Khái niệm về vật liệu điện
Khái niệm
Vật liệu kỹ thuật điện (VLĐ) là những thành phần thiết yếu được sử dụng trong thiết bị điện, máy điện và khí cụ điện Chúng đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng, góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện.
Cấu tạo nguyên tử của vật liệu
Nguyên tử bao gồm một hạt nhân mang điện tích dương, xung quanh là các điện tử có điện tích âm chuyển động theo quỹ đạo xác định.
Mọi vật chất đều cấu tạo từ nguyên tử và phân tử Nguyên tử là phân tử cơ bản của vật chất
Hạt nhân được cấu tạo nên từ các hạt proton (P) mang điện tích dương và nơtron (N) không mang điện Số lượng
Trong trạng thái bình thường, nguyên tử có điện tích trung hoà Khi nguyên tử mất một electron, nó sẽ chuyển thành ion dương, trong khi nếu nhận thêm một electron, nó sẽ trở thành ion âm.
Năng lượng ion hóa Wi (eV) là mức năng lượng tối thiểu cần thiết để tách rời điện tử khỏi nguyên tử, biến chúng thành điện tử tự do.
Hình 1.1 Cấu tạo nguyên tử
Quá trình ion hóa là quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương bằng cách làm mất điện tử Khi điện tử nhận năng lượng, nó di chuyển lên mức năng lượng cao hơn; sau đó, khi trở về trạng thái ban đầu, năng lượng này được phát ra dưới dạng ánh sáng.
Cấu tạo phân tử
Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử
* Liên kết đồng hoá trị: Đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử của các nguyên tử trong phân tử
Ví dụ: Liên kết trong phân tử clo – Cl
+ Liên kết đồng hoá trị rất bền vững
* Liên kết ion: Được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và ion âm trong phân tử
Ví dụ: Cấu trúc của phân tử NaCl
Na + + Cl - = NaCl Liên kết ion khá bền vững
* Liên kết kim loại: Được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các điện tử tự do trong kim loại
* Liên kết Vandec - Vanx: Dạng liên kết yếu, có cấu trúc mạng tinh thể phân tử không bền vững
Ví dụ: Liên kết phân tử paraphin, nhựa đường, nhựa thông v.v
Như vậy: Cấu tạo phân tử là dựa trên 4 loại liên kết phân tử.
Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn
Sự phá huỷ các kết cấu đồng nhất trong vật rắn là hiện tượng tạo ra các khuyết tật, có thể xảy ra một cách ngẫu nhiên hoặc do cố ý trong quá trình chế tạo vật liệu.
Khuyết tật có thể do:
- Sự có mặt của tạp chất lạ
- Sự hình thành khe rãnh, lỗ xốp.
Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn
Các nguyên tử khác nhau có những trạng thái năng lượng (mức năng lượng) khác nhau tạo thành vùng các mức năng lượng (hình 1.2)
- Vùng năng lượng ở vị trí thấp nhất gọi là vùng hoá trị (1), được lấp đầy các điện tử hoá trị
- Vùng có mức năng lượng cao hơn gọi là vùng tự do (3) - Vùng dẫn chứa các điện tử tự do
- Vùng trung gian gọi là vùng cấm (2)
Khi nguyên tử hấp thụ năng lượng kích thích W, các điện tử hoá trị có khả năng vượt qua vùng cấm và chuyển lên vùng dẫn, dẫn đến việc tăng cường khả năng dẫn điện của vật chất.
Phân loại vật liệu điện
Phân loại theo khả năng dẫn điện
Dựa vào giản đồ năng lượng, vật liệu điện chia thành 3 loại (hình 1.3):
- Vật liệu cách điện (a): Vùng cấm có năng lượng lớn W = 1,5 đến vài eV
- Vật liệu bán dẫn (b): Vùng cấm có năng lượng trung bình W = 0,2 đến 1,5 eV
- Vật liệu dẫn điện (c): Vùng cấm có năng lượng nhỏ W < 0,2 eV a) VLCĐ b) VLBD c) VLDĐ
Hình 1.3 Phân loại vật liệu theo thuyết phân vùng năng lượng
H×nh 1.2 Các mức năng lượng trong vật rắn
Phân loại theo từ tính
Cách phân loại này chỉ áp dụng đối với kim loại Độ từ thẩm là khả năng nhận từ trường tác động từ bên ngoài
Vật liệu nghịch từ có độ từ thẩm nhỏ hơn 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài Các ví dụ điển hình bao gồm khí hydro (H2), các khí hiếm, nhiều hợp chất hữu cơ, muối mỏ, cùng với các kim loại như đồng (Cu), kẽm (Zn), bạc (Ag) và thủy ngân (Hg).
- Vật liệu thuận từ: Độ từ thẩm > 1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài VD: Sắt, Niken, Côban và các hợp kim của chúng.
Phân loại theo trạng thái vật thể
- Vật liệu dạng rắn: Xơ, sợi, kim loại rắn, thuỷ tinh
- Vật liệu dạng lỏng: Thủy ngân, dầu biến áp, dung dịch điện phân, nhựa lỏng
- Vật liệu dạng khí: Không khí, hơi kim loại
LIỆU CÁCH ĐIỆN
Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
Vật liệu cách điện (điện môi) là vật liệu trong đó tất cả các điện tích vi mô liên kết chặt chẽ, không thể dẫn điện được
VLCĐ được sử dụng để phân cách các phần mang điện với những phần khác, nhằm đảm bảo an toàn và điều hướng dòng điện theo một chiều nhất định, giảm thiểu tổn thất Điện trở suất của VLCĐ đạt giá trị lớn hơn 10^10 (Ω.cm).
- Theo trạng thái vật lý + Thể rắn: Nhựa, cao su, thuỷ tinh …
+ Thể lỏng: Dầu biến áp, dầu nặng … + Thể khí: Không khí, khí trơ …
- Theo thành phần hoá học: + VL hữu cơ: Vải, sơn, cao su …
+ VL vô cơ: Sứ, gốm, mi ca …
Theo tính chịu nhiệt, vật liệu được phân chia thành 7 cấp, trong đó cấp Y (t 0 = 90) bao gồm các vật liệu sợi gốc như xenlulô và tơ (bao gồm sợi vải, giấy, gỗ) chưa được ngâm tẩm trong chất cách điện lỏng.
+ Cấp A (t 0 = 105): Bao gồm các loại vật liệu hữu cơ như trên nhưng đã được tẩm bằng sơn hoặc ngâm trong chất cách điện lỏng
+ Cấp E (t 0 = 120): Gồm các chất dẻo có chất độn hữu cơ và chất liên kết nhiệt cứng
+ Cấp B (t 0 = 130): Gồm các vật liệu vô cơ như Mica, amiăng, vải sợi thuỷ tinh, được dẫn bằng những vật liệu hữu cơ
Cấp F (t 0 = 150) bao gồm micanít và các sản phẩm thuỷ tinh không có chất đệm hoặc có chất đệm vô cơ, được dán bằng chất có tính chịu nhiệt cao Trong khi đó, Cấp H (t 0 = 180) chứa các chất hữu cơ tương tự như Cấp F nhưng sử dụng chất silic hữu cơ có tính chịu nhiệt cao để dán và tẩm.
