Tài liệu tham khảo môn Vật liệu điện | Môn Vật liệu điện| Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ...   ... BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN Bậc học: TCCN
GV: Trần Thị Ánh Duyên
Bộ môn: Điện - Điện tử
Khoa: Kỹ thuật Công nghệ
Quảng Ngãi, năm 2015
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ...   ... BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN
Bậc học: TCCN (30 tiết)
GV: Trần Thị Ánh Duyên
Bộ môn: Điện - Điện tử
Khoa: Kỹ thuật Công nghệ
Quảng Ngãi, năm 2015 LỜI NÓI ĐẦU
Bài giảng “Vật liệu điện” thời lượng 30 tiết được biên soạn dùng làm tài liệu học
tập cho sinh viên bậc TCCN chính qui ngành Điện công nghiệp và dân dụng, trường đại
học Phạm Văn Đồng. Bài giảng sẽ trình bày các lý thuyết cơ bản trong môn vật liệu điện,
gồm 3 phần cơ bản: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu cách điện. Nội dung bài
giảng được biên soạn đúng theo đề cương chi tiết môn học do trường đại học Phạm Văn
Đồng ban hành. Bài giảng gồm 8 chương, trong đó:
Phần 1. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
Chương 1. Những vấn đề chung
Chương 2. Kim loại, hợp kim và các đặc tính của chúng
Chương 3. Kim loại và hợp kim có điện dẫn suất lớn
Chương 4. Lưỡng kim loại
Chương 5. Vật liệu dùng làm tiếp điểm điện
Phần 2. VẬT LIỆU BÁN DẪN
Chương 6. Chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật điện
Phần 3. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Chương 7. Những hiểu biết cơ bản trong kỹ thuật cách điện
Chương 8. Tính chất của vật liệu cách điện
Trong quá trình biên soạn bài giảng, tác giả đã cố gắng trình bày các nội dung rất
ngắn gọn và dễ hiểu. Ngoài ra, ở cuối mỗi chương đều có các câu hỏi ôn tập nhằm giúp các
sinh viên dễ dàng hệ thống lại các kiến thức đã được học.
Tuy nhiên, trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất
mong nhận được các góp ý về nội dung bài giảng để bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn.
Các ý kiến đóng góp của bạn đọc xin gởi về địa chỉ: Bộ môn Điện - điện tử, Khoa Kỹ thuật
công nghệ, Trường Đại Học Phạm Văn Đồng.
Tác giả xin chân thành cảm ơn. Tác giả Mục lục
Chương 1. Những vấn đề chung ............................................................ Trang 1
1.1. Khái niệm vật liệu dẫn điện .................................................................................1
1.2. Phân loại...............................................................................................................1
1.3. Các đặc tính chính của vật liệu dẫn điện .............................................................2
1.4. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ................................................................2
Chương 2. Kim loại, hợp kim và các đặc tính của chúng ..............................7
2.1. Khái niệm chung ..................................................................................................7
2.2. Cấu tạo của kim loại.............................................................................................7
2.3. Cấu tạo của hợp kim.............................................................................................9
2.4. Tính chất chung của kim loại và hợp kim..........................................................10
2.5. Một số phương pháp thử kim loại và hợp kim...................................................12
Chương 3. Kim loại và hợp kim có điện dẫn suất lớn ...................................15
3.1. Đồng (Cu)...........................................................................................................15
3.2. Hợp kim của đồng .............................................................................................18
3.3. Nhôm (Al) ..........................................................................................................20
3.4. Kẽm (Zn) ............................................................................................................24
3.5. Sắt (Fe) ...............................................................................................................25
3.6. Vonfram (W) ......................................................................................................27
3.7. Chì (Pb) ..............................................................................................................29
3.8. Thủy ngân (Hg) ..................................................................................................30
3.9. Bạc (Ag) .............................................................................................................31
Chương 4. Lưỡng kim loại ...............................................................................33
4.1. Khái niệm lưỡng kim loại ..................................................................................33
4.2. Dây dẫn bằng lưỡng kim thép – đồng ................................................................33
4.3. Nhiệt lưỡng kim .................................................................................................34
Chương 5. Vật liệu dùng làm tiếp điểm điện..................................................36
5.1. Các yêu cầu chung đối với vật liệu dùng làm tiếp điểm điện ............................36
5.2. Sức bền của tiếp điểm và các yếu tố ảnh hưởng đến sức bền ............................36
Chương 6. Chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật điện ......................................39
6.1. Khái niệm chung ................................................................................................39
6.2. Chất bán dẫn thuần.............................................................................................39
6.3. Chất bán dẫn tạp ................................................................................................40
6.4. Chất bán dẫn điện dùng trong kỹ thuật điện ......................................................40
Chương 7. Những hiểu biết cơ bản trong kỹ thuật cách điện.......................45
7.1. Khái niệm chung ................................................................................................45
7.2.Tổn hao điện môi ................................................................................................47
7.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi .................................................50
7.4. Sự hóa già của vật liệu cách điện .......................................................................50
Chương 8. Tính chất của vật liệu cách điện ...................................................53
8.1. Phân loại vật liệu cách điện................................................................................53
8.2. Tính chất của vật liệu cách điện thể khí .............................................................54
8.3. Tính chất của vật liệu cách điện thể lỏng ...........................................................54
8.4. Tính chất của vật liệu cách điện thể rắn .............................................................56
8.5. Sự phóng điện trong điện môi ............................................................................57
Tài liệu tham khảo……………………………………………………………
Bài giảng Vật liệu điện
Phần I. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN Chương 1
NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG
1.1. Khái niệm vật liệu dẫn điện
Vật liệu dẫn điện là loại vật chất mà ở trạng thái bình thường tồn tại các điện tử tự
do. Nếu đặt những vật liệu này vào trong một điện trường, các điện tích sẽ chuyển động
theo hướng nhất định và tạo thành dòng điện.
