Đề cương bài giảng Vật liệu điện - Vũ Thị Tựa

Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 1 MỤC LỤC CHƯƠNG I ............................................................................................................................. 2 CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VẬT LIỆU VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ......................... 2 VẬT LIỆU .............................................................................................................................. 2 1.1.CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU .................................................................................................................... 2 1.2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ........................................................................................................................ 7 1.3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU. ............................................................................................... 8 CHƯƠNG 2 .......................................................................................................................... 11 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN ........................................................................................................ 11 2.1 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN ........................ 11 2.2 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT CAO ...................................................................... 14 2.3 HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT THẤP.(ĐIỆN TRỞ CAO) ............................................................. 17 2.4 CÁC KIM LOẠI KHÁC ........................................................................................................................ 17 2.5 ỨNG DỤNG CỦA HỢP KIM TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN ................................................................ 21 2.6.VẬT LIỆU SIÊU DẪN .......................................................................................................................... 28 CHƯƠNG III........................................................................................................................ 33 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN .................................................................................................... 33 3.1. NHỮNG HIỂU BIẾT CƠ BẢN TRONG KỸ THUẬT CÁCH ĐIỆN ................................................. 33 3.2. PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN. ........................................ 36 3.3. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ RẮN .................................................................................................... 37 3.4. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Ở THỂ KHÍ, LỎNG VÀ LỬA LỎNG ........................................................ 43 3.5 SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN .................................................................................................... 46 3.6 KIỂM NGHIỆM CÁCH ĐIỆN .............................................................................................................. 52 CHƯƠNG IV ........................................................................................................................ 56 VẬT LIỆU SẮT TỪ ............................................................................................................. 56 4.1. KHÁI QUÁT ......................................................................................................................................... 56 4.2 CHU TRÌNH TỪ TRỄ VÀ ĐƯỜNG CONG TỪ HOÁ CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU TỪ ..................... 60 4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC ĐỘNG CƠ HỌC VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN TÍNH DẪN TỪ CỦA THÉP KỸ THUẬT ĐIỆN .............................................................................................................................................. 62 CHƯƠNG V ......................................................................................................................... 64 VẬT LIỆU BÁN DẪN ......................................................................................................... 64 5.1. KHÁI NIỆM .......................................................................................................................................... 64 5.2. ĐIỆN DẪN CỦA BÁN DẪN ............................................................................................................... 64 5.3. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN ........................................................................................... 66 5.4. MỘT SỐ VẬT LIỆU BÁN DẪN ĐIỂN HÌNH .................................................................................... 67 Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 2 CHƯƠNG I CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VẬT LIỆU VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU 1.1.CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU 1.1.1 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 từ hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (electron) mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định. Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các hạt proton và nơtron. Nơtron là hạt không mang điện tích, còn proton có điện tích dương với số lượng bằng Z.q Trong đó: Z – số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là so thứ tự của nguyên tố nguyên tử đó trong bảng tuần hoàn Menđêlêep. q – điện tích của điện tử e (q = 1,6.10-19 culông). Proton có khối lượng bằng 1,6.10-27 kg, electron (e) có khối lượng bằng 9,1.10-31kg. Ơ trạng thái bình thường nguyên tử trung hoà về điện, tức là trong nguyên tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng số điện tích âm của các điện tử. Nếu vì lý do nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tích thì sẽ trở thành điện tích dương, ta gọi là ion dương. Ngược lại nếu nguyên tử trung hoà nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm. Để có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của Hiđrô, nguyên tử này được cấu tạo tử một proton và một điện tử. Khi điện tử chuyển động trên quỹ 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: Lực hút f1 sẽ được cân bằng với lực ly tâm của chuyển động f2 : Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 3 Trong đó: m – Khối lượng của điện tử v – Tốc độ chuyển động của điện tử Từ (1) và (2) ta có: f1 = f2 hay Trong quá trình chuyển động điện tử có một động năng: T = và một thế năng: T = , nên năng lượng của điện tử bằng: Biểu thức (4) ở trên chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử có một mức năng lượng nhất định, năng lượng này tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử. Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính ra xa vô cùng cần phải cung cấp cho nó một năng lượng lớn hơn bằng: . Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời ra khái nguyên tử trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng ion hoá (Wi). Khi bị ion hoá (bị mất điện tử), nguyên tử trở thành ion dương. Quá trinh biến nguyên tử trung hoà thành ion dương và điện tử tự do gọi là quá trình ion hoá . Trong một nguyên tử, năng lượng bị ion hoá của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hoá trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hoá thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân. Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion 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 ở trạng thái ban đầu. Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang học (quang năng). Trong thực tế, năng lượng ion 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; năng lượng của các tia sóng ngắn như tia hồng ngoại, tử ngoại, hay tia Rơnghen 1.1.2 Cấu tạo phân tử 1. Liên kết đồng hoá trị Liên kết đồng hoá trị được đặc trưng bởi sự dùng chung các điện tử của các nguyên tử trong phân tử. khi có mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hoà,lên kết phân tử bền vững. Lấy cấu trúc phân tử clo làm ví dụ. Phân tử clo (Cl2) gồm 2 nguyên tử clo, mỗi nguyên tử clo có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử ở lớp hoá trị ngoài cùng. Hai nguyên tử này được liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của nguyên tử kia. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 4 2. 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 là liên kết khá bền vững. Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Ví dụ điển hinh về tinh thể ion là các muối halogen của các kim loại kiềm. Khả năng tạo nên một chất hoặc hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dạng lớp điện tử hoá trị ngoài cùng. 3. 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 ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do. Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Chính vì vậy liên kết kim loại là loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền 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. Sự tồn tại của 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 lên nhau giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng. ** Một số dạng tinh thể của Kim loại. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 5 - Mạng lập phương tâm khối - Mạng lập phương tâm mặt - Mạng lục giác xếp chặt Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 6 1.1.3 Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn Các tinh thể vật rắn có thẻ có kết cấu đồng nhất. Sự phá huỷ các kết cấu đồng nhất và tạo nên các khuyết tật trong vật rắn thường gặp nhiều trong thực tế. Những khuyết tật có thể được tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình công nghệ chế tạo vật liệu. Khuyết tật của vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vì tính chất chu kỳ của trường tĩnh điện mạng tinh thể như: phá vì thành phần hợp thức; sự có mặt của các tạp chất lạ; áp lực cơ học; các lượng tử của dao động đàn hồi – phônôn; mặt tinh thể phụ – đoạn tầng; khe rãnh, lỗ xốpKhuyết tật sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ-lý-hoá và các tính chất về điện của vật liệu. Khuyết tật có thể tạo nên các tính năng đặc biệt của tốt (ví dụ: vi mạch IC) và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi (Ví dụ: vật liệu cách điện có lẫn kim loại) 1.1.4 Lý thuyết về vùng năng lượng Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành các nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn và điện môi (cách điện). Việc nghiên cứu quang phổ Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 7 phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí khi các nguyên tử cách xa nhau một khoảng cách lớn chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi những vạch quang phổ hoàn toàn xác định. Điều đó chứng tỏ rằng các nguyên tử khác nhau có những trạng thái năng lượng hay mức năng lượng khác nhau. Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường không bị kích thích, một số trong các mức năng lượng bị nguyên tử lấp đầy, còn các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi các nguyên tử nhận được năng lượng tử bên ngoài tác động (trạng thái kích thích). Nguyên tử luôn có xu hướng quay về trạng thái ổn định. Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lượng dư thừa. Những điều nói trên được đặc trưng bởi biểu đồ năng lượng. Khi chất khí hoá lỏng và sau đó tạo nên mạng tinh thể của vật rắn, các nguyên tử nằm sát nhau, tất cả các mức năng lượng của nguyên tử bị dịch chuyển nhẹ do tác động của các nguyên tử bên cạnh tạo nên một dải năng lượng hay còn gọi là vùng các mức năng lượng. Do không có năng lượng chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình thường của các nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hoá trị hay còn gọi là vùng đầy (ở 00K các điện tử hoá trị của nguyên tử lấp đầy vùng này). Những điện tử tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng của chúng tập hợp thành vùng tự do hay vùng điện dẫn. 1.2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU 1.2.1 Phân loại theo khả năng dẫn điện Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện (điện môi), bán dẫn và dẫn điện. 1. Điện môi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện thường sự dãn điện bằng điện tử không xảy ra. Các điện tử hoá trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của sự chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn. Có W nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài điện tử vôn (eV). 2. Bán dẫn: Là chất có vùng cấm hẹp hơn nhiều so với điện môi, vùng này có thể thay đổi nhờ tác động năng lượng bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn 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 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 thể nằm chồng lên vùng đầy (W < 0,2 eV). Vật dẫn điện có số lượng điện tư tự do rất lớn; ở nhiệt độ bình thường các điện tử tự do 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. 1.2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính 1. Nghịch từ: Là những chất có mật độ từ thẩm µ< 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Loại này gồm có Hidro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, muối mỏ và các kim loại như: đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, gali, atimoan. 2. Thuận từ: Là những chất có độ từ thẩm µ > 1 và cũng không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ oxit, muối đất hiếm, muối sắt, các muối coban và niken, Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 8 kim loại kiềm, nhôm, bạch kim. 3. Chất dẫn từ: Là các chất có µ >> 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, gađolonit, pherit có các thành phần khác nhau. 1.3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU. 1.3.1. Cơ tính Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu được tác động của của các loại tải trọng . Những đặc trưng đó là: a. Độ bền Là khả năng của vật liệu chịu được tác động của ngoại lực mà không bị phá huỷ. Độ bền được ký hiệu bằng chữ  (xích ma) Tuỳ theo dạng khác nhau của ngoại lực ta có các độ bền : độ bền kéo (k); độ bền uốn (u); độ bền nén (n). Khi chế tạo ra một loại vật liệu, độ bền được xác định ngay trong phòng thí nghiệm theo các mẫu ứng với các tải trọng động khác nhau. b. Độ cứng Là khả năng của vật liệu 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, vết lõm biến dạng trên mẫu đo càng lớn , càng sâu thì độ cứng của mẫu kim loại đó càng kém Đo độ cứng là phương pháp thử đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hỏng chi tiết. Độ cứng có thể đo nhiều phương pháp nhưng đều dùng tải trọng nén thông qua một viên bi bằng thép đã nhiệt luyện cứng hoặc mũi kim cương hình nón hoặc hình chóp ép lên bề mặt vật liệu muốn thử, đồng thời xác định kích thước vết lõm in trên mặt vật liệu đó. c. Độ giãn dài tương đối Là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lượng giãn dài sau khi kéovà chiều dài ban đầu, được ký hiệu là  %. = . 100% Trong đó: L1 và L0: Độ dài mẫu trước và sau khi kéo tính cùng đơn vị đo (mm). Vật liệu có độ giãn dài càng lớn thì vật liệu đó càng dẻo và ngược lại. d. Độ dai va chạm Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng tác dụng đột ngột (hay gọi là tải trọng va đập). Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đóm à không bị phá huỷ gọi là độ dai va chạm. Ký hiệu của nó là ak (J/mm2 hoặc KJ/m2). e. Độ bền mỏi Giới hạn bền mỏi là chỉ tiêu cơ tính quan trọng để đánh giá khả năng làm việc của chi tiết dưới tải trọng thay đổi như trục, bánh răng, lò xo. Như chúng ta đã biết, ứng suất càng lớn số chu trình chịu đựng được của chi tiết càng nhỏ. Giới hạn mỏi được đánh giá bởi ứng suất lớn nhất tại đó mẫu chịu đựng được tới 107 chu kỳ mà theo kinh nghiệm thì sau đó rất ít khi Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 9 bị phá huỷ. Từ cơ chế phá huỷ mỏi ở trên người ta đã áp dụng các biện pháp sau để nâng cao giới hạn mỏi. - Tạo nên trên lớp bề mặt lớp ứng suất nén dư. Vết nứt mỏi thường xuất hiện trên bề mặt do ứng suất kéo tại đó là lớn nhất . Nếu ở đó có ứng suất nén dư (có sẵn) thì ứng suất kéo tác dụng thực tế sẽ giảm đi, nhờ đó sẽ hạn chế được vết nứt. Có thể tạo nên ứng suất nén dư trên bề mặt bằng cách phun bi, lăn ép, va đập, tôi bề mặt và hoá nhiệt luyện. - Nâng cao độ bền tức là khả năng cản trượt do đó khó sinh ra vết nứt mỏi đầu tiên, nhờ đó nâng cao được giới hạn mỏi. - Tạo cho bề mặt có độ bóng cao, không có rãnh, lỗ, tránh tiết diện thay đổi đột ngột. 1.3.2. Lý tính Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hoá học của kim loại đó không thay đổi. Lý tính cơ bản của kim loại bao gồm : khối lượng riêng , nhiệt độ nóng chảy , tính giãn nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính. a. Khối lượng riêng Là khối lượng của 1cm3 vật chất. Nếu gọi m là khối lượng của vật chất, V là thể tích của vật chất,  là khối lượng riêng của vật chất thì ta có công thức:  = m/V (g/cm3) Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi, nó không những có thể dùng để so sánh kim loại nặng nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu mà còn dùng để giải quyết một số công việc trong thực tế. Chẳng hạn như khi những vật lớn như thép đường ray, thép định hình rất khó có thể cân được khối lượng nhưng vì biết được khối lượng riêng và có thể đo kích thước mà tính ra thể tích nên có thể không cần cân chỉ dùng công thức để tìm ra khối lượng riêng của chúng. b. Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ nung nóng đến đó thì làm cho kim loại từ thể rắn sang thể lỏng. Chẳng hạn như sắt nguyên chất chảy ở nhiệt độ 1539oC. Điểm chảy của gang là 1130 ÷13500C. Điểm chảy của thép là 1400÷15000C. Đối với gang và thép thì nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào hàm lượng cacbon có trong thép và gang. Tính chất này thì rất quan trọng đối với công nghiệp chế tạo cơ khí, trong công nghệ hàn vì chúng ta nắm được nhiệt độ nóng chảy của từng loại vật liệu mà chúng ta có thể điều chỉnh được trong quá trình sản xuất cũng như quá trình hàn và cắt kim loại. c.Tính giãn nở Là khả năng giãn nở của kim loại khi nung nóng. Độgiãn nở lớn hay bé phụ thuộc vào sự biểu thị bằng hệ số giãn nở trên chiều dài của đơn vị (1mm) gọi là hệ số giãn nở theo chiều dài . Ví dụ như hệ số giãn nở theo chiều dài của sắt nguyên chất là 11,8*10-6 và của thép là 12*10-6. d.Tính dẫn nhiệt Là khả năng dẫn nhiệt của kim loại. Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim không Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 10 giống nhau. Ví dụ như gang và thép có tính dẫn nhiệt tốt nhưng còn kém xa so với đồng và nhôm. Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt của bạc là 1 thì của đồng là 0,9; nhôm 0,5; sắt 0,15. e. Tính dẫn điện Là khả năng truyền dòng điện của kim loại. Kim loại đều là vật dẫn điện tốt, nhất là bạc sau đó đến đồng và nhôm nhưng do bạc rất đắt tiền nên trong kỹ thuật chúng ta thường sử dụng đồng và nhôm. Nhìn chung hợp kim có tính dẫn điện kém hơn so với kim loại. g. Từ tính Là khả năng dẫn từ của kim loại. Những vật liệu có khả năng từ tính rất cao đó là sắt, niken, coban và hợp kim của chúng. 2. Hoá tính Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng của những chất khac như: ô xy, nước, Axit mà không bị phá 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 mòn của ô xy trong không khí nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng hoặc thể khí ở nhiệt độ cao. c. Tính chịu a xít: Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của a xít 3. 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 tính thiên tích. Độ chảy loãngbiểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim. Nếu độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt. b. Tính rèn Là khả năng biến dạng vĩnh cữu của kim loại khi chịu tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dạng của chi tiếtmà không bị phá huỷ. Thép có thép có tính rèn cao khi nung ở nhiệt độ phù hợp vì tính dẻo tương đối lớn. gang không có khả năng rèn vì tính giòn cao. Đồng, chì, có khả năng rèn tốt ngay ở trạng thái nguội của chúng. c. Tính hàn Là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử hàn khi được nung nóng sơ bộ chỗ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 11 CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.1 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.1.1. Khái niệm vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện là một dạng vật chất trong đó có chứa các điện tích tự do (ngay ở điều kiện thường). Khi đặt chúng trong điện trường các điện tích tự do chuyển động theo một hướng nhất định của điện trường tạo thành dòng điện lúc đó ta nói rằng vật liệu có tính dẫn điện. Vật liệu có thể tồn tại ở các thể rắn, lỏng, khí. Đó là kim loại hợp kim hay phi kim loại ví dụ: Than, graphit. 2.1.2. Phân loại. Nhóm 1: Vật liệu dẫn điện có tính dẫn điện tử. 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 (thủy ngân). - Đặc trưng của nhóm vật liệu 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 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 Nhóm 2: Vật liệu dẫn điện có tính dẫn ion. 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. 2.1.3. Đặc tính cơ bản của vật liệu dẫn điện * Điện trở (R) Khái niệm: Là quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi đặt ở hai đầu dây dẫn và cường độ dòng điện một chiều tạo nên trong dây dẫn Hoặc: là quan hệ giữa điện áp không đổi trên hai đầu vật dẫn và cường độ dòng điện chảy trong vật dẫn. Biểu thức: R =.l/s Trong đó: : Điện trở suất phụ thuộc vào từng loại vật liệi tạo nên vật dẫn l,S: Chiều dài và tiết diện dây dẫn Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 12 Đơn vị: ; k; M + Điện dẫn Khái niệm: là đại lượng nghịch đảo của điện trở Biểu thức: G = 1/R Đơn vị: 1/  = -1 hoặc Siemen (S) * Điện trở suất (). Khái niệm: 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. Nếu S tính bằng mm2, l tính bằng m thì ủ = .mm2/m hoặc .cm, .m, và .cm với quan hệ 1.cm = 10-2 .m = 104 .mm2/m= 106 .cm + Hệ số thay đổi của điện trở xuất theo nhiệt độ. Kí hiệu:  Phần lớn các vật dẫn khi nhiệt độ trong nó tăng thì điện trở suất cũng tăng, một số ít các vật dẫn khác lại có tính chất ngược lại (Cácbon và dung dịch điện phân) Cách tính hệ số. Đối với khoảng chênh lệch nhiệt độ (t2 - t1) thì hệ số  trung bình sẽ là:  = t2 - t1/t1(t2 - t1) Khi nóng chảy điện trở suất của kim loại thay đổi thông thường tăng lên trừ ăngtimoan, bitmut lại giảm. ở độ không tuyệt đối (00K)  của kim loại tinh khiết giảm đột ngột chúng thể hiện hiện tượng siêu dẫn. Trước đây hiện tượng siêu dẫn không được sử dụng trong thực tế vì: Với một giá trị nào đó của cường độ từ trường nó đã phá hoại hiệu ứng siêu dẫn (với kim loại thuần nhất thì cường độ từ trường không lớn). Người ta sử dụng hợp kim có nhiệt độ tương đối cao khi chuyển sang siêu dẫn và giữ được trạng thái siêu dẫn và từ trường mạnh vá cho dòng điện lớn đi qua. Nb3Sn: Tri niobi- Thiếc, có nhiệt độ siêu dẫn 18,2 oK V3Ga: Tri vanadi - Gali, có nhiệt độ siêu dẫn 16,8 oK Nb-Ti: Niobi-Titan , có nhiệt độ siêu dẫn gần 10oK Nb-Zn: Niobi- Ziriconi, có nhiệt độ siêu dẫn gần 10oK Điện trở suất và hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ của một số kim loại. Kim loại Điện trở suất ở 20oc .mm2/m Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ(1/độ) Kim