+ Cấp C (t 0 > 180): Bao gồm vật liệu thuần tuý vô cơ, không dán hoặc tẩm bằng vật liệu có thành phần hữu cơ
Ví dụ: Ôxyt nhôm, mica, thuỷ tinh, thạch anh, amiăng, micalếch, micanit chịu nhiệt (dán bằng chất vô cơ)
Tính chất chung của VLCĐ
1.2.1 Tính hút ẩm của vật liệu cách điện
Là khả năng hút hơi ẩm từ môi trường xung quanh vào vật liệu, được đặc chưng bởi độ hút ẩm tính bằng phần trăm V(%)
Trong đó: G0, Ga là trọng lượng của mẫu thử khi sấy khô và khi đã hút ẩm bão hoà (g)
Cần phải dùng các phương pháp tẩm, sấy cho VLCĐ để giảm mức độ hút ẩm và thấm ẩm cho vật liệu
1.2.2 Tính chất cơ học của vật liệu cách điện
Khả năng chịu đựng của vật liệu trước các tác động của tải trọng cơ học gây ra biến dạng được xác định bởi các giới hạn bền, bao gồm bền kéo, bền nén, bền uốn và bền xoắn.
Tính chất cơ học được xác định bằng các phương pháp thử kéo, nén, uốn, xoắn, va đập v.v
- Giới hạn bền kéo: k = Pk/S0
- Giới hạn bền nén: n = Pn/S0
- Giới hạn bền uốn: u = [Pu.l/(b.h 2 )].1,5
Trong đó : + k , n , u là các giới hạn bền (N/cm 2 hoặc MPa)
+ Pk, Pn, Pu là các lực kéo đứt, nén vỡ và uốn gẫy mẫu thử (N) + S0 là tiết diện ngang của mẫu thử (cm 2 )
+ l là khoảng cách giữa hai gối đỡ (thường là 100 cm) + b là chiều rộng mẫu thử (thường là 12 cm)
+ h là chiều cao của mẫu thử (cm)
1.2.3 Tính chất hoá học của vật liệu cách điện
Là khả năng của vật liệu:
- Không bị phân huỷ, thoát ra các sản phẩm phụ
- Không gây ăn mòn các kim loại tiếp xúc
- Không phản ứng với các chất khác nhau như khí, nước, axit, kiềm, dầu mỡ, dung dịch muối
Vật liệu này có khả năng chịu bức xạ năng lượng cao, đảm bảo rằng sau khi tiếp xúc với bức xạ, khả năng chịu nhiệt và tính cơ học vẫn được duy trì tốt, đồng thời các tính chất điện không bị suy giảm.
1.2.4 Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện của VLCĐ
* Hiện tượng đánh thủng điện môi
Trong điều kiện bình thường, vật liệu cách điện có điện trở cao, giúp cách ly các phần mang điện Tuy nhiên, khi tiếp xúc với môi trường có điện áp cao, các liên kết bên trong vật liệu có thể bị phá hủy, dẫn đến mất tính cách điện Hiện tượng này được gọi là hiện tượng đánh thủng của vật liệu cách điện.
Là điện áp đánh thủng tính trên cách điện có bề dầy một đơn vị
Ebđ = Uđt/d Trong đó: + Uđt là điện áp đánh thủng của VLCĐ (kV)
+ d là bề dầy của VLCĐ (mm)
+ Ebđ là độ bền điện (kV/mm)
Các yêu cầu đối với chất điện môi :
- Độ bền cách điện cao, điện áp đánh thủng Uđt lớn
- Dẫn nhiệt tốt, làm việc tốt ở nơi có độ ẩm cao
- Độ bám dính tốt, ít rạn nứt, rách thủng Như vậy, vừa đảm bảo tăng độ làm việc tin cậy vừa giảm kích thước của máy điện
Độ bền nhiệt của vật liệu cách điện là khả năng chịu đựng của chúng trước tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ, không bị phá hủy trong thời gian ngắn hay dài Đối với vật liệu cách điện vô cơ, độ bền nhiệt được xác định theo điểm bắt đầu biến đổi tính chất điện, trong khi đó, độ bền nhiệt của vật liệu cách điện hữu cơ thường được đo bằng điểm bắt đầu biến dạng cơ học kéo hoặc uốn Ngoài ra, đối với các điện môi khác, độ bền nhiệt cũng có thể được xác định dựa trên các đặc tính điện của chúng.
1.2.6 Tính chọn vật liệu cách điện
Khi cần chọn lựa vật liệu cách điện người ta căn cứ vào các tiêu chuẩn sau đây :
Độ cách điện của thiết bị phụ thuộc vào điện áp làm việc, do đó cần lựa chọn vật liệu có bề dày phù hợp để đảm bảo an toàn và tránh hiện tượng đánh thủng.
+ Độ bền cơ : Tùy thuộc vào điều kiện làm việc của thiết bị mà ta chọn vật liệu cách điện có độ bền cơ thích hợp
Độ bền nhiệt của vật liệu cách điện được xác định dựa trên khả năng chịu đựng nhiệt độ khi thiết bị hoạt động Do đó, việc lựa chọn vật liệu cách điện phù hợp với nhiệt độ cho phép là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ an toàn của thiết bị.
Các loại vật liệu cách điện dùng cho máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện có thể bị hư hỏng theo thời gian, dẫn đến một số dạng hư hỏng phổ biến.
Hư hỏng do diện xảy ra khi các thiết bị điện hoạt động vượt quá các trị số định mức như dòng điện và điện áp, dẫn đến việc giảm tuổi thọ hoặc bị đánh thủng của các vật liệu cách điện.
Hư hỏng do già hóa của vật liệu cách điện xảy ra khi các vật liệu này chịu tác động từ môi trường như nhiệt độ và độ ẩm Những yếu tố này làm giảm dần tính chất cách điện, khiến cho vật liệu dễ bị đánh thủng.
Hư hỏng do tác động từ bên ngoài có thể xảy ra với các vật liệu cách điện, đặc biệt là khi chúng chịu lực mạnh Ví dụ, lớp cách điện trên dây điện có đường kính lớn có thể bị bong tróc nếu bị uốn cong với bán kính nhỏ Ngoài ra, việc thao tác không cẩn thận cũng có thể gây trầy xước lớp cách điện, dẫn đến nguy cơ hư hỏng.
Hư hỏng do mài mòn giữa các bộ phận xảy ra khi các chi tiết tiếp xúc và chuyển động tương đối với nhau, dẫn đến sự mài mòn và hư hỏng.
Một số vật liệu cách điện thông dụng
Loại không tẩm chịu ẩm kém, chịu nhiệt thấp
Sợi ngâm Cotopa có khả năng chịu ẩm gấp đôi, đồng thời sở hữu tính cách điện và chịu nhiệt vượt trội Loại sợi này thường được sử dụng để cách điện cho cuộn dây của máy biến thế và máy phát điện.
* Sợi Nylon: Chịu được axit và bazơ, chịu nhiệt tốt Cơ tính bền, chịu ma sát Dùng cho cáp điện
* Sợi thuỷ tinh: Là sợi mảnh được bện thành dây hoặc dệt thành băng
Chịu nhiệt cao và có độ bền cơ, điện tốt, nhựa cách điện được gắn với bề mặt cần cách điện, phù hợp cho những vị trí có nhiệt độ làm việc cao.
Vải được sản xuất từ sợi bông tự nhiên hoặc vật liệu tổng hợp, được chế tạo thành băng hoặc tấm Những loại vải này thường được sơn tẩm để nâng cao khả năng cách điện, phù hợp cho việc sử dụng trong các thiết bị có dòng điện lớn.
