Giáo trình Vật liệu điện (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ


GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN
NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số: 215/QĐ-CĐDK ngày 1 tháng 3 năm 2022
của Trường Cao Đẳng Dầu Khí)

Bà Rịa - Vũng Tàu, năm 2022
(Lưu hành nội bộ)


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được phép
dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh
thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

Trang 2


LỜI GIỚI THIỆU
Đất nước Việt Nam trong công cuộc công nghiệp hoá - hiện đại hoá, nềnkinh tế
đang trên đà phát triển. Yêu cầu sử dụng điện và thiết bị điện ngày càngtăng. Việc
trang bị kiến thức về hệ thống điện nhằm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt của con
người, cung cấp điện năng cho các thiết bị của khu vực kinh thế, các khu chế xuất, các
xí nghiệp là rất cần thiết.

Với một vai trò quan trọng như vậy và xuất phát từ yêu cầu, kế hoạch đào tạo,
chương trình mơn học của Trường Cao Đẳng Dấu Khí. Chúng tơi đã biên soạn cuốn
giáo trình Vật liệu điện gồm 3 chương với những nội dung cơ bản sau:
- Bài mở đầu: Khái niệm về vật liệu điện
- Chương 1: Vật liệu cách điện
- Chương 2: Vật liệu dẫn điện
- Chương 3: Vật liệu dẫn từ
Giáo trình Vật liệu điện được biên soạn phục vụ cho công tác giảng dạy của
giáo viên và là tài liệu học tập của học sinh. Do chun mơn và thời gian có hạn nên
khơng tránh khỏi những thiết sót,vậy rất mong nhận được ý kiến đóng góp của đồng
nghiệp và bạn đọc để cuốn sách đạt chất lượng cao hơn.

Bà Rịa - Vũng Tàu, tháng 6 năm 2022
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: Phan Kim Ngân
2. Lê Thị Thu Hường
3. Nguyễn Xuân Thịnh
4.

Trang 3


MỤC LỤC
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN ......................................................................................... 2
LỜI GIỚI THIỆU ........................................................................................................ 3
MỤC LỤC ................................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... 6
GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN ............................................................. 7
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN ................................................. 12

CHƯƠNG 1. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ..................................................................... 24
CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU DẪN TỪ ............................................................................ 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 88

Trang 4


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 0.1 Cấu tạo ngun tử ....................................................................................... 13
Hình 0.2 Liên kết đồng hóa trị ................................................................................... 15
Hình 0.3 Liên kết kim loại .......................................................................................... 16
Hình 0.4 Mạng lập phương tâm khối.......................................................................... 16
Hình 0.5 Mạng lập phương tâm mặt .......................................................................... 17
Hình 0.6 Mạng lục giác xếp chặt ............................................................................... 17
Hình 0.7 Lý thuyết về vùng năng lượng ...................................................................... 18

Trang 5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 Phân cấp vật liệu cách điện theo độ bền chịu nóng ........................................ 40
Bảng 2 So sánh đặc tính của khơng khí với các chất khí ............................................ 42
Bảng 3 Điện trở suất và hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ của một số kim loại.
.................................................................................................................................. 60
Bảng 4 Tính chất cơ lý và cơng dụng của đồng thanh thiếc ........................................ 70
Bảng 5Tính chất cơ lý của đồng thanh nhôm ............................................................. 70

Trang 6

GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN
1. Tên mơn học: Vật liệu điện
2. Mã môn học: ELET62064
Thời gian thực hiện môn học: 30 giờ; (Lý thuyết: 28 giờ; Thực hành: 0 giờ; kiểm tra:
2 giờ).
Số tín chỉ: 02
3. Vị trí, tính chất của mơn học:
-

Vị trí: Mơn học này được bố trí học sau mơn học An tồn lao động và học song
song với các mơn học Vẽ điện, Khí cụ điện..
Tính chất: Mơn học này trang bị những kiến thức, kỹ năng về an toàn vệ sinh lao
động tại nơi làm việc.
4. Mục tiêu môn học:

-

-

Về kiến thức:
+ Nhận dạng được các loại vật liệu điện thông dụng.
+ Phân loại được các loại vật liệu điện thơng dụng.
+ Trình bày đặc tính của các loại vật liệu điện.
Về kỹ năng:
+ Xác định được các dạng và nguyên nhân gây hư hỏng ở vật liệu điện.
Về năng lực tực chủ và trách nhiệm:
+ Rèn luyê ̣n đươc̣ tính cẩ n thâ ̣n, chính xác, chủ đô ̣ng trong công việc.
5. Nội dung mơn học:
5.1. Chương trình khung:
Thời gian đào tạo (giờ)

Thực
Kiểm
Tín
hành,
tra
Lý
chỉ Tổng
thí nghiệm,
số
thuyết
thảo luận, LT TH
bài tập

