Embed Size (px)
Citation preview
MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN ......................................................................... 3
Câu 1 ............................................................................................................................ 3
Thế nào là vật liệu dẫn điện, hãy phân loại vật liệu dẫn điện? Từ đó cho biết đặc tính
của chúng? Phạm vi ứng dụng của vật liệu dẫn điện? ................................................. 3
Câu 2 ............................................................................................................................ 3
Trình bày cấu tạo của kim loại và hợp kim? Từ đó nêu tính chất của kim loại và hợp
kim? .............................................................................................................................. 3
CHƢƠNG 2: LƢỠNG KIM LOẠI .............................................................................. 8
Câu 3 ............................................................................................................................ 8
Trình bày khái niệm của vật liệu lưỡng kim? Nêu ứng dụng của vật liệu lưỡng kim?8
Câu 4 ............................................................................................................................ 9
Trình bày các phương pháp bọc đồng (hoặc nhôm) dây thép của dây dẫn? ................ 9
CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU DÙNG LÀM ĐIỆN TRỞ ................................................ 11
Câu 5 .......................................................................................................................... 11
Thế nào là vật liệu dùng làm điện trở? Phân loại vật liệu dùng làm điện trở? .......... 11
Câu 6 .......................................................................................................................... 11
Hợp kim dùng làm điện trở chính xác và làm biến trở bao gồm những loại nào?
Trình bày thành phần của các vật liệu đó? ................................................................. 11
Câu 7 .......................................................................................................................... 13
Hợp kim dùng làm điện trở sưởi nóng và nung nóng bao gồm những loại nào? Trình
bày thành phần của các vật liệu đó? ........................................................................... 13
Câu 8 .......................................................................................................................... 15
Các yêu cầu của vật liệu làm tiếp điểm? Nêu tên các loại vật liệu dùng làm tiếp
điểm? .......................................................................................................................... 15
CHƢƠNG 4: VẬT LIỆU BÁN DẪN ......................................................................... 18
Câu 9 .......................................................................................................................... 18
Thế nào là vật liệu bán dẫn? Vật liệu bán dẫn có tính chất gì? Nêu các chất chính
được làm vật liệu bán dẫn điện .................................................................................. 18
Câu 10 ........................................................................................................................ 19
Tính chất vật lý và hoá học của Cacbon? sản xuất và tìm kiếm cacbon như thế nào?
.................................................................................................................................... 19
Câu 11 ........................................................................................................................ 22
Nêu tính chất vật lý, tính chất hoá học , sản xuất và phạm vi ứng dụng của silíc ... 22
Câu 12 ........................................................................................................................ 23
Nêu tính chất vật lý và tính chất hoá học và phạm vi ứng dụng của Gecmani ? ....... 23
CHƢƠNG 5: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN .................................................................... 25
Câu 13 ........................................................................................................................ 25
Các yêu cầu của vật liệu cách điện là gì? Giải thích các hiện tượng? ....................... 25
Câu 14 ........................................................................................................................ 26
Bề mặt tiếp giáp là gì? Nêu tính chất điện của bề mặt tiếp giáp? .............................. 26
Câu 15 ........................................................................................................................ 27
Vật liệu cách điện là gì? Có mấy dạng vật liệu cách điện? Từ đó nêu tóm tắt các tính
chất của chúng và phạm vi sử dụng? ......................................................................... 27
CHƢƠNG 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
Câu 1 Thế nào là vật liệu dẫn điện, hãy phân loại vật liệu dẫn điện? Từ đó cho
biết đặc tính của chúng? Phạm vi ứng dụng của vật liệu dẫn điện?
* Vật liệu dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường có các điện tích
tự do. Nếu đặt những vật liệu này vào trong một điện trường các điện tích sẽ
chuyển dịch theo một hướng nhất định của trường và tạo thành dòng điện
người ta gọi đó là vật liệu dẫn điện.
Vật dẫn điện có thể là những vật rắn, lỏng và trong những điều kiện nhất định
có thể là chất khí.
Vật liệu dẫn điện ở thể rắn là các Kim loại và các hợp kim
* Phân loại
Vật dẫn điện được phân ra làm hai loại:
- Vật liệu với tính dẫn điện tử hay vật dẫn loại 1(chất dẫn kim loại).
- Vật liệu với tính dẫn điện ion hay vật dẫn loại 2 vật dẫn điện phân.
a, Vật dẫn với tính dẫn điện tử: Là vật chất mà sự hoạt động của các điện tích
không làm biến đổi thực thể đã làm lên vật liệu đó. Với điều này ta thấy bao
gồm những kim loại ở trạng thái rắn hay lỏng hợp kim và một số chất không
phải là kim loại (than).
ở kim loại và hợp kim có tính dẫn điện tốt được chế tạo thành dây dẫn điện
như dây cỏp, các loại dây quấn máy điện và khí cô điện.
kim loại và hợp kim có điện trở lớn đựoc sử dụng ở các khí cô điện dùng để
sưởi nóng, đốt nóng ở các đèn chiếu sáng và các biến trở.
b, Vật dẫn với tính ion: Là vật dẫn mà dòng điện đi qua sẽ tạo nên sự biến đổi
hoá học ở điều kiện này chúng ta thấy thông thường đó là các dung dịch có
cơ sở từ nước axớt kiềm và mối. Có một số vật rắn có tính ion hoá như in đua
bạc khí và hơi ở cường độ điện trường lớn có tính dẫn điện tử và tính dẫn ion.
Câu 2 Trình bày cấu tạo của kim loại và hợp kim? Từ đó nêu tính chất của kim
loại và hợp kim?
* Cấu tạo của kim loại và hợp kim
a. Cấu tạo về nguyên tử của kim loại
Kim loại có các tính chất khác nhau là do tổ chức bên trong của chúng khác
nhau (các nguyên tố taọ thành kim loại đó).
Vật chất do nguyên tử tạo thành. Mỗi nguyên tử là do một hệ thống tạo thành
phức tạp bao gồm hạt nhân mang điện dương ở giữa và các điện tử mang điện
tích âm bao xung quanh hạt nhân đó hạt nhân bao gồm prôtôn và nơtrông
khối lượng nguyên tử tập chung chủ yếu vào hạt nhân.
Số lượng điện tử của mỗi nguyên tử bằng số prôtôn ở hạt nhân của nó số
lượng điện tử đó khác nhau tuỳ theo mỗi chất và số lượng là số thứ tự xếp
trong bảng hệ thống tuần hoàn.
Các nguyên tử quay xung quanh hạt nhân với tốc độ rất lớn và theo quỹ dạo
hình elíp quỹ đạo quay ỏ ngoài cùng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của
mỗi chất số quỹ đạo ở ngoài cùng này có số lượng khác nhau từ 0 đến 8 điện
tử.
Đối với kim loại, ở quỹ đạo ngoài cùng thường có 1-2 điện tử, các điện tử
này dễ đi khái quỹ đạo để cho nguyên tử trở thành ion dương, và đó chính là
chỗ khác nhau giữa kim loại và phi kim.
Vậy kim loại có cấu tạo như ion dương, có các điện tử tự do chậy xung quanh
và các điện tử này dễ bật ra khổi quỹ đạo của nó.
Các điện tử tự do này là nguyên nhân tạo nên chát dẫn điện và dẫn nhiệt và
sự dẻo dai của kim loaị về mặt hoá học kim loại nào có tính hoạt động mạnh
thì kim loại đó dễ mất điện tử tự do trở thành ion dương.
b. Cấu tạo tinh thể của kim loại.
Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo một mạng tinh thể, nghĩa
là các tinh thể của nó được xắp xếp trong không gian theo một vị trí hình học
nhất định có không hỗn độn như các vật phi kim loại khác, hình trên đã biểu
diễn một phần của mạng tinh thể lập phương đơn giản, trong những tinh thể
được biểu diễn bằng những vòng tròn nhỏ nằm ở các mép của hình lập
phương mà ta gọi là nót mạng. Phần nhỏ nhất và đặc trưng cho một loại tinh
thể nào đó được gọi là ô cơ bản. Nếu xếp liên tiếp các ô cơ bản ta được mạng
tinh thể ví dụ mạng tinh thể lập phương đơn giản hình 2alà gồm vô số những
ô lập phương.
c. Cấu tạo của hợp kim
Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chẩy của hai hay nhiều nguyên tố mà
nguyên tố chủ yếu là kim loại và hợp kim có tính chất của kim loại. trong
thành phần của kim loại có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố á kim ví dụ
thép là hợp kim của sắt và các bon.
