơ nhƣ: gỗ, giấy, phíp, vải bông và vật liệu vô cơ nhƣ: amiăng, sợi thủy tinh. Vật liệu cách điện hữu cơ rất xốp thể tích lỗ xốp chiếm (40 50)%. Do đó độ ngấm ẩm lớn. Để nâng cao tính năng cách điện của vật liệu này cần phải sấy và tẩm dầu cách điện. 2.3.2. Giấy và cáctông. Là những vật liệu hình tấm hoặc quấn lại bằng cuộn có cấu tạo xơ ngắn, thành phần chủ yếu là xenlulô đƣợc dùng phổ biến làm cách điện trong máy điện, máy biến áp, khí cụ điện, giấy và cáctông đƣợc sản xuất từ vật liệu sợi hữu cơ nhƣ gỗ, bông vải, tơ lụa...Vật liệu vô cơ nhƣ: amiăng, thuỷ tinh. 2.3.3. Phíp. Là một loại giấy đƣợc ngâm trong dung dịch clorua kẽm (ZnCl2) nóng rồi đem quấn vào một tang quay bằng thép để có đƣợc chiều dày cần thiết, rồi đƣợc đem ép và trải qua quá trình gia công thành một vật liệu mịn thuần nhất gọi là phíp, phíp đƣợc dùng chủ yếu để chế tạo các chi tiết cách điện có hình dạng phức tạp. 2.3.4. Amiăng. Là tên thƣờng gọi của nhóm khoáng vật, có cấu trúc xơ, amiăng có ƣu điểm chịu đƣợc nhiệt độ cao, ở nhiệt độ mà các xơ hữu cơ khác hoàn toàn bị phá hủy thì amiăng vẫn còn bền và uốn đƣợc. Khi nhiệt độ từ (300 400)0C thì amiăng mất đi độ bền cơ. Amiăng rất thấm nƣớc nên khi sử dụng phải tẩm. Loại amiăng thông thƣờng (crizotin) có thể hòa tan trong axit ngoại trừ một vài loại đặc biệt rất hiếm lại có tính chịu đƣợc axit. Tính cách điện của amiăng không cao lắm nên không đƣợc dùng cách điện trong điện cao thế và cao tần. Điện trở suất của khối amiăng là 1010 1012 .cm. Để phù hợp với yêu cầu sử dụng ngƣời ta sản xuất amiăng thành giấy, vải, băng….. 2.3.5. Ximăng amiăng. Ximăng amiăng đƣợc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện, là một chất dẻo đƣợc ép nguội. Thành phần chủ yếu là các chất vô cơ, trong đó chất độn là amiăng, còn chất kết dính là ximăng. Ximăng amiăng đƣợc sản xuất ra thành tâm, ống và các sản phẩm theo hình mẫu. Có độ bền cơ không cao lắm và chịu nhiệt tốt, chịu đƣợc sự phóng điện của hồ quang nhƣng tính cách điện thấp và hút ẩm.Thƣờng đƣợc dùng làm bảng phân phối, tấm chắn ngăn các buồng dập hồ quang. 2.3.6. Gỗ và tre. Cần phải đƣợc xử lý chống ẩm, chống nấm mốc trƣớc khi dùng. Tre, gỗ đƣợc dùng phổ biến làm nêm cách điện trong máy điện, tre đƣợc sấy khô ở nhiệt độ 1000C từ (4 5) giờ sau đó nấu trong dầu ở nhiệt đô từ (125 130)0C trong 3 giờ cuối cùng để nguội trong dầu 24 giờ sau đó 13
cho dầu chảy bớt và tiến hành sấy ở nhiệt độ 1050C trong 6 giờ sấy xong đƣợc tẩm parapin, làm tăng khối lƣợng (60 70)% độ bền cách điện tăng từ (1,5 2) lần. Gỗ tre có cấu tạo liên kết sợi theo thớ dọc, do đó rất dễ bị ngấm ẩm, cần quét lớp sơn bảo vệ. Đối với các máy điện làm việc vùng nhiệt đới có độ ẩm cao nên dùng nêm bằng bakêlit. 2.3.7. Băng cách điện. Các loại vải lụa, amiăng mạ tráng thủy tinh thƣờng đƣợc dùng để bảo vệ các cuộn dây máy điện. Băng amiăng đƣợc làm từ các sợi amiăng đàn hồi có chứa oxít sắt dùng làm băng bảo vệ cho các cuộn dây của máy điện, điện áp từ 6 kV trở lên. Các loại này trƣớc khi sử dụng phải tẩm sơn, sau khi tẩm độ chịu nhiệt sẽ giảm, băng thủy tinh có độ chịu nhiệt, chịu ẩm tốt hơn loại trên. 2.3.8. Vải sơn cách điện. Là loại vải bông, lụa, thủy tinh có tẩm sơn, có độ đàn hồi và độ mềm đƣợc dùng làm cách điện rãnh của các máy điện có điện áp thấp. Trong các máy điện có điện áp cao vải sơn đƣợc dùng làm cách điện ở các đầu dây quấn, cách