Chiều của dòng điện được qui ước ngược chiều chuyển động của các điện tử tự do
(hay cùng chiều chuyển động của các điện tích dương trong điện trường)
* Chứng minh sự tồn tại trực tiếp của các điện tử tự do được phát hiện năm 1913.
Đó là sự tồn tại của hiện tượng quán tính. Nếu dây dẫn kim loại nằm ở không gian được
che chắn toàn bộ với điện từ trường nguồn, cho dây dẫn chuyển động thật nhanh và sau
đó dừng lại đột ngột thì các điện tử còn chuyển động theo quán tính. Đồng hồ chỉ thị nối
với 2 đầu dây có chỉ thị đột biến trong giây lát.
Ngoài ra, các thí nghiệm đều kết luận rằng: Tỉ số điện tích của điện tử trên khối
lượng m của nó đều bằng nhau cho tất cả các kim loại. e e = 1,602.10-19 C, m 11   e = 9,1.10-31 kg , suy ra: , 1 759.10 (C / kg) giống nhau me
cho tất cả các kim loại.
Vật liệu dẫn điện có thể tồn tại ở cả 3 trạng thái rắn, lỏng hoặc khí. 1.2. Phân loại
Vật liệu dẫn điện được phân thành hai loại:
- Vật liệu với tính dẫn điện tử hay vật dẫn loại 1 (còn gọi là vật dẫn kim loại).
- Vật liệu với tính dẫn ion hay vật dẫn loại 2 (còn gọi là vật dẫn điện phân).
a) Vật dẫn với tính dẫn điện tử:
Là loại vật dẫn mà sự hoạt động của điện tích không làm biến đổi thực thể đã làm
nên vật dẫn đó. Bao gồm: các kim loại, hợp kim ở trạng thái rắn hay lỏng và một số chất
không phải kim loại ( như than).
Kim loại và hợp kim có tính dẫn điện tốt được chế tạo thành dây dẫn điện, dây cáp,
các dây để quấn máy điện và khí cụ điện,… Kim loại và hợp kim có điện trở suất lớn
được sử dụng ở các khí cụ điện dùng để sưởi, để đốt nóng, ở các đèn chiểu sáng và các biến trở,…
b) Vật dẫn với tính dẫn ion:
Là loại vật dẫn mà khi cho dòng điện đi qua sẽ tạo nên sự biến đổi hóa học trong vật
dẫn đó. Thông thường là các dung dịch (có cơ sở là nước) axit, bazơ và muối.
Đặc biệt, khí và hơi có cường độ điện trường lớn sẽ có tính cả tính dẫn điện tử và tính dẫn ion. Trang 1
Bài giảng Vật liệu điện
1.3. Các đặc tính chính của vật liệu dẫn điện a) Điện trở R
Là quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi ở 2 đầu của dây dẫn và cường độ dòng điện
một chiều tạo nên trong dây dẫn đó.
Theo định luật Ohm, ta có: U R  I Trong đó:
R: điện trở của đoạn mạch (Ω)
U: là điện áp giữa 2 đầu đoạn mạch (V)
I: là cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch (A) b) Điện dẫn G
Là đại lượng nghịch đảo của điện trở. Kí hiệu: G 1 G  R Đơn vị của G: S (Simen) c) Điện trở suất ρ
Là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài và tiết điện là một đơn vị diện tích.
Đơn vị của ρ theo hệ SI là: Ω.m
Thông thường nó được tính theo đơn vị Ω.mm2/m và trong một số trường hợp được tính bằng μΩ.cm - Theo hệ CGS : ρ (Ω.cm) - Theo hệ MKSA : ρ (Ω.m)
1 Ωcm = 104 Ω.mm2/m = 106 μΩ.cm = 10-2 Ωm
d) Điện dẫn suất γ: Là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất.   1
1.4. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ
Xét về bản chất vật lý: Điện trở của vật dẫn chính là biểu hiện của mức độ va chạm
của các điện tử với các nguyên tử, phân tử của vật dẫn đó. Nó phụ thuộc vào chiều dài,
tiết diện và bản chất vật liệu của vật dẫn đó (điện trở suất). l R  . (Ω) S Trong đó: R: điện trở (Ω) Trang 2
Bài giảng Vật liệu điện ρ: điện trở suất
l : chiều dài dây dẫn (m)
S: tiết diện dây dẫn (m2).