Hợp kim được chế tạo chủ yếu bằng cách nấu chẩy, ngoài ra còn có thể bằng
phương pháp điện phân.
Trong công nghiệp các kim loại nguyên chất ít được dùng vì nó rất dẻo lại có
độ bền và độ cứng thấp.
Nhiều kim loại có độ dẫn điện cao nhưng ở nhiệt độ cao lại có độ dẫn điện
thấp, điện trở của kim loại nguyên chất rất nhỏ do đó không thể dùng trong
những chất dẫn điện được đồng thời hệ số giãn nở của kim loại nguyên chất
rất lớn khi có sự thay đổi nhiệt độ do đó cơ cấu máy chính xác không thể làm
bằng kim loại nguyên chất được.
Độ cứng và độ bền của kim loại nguyên chất còng giảm xuống khi nhiệt độ
tăng.
Tính công nghệ của kim loại nguyên chất rất kém: khó đóc, khó gia công,
khó cắt gọt, khi nhiệt luyện thì độ cứng và độ bền còng không tăng được
nhiều. Vì vậy trong thực tế các chi tiết maý đều được làm bằng hợp kim
* Tính chất chung của kim loại và hợp kim.
Khi sử dụng vật liệu ta phải hiểu rõ các tính chất của chúng có đáp ứng đựơc
các yêu cầu thực tế công việc được hay không.
Ví dụ: Để làm dụng cô cắt kim loại phải cần vật liệu có độ bền cao độ cứng,
chịu nhiệt,chịu mài mòn.
Để làm dây dẫn điện phải có vật liệu có độ dẫn điện tốt hay trong một số
trường hợp ta lại cần vật liệu không bị nhiễm từ, không gỉ.
Để làm vỏ máy bay thì vật liệu phải vừa bền về cơ học, vừa phải nhẹ,...
1. Tính chất vật lý
Tính chất vật lý của kim loại là vẻ sáng bên ngoài, mật độ tinh chảy loãng,
tính giãn nở dài khi đốt nóng, tính dẫn nhiệt, dẫn điện, có độ nhiễm từ.
Theo vẻ sáng bề ngoài thì có hai loại là loại đen và loại màu.
Kim loại đen là gồm hợp kim của sắt đó là thép và gang.
Kim loại màu là tất cả kim loại và hơp kim còn lại.
Kim loại không trong suốt mỗi kim loại có độ phản chiếu ánh sáng riêng theo
một màu mà ta quen gọi đó là là màu của kim loại.
VD: Đồng có màu đá, thiếc màu trắng bạc, kẽm màu xám
Đồng thời mặt ngoài của kim loại sau khi gia công có màu sác khác với màu
ban đầu như vàng xanh tím đó là màu ngoài bị phủ một lớp ôxít do cắt gọt ở
nhiệt độ cao. Nhờ sụ biến đổi màu sắc của bề mặt ngoài của thếp mà ta phân
biệt được nhiệt độ đốt nóng của thép khi nhiệt luyện.
1.2. Tính nóng chảy: Kim loại có tính nóng chảy, hay bị loãng khi đốt nóng
và cô đặc khi làm nguội. Nhiệt độ chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn
gọi là nhiệt độ nóng chảy.
Tính nóng chảy là tính chất rất quan trọng trong quá trình đóc. Chú ý rằng
điểm nóng chảy của nhiều hợp kim khác với từng kim loại tạo nên nó.
1.3. Tính dẫn nhiệt: Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt là kim loại khi bị đốt
nóng hoặc làm lạnh thì càng dễ đốt nóng nhanh, đồng đều và càng dễ nguội.
Các vật có tính dẫn nhiệt kém muốn đốt nóng hoàn toàn cần có thời gian lâu
và nếu làm nguội quá nhanh có thể gây nứt vỡ.
1.4. Tính giãn nở vì nhiệt: khi đốt nóng kim loại giãn ra, khi làm nguội kim
loại co lại. Sự giãn nở này đặc biệt chú ý trong nhiều trường hợp cô thể.
Để đo lường chiều dài một cách chính xác người ta thường dùng dụng cô đo
bằng hợp kim inva là hợp kim của sắt 0,3cacbonvà 35-37 niken. Hợp kim
inva gần như có độ giãn nở bằng không ở khoảng nhiệt độ từ 80-100độ.
1.5. Tính nhiễm từ :chỉ có một số kim loại có tính nhiễm từ: Fe và hợp kim
của Fe. Chúng bị từ hoá sau khi đặt trong một từ trường.
Niken và côban có tính nhiễm từ được gọi là chất sắt từ
1.6. Tính chất hoá học
Tính chất hoá học biểu thị khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác
dụng hoá học của các môi trường có hoạt tính khác nhau, tính chất này được
biểu thị ở hai dạng chủ yếu
-Tính chống ăn mòn: là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay ôxy
ở không khí ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao.
-Tính chịu axít: là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường a xít.
3. Tính cơ học.
Tính chất cơ học của kim loại hay còn gọi là tính cơ, là khả năng chống lại
tác dụng của lực bên ngoài. Bao gồm: độ đàn hồi, độ dẻo, độ cứng, độ dai va
chạm, độ chịu mỏi.
4. Tính chất công nghệ.
Khi lựa chon kim loại và hợp kim để chế tạo các chi tiết máy, ta phải chú ý
dến tính công nghệ.Tính công nghệ của kim loại là khả năng mà kim loại có
thể thực hiện được các phương pháp công nghệ để sản suất các sản phẩm.
Bao gồm tính cắt gọt, tính hàn, tính đúc.
Tính nhiệt luyện là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo của kim
loại bằng cách nung nóng kim loại đó đến nhiệt độ nhất định và giữ nhiệt độ
đó trong một thời gian rồi làm nguội kim loại theo một chế độ nhất định.
CHƢƠNG 2: LƢỠNG KIM LOẠI
Câu 3 Trình bày khái niệm của vật liệu lƣỡng kim? Nêu ứng dụng của vật liệu
lƣỡng kim?
* Khái niệm:
Vật liệu lưỡng kim loại là những sản phẩm kỹ thuật được chế tạo thành một
khối liên hệ chặt chẽ của hai kim loại.
* Các ứng dụng của vật liệu lƣỡng kim:
- Dây dẫn thép đồng.
Quan hệ giữa điện trở ở dòng điện xoay chiều với tần số f = 5000Hz và điện
trở ở dòng điện một chiều đối với dây dẫn đồng có đường kính 5mm là:
9,3Rmc
Rxc
Dòng điện chạy qua lớp bề mặt ngoài có chiều dày 0,5 - 0,6mm, còn trung
tâm của tiết diện trở thành mất tác dụng trong việc dẫn điện. Kết quả cho thấy
lõi của dây có thể làm được bằng dây thép, như vậy sẽ tiết kiệm đồng mà vẫn
không ảnh hưởng gì đến điện trở ở dòng xoay chiều. Điều này sẽ là biện pháp
tốt để làm tăng sức bền cơ khí của dây và lớp đồng bên ngoài còng sẽ tạo ra
một lớp vỏ bọc bên ngoài chống lại sự ăn mòn.
Do đó người ta đã thực hiện dây dẫn bằng vật liệu lưỡng kim thép đồng đối
với đường dây thông tin liên lạc có đường kính 1- 4mm. Dây dẫn bằng vật
liệu lưỡng kim loại trong một số trường hợp được dùng để làm dây dẫn điện
trong mạch nhị thứ ở tần số 50Hz và được dùng làm các thanh góp trong các
trang thiết bị dùng để nối.
- Thanh góp thép đồng.
Thanh góp là phần kết nối giữa các thanh dẫn, phần tử dây, bối dây trong
một pha dây của máy điện quay (máy điện không đồng bộ roto dây quấn) làm
nhiệm vụ dẫn điện đến các phần tử dây trong trạng thái động do đó phải chịu
các lực ma sát mài mòn lực ốp, lực nén, vì vậy thanh góp thép đồng phải sử
dụng các vật liệu chịu được các điều kiện làm việc
- Dây dẫn lưỡng kim đồng nhôm.
Tổ hợp lưỡng kim đồng nhôm được chế tạo đặc biệt dưới dạng các tấm có
một mặt hoặc cả hai mặt và dùng trong các cấu trúc phản chiếu, lò sưởi điện
hoặc các chi tiết dùng để nối. Các tấm lưỡng kim đồng nhôm. Do thuận lợi là
có thể dễ dàng hàn dính bằng hợp kim chắc dựa trên vật liệu cơ bản là thiếc.
Vật liệu lưỡng kim này còn có thể dùng để chế tạo các chi tiết trong thiết bị
thu phát thanh như làm cuộn dây ăng ten, bộ cảm biến.vv
- Nhiệt lưỡng kim
là sự ghép nối từ hai dải băng hẹp có cùng chiều dày bằng những kim loại
hay hợp kim có hệ số giãn nở theo nhiệt độ rất khác nhau. Chúng được chế
tạo bằng phương pháp dát mỏng khi nung tỉ lệ giữa trọng lượng các lớp là
1:1.
Khi nung nóng, lưỡng kim loại sẽ cong, và do đó sẽ tác động lên các chi tiết
để mở rơ le nhiệt, hay những thiết bị tự động.
Việc uốn cong những tấm lưỡng kim khi nung nóng phụ thuộc vào chiều dày
của thanh và độc lập với chiều rộng của thanh. để tránh ứng suất côc bộ thì
thanh lưỡng kim phải được xử lý nhiệt trước.
Đối với hợp kim co hệ số giãn nở với chiều dài ít (kim loại ít bị ảnh hường
nhiệt) ngưởi ta dùng hợp kim của niken(36 – 46%). Hợp kim được dùng
nhiều nhất hiện nay là hợp kim inva(36,1% niken + 63,1% Fe + 0,4%Mn +
0,4% Cu)
Đối với hợp kim có hệ số giãn nở theo chiều dài nhiều, người ta dùng hợp
kim đồng kẽm, thép hợp kim với crôm và niken, hợp kim niken với mụlipđen
Câu 4 Trình bày các phƣơng pháp bọc đồng (hoặc nhôm) dây thép của dây
dẫn?
Việc bọc dây thép của dây dẫn có thể được bọc theo các phương pháp:
- Phương pháp bọc khi nung.
- Phương pháp điện phân.
- Phương pháp bọc khi nung.
Thanh thép được làm sạch oxit bằng cách chà sạch hoặc bằng cách thổi cát.
Người ta đặt thép vào giữa khuôn đóc mẫu, xung quanh thanh thép người ta
sẽ rót đồng nóng chảy (1200 – 1800oC) vào không gian giữa lõi thép và bờ
tường của khuôn. Lõi thép có đường kính 80- 85mm và chiều dài 770-
800mm. Như vậy khối lượng kim loại thu được sẽ được để nguội về sau đó
dát mỏng thành sợi theo các kích cỡ như mong muốn.
Lớp đồng bám vào lõi thép sẽ rắn lại, phủ đều trên bề mặt tiếp xúc với lõi
thép.
Qua nghiên cứu kim tưíng học người ta nhận thấy cả hai kim loại đều tạo một
lớp trung gian hợp thành sự tự hoà tan rắn giữa sắt và đồng và đảm bảo được
sức bền cơ khí tốt.
Phương pháp bọc theo cách điện phân:
Đồng sẽ bám vào dây thép trong bể gavaníc sulfat đồng đảm bảo có một lớp
bọc đồng nhất song không cho một sự dính chặt hoàn toàn. đồng thời phương
pháp này cần phải tiêu thô một lượng điện nhiều.
Tiêu chuẩn của một số nước đó thực hiện là: Trọng lượng của đồng chiếm tỉ
lệ 50% trọng lượng toàn bộ dây.
Dây dẫn điện với tỉ lệ 30% đồng chỉ sử dụng trong những điều kiện truyền tải
khó khăn như: đòi hỏi khoảng cách giữa các cột điện lớn, băng giá nhiều, gió
mạnh vv..
Sức bền kéo khi đứt của dây dẫn lưỡng kim cần phải đảm bảo từ 55 –
70kG/mm2 đối với toàn bộ tiết diện, còn sự kéo dài 2%, đối với dây dẫn trong
thông tin liên lạc bằng thép mạ kẽm theo tiêu chuẩn của một số nước là
40kg/mm2 và sự kéo dài 10%.
CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU DÙNG LÀM ĐIỆN TRỞ
Câu 5 Thế nào là vật liệu dùng làm điện trở? Phân loại vật liệu dùng làm điện
trở?
1. Khái quát: Vật liệu dùng làm điện trở phải đảm bảo được các yêu cầu sau:
- Phải có điện trở suất lớn.
- Hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ phải nhỏ để đảm bảo sự ổn định
của điện trở suất đối với sự biến đổi của nhiệt độ.
2. Phân loại:
* Phân loại theo mục đích sử dụng:
- Vật liệu dùng làm điện trở chính xác được sử dụng ở những dụng cô đo
lường và điện trở chuẩn.
- Vật liệu dùng làm bộ biến trở khởi động (mở máy động cơ).
- Vật liệu dùng làm khí cô điện sưởi nóng và đun nóng.
Những vật liệu của loại vật liệu thứ nhất cần phải có một sức nhiệt động nhỏ
so với những vật liệu khác và đặc tính không được thay đổi theo thời gian để
nó không ảnh hưởng đến sự sai số trong các phép đo.
Những vật liệu của nhóm thứ 2 cần phải có sức bền khi dùng, sức bền đối với
quá trình ăn mòn khi đun nóng và phải có giá thành thấp.
Những vật liệu ở nhóm thứ 3 cần phải có sức bền đối thời gian kéo dài ở
nhiệt độ cao (không được nóng chẩy và không được ôxít hoá) chúng phải
được gia công dễ dàng phải có sức bền theo quan điểm cơ học ở nhiệt độ làm
việc và khổng rút ngắn chiều dài.
Câu 6 Hợp kim dùng làm điện trở chính xác và làm biến trở bao gồm những
loại nào? Trình bày thành phần của các vật liệu đó?
a. Phân loại
Người ta phân loại theo các loại sau:
- Hợp kim loại Mangannin.
- Hợp kim loại constantan và Niken.
- Hợp kim đồng kẽm và đồng –Niken-Kẽm.
b. Hợp kim Mangan(86%Cu,2%Ni,12%Mn): có màu cà fê-đá nhạt; người ta
kéo thành băng và dây mảnh rất dễ.
Nó có sức nhiệt động so với đồng rất nhỏ (1- 2 V/độ).
Người ta sử dụng để chế tạo các điện trở chính xác do giá trị điện trở ít bị
ảnh hưởng khi có các giá trị dòng điện khác nhau đi qua và khi làm việc ở
nhiệt độ khác nhau. Yêu cầu là cần đảm bảo tính bất biến về giá trị điện trở
khi làm việc ở thời gian dài và không được vượt quá 60oC nếu sử dụng vật
liệu làm điện trở mẫu; còn đối với biến trở thì không được vượt quá 300oC.
Muốn vậy thì phải xử lý già hóa hợp kim Mn bằng cách: Xử lý nhiệt ở 100-
140oC trong chân không hay trong môi trường trung tính (trơ) rồi chà sạch
bằng dung dịch K2CO3, Na2CO3, H2SO4, làm nguội từ từ (để nguội trong
không khí) sau đó bảo vệ lâu dài nhiều tháng ở nhiệt độ trong phòng khoảng
20oC.
c. Hợp kim constantan và niken.
* Constantan: Chứa 60% Cu và 40% niken. Người ta gia công dễ dàng khi
nguội hay khi nóng và có thể kéo thành sợi mảnh đến đường kính 0,02mm,
còng có thể dát mỏng thành dải băng có chiều dày 0,02mm.
Constantan dễ hàn dễ dính chặt, hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ
thấp vì thế hợp kim này có tên là constantan có nghĩa là hằng số và có hệ số
thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ hơn không.
Trong trường hợp nung nóng trong thời gian ngắn (khoảng 3 giây) ở nhiệt độ
900OC, và để nguội trong không khí khô trên bề mặt của constantan sẽ tạo
thành một màng mỏng oxít ngăn cách, dễ uốn dẻo và có sức bền cơ khí.
Constantan có sức nhiệt điện động lớn so với Cu (43μV/ độ) nên constantan
được dùng để chế tạo các ngẫu nhiệt điện Cu- constantan và Fe- constantan
để đo nhiệt độ đến 700 o
C.
* Niken: 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 với nhiệt độ lớn hơn constantan. người ta dùng làm biến trở khởi động
và điều chỉnh.
d. Hợp kim trên cơ sở kim loại quý
- Là hợp kim có Au – Cr 20%,; Ag-Mn-Thiếc. Ag-Ni.
- Chúng có điện trở suất lớn, hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ bé, tùy
thuộc vào việc xử lý già hóa.
- Người ta dùng hợp kim này để làm điện trở chính xác.
- Sau khi xử lý già hóa đến 270 o
C, điện trở suất bằng 0,46Ωmm2/m, hệ số
biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ α ≈ 0
Sức nhiệt điện động lớn so với Cu 2μV/ độ
e. Hợp kim Cu-Zn, Cu-Ni-Zn
Đó là đồng trắng alpaca, reotan, argentan, packfong là những hợp kim rẻ
tiền, được sử dụng trong dụng cô đo lường thông dụng và làm bộ biến trở đối
với dòng điện lớn.
Điện trở suất của hợp kim này ≈ 0,3÷0,4 Ωmm2/m; hệ số biến đổi điện trở
suất theo nhiệt độ α ≈ 0,00027÷0,00036 /độ
Câu 7 Hợp kim dùng làm điện trở sƣởi nóng và nung nóng bao gồm những loại
nào? Trình bày thành phần của các vật liệu đó?
a.Phân loại
- Hợp kim trên cơ sở Ni – Cr; Ni - Fe – Cr.
- Hợp kim trên cơ sở Fe – Cr - Al
- Hợp kim trên cơ sở Cr – Si – Fe
- Hợp kim trên cơ sở Cacbua – Silic
b. Hợp kim trên cơ sở Ni – Cr
Hợp kim thường được dùng để sản xuất điện trở ở nhiệt độ cao (tmax=
1000oC), điện trở suất lớn, hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ.
Hợp kim Ni – Cr thường dùng làm các dây mảnh (đường kính 0,01-0,3mm)
chứa 20% là Cr, dây dẫn và dây băng có chiều dày hơn 1,5mm chứa 30% là
Cr.
Những hợp kim này được thêm vào 1-2% Mn như là chất khử oxit, nó giúp
tăng thêm khả năng gia công rèn và dát mỏng.
Nếu đưa vào thêm 5÷8%Mn thì điện trở suất của nó tăng lên rất nhiều.
Hợp kim Ni – Cr ít bị oxy hóa vì tốc độ oxy hóa của Ni và Cr rất bé ngay cỏa
khi ở nhiệt độ cao. Đó là do lớp oxit tạo thành bề mặt hợp kim không bị bay
hơn tiêu tán đi mà nó lại dính vào, là lớp bảo vệ bề mặt hợp kim, ngăn cản
không cho không khí tiếp tục đi sâu vào hợp kim.
c. Hợp kim trên cơ sở Ni – Cr – Fe
Hợp kim feronicrom chứa 60÷70% Ni, 15÷20% Cr, 15÷25% Fe. Người ta có
thể cho thêm 1÷2% Mn để làm chất khử oxy. Điện trở của hợp kim khoảng 1
Ωmm2/m và thay đổi tùy theo các thành phần cấu tạo nên. Hợp kim
feronicrom trên có điện trở suất là lớn nhất. Hợp kim ít bị oxy hóa hơn so với
hợp kim Cr – Ni vì Fe có tốc độ oxy hóa lớn ở nhiệt độ 900oC.
Những hợp kim có tỷ lệ phần trăm Fe lớn thì có giá thành rẻ hơn.
Hợp kim được kéo thành dây mảnh có đường kính nhỏ đến 0,02mm và kéo
thành dây băng với tiết diện 0,1x1 mm2
Ngoài những hợp kim trên thì người ta còn sử dụng các vật liệu khác để làm
tiếp điểm trượt như palađi, rôđi.
d. Hợp kim trên cơ sở Fe – Al – Cr
Hợp kim này khá đắt tiền, người ta đã sản xuất những hợp kim có sức bền ở
nhiệt độ cao trên cơ sở Fe là thành phần chủ yếu. Giữa các hợp kim đó thì
Fecral và cromel là 2 hợp kim khá quan trọng.
Fecral là hợp kim chứa 86% Fe, 10÷12% Cr, 2÷4% Al. Chất thêm vào là Al
và Cr để làm tăng điện trở suất của hợp kim và hệ số biến đổi của điện trở
suất theo nhiệt độ sẽ giảm.
Vì Cr và Al có lớp oxit bảo vệ bám chắc vào bề mặt vặt liệu nên hợp kim ít bị
oxy hóa nên vật liệu làm việc đến 800 – 850oC
ρFecral = 1,2÷1,4 Ωmm2/m; trọng lượng riêng của fecral bằng 7,6÷8,2 kg/dm
3;
vật liệu bị đứt khi kéo là 70kg/mm2.
Fecral cứng và dễ gẫy hơn nicrom nên khó có thể kéo dài để làm dây và dây
băng (chỉ làm dây có đường kính và chiều dày cỡ 0,3÷1,2mm).
Việc thêm vào hợp kim các chất Cu và Mn làm tăng điện trở suất và giảm hệ
số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ.
Nhược điểm của Fecral là sau khi làm việc ở nhiệt độ quy định trong 20h thì
giá trị của điện trở suất có thể giảm đến 20%.
Kanthal là hợp kim trên cơ sở Fe, Cr, Al và Côban. nhiệt độ làm việc có thể
lên đến 1150÷1325oC, điện trở suất ρ= 1,3÷1,45 Ωmm
2/m, α =
0,00006÷0,00009/độ
Hợp kim này có ưu điểm là rất bền ở nhiệt độ làm việc. Sự oxy hóa của nó
giảm nhiều so với các kim loại khác dùng làm điện trở. Khi quá 1000oC thì
Kanthal dễ ròn, dễ vỡ.
Cromel: 64% Fe, 30% Cr, 4,5% Al, 1,5% C, Mn, Si, S, P. Người ta sử dụng
dưới dạng dây có tiết diện lớn ở những lò điện công nghiệp có nhiệt độ lên
đến 1300oC.
e. Dây làm điện trở trên cơ sở Cacbuasilic
Chúng có dạng các thanh hoặc ống, với các đầu được kim loại hóa. Đường
kính các thanh hay ống là 4÷50mm, chiều dài từ 60÷1500mm. Những thanh
hay ống này được uốn thành vòng xoắn để cho vào trong lò điện có nhiệt độ
1000÷1400oC.
Điện trở suất bằng 863÷6000 Ωmm2/m tùy theo tiết diện; α < 0; trọng lượng
riêng bằng 2,96 kg/dm3.
Oxit cacbon sẽ tác dụng lên các thanh bằng cacbua silic ở nhiệt độ cao.
Clo và HCl sẽ tác dụng với SiC ở nhiệt độ ≥ 500oC.
Câu 8 Các yêu cầu của vật liệu làm tiếp điểm? Nêu tên các loại vật liệu dùng
làm tiếp điểm?
* Vật liệu làm tiếp điểm cần thỏa mãn những yêu cầu sau:
+ Có sức bền cơ khí và độ rắn cao
+ Có điện dẫn suất cao và khả năng dẫn nhiệt tốt để không bị nung nóng quá
nhiệt độ cho phép khi những tiếp điểm này có dòng điện định mức lâu dài đi
qua.
+ Ít bị ăn mòn.
+ Có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ hóa hơi cao để không bị nóng khi làm
việc.
+ Oxit của vật liệu làm điện trở phải có điện dẫn suất lớn, nếu không sẽ làm
giảm khả năng dẫn điện của tiếp điểm.
+ Dễ dàng gia công.
+ Giá thành thấp.
* Các loại vật liệu dùng làm tiếp điểm
Tiếp điểm cố định: thường sử dụng Al, Cu, Thép, Zn.
- Yêu cầu: + Phải có sức bền khi nén để có thể chịu được áp suất ép lớn.
+ Phải có điện trở ổn định trong thời gian làm việc lâu dài.
Tiếp điểm di động: thường sử dụng Plati, Paladi, Rôđi, Au, Ag, Vonfram,
Cu, Ni, Côban
tiếp điểm này làm việc theo phương thức tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh khi có
lệnh đóng/mở máy cắt, công tắc tơ,...
+ Ít bị ăn mòn, phải chịu được tác động cơ khí khi va chạm do lệnh điều
khiển đóng và mở.
+ Ít bị ảnh hưởng do hồ quang điện.
+ Không bị hàn chặt.
Tiếp điểm có công suất lớn
Người ta thường dùng kim loại gốm, tạo nên từ hỗn hợp kim loại khó nóng
chảy với kim loại dẫn điện tốt: một kim loại có điện dẫn suất lớn – dễ dẫn
điện; một kim loại có độ bền cơ khí lớn – chịu được tải.
Những vật liệu tổng hợp hay dùng nhất hiện nay: Ag – Vonfram (vonfram có
sức bền với hồ quang); Ag – Molipden (Molipden có độ cứng cao); Ag – Ni;
Cu – Vonfram; Cu – Molipden.
Các tiếp điểm này được chế tạo dưới dạng viên mỏng dính chắc lên trên bề
mặt tiếp xúc của tiếp điểm cắt của khí cô điện.
Tiếp điểm trượt: trong máy cắt, dao cách ly, vòng cổ góp của máy điện. Yêu
cầu ít bị ăn mòn cơ khí do ma sát.
Người ta thường dùng:
Cu ở cổ góp máy điện và ở những tiếp điểm của máy cắt điện, dao cách ly.
Để nâng cao sức bền cơ khí, người ta thường tạo hợp kim với cactmi. Ở một
số máy cắt, người ta mạ bạc tiếp điểm.
Các hợp kim của Cu: Cu thanh, Cu thanh – antimon, Cu – Berili, Cu –
cactmi, Cu – Cacbon,... ít bị mài mòn và ăn mòn; thường dùng làm cổ góp.
Al được dùng làm các chi tiết tiếp xúc ở cầu lấy điện của các phương tiện vận
tải bằng điện.
Cacbon điện graphit được dùng trong khí cô điện, làm các chi tiết tiếp xúc
của các phương tiện vận tải bằng điện vì ít mài mòn dây dẫn điện và tuổi thọ
cao.
CHƢƠNG 4: VẬT LIỆU BÁN DẪN
Câu 9 Thế nào là vật liệu bán dẫn? Vật liệu bán dẫn có tính chất gì? Nêu các
chất chính đƣợc làm vật liệu bán dẫn điện
Chất bán dẫn điện chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách
điện, điện trở suất của nó khoảng giữa 10-6
và 108m. Trong kỹ thuật của
chất bán dẫn công suất, người ta hay dùng các nguyên tố hoá học được xếp
trong nhóm IV của bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố D.I Mendeleep;
chúng là giéc-ma-ni và silic, được đặc trưng bởi cấu trúc tinh thể người ta
chỉ dùng chất bán dẫn ở tính dẫn điện tử, tức là các chất bán dẫn mà dòng
điện chạy qua nó là bởi sự rời chuyển của các điện tử. Hiện nay chất bán
dẫn hay dùng nhất là chất bán dẫn silic. Chúng ta còng thấy rằng silic có rất
nhiều và chiếm 28% trong lớp vỏ quả đất nhưng kỹ thuật để sẩn xuất silic
tinh khiết lại rất phức tạp chính vì thế mà các linh kiện sử dung chất bán dẫn
silic trở nên rất đắt đá so với sử dụng chất bán dẫn giec-ma- ni, cho dù giec-
ma ni là nguyên tố hiếm.
Nguyên tử silic có ba lớp điện tử. Lớp ngoài cùng chứa bốn điện tử hoá trị,
trong khi số lượng của điện tử có thể chứa bằng tám, điều này có nghĩa là
lớp điện tử ngoài cùng là chưa hoàn thiện các điện tử hóa trị sẽ tham dự tác
động lẫn nhau giữa các nguyên tử chúng tạo thành tinh thể silic hay các
phần tử hợp chất hóa học của silic với các chất khác.
Nếu khối tinh thể Si hoàn toàn nguyên chất thì tất cả các điện tử hóa trị của
nguyên tử liên hệ với nhau và không có điện tử tự do, do vậy tinh thể không
dẫn điện. Nếu ta đem đốt nóng hoặc chiếu chùm tia phóng xạ vào mạng tinh
thể này để có thể làm tăng mức năng lượng các điện tử, thì các điện tử này
có thể phá vỡ mối liên kết, chúng thóat ra và trở thành điện tử tự do.
Ở mối liên kết vừa bị phá vỡ, điện tử sẽ thóat ra để lại một lỗ trống, lỗ này
dễ bị mối liên kết khác nhảy vào lấp lỗ trống, do vậy xuất hiện một lỗ mới ở
chỗ điện tử vừa rời khái. Cứ như thế, trường hợp này là tính dẫn điện bằng
lỗ trống. Ta thấy rằng ở chất bán dẫn nguyên chất mật độ điện tử tự do
bằng mật độ lỗ trống, tính dẫn điện của bán dẫn phụ thuộc vào các tác
nhân bên ngoài kích thích các điện tử thóat khái mối liên kết với nguyên tử.
Với silic ta thêm vào một lượng nhỏ phốt pho (P) hay antimon (Sb) là
nguyên tố thuộc nhóm V. Các điện tử của các chất này có năm điện tử hóa
trị trong đó bốn điện tử tạo thành mối liên kết đồng hóa trị với bốn nguyên
tử nằm cạnh của tinh thể bán dẫn còn điện tử thứ năm tự do nằm ở tinh thể.
Người ta nói bán dẫn có tạp chất sao cho mật độ điện tử nhiều hơn mật độ lỗ
trống là bán dẫn điện tử hay còn gọi là bán dẫn loại n.
Cùng với silic ta thêm một lượng nhỏ nhôm (Al) gali (Ga) là các nguyên tố
nhóm III. Chúng là các nguyên tố hóa trị có ba. Mỗi nguyên tử tạp chất
thiếu mất một điện tử để tạo thành mối liên kết đồng hóa trị với bốn nguyên
tử nằm cạnh của chất bán dẫn, như vậy có nghĩa là thành một lỗ trống. chất
bán dẫn có tạp chất tạo nên gọi là bán dẫn lỗ trống hay còn gọi bán dẫn loại
p. Như vậy chúng ta có thể kết luận rằng khi đưa tạp chất vào một tinh thể
bán dẫn tinh khiết thì sẽ tạo nên sự biến đổi cấu trúc của nó, làm xuất hiện
số lượng lớn các điện tích mang điện. Tuỳ thuộc vào các tập chất đưa vào
mà điện tích mạng có thể là dương hay âm.
Câu 10 Tính chất vật lý và hoá học của Cacbon? sản xuất và tìm kiếm cacbon
nhƣ thế nào?
Sản xuất và chế tạo.
Cacbon có 3dạng: kim cương; graphit; cacbon vô định hình.
Kim cương và graphit được sản xuất từ các mỏ tự nhiên. Graphit có thể sản
xuất từ antraxit hay than cốc.
Các bon vụ định hình có thể sản xuất theo các phương pháp khác nhau (than
đất, đen của khói, than cốc vv..)
Graphit được cung cấp dưới dạng sau:
- Graphit thô, chưa hề chịu gia công cơ khí.
- Graphit cô đặc, là loại đó chịu gia công cơ khí.
Theo độ tinh khiết dạng hạt, graphit cô đặc lại phần ra 3 loại A,B,C. Loại C
gồm có loại bụi và loại hạt.
Graphit với tỉ lệ phần trăm lớn hơn 99% sẽ thu được thông qua xử lý hóa
chất, hoặc thông qua phương pháp điện - nhiệt từ antraxit hay từ than cốc
được xay thành bột với một số chất thêm vào ở 2200 – 2300oC là nhiệt độ
mà các tạp chất sẽ bay hơi.
Graphit là loại hạt được sử dụng để tăng điện dẫn xuất, khi chế tạo vật chất
khử của bình ắc quy khô trong hỗn hợp bioxuýt mangan tự nhiên và nhân
tạo thì cần phải có các thành phần sau đây:
- Cácbon, tối thiểu 90%
- Fe2O3- 1%
- Vật chất hay hơi1%
- Cu, Pb, Co, As, Ni: 0,001%
*Cabon vụ định hình được sử dụng trong kỹ thuật điện có những dạng sau:
- Antrocit: Sản xuất từ các mỏ, được sử dụng làm bột micro hay graphit
tổng hợp.
- Than cốc: Bao gồm 74 – 78% C, thu được thông qua phương pháp chưng
cất khô than đá trong lò cất hay từ dầu mỏ.
- Cacbon của lò cất.
- Đen của khói: nhận được thông qua sự đốt cháy không hoàn toàn dầu
mazỳt hay sản phẩm có trong dầu mỏ nặng, thông qua sự đốt cháy của hắc
ín, than đá, của antraxit thô vv..
Tương tự người ta có thể thu được sản phẩn đen của khói thông qua
đốt cháy dầu graphin trong đốn có bấc, thông qua đốt cháy dầu long não,
hay thông qua đốt cháy khí tự nhiên (mêtan vv..)
Sản phẩm đen của khói nhận được thông qua sự đốt cháy không hoàn
toàn hay thông qua phần giải và đốt cháy không hoàn toàn của khí mêtan.
Nó có dạng mịn.
1. Hằng số lý hoá.
Kim cương là vật liệu cách điện. Hệ số biến đổi của điện trở suất đối với
nhiệt độ ở cacbon là âm. Chúng ta thấy điện trở suất giảm từ 46 xuống dưới
38 khi nhiệt độ tăng từ Oo đến 2000
oC.
2.Ứng dụng.
Cacbon dùng để chế tạo số lượng khá lớn các sản phẩm trong kỹ thuật điện
như:
- điện cực cabon.
- Chổi than.
- Tiếp điểm điện bằng cacbon.
- Dây tóc bằng cacbon ở các đốn chiếu sỏng.
- Điện trở bằng cacbon cho các bộ phận đốt nóng bằng điện.
- Điện trở băng cacbua- silic.
* Điện cực Cacbon:
VD: - Điện cực trong điện phân.
- Ở trong các lò điện hồ quang và lò điện trở.
- Trong hàn bằng hồ quang điện.
- Trong đèn hồ quang và đèn chiếu.
- Trong các phần tử gan – va – nic.
- Trong những anot bằng graphit đối với chỉnh lưu thủy ngân.
Các điện cực của hai ứng dụng đầu là để sản xuất cacbua calci, cacbua silic,
nhôm, thộp.
Những điện cực dùng để điện phân vật chất ở trạng thái nóng chảy được
phân thành:
- Điện cực từ cacbon vô định hình
- Điện cực graphit
- Điện cực điện – graphit
- Điện cực kim loại – cacbon.
* Chổi than
Chổi than dùng cho máy điện tạo thành tiếp xúc động giữa phần cố định và
phần máy quay của máy điện, tức là dùng để đưa đến cổ góp hay vùng tiếp
xúc của máy điện.
Theo cách chế tạo, chổi than được chia thành nhiều loại:
- Chổi than cacbon cứng (vô định hình).
- Chổi than điện – graphit
- Chổi than graphit
- Chổi than kim loại – graphit
* Tiếp điểm bằng cac bon
Cacbon có sức bền cơ khí cao, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, không nóng chảy,
không bị hàn dính và không tạo nên các lỗ, trên bề mặt đó có tia lửa điện
hay hồ quang điện.
Câu 11 Nêu tính chất vật lý, tính chất hoá học , sản xuất và phạm vi ứng dụng
của silíc
1. Sản xuất.
Silic là một trong những nguyên tố rất phổ biến trong thiên nhiên người ta
tìm thấy nó dưới dạng silic SiO2 trong các mỏ khác nhau hoặc dưới dạng
siliccat. nhưng công nghệ sản xuất Si lại đòi hỏi kỹ thuật cao nên khá đắt.
Biện pháp kỹ thuật để thu được silic dựa vào tổng hổp trong lò điện một
hỗn hợp cát thạch anh và than cốc hoặc cát và cacbua canci CaC2.Silic tinh
khiết chứa 0,01- 1% tạp chất.
2.Hằng số vật lý.
- Trọng lượng riêng (ở 20oC): 2,37 kg/dm
3
- Điện trở suất của Giecmani ở 20oC bằng 100 Ù.cm; hệ số biến đổi điện
trở suất theo nhiệt độ: ỏ= -1,8 ữ 1,7 oC
-1
Hằng số vật lý chính của silic từ những hợp chất của nó (SiO2) nhờ sự hỗ
trợ của kim loại (manhê, nhôm) có bụi màu sẫm tối và là chất dẫn điện kém.
Silic tinh thể thu được thông qua nóng chảy fluo silicat bồ tạt với nhôm hay
với kẽm.
Điện dẫn suất của nó biến đổi trong giới hạn rộng từ7. 102
-1cm
-1 đến10
2
-1
cm-1
(silic tinh khiết), còn hệ số biến đổi của điện trở theo nhiệt độ là âm
trong trường hợp silic đa tinh thể và là dương trong trường hợp silic là đơn
tinh thể.
3. Đặc tính.
Silic được thể hiện dưới dạng vật chất tinh thể, có màu tro xám giống như
thép với phản chiếu hơi trắng.
Nó rất dễ bị bể vụn và không được phép gia công dưới dạng áp lực.
Silic vô định hình khó bị oxuýt hoá trong không khí, song rất dễ dàng cháy
ở 700oC – 800
oC.
Silic tinh thể không tan trong axit.
4. Ứng dụng
Hợp kim (4%Si, Fe) dùng làm lừi thộp.
Hợp kim của Si và Fe được chế tạo theo các thành phần, nhiệt độ khác nhau
thì tạo thành các họp kim khác nhau với các tính chất mong muốn.
Silic được dùng như chất khử oxy trong luyện kim.
Silic tinh thể được sử dụng để chế tạo các linh kiện trong các loại máy tách
sóng, máy khuếch đại.
Câu 12 Nêu tính chất vật lý và tính chất hoá học và phạm vi ứng dụng của
Gecmani ?
1. Sản xuất.
Giecmani tìm thấy trong thiên nhiên dưới dạng các mỏ ác-girôđit
(GeS24Ag2S), canfinđit ( 4Ag2(GeSn) S2), giecmani(Cu3GeS). Nó đó được
tìm thấy với số lượng rất ớt trong một số mỏ kẽm, đồng thời trong tro và
trong chất cặn của hắc ín, của những nhà mỏy than cốc – hóa.
Sản xuất Giecmani kim loại thu được thông qua các cách sau:
- Khử oxy của oxit GeO2 hay sulfua (Ges2)bằng cacbon, hydro.
GeO2 + 2 H2 → Ge + 2H2O
- Điện phân muối K2 (GeFe)nóng chảy hay hoà tan.
- Hòa tan GeO2 trong criolit.
2.Hằng số vật lý.
- Trọng lượng riêng (ở 20oC): 5,36 kg/dm
3
- Điện trở suất của Giecmani ở 20oC bằng 0,01178 Ù.cm; hệ số biến đổi
điện trở suất theo nhiệt độ: ỏ= 0,0014 oC
-1
- Nhiệt độ nóng chảy: 958,5 oC
- Hệ số giãn nở trong bình 0ữ100 oC: 6.10
-6 oC
-1
Điện trở suất của giecmani tuỳ thuộc vào nhiệt độ. Người ta nhận thấy rằng,
trong khoảng nhiệt độ nhất định hệ số thay đổi điện trở của giecmani theo
nhiệt độ là âm.
3. Đặc tính.
Màu xỏm tro sỏng. Không bị oxy húa trong không khí, không hòa tan trong
nước. Bị oxy hóa trong môi trường Oxy tạo thành GeO2.
Ge bị hòa tan trong nước cường toan. ( nước cường toan là chất ăn mòn
mạnh, ở dạng lỏng, không màu nhưng để trong không khí vài giây là bị
chuyển sang màu vàng, dễ bay hơi. Nước cường toan: HNO3 + H2O, tỷ lệ
1:3)
Ge không tác dụng với HCl và H2SO4 loãng.
Ge hòa tan chậm trong kiềm
Ở nhiệt độ trên 200÷250oC, Ge phản ứng mạnh với Halogen ( F2, Cl2, Br2,
I).
4. Ứng dụng.
Gecmani được dùng để chế tạo các bộ tách nóng, các bộ chỉnh lưu phẳng,
các transisto và các bộ khuếch đại vv…
CHƢƠNG 5: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Câu 13 Các yêu cầu của vật liệu cách điện là gì? Giải thích các hiện tƣợng?
Mục đích của cách điện là duy trì khả năng cách điện của vật liệu cách điện
trong điện trường. Muốn vậy không thể để xảy ra các hiện tượng sau:
- Phóng điện trong vật liệu cách điện.
- Đánh thủng toàn phần hoặc bên trong vật liệu cách điện.
- Phóng điện bề mặt ở bên trong hoặc giữa mặt tiếp xúc.
* Phóng điện trong vật liệu cách điện
Hiện tượng phóng điện xảy ra nếu điện áp đặt lên vật liệu cách điện lớn hơn
điện áp lớn nhất mà vật liệu các điện có thể chịu được mà chưa xảy ra
phóng điện. Trị số này gọi là điện áp phóng điện. Điện áp mà bắt đầu có
phóng điện gọi là điện áp ngưỡng của phóng điện.
* Đánh thủng và phóng điện bề mặt
Bố trí thí nghiệm như hình vẽ:
Đặt giữa 2điện cực là 1 tấm vật liệu điện
mà cạnh biên của nó nhú ra ngoài điện
cực rất nhiều. Ta tăng điện áp giữa hai
điện cực một cách từ từ. Có thể có 2
hiện tượng sẽ xảy ra:
- Đánh thủng: Tấm cách điện không chịu nổi điện áp, và ở một hoặc hai
chỗ. Điện tích chạy từ điện cực này sang điện cực kia xuyên qua tấm cách
điện. Hiện tượng này gọi là hiện tượng bị đánh thủng.
- Phóng điện bề mặt: Khi điện áp tăng đến một trị số nào đó, thì ở cạnh mép
của điện cực xuất hiện vầng quang điện và phát triển thành những tia lửa
điện bò loằng ngoằng trên bề mặt tấm cách điện. Điện áp càng tăng thì tia
lửa điện càng dài sau đó nối liền với nhau. Hiện tượng này gọi là phóng
điện bề mặt.
Trong trường hợp trên nếu là vật liệu cách điện là thể khí hoặc thể lỏng thì
chỉ có thể xảy ra hiện tượng đáng thủng. Nếu là cách điện thể rắn có thể xảy
ra hiện tượng đánh thủng hoặc phóng điện bề mặt.
Đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng. Vật liệu cách điện ở thể lỏng
hoặc thể khí thì chỉ bị đánh thủng trong giây lát rồi phục hồi lại khi nguyên
nhân gây phóng điện kết thúc. Còn vật liệu cách điện ở thể rắn thì bị đánh
thủng vĩnh viễn không thể sử dụng lại, cần thay thế bộ phận cách điện thể
rắn này ngay lập tức.
Hiện tượng phóng điện bề mặt không gây ra hâu quả nghiêm trọng như
đánh thủng. Nhiệt độ của hồ quang điện bề mặt có thể làm mủn bề mặt cách
điện, nhưng không đến mức không sử dung được, sau một thời gian sử dụng
sẽ có kỳ kiểm tra, thí nghiệm định kỳ vật liệu cách điện này; nếu vẫn đảm
bảo hệ số an toàn thì ta vẫn có thể tiếp tục sử dụng và ngược lại.
Xét về tính liên tục trong vận hành thì giữa đáng thủng và phóng điện bề
mặt có sự khác nhau cơ bản:
+ Đánh thủng đòi hỏi phải sửa chữa ngay do đó vận hành bị gián đoạn.
+ Phóng điện khi không còn tồn tại tiếp tục thì vẫn tiếp tục làm việc trở lại.
Điện áp đánh thủng bề mặt là điện áp làm cho bề dầy các;h điện nhất định
bị đánh thủng UPđ.
Câu 14 Bề mặt tiếp giáp là gì? Nêu tính chất điện của bề mặt tiếp giáp?
Có các loại bề mặt tiếp giáp là giữa: chất khí – chất lỏng; chất lỏng – chất
rắn; chất rắn – chất khí.
Nếu trên bề mặt tiếp giáp có một thành phần điện trường song song với mề
mặt tiếp giáp thì có thể hình thành dòng điện trên đó. Nếu điện trường lớn
thì dòng điện lớn, có thể gây phóng điện bề mặt.
Thực tế cho thấy rằng dọc theo bề mặt tiếp giáp có một lớp tiếp giáp với bề
dầy nhất định mà tính chất của nó khác với tính chất của hai điện môi tiếp
giáp với nhau theo qua lớp này.
Những bề mặt tiếp giáp quan trọng nhất là tiếp giáp giữa không khí và cách
điện thể rắn; tiếp giáp giữa dầu và cách điện thể rắn.
- Bề mặt tiếp giáp giữa không khí và cách điện thể rắn phụ thuộc vào độ
ẩm, bụi, chất bẩn trên bề mặt tiếp giáp quyết định. Nếu lớp bụi bẩn dày, độ
ẩm cao thì khả năng dẫn điện càng tăng lên, điện áp đánh thủng càng giảm
và ngược lại.
Nếu có dòng điện rò trên bề mặt cách điện thì trên bề mặt bị cháy, hóa than,
ta có thể nhìn thấy vết cháy này một cách rõ ràng.
- Ở dưới dầu, dòng điện dò khó rò hình thành hơn so với không khí,vật liệu
gốm sứ nói chung có khả năng chịu dùng tốt đối với tác dụng của dòng điện
rò rỉ chỉ khi nào có nhiều chất bẩn bám trên bề mặt và điện áp lớn thì mới có
dòng điện rò rỉ.
Câu 15 Vật liệu cách điện là gì? Có mấy dạng vật liệu cách điện? Từ đó nêu
tóm tắt các tính chất của chúng và phạm vi sử dụng?
* Phân loại vật liệu cách điện.
a. Phân loại theo trạng thái vật lý: Vật liệu cách điện tồn tại dưới các dạng
như thể khi, lỏng, rắn. vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng luôn phải sử
dụng vật liệu cách điện ở thể rắn thì mới hình thành được cách điện vì các
phần tử kim loại không thể giữ chặt trong không khí. Vật liệu cách điện thể
rắn còn phân loại thành các nhóm như : cứng, đàn hồi,có sợi, băng, màng
mỏng. ở giữa thể lỏng và thể rắn còn có mộtthể trung gian, gọi là 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 và vật liệu
cách điện vô cơ.
+ Vật liệu cách điện hữu cơ: Chia làm 2 nhóm, nhóm có nguồn gốc từ tự
nhiên và nhóm có nguồn gốc từ nhân tạo. nhóm tự nhiên sử dụng các hợp
chất cơ bản có sẵn trong thiên nhiên hoặc gữ nguyên thành phần hoá học
như: vải sợi, giấy, sơn vecni, ..hoặc biến đổi thành phần hoá học như: cao
su, phíp, lụa,…Nhóm nhân tạo thường được gọi là nhựa nhân tạo.
+ Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí chất lỏng không cháy,các loại
vật liệu rắn như gốm sứ, thuỷ tinh,mica, amiăng.
c. Phân loại vật liệu theo tính chịu nhiệt: là sự phân loại rất cơ bản. Khi lựa
chọn vật liệu cách điện, đầu tiên phải biết vật liệu chịu nhiệt ở cấp nào.
* Các nhóm cách điện cơ bản:
a. Nhóm vật liệu cách điện vô cơ.
Khái niệm về vật liệu vô cơ. Vật liệu vô cơ có rất nhiều trong tự nhiên có
thể là đơn chất hay hợp chất trong thành phần phân tử của điện môi vô cơ
không có, thầnh phần các bon se khai thác gia thành hạ được sử dụng rất
rộng rãi trong kỹ thuật điện vàcó các vật liệu cơ bản sau: + Mica và sản
phẩm gốc mica.
+ Gốm sứ.
+ Thuỷ tinh
- Mica K2O3AL2O36SiO2: có màu trắng hoặc hơi xanh.
= 1013
- 1014
cm.
to = 180
o – 900
oC.
Đặc tính chung của mica là chịu uốn chịu nén tốt, nếu nóng quá nhiệt độ
cho phép thì mica sẽ bị phá huỷ ở nhiệt độ 125-o
- 1350oC. ở nhiệt độ này
mica bị nóng chấy và cường độ cách điện bị giảm sút, ngoài mica tự nhiên
người ta còn chế tạo ra mica nhân tạo, có thành phần như mica tự nhiên
còng đảm bảo cơ,lý, hoá tính và cường độ cách điện.
Sản phẩm gốc mica.
Sản phẩm gốc mica được tráng trên thuỷ tinh và vải sợi thuỷ tinh.
Gốm sứ.
Khái niệm về gốm sứ. Đối với gốm sứ thành phần chủ yếu là đất sét được
nhào chộn với nước với một độ dẻo nhất định và được chế tạo theo khuôn
mâu định hình theo ý muốn đem sấy khô, đem vào lò lung luyện trong quá
trình hoá lý phức tạp và có tính chất khác hẳn với tính chất ban đầu.
Đó là sự kết hợp giữa đất sét, thạch anh, nham thach,cộng với nước thanh
chất dẻo.
Thành phần chính của gốm sứ cách điện: đối với gốm sứ cách điện người
ta thường chế tạo từ các chất đất sét, thạch anh, ôxuytsilic chộn với nước trở
thành một hỗn hợp dẻo, được chế tạo theo khuôn mẫu, sấy khô đưa vào lò
nung luyện với điều kiện công nghệ khác nhau ( áp suất, nhiệt độ, thời
gian.) ta sẽ thu được gốm sứ co tính chất khác nhau để ứng dụng ở các điều
kiện kỹ thuật khác nhau.ngoài gốm sư người ta còn tạolên một lớp men sứ
là loại dung dỉchễ nóng chẩy được tráng men trên bề mặt của gốm sứ mục
đích chính là giữ cho tinha chất bên trong được ổn đinh bề mặt tăng thêm độ
bóng để mặt không bị ẩm không bị dính kết.
Thời gian nung của gốm sứ cách điện hạ áp tới 20- 70h và ở điều kiện
nhiệt độ 1350o C.
Thời gian nung của gốm sứ cao áp là từ 20 – 80h với điều kiện áp suất và
nhiệt độ là 1410o C.
Sau thời gian nung các chi tiết bị co ngót đến 20% vì vậy khi chế tạo phải
tính đến độ co ngót đó để kích thước của sản phẩm như mong muốn.
Trong quá trình nung luyện hỗn hợp gốm sứ sẽ sẩy ra quá trình hoá lý rất
phức tạp dẫn đến sự thay đổi kết cấu của hỗn hợptạo thành một lớp đồng
nhất.
Ứng dụng của sản phẩm làm những vật liệu cách điện ở một số thiết bị điện
cách điện giữa dây điện với cột và các dây pha khác trong đường dây truyền
tải.
Thuỷ tinh. thành phần chính của thuỷ tinh là ôxitsilic được lung nóng và
chế tạo theo khuôn mẫu định hành,khi ở nhiệt độ cao thì dẻo và dính còn ở
nhiệt độ thấp thì cứng và ròn, nóng chẩy ơ nhiệt độ cao.
Thành phần chủ yếu của thuỷ tinh dùng trong KTĐ là ôxitsilic,Ô
xítphôtpho, Ôxitbazơ, là các thành phần ôxít chủ yếu.
Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật yêu cầu mà người ta có thể cho các thành phần
khác nhau, đem vào lung luyện theo các hình dáng nhất định.
Phân loại: tuỳ theo quan điểm phân loại mà các loại thuỷ tinh dùng trong
KTĐ có các tên gọi khác nhau nhưng quan điểm chung là phân loại theo
quan niệm.
- Thuỷ tinh tụ điện (dùng thuỷ tinh làm điện môi trong tụ điện)
- Thuỷ tinh làm đèn.
- Thuỷ tinh dùng trong các thiết bị điện.
Men thuỷ tinh . là loại thuỷ tinh rễ nóng chẩy có độ tinh khiết cao, có độ
bóng cao dùng để tráng trên bề mặt thuỷ tinh hoặc trên bề mặt kim loại làm
tăng cường bề mặt cách điện chống sự xâm thực của môi trường bên ngoài
vào trong kim loại.
*Sợi thủy tinh. Thuỷ tinh ngoài chế tạo định hình còn sản suất thành sợi
theo từng điều kiện khác nhau có thể dệt thành băng hay thành tấm loại này
thường được ứng dụng làm vật liệu cách điện có công suất lớn và các thiết
bị làm việc ở nhiệt độ cao.
Amiăng. là loại vật liệu cách điện có nhiều ưu điểm thường tồn tại ở các mỏ
nằm thành các bờ sơ dưới tầng nham thạch,có điện trở suất.
= 1012
- 1013
cm.
có độ bền cơ học cao được ứng dụng để chế tạo vật liệu cách điện ở dạng sơ
sợi, dây, băng, bìa có tẩm thêm chất dẻo hữu cơ hoặc người ta có thể dùng
chế tạo xi măng amiăng.Thành phần chính là sợi amiăngcùng với chất kết
dính để sản suất thành các ống hoặc các ống theo định hình loại này được
ứng dụng để chống các tia lửa điệnchịu nhiệt độ cao như ở bảng phân phối
điện những vách ngăn của cầu dao công suất lớn.
b. Nhóm vật liệu cách điện hữu cơ.
- Vật liệu hữu cơ là một hỗn hợp từ 2 hay nhiều chất tạo nên phân tử trong
đó có thành phần cacbuahiđrô.
Các trạng thái tồn tại: trạng thái khí như êtilen
trạng thái lỏng như dầu.
trạng thái rắn như nhựa.
Có thể là hữu cơ tự nhiên hoặc hữu cơ nhân tạo chúng có nhiều loại và được
ứng dụng vào kỹ thuật điện.
- Kết cấu và phân loại: Đối với vật liệu hữu cơ chúng có kết cấu bằng
những liên kết đường ví dụ như êtilen. Đặc điểm của liên kết đường ở trạng
thái vô đinh hình loại này có nhược điểm về cơ tính là hút ẩm, ít loại nhựa
liên kết không gian ví dụ êtilen người ta có thể trùng hợp làm chỉ số l lên
đến 100- 1000.
L là chỉ số phân cực loại này là kết cấu đối xứng hay vật liệu trung tính các
loại vật liệu này do tổng hợp thì chỉ số l sẽ cao còn nhựa trong tự nhiên chỉ
số l thấp đặc điểm loại này là độ bền cơ giới cao không hút nước hoà tan
trong các dung môi tương ứng.
Người ta có thể dùng một công nghệ trùng hợp nào đó nguyên tử hiđrô bằng
một nguyên tử clo hay phốtpho thì người ta còng được một loại nhựa liên
kết không gian không đối xứng hay còn gọi là nhựa trung tính.
Phân loại tuỳ từng quan điểm mà người ta phân loại hữu cơ khác nhau
nhưng quan điểm đóng nhất là đưa vào thành phần các chất trong phân tử và
căn cứ vào thành phần các chất.
Đặc điểm chung của nhựa là kết cấu vô định hình ở nhiệt độ thấp thì ròn và
cứng ở nhiệt độ cao thì dẻo và dính và tiến tới hoá nỏng. Nhựa trong KTĐ
là nhựa không hoà tan trong nước mà chỉ hoà tan tròng dung môi tương ứng
và có độ dính nhất định ta có thể phân loại nhựa theo nguồn gốc.
-Nhựa có nguồn gốc từ tự nhiên: nhựa cánh kiến, nhựa thông, nhựa côban
-Nhựa có nguồn gốc từ nhân tạo.
Đặc điểm của nhựa nhân tạo là cao phân tử trong đó có nhựa nhiệt cứng (kết
cấu không gian ) nhựa nhiệt dẻo kết cấu đường người ta còng có thể phân
loại nhựa theo độ tổn haocủa điện môi của các loại nhựa dùng trong KTĐ
