Vật liệu điện là tất cả những chất liệu dùng để sản suất các thiết bị sử dụng trong lĩnh vực ngành điện. Thường được phân ra các vật liệu theo đặc điểm, tính chất và công dụng của nó, thường là các vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu dẫn từ.Nguyên tử là phần tử cơ bản nhất của vật chất. Mọi vật chất đều được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử theo mô hình nguyên tử của Bo.Nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương (gồm proton p và nơtron n) và các điện tử mang điện tích âm (electron, ký hiệu là e) chuyển động xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo xác định.

Đang xem: Khái Niệm Cấu Tạo Của Vật Liệu Điện Là Gì

*
*

Xem thêm:

Bạn đang xem nội dung tài liệu Bài giảng Vật liệu điện, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Xem thêm: Khách Sạn 5 Sao Mũi Né Cực Sang Chảnh, Khách Sạn 5 Sao Mũi Né

BÀI GIẢNGVẬT LIỆU ĐIỆNCHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆNMục đích chương này nhắc lại một số kiến thức cơ bản đã được học ở phổ thông trung học cần thiết về cấu tạo vật chất trước khi nghiên cứu những vật liệu kỹ thuật điện cụ thể. 1.1.KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN1.1.1. KHÁI NIỆMVật liệu điện là tất cả những chất liệu dùng để sản suất các thiết bị sử dụng trong lĩnh vực ngành điện. Thường được phân ra các vật liệu theo đặc điểm, tính chất và công dụng của nó, thường là các vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu dẫn từ.1.1.2.CẤU TẠO NGUYÊN TỬ CỦA VẬT LIỆUNguyên tử là phần tử cơ bản nhất của vật chất. Mọi vật chất đều được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử theo mô hình nguyên tử của Bo.Nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương (gồm proton p và nơtron n) và các điện tử mang điện tích âm (electron, ký hiệu là e) chuyển động xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo xác định.Nguyên tử : Là phần nhỏ nhất của một phân tử có thể tham gia phản ứng hoá học, nguyên tử gồm có hạt nhân và lớp vỏ điện tử hình 1.1- Hạt nhân : gồm có các hạt Proton và Nơrton- Vỏ hạt nhân gồm các electron chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định.Tùy theo mức năng lượng mà các điện tử được xếp Thành lớp.Ở điều kiện bình thường, nguyên tử trung hòa về điện, tức là: (((+)hạt nhân (= (((-)e( Khối lượng của e rất nhỏ: me= 9,1 .10-31 (Kg) qe = 1,601 . 10-19 (C)Do điện tử có khối lượng rất nhỏ cho nên độ linh hoạt của tốc độ chuyển động khá cao. Ở một nhiệt độ nhất định, tốc độ chuyển động của electron rất cao. Nếu vì nguyên nhân nào đó một nguyên tử bị mất điện tử e thì nó trở thành Ion (+), còn nếu nguyên tử nhận thêm e thì nó trở thành Ion (-).Quá trình biến đổi 1 nguyên tử trung hòa trở thành điện tử tự do hay Ion (+) được gọi là quá trình Ion hóa. Để có khái niệm về năng lượng của điện tử xét trường hợp đơn giản của nguyên thử Hydro, nguyên tử này được cấu tạo từ một proton và một điện tử e (hình 1.2). Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo có bán kính r bao quanh hạt nhân, thì giữa hạt nhân và điện tử e có 2 lực: Lực hút (lực hướng tâm): f1 =  (1-1)và lực ly tâm: f2 = (1-2)trong đó: m – khối lượng của điện tử,v – vận tốc dài của chuyển động trònỞ trạng thái trung hòa, hai lực này bân bằng: f1 = f2 hay mv2 =  (1-3)Năng lượng của điện tử sẽ bằng:We = T + U (Động năng T + Thế năng U)trong đó: T = , U = -.Vậy We = T + U = -  = - hay We = -(1-4)Biểu thức trên chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử đều tương ứng với một mức năng lượng nhất định và để di chuyển nó tới quỹ đạo xa hơn phải cung cấp năng lượng cho điện tử,… Năng lượng của điện tử phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo chuyển động. Điện tử ngoài cùng có mức năng lượng thấp nhất do đó dễ bị bứt ra và trở thành trạng thái tự do. Năng lượng cung cấp cho điện tử e để nó trở thành trạng thái tự do gọi là năng lượng Ion hóa (Wi).