loại Điện trở suất ở 20oc .mm2/m Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ(1/độ) Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 13 Bạc 0,016- 0,0165 0,0034- 0,00429 kẽm 0,0535- 0,063 0,0035- 0,00419 Đồng 0,0168-0,0182 0,00392 - 0,00445 Niken 0,0614- 0,138 0,0044 - 0,00692 Vàng 0,022 - 0,024 0,0035 - 0,00398 Thép 0,0918- 1,150 0,0045 - 0,00657 Nhôm 0,0262 - 0,040 0,0040 - 0,0049 Platin 0,0866- 0,116 0,00247- 0,00398 Manhê 0,0446 - 0,046 0,0039 - 0,0046 Thiếc 0,113 - 0,143 0,0042 - 0,00465 Môlipđe n 0,0476 - 0,057 0,0033 - 0,00512 Chì 0,205 - 0,222 0,0038 - 0,00428 Wonfra m 0,0530 - 0,0612 0,004 - 0,0052 Thuỷ ngân 0,952 - 0,959 0,0009 - 0,00099 + Hệ số thay đổi điện trở suất theo áp suất Khi kéo hoặc nén đàn hồi điện trở suất của kim loại biến đổi theo:  = o (1± k) Trong đó: Dấu "+" ứng với khi biến dạng do kéo, dấu "-"do nén. : ứng suất cơ khí của mẫu, đơn vị kg/mm2 K: Hệ số với Nhôm = 3,815.10-6 đến 3,766.10-6, Thiếc = -9,79.10-6 Mg =-3,9.10-6 Điện dẫn suất : () Là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất *. ảnh hưởng của trường từ và ánh sáng với điện trở suất Điện trở suất của kl cũng biến đổi tương tự khi đặt trong một trường từ và  của một số vật liệu cũng biến đổi dưới ảnh hưởng của ánh sáng. * Hiệu điện thế tiếp xúc và suất nhiệt động. Khi tiếp giáp hai kim loại khác nhau với nhau, giữa chúng sẽ sinh ra hiệu điện thế, là cơ sở sảy ra hiện tượng ăn mòn điện hóa. Nguyên nhân: do có sự khác nhau về công thoát điện tử và số lượng điện tự do. Điện thế tiếp xúc này có thể từ vài phần mười đến vài vôn. Bảng : giới thiệu điện thế hoá ở nhiệt độ bình thường trong phòng của một số kim loại : Kim loại Điện thế hoá ở nhiệt độ bình thường (V) Kim loại Điện thế hoá ở nhiệt độ bình thường (v) Vàng Platin Thuỷ ngân Bạc +1,5 +0,86 +0,86 +0,88 Cadmium Sắt Crôm Wolfram - 0,04 - 0,44 - 0,557 - 0,58 Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 14 Đồng Hyđrô Thiếc Chì Niken Coban +0,345 0,00 -0,01 - 0,13 - 0,25 - 0,255 Kẽm Mangan Nhôm Magie Bari - 0,76 -1,04 - 1.34 - 2,35 - 2,96 Sức nhiệt điện động sinh ra của hai kim loại khác nhau khi tiếp xúc với nhau được ứng dụng để chế tạo nhiệt ngẫu. Người ta thường chọn hai kim loại có sức nhiệt điện động lớn và quan hệ đường thẳng với nhiệt độ để làm nhiệt ngẫu. 2.2 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT CAO STT Tên vật liệu Đặc điểm ứng dụng 1 Bạc - ở 200C = (0,016  0,0165) .mm2/m - Bạc tinh khiết bị ăn mòn và dính chặt. Nó được tìm thấy dưới dạng mỏ hay tự nhiên (cục kim loại có tới 98% Bạc) hoặc trong các mỏ chì, kẽm, đồng hoặc có thể thấy trong nước biển với 0,001mg/1lit. - Có màu trắng và chiếu sáng. ở nhiệt độ cao không bị ô xi hoá. Tác dụng với ôzon tạo ra Ag2o, còn sunfua và hyđrô sulfurơ làm bạc ngả màu đen. Phản ứng với clo, lưu huỳnh. - Bay hơi ở t0 = 140016000c. -Dễ vuốt giãn, mềm dễ uốn cong, có thể gia công theo quy trình rót, dát mỏng, rèn và kéo sợi. - Làm dây dẫn ở tần số cao, quấn dây trong máy thu thanh, làm dây chảy trong cầu chì nóng chảy, làm khung cho tụ điện... - Dùng quấn các cuộn dây trong kỹ thuật vô tuyến. - Hợp kim với Niken hay mangan dùng làm dây dẫn trong các máy đo. - Hợp kim bạc-palađi, bạc- vàng làm tiếp điểm điện với dòng nhỏ trong thông tin viễn thông. - Chế tạo các chi tiết nhỏ như đinh tán, đinh vít, các đầu cực. - Dùng sản xuất các màn ở các bóng catôt và của các tế bào quang điện. 2 Đồng và hợp kim đồng ở 200C  = (0,01680,0182) .mm2/m. + Đồng sau khi gia công có 4 loại - Đồng cứng (MT)là đông không ủ nhiệt. - Đồng mềm (MM) là đồng đem ủ - Đồng cứng dùng chế tạo những dây dẫn không cách điện của các đường dây truyền tải trên không, thanh góp cho những thiết bị phân phối, hoặc cho cổ góp máy điện... Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 15 nhệt. _ Đồng hơi cứng. _ Nửa cứng. + Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất. Đồng chuẩn hoá có  = 0,0172(.mm2/m). - ảnh hưởng của tạp chất: Với bạc, cađimi làm  giảm ít, còn sắt,silic làm  giảm nhiều. - ảnh hưởng của gia công cơ khí: Khí rát, kéo nguội làm  giảm. Đường kính dây <1mm thì  giảm đồng thời khi giảm đường kính. - ảnh hưởng của sử lý nhiệt: Sự thay đổi  tuỳ theo độ nung nóng trở lại.Ví dụ: Để có đồng mềm dùng làm dây quấn và cáp thì nung trở lại t0 khoảng 4005000c. - Là kim loại có màu đỏ nhạt sáng rực, sức bền cơ khí tương đối lớn, dễ rát, dễ vuốt giãn gia công dễ dàng khi nóng và khi lạnh (rèn, kéo sợi,dát mỏng) 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 với các kim loại màu khác cho những hợp kim có giá trị như: Đồng thanh, đồng thau, có khả năng gắn và hàn dễ dàng. - Khi gia công to > 900oc làm giảm tính chất cơ học. - Đồng mềm được sử dụng chế tạo dây dẫn cách điện của cáp điện và dây quấn máy điện. - Hợp kim đồng thanh (đồng với thiếc, kẽm hoặc chì dùng làm các chi tiết vòng trượt, giá đỡ chổi than, lò xo dẫn điện, ổ cắm điện... - Hợp kim đồng thau (đồng với kẽm) Nếu kẽm = 39% HK dẻo dùng làm các chi tiết đặc biệt phức tạp bằng cách dập, vuốt. Nếu kẽm >39% dùng đúc các chi tiết định hình. - Các loại đồng hơi cứng, nửa cứng dùng trong các khí cụ điện. 3 Vàng -  = 0,022  0,024(.mm2/m) ở 200C là kim loại có màu vàng đặc trưng sáng rực ,màu này không bị mất đi trong không khí và axit. - Không bị ôxi hoá ở nhiệt độ cao. Hoà tan trong dung dịch axit clohiđric. - Nung nóng đến trạng thái nóng - Dùng trong kỹ thuật điện như gia công các hợp kim làm tiếp điểm điện. - Dùng làm điện trở trong điện kế, trong các dụng cụ tĩnh điện. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 16 sáng thì dễ bị bay hơi. 4 Nhôm và hợp kim nhôm -  =(0,024  0,026) .mm2/m, ở 200C và bằng 1,7  của đồng. - Trọng lượng riêng < đồng 3,3 lần, điện trở nhôm > đồng 1,68 lần. - Tính nóng chảy thấp, tính dẻo cao, tương đối bền khi bị ôxi hoá. - Nhôm nguyên chất bền vững trong nước biển. Bị phá huỷ nhanh trong H2SO4(a xit sunfuric) loãng và dung dịch kiềm. - Lớp ô xit nhôm có tính ổn định cao chống ăn mòn trong môi trường amôniac (NH3) và một số chất khí khác. - Hợp chất nhôm với tạp chất tạo thành thể rắn thì giảm tính dẫn điện. - Hợp chất nhôm với tạp chất tạo thành khác thể rắn thì không dùng dẫn điện. - Nhôm nguyên chất dùng làm dây dẫn, dây cáp, thanh góp, ống nối , dây quấn máy điện, lá nhôm làm tụ... -Hợp kim nhôm có  cao dùng đúc rôto lồng sóc động cơ không đồng bộ có mô men khởi động lớn, động cơ nhiều tốc độ, làm dây dẫn (dây trần đi trên không, ruột cáp). 5 Sắt - =(0,0918  1,15) .mm2/m, ở 200C. Điện trở suất lớn gấp 7- 8 lần của đồng - Sắt tinh khiết có màu trắng bạc, không khí khô không tác dụng - Dây dẫn bằng sắt hay bị han gỉ không chịu được sự ăn mòn điện hoá. - ở dòng điện xoay chiều điện trở tăng so với dòng một chiều - Có khả năng chịu được điện áp cao. - Trọng lượng riêng tương đối lớn(7,86 kg/dm3) - Làm dây dẫn đi trên không nhưng cấm sử dụng nhỏ hơn tiết điện tính toán - Được dùng ở lưới điện có khoảng cách cột lớn. - Làm vật liệu dẫn điện dưới dạng thanh dẫn, đường ray tải điện,tàu điện ngầm, lõi dây nhôm... - Khi sử dụng để khắc phục hiện tượng han rỉ người ta thường mạ kẽm. - Làm dây chống sét. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 17 2.3 HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT THẤP.(ĐIỆN TRỞ CAO) STT Tên kim loại Đặc điểm ứng dụng 1 Manganin -Thành phần: Là hợp kim gốc đồng 86% Cu, 12% Mn, 2%Ni - Có màu vàng, kéo được thành sợi mảnh 0,02 mm và được sản xuất thành tấm. - Hệ số điện trở suất nhỏ, điện trở với độ ổn định cao. -Dùng trong các dụng cụ đo điện, điện trở mẫu, biến trở và các dụng cụ đốt nóng bằng điện. 2 Conxtantan - Là hợp kim đồng-Niken với 60%Cu, 40%Ni. Hàm lượng niken trong hợp kim quyết định trị số  lớn nhất và  nhỏ nhất.Trị số của  gần bằng không và thường có trị số âm. - Có thể kéo thành sợi, cán thành tấm như manganin. - Dùng sản xuất dây biến trở,dụng cụ đốt nóng bằng điện có nhiệt độ làm việc không quá 4000c. - Sử dụng thích hợp trong các cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ không quá vài trăm độ. 3 Các hợp kim Crômniken( nicrom) - Thành phần: Mn1,5%, Ni (5561)%, Cr(15  18)% còn lại là sắt. -Tính chịu nhiệt cao (nhiệt độ cho phép 100011000c). - Tuổi thọ các dây dẫn hợp kim chịu nóng phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi đường kính theo chiều dài dây và sự đồng nhất thành phần hợp kim. - Để tăng tuổi thọ xoắn thành lò xo và đặt trong môi trường trơ, rắn như đất sét, gạch chịu lửa. - Dùng làm các dụng cụ đốt nóng bằng điện: thiết bị nung, lò điện, mỏ hàn... 4 Hợp kim crôm-nhôm - Thành phần: Mn 0,7%, Ni 0,6%, Cr(12  5)%, Al (3,5  5,5)% còn lại là sắt. - Là hợp kim cứng, giòn nó khó kéo thành sợi và thành băng dài và là hợp kim rẻ tiền. - Dùng trong thiết bị đốt nóng bằng điện công suất lớn và lò điện công nghiệp. 2.4 CÁC KIM LOẠI KHÁC 2.4.1. Won fram + Đặc điểm:  = 0,053  0,0612(.mm2/m) ở 200C. Là kim loại rất cứng có màu tro chiếu sáng nó không thay đổi ở nhiệt độ thường dù có hơi nước. ở nhiệt độ 7000c bắt đầu bị ô xi hoá tạo thành màu trắng nếu tăng nhiệt độ thì lớp ô xyt sẽ trở nên màu vàng. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 18 - ở nhiệt độ cao phản ứng với oxyt cacbon, nitơ, hơi nước nó không phản ứng vợi hyđro, hơi thuỷ ngân. - Không tan trong a xit, các chi tiết tuy dày nhưng dễ vì, đứt. + Ứng dụng - Làm dây vòng xoắn ở đèn nung sáng. Làm điện trở nung nóng - Làm điện cực catôt (cực âm) ở bóng điện tử mạnh, làm việc với điện áp cao, nhiệt độ cao, làm nhiệt ngẫu. - Làm tiếp điểm điện nó không bị hàn chặt trong thời gian làm việc, có sức bền với sự mài mòn cơ khí. - Hợp kim với bạc, đồng dùng làm tiếp điểm công suất lớn. 2.4.2 Mô lip đen + Đặc điểm:  = 0,0476  0,057(.mm2/m) ở 200C. Là kim loại có màu trắng xám tro. ở dạng bụi bột có màu xám tro còn khi nóng chảy nó có màu trắng bạc. Khi nguội trong không khí nó khó bị ô xýt hoá, khi bị ô xýt hoá mất lớp rực sáng. - Khi nguội không bị tác dụng của kiềm hay axít clohyđric, bị tác dụng của axit sunfuaric, nó không phản ứng với hyđro. - Dẻo dễ rát mỏng, sức bền cơ khi khi gia công phụ thuộc vào độ lớn của hạt. + Ứng dụng: - Làm chi tiết đỡ cho sợi tóc bóng đèn nung sáng, lưới của bóng điện tử... - Dây mảnh và băng dẹt được dùng làm các phần tử đốt nóng trong chân không, ở những lò điện trở có nhiệt độ tới 16000c. -Dùng làm nhiệt ngẫu, tiếp điểm điện ở các bộ điều hoà dụng cụ từ kế. - Hợp kim môlipđen-von fram có thể dùng ở máy cắt điện trong chân không hay trong khí trơ. - Hợp kim với niken, crôm dùng làm điện trở nung nóng. 2.4.3. Niken + Đặc điểm: - Có  = 0,0614  0,138(.mm2/m) ở 200C. Là kim loại có màu trắng, xám tro, rực sáng. - Nó không bị oxy hoá trong không khí và nước ở nhiệt thường. ở nhiệt độ quá 500oC nó bị oxy hoá có tính hơi giòn và giảm sức bền cơ khí - Nó không tác dụng với dung dịch kiềm , bazơ nóng chảy và vật chất hữu cơ - Trong chân không nó bay hơi ở 750oC (trước nhiệt độ nóng chảy) - Là kim loại bền dễ dát, vuốt giãn, rèn dập - ở trạng thái lỏng có độ chảy lỏng nhỏ và hấp thụ nhiều khí + Ứng dụng: Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 19 - Người ta dùng niken để bọc thép, dùng làm kính phản chiếu trong kỹ thuật ánh sáng - Trong kỹ thuật chân không làm giá đỡ dây tóc bóng đèn nung sáng và bóng đèn điện tử . - Dùng chế tạo nhiệt ngẫu(Ni-Fe, Ni-Cr). - Chế tạo một số tiếp điểm điện trong môi trường hydrô cac bua có điện áp lớn và dòng điện nhỏ. - Dùng chế tạo điện trở phát nóng đến 9000C - Chế tạo điện cực dương cho các ắc quy - Hợp kim Ni để làm điện trở và các tiếp điểm điện, biến trở, chảo điện ... 