Mục lục 1 Chương 1 2 VẬt liệu dẫN ĐIỆN 2 Hợp kim có điện dẫn suất thấp. (Điện trở cao) 11 5 Các kim loại khác 13

Chương 1

VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

1. 
   Khái niệm, phân loại và đặc tính cơ bản của vật liệu dẫn điện
   

1. 
   Khái niệm vật liệu dẫn điện
   

Vật liệu có thể tồn tại ở các thể rắn, lỏng và trong một số điều kiện phù hợp có thể là chất khí.

Ở dạng chất rắn, vật dẫn điện có kim loại và hợp kim của chúng, trong một số trường hợp là những chất không phải là kim loại; chất lỏng dẫn điện và kim loại ở trạng thái chảy lỏng và những chất điện phân.

Khí là hơi có thể trở nên dẫn điện ở cường độ điện trường lớn, chúng tạo nên ion hóa do va chạm hay sự ion hóa quang.

2. 
   Phân loại
   

Vật liệu dẫn điện có tính dẫn điện tử hay vật dẫn loại 1 (vật dẫn kim loại)

Phần lớn thuộc về kim loại, hợp kim, một số ít là phi kim loại, thường tồn tại ở thể rắn,trường hợp đặc biệt ở thể lỏng là thủy ngân.

- Đặc trưng của nhóm vật liệu dẫn điện là: Mọi sự hoạt động của các điện tích không làm thay đổi thực thể tạo nên vật dẫn đó.

• 
  Có hai loại vật liệu dẫn điện có tính dẫn điện tử.
  

Đặc trưng của nhóm là: Khi dòng điện chạy qua vật dẫn làm thay đổi hoặc biến đổi hóa học trong nó.

3. 
   Đặc tính cơ bản của vật liệu dẫn điện
   

• 
  Điện trở (R)
  

Biểu thức: R = ρ.l/s Đơn vị: Ω, KΩ, MΩ.

Trong đó: ρ: Điện trở suất phụ thuộc vào từng loại vật liệu tạo nên vật dẫn

l, s: Chiều dài và tiết diện dây dẫn.

• 
  Điện dẫn (G)
  

Biểu thức: G = 1/R Đơn vị: 1/Ω = Ω^-1 hoặc Siemen (S)

• 
  Điện trở suất (ρ)
  

Nếu S tính bằng mm² , l tính bằng m thì ρ = Ω.mm²/m hoặc Ω.cm, và µΩ.cm với quan hệ là

1 Ω.cm = 10^-2 Ω.m = 10⁴ Ω.mm²/m = 10⁶ µΩ.cm

• 
  Hệ số thay đổi của điện trở suất theo nhiệt độ (α)
  

Cách tính hệ số như sau: Đối với khoảng chênh lệch nhiệt độ (t₂ –t₁) thì hệ số α trung bình sẽ là: α = ρ_t2 – ρ_t1/ [ρ_t1(t₂ – t₁)] . Khi nóng chảy, điện trở suất của kim loại thay đổi, thông thường tăng lên trừ Ăngtimoan, Bitmut lại bị giảm.

Ở nhiệt độ không tuyệt đối (0⁰K) ρ của kim loại tinh khiết bị giảm đột ngột, đó là hiện tượng siêu dẫn.

Trước đây hiện tượng siêu dẫn không được sử dụng trong thực tế vì: Với một giá trị nào đó của cường độ từ trường nó đã phá hoại hiện tượng siêu dẫn (với kim loại thuần nhất thì cường độ từ trường không lớn). Người ta sử dụng hợp kim có nhiệt độ tương đối cao khi chuyển sang siêu dẫn và giữ được trạng thái siêu dẫn và từ trường mạnh vá cho dòng điện lớn đi qua.