Mã MH, MĐ

Tên mơn học, mơ đun

I

Các mơn học chung/đại
cương

23

465

180

260

17

8

COMP64002

Giáo dục chính trị

4

75

41

29

5

0

COMP62004

Pháp luật

2

30

18

10

2

0

COMP62008

Giáo dục thể chất

2

60

5

51

0

4

COMP62010

Giáo dục quốc phòng và
An ninh

4

75

36

35

2

2

COMP63006

Tin học

3

75

15

58

0

2

FORL66001

Tiếng Anh

6

120

42

72

6

0

Trang 7


Thời gian đào tạo (giờ)
Thực
Kiểm
Tín
hành,
tra
Lý
chỉ Tổng
thí nghiệm,
số
thuyết
thảo luận, LT TH
bài tập

Mã MH, MĐ

Tên mơn học, mơ đun

SAEN52001

An tồn vệ sinh lao động

2

30

26

2

2

0

Các môn học, mô đun
chuyên môn ngành,
nghề

70

1755

435

1241

30

49

Môn học, mô đun cơ sở

11

240

84

145

6

5

ELEI53132

Mạch điện

3

60

28

29

2

1

ELET51165

Vẽ điện

1

30

0

29

0

1

ELET62064

Vật liệu điện

2

30

28

0

2

0

ELEI53117

Khí cụ điện

3

75

14

58

1

2

Điện tử cơ bản

2

45

14

29

1

1

Môn học, mô đun
chuyên môn ngành,
nghề

59

1515

351

1096

24

44

Điều khiển điện khi nén

3

60

28

29

2

1

ELEI53115

Đo lường điện

3

75

14

58

1

2

ELEI56135

Máy điện

6

150

28

116

2

4

ELEI6509

Cung cấp điện

5

90

56

29

4

1

ELET55157

Trang bị điện 1

5

120

28

87

2

3

ELEI62158

Trang bị điện 2

2

45

14

29

1

1

PLC

3

75

14

58

1

2

ELEI55138

Thí nghiệm điện 1

3

75

14

58

1

2

ELEI62139

Thí nghiệm điện 2

2

45

14

29

1

1

ELEI55124

Kỹ thuật lắp đặt điện

5

120

28

87

2

3

ELEI54123

Kỹ thuật lạnh

4

90

28

58

2

2

ELEI54148

Thiết bị điện gia dụng

4

90

28

58

2

2

ELEI6412

Bảo dưỡng sửa chữa thiết
bị điện

4

90

28

58

2

2

ELEI6317

Bảo vệ rơ le

3

75

14

58

1

2

II
II.1

AUTM62103
II.2
AUTM63114

AUTM64116

Trang 8


Thời gian đào tạo (giờ)
Mã MH, MĐ

Tên môn học, mô đun

Thực
Kiểm
Tín
hành,
tra
Lý
chỉ Tổng
thí nghiệm,
số
thuyết

thảo luận, LT TH
bài tập

ELEI54152

Thực tập sản xuất

4

180

15

155

0

10

ELEI63119

Khóa luận tốt nghiệp

3

135

0

129

0

6

93

2220

615

1501

47

57

Tổng cộng
5.2.

Số TT

1
2
3
4

Chương trình khung chi tiết:

Nội dung tổng quát

Bài mở đầu: Khái niệm về vật liệu
điện
Chương 1: Vật liệu cách điện
Chương 2: Vật liệu dẫn điện
Chương 3: Vật liệu dẫn từ
Cộng:

Tổng
số

Thời gian (giờ)
Thực
hành, thí Kiểm tra
Lý
nghiệm,
thuyết
thảo luận,
LT TH
bài tập

2

2

0

0

0

9
10
9
30

8
9
9
28

0
0
0
0

1
1
0
2

0
0
0
0

6. Điều kiện thực hiện mơn học:
-

-

Phịng học chun mơn hóa, nhà xưởng:
Trang thiết bị máy móc:
 Bộ đồ nghề điện, cơ khí cầm tay.
 Tủ sấy điều khiển được nhiệt độ.
 Các mơ hình dàn trải thiết bị, hoạt động được:
 Thiết bị cấp nhiệt: Nồi cơm điện, bàn ủi, máy nước nóng, lị nướng...
 Tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ...
 Thiết bị gia dụng: Quạt điện, máy bơm nước, survolteur, ổn áp tự động...
 VOM, Mêgômmet.
 Thiết bị thử độ bền cách điện.
 Biến áp tự ngẫu: điều chỉnh tinh, điện áp vào 220V, điện áp ra (0 ÷ 400)V.
Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu:
 Bảng gắn các loại khí cụ điện.
 Dây dẫn điện.
 Đầu cốt các cỡ.
Trang 9


-

 Các trạm nối dây.
 Giấy, ghen cách điện, sứ, thuỷ tinh... cách điện các loại.
 Chì hàn, nhựa thơng, giấy nhám các loại...
 Hóa chất dùng để tẩm sấy máy biến áp (chất keo đóng rắn, vẹc-ni cánh điện)
Các điều kiện khác:
 PC, phần mềm chuyên dùng.
 Projector, overhead.
 Máy chiếu vật thể ba chiều.
 Video, và các bản vẽ, tranh mô tả thiết bị.