2.4.4 Chì + Đặc điểm: -  = 0,205  0,32(.mm2/m) ở 200C. - Là kim loại có maù tro sáng ngả hơi xanh da trời, là kim loại mềm có thể uốn cong dễ dàng hoặc cắt bằng dao cắt công nghiệp. Chỗ mới cắt có màu sáng rực nhưng mất đi nhanh và chuyển sang màu tro. - Bền với thời tiết xấu, với muối clorua, dầu, không bền với các chất kiềm không bị tác dụng của axit clohydric, amôniắc - Không có sức đề kháng ở nhiệt độ cao, ở nơi dao động. Hợp kim chì có sức bền dao động hơn, nhưng ít bền với sự ăn mòn, sự bay hơi của chì rất độc hại + Ứng dụng - Dùng làm vỏ bảo vệ cáp - Bảo vệ tốt nhất với sự xuyên thủng của tia x quang - Chế tạo ăc quy - Dùng làm dây chảy cầu chì 2.4.5 Thiếc + Đặc điểm: -  = 0,113  0,143(.mm2/m) ở 200C. - Là kim loại có màu trắng bạc, sáng - Sức bền tốt đối với ảnh hưởng của môi trường, ít bị oxy hoá trong không khí - Không chịu tác dụng của axit và các chất kiềm chỉ khi các chất này bị nung nóng và đậm đặc. - Mềm, dễ dát mỏng và uốn dẻo. Khi bẻ cong ta nghe thấy âm thanh - Điện trở suất thay đổi đột ngột khi chuyển trạng thái từ rắn sang lỏng + Ứng dụng: - Để chế tạo đồng thanh hoặc hợp kim dùng để dính chặt - Dùng làm dây chảy cầu chì - Dùng làm tụ giấy và tụ mica Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 20 2.4.6 Kẽm + Đặc điểm:  = 0,0535  0,063(.mm2/m) ở 200C. Là kim loại có màu tro xám hơi ngả màu trắng có tính chiếu sáng sau thời gian trở nên màu mờ đục. Dễ bị tác dụng của axit và chất kiềm tạo thành tổ hợp chất độc. + Ứng dụng: - Dùng làm dây dẫn khi thêm đồng hay nhôm. - Dùng làm thanh góp, điện cực, làm cầu chì nóng chảy. - Dùng để mạ dây thép. 2.4.7 Bạch kim (platin) + Đặc điểm: Là kim loại không két hợp với ôxy và rất bền vững đối với thuốc thử hoá học. - Rễ gia công cơ khí, kéo thành sợi mảnh và tấm mỏng. + Ứng dụng: Dùng sản xuất cặp nhiệt độ làm việc tới 16000c. - Với dây mảnh < 0,001mm dùng treo hệ thống động trong đồng hồ điện và các đồng hồ đo có độ nhạy cao. - Hợp kim với inđi dùng làm tiếp điểm . 2.4.8 Thuỷ ngân - Nhiệt độ thường tồn tại dạng lỏng - Sản xuất từ hợp chất (HgS)sunfit xinoba bằng cách nhiệt phân trong không khí ở nhiệt độ 500oC . Sau đó tinh chế nhiều lần cuối cùng chưng cất trong chân không ở nhiệt độ 200oC. - Hơi thuỷ ngân khác khí thường và khí trơ là có điện thế ion hoá thấp. - Có tính bền hoá học chỉ bị oxy hoá ở nhiệt độ gần độ sôi, tác dụng yếu với hyđro, magiê, nhôm, kiềm và kim loại kiềm thổ... - Hiện tượng siêu dẫn phát hiện đầu tiên là thuỷ ngân. *Than kỹ thuật điện + Đặc điểm:- Là một dạng của cacbon có thể sản xuất từ than cốc. - Nó tồn tại dưới các dạng: + Gra phit thô chưa gia công cơ khí + Graphit cô đặc đã chịu gia công cơ khí. - Có sức bền cơ khí đặc biệt ở những máy điện chịu rung, va đập. Phải có sức bền với sự mài mòn và chỉ mài mòn rất ít cổ góp điện. - Chổi than dùng cho máy điện tạo thành tiếp xúc động giữa phần cố định và phần quay. - Chổi than điện graphit, Chổi than graphit, Chổi than kim loại graphit được dùng ở những máy điện có điện áp thấp và động cơ không đồng bộ rôto dây quấn. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 21 2.5 ỨNG DỤNG CỦA HỢP KIM TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN 2.5.1 Hợp kim dùng làm điện trở 1. Khái quát và phân loại. - Vật liệu được sử dụng để chế tạo các điện trở phải có điện trở suất lớn, hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ phải nhỏ. - Phân loại: * Theo mục đích sử dụng gồm: + Vật liệu dùng làm điện trở chính xác: Dùng ở dụng cụ đo lường và điện trở mẫu. Những vật liệu này có một sức nhiệt điện động nhỏ so với những vật liệu khác và đặc tính không được thay đổi theo thời gian để nó không tạo nên những sai số trong những phương pháp đo. + Vật liệu dùng làm biến trở khởi động. Là những vật liệu phải có sức bền khi rung, sức bền đối với sự ăn mòn khi nung nóng và giá thành hạ. + Vật liệu dùng ở khí cụ điện sưởi nóng,đun nóng. Là những vật liệu phải có sức bền đối với thời gian kéo dài ở nhiệt độ cao (không được nóng chảy và không bị ôxy hoá). Chúng phải gia công dễ dàng và làm việc không được rút ngắn chiều dài. * Theo bản chất vật liệu người ta phân biệt: + Kim loậi tinh khiết hay ít hợp kim dùng làm điện trở. + Hợp kim dùng làm điện trở. 2. Hợp kim dùng làm điện trở. -Những kim loại tinh khiết hay ít hợp kim có gới hạn trong việc sử dụng và dùng ở kết cấu điện trở. Vì thông thường chúng có điện trở suất nhỏ hơn hợp kim của chúng, hệ số biến đổi điện trở suất nhiều hơn hợp kim của chúng, đồng thời nó bị ăn mòn ở nhiệt độ cao. - Người ta sử dụng những hợp kim của kim loại khó nóng chảy (Cu,Ni, Fe, Cr, Mn) những hợp kim này rất bền đối với sự ăn mòn ở nhiệt độ cao so với những kim loại hợp thành. a. Hợp kim dùng làm điện trở chính xác và dùng làm bộ biến trở - Hợp kim loại man gan (86% Cu, 2% Ni, 12% Mn) người ta dễ kéo thành băng và dây mảnh có màu cà phê- đỏ nhạt. Nó có sức nhiệt điện động rất nhỏ (1 2v/độ). Người ta sử dụng làm điện trở chính xác vì nó không làm sai lệch kết quả đo lường ở dòng điện và môi trường xung quanh khác nhau. Đồng thời yêu cầu đảm bảo tính bất biến của những giá trị điện trở ở thời gian làm việc lâu dài và không vượt quá nhiệt độ làm việc 600c, với biến trở khoảng 3000c. - Hợp kim loại constantan và nikelin . Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 22 + Constantan: Chứa 60%Cu và 40%Niken gia công dễ dàng khi nguội và khi nóng, có thẻ kéo thành sợi, rát mỏng thành băng chiều dày 0,02mm. Dễ hàn và dính chặt. Hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ bé. Khi dùng làm biến trở và điện trở nung nóng không được dùng ở quá nhiệt độ 4500c vì nó sẽ bị ôxy hoá. Nhưng nung nóng ở 9000c thời gian 3 giây rồi để nguội trong không khí thì trên bề mặt sẽ tạo thành màng ôxyt ngăn cách dễ uốn dẻo và có độ bền. + Nikelin chứa 2535% Ni, 23% Mn, 67% Cu nên rẻ tiền hơn constantan. Nó được gia công rất dễ, có điện trở suất nhỏ hơn và hệ số biến đổi điện trở suất đối với nhiệt độ thấp hơn constantan. Dùng làm biến trở khởi động. - Hợp kim trên cơ sở kim loại quý. Đó là các hợp kim có vàng với Crôm(20%) bạc với mangan và thiếc, bạc với niken. Chúng có điện trở suất lớn và hệ số biến đổi của điện trở suất đối với nhiệt độ nhỏ tuỳ thuộc vaò việc sử lý già hoá. Người ta dùng hợp kim này làm điện trở chính xác. - Hợp kim đồng - kẽm và đồng- niken- kẽm. Là hợp kim dẻ tiền, được sử dụng trong các dụng cụ đo lường thông dụng và làm bộ biến trở đối với dòng điện lớn. b. Hợp kim dùng làm điện trở sưởi nóng và nung nóng - Hợp kim trên cơ sở niken và crôm (nicom, crômniken). Có sức bền tốt ở nhiệt độ cao, điện trở suất lớn và hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ. Dùng làm các dây dẫn mảnh(đường kính 0,01 0,3mm) chứa 20% crôm, còn dây dẫn và dây băng có chiều dày không quá 1,5 mm chứa 30% crôm. - Hợp kim trên cơ sở niken-sắt-crôm(feronicrom) chứa 6070% niken,15  20% crom và 15  25% sắt, có thể thêm vào 1 2% Mn để làm chất khử ôxy. Điện trở suất của hợp kim này khoảng 1 .mm2/m) và thay đổi tuỳ theo các thành phần cấu tạo nên (tham khảo tài liệu trang 146, 147). - Hợp kim trên cơ sở sắt-crôm-nhôm(fecral-cromel). Trong kỹ thuật truyền thanh người ta dùng những điện trở có giá trị lớn xong kích thước nhỏ như các hợp kim của nhôm được mang tên là ohmax ( = 1,67 .mm2/m,  =0,00035). - Hợp kim crom-silic-sắt. Là những hợp kim chịu được nhiệt độ cao vì vậy chúng rất thông dụng. -Dây làm điện trở trên cơ sở các bua silic. Vật liệu từ các bua silic được đưa thêm vật liệu gốm vào, chúng có dạng thanh hay ống với các đầu được kim loại hoá. Dùng cho lò điện có nhiệt độ 1000  14000c. 2.5.2. Hợp kim dùng làm tiếp điểm điện 1. Khái quát; Vật liệu dùng làm tiếp điểm cần thỏa mãn những điều kiện chung sau: - Có sức bền cơ khí và độ rắn cao Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 23 - Có điện dẫn suất và dẫn nhiệt tốt để không nung nóng quá nhiệt độ cho phép khi có dòng điện định mức lâu dài đi qua. - Có sức bền đối với sự ăn mòn do tác nhân bên ngoài. - Có nhiệt độ nóng chảy và hoá hơi cao. - ô xyt của nó phải có điện dẫn suất lớn. - Có thể gia công dễ dàng, giá thành hạ. + Điều kiện riêng: - Đối với tiếp điểm cố định: Có sức bền khi nén để có thể chịu áp suất ép lớn. Phải có điện trở ổn định trong thời gian làm việc lâu dài. - Đối với tiếp điểm điện động. Phải có sức bền đối với sự ăn mòn, do tác động cơ khí hoặc va chạm khi đóng và mở. Phải có sức bền đối với sự tác động của hồ quang điện. Không bị hàn chặt. + Đối với tiếp điểm trượt:(Máy cắt điện, dao cắt, vòng cổ góp... có sức bền đối với sự mài mòn cơ khí do ma sát. 2. Sức bền của tiếp điểm và các yếu tố ảnh hưởng đến sức bền Sức bền của tiếp điểm bị ảnh hưởng bởi: + Bản chất bề mặt: Điện trở của tiếp điểm càng lớn khi điện trở suất của vật liệu càng lớn, điện trở càng nhỏ khi ứng suất nghiền đập của vật liệu càng nhỏ. Vật liệu càng mềm thì sự biến dạng càng dễ dàng, số lượng điểm tiếp xúc càng lớn. Trong một số trường hợp tiếp điểm được làm bằng vật liệu cứng hơn song lại được bọc bằng vật liêụ mềm hơn. Bản chất của vật liệu ảnh hưởng đến điện trở của tiếp điểm. Khi phụ tải thay đổi và khi ngắn mạch có thể sinh ra ứng lực rất lớn, có thể dẫn đến vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu và làm yếu tiếp điểm. Vậy bản chất của vật liệu và những điều kiện làm việc ảnh hưởng đến sự ăn mòn làm xấu tính chất dẫn điện do vậy điện trở tiếp xúc tăng. Sự ăn mòn thể hiện rõ ở trong môi trường như: Amoniac, clo, hơi axit... Những tiếp điểm làm bằng 2 kim loại khác nhau sẽ chịu ăn mòn lớn hơn tiếp điểm làm bằng cùng kim loại. Để tránh ăn mòn người ta phủ lên tiếp điểm những kim loại có sức bền đối với sự ăn mòn và tránh các môi trường như trên. + Lực ấn. Là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến điện trở của tiếp điểm. - Khi cùng độ lớn của bề mặt tiếp xúc thì điện trở càng nhỏ khi lực ấn càng lớn (Vì diện tích tiếp xúc phụ thuộc vào lực ấn). - Những tiếp điểm cố định ghép bằng bu lông lực phải đủ lớn không quá lỏng làm điện trở tiếp xúc lớn, quá chặt tạo nên ứng suất lớn trong vật liệu làm mất tính đàn hồi và làm xấu mối tiếp xúc. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 24 + Nhiệt độ tiếp điểm. Nếu lực ấn duy trì không đổi với nhiệt độ 2500c thì điện trở suất tăng theo nhiệt độ. Giữa 250  4000C sức bền cơ học của vật liệu giảm. Vật liệu trở nên mềm làm tăng diện tích tiếp xúc thực tế và giảm điện trở mà dòng điện đi qua. + Trạng thái bề mặt trong lúc tiếp xúc. Khi gia công cần loại bỏ màng ôxyt và những vật chất xa lạ, đồng thời phải tạo được tối đa các điểm tiếp xúc khi tiếp xúc các bề mặt. 3. Vật liệu dùng làm tiếp điểm cố định Người ta sử dụng Đồng, Nhôm, Thép và Kẽm. - Đồng rất cứng và hợp kim của nó (đồng thanh, đồng thau) có phốt pho sử dụng ở điện áp nhỏ điều kiện làm việc bình thường. Để có sức bền đối với sự ăn mòn người ta mạ niken hoặc tẩm thiếc khi nóng hay bọc bạc. - Nhôm có sưc bền cơ học thấp, điện trở suất lớn do vậy người ta không dùng ở nơi có dòng điện ngắn mạch lớn - Thép có tổn thất lớn trong dòng điện xoay chiều vì vậy sử dụng ở công suất bé và điện áp lớn. Nó bị ăn mòn trong không khí ẩm ướt tạo lớp gỉ sét dễ phát triển vào sâu dẫn đến phá huỷ hoàn toàn. - Kẽm giống nhôm trong không khí tạo thành lớp oxit bọc bề mặt ngoài bảo vệ sự ăn mòn không cho tiếp tục đi vào trong tiếp điểm 4. Vật liệu dùng cho các tiếp điểm cắt - Platin có tính ổn định cao đối với sự ăn mòn trong không khí tạo nên màng oxit do vậy đảm bảo được sự ổn định điện của tiếp điểm dẫn đến dòng điện qua tiếp điểm sẽ nhỏ. Platin có độ cứng thấp nên mài mòn nhanh do đó ít sử dụng dạng tinh khiết thường dùng với iridi có độ cứng cao nhiệt độ nóng chảy cao. Do đó chúng được chế tạo các tiếp điểm quan trọng có độ chính xác cao ở dòng điện nhỏ. Có sức bền tốt với sự tác động của hồ quang điện - Paladi tính chất tương tự platin nó có sức bền tốt hơn không khí - Rodi có độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy cao điện dẫn suất vầ dẫn nhiệt cao, tính dễ bay hơi thấp và có sức bền cao đối với sự ăn mòn được sử dụg thông dụng với các tiếp điểm có yêu cầu chính xác. - Vàng : Có sức bền kém so với platin đối với hồ quang điện nên ít dùng nguyên chất để làm tiếp điểm - Bạc : Tạo nên màng mỏng oxit có cùng điện dẫn suất với bạc nguyên chất vì vậy những tiếp điểm bằng bạc không làm thay đổi tính chất song khi suất hiện hồ quang điện sẽ bị ăn mòn nhiều, dễ dàng bị dính chặt giữa chúng Tiếp điểm bằng hợp kim bạc với đồng có độ cứng cao ăn mòn nhỏ dùng cho những tiếp điểm có áp suất lớn. Hợp kim bạc với cadimi dùng cho tiếp điểm có cong suất lớn - Ngoài ra còn : Vonfram, molipden ... 