Nb₃Sn : Triniobi – Thiếc : có nhiệt độ siêu dẫn 18,2 ⁰ K

V₃Ga: Tri vanadi – Gali: có nhiệt độ siêu dẫn 16,8⁰ K

Nb – Ti :Niobi – Titan: có nhiệt độ siêu dẫn gần 10⁰K

Nb – Zn: Niobi – Ziriconi: có nhiệt độ siêu dẫn gần 10⁰K

Điện trở suất và hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ của một số kim loại.

Kim loại	Điện trở suất ở 200c Ω.mm2/m	Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ (1/độ)	Kim loại	Điện trở suất ở 200C Ω.mm2/m	Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ (1/độ)
Bạc	0.016-0.0165	0.0034-0.00429	Kẽm	0.0535-0.063	0.0035-0.00419
Đồng	0.0168-0.0182	0.00392-0.00445	Niken	0.0614-0.138	0.0044-0.00692
Vàng	0.022-0.024	0.0035-0.00398	Thép	0.0918-1.150	0.0045-0.00657
Nhôm	0.0262-0.040	0.0040-0.0049	Platin	0.0866-0.116	0.00247-0.00398
Manhê	0.0446-0.046	0.0039-0.0046	Thiếc	0.113-0.143	0.0042-0.00465
Môlipđen	0.0476-0.057	0.0033-0.00512	Chì	0.205-0.222	0.0038-0.00428
Wonfram	0.0530-0.0612	0.004-0.0052	Thủy ngân	0.952-0.959	0.0009-0.00099

• 
  Hệ số thay đổi điện trở suất theo áp suất
  



Trong đó dấu “+” ứng với biến dạng do kéo, dấu “ –” ứng với biến dạng do nén.

σ: Ứng suất cơ khí của mẫu, đơn vị kg/mm²

K: Hệ số, với nhôm K = 3.815.10^-6, thiếc K= -9.79.10^-6, Mg có K= -3.9. 10^-6

Điện dẫn suất : γ là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất.

• 
  Ảnh hưởng của từ trường và ánh sáng với điện trở suất
  

• 
  Hiệu điện thế tiếp xúc và suất nhiệt điện động.
  

Nguyên nhân: Do có sự khác nhau về công suất điện tử và số lượng điện tự do. Điện thế tiếp xúc này có thể từ vài phần mười đến vài vôn.

Người ta thường gọi 2 kim loại có sức nhiệt điện động lớn và quan hệ đường thẳng với nhiệt độ để làm nhiệt ngẫu. cặp nhiệt để do nhiệt độ như : Platinorodi –Platin đo đến 1600⁰C.

2. 
   Kim loại và hợp kim
   
   1. 
      Khái niệm:
      

Trong công nghiệp các kim loại nguyên chất ít được dùng vì nó rất dẻo mặt khác độ cứng và độ bền của nó thấp. Nhiều kim loại có độ dẫn điện cao nhưng ở nhiệt độ cao thì độ dẫn điện lại giảm. Điện trở nhỏ biến đổi theo nhiệt độ, hệ số giãn nở nhiệt rất lớn khi có sự thay đổi nhiệt độ.

+ Hợp kim là sản phẩm nấu chảy của hai hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại và hợp kim có tính chất của kim loại.

Hợp kim được chế tạo chủ yếu bằng cách nấu chảy, hoặc điện phân, thiêu kết…

2. 
   Cấu tạo kim loại hợp kim
   

1. 
   Tính chất chung.
   

1. 
   Tính chất lý học.
   

• 
  Vẻ sáng mặt ngoài. Sự phản chiếu ánh sáng ở mặt ngoài gọi là màu của kim loại.
  

• 
  Người ta chia kim loại thành : + Kim loại đen gồm Sắt và hợp kim của sắt
  

• 
  Tính nóng chảy:
  

Nhiệt độ ứng với kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy. Nó có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ đúc kim loại. Điểm nóng chảy của hợp kim khác với điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên nó.