Xenlulô là thành phần chính được chế tạo dưới dạng tấm hoặc cuộn với nhiều kích thước khác nhau Với ưu điểm chi phí thấp, độ bền cơ và độ dẻo cao, xenlulô được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực kỹ thuật điện Tuy nhiên, nó có nhược điểm là độ bền điện và dẫn nhiệt không cao, cùng với tính hút ẩm mạnh.
* Giấy cáp: Dùng làm cách điện của cáp điện lực có cường độ điện trường thấp Các loại cáp có mã hiệu: K-100; KM-120; KB-170; KBMY-240
* Giấy quấn: Có ký hiệu EH-50; EH-70 Được chế tạo thành cuộn dùng để quấn lên các cuộn dây của máy điện hoặc sản xuất trụ, ống cách điện
* Giấy tụ điện: Có bề dầy từ 0,004 0,03mm Dùng để cách điện cho tụ điện giấy hoặc tụ điện giấy dầu
Loại dùng ngoài không khí cứng và đàn hồi, dùng để lót vào rãnh của máy điện, làm lõi cuộn dây, các vòng đệm
Loại dùng trong dầu xốp và mềm hơn, có tính tẩm dầu tốt, dùng chủ yếu trong dầu máy biến áp
Phíp là loại vật liệu được làm từ giấy không dính, với thành phần sợi bông và xenlulô lên đến 50% Sản phẩm này được sản xuất dưới dạng tấm với độ dày từ 0,6 đến 20mm, có độ bền cơ học cao và khả năng gia công tốt như khoan, bào, tiện Với độ bền điện và điện trở suất nhỏ, phíp chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị điện hạ thế.
* Đặc tính: Là loại khoáng chất có cấu trúc xơ nhỏ Tính chịu axit kém, độ háo nước cao Được ứng dụng ở dạng xơ, sợi
* Công dụng: Chế tạo sợi, băng, giấy bìa cách điện và các sản phẩm cách điện khác như xi măng amiăng, chất dẻo amiăng,
Xi măng amiăng là một loại vật liệu dẻo được ép nguội, được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật điện Thành phần chính của nó bao gồm các chất vô cơ, trong đó amiăng đóng vai trò là chất độn và xi măng là chất kết dính.
1.3.5 Vải sơn và băng cách điện
Vải sơn là loại vải được làm từ bông, lụa hoặc thủy tinh có tẩm sơn, nổi bật với độ đàn hồi và mềm mại, thường được sử dụng làm cách điện cho các máy điện có điện áp thấp Độ bền điện của vải sơn, đặc biệt là băng sợi bông, đạt khoảng 35-50 kV/mm Sản phẩm này thường được sản xuất dưới dạng cuộn với chiều rộng từ 700 đến 1000mm và độ dày từ 0,15 đến 0,24mm.
Băng cách điện được sản xuất từ vải bông và vải thủy tinh, trong khi băng tẩm cao su là loại vải mịn được tẩm cao su Chúng thường được cuộn tròn và sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện hạ thế.
Chất dẻo là vật liệu phổ biến trong kỹ thuật và đời sống, nổi bật với khả năng nhận hình dạng cố định khi chịu áp lực Trong ngành kỹ thuật, chất dẻo thường được sử dụng để chế tạo vật liệu cách điện và các kết cấu khác nhau.
- Cáp rôn: vật liệu có tính chịu hồ quang cao được dùng chế tạo làm khung cuộn dây, màng và sợi cách điện
- Cáp san: vật liệu trong suốt theo dạng màng cách điện thường dùng để cách điện rãnh máy điện hạ áp và trong tụ điện
* Đặc điểm: Nhựa có trạng thái trung gian giữa VLCĐ thể lỏng và VLCĐ thể rắn
- Theo nguồn gốc: Nhựa thiên nhiên và nhựa tổng hợp
- Theo tính chất: Nhựa nhiệt cứng và nhựa nhiệt mềm
Nhựa thông được chiết xuất từ dầu thông, có đặc tính ròn cao và chịu nhiệt thấp, với độ bền điện từ 10 đến 15 kV/mm Nó có khả năng hòa tan trong dầu mỏ, được sử dụng để ngâm tẩm cáp điện hoặc làm chất tẩy rửa cho bề mặt vật liệu hàn.
Cánh kiến là loại nhựa do một số côn trùng tiết ra, có màu vàng nhạt hoặc nâu, đặc trưng bởi độ giòn, dễ mềm dẻo và nóng chảy, cũng như khả năng hòa tan trong rượu và cồn Với độ bền điện từ 20 - 30 kV/mm, cánh kiến thường được sử dụng dưới dạng sơn dán cho các tấm mica hoặc các sản phẩm khác.
Nhựa đường là một loại vật liệu tồn tại tự nhiên dưới dạng khoáng sản hoặc được thu được qua quá trình chưng cất dầu mỏ Nó có màu đen hoặc sẫm, không tan trong rượu và nước, với độ bền điện từ dao động từ 10 đến 25 kV/mm Nhựa đường thường được sử dụng trong sản xuất sơn, hợp chất cách điện, chống gỉ, và đổ vào các đầu cáp điện áp cao Ngoài ra, còn có nhựa tổng hợp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Nhựa Bakêlít là loại nhựa nhiệt cứng nổi bật với tính cách điện tốt, độ bền cơ học cao và khả năng co giãn thấp Loại nhựa này thường được sử dụng trong việc chế tạo các sản phẩm như chất dẻo ép lớp, tẩm gỗ và nhiều vật liệu khác Bột nhựa kết hợp với các chất độn như mạt cưa, giấy, giẻ vụn và sợi thuỷ tinh được ép thành các sản phẩm như khung, cuộn dây, hộp và vỏ cách điện.
Nhựa êpôxi là một loại chất lỏng nhớt có khả năng hòa tan trong axeton và các dung môi phù hợp khác Khi đóng rắn, nhựa này có độ co ngót thấp và lực bán dính cao, đồng thời chịu nhiệt tốt Nhựa êpôxi được sử dụng rộng rãi trong sản xuất keo dán, sơn, hợp chất rót cho máy biến áp nhỏ, các đầu nối thiết bị và hộp nối đầu cáp điện lực.
- Nhựa PE (polietylen): Đặc tính cơ tốt, màu trắng hoặc xám sáng, không hoà tan trong dung môi, chịu được axit và kiềm Nhiệt độ làm việc cho phép 55
Chất liệu có khả năng chịu nhiệt lên đến 65 độ C và độ bền điện từ 15 đến 20 kV/mm, được sử dụng để cách điện cho cáp tần số cao và cáp điện lực với điện áp cao trong môi trường ẩm Với khả năng bền vững dưới ánh sáng mặt trời, chất liệu này thích hợp để chế tạo các chi tiết cách điện rắn cũng như cách điện cho dây dẫn và dây súp mềm.
VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn điện
2.1.1 Khái niệm về vật liệu dẫn điện a Định nghĩa
Vật liệu dẫn điện là những chất có điện tích tự do trong trạng thái bình thường Khi chúng được đặt trong điện trường, các điện tích này sẽ di chuyển theo hướng của trường, tạo thành dòng điện.
Vật liệu dẫn điện có thể là chất rắn, chất lỏng, trong một số trường hợp có thể là chất khí b Phân loại
Vật liệu dẫn điện được chia làm 2 loại:
- Vật dẫn kim loại (VDKL): Là vật dẫn có tính dẫn điện tử
Ví dụ: Kim loại, hợp kim có điện dẫn suất lớn hoặc điện trở suất lớn
- Vật dẫn điện phân (VDĐP): Là vật dẫn có tính dẫn ion
Ví dụ: Các dung dịch axit, kiềm, muối
Trong đó vật liệu kim loại là vật liệu dẫn điện chính được sử dụng trong kỹ thuật điện
2.1.2 Tính chất của vật liệu dẫn điện a Điện trở suất () - Điện dẫn suất ():
Trong đó: R - Điện trở của vật dẫn (Ôm - )
G - Điện dẫn của vật dẫn (Simen - S) l - Chiều dài vật dẫn (m)
S - Tiết diện của vật dẫn (mm 2 ) b Nhiệt dẫn xuất - (kcal/m.s 0 C):
Nhiệt lượng Q (cal) là lượng nhiệt tỏa ra trong một khoảng thời gian nhất định, qua một tiết diện vuông góc với hướng tỏa nhiệt của vật dẫn đồng nhất và đẳng hướng, trên một đơn vị khoảng cách khi có sự chênh lệch nhiệt độ bằng 1 độ C Điểm nóng chảy được ký hiệu là t nc (°C).
Là giá trị nhiệt độ tại đó vật liệu bắt đầu chuyển trạng thái từ rắn sang lỏng d Nhiệt lượng riêng - q(kcal/kg 0 C):
Là nhiệt lượng cần thiết cho một đơn vị khối lượng của vật dẫn để nâng nhiệt độ lên 1 0 C
Ngoài ra còn có sức bền đứt khi kéo, độ cứng Brinell, độ dãn dài tương đối,
2.1.3 Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu a.Nhiệt độ Điện trở suất của kim loại và rất nhiều hợp kim thông thường tăng theo nhiệt độ theo quy định sau: ρ t2 = ρt1 [ 1+ α (t2 - t1) ]
Trong đó: α là hệ số thay đổi điện trở suất của kim loại theo nhiệ độ ứng với khoảng nhiệt độ (t 2 - t 1 )
Khi nhiệt độ tăng làm nóng chảy kim loại thì phần lớn các kim loại có điện trở suất tăng b.Áp suất
Khi kim loại trải qua quá trình nén hoặc kéo, điện trở suất của nó sẽ thay đổi theo công thức ρ = ρ0 (1±kδ), trong đó δ đại diện cho giới hạn bền của kim loại (N/cm²) và k là hệ số thể hiện sự thay đổi của điện trở suất theo áp suất.
Dấu (+) ứng với khi biến dạng nén, dấu( – )do nén
2.1.4 Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt động a Hiệu điện thế tiếp xúc
Khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc, chúng sẽ tạo ra một hiệu điện thế gọi là hiệu điện thế tiếp xúc hay thế điện hóa.
Hiệu điện thế tiếp xúc là yếu tố quan trọng trong hiện tượng ăn mòn điện hóa và có ứng dụng trong nhiều thiết bị đo lường Sức nhiệt động cũng là một khía cạnh đáng chú ý trong nghiên cứu này.
Khi hai kim loại nguyên chất khác nhau tiếp xúc, sẽ phát sinh một suất điện động (sđđ) tiếp xúc, phụ thuộc vào bản chất của các kim loại Nếu hai đầu của dây kim loại được dính chặt và nung nóng, giữa hai đầu kia sẽ xuất hiện một suất điện động duy trì ở nhiệt độ thấp và không đổi, tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai tiếp điểm, được gọi là sức nhiệt động.
E = E0.(θ1 - θ2)(V) là công thức mô tả suất điện động giữa hai tiếp điểm khi có sự chênh lệch nhiệt độ 10°C Trong đó, E0 (V) đại diện cho sức nhiệt động riêng, phụ thuộc vào bản chất của hai kim loại tiếp xúc.
1 và 2 là nhiệt độ của hai tiếp điểm ( 0 C)
Dựa vào tính chất này, người ta có thể chế tạo các cặp nhiệt ngẫu.
Tính chất chung của kim loại và hợp kim
2.2.1 Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim
Để xây dựng và phát triển một nền kinh tế quốc dân vững mạnh, việc phát triển các ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp Điện, đóng vai trò mũi nhọn là rất quan trọng.
- Để chế tạo được các máy móc thiết bị điện phải có vật liệu, trong đó kim loại và hợp kim là vật liệu chủ yếu
Kim loại và hợp kim là vật liệu chủ yếu được sử dụng trong dẫn điện và kết cấu nhờ vào những đặc tính vượt trội như tính đa dạng, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, độ bền cơ học cao, cùng với khả năng gia công dễ dàng.
Ngành công nghiệp vật liệu hiện nay đang phát triển mạnh mẽ với sự đa dạng về các loại vật liệu có tính năng cải tiến và sản lượng tăng cao Tuy nhiên, kim loại và hợp kim vẫn giữ vai trò không thể thay thế trong việc chế tạo vật liệu dẫn điện.
2.2.2 Các tính chất của vật liệu kim loại a Tính chất vật lý
Vật liệu kim loại là dạng chất rắn có ánh kim, nổi bật với khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt Chúng có tính giãn dài và độ đàn hồi cao, cùng với nhiệt độ nóng chảy thường rất cao, giúp chúng chịu nhiệt tốt và không bị phá hủy cấu trúc khi nguội.
Hầu hết các vật liệu kim loại không ferrous (VLKL) được sử dụng làm vật dẫn đều có khả năng chống oxy hóa tốt và bền nhiệt cao Một số loại vật liệu còn được trang bị lớp oxit mỏng bên ngoài, giúp bảo vệ chắc chắn cho phần bên trong.
Khả năng chống ăn mòn do hơi ẩm, nước, bazơ, muối và axit của vật liệu kim loại tương đối tốt c Tính chất cơ học.
Những hư hỏng thường gặp và cách chọn vật liệu dẫn điện
2.3.1 Những hư hỏng thường gặp
Các vật liệu dẫn điện, chủ yếu là kim loại và hợp kim, được sử dụng trong chế tạo các bộ phận điện của máy móc và thiết bị điện Tuy nhiên, sau một thời gian sử dụng, chúng thường gặp phải tình trạng hư hỏng, trong đó ăn mòn kim loại là một dạng hư hỏng phổ biến.
Là một quá trình phá hủy kim loại, hợp kim dưới nhiều hình thức hóa học và điện hóa do tác dụng của môi trường xung quanh
Sự ăn mòn là hiện tượng phổ biến xảy ra dưới nhiều hình thức khác nhau Sắt thép không được bảo vệ sẽ bị rỉ sét sau thời gian dài, trong khi đồng để trong môi trường ẩm hoặc có tính axit sẽ hình thành lớp rỉ màu xanh lục.
Môi trường xung quanh như không khí ẩm, nước, nước biển, axit và kiềm có tác dụng ăn mòn kim loại, đặc biệt là ở nhiệt độ cao Sự ăn mòn kim loại diễn ra dưới hai hình thức chính, phụ thuộc vào tác động của các yếu tố môi trường.
+ Ăn mòn hóa học b Hư hỏng do điện
Các loại máy điện, thiết bị điện, khí cụ điện và vật dẫn điện có thể gặp sự cố khi làm việc với các đại lượng như dòng điện, điện áp và công suất vượt quá trị số định mức.
Quá điện áp xảy ra khi điện áp vượt quá trị số định mức, chẳng hạn như trong trường hợp do sét Hiện tượng này làm tăng điện trường trong vật liệu cách điện, dẫn đến phóng điện và gây hư hỏng cách điện, từ đó có thể gây ra hiện tượng ngắn mạch Ngoài ra, hư hỏng do quá trình già hóa của kim loại cũng là một vấn đề cần lưu ý.
Tính già hóa của kim loại là sự thay đổi theo thời gian của các tính chất kim loại hoặc hợp kim Ở nhiệt độ môi trường bình thường, tính già hóa xảy ra tự nhiên sau một thời gian dài, trong khi ở nhiệt độ cao, quá trình này diễn ra nhanh hơn, được gọi là tính già hóa nhân tạo Ngoài ra, hư hỏng do sự mài mòn giữa các bộ phận cũng là một vấn đề cần lưu ý.
Trong quá trình làm việc nếu các bộ phận tiếp xúc luôn có sự chuyển động tương đối với nhau thì sẽ bị mài mòn dẫn đến hư hỏng
2.3.2 Cách chọn vật liệu dẫn điện
Khi chọn vật liệu dẫn điện, cần đảm bảo các yêu cầu về tính chất lý và hóa phù hợp với mục đích sử dụng Thông thường, vật liệu phải đáp ứng các tiêu chí như độ dẫn điện cao, khả năng chống ăn mòn, và độ bền cơ học để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy trong ứng dụng.
- Độ dẫn điện phải tốt
- Có sức bền cơ khí đảm bảo được điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt
- Có khả năng kết hợp được với các kim loại khác thành hợp kim
- Phải đảm bảo được tính chất lý học như: tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở nhiệt
- Đảm bảo được tính chất hóa học như: chống ăn mòn do tác dụng của môi trường và các dung môi gây ra
- Đảm bảo được các tính chất cơ học.
Một số vật liệu dẫn điện thông dụng
2.4.1 Đồng và hợp kim đồng a Đồng (Cu)
- Đồng là kim loại mềm, màu đỏ nhạt sáng rực, tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt
Đồng có độ bền cao trong môi trường ẩm, nhưng khi bị oxy hóa, điện trở bề mặt của nó sẽ tăng lên Ngoài ra, đồng cũng dễ bị ăn mòn trong axit hoặc khi tiếp xúc với lưu huỳnh ở nhiệt độ cao.
- Sức bền cơ tương đối cao và có khả năng đề kháng tốt khi thời tiết xấu
- Dễ dát mỏng, kéo sợi
- Gia công nguội bị biến cứng nhưng cường độ chịu lực lớn
- Có khả năng hàn gắn nhưng không tôi được
Bảng 3-1: Giới thiệu một số đặc tính điển hình của đồng Đặc tính Đồng cứng Đồng mềm
Trọng lượng riêng (KG/dm 3 ) 8,9 8,9 Điện trở suất (.mm 2 /m) 0,01786 0,01748
Nhiệt độ nóng chảy ( 0 C) 1083 1083 Độ dãn dài khi kéo đứt (%) 4 45
Sức bền đứt khi kéo (KG/mm 2 ) 45 21 Độ cứng Brinell (KG/mm 2 ) 95 35
* Phân loại và ứng dụng: Đồng tinh chế được phân loại trên cơ sở tạp chất lẫn trong đồng (đồng tinh khiết và không tinh khiết)
- Đồng điện phân đặc biệt - M00: Là loại đồng có 99,99% đồng nguyên chất
Đồng điện phân thường có các loại M0 (CuE) với 99,95% đồng, M1 (Cu9) 99,9% đồng, M2 (Cu5) 99,5% đồng, và M3 (Cu0) 99% đồng Đồng được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện để sản xuất dây quấn điện từ, lõi cáp và thanh góp Ngoài ra, đồng cũng được chế tạo thành các bán thành phẩm như thanh tròn, chữ nhật, vuông, sáu cạnh, tấm, ống, băng dẹt, lá và sợi Hợp kim đồng cũng là một phần quan trọng trong ngành công nghiệp này.
- Là hợp kim trong đó vật liệu đồng là thành phần cơ bản
- Sức bền cơ khí lớn, độ cứng cao, độ dai tốt, màu đẹp và dễ nóng chảy
- Có thể đúc thành các hình dạng phức tạp, dễ gia công trên máy công cụ và phủ lên bề mặt kim loại khác bằng phương pháp mạ điện
* Phân loại và ứng dụng:
Hợp kim đồng là sự kết hợp của đồng với các kim loại như thiếc (Sn), chì (Pb), nhôm (Al), cadimi (Cd) và niken (Ni), nhằm tăng cường độ cứng, sức bền và khả năng nóng chảy dễ dàng hơn.
Đồng thanh được sử dụng để chế tạo các chi tiết và bộ phận trong máy điện và khí cụ điện, bao gồm các chi tiết nối dây dẫn, giữ dây, đai ốc, ốc vít cho hệ thống nối đất Ngoài ra, đồng thanh còn được dùng để chế tạo vành góp, cổ góp điện, giá đỡ chổi than và khung tiếp điểm Bên cạnh đó, nó cũng được ứng dụng trong việc chế tạo các dây dẫn viễn thông, đường dây trên không và dây dẫn tải điện cho các phương tiện chạy bằng điện.
- Là hợp kim của đồng với kẽm (Zn) (có thể đạt tới 46%), ngoài ra còn có thêm các nguyên tố tạp chất khác
Đồng thau là vật liệu lý tưởng cho việc đúc, cán nóng và hàn gắn, thường được sử dụng trong sản xuất các chi tiết dẫn điện Nó được chế tạo thành các đầu cực cho bảng phân phối, đầu nối hệ thống tiếp đất, cũng như các đế gắn cầu chì, đế đèn và đui đèn Ngoài ra, đồng thau còn được gia công thành vít và đai ốc, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong ngành điện.
2.4.2 Nhôm và hợp kim nhôm a Nhôm (Al)
- Nhôm là kim loại màu trắng bạc, dẫn điện dẫn nhiệt tốt
- Dễ dát mỏng, gia công dễ dàng khi nóng và nguội, dễ kéo sợi
- Sức bền cơ học kém
- ôxy hoá bề mặt làm tăng tính chống ăn mòn bởi không khí nhưng gây khó khăn cho viện hàn gắn
Bảng 3-2: Các đặc tính của nhôm Đặc tính Nhôm
Trọng lượng riêng (KG/dm 3 ) 2,7 Điện trở suất (.mm 2 /m) 0,02941 Nhiệt dẫn suất (kcal/m.s 0 C)
Nhiệt độ nóng chảy ( 0 C) 657 Độ dãn dài khi kéo đứt (%) Sức bền đứt khi kéo (KG/mm 2 ) 9-17 Độ cứng Brinell (KG/mm 2 )
- Dùng làm dây dẫn điện của đường dây truyền tải điện
- Dùng làm cáp điện, dây quấn máy biến áp, ống nối, các thanh góp và các chi tiết cho các thiết bị điện
- Chế tạo các điện cực cho tụ điện phân Làm thanh dẫn của rôto máy điện không đồng bộ Dùng để chế tạo hợp kim b Hợp kim nhôm
- Là hợp kim của nhôm và một số kim loại khác
- Điện dẫn suất thấp hơn nhưng cơ tính và hoá tính tốt hơn
- Chế tạo dây dẫn có khả năng dẫn điện tốt, sức bền cao hơn gấp hai lần so với nhôm nguyên chất
- Chế tạo các chi tiết trong máy điện, thiết bị điện, dụng cụ đo điện, yêu cầu nhẹ, tản nhiệt tốt, dễ gia công áp lực và dễ đúc
- Chế tạo điện trở nhiệt trong thiết bị điện gia dụng
2.4.3 Chì và hợp kim chì a Chì ( Pb)
Là kim loại có màu tro sáng hơi ngả xanh da trời, là kim loại công nghiệp rất mềm, có thể uốn cong dễ dàng
Là kim loại dễ dát mỏng, có thể được dát và kéo thành những lá mỏng Chì dễ chảy lỏng (327,3°C)
Sự bay hơi của chì rất độc b Hợp kim chì:
Hợp kim chì kết hợp với các nguyên tố như Sb, Te, Cu và Sn tạo ra cấu trúc mịn hơn khi chứa hàm lượng nhỏ, giúp tăng khả năng chịu rung động, nhưng lại kém bền với sự ăn mòn.
- Chì và hợp kim chì được dùng để làm lớp vỏ bảo vệ cáp điện nhằm chống lại ẩm ướt
- Chì còn được dùng chế tạo ắc quy điện có các tấm bản chì
- Một ứng ứng dụng quan trọng của chì là tham gia vào các hợp kim
Tấm chì được sử dụng làm vật liệu bảo vệ hiệu quả chống lại tia X, với độ dày tiêu chuẩn từ 4 đến 9 mm, tương đương với khả năng bảo vệ của tấm thép dày 11,5 mm hoặc lớp gạch dày 110 mm.
- Là kim loại rẻ tiền và dễ kiếm;
- Điện trở suất cao, khi dùng dẫn dòng xoay chiều thì xảy ra hiện tợng hiệu ứng bề mặt và tổn thất từ trễ;
- Khả Năng chống ăn mòn kém, bị ăn mòn mạnh khi độ ẩm và nhiệt độ cao
- Làm dây dẫn đường dây tải điện trên không công suất nhỏ
- Chế tạo thanh dẫn, đường ray tàu điện;
- Chế tạo lõi thép của dây nhôm thép, dây lưỡng kim
- Dùng làm vật liệu từ
Là vật liệu chủ yếu làm dây tóc của bóng đèn
- Nhiệt độ nóng chảy: 3380°C ( cao nhất trong các kim loại)
- Là kim loại rắn, rất nặng, có màu xám Vonfram được dùng làm tiếp điểm, làm các điện trở phát nóng cho các lò điện
- Độ mài mòn nhỏ do vật liệu có độ cứng cao
- Có khả năng chống tác dụng của hồ quang, không làm dính tiếp điểm do khó nóng chảy
- Độ ăn mòn bề mặt nhỏ
- Cần có áp lực lớn để giảm điện trở tiếp xúc
- Ở điều kiện khí quyển tạo thành màng oxit
2.4.6 Kim loại dùng làm tiếp điểm và cổ góp a Tính chất chung:
Mặc dù các tiếp điểm có nhiều tính chất khác nhau nhưng vẫn phải có một số tính chất chung:
- Đảm bảo độ bền, dẫn điện tốt
- Dẫn nhiệt tốt, ít bị oxi hoá
- Ít bị ăn mòn khi gặp các điều kiện bên ngoài
- Có nhiệt độ nóng chảy, hoá hơi cao
- Giá thành hạ, gia công dễ dàng
- Có điện trở suất lớn b Điều kiện riêng:
* Tiếp điểm cố định: Mối nối, bulông, ốc vít ghép
Các vật liệu phổ biến trong ngành điện bao gồm đồng, nhôm, thép và kẽm Đồng và hợp kim đồng thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp thấp và trong điều kiện làm việc thông thường Để tăng cường khả năng chống ăn mòn, các tiếp điểm thường được mạ niken, tẩm thiếc hoặc bọc bạc.
Nhôm có điện trở suất lớn và sức bền cơ thấp nên không dùng ở nơi có dòng ngắt mạch lớn
- Yêu cầu: Đảm bảo độ bền ứng với các lực ép khác nhau Có giá trị điện trở ổn định theo thời gian
* Tiếp điểm di động (tiếp điểm cắt): Rơle, Cầu dao, Contactor
Vật liệu thường được sử dụng trong chế tạo tiếp điểm quan trọng bao gồm Platin, Palađi, Rôđi, Wonfram, Môlipđen và Đồng Platin, Palađi và Rôđi nổi bật với độ cứng và nhiệt độ nóng chảy cao, cùng với khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, giúp đảm bảo độ chính xác lớn ở dòng điện nhỏ.
Wolfram là một kim loại bền với hồ quang điện, sở hữu nhiệt độ nóng chảy và độ cứng cao, giúp tăng cường khả năng chống mài mòn cơ khí Tiếp điểm wolfram không bị hàn dính trong quá trình hoạt động và có tuổi thọ dài, vì vậy thường được sử dụng ở những ứng dụng yêu cầu áp lực lớn.
Môlipđen thường được dùng làm tiếp điểm trong chân không hoặc trong khí trơ để bảo vệ
- Yêu cầu: Bền cơ học, không bị oxi hoá, bền với hồ quang, không bị hàn chặt
* Tiếp điểm trượt: ở cổ góp điện, các vành trượt trên máy điện
Vật liệu phổ biến trong ngành điện bao gồm đồng, hợp kim đồng, nhôm và các bon điện graphit Đồng và hợp kim đồng thường được sử dụng để chế tạo vành, cổ góp máy điện, tiếp điểm của máy cắt và dao cách ly.
Nhôm được chế tạo các chi tiết tiếp xúc ở cần lấy điện của các phương tiện vận tải bằng điện
Graphít đồng dùng chế tạo cổ góp máy phát và động cơ điện một chiều
- Yêu cầu: Chống được sự ăn mòn của hồ quang Chịu được sự mài mòn của ma sát
Để chế tạo tiếp điểm có công suất cắt lớn, người ta sử dụng vật liệu kim loại gốm được tạo thành từ hỗn hợp kim loại với đặc tính điện dẫn suất cao.
32 một loại có sức bền cơ khí lớn Những vật liệu tổng hợp hay dùng là Bạc - Wonfram, Bạc - Môlipđen
2.4.7 Hợp kim có điện trở cao và chịu nhiệt
Hợp kim này cần có điện trở suất lớn và hệ số nhiệt điện trở nhỏ, đồng thời phải chịu được nhiệt độ cao, dễ chế tạo thành dạng sợi mảnh và có chi phí thấp Phân loại hợp kim này rất quan trọng để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.
Điện trở mẫu được chế tạo từ các vật liệu chính xác, đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật đo lường và các linh kiện điện tử Đặc điểm nổi bật của chúng là khả năng ổn định, không bị thay đổi theo nhiệt độ, thời gian hay dòng điện.
Vật liệu sử dụng để chế tạo điện trở khởi động cần phải được kết nối với phần Rôto của động cơ Những vật liệu này phải đảm bảo độ bền cao, có khả năng chịu đựng lực điện động lớn và khả năng chống lại sự ăn mòn để đáp ứng yêu cầu khởi động cho các động cơ.
LIỆU DẪN TỪ
Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn từ
Vật liệu từ tính được hình thành do sự chuyển động liên tục của các điện tích, tạo ra các dòng điện vòng Cụ thể, điều này liên quan đến sự quay của các điện tử quanh trục của chúng (spin điện tử) và sự chuyển động theo quỹ đạo của các điện tử trong nguyên tử.
Hiện tượng sắt từ chỉ xảy ra ở một số vật liệu như sắt, niken, coban và các hợp kim của chúng, trong đó tồn tại các vùng vĩ mô với các điện tử quay.
(spin điện tử) định hướng song song với nhau Các vùng ấy gọi là Đô men từ 3.1.2 Tính chất vật liệu dẫn từ
- Chất sắt từ có độ nhiễm từ tự phát ngay khi không có từ trường ngoài
- Những chất sắt từ mà mô men từ của các Đô men từ có hướng khác nhau thì từ thông ở không gian bên ngoài vật liệu bằng không
- Các chất sắt từ đơn tinh thể có khả năng từ hoá theo các trục khác nhau, mức độ từ hoá khó hay dễ cũng khác nhau
- Các chất sắt từ đa tinh thể có khả năng từ hoá dị hướng thể hiện rất rõ được gọi là chất có cấu tạo thớ từ tính
- Chất sắt từ sẽ bị từ hoá khi đặt trong từ trường Quá trình từ hoá diễn ra bằng 2 cách:
+ Tăng thể tích các đô men có mô men từ tạo với hướng từ trường góc nhỏ nhất và giảm thể tích các đô men khác
+ Quay các véc tơ mô men từ hoá theo hướng từ trường ngoài
3.1.3.Các đặc tính của vật liệu dẫn từ
Các nguyên tố có tính chất sắt từ bao gồm sắt cacbon, niken và các hợp kim của chúng, trong khi coban cũng được xem là chất sắt từ Từ tính của vật liệu chủ yếu do các điện tích chuyển động theo quỹ đạo kín, tạo ra dòng điện vòng, bao gồm sự quay của các điện tử quanh trục và sự chuyển động theo quỹ đạo của chúng trong nguyên tử.
Hiện tượng sắt từ xảy ra khi một số vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn một ngưỡng nhất định được phân chia thành các vùng, trong đó các electron trong từng vùng đều có hướng song song với nhau.
Như vậy tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ của các chất là nó có độ nhiễm từ tự phát ngay khi không có từ trường ngoài
Là đường đặc tính biểu diễn mối quan hệ B = f(H)
Quá trình từ hoá được đặc trưng bởi đường cong từ hoá hình 4.1
Hình 4.1: Đường cong từ hóa
Luyện từ cho sắt từ bằng cách tăng dần dòng điện gây từ (do đó tăng cường độ từ trường khác)
Cường độ từ cảm B ban đầu tỷ lệ thuận với cường độ từ trường H, thể hiện qua mối quan hệ B = f(H) là một đường thẳng trong đoạn OA Ở giai đoạn này, độ từ thẩm giữ giá trị không đổi Tuy nhiên, khi B bắt đầu tăng chậm lại theo H, chúng ta bước vào giai đoạn bão hòa từ (đoạn AB), lúc này độ từ thẩm giảm dần.
- Khi H đã đủ lớn, B tăng rất chậm, ta có giai đoạn bão hoà thực sự, đường cong B = f(H) gần như nằm ngang
Khi sắt từ đạt đến giai đoạn bão hòa, việc giảm từ trường H sẽ dẫn đến sự giảm của từ thông B Ban đầu, B giảm chậm, nhưng sau đó tốc độ giảm tăng lên, thể hiện qua đoạn BC Điều thú vị là tại cùng một giá trị H, B có thể có hai giá trị khác nhau, với giá trị B khi giảm lớn hơn so với khi tăng, hiện tượng này được gọi là từ trễ Khi H giảm về 0, B vẫn duy trì một giá trị nhất định, được gọi là từ dư Bdư, thể hiện qua đoạn 0C.
- Để khử từ dư, ta đổi chiều H và tăng dần trị số về phía âm cho đến khi
B = 0, ta có giá trị tương ứng của H gọi là từ trường khử từ Hc (đoạn 0D)
Khi tiếp tục tăng H từ Hc đến giai đoạn bão hòa từ thực sự về phía âm, ta nhận được đoạn DE Điểm E tương ứng với điểm bão hòa từ về phía âm có cường độ từ trường bão hòa -BB.
- Ta giảm HB về 0, B giảm từ giá trị -BB về giá trị Bdư (nhánh EF)
Khi đổi chiều H và tiếp tục tăng qua trị số khử từ Hc cũng như trị số bão hòa HB (đoạn FGB), ta sẽ thu được một đường cong khép kín BCDEFGB, được gọi là chu trình từ hóa hay chu trình từ trễ Diện tích của chu trình từ trễ này được gọi là mắt từ trễ.
Hình 4.2: Chu trình từ hóa vật liệu sắt từ
Trong chu trình từ trễ, có hai điểm quan trọng cần lưu ý: Điểm 1 với H = 0 và B = B0, và Điểm 2 với B = 0 và H = HC Khi vật liệu sắt từ được từ hóa dưới tác động của từ trường xoay chiều, tổn hao do từ hóa bao gồm hai thành phần chính: tổn hao do từ trễ và tổn hao do dòng điện xoáy.
Mạch từ và tính toán mạch từ
Mạch từ bao gồm lõi sắt từ, có thể có hoặc không có khe không khí, với từ thông được đóng kín qua chúng Việc sử dụng vật liệu sắt từ giúp tối ưu hóa từ trở, đảm bảo sức từ động cần thiết để đạt được cảm ứng từ hoặc từ thông mong muốn ở mức tối thiểu Để tính toán mạch từ, cần xác định sức từ động dựa trên các giá trị từ thông đã cho, kích thước của mạch và bản chất của vật liệu sử dụng.
3.2.1 Các công thức cơ bản
Khi tính toán mạch từ, chúng ta có thể áp dụng các định luật cơ bản của mạch điện do sự tương tự giữa chúng Định luật Kirchhoff 1 cho biết, tại bất kỳ nút nào trong mạch từ, tổng từ thông vào và ra bằng không Định luật Kirchhoff 2 chỉ ra rằng, trong một mạch vòng khép kín, tổng từ áp rơi và các sức từ động cũng bằng không Cuối cùng, định luật Ohm nêu rằng, tại một nhánh bất kỳ trong mạch từ, tích số giữa từ thông và tổng trở từ bằng từ áp rơi giữa hai đầu nhánh đó.
3.2.2 Sơ đồ thay thế của mạch từ
Rn, R1, Rg là từ trở của nắp, lõi và gông mạch từ
R δ là từ trở của khe hở không khí
R σ là từ trở của hiện tượng rò rỉ từ lõi này sang lõi kia Khe hở không khí được ký hiệu là Ф 0, đại diện cho từ thông tổng qua gông của mạch từ Trong khi đó, Ф lv là từ thông làm việc, và Ф σ là từ thông rò từ lõi này sang lõi kia.
Mạch từ xoay chiều có các đặc điểm khác mạch từ một chiều:
- Dòng điện trong cuộn dây xoay chiều phụ thuộc vào tổng trở của nó
- Đối với mạch từ xoay chiều, khi khe hở không khí tăng lên dẫn đến sự tăng theo của từ trở mạch từ và ngược lại
- Đối với mạch từ xoay chiều cuộn dây điện áp, số vòng dây có quan hệ chặt chẽ tới giá trị từ thông trong mạch từ và điện áp U
3.2.4 Những hư hỏng thường gặp
Các vật liệu dẫn từ được sử dụng trong chế tạo mạch từ của thiết bị điện, máy điện và khí cụ điện có thể bị hư hỏng sau thời gian dài sử dụng Những dạng hư hỏng thường gặp bao gồm sự suy giảm hiệu suất từ tính và các hiện tượng như rỉ sét hoặc nứt gãy.