7. Phương pháp và nội dung đánh giá:
7.1.
-

-

Về kiến thức:
 Nhận dạng được các loại vật liệu điện thông dụng.
 Phân loại được các loại vật liệu điện thơng dụng.
 Trình bày đặc tính của các loại vật liệu điện.
Về kỹ năng:
 Xác định được các dạng và nguyên nhân gây hư hỏng ở vật liệu điện.
Về năng lực tực chủ và trách nhiệm:
 Rèn luyê ̣n đươc̣ tính cẩ n thâ ̣n, chính xác, chủ đô ̣ng trong công việc.
7.2.

-

Nội dung:

Phương pháp:

Kiểm tra định kỳ được đánh giá bằng hình thức trắc nghiệm hoặc tự luận
+ Bài kiểm tra số 1: Nội dung bài mở đầu và chương 1
+ Bài kiểm tra số 2: Nội dung chương 2,3

-

Kiểm tra hết môn được đánh giá bằng hình thức trắc nghiệm

8. Hướng dẫn thực hiện mơn học:
8.1. Phạm vi áp dụng chương trình:
Chương trình mơn học này được sử dụng để giảng dạy cho trình độ Cao đẳng
nghề.
8.2. Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy môn học:
-

Đối với giáo viên, giảng viên:





-

Trước khi giảng dạy, giáo viên cần căn cứ vào nội dung của từng bài
học để chuẩn bị đầy đủ các điều kiện cần thiết nhằm đảm bảo chất
lượng giảng dạy.
Nên áp dụng phương pháp đàm thoại để sinh viên ghi nhớ kỹ hơn.
Nên bố trí Thời gian đào tạo (giờ) giải bài tập, nhận dạng các loại vật
liệu, hướng dẫn và sửa sai tại chỗ cho sinh viên.
Cần lưu ý kỹ về các đặc tính của từng nhóm vật liệu.

Đối với người học:
Trang 10



8.3.

-

Tập trung nghe giảng , ghi chép, giải bài tập và thực hành theo hướng
dẫn của giáo viên.

Những trọng tâm cần chú ý:
Phân loại vật liệu, vai trò của vật liệu.
Đặc tính cơ bản và phạm vi ứng dụng của từng nhóm vật liệu.
Tính chọn một số vật liệu trong trường hợp đơn giản.

9. Tài liệu cần tham khảo:
[1] Nguyễn Trọng Thắng, Cơng nghệ chế tạo và tính tốn sửa chữa máy điện 1, 2, 3,
NXB Giáo Dục 2000.
[2] Trần Khánh Hà, Máy điện 1, 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật 2004.
[3] Nguyễn Xuân Phú (chủ biên), Quấn dây, sử dụng và sửa chữa động cơ điện xoay
chiều và một chiều thông dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật 2000.
[4] Đặng Văn Đào, Kỹ Thuật Điện, NXB Giáo dục 2004.
[5] Trần Thế San, Nguyễn Đức Phấn, Thực hành kỹ thuật cơ điện lạnh, NXB Đà
Nẵng 2001.
[6] Nguyễn Xuân Phú, Khí cụ Điện - Kết cấu, sử dụng và sửa chữa, NXB Khoa học
và Kỹ thuật 2002.

Trang 11


BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN
 GIỚI THIỆU BÀI MỞ ĐẦU:
Bài mở đầu là bài giới thiệu nội dung các khái niệm về vật liệu điện để người
học có được kiến thức nền tảng và dễ dàng tiếp cận nội dung môn học ở những
chương tiếp theo.

 MỤC TIÊU BÀI MỞ ĐẦU:
Sau khi học xong bài mở đầu, người học có khả năng:
Nêu bật được khái niệm và cấu tạo của vật liệu dẫn điện
Phân loại được chính xác chức năng của từng vật liệu cụ thể
Rèn luyê ̣n đươc̣ tính chủ đô ̣ng và nghiêm túc trong công việc.
 PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP BÀI MỞ ĐẦU:
- Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn
giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi
thảo luận và bài tập (cá nhân hoặc nhóm).
- Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình trước buổi học; hoàn
thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống bài mở đầu theo cá nhân
hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định.
 ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI MỞ ĐẦU:
- Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng: Phịng học lý thuyết
- Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác
- Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình mơn học, giáo trình, tài
liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan.
- Các điều kiện khác: Khơng có
 KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI MỞ ĐẦU:
- Nội dung:
 Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến
thức
 Kỹ năng: khơng có
 Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp
+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.
+ Tham gia đầy đủ thời lượng mơn học.
+ Nghiêm túc trong q trình học tập.
- Phương pháp:
 Điểm kiểm tra thường xuyên: không có

 Kiểm tra định kỳ lý thuyết: khơng có
 NỘI DUNG BÀI MỞ ĐẦU:
Trang 12


1.1. KHÁI NIỆN VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN:
1.1.1. Cấu tạo nguyên tử:
Mọi vật liệu (vật chất) được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử. Nguyên tử là phân
tử cơ bản của vật chất.
Theo mơ hình ngun tử của Bor, ngun tử được cấu tạo từ hạt nhân mang điện
tích dương và các điện tử (electron e) mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt
nhân theo quỹ đạo nhất định.
Hạt nhân nguyên tư được cấu tạo từ các hạt proton và nơtron. Nơtron là hạt
khơng mang điện tích, cịn proton có điện tích dương với số lượng bằng Z.q
Trong đó:
Z – số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là so thứ tự của nguyên tố
nguyên tử đó trong bảng tuần hồn Menđêlêep.
q – điện tích của điện tử e ( q = 1,6.10-19culơng ). Proton có khối lượng bằng
1,6.10-27kg, electron (e) có khối lượng bằng 9,1.10-31kg.
Ở trạng thái bình thường ngun tử trung hồ về điện, tức là trong ngun tử có
tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng số điện tích âm của các điện tử.
Nếu vì lý do nào đó ngun tử mất đi một hay nhiều điện tích thì sẽ trở thành
điện tích dương, ta gọi là ion dương.
Ngược lại nếu nguyên tử trung hồ nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm.
Để có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của Hiđrô, nguyên tử
này được cấu tạo tử một proton và một điện tử.

Hình 0.1 Cấu tạo nguyên tử
Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo trịn bán kính r xung quanh hạt nhân thì
điện tử sẽ chịu lực hút của hạt nhân f1 và được xác định bởi công thức sau:

f1 =

q2
r2

(1)

Trang 13


Lực hút f1 sẽ được cân bằng với lực ly tâm của chuyển động f2:
m.v 2
f2 =
2

(2)

Trong đó:
m – Khối lượng của điện tử
v – Tốc độ chuyển động của điện tử
Từ ( 1 ) và ( 2 ) ta có: f1 = f2 hay
m.v 2 =

q2
r

(3)

mv 2
Trong q trình chuyển động điện tử có một động năng T =

và một thế năng
2

u=-

q2
, nên năng lượng của điện tử bằng:
r

W=T+U=-

q2
r .2

(4)

Biểu thức (4) ở trên chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử có một mức năng lượng
nhất định, năng lượng này tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử.
Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính ra xa vơ cùng cần phải
q2
cung cấp cho nó một năng lượng lớn hơn bằng
.
2.r

Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời ra khỏi nguyên tử
trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng ion hoá (Wi).
Khi bị ion hoá (bị mất điện tử), nguyên tử trở thành ion dương. Quá trinh biến
nguyên tử trung hoà thành ion dương và điện tử tự do gọi là q trình ion hố .
Trong một ngun tử, năng lượng bị ion hoá của các lớp điện tử khác nhau cũng
khác nhau, các điện tử hố trị ngồi cùng có mức năng lượng ion hố thấp nhất vì

chúng cách xa hạt nhân.
Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hố chúng sẽ bị kích
thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, song
chúng ln có xu thế trở về vị trí ở trạng thái ban đầu.
Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng
lượng quang học (quang năng).
Trong thực tế, năng lượng ion hố và năng lượng kích thích ngun tử có thể
nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện
năng; năng lượng của các tia sóng ngắn như tia  ,  ,  hay tia Rơnghen…
Trang 14


1.1.2 Cấu tạo phân tử :
1.1.2.1 Liên kết đồng hoá trị
Liên kết đồng hoá trị được đặc trưng bởi sự dùng chung các điện tử của các
nguyên tử trong phân tử.
Khi có mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hoà, lên kết phân
tử bền vững.
Lấy cấu trúc phân tử clo làm ví dụ. Phân tử clo (Cl2) gồm 2 nguyên tử clo, mỗi
nguyên tử clo có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử ở lớp hố trị ngồi cùng.
Hai ngun tử này được liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung hai
điện tử, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của
nguyên tử kia.

Hình 0.2 Liên kết đồng hóa trị
1.1.2.2. Liên kết ion
Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong
phân tử.
Liên kết ion là liên kết là liên kết khá bền vững. Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion
đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao.

Ví dụ: Điển hình về tinh thể ion là các muối halogen của các kim loại kiềm.
Khả năng tạo nên một chất hoặc hợp chất mạng khơng gian nào đó phụ thuộc chủ
yếu vào kích thước ngun tử và hình dạng lớp điện tử hố trị ngồi cùng.
* Liên kết kim loại
Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn. Kim loại được xem như là một hệ
thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do.

Trang 15


Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính ngun khối của kim loại.
Chính vì vậy liên kết kim loại là loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và
nhiệt độ nóng chảy cao.
Lực hút giữa các ion dương và các điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim
loại.
Sự tồn tại của các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn
điện, dẫn nhiệt cao.
Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt lên nhau giữa
các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng.

E

Hình 0.3 Liên kết kim loại
Một Số Dạng Tinh Thể Của Kim Loại.
- Mạng lập phương tâm khối

Hình 0.4 Mạng lập phương tâm khối
- Mạng lập phương tâm mặt

Trang 16

Hình 0.5 Mạng lập phương tâm mặt
- Mạng lục giác xếp chặt

Hình 0.6 Mạng lục giác xếp chặt
1.1.3 Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn
Các tinh thể vật rắn có thẻ có kết cấu đồng nhất. Sự phá huỷ các kết cấu đồng
nhất và tạo nên các khuyết tật trong vật rắn thường gặp nhiều trong thực tế.
Những khuyết tật có thể được tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong q
trình cơng nghệ chế tạo vật liệu.
Khuyết tật của vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của
trường tĩnh điện mạng tinh thể như: phá vỡ thành phần hợp thức; sự có mặt của các tạp
chất lạ; áp lực cơ học; các lượng tử của dao động đàn hồi – phônôn; mặt tinh thể phụ –
đoạn tầng; khe rãnh, lỗ xốp…
Khuyết tật sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ – lý – hố và các tính chất về điện của
vật liệu. Khuyết tật có thể tạo nên các tính năng đặc biệt của tốt ( ví dụ: vi mạch IC…)
và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi ( Ví dụ: vật liệu cách điện có lẫn
kim loại )

1.1.4. Lý thuyết về vùng năng lượng
Trang 17


Hình 0.7 Lý thuyết về vùng năng lượng
Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu
thành các nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn và điện môi ( cách điện )
Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí khi các
nguyên tử cách xa nhau một khoảng cách lớn chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất được
đặc trưng bởi những vạch quang phổ hoàn tồn xác định.

Điều đó chứng tỏ rằng các ngun tử khác nhau có những trạng thái năng lượng
hay mức năng lượng khác nhau.
Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường khơng bị kích thích, một số trong các mức
năng lượng bị nguyên tử lấp đầy, còn các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có
mặt khi các nguyên tử nhận được năng lượng tử bên ngoài tác động ( trạng thái kích
thích ).
Ngun tử ln có xu hướng quay về trạng thái ổn định. Khi điện tử chuyển từ
mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát
ra phần năng lượng dư thừa.
Những điều nói trên được đặc trưng bởi biểu đồ năng lượng. Khi chất khí hố lỏng
và sau đó tạo nên mạng tinh thể của vật rắn, các nguyên tử nằm sát nhau, tất cả các
mức năng lượng của nguyên tử bị dịch chuyển nhẹ do tác động của các nguyên tử bên
cạnh tạo nên một dải năng lượng hay cịn gọi là vùng các mức năng lượng.
Do khơng có năng lượng chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình thường của
các nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hố trị hay cịn gọi là vùng đầy ( ở
00K các điện tử hoá trị của nguyên tử lấp đầy vùng này ).
Những điện tử tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng của
chúng tập hợp thành vùng tự do hay vùng điện dẫn
1.2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN:
1.2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện
Trang 18


Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện ( điện môi ),
bán dẫn và dẫn điện.
a. Điện mơi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện thường sự dãn điện bằng
điện tử khơng xảy ra.
Các điện tử hố trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của sự chuyển động
nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn.
Chiều rộng vùng cấm của điện môi  W nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài điện tử

vôn ( eV ).
b.Bán dẫn: Là chất có vùng cấm hẹp hơn nhiều so với điện mơi, vùng này có thể thay
đổi nhờ tác động năng lượng bên ngoài.
Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (  W = 0,2 – 1,5eV ), do đó ở nhiệt độ
bình thường một số điện tử hố trị ở trong vùng đầy được tiếp sức của chuyển động
nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dịng điện dẫn.
c. Vật dẫn: Là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy thậm chí thể nằm chồng lên
vùng đầy (  W < 0,2eV ).
Vật dẫn điện có số lượng điện tư tự do rất lớn; ở nhiệt độ bình thường các điện
tử tự do trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của
lực điện trường các điện tử này tham gia vào dịng điện dẫn. Chính vì vậy vật dẫn có
tính dẫn điện tốt.
1.2.2. Phân loại vật liệu theo từ tính
a. Nghịch từ: Là những chất có mật độ từ thẩm  < 1 và khơng phụ thuộc vào cường
độ từ trường bên ngoài.
Loại này gồm có Hidro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, muối mỏ và các
kim loại như: đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, gali, atimoan.
b. Thuận từ: Là những chất có độ từ thẩm  > 1 và cũng khơng phụ thuộc vào từ
trường bên ngồi. Loại này gồm có oxy, nitơ oxit, muối đất hiếm, muối sắt, các muối
coban và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim.
c. Chất dẫn từ: Là các chất có  > 1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài.
Loại này gồm có: sắt, niken, coban, và các hợp kim của chúng; hợp kim crom và
mangan, gađolonit, pherit có các thành phần khác nhau.
1.3. TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU:
1.3.1. Cơ tính
Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu được
tác động của của các loại tải trọng . Những đặc trưng đó là:
a. Độ bền
Trang 19

Là khả năng của vật liệu chịu được tác động của ngoại lực mà không bị phá huỷ.
Độ bền được ký hiệu bằng chữ  ( xích ma )
Tuỳ theo dạng khác nhau của ngoại lực ta có các độ bền : độ bền kéo (k); độ bền
uốn (u ); độ bền nén (n ).
Khi chế tạo ra một loại vật liệu, độ bền được xác định ngay trong phòng thí
nghiệm theo các mẫu ứng với các tải trọng động khác nhau.
b. Độ cứng
Là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác
dụng lên kim loại thông qua vật nén.
Nếu cùng một giá trị lực nén, vết lõm biến dạng trên mẫu đo càng lớn , càng sâu
thì độ cứng của mẫu kim loại đó càng kém.
Đo độ cứng là phương pháp thử đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất
của vật liệu mà không cần phá hỏng chi tiết.
Độ cứng có thể đo nhiều phương pháp nhưng đều dùng tải trọng nén thông qua
một viên bi bằng thép đã nhiệt luyện cứng hoặc mũi kim cương hình nón hoặc hình
chóp ép lên bề mặt vật liệu muốn thử, đồng thời xác định kích thước vết lõm in trên
mặt vật liệu đó.
c. Độ giãn dài tương đối
Là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lượng giãn dài sau khi kéovà chiều dài ban đầu,
được ký hiệu là %.


L1  L0
.100%
L0

Trong đó: L1 và L0 – độ dài mẫu trước và sau khi kéo tính cùng đơn vị đo (mm) . Vật
liệu có độ giãn dài càng lớn thì vật liệu đó càng dẻo và ngược lại.
d. Độ dai va chạm

Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng tác dụng đột ngột (
hay gọi là tải trọng va đập ).
Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đómà khơng bị phá huỷ gọi là
độ dai va chạm. Ký hiệu của nó là ak ( J/mm2 hoặc KJ/m2 ).
e. Độ bền mỏi
Giới hạn bền mỏi là chỉ tiêu cơ tính quan trọng để đánh giá khả năng làm việc
của chi tiết dưới tải trọng thay đổi như trục, bánh răng, lò xo
Như chúng ta đã biết , ứng suất cang lớn số chu trình chịu đựng được của chi tiết
càng nhỏ.
Trang 20


Giới hạn mỏi được đánh giá bởi ứng suất lớn nhất tại đó mẫu chịu đựng được tới
10 chu kỳ mà theo kinh nghiệm thì sau đó rất ít khi bị phá huỷ.
7

Từ cơ chế phá huỷ mỏi ở trên người ta đã áp dụng các biện pháp sau để nâng cao giới
hạn mỏi.
Tạo nên trên lớp bề mặt lớp ứng suất nén dư. Vết nứt mỏi thường xuất hiện trên
bề mặt do ứng suất kéo tại đó là lớn nhất .
Nếu ở đó có ứng suất nén dư ( có sẵn ) thì ứng suất kéo tác dụng thực tế sẽ giảm
đi, nhờ đó sẽ hạn chế được vết nứt.
Có thể tạo nên ứng suất nén dư trên bề mặt bằng cách phun bi, lăn ép, va đập, tôi
bề mặt và hoá nhiệt luyện.
Nâng cao độ bền tức là khả năng cản trượt do đó khó sinh ra vết nứt mỏi đầu tiên,
nhờ đó nâng cao được giới hạn mỏi.
Tạo cho bề mặt có độ bóng cao, khơng có rãnh, lỗ, tránh tiết diện thay đổi đột
ngột.
1.3.2. Lý tính
Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành

phần hoá học của kim loại đó khơng thay đổi.
Lý tính cơ bản của kim loại bao gồm : khối lượng riêng , nhiệt độ nóng chảy ,
tính giãn nở, tính dẫn nhiệt, tính ddndieenj và từ tính.
a. Khối lượng riêng
Là khối lượng của 1cm3 vật chất. Nếu gọi m là khối lượng của vật chất, V là thể
tích của vật chất,  là khối lượng riêng của vật chất thì ta có cơng thức:
 = m/V (g/cm3 )
Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi , nó khơng những có
thể dùng để so sánh kim loại nặng nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu mà còn dùng để
giải quyết một số công việc trong thực tế.
Chẳng hạn như khi những vật lớn như thép đường ray, thép định hình rất khó có
thể cân được khối lượng nhưng vì biết được khối lượng riêng và có thể đo kích thước
mà tính ra thể tích nên có thể khơng cần cân chỉ dùng cơng thức để tìm ra khối lượng
riêng của chúng.
b. Nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ nung nóng đến đó thì làm cho kim loại từ thể rắn
sang thể lỏng. Chẳng hạn như sắt nguyên chất chảy ở nhiệt độ 15390C. Điểm chảy của
gang là 1130 – 13500C. Điểm chảy của thép là 1400 – 15000C.

Trang 21


Đối với gang và thép thì nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào hàm lượng cacbon có
trong thép và gang.
Tính chát này thì rất quan trọng đối với cơng nghiệp chế tạo cơ khí, trong cơng
nghệ hàn vì chúng ta nắm được nhiệt độ nóng chảy của từng loại vật liệu mà chúng ta
có thể điều chỉnh được trong quá trình sản xuất cũng như quá trình hàn và cắt kim loại.
c.Tính giãn nở
Là khả năng giãn nở của kim loại khi nung nóng. Độgiãn nở lớn hay bé phụ
thuộc vào sự biểu thị bằng hệ số giãn nở trên chiều dài của đơn vị ( 1mm ) gọi là hệ số

giãn nở theo chiều dài .
Ví dụ như hệ số giãn nở theo chiều dài của sắt nguyên chất là 0.0000118 và của
thép là 0.0000120.
d.Tính dẫn nhiệt
Là khả năng dẫn nhiệt của kim loại. Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim
khơng giống nhau.
Ví dụ như gang và thép có tính dẫn nhiệt tốt nhưng cịn kém xa so với đồng và
nhôm. Nếu lấy hẹ số dẫn nhiệt của bạc là 1 thì của đồng là0.9; nhơm 0.5; sắt chỉ có
0.15.
e. Tính dẫn điện
Là khả năng truyền dòng điện của kim loại. Kim loại đều là vật dẫn điện tốt, nhất
là bạc sau đó đến đồng và nhôm nhưng do bạc rất đắt tiền nên trong kỹ thuật chúng ta
thường sử dụng đồng và nhơm.
Nhìn chung hợp kim có tính dẫn điện kém hơn so với kim loại.
g. Từ tính
Là khả năng dẫn từ của kim loại . Những vật liệu có khả năng từ tính rất cao đó
là sắt, niken, coban và hợp kim của chúng.
1.3.3. Hố tính
Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng của những chất khac như: ô xy,
nước, áxit …mà khơng bị phá
a. Tính chịu ăn mịn
Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mịn của mơi trường xung quanh
b.Tính chịu nhiệt
Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mịn của ơ xy trong khơng khí nhiệt độ cao
hoặc đối với tác dụng ăn mịn của một vài thể lỏng hoặc thể khí ở nhiệt độ cao.
c. Tính chịu a xít
Trang 22


Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mịn của a xít

1.3.4. Tính cơng nghệ
Là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại, hợp kim , tính cơng nghệ bao gồm
các tính chất sau:
a. Tính đúc
Được đặc trưng bởi độ chảy lỗng, độ co và tính thiên tích.
Độ chảy lỗngbiểu thị khả năng điền đầy khn của kim loại và hợp kim. Nếu độ
chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt.
b. Tính rèn
Là khả năng biến dạng vĩnh cữu của kim loại khi chịu tác dụng của ngoại lực để
tạo thành hình dạng của chi tiếtmà khơng bị phá huỷ.
Thép có thép có tính rèn cao khi nung ở nhiệt độ phù hợp vì tính dẻo tương đối
lớn. gang khơng có khả năng rèn vì tính giịn cao.
Đồng, chì, có khả năng rèn tốt ngay ở tràng thái nguội của chúng.
c. Tính hàn
Là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử hàn khi được nung nóng sơ bộ
chỗ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo.
 TÓM TẮT NỘI DUNG BÀI MỞ ĐẦU:
1.1. Khái niệm.
1.2. Cấu tạo nguyên tử của vật liệu.
1.3. Cấu tạo phân tử.
1.4. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn.
1.5. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn
 CÂU HỎI CỦNG CỐ BÀI MỞ ĐẦU:
Câu 1. Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử của vật liệu?
Câu 2. Trình bày các mối liên kết trong vật liệu? So sánh đặc điểm của các mối liên
kết đó?
Câu 3. Thế nào gọi là khuyết tật trong cấu tạo vật rắn và các khuyết tật đó ảnh hưởng
như thế nào tới các tính chất của vật rắn?.
Câu 4. Trình bày lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn? Nêu cách phân loại vật
liệu theo lý thuết phân vùng năng lượng?.

Câu 5. Vật liệu điện được phân loại như thế nào? trình bày các cách phân loại đó?

Trang 23


CHƯƠNG 1. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1:
Chương 1 là bài giới thiệu nội dung về vật liệu cách điện để người học có được kiến
thức nền tảng và dễ dàng tiếp cận nội dung môn học ở những chương tiếp theo.
 MỤC TIÊU CHƯƠNG 1:
Sau khi học xong bài mở đầu, người học có khả năng:
- Nhận dạng, phân loại được chính xác các loại vật liệu cách điện dùng trong cơng
nghiệp và dân dụng.
-

Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu cách điện thường dùng.

-

Sử dụng phù hợp các loại vật liệu cách điện theo từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể.

-

Xác định được các nguyên nhân gây ra hư hỏng và có phương án thay thế khả thi
các loại vật liệu cách điện thường dùng.

-

Rèn luyê ̣n đươc̣ tính cẩ n thâ ̣n, chính xác, chủ đô ̣ng trong công việc.

 PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG 1:
- Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn
đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập
chương 1 (cá nhân hoặc nhóm).
- Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 1) trước buổi học; hoàn
thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống bài mở đầu theo cá nhân hoặc
nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định.
 ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG 1:
- Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng: Phịng học lý thuyết
- Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác
- Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình mơn học, giáo trình, tài liệu tham
khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan.
- Các điều kiện khác: Khơng có
 KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 1:
- Nội dung:
 Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức
 Kỹ năng: khơng có
 Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp
+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.
+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học.
+ Nghiêm túc trong quá trình học tập.
- Phương pháp:
 Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng)
Trang 24


 Kiểm tra định kỳ lý thuyết: 1 điểm kiểm tra (hình thức: kiểm tra trắc nghiệm)
 NỘI DUNG CHƯƠNG 1:
2.1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện:

2.1.1. Khái niệm chất điện môi:
a. Điện dẫn của điện môi:
Khi đặt điện môi vào điện trường E, điện áp U, đo trị số dịng điện đi qua điện mơi
ta thấy dòng điện biến thiên theo thời gian.
Dòng điện đi trong điện mơi gồm 2 thành phần là dịng điện rị ( Irò ) và dòng điện
phân cực ( Iphân cực).
I = Iro

+

Iphân cực

Ở điện áp một chiều, dòng điện phân cực chỉ tồn tại trong thời gian quá trình quá
độ hay khi đóng ngắt điện. Đối với điện áp xoay chiều, dòng điện phân cực tồn tại trong
suốt thời gian đặt điện áp.
Dựa vào trị số của dòng điển rò để đánh giá chất lượng của của vật liệu cách điện.
Nếu dịng rị có trị số bé thì cách điện tốt, nếu trị số lớn thì tính chất cách điện của vật
liệu kém. Như vậy tính chất của vật liệu cách điện được xác định qua điện dẫn suất (  )
hay điện trở suất (  )
 =

1


Điện trở cách điện của khối điện môi R cđ là:
Rcđ =
Trong đó:

U
I ro

U – điện áp một chiều.

Điện mơi rắn có rất nhiều loại, chúng đa dạng về cấu trúc, thành phần hóa học,
nguồn gốc và mức độ lẫn các tạp chất bụi bẩn… do vậy điện dẫn của điện môi rắn rất
phức tạp.
Điện dẫn trong điện môi rắn được tạo nên là so sự chuyển dịch các ion của bản
thân điện môi rắn cũng như của các ion tạp chất dưới tác dụng của điện trường.
Ở một số vật liệu tính dẫn điện của chúng cịn có thể do sự chuyển động của các
điện tử tự do.
Để đánh giá chất lượng của điện môi người ta thường xác định điện dẫn suất khối
hay điện trở suất khối.
Đối với điện môi rắn có 2 khái niệm: Điện trở suất khối  v và điện trở suất mặt 
s.

Trang 25