Để tách một điện tử trở thành trạng thái tự do thì phải cần một năng lượng Wi ( We. Khi Wi ( We chỉ kích thích dao động trong một khoảng thời gian rất ngắn, các nguyên tử sau đó lại trở về trạng thái ban đầu. Năng lượng Ion hóa cung cấp cho nguyên tử có thể là năng lượng nhiệt, năng lượng điện trường hoặc do va chạm, năng lượng tia tử ngoại, tia cực tím, phóng xạ. Ngược lại với quá trình Ion hóa là quá trình kết hợp:Nguyên tử + e ( Ion (-).Ion (+) + e ( nguyên tử, phân tử trung hòa.1.1.3.CẤU TẠO PHÂN TỬ CỦA VẬT LIỆULà phần nhỏ nhất của một chất ở trạng thải tự do nó mang đầy đủ các đặc điểm, tính chất của chất đó, trong phân tử các nguyên tử liên kết với nhau bởi liên kết hóa học.Vật chất được cấu tạo từ nguyên, phân tử hoặc ion theo các dạng liên kết dưới đây:1.1.3.1. Liên kết đồng hóa trịLiên kết này đặc trưng bởi sự kiện là một số điện tử đã trở thành chung cho các nguyên tử tham gia hình thành phân tử.Lấy cấu trúc của phân tử clo làm ví dụ: phân tử này gồm 2 nguyên tử clo và như đã biết, nguyên tử clo có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử ở lớp ngoài cùng (điện tử hoá trị). Hai nguyên tử clo liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung hai điện tử như trên hình 1.3 . Lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của nguyên tử kia.Phân tử liên kết đồng hoá trị có thể là trung tính hoặc cực tính. Phân tử clo thuộc loại trung tính vì các trung tâm điện tích dương và điện tích dương trùng nhau.Axit clohydric HCl là ví dụ của phân tử cực tính. Các trung tâm điện tích dương và âm cách nhau một khoảng và như vậy phân tử này được xem như một lưỡng cực điện.Tùy theo cấu trúc các phân tử đối xứng hay không đối xứng mà chia các phân tử ra làm hai loại- Phân tử không phân cực là phân tử mà trọng tâm điện tích âm trùng với trọng tâm điện tích dương- Phân tử phân cực là phân tử mà tâm điện tích âm cách trọng tâm điện tích dương một khoảng lĐể đặc trưng cho sự phân cực nguời ta dùng mô men lưỡng cựcPe = q.lTrong đó:q: là điện tíchl: có chiều –q đến +q và có độ lớn bằng l( khoảng cách giữa trọng tâm điện tích dương và trọng tâm điện tích âm)1.1.3.2. Liên kết IonLiên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các Ion (+) và Ion(-). Liên kết này chỉ xảy ra giữa các nguyên tử của các nguyên tố hóa học có tính chất khác nhau.Đặc trưng cho dạng liên kết kim loại là liên kết giữa các kim loại và phi kim để tạo thành muối, cụ thể là Halogen và kim loại kiềm gọi là muối Halogen của kim loại kiềm. Liên kết này khá bền vững. Do vậy nhiệt độ nóng chảy của các chất có liên kết Ion rất cao Ví dụ: liên kết giữa Na và Cl trong muối NaCl là liên kết ion ( vì Na co 1 electron lớp ngoài cùng cho nên dễ nhường 1 electron tạo thành Na+, Cl có 7 electron ở lớp ngoài cùng cho nên dễ nhận 1 electron tạo thành Cl- , hai ion này trái dấu sẽ hút nhau và tạo thành phân tử NaCl, muối NaCl có tính hút ẩm tnc =8000C, tsôi 1: gọi là vật liệu thuận từ.(>1: gọi là vật liệu dẫn từ.1.2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN1.2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điệnTrên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện (điện môi ), bán dẫn và dẫn điện1. 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 hóa trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt vẫn không thể duy chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn. Chiều rộng vùng cấm của điện môi (W nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài điện tử von ( eV).2. Bán dẫn: là chất có vùng cấm hẹp hơn so với điện môi, vùng này có thể thay đổi nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé ((W=0,5-1,5eV), do đó ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hóa trị ở vùng đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn.3. Vật dẫn: là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy thậm chí có thể chồng lên vùng đầy ((W 1 và cũng không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ oxit, muối sắt, các muối coban và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim3. Chất dẫn từ : là các chất có ( >1 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 …1.2.3. 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 the khiCÂU HỎI CHƯƠNG 1Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử, phân biệt chất trung tính và chất cực tính ?Trình bày nguyên nhân gây ra những khyết tật trong vật rắn ?Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất4. Tính lực hút hướng tâm và lực hút ly tâm một nguyên tử biết me= 9,1 .10-31 (Kg)qe = 1,601 . 10-19 (C), v = 1,26.105m/s5. Tính năng lượng một nguyên tử biết me= 9,1 .10-31 (Kg), qe = 1,601 . 10-19 (C), v = 1,24.106 m/s6. Trình bày cách phân loại vật liệu điện ?CHƯƠNG 2VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN2.