Hư hỏng do ăn mòn kim loại thường xảy ra chủ yếu với các chất sắt từ và hợp chất sắt từ, chịu tác động của môi trường xung quanh Quá trình ăn mòn diễn ra dưới hai hình thức chính: ăn mòn điện hóa và ăn mòn hóa học, ngay cả khi bề mặt kim loại được bảo vệ bởi lớp sơn cách điện.
Hư hỏng do điện có thể xảy ra trong quá trình làm việc, thường do hiện tượng quá điện áp hoặc ngắn mạch, dẫn đến việc các cuộn dây trên mạch từ bị cháy và gây hư hỏng cho các mạch từ.
Hư hỏng do quá trình già hóa của kim loại là kết quả của tác động từ thời gian và môi trường, dẫn đến sự thay đổi các tính chất của vật liệu.
+ Hư hỏng do các tác động từ bên ngoài: Dưới tác dụng của ngọa lực làm cho các vật liệu từ bị biến dạng hoặc bị hỏng
+Dưới tác dụng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng lên ( khoảng 125°C) các vật liệu có từ tính sẽ mất từ tính.
Một số vật liệu dẫn từ thông dụng
Tất cả các vật liệu dẫn từ tuỳ theo tính chất có thể chia làm 3 nhóm:
Vật liệu sắt từ mềm có đặc điểm là lực kháng từ thấp, độ thẩm từ cao và suất tổn thất thấp, thường được sử dụng trong các mạch điện xoay chiều và một chiều Các loại vật liệu này bao gồm thép lá kỹ thuật điện, thép kỹ thuật điện, thép carbon thấp và Fecmalôi.
- Vật liệu sắt từ cứng: Thường dùng là hợp kim để chế tạo nam châm vĩnh cửu, chúng có cảm ứng từ dư rất cao
Vật liệu sắt từ đặc biệt, với khả năng kích thích từ cao, độ bão hòa lớn và điện trở suất cao, thường được biết đến như các chất điện ngôi từ Những vật liệu này có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật như radio, thông tin, radar và máy tính.
3.3.1 Vật liệu sắt từ mềm a Thép lá kỹ thuật điện
Trong ngành công nghiệp, đặc biệt là kỹ thuật điện, thép lá kỹ thuật điện được sử dụng rộng rãi nhờ vào các đặc tính từ và điện khác nhau Việc điều chỉnh hàm lượng Silic trong chế tạo thép là rất quan trọng; thép có hàm lượng Silic cao thường được chọn khi cần giảm tổn thất từ trễ và dòng xoáy, đồng thời yêu cầu đồ thẩm thấu từ lớn và từ trường yếu hoặc trung tính.
Thép có hàm lượng silic thấp có độ thẩm thấu nhỏ và độ bão hòa lớn, thường được sử dụng cho thiết bị một chiều hoặc xoay chiều tần số thấp, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu cảm ứng từ cao.
Thép cán nguội thường có hàm lượng silic cao, được ưa chuộng hơn thép cán nóng do tổn thất từ nhỏ hơn và độ thẩm thấu từ theo chiều cảm ứng thấp Ngoài ra, thép khối cũng có độ thẩm thấu từ nhỏ.
Thép lá kỹ thuật điện đặc biệt là loại thép được cán nguội, có khả năng biến chất dễ dàng khi bị biến dạng và thay đổi từ tính khi trải qua các quá trình như rèn, dập, cắt, kéo.
Là hợp kim của Sắt và Niken, tuỳ theo hàm lượng của Ni mà chia Fecmalôi ra làm hai loại sau:
Công dụng: Làm lõi cuộn cảm có kích thước nhỏ, làm MBA âm tần nhỏ và các MBA xung và trong khuếch đại từ
Fecmalôi có cảm ứng từ bão hoà lớn gấp đôi so với loại chứa nhiều Ni, vì vậy nó được sử dụng làm lõi cho máy biến áp lực, lõi cuộn cảm và các thiết bị yêu cầu mật độ từ thông cao Khi thêm các tạp chất như Đồng, Mangan và Molipđen vào Fecmalôi, Mangan giúp nâng cao điện trở suất, Molipđen tăng khả năng chịu biến dạng, còn Đồng làm giảm độ thẩm từ trong các trường hợp từ trường nhỏ.
3.3.2 Vật liệu sắt từ cứng
Loại này có lực khử từ H C lớn, đường cong từ trễ lớn
Công dụng: Dùng làm các nam châm vĩnh cửu Đặc trưng của nó là cho năng lượng ra bên ngoài lớn
Vật liệu dùng làm nam châm vĩnh cửu đơn giản nhất là thép chứa Silic, Vonfram, Crôm, Molipđen ngoài ra còn có các hợp kim (gồm Al, Ni, Fe)
3.3.3 Các vật liệu sắt từ có công dụng đặc biệt
Là vật liệu do ép bột của chất liên kết hữu cơ hay vô cơ với vật liệu sắt từ Thành phần cơ bản gồm Cacbonic, Fecmalôi và Alusife
Yêu cầu về từ tính tốt và chất liên kết có khả năng tạo ra một màn cách điện chắc chắn giữa các hạt, đồng thời gắn kết chúng với nhau và đảm bảo độ dày đồng nhất.
Vật liệu sử dụng trong lõi các cuộn cảm của bộ lọc máy phát điện cần có tổn hao điện môi thấp và độ thẩm từ ổn định theo thời gian cũng như khi nhiệt độ thay đổi.
Ferit là vật liệu có tính dẫn điện thấp, với điện trở suất lớn hơn vật liệu sắt từ từ 10^11 đến 10^16 lần, giúp giảm thiểu năng lượng tổn hao ở tần số cao Loại vật liệu này được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến điện tử Ferit bao gồm hệ thống oxit sắt và oxit kim loại, được chia thành 4 loại khác nhau.
- Ferit có đường từ trễ hẹp
+ Ferit mềm: Là hợp kim của Niken và Kẽm có cảm ứng từ B đạt 0,3 Tesla
Lực khử từ đạt HC = 0,2 ơtstet
Dùng làm cuộn dây của bộ lọc, dùng làm màn từ, dùng làm loi MBa xung, lõi MBA quét mành trong vô tuyến truyền hình
Ferit cao tần là loại ferit chứa nhiều oxit mangan, được sử dụng trong các ứng dụng tần số cao Khi hoạt động ở tần số cao, ferit này thể hiện nhiều tính chất đặc biệt, có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi trường tác dụng.
Công dụng: Dùng để chế tạo phần tử điều khiển và dẫn sóng, chế tạo các đổi nối
Ferit có đường từ trễ hẹp, với cảm ứng từ dự đoán B0 gần bằng trị số cảm ứng từ B Lực khử từ Hc nhỏ, cho phép từ hóa ở trạng thái từ hóa với cảm ứng từ +B0V - B0.
Công dụng: Dùng làm các phần tử đổi nối với hai trạng thái ổn định và các phần tử nhớ trong máy tính điện tử
+ Ferit cứng: Là vật liệu từ cứng.