Vậy điện trở của 1 vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trở suất, với chiều dài dây dẫn và tỉ lệ
nghịch với tiết diện dây dẫn.
* Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ:
Khi nhiệt độ tăng lên, các phần tử cấu thành vật chất kim loại sẽ gia tăng mức độ
chuyển động nhiệt nên các điện tử trong kim loại sẽ di chuyển khó khăn hơn, va chạm
nhiều hơn. Do đó điện trở suất của kim loại sẽ tăng theo nhiệt độ.
- Chú ý: Cacbon và các dung dịch chất điện ly có điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng.
Thông thường điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ theo quy luật sau:
   (1  t  t2  t  3  ...) t 0
Ở nhiệt độ t2, điện trở suất sẽ được tính toán xuất phát từ nhiệt độ t1 theo công thức:       t t 1 (t t ) 2 1  2 1
Với α là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ đối với từng loại vật liệu tương ứng.
Đối với khoảng nhiệt độ chênh lệch (t2 – t1) thì hệ số α trung bình sẽ là:    t t 2 1    (t  t ) t 2 1 1
Thiết lập công thức tính điện trở của vật dẫn khi nhiệt độ thay đổi:
- Giả sử tại nhiệt độ t1, điện trở của vật dẫn là r1.
- Tại nhiệt độ t2, điện trở của vật dẫn là r2.
=> Khi nhiệt độ thay đổi 1 lượng là t
  t  t thì điện trở thay đổi 1 lượng là 2 1 r   r  r . 2 1 r  r  r Lập tỉ số: 2 1   .  t  r r 1 1
Trong đó: α là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ đối với từng loại vật liệu tương ứng (tra bảng).  r . .  t   r  r 1 2 1 Hay r  r 1 (   t  ) 2 1
Ở gần nhiệt độ 0 tuyệt đối (00K), điện trở suất của kim loại tinh khiết giảm đột ngột,
chúng thể hiện hiện tượng siêu dẫn. Về phương diện lý thuyết, ở 00K kim loại tinh khiết không còn điện trở. 00 K = - 2730 C Trang 3
Bài giảng Vật liệu điện
Năm 1891, nhà bác học người Hà Lan Kamerlingh Onnes khi nghiên cứu tính dẫn
điện của thủy ngân siêu sạch ở nhiệt độ cực thấp (nhiệt độ hóa lỏng của Hêli ), đã phát
hiện ra rằng, khi hạ nhiệt độ tới 1 giá trị T0K nào đó, khoảng 4,150K = - 268,750C thì
điện trở suất của thủy ngân giảm xuống đột ngột đến 1 giá trị cực nhỏ, thực tế bằng 0.
Trạng thái không bình thường của vật chất ở nhiệt độ cực thấp gọi là hiện tượng
siêu dẫn. Dây dẫn có khả năng chuyển trạng thái ở nhiệt độ cực thấp gọi là dây siêu dẫn.
Ở nhiệt độ bình thường, Cu và Al dẫn điện rất tốt nhưng không có được trạng thái siêu dẫn.
Nguyên tố có tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao nhất là Niobi (Nb), nó đạt trạng thái siêu
dẫn ở nhiệt độ + 9,40K ( - 263,60K).
- Chú ý: Khi nóng chảy, điện trở suất của kim loại biến đổi, thông thường giá trị
tăng (ngoại trừ ăngtimoan, gali, bitmut: khi nóng chảy điện trở suất ρ giảm).
Bảng 1.1. Bảng đặc tính của một số vật liệu dẫn điện. Tên vật liệu Điện trở suất ở
Hệ số thay đổi của điện trở suất theo 200C nhiệt độ 1 ( /0  C) trong khoảng ( mm2  / m )
nhiệt độ thay đổi từ 0 -> 1000C Bạc 0,016 0,004 Đồng 0,0175 0,004 Vàng 0,022 0,0035 Nhôm 0,029 0,004 Vônfram 0.056 0,004 Thủy ngân 0,952 0,0009
Ví dụ 1.1: Xác định điện trở của 1 dây dẫn bằng nhôm dài 50 km, tiết diện 100mm2
tại nhiệt độ -50C và + 400 C. Giải:
- Xác định điện trở của dây dẫn tại nhiệt độ tiêu chuẩn, t0 = 200C, ta có: l  6 10 . 50 3 R   .  10 . 029 , 0 .  5 , 14 () 0 0 S 10 . 100 6
với  là điện trở suất của nhôm tại nhiệt độ 200C. 0
- Xác định điện trở của dây dẫn tại nhiệt độ t1 = - 50C, ta có: R  R 1 (   t  )  R          1 0 0 1 (t t ) 1 0  5 , 14 1 , 0 004( 5 20) , 13 ( 05 )
- Xác định điện trở của dây dẫn tại nhiệt độ t2 = + 400C, ta có: R  R 1 (   t  )  R          2 0 0 1 (t t ) 2 0  5 , 14 1 ( 004 , 0 40 ) 20  ( 66 , 15 ) Trang 4
Bài giảng Vật liệu điện
Ví dụ 1.2: Xác định điện trở của dây dẫn bằng nhôm biết ở nhiệt độ 200C nó có điện
trở là 1,2  , còn ở nhiệt độ đang xét nó có điện trở là 1,44  . Giải: r  r Áp dụng công thức: 2 1  .  t   .  (t  t ) r 2 1 1 Trong đó: r2 = 1,44(  ) r1 = 1,2(  ) t1 = 200C  , 0 004 1 ( /0  C) r  r , 1 44  , 1 2 Suy ra: t 2 1   t   20  700 C 2 r 1 , 1 2. , 0 004 1
Vậy nhiệt độ của dây đẫn tại thời điểm đang xét là 700C.