điện giữa các cuộn dây, ngoài ra vải sơn còn đƣợc dùng cách điện cho các bộ phận bị uốn cong nhiều. Độ bền điện của loại băng sợi bông có trị số khoảng (35 50)kV/mm, loại bằng tơ (55 90)kV/mm. Vải sơn cách điện thƣờng đƣợc sản suất ở dạng cuộn rộng (700 1000)mm, chiều dày của vải cách điện là (0,15 0,24) mm. Gần đây có khuynh hƣớng thay thế vải sơn và giấy sơn cách điện bằng vật liệu cách điện dẻo đó là màng dẻo. 2.3.9. Chất dẻo Chất dẻo là loại vật liệu đƣợc dùng rộng rãi trong kỹ thuật cũng nhƣ trong đời sống. Đặc điểm của chất dẻo là dƣới tác dụng của sức ép từ bên ngoài sẽ nhận đƣợc hình dáng đã định trƣớc của khuôn ép để chế tạo ra các sản phẩm. Trong kỹ thuật điện ngƣời ta thƣờng dùng chất dẻo để làm vật liệu cách điện cũng nhƣ dùng làm các kết cấu thuần túy. a. Hêtinắc: đƣợc sản xuất ra bằng cách ép nóng giấy đã đƣợc tẩm nhựa bakêlít. Hêtinắc có khối lƣợng riêng từ 1,25 đến 1,4 G/cm3. Độ bền điện cao khoảng (20 25)kV/mm, = 5 6 Hêtinắc đƣợc sử dụng trong việc chế tạo các thiết bị và dụng cụ điện cao áp và hạ áp. Ngoài ra, Hêtinắc cũng đƣợc sử dụng trong kỹ thuật thông tin. b. Téctôlít: đƣợc sản xuất ra bằng cách ép nóng vải đã đƣợc tẩm nhựa bakêlít, nó cũng tƣơng tự Hêtinắc nhƣng có giới hạn bền kéo dọc và ứng suất dai va đập theo chiều thẳng góc với lớp cách điện không cao hơn Hêtinắc nhƣng độ bền nhiệt cao hơn. 2.3.10. Nhựa cách điện: Nhựa là tên gọi của một nhóm các vật liệu có nguồn gốc và bản chất rất khác nhau nhƣng có một số đặc điểm giống nhau về bản chất hóa học cũng nhƣ tính chất vật lý. Ở nhiệt độ thấp nó là những chất vô định hình. Khi ở nhiệt độ cao nhựa mềm ra trở thành dẻo và sau đó hóa lỏng. Nhƣ vậy, nhiệt độ hóa lỏng của nhựa không thể hiện rõ rệt. Phần lớn các loại nhựa đƣợc sử dụng trong kỹ thuật cách điện không hòa tan trong nƣớc và ít hút ẩm, nhƣng chúng lại hòa tan trong các dung môi hữu cơ thích hợp. Thông thƣờng nhựa có tính kết dính và khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn nhựa sẽ gắn chặt vào vật rắn tiếp xúc với nó. Trong kỹ thuật cách điện nhựa đƣợc dùng làm thành phần quan trọng của các loại sơn, các hỗn hợp, các chất dẻo, các vật liệu xơ nhân tạo và xơ tổng hợp… Dựa theo nguồn gốc của các loại nhựa, ngƣời ta chia ra thành các loại nhựa tự nhiên, nhựa nhân tạo và nhựa tổng hợp. 2.3.11. Dầu thực vật Dầu thực vật rất quan trọng trong kỹ thuật cách điện, đó là những chất lỏng nhớt thu đƣợc từ hạt của các loại thực vật khác nhau. Trong số các loại dầu đó cần đặc biệt chú ý tới dầu khô. Dƣới tác dụng của ánh sáng và khi tiếp xúc với oxy của không khí cũng nhƣ dƣới tác dụng của các 14
yếu tố khác dầu khô có khả năng chuyển qua trạng thái rắn. Những màng dầu khô đã cứng lại khá bền đối với tác dụng của dung môi, chúng không hòa tan ngay cả khi đƣợc đun nóng trong hyđrôcácbon nặng nhƣ dầu máy biến áp, vì vậy, chúng có tính chất chịu dầu. Nhƣng đối với hyđrôcácbon thơm (benzen) thì chúng kém bền hơn, khi đốt nóng lớp màng đã cứng lại vẫn không hóa dẻo. Vì vậy dầu khô là loại nhiệt cứng. Những loại thƣờng đƣợc dùng nhất là dầu gai, dầu trẩu, dầu thầu dầu. 2.3.12. Điện môi sáp. Vật liệu sáp đƣợc sử dụng trong kỹ thuật điện là những chất rắn, dễ nóng chảy, màu trắng hay màu vàng tƣơi, có độ bền cơ thấp và ít hút ẩm. Vật liệu sáp dùng vào việc ngâm tẩm, song chúng có nhƣợc điểm là khi đông đặc thì có độ co ngót lớn, khoảng (15 20)%. Vì vậy dễ sinh ra bọt khí trong vật liệu cách điện và làm cho cƣờng độ cách điện của khối điện môi giảm. Để khắc phục đƣợc vấn đề này ngƣời ta thƣờng tẩm chất cách điện dƣới áp suất cao. 2.3.13. Sơn và các hợp chất cách điện: Trong kỹ thuật cách điện, sơn và các hợp chất cách điện có tầm quan trọng rất to lớn, chúng ở dạng lỏng trong quá trình chế tạo cách điện, nhƣng sau đó đông rắn lại, khi dùng thì ở trạng thái rắn. Vì vậy sơn và hợp chất cách điện đƣợc xếp vào loại vật liệu cách điện rắn. 2.3.14. Dầu mỏ cách điện (dầu máy biến áp) : Trong số các vật liệu cách điện thể lỏng thì dầu biến áp đƣợc ứng dụng nhiều nhất vào kỹ thuật điện. Dầu máy biến áp có hai chức năng chính: Lấp đầy các lổ xốp trong vật liệu cách điện gốc sợi và khoảng trống giữa các dây dẫn của cuộn dây, giữa cuộn dây và vỏ máy biến áp làm nhiệm vụ cách điện và tăng độ bền cách điện của lớp cách điện lên rất nhiều. Dầu máy biến áp có nhiệm vụ làm mát, tăng cƣờng sự thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và lỏi thép của máy biến áp sinh ra, đồng thời một ứng dụng quan trọng khác của dầu máy biến áp là sử dụng làm cách điện và dập tắt hồ quang điện giữa các đầu cực trong các máy cắt dầu, điện áp cao, dầu máy biến áp tạo điều kiện làm nguội dòng hồ quang và nhanh chóng dập tắt hồ quang. Ngƣời ta còn dùng dầu máy biến áp làm cách điện và làm mát trong một số kháng điện, biến trở và các thiết bị điện khác. 2.3.15. Chất đàn hồi. Những vật liệu trên cơ sở của cao su và những chất có đặc tính gần giồng cao su gọi là chất đàn hồi có ý nghĩa lớn trong nhiều kỹ thuật khác nhau và trong đời sống. Cao su có một số tính chất quan trọng sau: tính đàn hồi cao, tính ít thấm ẩm và ít thấm khí. 2.3.16. Điện môi vô cơ Là loại vật liệu quan trọng trong kỹ thuật điện và vô tuyến điện. Đa số những điện môi vô cơ có những đặc tính tốt nhƣ: tính chịu nhiệt cao, không hút ẩm, độ bền cơ cao và ổn định, chịu đƣợc tác dụng của bức xạ năng lƣợng và là vật liệu rẻ tiền. Như: Thủy tinh, gốm sứ.. 3. Vật liệu bán dẫn 3.1. Khái niệm chung Chất bán dẫn là những chất có độ dẫn điện ở mức trung gian vừa dẫn điện và vừa cách điện. Chất bán dẫn được xem như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Gọi là “bán dẫn” vì ở một điều kiện nào đó chất này sẽ dẫn điện, còn ở điều kiện khác sẽ không dẫn điện. Hoặc: chất bán dẫn ( tiếng anh: Semiconductor) là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện . Gọi là "bán dẫn" (chữ "bán" theo nghĩa Hán Việt có nghĩa là một nửa), có nghĩa là có 15
thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện. 3.2. Tính chất chung * Độ dẫn điện trong vật liệu bán dẫn Các chất bán dẫn dẫn điện kém ở nhiệt độ bình thường. Khoa học kỹ thuật ngày nay đã có nhiều cải tiến khắc phục tình trạng này, để chúng tạo ra nhiều electron tự do, nhờ một số tạp chất hoặc hiệu ứng trường dành cho chất bán dẫn giúp dẫn điện tốt hơn. * Hiệu ứng trường Khi kết hợp hai lớp p-n với nhau điều này dẫn đến việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc p-n. Các điện tử từ n sẽ chuyển sang lớp p và ngược lại các lỗ trống lớp p chuyển sang lớp n do quá trình trung hòa về điện. Một sản phẩm của quá trình này là làm ion tích điện, tạo ra một điện trường. * Vùng năng lượng Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính, đó là: - Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động. - Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng. - Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện. * Bản chất dòng diện trong vật liệu bán dẫn - Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn thuần Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện tử và làm gãy một số nối hóa trị. Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và có thể di chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường. Tại các nối hóa trị bị gãy ta có các lỗ trống (hole). Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng nhiệt năng làm tăng năng lượng các điện tử trong dải hóa trị. Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm (0,7eV đối với Ge và 1,12eV đối với Si), điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ trống (trạng thái năng lượng trống) trong dải hóa trị. Ta nhận thấy số điện tử trong dải dẫn điện bằng số lỗ trống trong dải hóa trị. Nếu ta gọi n là mật độ điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện và p là mật độ lỗ trống có năng lượng trong dải hóa trị. Ta có: n = p = ni Ta gọi chất bán dẫn có tính chất n=p là chất bán dẫn nội bẩm hay chất bán dẫn thuần. Thông thường người ta gặp nhiều khó khăn để chế tạo chất bán dẫn loại này. - Bán dẫn pha tạp Gồm có chất bán dẫn loại N (bán dẫn âm) và bán dẫn loại P (bán dẫn dương): 16
+ Chất bán dẫn loại N: Cho một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do. Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử (mang điện âm) và được gọi là bán dẫn N (Negative: âm). + Chất bán dẫn loại P: Cho một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử, trở thành lỗ trống (mang điện dương) và được gọi là chất bán dẫn P. * Ứng dụng của chất bán dẫn Vì chất bán dẫn không được bày bán một cách phổ thông trong các cửa hàng giống như các thiết bị điện, nên nó có thể khó hình dung với nhiều người, nhưng trong thực tế, nó được sử dụng trong rất nhiều thiết bị hiện nay. Chất bán dẫn không phải là vật chất mà mọi người thường thấy trực tiếp bên ngoài, nên khá khó hiểu và mường tượng ra được, tuy nhiên thực tế được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị hiện đại, như: – Cảm biến nhiệt độ trong điều hòa, hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác trong nồi cơm điện có sử dụng chất bán dẫn. Bộ vi xử lý của máy tính CPU cũng được làm từ các nguyên liệu chất bán dẫn…. Nhiều thiết bị thông minh khác như điện thoại di động, máy ảnh, TV, máy giặt, tủ lạnh và bóng đèn LED cũng sử dụng chất bán dẫn. Hoặc trong hoạt động của cây ATM, xe lửa, internet, thiết bị truyền thông…. – Ngoài ra, tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền p rất mỏng kẹp giữa hai miền n và n gọi là tranzito lưỡng cực n-p-n được ứng dụng nhiều để lắp mạch khuếch đại và khóa điện tử. Sự xuất hiện của chất bán dẫn đã mang lại nhiều lợi ích trong ứng dụng cuộc sống của con người, góp phần phát triển các thiết bị điện hiện đại. Khóa điện tử sử dụng chất bán dẫn 17