• 
  Tính dẫn nhiệt:
  

• 
  Tính giãn nở nhiệt:
  

• 
  Tính nhiễm từ:
  

• 
  Chỉ có một số kim loại có tính nhiễm từ (tức là nó bị từ hóa sau khi đặt trong từ trường)
  

• 
  Tính nhiễm từ của sắt phụ thuộc vào thành phần và vào tổ chức bên trong của kim loại.
  

Ví dụ: Ở nhiệt độ 768⁰C sắt có tính nhiễm từ và khi nhiệt độ lớn hơn thì không có khả năng đó nữa.

2. 
   Tính chất hóa học.
   

+ Tính chống ăn mòn: Khả năng chống lại sự ăn mòn của không khí , oxy, nước khi ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao.

+ Tính chịu axit: Là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axit.

3. 
   Tính chất cơ học (cơ tính)
   

4. 
   Tính công nghệ
   

1. 
   Kim loại và hợp kim có điện dẫn suất cao
   

STT	Vật liệu	Đặc điểm	Ứng dụng
1	Bạc	ρ ở 200C = (0.0160.0165)Ω.mm2/m - Bạc tinh khiết bị ăn mòn và dính chặt. Nó được tìm thấy dưới dạng mỏ hay tự nhiên (quặng kim loại có tới 98% bạc) hoặc trong các mỏ chì, kẽm, đồng hoặc có thể thấy trong nước biển với 0.001mg/1lit. - Có màu trắng và chiếu sáng. Ở nhiệt độ cao không bị oxi hóa. Tác dụng với Ozon tạo ra Ag2O, còn Sulfua và Hyđro Sulfurơ làm bạc ngả màu đen. Phản ứng với Clo và lưu huỳnh. - Bay hơi ở t0 = 140016000C - Dễ vuốt giãn, mềm dễ uốn cong, có thể gia công theo quy trình lót, dát mỏng, rèn và kéo sợi	- Làm dây dẫn ở tần số cao, quấn dây trong máy thu thanh, làm dây chảy trong cấu chì, làm khung cho tụ điện… - Dùng quấn các cuộn dây trong kỹ thuật vô tuyến. - Hợp kim với Niken hay Mangan dùng làm dây dẫn trong các máy đo. - Hợp kim bạc-palađi, bạc-vàng làm tiếp điểm điện với dòng nhỏ trong thông tin viễn thông . - Chế tạo các chi tiết nhỏ như đinh tán, đinh vít, các đầu cực. - Dùng sản xuất các màn ở các bóng Catốt và của các tế bào quang điện.
2	Đồng và hợp kim đồng	Ở 200C ρ= 0.01680.0182Ω.mm2/m Đồng sau khi gia công có 4 loại: + Đồng cứng (MT) là đồng không ủ nhiệt + Đồng mềm (MM) là đồng đem ủ nhiệt. + Đồng hơi cứng + Nửa cứng. - Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất - Đồng chuẩn hóa có ρ = 0.0172 Ω.mm2/m + Ảnh hưởng của tạp chất: Với bạc, cađimi làm γ giảm ít, còn sắt, silic làm γ giảm nhiều + Ảnh hưởng của gia công cơ khí: Khi rát, kéo nguội làm γ giảm. Đường kính dây < 1mm thì γ giảm đồng thời khi giảm đường kính. + Ảnh hưởng của xử lý nhiệt: Sự thay đổi γ tùy theo độ nung nóng trở lại. Ví dụ: Để có đồng mềm dùng làm dây quấn và cáp thì nung trở lại t0 khoảng 400-5000C - Là kim loại có màu đỏ nhạt sáng rực, sức bền cơ khí tương đối lớn. Dễ dát, dễ vuốt giãn gia công dễ dàng khi nóng và khi lạnh (rèn, kéo sợi, rát mỏng) có sức bền lớn khi và đập và ăn mòn, sức đề kháng cao khi thời tiết xấu, có khả năng tạo thành hợp kim tốt với các kim loại khác có giá trị như: Đồng thanh, đồng thau, có khả năng gắn và hàn dễ dàng. - Khi gia công t0> 9000C làm giảm tính chất cơ học.	- Đồng cứng dùng để chế tạo những dây dẫn không cách điện của các đường dây truyền tải trên không, thanh góp cho những thiết bị phân phối, hoặc cho cổ góp máy điện - Đồng mềm được sử dụng chế tạo dây dẫn cách điện của cáp điện và dây quấn máy điện. - Hợp kim đồng thanh (đồng với thiếc, kẽm hoặc chì dùng làm các chi tiết vòng trượt, giá đỡ chổi than, lò xo dẫn điện, ổ cắm điện…) - Hợp kim đồng thau (đồng với kẽm) Nếu kẽm = 39% hợp kim dẻo dùng làm các chi tiết đặc biệt phức tạp bằng cách dập, vuốt. Nếu kẽm > 39% dùng đúc các chi tiết định hình. Các loại đồng hơi cứng, nửa cứng dùng trong các khí cụ điện
3	Vàng	- ρ = 0.022-0.024 Ωmm2/m, Ở 200C là kim loại màu vàng đăc trưng sáng rực, màu này không bị mất đi trong không khí và axit. - Không bị ôxy hóa ở nhiệt độ cao, hòa tan trong dung dịch axit Clohidric - Nung nóng đến trạng thái nóng thì dễ bị bay hơi.	- Dùng trong kỹ thuật điện như gia công các hợp kim làm tiếp điểm. - Dùng làm điện trở trong điện kế, trong các dụng cụ tĩnh điện.
4	Nhôm và hợp kim nhôm	- ρ = 0.024-0.026Ωmm2/m, ở 200C bằng 1.7 ρ của đồng. - Trọng lượng riêng < đồng 3.3 lần, điện trở nhôm > đồng 1,68 lần. - Tính nóng chảy thấp, tính dẻo cao tương đối bền khi bị ôxy hóa. - Nhôm nguyên chất bền vững trong nước biển. Bị phá hủy nhanh trong H2SO4 (Axit Sunfuric) loãng và dung dịch kiềm. - Lớp ôxit nhôm có tính ổn định cao chống ăn mòn trong môi trường Amoniac (NH3­) và một số chất khí khác. - Hợp chất nhôm với tạp chất tạo thành thể rắn thì giảm tính dẫn điện. - Hợp chất nhôm với tạp chất tạo thành khác thể rắn thì không dùng dẫn điện.	- Nhôm nguyên chất dùng làm dây dẫn, dây cáp, thanh góp, ống nối, dây quấn máy điện, lá nhôm làm tụ,… - Hợp kim nhôm có ρ cao dùng đúc rôto lồng sóc động cơ không đồng bộ có mô-men khởi động lớn, động cơ nhiều tốc độ, làm dây dẫn (đi trần trên không, ruột cáp).
5	Sắt	- ρ=(0.0918 1,15)Ω mm2/m ở 200C. Điện trở suất lớn gấp 7-8 lần của đồng. - Sắt tinh khiết có màu trắng bạc, không khí khô không tác dụng. - Dây dẫn bằng sắt không han gỉ không chịu sự ăn mòn điện hóa. - Ở dòng điện xoay chiều điện trở tăng so với dòng một chiều. - Có khả năng chịu được điện áp cao. - Trọng lượng riêng tương đối lớn (7,86kg/dm3).	- Làm dây dẫn đi trên không nhưng cấm sử dụng nhỏ hơn tiết diện tính toán. - Được dùng ở lưới điện có khoảng cách cột lớn. - Làm vật liệu dẫn điện với dạng thanh dẫn, đường ray tải điện, tàu điện ngầm, lõi dây nhôm… - Khi sử dụng để khắc phục hiện tượng han gỉ người ta thường mạ kẽm. - Làm dây chống sét.