Ngoài ra điện trở của vật liệu còn phụ thuộc vào các thông số khác như:
 Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất.
Khi kéo hoặc nén đàn hồi, điện trở suất của kim loại được biến đổi theo công thức:    (1 k) 0 Trong đó:
(+): ứng với biến dạng do kéo
(-) : ứng với biến dạng do nén
δ : ứng suất cơ khí của mẫu KG/mm2
k : hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất
 Ảnh hưởng của từ trường và ánh sáng đối với ρ.
- Điện trở suất của kim loại có sự biến đổi khi được đặt trong một từ trường.
- Điện trở suất của một số vật liệu cũng biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng.
----------------------------------------------------------------------------------------------- Câu hỏi chương 1
1. Trình bày khái niệm vật liệu dẫn điện.
2. Phân loại vật liệu dẫn điện. Ví dụ minh họa.
3. Phân tích sự thay đổi của điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
4. Xác định điện trở của 1 dây dẫn bằng đồng dài 50 km, tiết diện 100mm2 tại nhiệt
độ -50C và + 400 C. Nhận xét.
5. Xác định điện trở của dây dẫn bằng nhôm biết ở nhiệt độ 200C nó có điện trở là
1,2  , còn ở nhiệt độ đang xét nó có điện trở là 1,44  . Trang 5
Bài giảng Vật liệu điện Chương 2 KIM LOẠI, HỢP KIM
VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CHÚNG 2.1. Khái niệm chung
Hiện nay loài người đã biết được 110 nguyên tố hóa học, tất cả các nguyên tố đó được chia thành 2 loại: - Kim loại - Không kim loại
Trong đó kim loại chiếm 86 nguyên tố.
Kim loại chứa nhiều nhất trong vỏ quả đất là Al (7%), sắt (5%).
2.2. Cấu tạo của kim loại
2.2.1. Cấu tạo nguyên tử của kim loại
Kim loại có các tính chất khác nhau là do tổ chức bên trong của chúng khác nhau.
Vật chất do các nguyên tử tạo thành. Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp bao
gồm: hạt nhân mang điện dương ở giữa và các điện tử mang điện âm quay xung quanh
hạt nhân. Hạt nhân bao gồm proton và nơtron.
Khối lượng nguyên tử chủ yếu tập trung vào hạt nhân vì khối lượng điện tử bé gấp
1840 lần so với khối lượng của proton và nơtron.
- Khối lượng proton: mp = 1,6726.10-27 (kg)
- Khối lượng notron: mn = 1,6749.10-27 (kg)
- Khối lượng electron: me = 9,1.10-31 (kg) mp m Suy ra: n   1840 lần m m e e
Số lượng điện tử của mỗi nguyên tử bằng số lượng proton ở hạt nhân của nó, số
lượng điện tử là số thứ tự của chất đó xếp trong bảng tuần hoàn Menđêlêép.
Các điện tử quay xung quanh hạt nhân với vận tốc rất lớn và theo quỹ đạo hình elip.
Các điện tử quay ở quỹ đạo ngoài cùng có ảnh hưởng nhiều nhất đến tính chất của mỗi
chất, số điện tử ở quỹ đạo ngoài cùng có số lượng khác nhau từ 0 đến 8 điện tử.
Đối với kim loại, ở quỹ đạo ngoài cùng thường có 1 đến 3 điện tử, các điện tử này
dễ bị đi khỏi quỹ đạo để cho các nguyên tử trở thành ion dương và đó chính là chỗ khác
nhau chủ yếu giữa kim loại và chất phi kim loại.
Bình thường nguyên tử trung hòa về điện, như vậy nguyên tử kim loại có cấu tạo
như là ion dương ở giữa có các điện tử tự do quay xung quanh và các điện tử này dễ bật
ra khỏi quỹ đạo của nó.
Các điện tử tự do này là nguyên nhân tạo nên tính dẫn điện, dẫn nhiệt cũng như tính
dẻo dai của kim loại. Về mặt hóa học, kim loại nào có tính hoạt động mạnh là kim loại
dễ mất điện tử tự do để trở thành ion dương. Trang 6
Bài giảng Vật liệu điện
2.2.2. Cấu tạo tinh thể của kim loại
Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo mạng tinh thể, tức là các nguyên
tử của nó sắp xếp trong không gian theo 1 vị trí hình học chứ không sắp xếp hỗn độn
như các vật phi kim loại khác.
Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại là: lập phương thể tâm, lập phương
diện tâm và lục phương dày đặc. a) Lập phương thể tâm
Trong ô cơ bản của kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình
lập phương và ở giữa mỗi hình lập phương có 1 nguyên tử.
Khoảng cách a giữa hai tâm nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh thể gọi là
thông số mạng, độ lớn đo bằng A0 (Ăngtron), (1A0 = 10-10 m).
Các kim loại có kiểu mạng tinh thể này là: Sắt, Crôm, Vônfram, môlipđen, vanadi,… a a) b)
Hình 2.1. a) ô cơ bản.
b) Kiểu lập phương thể tâm. b) Lập phương diện tâm
Trong ô cơ bản của kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình
lập phương và nằm ở trung tâm các mặt của hình lập phương.
Các kim loại có kiểu mạng tinh thể này là: Sắt  , đồng, Niken, Coban  , chì, bạc, vàng....
Hình 2.2. Ô cơ bản kiểu lập phương diện tâm. c) Lục phương dày đặc Trang 7
Bài giảng Vật liệu điện
Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lục
lăng, hai nguyên tử nằm ở tâm hai mặt đáy và 3 nguyên tử nằm ở trung tâm của 3 khối
lăng trụ tam giác cách nhau.
Các kim loại có loại mạng tinh thể này gồm: Kẽm (Zn), Coban α, Magiê, Cađimi. a) b)
Hình 2.3. a) Ô cơ bản kiểu lục phương dày đặc. b) Hình chiếu bằng.
2.3. Cấu tạo của hợp kim
Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hai hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ
yếu là kim loại và hợp kim có tính chất của kim loại.
Trong thành phần của hợp kim có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố á kim. Ví dụ:
thép là hợp kim của sắt và cacbon, …
Hợp kim được chế tạo chủ yếu bằng cách nấu chảy, ngoài ra còn dùng điện phân, thiêu kết…
* Trong công nghiệp, các kim loại nguyên chất ít được dung hơn hợp kim của nó vì các lý do sau:
- Kim loại nguyên chất rất dẻo, lại có độ bền và độ cứng thấp. Khi nhiệt độ tăng lên
thì độ bền và độ cứng giảm.
- Nhiều kim loại có độ dẫn điện cao nhưng khi nhiệt độ cao, độ dẫn điện lại giảm
mạnh vì điện trở tăng theo nhiệt độ. r  r 1 (   t  ) 2 1
- Hệ số giãn nở nhiệt của kim loại nguyên chất rất lớn khi có sự thay đổi nhiệt độ,
do đó các cơ cấu máy chính xác không thể dùng kim loại nguyên chất.
- Độ bền và độ cứng của kim loại nguyên chất giảm khi nhiệt độ tăng.
- Tính công nghệ của kim loại nguyên chất rất kém: khó đúc, khó gia công cắt gọt, khó hàn… Trang 8
Bài giảng Vật liệu điện
- Khi nhiệt luyện, độ cứng và độ bền của kim loại nguyên chất tăng không đáng kể.
- Kim loại nguyên chất lại rất khó luyện vì trong quặng bao giờ cũng có các tạp
chất, việc khử bỏ hoàn toàn các tạp chất này rất khó và tốn kém.
Vì vậy, trong thực tế hầu hết các chi tiết máy đều làm bằng hợp kim.
2.4. Tính chất chung của kim loại và hợp kim
Để sử dụng vật liệu nói chung ta cần nắm vững các tính chất của nó, xem các tính
chất đó có đáp ứng được yêu cầu công việc hay không. Thí dụ để làm dụng cụ cắt kim
loại, ta cần phải chọn vật liệu có độ bền cao, độ cứng cao, độ chịu mòn và chịu nhiệt
cao; để làm dây dẫn điện, phải có vật liệu có tính dẫn điện tốt; để chế tạo máy bay, cần
có vật liệu vừa bền, vừa nhẹ….Hoặc trong 1 số trường hợp, ta lại cần các vật liệu không
bị gỉ, không bị nhiễm từ,…
Các tính chất của vật liệu bao gồm: Tính chất vật lý, tính chất hóa học, tính chất cơ
học và tính chất công nghệ. 2.4.1. Tính chất vật lý
Tính chất vật lý của kim loại gồm: vẻ sáng mặt ngoài, tính nóng chảy loãng, tính
dẫn điện, tính dẫn nhiệt, tính giãn nở nhiệt, tính nhiễm từ,….. a) Vẻ sáng của kim loại
Theo vẻ sáng mặt ngoài của kim loại, người ta có thể chia kim loại thành 2 loại là:
kim loại đen và kim loại màu.
+ Kim loại đen là gồm các hợp kim của sắt, tức là gang và thép.
+ Kim loại màu là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại.
Kim loại không trong suốt, ngay những tấm kim loại được cán rất mỏng cũng không
để ánh sáng xuyên qua nó được.
Tuy nhiên kim loại lại có độ phản chiếu ánh sáng ở mặt ngoài của nó, mỗi kim loại
phản chiếu ánh sáng theo một màu riêng mà ta quen gọi là màu của kim loại. Thí dụ:
đồng màu đỏ, thiếc màu trắng bạc, kẽm màu xám,… b) Tính nóng chảy loãng
Kim loại có tính nóng chảy loãng khi đốt nóng và đông đặc lại khi làm nguội. Nhiệt
độ ứng với thời điểm kim loại chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng gọi là điểm
nóng chảy. Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ hàn và đúc.
Điểm nóng chảy của hợp kim khác với điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên hợp kim đó. c) 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, đồng thời
cũng càng dễ nguội nhanh.
Các vật có tính dẫn nhiệt kém, muốn đốt nóng hoàn toàn phải mất nhiều thời gian;
nếu làm nguội quá nhanh có thể gây nứt, vỡ. d) Tính giãn nở nhiệt Trang 9
Bài giảng Vật liệu điện
Hầu hết các kim loại khi bị đốt nóng thì giãn nở ra và khi lạnh, nó co lại.
Để đo lường chiều dài một cách chính xác, người ta dùng dụng cụ đo bằng hợp kim
Inva (Inva là hợp kim của sắt với 3,5% Cacbon và 35 ÷ 37% Niken). Hợp kim Inva có
độ giãn nở nhiệt gần như bằng 0 trong khoảng nhiệt độ - 800C đến 1000C. e) Tính nhiễm từ
Chỉ có một số kim loại có tính nhiễm từ, tức là nó bị từ hóa sau khi được đặt trong một từ trường.
Sắt và hầu hết các hợp kim của sắt đều có tính nhiễm từ, được gọi là chất sắt từ.
Hầu hết các kim loại khác không có tính nhiễm từ, trừ: Sắt, Niken, Coban.
Tính nhiễm từ của thép và gang phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bên trong kim
loại, do đó tính nhiễm từ không phải cố định đối với mỗi loại vật liệu.
Ví dụ: Sắt chỉ nhiễm từ ở t0 < 7680C, còn t0 > 7680C nó không còn từ tính nữa. 2.4.2. Tính chất hóa học
Tính chất hóa học biểu thị khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác dụng hóa
học của các môi trường có hoạt tính khác nhau.
Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu thị dưới 2 dạng chủ yếu:
- Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay oxy của
không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao.
- Tính chịu axit: Là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axit. 2.4.3. Tính chất cơ học
Tính chất cơ học của kim loại hay gọi là cơ tính. Là khả năng chống lại tác dụng của
lực bên ngoài lên kim loại. Cơ tính của kim loại bao gồm: độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ
cứng, độ dai va đập, độ chịu mỏi,…
2.4.4. Tính chất công nghệ
Tính công nghệ của kim loại là khả năng mà kim loại có thể thực hiện được các
phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm. Tính công nghệ bao gồm: tính cắt
gọt, tính hàn, tính rèn, tính đúc, tính nhiệt luyện….
 Tính nhiệt luyện (xử lý nhiệt): Là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ
dẻo… của kim loại bằng cách nung nóng kim loại tới một nhiệt độ nhất định nào đó, giữ
ở nhiệt độ đó một khoảng thời gian, sau đó làm nguội kim loại theo một chế độ nhất định (thợ rèn).
Sau khi nhiệt luyện, mức độ thay đổi của các kim loại cũng khác nhau. Có kim loại
hầu như không thay đổi hoặc ít thay đổi, nhưng có kim loại thay đổi rất nhiều.
2.5. Một số phương pháp thử kim loại và hợp kim 2.5.1. Thử kéo
Thử kéo là quá trình thử quan trọng để xác định cơ tính của kim loại. Khi thử kéo, ta
có thể xác định độ bền, độ đàn hồi và độ dẻo của kim loại.
a) Độ bền: Là khả năng của kim loại chống lại tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá hỏng. Trang 10
Bài giảng Vật liệu điện
Dạng phá hỏng của kim loại khi thử kéo là bị đứt.
Để xác định độ bền của 1 vật liệu, người ta tiến hành thử trên máy thử kéo đặc biệt
với 1 mẫu thử làm bằng vật liệu đó có kích thước và hình dạng theo qui định.
b) Độ đàn hồi: Là khả năng của kim loại có thể thay đổi hình dạng dưới tác dụng
của lực bên ngoài rồi trở lại trạng thái ban đầu khi bỏ lực tác dụng. Độ đàn hồi có thể
xác định bằng quá trình thử kéo.
c) Độ dẻo: Là khả năng biến dạng của kim loại dưới tác dụng của lực bên ngoài mà
không bị phá hỏng, đồng thời vẫn giữ được sự biến dạng đó khi bỏ lực tác dụng.
Độ dẻo được đánh giá bằng độ giãn dài tương đối và độ thắt tỉ đối:
- Độ giãn dài tương đối δS: l  l 1 0   .100% S l0 Trong đó:
l0 : chiều dài ban đầu của mẫu thử.
l1 : chiều dài sau khi kéo của mẫu thử. - Độ thắt tỉ đối ψ: F  F 0 1   .100% F0 Trong đó:
F0: diện tích tiết diện mẫu thử trước khi thử kéo.
F1: diện tích tiết diện mẫu thử tại chỗ đứt.
Kim loại càng dẻo thì độ giãn dài tương đối δS và độ thắt tỉ đối ψ càng lớn.
2.5.2. Thử độ cứng (độ rắn)
Độ cứng của kim loại hay hợp kim là khả năng chống lại sự lún của bề mặt tại vị trí
ta tác dụng vào đó một vật cứng hơn.
Kim loại càng khó lún thì độ cứng càng cao.
Có nhiều phương pháp để thử độ cứng, nhưng nói chung các phương pháp đều dựa
trên nguyên tắc ấn vào bề mặt kim loại cần thử 1 vật cứng hơn và sau đó đo kích thước
của vết lõm. Tùy theo kích thước của vết lõm mà ta xác định được độ cứng của kim loại.
 Thử độ cứng theo phương pháp Brinell
Dùng một viên bi cầu bằng thép đã tôi cứng có đường kính 2,5; 5 hoặc 10 mm, ấn
vào bề mặt vật cần thử với một lực nhất định P. Lúc này trên bề mặt vật cần thử sẽ xuất
hiện 1 vết lõm có diên tích F. Tỉ số giữa lực tác dụng P và diện tích vết lõm F gọi là độ
cứng Brinell của vật. Ký hiệu HB P HB  F (kG/mm2) Trang 11
Bài giảng Vật liệu điện D P h d
Hình 2.4. Thử độ cứng theo phương pháp Brinell. Trong đó:
P là lực đặt vào viên bi.
F là diện tích vết lõm có hình chỏm cầu.
Lực P phụ thuộc vào đường kính viên bi và loại vật liệu mà ta cần thử.
* Tính diện tích hình chỏm cầu:
Ta có diện tích hình cầu là: S =  D2 =  D.D
Suy ra diện tích hình chõm cầu có độ cao h là: F =  D.h 2 2 D  D   d  D  D2  d2 Trong đó: h         2  2   2  2
Vậy độ cứng Brinell được tính: 2P HB  (kG/mm2)  D . (D  D2  d2 ) Trong đó:
D: đường kính viên bi (mm).
d: đường kính vết lõm (mm).
h: chiều sâu của vết lõm (mm).
Đối với phương pháp Brinell, chỉ áp dụng để thử các kim loại mềm và thép chưa tôi
cứng. Trường hợp viên bi biến dạng thì kết quả đo không còn chính xác.
----------------------------------------------------------------------------------------------------- Câu hỏi chương 2
1. Trình bày cấu tạo nguyên tử của kim loại.
2. Trình bày cấu tạo tinh thể kiểu lập phương thể tâm của kim loại. Vẽ hình minh họa. Trang 12
Bài giảng Vật liệu điện
3. Trình bày cấu tạo tinh thể kiểu lập phương diện tâm của kim loại. Vẽ hình minh họa.
4. Trình bày cấu tạo tinh thể kiểu lục phương dày đặc của kim loại. Vẽ hình minh họa.
5. Vì sao trong thực tế, kim loại nguyên chất ít được sử dụng hơn hợp kim của nó. Phân tích.
6. Phân tích các tính chất vật lý cơ bản của kim loại và hợp kim.
7. Khái niệm độ cứng. Thiết lập công thức tính độ cứng theo phương pháp Brinell. Vẽ hình minh họa. Trang 13
Bài giảng Vật liệu điện Chương 3
KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT LỚN 3.1. Đồng (Cu) 3.1.1. Khái quát
- Đồng là vật liệu quan trọng nhất trong tất cả những vật liệu dẫn điện dùng trong ngành kỹ thuật điện.
- Đồng có điện dẫn suất lớn (chỉ nhỏ hơn Ag), có sức bền cơ khí lớn, chống được sự
ăn mòn của khí quyển, tính đàn hồi cao và đặc biệt tính dẫn điện cao làm cho đồng trở
thành vật liệu quan trọng để sản xuất dây điện.
- Đồng là một kim loại hiếm, chiếm tỉ lệ khoảng 0,01% trong lòng đất.
- Đồng được sử dụng trong công nghiệp là đồng tinh chế, nó được phân loại trên cơ
sở các tạp chất thêm vào trong đồng. Người ta thường phân loại đồng gồm CuE (99,95%
Cu), Cu9 (99,90% Cu), Cu5 (99,5% Cu), Cu0 (99% Cu). Việc thêm các tạp chất Al, As,
Bi, Fe, … vào trong đồng sẽ cải thiện được đặc tính cơ khí của đồng trong những điều kiện nhất định.
- Sản xuất và chế tạo: Đồng được tìm thấy trong thiên nhiên không nhiều. Người ta
sản xuất đồng chủ yếu từ mỏ Can_copirit (CuFeS2), cancozin (Cu2S), covelit (CuS),
bocnit (3Cu2SFe2S3), ênegit (3Cu2SAs2S5), Cupric (Cu2O), Malasit (CuCO3 [OH2]2)…
- Phân loại: Đồng được chia thành 2 loại là đồng cứng và đồng mềm.
+ Đồng cứng: Có độ cứng cao, độ bền kéo giãn và độ đàn hồi lớn.
+ Đồng mềm: Nếu đồng cứng được gia công thêm bằng cách ủ ở nhiệt độ từ 600 ->
6500C, ta sẽ được đồng mềm, có độ dẻo cao nhưng độ bền cơ học thấp hơn.
- Nhược điểm của đồng là bề mặt tiếp xúc với không khí dễ bị ăn mòn khi nhiệt độ tăng lên. 3.1.2. Các đặc tính
- Đồng là kim loại có màu đỏ nhạt sáng rực.
- Có điện dẫn suất và nhiệt dẫn suất lớn.
- Có sức bền cơ khí tương đối lớn, dễ dát mỏng, dễ vuốt giãn, gia công dễ dàng khi nóng và khi nguội.
- Có sức bền lớn khi va đập và ăn mòn, sức đề kháng cao khi thời tiết xấu.
- Có khả năng tạo thành hợp kim tốt. Cùng với các kim loại màu khác cho ta những
hợp kim có giá trị như đồng thanh, đồng thau,…
- Có khả năng gắn và hàn dễ dàng.
- Trong quá trình kết tinh, Cu có tổ chức tinh thể lập phương diện tâm. Tổ chức tinh
thể này được giữ nguyên không đổi cho đến khi làm nguội đến nhiệt độ thường, tức là
đồng không có sự biến đổi thù hình. Trang 14
Bài giảng Vật liệu điện
- Đồng gia công có phẩm chất bề mặt tốt, được sử dụng chế tạo các đồng lá, dây
đồng mảnh (đường kính có thể đạt tới 0,015mm).
- Đồng khử oxit là kim loại trơ khi có sự tác động của các loại khí khử, tức có thể
hàn dễ dàng, rèn rất tốt và có sức đề kháng cao đối với sự ăn mòn.
- Điện trở suất của đồng bị ảnh hưởng bởi mức độ tạp chất, gia công cơ khí và xử lý nhiệt.
3.1.3. Các hằng số vật lý và hóa học
- Trọng lượng riêng ở 200C : 8,9 kg/dm3. - Điện trở suất 200C : 0,0175.10-6(Ω.m).
- Hệ số thay đổi của điện trở suất theo nhiệt độ: 0,004 (1/0C) - Nhiệt độ nóng chảy : 10830C - Điểm sôi ở 760 mmHg : 23250C
- Thế điện hóa so với H: +0,34
3.1.4. Tính chất cơ học của đồng và các yếu tố ảnh hưởng
Tính chất cơ học của đồng phụ thuộc vào mức độ tinh khiết của đồng, phương pháp
gia công, phương pháp xử lý nhiệt và nhiệt độ làm việc.
a) Ảnh hưởng của các chất thêm vào
- Việc thêm vào một số kim loại như: Cd, Al, Sn, Ni, Zn sẽ làm tăng sức bền cơ khí
khi kéo đồng. Vì vậy người ta sử dụng rất nhiều hợp kim của Cu.
- Do hợp kim của đồng gồm nhiều vật liệu thêm vào sẽ làm tăng điện trở suất. Vì
vậy việc sử dụng hợp kim của đồng được hạn chế và chỉ chế tạo đối với những chi tiết
có yêu cầu cơ khí cao hoặc những chi tiết mà điện trở không đóng vai trò quan trọng.
- Sự có mặt của Oxy trong đồng sẽ làm tăng tính dễ gãy, vì vậy người ta thường
chế tạo đồng khử oxit.
b) Ảnh hưởng của gia công cơ khí
Sự dát mỏng hay kéo sợi khi nguội sẽ làm tăng sức bền đứt đến 40 ÷ 45kG/mm2.
c) Ảnh hưởng của xử lý nhiệt và nhiệt độ
Xử lý nhiệt sẽ ảnh hưởng sẽ ảnh hưởng đến tính chất cơ của Cu. Ảnh hưởng này
càng rõ hơn khi đồng càng tinh khiết.
Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ học của đồng. Ảnh hưởng này càng rõ
rệt khi kim loại càng tinh khiết.
Để tránh oxy hóa khi xử lý nhiệt, người ta phải thực hiện trong môi trường không có
khả năng tiếp xúc với khí trời hay không khí đã bị khử bớt đi.
Sự nung nóng đồng trong một thời gian dài ở nhiệt độ 220 – 2400C sẽ làm giảm sức
bền đứt của đồng. Hiện tượng này có thể làm suy giảm sức bền cơ của đường dây điện,
thí dụ như khi bị ngắn mạch hay trong trường hợp làm việc trong môi trường nắng gắt
với phụ tải điện quá lớn.
3.1.5. Các đặc tính hóa học và sức đề kháng đối với sự ăn mòn Trang 15