5. Vật liệu tổng hợp dùng làm tiếp điểm có công suất lớn Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 25 Những vật liệu tổng hợp hay dùng gồm :Bạc - Vonfram, Bạc-Molipden, Bạc-Niken, Đồng- Vonfram, Đồng - Molipden. Một kim loại có điện dẫn suất lớn còn loại kia có sức bền cơ khí lớn. Như vậy vật liệu tỏng hợp có tính cơ học rắn chắc với điện dẫn suất lớn, ổn định nhiệt cao. Sử dụng ở những tiếp điểm có yêu cầu công suất lớn, áp suất tiếp súc lớn và độ cứng cao. Dưới dạng các viên mỏng dính chắc lên trên bề mặt tiếp xúc của tiếp điểm cắt ở khí cụ điện. 6. Vật liệu dùng làm tiếp điểm trượt. - Đồng: ở cổ góp máy điện và những tiếp điểm của máy cắt điện, dao cách ly...Để tạo ra sức bền cơ khí cao người ta dùng hợp kim với cadmi hoặc mạ bạc. - Các hợp kim của đồng: Đồng thanh, đồng thau, được dùng làm vòng tiếp xúc hay cổ góp chúng có độ bền cơ khí cao với sự mài mòn và ăn mòn. - Gang hình cầu đôi khi được dùng làm vòng góp. - Nhôm được dùng làm các chi tiết tiếp xúc ở cần lấy điện của các phương tiện vận tải bằng điện. - Cacbon điện graphit dùng trong khí cụ điện, làm chi tiét tiếp xúc của phương tiện vận tải vì chúng không mài mòn dây dẫn truyền tải điện và có tuổi thọ cao. 2.5.3 Dây dẫn, dây cáp. 1. Cơ sở phân loại cáp a/ Phân loại theo thành phân kết cấu. Ta có cấu trúc của cáp bao gồm: lõi dẫn, cách điện, màn chắn điện và lớp bảo vệ. Lõi dẫn có nhiệm vụ truyền dòng năng lượng điện và tín hiệu tin tức liên lạc. Cách điện là tạo nên khoảng cách cách điện ổn định giữa lõi dẫn và bề mặt đất. Các lớp bảo vệ dùng bảo vệ lõi dẫn và cách điện khái bị tác động cơ học, khí hậu hay hoá học. Màng chắn để toạ nên cách điện bên trong điện từ trường hướng tâm hay là bảo vệ cho tín hiệu điện truyền đi khái bị nhiễu từ bên ngoài. + Theo thành phần kết cấu các chi tiết cáp có thể chia thành: Dây dẫn không có cách điện (dây cáp trần) và dây dẫn có cách điện, dây cáp mềm và cáp điện. - Dây cáp trần được tạo nên từ lõi dẫn, còn dây có cách điện được tạo nên từ hai thành phần lõi và lớp cách điện . - Dây cáp mềm được tạo nên từ tổ hợp hai hay nhiều dây dẫn mềm có cách điện được bao bọc chung một lớp baỏ vệ. - Cáp điện được tạo nên từ ba thành phần kết cấu: Các lõi dẫn, cách điện và vỏ bảo vệ. b/ Phân loại theo vật liệu cách điện. - Dây trần, cáp điện và dây dẫn cách điện bằng giấy (có hay không tẩm) - Cáp điện day dẫn và dây cáp mềm cách điện bằng cao su và polime - Dây ê may - Dây dẫn và cáp cách điện bằng sợi và cách điện tổ hợp. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 26 c/ Phân loại theo mục đích sử dụng. - Cáp và dây dẫn điện áp cao: Có điện áp làm việc > 1000V - Cáp và dây dẫn điện áp thấp: Dùng phân phối điện năng trong mạch nhị thứ, dùng đấu nối trong sơ đồ, thiết bị, dụng cụ đo lường, cung cấp điện và điều khiển hệ thống kiểm tra ... - Cáp và dây thông tin dùng cho tất cả các dạng liên lạc (điện thoại, điện tín, rađiô, tivi...) - Cáp sử dụng truyền tải và phân phối năng lượng với tần số > 1MHz. - Dây quấn điện từ dùng để quấn các cuộn dây, máy điện, thiết bị điện d/ Phân loại theo lĩnh vực sử dụng. - Cáp và các chi tiết cáp sử dụng đại chúng dùng để cung cấp điện năng trong công nghiệp, trong giao thông, liên lạc và dùng cho xây dựng, nhà ở... - Cáp và dây dẫn chuyên dùng sử dụng trong kỹ thuật chuyên nghành riêng, trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt. Ví dụ: Cáp tàu thuỷ tàu biển, dùng trong hành không vũ trụ, trong hầm lò, dầu mỏ, dùng trong thiết bị di chuyển (cần trục, cầu trục). * Một số loại dây dẫn, cáp điện. + Dây đơn cứng (Hình vẽ) + Dây đơn mềm Là dây dẫn có bọc cách điện bằng nhựa PVC hoặc Cao su lưu hóa, có ruột bằng Đồng, gồm nhiều sợi nhỏ có đường kính 0,2mm xoắn lại nên rất mềm. Dây đơn mêm được sử dụng để đi dây trong bảng phân phối điện, đầu dây đưa ra ngoài của các máy điện Hình 1.5b Dây dẫn đơn mềm + Dây điện đôi Tạo bởi hai dây dẫn ruột đồng, mềm, được bọc cách điện song song với nhau, chất cách điện là nhựa PVC hoặc cao su lưu hóa. Dây dẫn được tạo bởi nhiều sợi có đường kính là 0,2mm nên mềm dẻo, dễ di động. Dây đôi dùng để dẫn điện cho các thiết bị điện cần di động, đồ dùng điện trong sinh hoạt như quạt để bàn, tủ lạnh, máy thu thanh, thu hình . Lõi đồng PVC Lớp vải gai Cao su lưu hóa Lõi đồng PVC (hoặc cao su) Ruột đồng nhiều sợi Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 27 Hình 1.5c Dây điện đôi Các thông số của dây đôi mềm: Chỉ danh Cấu tạo Tiết diện (mm2) Cường độ dòng điện tối đa (A) 0,40 mm2 0.50 mm2 0.75 mm2 1.00 mm2 1.50 mm2 0,20 x 12 sợi 0.20 x 16 0.16 x 25 0.20 x 24 0.18 x 30 0.16 x 37 0.20 x 32 0.18 x 40 0.16 x 50 0.20 x 49 0,38 0.50 0.50 0.75 0.76 0.74 1.01 1.02 1.02 1.54 6 8 8 10 10 10 12 12 12 16 + Dây cáp Là loại dây dẫn tải dòng điện lớn, có bọc cách điện bằng cao su lưu hóa hoặc nhựa PVC. Ruột bằng đồng, được tạo bởi nhiều sợi dây đơn nên có thể mềm hơn. Thường dùng làm đường dây tải chính cho các hộ tiêu thụ. Có thể đặt trên buli hoặc đi trong ống. Để tăng cường sức chịu đựng lực kéo, nén cho dây cáp người ta còn chế tạo các loại cáp với lớp vỏ bọc bằng thép ở bên ngoài; Các loại cáp này thường được dùng để đi ngầm cho các công trình điện lớn. Lớp vỏ bọc bằng thép có thể được tạo bởi nhiều sợi dây thép bện soắn hoặc là các băng thép mỏng bao kín phía ngoài của các sợi dây và ngoài cùng là một lớp vỏ bọc bằng nhựa PVC hoặc cao su, che kín và bao vệ cho lớp vỏ thép và các dây điện của cáp. PVC Ruột đồng nhiều sợi Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 28 2. Vật liệu cáp điện. a/ Vật liệu dùng làm lõi dẫn và màng chắn điện. Trong kỹ thuật cáp sử dụng lõi dẫn bằng đồng, nhôm và thép, dùng dây dẫn điện trở thấp và điện trở cao, kích thước giới hạn từ vài micron đến 10 mm. Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu là: độ dẫn điện cao, đặc tính cơ cao, không bị ăn mòn , dễ chế tạo, kinh tế và là nguyên tố không hiếm. b/ Vật liệu cách điện . - Vật liệu từ tự nhiên: Giấy cách điện , vải, cao su,amiăng, cánh kiến... - Vật liệu nhân tạo: poliêtylen,polistirol, cao su nhân tạo(cao su butađien, cao su bu til, cao su silicon...), sơn êmay các loại. - Vật liệu màng mỏng. Giấy cáp và giấy telephone...các loại này có các tính năng cách điện tốt: cường độ cách điện cao, hằng số điện môi nhỏ, tổn hao điện môi nhỏ, chịu được môi trường nóng ẩm, độ bền cơ-lý-hoá cao, chịu nhiệt tốt. c/ Vật liệu để bảo vệ cáp. -Kim loại: Để bảo vệ cáp và dây dẫn, tạo nên lớp vỏ chống thấm và lớp bọc bên ngoài. (Chì, nhôm và thép). - Hỗn hợp cao su ống mềm: Dùng lót thêm cho tăng tính chất cơ học và chống ẩm, chống môi trường xâm nhập vào cáp. - Các chất dẻo màng mỏng: Cắt thành băng quấn quanh lớp bảo vệ kim loại để chống ăn mòn kim loại và tăng thêm bảo vệ cho cáp. - Vật liệu sợi: Có thể dùng giấy cáp, băng cáp, sợi chỉ bông ự nhiên hay caprôn hoặc sợi amiăng. Nó dùng lót đệm cho lớp bọc kim loại để bảo toàn lớp bọc kim loại khái tác động cơ học khi quấn và lắp đặt cáp. 2.6.VẬT LIỆU SIÊU DẪN 2.6.1 Khái niệm Theo định nghĩa “siêu dẫn là một trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà ở đó nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt siêu dẫn vào trong từ trường thì từ trường bị đẩy ra khỏi nó” 2.6.2 Các đặc tính cơ bản của vật liệu siêu dẫn Nhựa PVC Lớp bảo vệ bằng KL Cao su lưu hóa Lõi cáp Vỏ bọc bằng thép Hình 3.17 Dây cáp Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 29 - Nếu truyền một dòng điện vào một mạch làm bằng chất liệu siêu dẫn thì dòng điện sẽ chạy trong đó mãi mà không suy giảm, vì nó không gặp một trở kháng nào trên đường đi, nghĩa là năng lượng điện không bị tiêu hao trong quá trình chuyển tải điện từ nơi này sang nơi khác. Đây được coi như một dạng chuyển động vĩnh cửu trong điện năng. - Những chất siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể tạo ra những từ trường rất mạnh và gọi chung đó là đặc tính riêng thứ hai của siêu dẫn. Mọi chất siêu dẫn đều làm ra từ trường; mặt khác, dòng điện chạy trong chất siêu dẫn lại không gặp phải một kháng trở nào, do đó từ trường siêu dẫn sản sinh ra rất mạnh. Nhờ đó mà ngày nay, con người có thể tạo ra từ trường nhân tạo mạnh gấp tới 200 ngàn lần so với từ trường của Trái đất. - Nếu hai chất siêu dẫn được đặt gần nhau (nhưng không chạm nhau) thì các điện tử có thể nhảy qua như thể hai chất dẫn điện ấy tiếp xúc với nhau. Chỗ mà dòng điện nhẩy qua, người ta gọi là “khớp nối Josephson”. Nhưng dòng điện chạy qua khớp nối ấy rất nhậy cảm với những biến đổi của điện trường và từ trường bên ngoài. 2.6.3. Ứng dụng của vật liệu siêu dân 1-Chế tạo nam châm siêu dẫn 2- Truyền tải điện năng 3- Tạo từ trường để tích trữ năng lượng 4- Trong y học (quan sát nội tạng người bằng ảnh cộng hưởng từ hạt nhân-MRI) 5- Chế tạo động cơ, biến thế 6- Cầu chì giới hạn dòng 7- Tàu siêu tốc(High Speed Surface transport - HSST) 8- Các thiết bị dựa trên hiệu ứng Josephson với độ nhạy cực cao 9- Giao thoa lượng tử siêu dẫn(SQUID), và các ứng dụng khác.. ** Một số ứng dụng cụ thể 1/ Hệ thống “Vận tải trên bộ tốc độ cao” (High Speed Surface transport – HSST). + Theo hướng công nghệ HSST này, người Đức chế tạo ra tầu “Transrapid” chạy trên đệm từ và cũng theo nguyên lý phát minh từ những năm 1960 theo công nghệ hơi khác người Nhật đôi chút, đó là phương pháp nâng điện từ nhờ tác động của những thanh nam châm đặt trên tầu, với những nam châm vô kháng chạy bên dưới và hai bên đường tầu hình chữ T. Với vận tốc đạt 450 km/giờ chạy trên đường Berlin tới Hambourg, kinh phí khoảng 6 tỷ USD. Ngoài ra, người Pháp cũng đã và đang quan tâm đến vấn đề vận tải siêu tốc trên bộ bằng siêu dẫn. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 30 Maglev trains sử dụng chất siêu dẫn để nâng bổng con tàu lên trên thanh siêu dẫn. Ở đó cho phép nó hạn chế được lực cản, ma sát và đạt được vận tốc cực lớn (Tàu trong ảnh được chế tạo tại the Old Dominion University ở Hampton, Virginia). Đó là con tàu đầu tiên được láp đặt tại Mỹ. Tuy nhiên do chiều dài khá nhỏ nên nó chỉ đạt được vận tốc cỡ 40 dặm một giờ (~60 km/h). Những con tàu Mglev có thể đạt được những vận tốc lớn hơn và chạm tới 300 dặm một giờ (~500 Km/h). b/ Truyền tải điện năng + Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao (high-temperature superconductor – HTS) + Truyền dẫn điện cao gấp nhiều lần so với các loại cáp điện truyền thống. + Giảm tắc nghẽn hệ thống điện, đồng thời giảm chi phí lắp đặt và vận hành. + Loại cáp mới này sử dụng sợi siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS), + Mỏng như sợi tóc, có độ dẫn điện cao gấp 150 lần dây đồng có cùng kích cỡ. + Hệ thống cáp được làm lạnh liên tục bằng nitơ lỏng, không đắt và an toàn với môi trường + Giá thành sản xuất dây HTS hiện nay cao hơn so với dây đồng, + Theo dự báo của ngành công nghiệp chế tạo, công nghệ dây HTS mới nhất, còn gọi là cáp 2G (thế hệ 2), sẽ không còn đắt nữa, và cuối cùng thì sẽ không đắt hơn đồng tính theo chi phí cho một kilôampe-mét (tỉ suất giá/hiệu quả), một khi được sản xuất trên qui mô lớn. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 31 + Bằng cách thiết kế dây điện thành dây băng để sử dụng cho cáp, động cơ và máy móc, giúp giảm bớt những sự cố của điện Ảnh :Dây siêu dẫn nhiệt độ cao thế hệ 2 (2G) có chiều rộng 4cm (công ty American Superconductor sản xuất) c/ Động cơ điện Động cơ điện, sử dụng vật liệu siêu dẫn có kích thước nhỏ gọn nhưng công suất vô cùng lớn. Động cơ 5000 mã lực sử dụng dây siêu dẫn, được lắp bởi công ty American Superconductor d/ Máy gia tôc hạt + Một ứng dụng khác nữa là, có thể tạo ra được máy gia tốc mạnh để nghiên cứu đặc tính gốc của nguyên tử. Người ta dùng những nam châm cực mạnh để bẻ cong các chùm hạt, làm cho chúng chạy theo đường tròn để chúng va đập vào nhau, qua đó nghiên cứu những “mảnh” sinh ra do những va đập mạnh đó; người ta gọi đó là “siêu va đập siêu dẫn”. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 32 Dựa theo nguyên tắc này, các nhà khoa học Mỹ đang tiến hành xây dựng một “máy gia tốc cực mạnh” trong đường hầm dài 88 km ở bang Texac để nghiên cứu các hạt cơ bản của vật chất. + Có thể ứng dụng để sản sinh ra máy đo điện trường hết sức chính xác. + Một ứng dụng quan trọng nữa từ đặc tính thứ ba này của chất siêu dẫn là có thể làm ra “cái ngắt mạch điện từ” giống như một tranzito. Cùng với đặc tính thứ nhất là dẫn điện mà không có điện kháng, người ta hy vọng có thể làm ra được máy tính được nối với nhau bằng “giây siêu dẫn”, nhờ đó sẽ làm nên được “máy tính điện tử siêu tốc” thế hệ mới phục vụ cho nghiên cứu không gian. + Ngoài ra, có thể ứng dụng khớp nối Josephson để sản xuất ra thiết bị y tế nhằm nghiên cứu những điện trường sinh học cực nhỏ do hoạt động của não người sinh ra, giúp cho việc chẩn đoán bệnh về não. Hoặc nhờ siêu nam châm, có thể chế tạo ra các máy quét MRI dùng trong y học (quét ảnh bằng cách đo tiếng dội lại của âm thanh) để khám các mô trong cơ thể người. + Cùng với những điều đã nói ở trên, người ta còn hy vọng những thành quả của siêu dẫn có thể áp dụng để tạo ra những thiết bị quan sát vì sao, hành tinh, hoặc bề mặt trái đất và giúp giải thích cơ chế của một số vật thể lạ trong vũ trụ, như những vì sao Neutron, những vật thể siêu rắn sót lại của những ngôi sao phát nổ trước khi tắt mà người ta nghĩ là có đặc tính xoay vòng tương tự với chất siêu dẫn lỏng Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 33 CHƯƠNG III VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 3.1. NHỮNG HIỂU BIẾT CƠ BẢN TRONG KỸ THUẬT CÁCH ĐIỆN 3.1.1 Điện trường Mục đích của cách điện là duy trì khả năng cách điện của vật liệu cách điện đặt trong điện trường vì vậy tránh các hiện tượng sau: - Phóng điện trong vật liệu cách điện. - Đánh thủng toàn phần hoặc bộ phận bên trong vật liệu. - Phóng điện bề mặt ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu. Hiện tượng phóng điện xẩy ra nếu điện áp lớn hơn trị số đặc trưng của vật liệu cách điện và kết cấu hình học của điện cực trị số này là điện áp phóng điện. Điện áp mà bắt đầu có phóng điện gọi là điện áp ngưỡng của phóng điện. + Để phân biệt hiện tượng đánh thủng với hiện tượng phóng điện bề mặt trên hình vẽ. Nếu ta tăng điện áp giữa hai điện cực thì có thể xẩy ra hiện tượng. Một là: Tấm cách điện không chịu nổi điện áp ở một hoặc nhiều chỗ điện tích chạy từ điện cực này qua điện cực kia xuyên qua tấm cách điện chúng ta nói rằng tấm cách điện bị đánh thủng. Hai là: Điện áp tăng tới mức nào đó ở cạnh mép của tấm cách điện suất hiện vầng quang phát triển thành những tia điện loằn ngoằn trên bề mặt tấm các điện và nối liền với nhau ở cạnh biên của tấm cách điện, hiện tượng này gọi là phóng điện bề mặt. - Với vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng thì chỉ có thể xẩy ra trong giây lát sau đó cách điện lại được phục hồi. - Với vật liệu cách điện ở thể rắn thì đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng bị phá huỷ vĩnh viễn không sử dụng lại được. - Phóng điện bề mặt thường không gây hậu quả nghiêm trọng, nhiệt của hồ quang có thể làm mủn bề mặt cách điện, làm nứt rạn nó nhưng cách điện thường không hỏng hoàn toàn và buộc phải thay thế ngay mà vẫn có thể tiếp tục sử dụng trong thời gian nhất định. - Điện áp đánh thủng là điện áp làm cho cách điện có bề dày nhất định bị đánh thủng: Kí hiệu (Uđt) - Điện áp phóng điện bề mặt là điện áp làm sinh ra phóng điện bề mặt trên mặt cách điện : Kí hiệu (Upđ) - Điều kiện để cách điện làm việc lâu dài: Uđt <Upđ <U + Hệ số an toàn đối với đánh thủng là: ađtb + Hệ số an toàn đối với phóng điện bề mặt là: apđ - Độ bền cách điện là điện áp tính trên cách điện có bề dày 1cm. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 34 * Chú ý: ở một số vật liệu cách điện thì điện áp đánh thủng tăng tỉ lệ thuận với bề dày cách điện 3.1.2 Sự già hoá của vật liệu cách điện Tính chất của vật liệu cách điện (Chủ yếu là vật liệu hữu cơ) trong thời gian vận hành khả năng cách điện thường bị giảm dần. Vật liệu cách điện hoá già thì tính chất của vật liệu cách điện thay đổi đến mức không thể hoàn thành chức năng cách điện giữa các chi tiết mang điện ở các điện thế khác nhau. Tuổi thọ của vật liệu do điều kiện vận hành quyết định (nhiệt độ làm việc, tác nhân hoá học, tác dụng cơ học...)  Quá trình hoá già thực chất là kết quả của sự biến đổi hoá chất sảy ra nhanh hoặc chậm do điều kiện vận hành tác động.  Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hoá già của vật liệu + Nhiệt độ làm việc: Sự giảm sút tính chất cách điện gia tăng rất mạnh khi nhiệt độ tăng tức là: Tốc độ của phản ứng hoá học tăng theo hàm mũ với nhiệt độ. + Các tác nhân hoá học từ bên ngoài trực tiếp hay gián tiếp ảnh hưởng đến sự hoá già của vật liệu. - Những vật liệu cách điện gần bên. Ví dụ : Sơn tẩm, dầu... - Môi trường bao quanh vật liệu cách điện. Ví dụ: chất bẩn thể khí, khí ô zôn, độ ẩm... - Vật liệu điện cực.  Những tác dụng cơ học trọng quá trình chế tạo, vận hành.  Quá trình hoá học chủ yếu gây sự hoá già là: Sự oxy hoá, sự thuỷ phân, sự bay hơi, sự trùng hợp. 3.1.3 Tính chất cơ lý hoá của điện môi 1. Tính hút ẩm. a. Độ ẩm không khí. + Độ ẩm tuyệt đối (m). Là khối lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí (gH2 O/m 3), ở t0c thì độ ẩm tuyệt đối nhỏ hơn độ ẩm bão hoà (m < mm ) nếu ngược lại thì trạng thái hơi nước ở dạng sương rơi xuống. + Độ ẩm tương đối (%): Là tỷ số giữa độ ẩm tương đối với độ ẩm bão hoà tính theo phần trăm %. % = m/mmax100% ở trạng thái bão hoà thì % = 100%. b. Độ ẩm của vật liệu cách điện. - Khi đặt vật liệu vào không khí ta có độ ẩm tương đối ở nhiệt độ nào đó. Sau một thời gian thì vật liệu có độ ẩm là  và đạt tới độ ẩm cân bằng cb. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 35 Với  là g/đvị trọng lượng vật lịêu - Nếu đặt vật liệu cách điện khô có( < cb) thì nó bị thấm (hút hơi nước) để đạt tới cb. - Nếu vật liệu quá ẩm ( > cb) cũng đặt ở không khí Sau thời gian nó có  = cbtức là nó được không khí sấy khô. c. Thấm ẩm. Là khả năng cho hơi nước đi xuyên qua điện môi. Được tính bằng: m = P(p1 -p2).S./h Trong đó : m : Lượng hơi ẩm (mg) P : Độ thấm ẩm p1, p2: Độ chênh lệch áp suất (mHg) S : Diện tích điện môi  : Thời gian vật liệu chịu đựng(giờ) h : Độ dày điện môi (cm) d. Độ ngưng tụ trên bề mặt Là khả năng ngưng tụ và hình thành màng ẩm trên bề mặt vật liệu. Nó phụ thuộc vào: + Bề dày vật liệu. + Độ ẩm môi trường. + Các loại vật liệu khác nhau Khả năng đó đặc trưng bằng góc biên dính nước trên bề mặt vật liệu. Ví dụ: Vật liệu liên kết ion, phân cực(có cực tính) thì dính nước mạnh tức là góc biên  < 900 và ngược lại. e. ảnh hưởng của độ ẩm tới phẩm chất cách điện của vật liệu cách điện - Nước là vật liệu có cực tính mạnh, dẫn điện cao. Vì vậy khi sâm nhập vào điện trở cách điện (Rcđ) bị giảm. - Khi thử cách điện của điện môi người ta đo các trị số như R , điện dung(c), góc tg để phán đoán tình trạng cách điện của điện môi. - Khi màng ẩm bề mặt tăng thì dòng điện dò tăng và Uphóng điện giảm tức là U nhỏ cũng gây nên hiện tượng phóng điện. Ví dụ: Khi đường dây đi qua vùng có nhiều bụi bẩn thì không khí ẩm (màng ẩm) bám vào sứ sẽ gây ra phóng điện ngay với cả Ulv. - Khi sấy khô kể cả trong chân không để lượng hơi nước thoát ra hết rồi tẩm sơn cách điện làm cho sản phẩm tăng tính chất cách điện. 2. Đặc tính nhiệt vật liệu Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 36 a. Tính chịu nóng: Là khả năng chịu được ở nhiệt độ cao và cả khi nhiệt độ thay đổi đột ngột + Tính chịu nóng đặc trưng bởi độ bền chịu nóng - Với điện môi vô cơ thì nhiệt độ chịu được là điểm bắt đầu có sự thay đổi phẩm chất cách điện, là tổn hao điện môi dẫn đến điện trở cách điện giảm - Với điện môi hữu cơ thì nhiệt độ chịu được là khi đó có biến dạng cơ học và suy giảm phẩm chất cách điện. + Dựa vào khả năng chịu nhiệt của vật liệu người ta chia ra các loại sau Gồm 7 cấp : Y, A, E, B, F, H, C theo chiều tăng dần của nhiệt độ b. Tính chịu băng giá. - ở nhiệt độ thấp thường tính chất của vật liệu cách điện tốt hơn nhưng vật liệu dẻo và đàn hồi lại trở nên giòn và cứng gây khó khăn cho sự làm việc của vật liệu cách điện. c. Độ dẫn nhiệt - Có tác dụng truyền nhiệt ra xung quanh khi trong các vật liệu có nhiệt do tổn thất công suất. Ví dụ: Trong dây dẫn, trong lõi thép máy biến áp và cả tổn hao điện môi trong chất cách điện.. - Độ dẫn nhiệt ảnh hưởng đến độ bền điện khi đánh thủng nhiệt và độ bền vật liệu. - Độ dẫn nhiệt của vật liệu đặc trưng bởi nhiệt dẫn suất....so với kim loại điện dẫn suất rất nhỏ. d. Sự giãn nở nhiệt - Được đánh giá bằng hệ số giãn nở chiều dài theo nhiệt. Những vật liệu có hệ số giãn nở dài nhỏ thường có độ bền chịu nóng cao hơn và ngược lại. 3.2. PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN. 3.2.1. Phân loại a. Phân theo trạng thái vật lý Cách điện có thể ở thể khí, thể lỏng, thể rắn. Giữa thể lỏng và thể rắn còn có một thể trung gian, gọi là thể mềm nhão như các vật liệu có tính chất bôi trơn, các loại sơn tẩm. b. Phân loại theo thành phần hoá học - Vật liệu cách điện hữu cơ: Chia làm hai nhóm. Nhóm 1: Có nguồn gốc thiên nhiên hoặc giữ nguyên thành phần hoá học như: Vải sợi, giấy, bi tum hoặc biến đổi thành phần hoá học như cao su, phíp, lụa... Nhóm 2: Vật liệu nhân tạo thường được gọi là lụa nhân tạo như: Nhựa phênol, nhựa polieste, nhựa epoxi, xilicon, vinyl. - Vật liệu cách điện vô cơ: Gồm : Các chất khí, các chất lỏng không cháy, các vật liệu rắn như gốm sứ, thuỷ tinh, amiăng. c. Phân loại theo tính chịu nhiệt:Là sự phân loại rất cơ bản, là cơ sở để lựa chọn vật liệu. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 37 Cấp cách điện Nhiệt độ cho phép (0c) Các vật liệu cách điện chủ yếu Y 90 Giấy vải sợi, lụa, phíp, cao su. Các loại nhựa PVC, polietilen, cacbamit. A 105 Giấy, vải sợi, lụa trong dầu, nhựa poliste, cao su nhân tạo, các loại sơn cách điện có dầu làm khô. E 120 Nhựa tráng polivinylphocman,epoxi. Giấy ép hoặc vải có nhựa phenolfocmandehit(gọi chung là bakelit giấy)... B 130 Nhựa polieste, amiăng, mica, thuỷ tinh có chất độn.Sơn cách điện có dầu làm khô dùng ở các bộ phận không tiếp xúc với không khí. Nhựa epoxi, sợi thuỷ tinh, nhựa melamin focmandehit, amiăng, mica, hoặc thuỷ tinh có chất độn. F 155 Sợi amiăng, sợi thuỷ tinh có kết dính. H 180 Xilicon,sợi thuỷ tinh, mica có kết dính. C Trên 180 Mica không có chất kết dính, thuỷ tinh, sứ. Politetraflotilen Polimonoclortrifloetilen. 3.2.2.Các tính chất cơ bản a. Tính chất vật liệu cách điện thể khí -Điện môi gần bằng 1, là hằng số. - Điện trở cách điện rất lớn và phụ thuộc điện áp. - Hệ số tổn hao tg phụ thuộc vào điện áp. - Độ bền cách điện phụ thuộc nhiều vào áp suất, các thông số hình học của điện cực, thời gian tác dụng của điện áp. b. Tính chất của cách điện thể lỏng (Đặc trưng là dầu biến thế) c. Tính chất cuả cách điện thể rắn Với vật liêu thể rắn thông thường mỗi vật liệu bao gồm nhiều loại vật liệu khác nhau, tuỳ thuộc vào vật liệu cơ bản và tỷ lệ thành phần của các vật liệu khác, mà các thông số tính chất của cách điện biến thiên trong phạm vi rộng để thể hiện rõ xét riêng từng loại vật liệu. 3.3. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ RẮN 3.3.1. Vật liệu sứ và mi ca 1. Mi ca: Đựơc làm từ những miếng cánh kiến có diện tích từ 10 cm2 đến 60 cm2 và bóc ra thành từng miếng mỏng từ 0,01 mm đến 0,002 mm kết hợp với chất kết dính. a. Cánh kiến + Cánh kiến là loại khoáng sản phẩm kết tinh có tính năng kỹ thuật rất tốt đặc biệt có thể bóc thành từng miếng rất mỏng. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 38 có hai loại cánh kiến chính : Muxcovit và Flogopit * Muxcovit : có thành phần hoá học là K20.3Al2O3.6SiO2H2O Đặc điểm:- ở dạng mỏng, trong suốt, mầu trắng hoặc mầu hồng có bề mặt nhẵn bóng. - Có độ bền cơ và điện cao, tổn hao điện môi nhỏ. Ứng dụng: Dùng trong các thiết bị có yêu cầu độ bền cao về cơ và điện như trong cổ góp máy điện. * Flogopit: có thành phần hoá học là : K20.3Al2O3.13SiO32H2O Đặc điểm - Mầu vàng sáng hoặc mầu nâu, xanh lá cây và đen. - Bề mặt sù sì có đường vân như cành lá bụi cây. - Mềm hơn Mucovit cách điện kém hơn. - Làm việc ở nhiệt độ từ 600oC  700oC Ứng dụng: Dùng trong các thiết bị làm việc ở nhệt độ cao như lò điện trở. b. Mica. Đặc điểm: Tính chất của mica phụ thuộc vào thành phần chất hợp thành cánh kiến và chất keo dính. - Càng nhiều cánh kiến và ít keo thì mica càng cứng và khó biến dạng. - Mica bị phân hủy và nhão ra trong dầu và cồn. Ứng dụng: Dùng mica để cách điện cổ góp và cách điện cuộn dây trong máy điện và trong các điện trở đốt nóng. c. Mica lex: Làm từ bột cánh kiến trộn với bột thuỷ tinh được ép với áp lực lớn trong khuôn ép. Đặc điểm: Mầu xám sáng trông như đá hiện rõ các đốm li ti óng ánh của cánh kiến. Ứng dụng: Dùng làm buồng dập hồ quang điện trong máy cắt, tay nắm phích cắm điện ở bếp điện, làm các tấm đệm chịu được dao động. 2. Vật liệu gốm a. Phân loại + Phân theo đặc tính. - Nhóm có hằng số điện môi  = 6 và tổn hao điện môi nhỏ - Nhóm có tổn hao điện môi nhỏ với hằng số điện môi lớn. - Nhóm có tính năng điện kém hơn, nhưng có hệ số giãn nở nhỏ hơn. + Phân theo tính năng sử dụng: - Sứ đỡ - Sứ xuyên - Sứ treo - Sứ cao áp - Sứ hạ áp b. Thành phần Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 39 Gồm: Cao lanh và fenspat, hoặc thạch anh và cao lanh, chất cao lanh chịu nhiệt, fen spat đảm bảo độ bền cách điện và thạch anh đảm bảo cơ tính. - Các chất được nghiền nhỏ, khử bỏ tạp chất, hoà tan trong nước với bột tinh thạch, sau đó cho vào khuôn định hình đem tráng men và nung tạo thành sứ. - Để tăng cường cách điện, điện áp phóng điện, người ta tráng lên sứ một lớp men gần giống thuỷ tinh. c. Đặc điểm - Chịu nước, chịu ẩm, không bụi bẩn ít rò điện độ bền cơ giới cao. d. Phạm vi ứng dụng Làm các chi tiết cách điện, các phần tử đốt nóng, hộp buồng dập hồ quang, tấm ngăn hồ quang và dùng chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao. * Kích thước vật liệu giảm 20% khi nung. 3. Thuỷ tinh và amiăng a. Thuỷ tinh. + Đặc điểm: -Tính chịu nhiệt cao, khả năng dẫn nhiệt >vải 4 lần. - Sợi thuỷ tinh không hút ẩm, vải thuỷ tinh hút ẩm 5% còn vải hút ẩm tới 9%. - Có khả năng chịu dầu, axit và xút. - Không bị mục, nấm mốc dùng ở khí hậu nóng ẩm. - Không già hoá, điện trở cách điện cao hơn các loại vật liệu có sợi khác, độ bền cách điện cao. - Hoá bụi nếu bị cọ sát nhưng có thể hạn chế nhược điểm này bằng cách bôi dầu hoặc tẩm sơn. + Ứng dụng - Thuỷ tinh dùng cách điện như sứ. - Cách điện stato máy phát, động cơ điện kéo xe lửa, động cơ sử dụng ở chỗ nóng, hay đóng ngắt, đảo chiều như: Động cơ cầu trục, máy biến thế hàn. - Cách điện cho cuộn dây của các máy, khí cụ làm việc ở nơi nóng. b. Amiăng. Amiăng tên gọi của nhóm vật lệu khoáng chất có cấu trúc sơ tên phổ biến là Crizotin. Là sự biến dạng sơ của khoáng chất Crizotin(loại đá xenpentinit) 3MgO.2SiO2.2H2O,nó có từng lớp trong nham thạch. + Đặc điểm - Tính chịu nhiệt cao,sợi amiăng mịn dễ uốn, màu trắng hoặc xanh lá cây, nóng chảy ở nhiệt độ 1500 không chịu axít. - Giấy amiăng tẩm nhựa silicon chịu axít bazơ,dầu điện áp đánh thủng 1550V dùng làm cách điện cuộn dây biến áp khô. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 40 - Giấy mica- amiăng. gồm mica dán nên amiăng nó chịu nhiệt và cách điện cao cơ tính cao, thường dùng ở cuộn dây điện trở, đệm ở nắp hộp khí cụ điện phân phối điện. - Xi măng amiăng. Có cơ tính tốt, cứng chịu nhiệt được ép thành tấm hay hình dạng khác nhau. Dùng làm buồng dập hồ quang trong máy cắt, trong bộ khống chế. 3.3.2. Vật liệu dẻo và đàn hồi 1. Các loại nhựa: Nhựa có trạng thái trung gian giữa vật liệu cách điện thế rắn và thể lỏng a. Nhựa tổng hợp  Nhựa nhiệt cứng + Đặc điểm: Khi được làm nóng và ép thì ban đầu hoá mềm sau đó hoá cứng giữ hình dáng theo khuôn ép dù có làm nóng cũng không thay đổi hình dáng. Trước khi hoá cứng có thể hoà tan một số dung môi như : cồn để tăng cường độ cách điện - Bakelit : Được chế tạo từ fenol [C6H5OH] hoặc Crezol[C4H4OHCH3] và phoc man de hyt[HCOH] là một trong những cách điện quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật điện, những chất độn như mạt cưa, gỗ thông khoảng 50% khối lượng, ngoài ra còn giấy, rẻ vụn, amiăng, sợi thuỷ tinh... làm tăng tính cách điện của sản phẩm. Dùng làm ống cách điện, làm khung cuộn dây, hộp vỏ cách điện. - Nhựa cacbamitphocmandehyt: Được chế tạo từ cacbamit [CO(NH2)2] và phocmandehyt [HCOH] dùng để ép khung, nắp, vỏ, cách điện có cơ tính và chịu nhiệt kém so với bakelit. - Nhựa melamin: chế tạo từ melomin [N3C3(NH2)3] và phocmandehyt [HCOH] dùng làm keo dán, làm chi tiết cách điện, chịu nhiệt như buồng dập hồ quang. - Nhựa polieste: Là sản phẩm trùng hợp từ este chế tạo từ glyxerin và các axit nhiều hoá trị. Có đặc điểm chịu được nhiệt của hồ quang, chịu ẩm, chịu dầu trong đó có loại poxterit được dùng để đúc cuộn dây biến áp nhỏ và máy biến áp trên máy bay, cách điện giữa các lá đồng và cổ góp. - Nhựa xilicon: được chế tạo từ nguyên tố silic từ cát thạch anh, được coi là một trong những loại nhựa mới nhất, có nhiều công dụng quan trọng. Sản phẩm của xilicon, chia làm 5 nhóm : Dầu xilicon, mỡ xilicon, cao su xilicon, nhựa và sơn tẩm.  Nhựa nhiệt mềm: Chế tạo bởi - CH2 – và một số nhóm CO-NH- - Đặc điểm: Có thể ép thành tấm mỏng dùng hoá mềm khi bị làm nóng - Ứng dụng: + Trong điện CN : Làm vỏ chi tiết lắp các thiết bị điện, vỏ dây dẫn, cáp. + Trong KT chiếu sáng : Vỏ hộp các loại đèn +Trong KT điện tử, KT đo lường : làm vỏ radio, tổng đài điện thoại, phụ kiện ống nghe, biến dòng, màn hình, bánh xe đếm số... + Trong dụng cụ cầm tay : Tay kìm, băng cách điện... b. Nhựa thông (colofan):Là loại nhựa có màu vàng hoặc nâu được sản xuất từ trưng cất dầu thông Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 41 Đặc điểm: Colofan hoà tan trong dầu mỏ (khi đun nóng) và các hyđrôcácbon khác, trong dầu thực vật, trong rượu, trong dầu thông Colofan ôxy hoá từ từ trong không khí, khi đó nhiệt độ hoá dẻo của nó tăng nhưng độ hoà tan lại giảm. Ứng dụng: Colofan hoà tan trong dầu mỏ dùng vào việc ngâm tẩm cáp, còn dùng sản xuất rezinat là chất làm khô sơn. c. Nhựa đường Là hỗn hợp phức tạp của các hyđrôcácbon có chứa thêm một ít ôxy và lưu huỳnh đó là chất không định hình với các tính chất phức tạp Đặc điểm: Chúng có màu đen hoặc màu hơi sẫm, hoà tan trong hyđrôcácbon, vơi hyđrôcácbon thơm(benzen, toluen..) càng dễ tan không hoà tan trong rượu và nước. ít hút nước và thực tế nước không thấm qua. ở nhiệt độ thấp nhựa đường thường giòn và sinh ra những vết nứt có dạng vân đặc biệt. Ứng dụng: Dùng nhựa đường để sản xuất sơn, hợp chất cách điện, đổ các đầu cáp điện cao áp 2/ Chất đàn hồi (Vật liệu trên cơ sở cao su và những chất có đặc tính gần giống cao su) a. Cao su thiên nhiên Đặc điểm: Cao su thiên nhiên lấy được từ nhựa cây cao su ở dạng lơ lửng và các phần tử rất nhỏ có hình mạch vòng(gọi là vi cầu)trong nước. Khi làm đông tụ mủ cao su và thải hết tạp chất tách riêng ra được cao su. Thành phần cao su: Là hyđrôcácbon trùng hợp (C5H8)n. Khi nóng nên tới nhiệt độ 500c thì cao su trở thành dẻo và dính, còn khi ở nhiệt độ thấp thì giòn. Tính đàn hồi của cao su gắn liền với hình dáng của các chuỗi xích trong các phân tử của nó. Khi cao su bị lực kéo thì nó giãn ra, khi bỏ lực kéo thì trở về hình thể vật như cũ. Ứng dụng: Không dùng cao su nguyên chất để sản xuất vật liệu cách điện vì nó không chịu được nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp cũng như tác dụng của dung môi. b. Cao su lưu hoá Đặc điểm: Sau khi lưu hóa với lưu huỳnh làm cho tính chịu nhiệt, chịu lạnh của cao su tốt hơn, tăng độ bền cơ và độ bền đối với dung môi. Ngoài lưu huỳnh người ta còn cho thêm vào thành phần cao su những chất độn khác (đá phấn, thạch anh) làm thay đổi cơ bản tính chất của cao su, hoặc còn thêm chất độn màu, chất xúc tác làm nhanh quá trình lưu hoá. Ứng dụng: - Làm chất cách điện cho dây dẫn trong thiết bị điện, chế tạo ủng cách điện và ống lót cách điện. - Lưu ý khi dùng cao su làm vật liệu cách điện vì độ bền nhiệt thấp, ít chịụ tác dụng của dầu mỏ, không chịu được các chất benzen, xăng, kém bền với tác dụng của ánh sáng. Lưu huỳnh còn sót lại trong cao su có thể gây tác hại cho vật liệu bằng đồng vì vậy không trực tiếp cách điện cao su lên lõi đồng chỉ dùng cho lõi bằng nhôm. c. Cao su tổng hợp Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 42 Người ta dùng rượu cồn, dầu mỏ, khí thiên nhiên làm nguyên liệu để sản xuất ra cao su tổng hợp để thay thế cho cao su thiên nhiên. + Cao su butađien: Là loại cao su phổ biến nhất và muốn dùng vào mục đích cách điện phải rửa sạch chất xúc tác còn dư lại (natri) vì chất này làm giảm tính cách điện của cao su. + Cao su cloropren Loại này tuy có đặc tính cách điện thấp nhưng rất bền đối với tác dụng của dầu và xăng, ozôn và các chất ôxy hoá khác. Dùng làm vỏ bảo vệ cho các sản phẩm cáp, làm tấm đệm chịu dầu + Escapon: Khi nung nóng tới 200 3000C(không cho thêm chất lưu hoá)các liên kết kép bị đứt cục bộ do đó cao su butađien được trùng hợp bổ xung và chuyển thành escapon là chất gần giống êbômit nhưng có độ bền nhiệt cao hơn ít chịu tác dụng của axit và các dung môi hữu cơ. - Dùng làm điện môi cao tần, và là cơ sở để sản xuất vật liệu mới như sơn, hợp chất cách điện... 3.3.3 Vật liệu xơ Vật liệu xơ được cấu tạo bằng các phần tử nhỏ và dài gọi là xơ (gỗ, giấy, cactông, vải sợi). Rẻ tiền, độ bền cơ và độ dẻo khá cao, sản xuất thuận tiện. Độ bền điện và độ dẫn nhiệt không cao, độ hút ẩm lớn so với các vật liệu khác 1. Gỗ: Đặc điểm: Có đặc tính cơ tương đối tốt, độ bền kéo (dọc theo xơ); Gỗ không được dùng phổ biến vì có những nhược điểm sau: + Tính hút ẩm cao làm tính cách điện bị giảm, mặt khác các chi tiết làm bằng gỗ khi khô dễ bị cong vênh và nứt. + Không xác định được tiêu chuẩn cho các tính chất của gỗ ngay cả với gỗ cùng loại vì tính chất của gỗ phụ thuộc vào nhiều yếu tố. + Độ bền điện kém và có thể cháy Ứng dụng: Trong kỹ thuật điện gỗ dùng chế tạo tay cầm các bộ truyền động trong dao cách ly, máy cắt dầu, cán cầu dao điện, các chi tiết chêm giữ chặt, nêm rãnh của máy điện 2. Giấy và các tông: Giấy và các tông là vật liệu hình tấm hoặc quấn lại thành cuộn, thành phần chủ yếu là xenlulo. a/ Giấy cáp: Được dùng làm cách điện của cáp điện lực, ký hiệu như: K- 080; K-120; KM- 120; KB-030; KBY-015; KBM-080; KBM-240 Trong đó: K – Thuộc về cáp; B - Điện áp cao; M- Nhiều lớp; Y- Được ép chặt còn các số là định mức chiều dày. Vì chất cách điện của cáp có tẩm chất nhớt bị hoá già nên loại cáp này chỉ dùng làm việc lâu dài trong điện trường có cường độ thấp (3-4 kV/m). Cáp này chỉ dùng với điện áp không quá 35 kV. b/ Giấy cáp điện thoại: Là loại giấy được chế tạo với chiều dày 0,05mm, có các màu khác nhau dùng để làm chất cách điện cáp điện thoại và chất độn trong việc sản xuất mica. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 43 c/ Giấy tụ điện: Loại giấy này khi đã được tẩm làm điện môi cho tụ điện giấy. Có hai loại giấy làm tụ điện. Loại có nhãn hiệu KOH loại giấy làm tụ điện thông thường. Loại giấy silicon dùng làm tụ điện động lực d/ Các tông cách điện: (có hai loại) Loại 1: Để ngoài không khí cứng và đàn hồi dùng làm cách điện trong không khí như: Lót rãnh máy điện, làm lõi cuộn dây.. Loại 2: Dùng trong dầu có cấu trúc xốp và mềm hơn, dùng chủ yếu trong dầu máy biến áp, vì nó có tính tẩm dầu tốt khi đó có độ bền điện cao. e/Phíp: Sản xuất: Cho giấy mỏng đi qua dung dịch clorua kẽm (ZnCl2) nóng rồi đem quấn vào một tang quay bằng thép để có chiều dày cần thiết. Sau đó cắt khái tang đem rửa bằng nước và ép thu được sản phẩm gọi là phíp. Đặc điểm: Phíp có độ háo nước cao, khi độ ẩm môi trường xung quanh cao thì phíp dễ bị biến dạng. Dưới tác dụng của hồ quang điện phíp bị phân huỷ và sinh ra lượng khí lớn có khả năng dập tắt hồ quang. Ứng dụng: Dùng chế tạo chống sét ống, đế các thiết bị đóng cắt 3.Vật liệu dệt Đặc điểm:Trong cùng điều kiện thì vật liệu dệt có độ bền cao hơn giấy và giấy tẩm. Ứng dụng: Trong kỹ thuật cách điện người ta dùng sợi tết để cách điện cho dây dẫn và dây cáp. Vải băng dùng bảo vệ phần cách điện chủ yếu của máy điện và thiết bị điện chống lại các tác dụng có từ phía ngoài vào 3.4. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Ở THỂ KHÍ, LỎNG VÀ LỬA LỎNG 3.4.1.Vật liệu cách điện ở thể khí - Tính chất đã nghiên cứu. - Một số chất khí Chất khí (ga hoặc hơi) Trọng lượng phân tử g/pt Mật độ g/dm3 Điểm sôi ở 1.at (0C) Điện áp ion hoá (v) Điện áp đánh thủng (kv) Hoạt tính hoá học Tác dụng độc hại Có thể bốc cháy Tác dụng ăn mòn đối với đồng và thép Tác dụng ăn mòn đối với chì Khôn g khí 28,96 1,251 -194,5 - 32 + - - - - Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 44 H2 2,02 0,0869 - 253 1543 19 + - + - - N2 28,02 1,21 -195,8 14,48 33 - - - - - O2 32,00 1,381 - 183 12,50 29 + - - + + CO2 44,01 1,912 - 78,5 14,4 29 - - - - + He 4,00 0,1727 - 269 24,48 10 - - - - - Ne 20,18 0,871 - 216 21,47 2,9 - - - - - Ar 39,94 1,726 - 186 15,86 6,5 - - - - - Kr 83,8 3,590 - 153 13,94 8 - - - - - H2O 18,02 0,779 + 100 12,70 ~ 30 - - - - - SF6 146,1 6,390 - 63,8 19,3 ~ 80 X X - X X CF4 88,01 3,812 - 126 17,8 ~ 40 X + - + X CHCL 3 119,39 5,17 +61 ~120 X + - + - CCL4 153,84 6,65 + 76 220 X + - X - (1) : Đo trong trường đồng nhất, khoảng cách điện cực là 1cm + : có; - : không có; x: có, với các tính chất phát sinh do sự phân hủy của hồ qung điện. 3.4.2. Vật liệu cách điện ở thể lỏng + Dầu mỏ: Dầu khai thác từ các mỏ dầu tự nhiên Đặc điểm: Chủ yếu là cacbon từ 85%  89%, 1 4% H2, ngoài ra còn có oxytsunfua và các chất khác. Dựa vào ứng dụng của các loại dầu người ta chia thành các loại sau : Dầu máy biến áp, dầu cáp, dầu tụ điện, dầu thầu dầu. a. Dầu máy biến áp + Quá trình trưng cất : là sản phẩm của dầu mỏ + Công dụng : Làm mất các lỗ của các loại vật liệu cách điện dạng sợi, lấp các khoảng trống giữa các cuộn dây, giữa cuộn dây với lõi thép... + Tính chất : - Độ bền cách điện cao, sau khi bị đánh thủng có khả năng phục hồi cách điện trở lại, mặc dù sau nhiều lần bị đánh thủng. - Có thể xâm nhập vào các khe rãnh hẹp, vừa cách điện vừa có tác dụng làm mát trong trường hợp có dòng chảy mạnh. - Độ nhớt ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt giảm - Tổn hao điện môi tương ứng : F= 50 Hz, To= 20oC, Tg  0,003 F= 50 Hz, To= 70oC, Tg = 0,025 Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 45 Cường độ cách điện là thông số đánh giá chất lượng dầu. Ví dụ: U = 635KV thì cường độ cách điện là 12 kV/mm; U>35kV thì cường độ cách điện là 16 kV/mm. + Đặc tính nhiệt của dầu : Độ tản nhiệt (nhanh hay chậm) - Sự giãn nở của dầu dùng để tính độ giãn nở của thùng dầu. - Sự tản nhiệt của dầu lớn gấp 28 lần của không khí vì vậy dầu máy biến áp được dùng trong các máy cắt. * Các nhược điểm của dầu máy biến áp. -Tính năng điện biến đổi lớn nếu dầu bị bẩn, nhạy cảm với độ ẩm vì lớp dầu trên mặt có tính hút ẩm. - ở nhiệt độ cao cho phép, dầu có những biến đổi về hoá: Giảm độ nhớt, tính năng cách điện và làm mát đều bị giảm đó là sự già hoá dầu. - Dầu dễ cháy khi cháy phát sinh khói đen, hơi dầu bốc lên hoà vào không khí làm thành hỗn hợp nổ. b. Dầu cáp: Dùng trong các loại cáp có điện áp U>110 KV với độ nhớt nhỏ, độ sạch cao. c. Dầu tụ điện: gần giống dầu máy biến áp + Biện pháp làm sạch: Dùng các chất để hấp thụ tạp chất đạt đến cường độ cách điện từ 20  25 kV/mm + Đặc điểm: - Dễ nổ, tính ổn định kém khi ở nhiệt độ cao, khi tiếp xúc với không khí. - Dễ bị già hoá khi tiếp xúc với điện trường. d. Dầu gai (tự khô) Khi gặp nhiệt độ, ánh sáng, không khí nó rắn lại bám chặt vào vật liệu cách điện, sự khô của dầu không phải là sự bốc hơi nước mà bằng quá trình hấp thụ oxy phức tạp. - Khi thêm 0,5% chì vào thì thời gian khô của dầu gai giảm 2,6 lần, nếu thêm 1% Mn thì giảm 1,8 lần. e. Dầu thầu dầu: Là loại dầu tự khô nếu không pha thêm các chất khác còn nếu pha khô rất chậm dùng để làm chất điện môi lỏng tẩm vào giấy tụ điện không tan trong ... 3.4.3 Sơn và các hợp chất cách điện a/ Sơn: Là những dung dịch keo của nhựa, bi tum , dầu khô và các chất tương tự. Các chất này được gọi là nền sơn và hoà tan trong dung môi dễ bay hơi. Khi sơn sấy khô dung môi bay hơi hết còn nền sơn sẽ chuyển sang trạng thái rắn và tạo thành màng sơn. Theo cách sử dụng sơn có thể chia thành ba nhóm chính: Sơn tẩm, sơn phủ, sơn dán. * Sơn tẩm: Dùng tẩm những chất cách điện xốp và đặc biệt là chất cách điện ở dạng xơ (giấy, sợi, vải). Sau khi tẩm các lỗ xốp được lấp kín vì thế khi được tẩm chất cách điện có điện áp đánh thủng và độ dẫn điện cao hơn, tính háo nước và tính hút ẩm giảm đi nhiều, tính chất cơ học tăng, ít bị ảnh hưởng của không khí. Vì vậy độ bền nhiệt tăng, cải thiện căn bản nhiều tính chất quan trọng của vật liệu. * Sơn phủ: Dùng để tạo ra trên bề mặt của vật liệu được quét sơn một lớp mành nhẵn bóng, chịu ẩm và bền cơ học. Dùng sơn này để quét lên chất cách điện rắn xốp đẫ được tẩm sơ bộ Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 46 nhằm cải thiện đặc tính cách điện làm tăng điện áp phóng điện và điện trở bề mặt, chống lại hơi ẩm và các chất hoà tan. Ngoài ra còn có sơn phủ trực tiếp lên kim loại nhằm tạo ra trên bề mặt của nó lớp cách điện (êmay). - Men màu cũng xếp vào loại sơn phủ, đó là những loại sơn được cho thêm sắc tố vào thành phần của chúng. Sắc tố này là loại bột mịn vô cơ nó làm cho sơn có màu sắc nhất định, độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt và độ bám dính được cải thiện hơn. * Sơn dán: Dùng để dán các vật liệu lại với nhau như dán mica hoặc để gắn vật liệu cách điện vào kim loại. Ngòai các tính chất của sơn ra sơn dán cần phải có lực bám dính cao. -Theo chế độ sấy người ta chia làm hai loại: Sơn sấy nóng và sơn sấy nguội. + Sơn sấy nóng là loại sơn khô ở nhiệt độ cao(> 1000c) + Sơn sấy nguội loại này khô nhanh khi ở môi trường không khí có nhiệt độ bình thường. Một số loại sơn ứng dụng trong kỹ thuật điện - Sơn bakêlít là dung dịch bakêlít hoà tan trong rượu. Đây là loại sơn tẩm và sơn dán màng sơn của nó bền cơ nhưng kém dẻo và hoá già nhanh. Dùng chế tạo chất cách điện của các thiết bị cao áp. - Sơn silíc hữu cơ: Là loại sơn đòi hái được sấy khô ở nhiệt độ cao tạo thành màng sơn chịu nhiệt và ẩm cao. Không dùng sơn này cho máy điện có vành góp thông gió theo chu trình kín vì nó làm cho chổi than chóng mòn và rối loạn quá trình đổi chiều. b/ Hợp chất cách điện Là hỗn hợp các loại vật liệu cách điện với nhau ví dụ: Nhựa bitum, xenlulô, xrezin...khi nung nóng ở nhiệt độ cao thì chúng chuyển trạng thái lỏng và khi để nguội đông lại. Để tạo ra các tính chất cần thiết (tính dẫn nhiệt, tính cách điện) người ta cho thêm vào các chất phụ như: cát, thạch anh, bột tan... + Theo công dụng hỗn hợp cách điện chia thành hai loại: - Loại dùng để tẩm, ngâm. - Loại dùng để lấp đầy các khoảng trống giữa các chi tiết khác nhau 3.5 SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN * Điện áp tác dụng lên cách điện (Gồm 4 loại điện áp) 1. Điện áp làm việc: Là điện áp tác dụng nên cách điện trong thời gian dài, liên tục trong quá trình thiết bị vận hành. Trị số điện áp thường được giữ ổn định trong suốt quá trình vận hành. 2. Điện áp thử: Trong trường hợp kiểm tra cách điện thì cách điện phải chịu điện áp thử trong 1 phút. Trị số điện áp thử nói chung bằng 2 điện áp dây. 3. Quá điện thế nội bộ Là quá điện thế phát sinh do sự thay đổi đột ngột các thông số của hệ thống điện. 4. Quá điện thế khí quyển : Xuất hiện với dạng sóng điện động có biên độ rất lớn và tăng đột biến. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 47 + Hệ số an toàn: Hệ số an toàn cho chúng ta biết có thể cho phép phụ tải tác dụng lên cách điện bằng bao nhiêu phần mười khả năng chịu được của cách điện. - Hệ số an toàn có thể phân biệt thành ba loại: Loại 1: Hệ số an toàn thử nghiệm là tỉ số giữa điện áp thử và điện áp làm việc do tiêu chuẩn quy định không cần lựa chọn. Loại 2: Hệ số an toàn tính toán là tỉ số điện áp đánh thủng và điện áp làm việc, được chọn làm cơ sở tính toán. Loại 3: Hệ số an toàn thực là tỉ số giữa điện áp đánh thủng thực tế và điện áp làm việc. 3.5.1 Cách điện của máy biến áp * Đặc điểm của cách điện của máy biến áp. a. Điện áp làm việc lớn, cuộn dây có số vòng lớn, tiết diện dây nhỏ. b. Chênh lệch lớn giữa nhiệt độ cao và thấp trong cách điện dẫn đến cuộn dây phải làm mát bằng dầu. c. Máy biến áp thường nối với dây dẫn trên không nên phải chịu quá điện thế khí quyển. * Các loại cách điện + Cách điện vòng dây. Thuộc nhóm cách điện có điện cực cấy vào cách điện (là nhóm cách điện mà một điện cực chỉ tiếp xúc với 1 loại cách điện). + Cách điện lớp. Tương tự cách điện vòng dây, nhưng khi cách điện lớp có đầu nhô ra giữa hai lớp dây phải coi là cách điện xuyên vì: cách điện xuyên là ít nhất có một điện cực tiếp xúc với ít nhất hai loại cách điện. + Cách điện cuộn dây trên điện áp lớn tiếp xúc sát với ống cách điện thì có tính chất cách điện xuyên. Nếu giữa cuộn dây và ống có khe hở có dầu thì ống cách điện chỉ đóng vai trò của vách ngăn. Như vậy miếng cách điện trên và dưới có tính chất cách điện đỡ. Đó là mỗi điện cực tiếp xúc với ít nhất 2 loại cách điện. 3.5.2 Cách điện của máy điện quay 1. Cách điện của máy điện dòng xoay chiều hạ thế Máy điện hạ thế làm việc ở điện áp 380V 550V, điện áp thử 2000  2500V + Cách điện của dây bằng emay hoặc emay-vải. + Cách điện vòng dây bằng hai lần cách điện dây, dây có tiết diện tròn đường kính 60 mã lực dùng dây có tiết diện chữ nhật vì hệ số lấp đầy tốt hơn. + Cách điện lớp vì điện áp vòng dây rất nhỏ ở mấy hạ thế thường không dùng cách điện lớp ví cách điện vòng dây đã đủ sức chịu được những tác dụng về điện giưã các lớp với dây có cách điện cấp B. + Cách điện rãnh thuộc nhóm cách điện có điện cực cấy trong cách điện, cách điện bối dây thuộc mhóm cách điện xuyên. + Cách điện cuộn dây. Đề cương bài giảng- Vật liệu điện Giảng viên: Ths Vũ Thị Tựa – Tài liệu lưu hành nội bộ Trang 48 - Cách điện giữa các bối dây chịu nhiệt bằng cách điện cấp A - Cách điện rãnh. Bình thường cách điện chịu Upha hệ số an toàn là 7 với Udây số an toàn là 4, trong trường hợp ngắn mạch chạm đất ở lưới điện trung tính không nối đất. * Cách điện cuộn dây rôto cũng giống stato, cần chú ý có trường hợp điện áp của rôto lớn hơn điện áp của stato và khi đảo chiều bằng hai lần. 2. Cách điện của máy điện dòng điện một chiều * Cách điện vòng dây. Dây nhỏ bọc bằng hai lớp vải tẩm êmay gốc nhựa tổng hợp, dây lớn bọc sợi đã tẩm hoặc thuỷ tinh hoặc bằng giấy mica.Trường hợp dùng dây có cách điện cấp B thì lót bằng mica hoặc vải thuỷ tinh đã tẩm. * Cách điện bối dây. Cách điện rãnh ở máy điện có công suất trung bình hoặc lớn hơn một ít thường dùng mica hoặc vải th