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN2.1.1. Khái niệm về vật liệu dẫn điệnVật liệu dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do. Nếu đặt chúng vào trong một điện trường, các điện tích sẽ chuyển động theo một hướng nhất định của trường và tạo thành dòng điện. Người ta gọi vật liệu có tính dẫn điện.1. Vật liệu có tính dẫn điện tử: là vật chất mà sự hoạt động của các điện tích không làm biến đổi thực thể đã tạo thành vật liệu đó. Vật dẫn có tính dẫn điện tử bao gồm những kim loại ở trạng thái rắn hoặc lỏng, hợp kim và một số chất không phải kim loại như than đá. Kim loại và hợp kim có tính dẫn điện tốt được chế tạo thành dây dẫn điện, như dây cáp, dây quấn dẫn điện trong các máy điện và khí cụ điện….Kim loại và hợp kim có điện trở suất lớn (dẫn điện kém) được sử dụng trong các khí cụ điện dùng để sưởi ấm, đốt nóng, chiếu sáng, làm biến trở….2. Vật liệu có tính dẫn Ion: là những vật chất mà dòng điện đi qua sẽ tạo nên sự biến đổi hóa học. Vật dẫn có tính dẫn Ion thông thường là các dung dịch: dung dịch axit, dung dịch kiềm và các dung dịch muối.Vật liệu dẫn điện có thể ở thể rắn, lỏng và trong một số điều kiện phù hợp có thể là thể khí hoặc hơi.Vật liệu dẫn điện ở thể rắn gồm các kim loại và hợp kim của chúng (trong một số trường hợp có thể không phải là kim loại hoặc hợp kim).Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng bao gồm các kim loại lỏng và các dung dịch điện phân. Vì kim loại thường nóng chảy ở nhiệt độ rất cao trừ thủy ngân (Hg) có nhiệt độ nóng chảy ở -390C do đó trong điều kiện nhiệt độ bình thường chỉ có thể dùng vật liệu dẫn điện kim loại lỏng là thủy ngân.Các chất ở thể khí hoặc hơi có thể trở nên dẫn điện nếu chịu tác động của điện trường lớn.Vật liệu dẫn điện được phân thành 2 loại: vật liệu có tính dẫn điện tử và vật liệu có tính dẫn Ion.2.2.2. Tính chất của vâtk liệu dẫn điện2.2.2.1. Điện trở RLà quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi đặt lên vật dẫn và dòng điện chạy qua vật dẫn đó.Điện trở của dây dẫn được xác định theo biểu thức:( = R. (2.1)Trong đó: R- Điện trở (()(- Điện trở suất (( mm2/m)S- tiết diện dây dẫn (mm2)l- Chiều dài dây dẫn(m)2.2.2.2. Điện dẫn GĐiện dẫn G của một dây dẫn là đại lượng nghịch đảo của điện trở RG = (2.2)Điện dẫn G được tính với đơn vị là (1/() = (S) – Simen2.2.2.3. Điện trở suất (Là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài và tiết diện là một đơn vị diện tích.Dòng điện đi trong vật dẫn được cho bởi công thức: i = no.S.vtb.e (2.3)trong đó:no : nhiệt độ phần tử mang điện.S : tiết diện vật dẫnvtb: tốc độ chuyển động trung bình của điện tử dưới tác dụng của điện trường E.e : điện tích của phần tử mang điện.Thay vtb = uE (u – độ di chuyển của phần tử mang điện) vào (2.3), ta được dạng tổng quát của định luật ôm:i = no.e.u.E = (E(2.4)với ( = no.e.u được gọi là điện dẫn suất.2.2.2.4. Điện dẫn suất (Đại lượng nghịch đảo của điện dẫn suất ( gọi là điện trở suất (( =  (2.5)Với một vật dẫn có tiết diện S và độ dài l không đổi thì ( được xác định bởi biểu thức: ( = R.(2.6)R là điện trở dây dẫn.Đơn vị của điện trở suất là ( mm2/m hoặc ((cm hoặc (m hoặc (cm,1(cm = 106 ((cm = 104 (mm2/m = 10-2 (m.Từ (2.4), ta có:R = (.  =  (()(2.7)2.2.3. Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệua. Ảnh hưởng của nhiệt độ:Điện trở suất của đa số kim loại và hợp kim đều tăng theo nhiệt độ, riêng điện trở suất của cácbon và của dung dịch điện phân giảm theo nhiệt độ.Thông thường, điện trở suất ở nhiệt độ sử dụng t2 được tính toán xuất phát từ nhiệt độ t1(t1 thường là 200C) theo công thức:(= (< 1+ ((t2 - t1)>(2.8)( – là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ (1/oC).Qua nghiên cứu, người ta thấy: Các kim loại tinh khiết thì hệ số ( gần như giống nhau và được lấy bằng: ( = 4. 10-3 (1/oC) (2.9)Đối với khoảng chênh lệch nhiệt độ (t2 – t1) thì ( trung bình là:( =(2.10)Bảng 2.1 đưa ra nhiệt độ nóng chảy, điện trở suất ( và hệ số thay đổi điện trở suất ( theo nhiệt độ của một số kim loại hay dùng trong kỹ thuật điện.Bảng 2.1 Các đặc tính vật lý chủ yếu của kim loại (ở 200C) dùng trong kỹ thuệt điệnKim loạiNhiệt độ nóng chảy (0C)Điện trở suất (() ở 200C ((mm2/m)Hệ số ( (1/0C)Vàng 10630,0220 – 0,02400,00350 – 0,00398Bạc 9610,0160 – 0,01650,00340 – 0,00429Đồng 10830,0168 – 0,01820,00392 – 0,00445Nhôm6570,0262 – 0,04000,00350 – 0,00398Vônfram33800,0530 – 0,06120,00400 – 0,00520Kẽm

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *