Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 1 - Phạm Thành Chung

VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN

Presented by
PHAM THANH CHUNG
1


Introduction
★ Pham Thanh Chung
★ School of Electrical Engineering.
★ Hanoi University of

Science and Technology.
★ Email:
★ Phone: 0912021209

2


Kiến thức cần thiết
★ Vật lý

I, II,
★ Hóa học
★ Lý thuyết trường

Tài liệu học tập
★ Giáo trình VLKTĐ- PGS.TS.Nguyễn Đình Thắng
★ Vật lý

chất rắn- Nguyễn Thị Bảo Ngọc

3


Schedule
★ PHẦN 1 VẬT LIỆU ĐIỆN
• Chương 1. Cấu tạo của vật chất.
• Chương 2. Vật liệu dẫn điện
• Chương 3. Vật liệu bán dẫn
• Chương 4. Vật liệu từ
• Chương 5. Vật liệu siêu dẫn
★ PHẦN 2 VẬT LIỆU ĐIỆN MƠI
• Chương 6. Các q trình điện lý của điện mơi
• Chương 7. Các đặc tính cơ-lý-hóa của điện mơi
• Chương 8. Vật liệu điện mơi
• Chương 9. Điện mơi khí
• Chương 10. Điện mơi lỏng
• Chương 11. Điện mơi rắn
• Chương 12. Cách điện dùng trong các thiết bị điện
4


Giới thiệu chung
Muc đích của mơn học:
Thơng qua mơn học này, hiểu được tính chất và đặc
điểm của các vật liệu:
 Vật liệu dẫn điện
 Vật liệu bán dẫn điện
 Vật liệu từ
 Vật liệu siêu dẫn

 Vật liệu cách điện
Học để trả lời - Vì sao nó cách điện?
- Vì sao nó dẫn điện?
- Vì sao nó dẫn từ…?

5


Giới thiệu chung
Tại sao phải sử dụng các loại vật liệu khác nhau?

Cấu tạo của MBA

Lõi thép (mạch từ)

Lõi thép: Fe, thép, tôn silic, titan…
Dây quấn: Cu
Vỏ: Nhựa, gỗ, thép, gang hoặc tôn mỏng
Cách điện: Sứ ra của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp
Ê may, phủ sơn cách điện, giấy dầu, tơ cách điện….
Dầu máy biến áp..

Dây quấn

6


Giới thiệu chung
Cách chúng liên kết lại với nhau để tốt hơn?
VD: Sắt (Fe) bình thường dẫn điện tốt

Nếu trộn thêm Carbon (C) → thép cacbon (cacbua sắt Fe3C)
Nếu trộn thêm Silic (Si) → thép silic (tôn silic) → dẫn điện tốt hơn
Nếu trộn thêm Crôm (Cr)→ thép không gỉ

Fe
Tôn silic

Thép mạ Crôm

7


Cấu trúc tinh thể sắp xếp khác nhau?
Một số dạng đặc thù của Cacbon (C)

8


Cấu trúc tinh thể sắp xếp khác nhau?
Một số dạng đặc thù của Cacbon (C)

CaCO3 (hàng triệu n/tử →viên phấn)

9


Giới thiệu chung

Lịch sử phát triển của khoa học vật liệu

★ Lồi người thơng minh ∼35 nghìn năm (thời kỳ đồ đá):
★
★

★
★

sử dụng gỗ, đá, da để săn bắn, hái lượm và trồng trọt.
Chữ viết & số học:3000 năm TCN (nền văn minh Ai Cập
cổ đại – dọc dịng sơng Nile)
Thuyết đầu tiên về KHVL cửa Empedocles (Hy Lạp)
∼450 TCN – Khởi nguồn lý thuyết vũ trụ của 4 nguyên
tố (gốc rễ) nước, đất, kk và lửa →tạo ra tất cả cấu trúc
TG.
∼420 TCN, Leucippe- ptriển cấu tạo nguyên tử đầu tiên.
Trong T/học: cho rằng cái tồn tại (ng tử) tồn tại, nhưng
cái không tồn tại (chân không) cũng tồn tại…
Trong T/học Trung Hoa, tất cả vạn vật đều phát sinh từ
5 ng tố cơ bản: Kim, Mộc, Thủy, Hỏa,Thổ (thời nhà Chu,
T/kỷ 12 TCN ÷256 TCN)
10


Chương 1. Cấu tạo của vật chất
1. Cấu tạo của ngun tử.
1.1. Mơ hình ngun tử BORH
Ngun tử là phần tử nhỏ nhất có thể
nhìn thấy được (tuy nhiên khơng phải nhỏ
nhất là không thể phân chia được)
Bất kỳ nguyên tử nào cũng được cấu tạo:

-Hạt nhân mang điện tích (+)
-Các điện tử (electron) mang điện tích (-) chuyển động xung quanh hạt nhân
theo 1 quĩ đạo nhất định.
Các nguyên tử khác nhau ở chỗ:

Hạt nhận to hay bé
Điện tử nhiều hay ít
(nhiều nguyên tử chỉ tồn tại trong t/g rất ngắn)
(Trong bẳng tuần hồn có hơn 100 ngun tử)

11


Chương 1. Cấu tạo của vật chất
1.1. Mơ hình ngun tử BORH
Giữa hạt nhân và e có quan hệ ?
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:
Lực hút f1 sẽ được cân bằng với lực ly tâm trong
quá trình chuyển động:

12


q2
2r
.

Chương 1. Cấu tạo của vật chất

1.1. Mơ hình ngun tử BORH
Giữa hạt nhân và e có quan hệ ?

Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r ra xa vơ cùng
cần phải cung cấp cho nó một năng lượng lớn hơn hoặc bằng
Năng lượng ion hóa (Wi)
Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện
tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở
thành điện tử tự do
13


Chương 1. Cấu tạo của vật chất
Yếu điểm của mô hình?
Mơ hình ngun tử Borh khơng giải thích được:
-Vì sao các e cđ trong cùng 1 quỹ đạo xq hạt
nhân?
-Có nguyên tử sáng hơn nguyên tử khác?

Các mức năng lượng của e là
gián đoạn:
-Khi e còn nằm trong a/hg
của hạt nhân, e chỉ được
phép c/đ sang các quỹ đạo
1,2,3..(ko thể là 1.5, 2.5...ko
liên tục)
- Khi e di chuyển ra mức Wion
hóa có thể nhận bất kỳ mức
NL nào.

14


Chương 1. Cấu tạo của vật chất
1.2. Thuyết cơ học lượng tử
Theo Borh: e có tính hạt (quan tâm đến bán kính & khoảng cách)
2 e đập vào nhau →khơng to hơn
Lượng tử: e có tính hạt + sóng (quan tâm đến khơng gian và thời gian)

Có 4 số lượng tử (n, l, m, ms)
-Số lượng tử chính n với các giá trị 1, 2, 3 …xác định kích cỡ quỹ đạo (orbit) của điện
tử và năng lượng của nó.
- Số lượng tử orbital l (hay còn gọi là số lượng tử mơmen góc quỹ đạo) mơ tả
mơmen góc của chuyển động quỹ đạo.
- Số lượng tử từ m mô tả thành phần của mơmen góc quỹ đạo l theo một phương
nhất định, cịn gọi là phương lượng tử hóa. Đa số các trường hợp phương lượng
tử hóa được chọn trùng với phương của trường ngoài.
- Số lượng tử spin ms mô tả thành phần của spin điện tử theo một phương nhất định,
15
thông thường là phương của trường đặt vào.


Chương 1. Cấu tạo của vật chất
2. Cấu tạo phân tử và các dạng liên kết
Phân tử được cấu tạo bởi mối liên kết giữa các nguyên tử với nhau

2.1. Liên kết ion
Liên kết ion được xác lập bởi lực hút tĩnh điện giữa các ion (+) và các ion (-) trong
phân tử. Lực liên kết này là rất lớn nên là liên kết khá bền vững, có độ bền cơ học và
nhiệt độ nóng chảy cao. (ví dụ: Na+Cl- …)

Nguyên tử Na (stt11):cấu trúc 2/8/1
Nguyên tử Cl (stt17): 2/8/7
Trong tự nhiên, các ngun tử ln có
xu hướng (hồn thiện) phải có đầy
đủ số điện tử ở lớp ngồi cùng (hoàn
hảo) → tồn tại lâu dài
Cấu trúc liên kết
ion clorua natri

Mơ hình mạng tinh thể NaCl

16


Chương 1. Cấu tạo của vật chất
2.2. Liên kết cộng hóa trị

Liên kết cộng hố trị được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử của các
nguyên tử trong phân tử.

H

+

Cl

H

Cl

Tuỳ thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hố
trị có thể là trung tính hay cực tính (lưỡng cực):
- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau là phân tử trung
tính (khơng cực tính). Các chất tạo nên từ các phân tử trung tính được gọi là chất trung
tính. (chẳng hạn như: Cl2, H2…)
- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm không trùng nhau, cách nhau
một khoảng a nào đó là phân tử cực tính (lưỡng cực). Các chất tạo nên từ các phân tử
cực tính được gọi là chất cực tính. (chẳng hạn như: HCl…)
17


Chương 1. Cấu tạo của vật chất
2.2. Liên kết cộng hóa trị
Liên kết cộng hóa trị cịn thấy ở cả chất rắn vơ cơ có mạng tinh thể cấu tạo từ các nguyên
tử, ví dụ như kim cương

Tinh thể nguyên tử cấu tạo từ những nguyên tử được sắp xếp một cách đều đặn, theo
một trật tự nhất định trong không gian tạo thành một mạng tinh thể. Ở các điểm nút
của mạng tinh thể là những nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị.
18


Chương 1. Cấu tạo của vật chất
2.3. Liên kết kim loại
Đặc trưng cho các kim loại trong thực tế. Các nguyên tử kim loại lên kết với nhau qua
liên kết kim loại.
Mơ hình liên kết kim loại với các
ion dương cố định ở nút mạng liên
kết với “biển điện tử” xung quanh.
Ví dụ: Fe có 26 e

• Dạng liên kết này tạo nên trong các tinh thể vật rắn (kim loại).
• Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tự do tạo nên tính nguyên khối của kim loại.
Vì vậy đây là liên kết bền vững, có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao.
• 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 trên nhau
giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng.
19


Chương 1. Cấu tạo của vật chất
a. Cấu trúc tinh thể dạng ô lưới

Cubic
Dạng đơn giản

Cubic
Đối xứng qua tâm

Monoclinic
Dạng đơn giản

Monoclinic
Đối xứng qua 2 mặt

Cubic
Đối xứng qua mặt

Hexagonal

Triclinic

Tetragonal
Dạng đơn giản

Rhombohedral

Tetragonal
Đối xứng qua tâm

20


Chương 1. Cấu tạo của vật chất
b. Sai hỏng trong mạng tinh thể

Sai hỏng điểm (point defect) hay sai hỏng khơng có chiều

Sai hỏng đường (line defect)
hay sai hỏng 1,2,3 chiều

Trật khớp đường viền, trật khớp xoay
và trật khớp hỗn hợp
21


Chương 1. Cấu tạo của vật chất
2.4. Liên kết thứ cấp (liên kết yếu)
a. Liên kết Hydro
Liên kết hydro là được hình thành bởi lực hút giữa nguyên tử hydro liên kết với một nguyên

tử mang điện tích âm của một nguyên tố và một nguyên tử mang điện tích âm của một
nguyên tố khác.
Liên kết hydro trong phân tử nước và cấu trúc
của nước trong tự nhiên
VD: 2 H + O-> 1 phân tử H2O. Vậy 2 phân tử nước lk với
nhau bằng liên kết cộng hóa trị bất đối xứng. Do Oxi có
6e lớp ngồi cùng. Hydro có 1e -> cặp e dùng chung
lệch về phía O.

22


Chương 1. Cấu tạo của vật chất
2.4. Liên kết thứ cấp (liên kết yếu)
b. Liên kết Vanderwaals
• Liên kết Van der Waals có mặt trong tất cả các vật liệu nhưng nó rất yếu so với các liên kết
sơ cấp. Năng lượng liên kết nhỏ hơn 40kJ/mol. Nó là nguyên nhân dẫn tới sự hoá lỏng hay
sự hoá rắn của các khí như H2, N2, O2…
• Trong liên kết sơ cấp, các nguyên tử đều có xu hướng tạo nên cấu hình điện tử của các
ngun tử khí hiếm bằng cách cho nhận hoặc chia sẻ điện tử.
• Thực tế thì các ngun tử vẫn có thể tạo thành liên kết với nhau mà không cần cho nhận
hay chia sẻ điện tử. Liên kết đó được gọi là liên kết Van der Waals hay là một dạng của liên
kết thứ cấp.

23


Chương 1. Cấu tạo của vật chất

3. Lý thuyết phân vùng năng lượng.

3.1. Cơ chế hình thành các vùng năng lượng của vật liệu
o Theo Borh: Điện tử nhận NL ra quỹ đạo xa hơn ( Ví dụ: 1
eV, 2 eV…)
o Mỗi một điện tử trong nguyên tử đều có một mức năng
lượng nhất định.
o Nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi những vạch
quang phổ hoàn toàn xác định-> C/tỏ các ngtử khác nhau
có những trạng thái năng lượng hay mức NL khau.
o Trong vật chất các điện tử giống nhau tập hợp lại thành 1
dải (vùng) được gọi là vùng năng lượng.
o 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).

24


Chương 1. Cấu tạo của vật chất

3. Lý thuyết phân vùng năng lượng.
3.1. Cơ chế hình thành các vùng năng lượng của vật liệu

W

Vùng tự do (điện dẫn)

ΔW

Nguyên tử

Vật thể

Vùng cấm (vùng trống)

Với vật chất được chia thành 3 vùng như sau:
- Vùng hoá trị (vùng đầy): Ở đây các điện tử hố
trị có mức năng lượng thấp.

- Vùng tự do (vùng điện dẫn): các điện tử vùng
này có mức năng lượng cao hơn (tập hợp các
Vùng hoá trị (vùng đầy)
mức NL từ ion hóa trở lên).
- Vùng cấm (vùng trống): nằm giữa vùng hoá trị
và vùng tự do

Căn cứ vào độ lớn 3 vùng-> chia VL ra làm 3 loại:

25