Ứng dụng chất bán dẫn hiện nay Ví dụ: - Cảm biến nhiệt độ được trong điều hòa không khí được làm từ chất bán dẫn. Nồi cơm điện có thể nấu cơm một cách hoàn hảo là nhờ hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác có sử dụng chất bán dẫn. Bộ vi xử lý của máy tính CPU cũng được làm từ các nguyên liệu chất bán dẫn. - Nhiều sản phẩm tiêu dùng kỹ thuật số như điện thoại di động, máy ảnh, TV, máy giặt, tủ lạnh và bóng đèn LED cũng sử dụng chất bán dẫn. - Ngoài lĩnh vực điện tử tiêu dùng, chất bán dẫn cũng đóng một vai trò trung tâm trong hoạt động của các máy ATM, xe lửa, internet, truyền thông và nhiều thiết bị khác trong cơ sở hạ tầng xã hội, chẳng hạn như trong mạng lưới y tế được sử dụng để cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe người cao tuổi, vv… Thêm vào đó, hệ thống hậu cần hiệu quả sẽ giúp tiết kiệm năng lượng, thúc đẩy việc bảo tồn môi trường toàn cầu. 18
Bộ vi xử lý của máy tính CPU cũng được làm từ các nguyên liệu chất bán dẫn. Không thể phủ nhận những lợi ích mà chất bán dẫn mang lại với con người hiện nay. Với sự xuất hiện của chất bán dẫn hiện nay đã đóng góp một phần không nhỏ trong quá trình phát triển các sản phẩm điện hiện nay. 3.3. Một số vật liệu bán dẫn 3.3.1. Silic (Si), Chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện, điện tử hàng ngày như máy tính cá nhân, TV, điện thoại thông minh, máy ảnh kỹ thuật số, thẻ IC, vv…Vật liệu bán dẫn được sử rộng dãi nhất trong ngành công nghiệp bán dẫn là Silic (ký hiệu hóa học = Si). Silic là nguyên tố phổ biến thứ hai trên trái đất sau oxy. Hầu hết Silic được tìm thấy trong đất và đá, nhưng nó cũng được chứa trong nước tự nhiên, cây cối và thực vật. Tuy nhiên, trong tự nhiên Silic thường được tìm thấy ở dạng hợp chất với oxy, nhôm và magiê. Kết quả là, để thu được Silic tinh khiết chúng ta phải chiết xuất từ các hợp chất của chúng. Silic được sử dụng trong các thiết bị bán dẫn dưới dạng các mạch tích hợp (IC) đòi hỏi có cấu trúc đơn tinh thể và độ tinh khiết siêu cao "99,999999999%" (cái gọi là "eleven nines hay 11 số 9") và được tinh chế bằng rất nhiều quá trình xử lý khác nhau sau khi khai thác. Cấu trúc đơn tinh thể là một cấu trúc trong đó các nguyên tử được sắp xếp một cách trật tự trong không gian ba chiều, các đơn vị cơ bản trong cách sắp xếp này được gọi là mạng tinh thể. Một 19
đơn tinh thể là một mạng tinh thể trong một trật tự, sắp xếp liên tục. Mạng tinh thể của Silic có cấu trúc lập phương giống cấu trúc tinh thể của kim cương, trong đó mỗi nguyên tử Silic được liên kết với bốn nguyên tử silic ngần nhất. Silic là một nguyên tố rất phổ biến, và thường được sử dụng làm nguyên liệu chất bán dẫn vì cấu trúc ổn định của nó. Việc tinh chế Silic tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Tại Nhật Bản, nguyên liệu silic đã tinh chế thô (phôi) tới độ tinh khiết 98% được nhập khẩu từ Australia, Trung Quốc và Brazil, những nơi có giá điện tương đối rẻ. 4. Vật liệu dẫn từ 4.1. Khái niệm chung Vật liệu dẫn từ chủ yếu là vật liệu sắt từ có kết cấu mạng tinh thể. Nguyên nhân gây ra tính chất từ trong vật liệu, là do sự chuyển dịch của các điện tích tạo nên những dòng điện vòng, đó là sự quay của các điện tử trên quỹ đạo trong nguyên tử. 4.2. Tính chất chung * Vật liệu sắt từ mềm tần số thấp Là vật liệu sắt từ mềm được dùng làm lõi sắt máy biến áp, động cơ điện, nam châm điện, dụng cụ đo lường và một số thiết bị khác, khi mà ở đó có từ cảm lớn nhưng mà chỉ cần năng lượng bé nhất. Sắt kỹ thuật: Thành phần ngoài sắt còn có cacbon, lưu huỳnh, mangan, silic và nguyên tố khác. Do có điện trở suất bé nên sắt kỹ thuật ít dùng, chủ yếu làm gông từ. Thép kỹ thuật điện: Trong thành phần có silic < 5% nên điện trở suất cao, làm cho tổn hao dòng điện xoáy giảm, do đó được dùng nhiều. 20