Vật liệu điện - Chương 6 pdf

Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 46
Chơng VI: Vật liệu dẫn điện
I. Tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện
1. Khái niệm
Vật liệu dẫn điện (VLDĐ) có thể là vật liệu rắn, lỏng và trong những điều
kiện nhất định có thể là thể khí.
Thể rắn: Đồng, nhôm, sắt
Thể lỏng: Các kim loại nóng chảy, các dây dẫn điện phân và thuỷ phân
Thể khí: là tất cả các khí và hơi kể cả hơi kim loại khi cờng độ điện
trờng vợt quá trị số giới hạn sẽ gây ra ion hoá va chạm và chất khí trở thành
vật dẫn.
2. Các tính chất cơ bản
a) Điện dẫn suất và điện trở suất
Điện trở: Là quan hệ giữa điện thế không đổi đặt lên vật và dòng điện
chạy qua trong vật dẫn đó:
s
l
R
=


: Điện trở suất của vật liệu (m)
l: Là chiều dài dây dẫn
s: Tiết diện dây dẫn
Điện dẫn: Là đại lợng nghịch đảo của điện trở

=
11
R
G

Điện trở suất



: Là điện trở của dây dẫn chiều dài là 1 đơn vị và tiết diện
là 1 đơn vị.
Điện dẫn suất: Là đại lợng nghịch đảo với điện trở suất của dây
dẫn:


1
=

Điện trở suất và điện dẫn suất thay đổi rất lớn theo nhiệt đô.
b) Hệ số nhiệt độ của điện trở suất (

p
)
Điện trở suất có quan hệ với nhiệt độ theo công thức:
p
t
= p
0

(1+
p
t)
Trong đó: p
t
: Điện trở suất ở nhiệt độ t
Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 47
mV

P
0
: Điện trở suất ở nhiệt độ ban đầu t
0


p
: Hệ số nhiệt độ của điện trở suất.
Hệ số nhiệt độ của điện trở suất
(
)
tp
pp

0
01
p

=

Các kim loại nguyên chất ở thể rắn cho trị số nhiệt độ gần bằng nhau và
đợc xác định = 1/273 0,004
Tuy nhiên khi chuyển trạng thái rắn sang lỏng đa số các kim loại có điện
trở suất tăng.
c) Nhiệt dẫn suất
Nhiệt dẫn suất là khả năng truyền nhiệt của vật dẫn, nó có quan hệ với
điện dẫn suất. Đa số các kim loại có nhiệt dẫn suất lớn, nếu gọi nhiệt dẫn suất
lớn là
t
= at.
: Điện dẫn suất của vật dẫn
a: Hệ số phụ thuộc vào loại vật dẫn
t: Nhiệt độ tuyệt đối
d) Sức nhiệt điện động

Khi có hai thanh kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau,
giữa chúng sẽ xuất hiện một hiều điện thế gọi là hiệu điện
thế tiếp xúc.
Nguyên nhân gây ra hiệu điện thế tiếp xúc là do công
thoát điện từ của các kim loại khác nhau.
Điện tử của thanh kim loại có công thoát bé sẽ khuyếch tán qua chỗ tiếp
xúc sang thanh kim loại có công thoát lớn và tạo ra hiệu điện thế giữa hai thanh.
Nhiệt độ càng cao thì điện tử khuyếch tán sang nhau càng nhiều và nhiều
điện thế tiếp xúc càng lớn. Đo hiệu điện thế tiếp xúc có thể xác định đợc nhiệt
độ chỗ tiếp xúc.
Nh vậy chỗ tiếp xúc giữa hai thanh kim loại khác nhau là một nguồn
điện. Sức điện động của nguồn này phụ thuộc vào nhiệt độ nên gọi là sức nhiệt
điện động.
Hiện tợng nêu trên đợc ứng dụng làm nhiệt ngẫu do nhiệt độ và làm các
cặp pin nhiệt điện.

e) Tính chất cơ giới
Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 48
Tính chất cơ giới là tính chất quan trọng của vật dẫn, đợc đặc trng bởi
giới hạn bền kéo
k
và độ dn dài tơng đối khi đúc
l


.
II. Vật liệu có điện dẫn cao
Vật liệu có điện dẫn cao nh Cu, Al, Fe trong đó đồng, nhôm đợc sử
dụng rộng ri.
1. Đồng
Đồng là vật liệu quan trọng trong tất cả cácloại vật liệu dùng trong kỹ
thuật điện.
Có điện trở suất nhỏ = 0,0172 (mm
2
/m) và = 58 (m/mm
2
)
Độ bền cơ giới tơng đối cao.
ở nhiệt độ bình thờng chịu đợc tác dụng của môi trờng.
Dễ gia cong, hàn gắn dễ dàng.
a) Đồng nguyên chất: Loại này tỷ lệ tạp chất rất ít (0,05%) trong đó có
thêm một số nguyên tố mà tỷ lệ không đáng kể nh kẽm, magiê, thiếc, nhôm.
Loại đồng này thờng có màu đỏ, mềm và đợc dùng làm thanh dẫn, ruột cáp và
các tiếp điểm dẫn điện.
b) Đồng không có Oxy: Loại này lợng tạp chất chiếm 0,06% và lợng

Oxy nhỏ là 0,02%, có cờng độ cơ giới tốt khi gia công theo phơng pháp kéo
nguội sẽ làm cho đồng cứng lại, loại này có độ dn dài bé và có sự đàn hồi khi
uôn. Nó đợc áp dụng làm vành trợt cổ góp trong Máy phát điện, làm lò so dẫn
điện trong các đồng hồ đo.
Khi gia công bằng phơng pháp nóng thì đợc một loại đồng mềm có sức
bền cơ giới kém nhng có điện dẫn cao và dùng làm dây dẫn đờng điện trên
không và hệ thống thanh góp trên trạm biến áp.
c) Các hợp kim của đồng.
Đồng thanh: Khi pha chế đồng với thiếc, Silic, phốt pho thì sẽ cho các
sản phẩm gọi là đồng thanh, có độ bền kéo tăng, điện trở suất lớn và đặc tính cơ
lớn hơn vói đồng nguyên chất.
Đồng pha với kẽm đợc sản phẩm là đồng thau có độ dn dài cao và độ
bền kéo cao hơn so với đồng nguyên chất, loại này dùng làm các chi tiết dẫn
điện lò xo.
Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 49
2. Nhôm
Là vật dẫn quan trọng thứ hai sau đồng, đó là kim loại màu bạc trắng
thuộc kim loại nhẹ hơn đồng 3,5 lần và có hệ số dn nở dài, nhiệt dung riêng và
nhiệt độ nóng chảy cao hơn đồng.
Trong kỹ thuật điện thờng dùng loại dây nhôm có tạp chất chiếm 0,05%
dùng làm vật dẫn dới dạng lá nhôm, thanh nhôm và dây dẫn nhiều sợi. Độ bền
cơ của nhôm nhỏ hơn đồng.
Ví dụ: Cùng tiết diện, cùng chiều dài thì điện trở của dây nhôm > 1,63 lần
dây đồng. Vậy để điện trở dây khôm bằng dây đồng thì đờng kính của dây
nhôm phải lớn hơn 1,3 lần dây đồng.
* Ưu điểm: Giá thành rẻ, khi nhôm bị oxy hoá thì lớp vỏ ngoài có tác
dụng bảo vệ không cho ăn mòn tiếp.
* Nhợc điểm: Khả năng chống kéo kém.
Chú ý: Hiện tợng ăn mòn điện hoá giữa chỗ tiếp xúc đồng và nhôm, nếu trong

vùng tiếp xúc có độ ẩm lớn thì sẽ phát sinh ra cặp pin cục bộ có trị số sức điện
động khá cao và có dòng điện đi từ nhôm sang đồng. Kết quả làm cho dây nhôm
bị phân huỷ vì bị ăn mòn nhanh. Vì vậy chỗ nối dây đồng với dây nhôm ngời ta
luôn luôn chú ý bảo vệ chống ẩm tốt.
Ngoài việc ding dây nhôm nguyên chất làm vật dẫn, ngời ta còn ding hợp
kim nhôm có thêm một số nguyên tố Mg, Si, Fe không qúa 1% với mục đích
tăng độ bền cơ giới. Đờng dây tải điện trên không ding phổ biến nhiều loại dây
nhôm có lõi thép dể tăng độ bền cơ giới.
3. Sắt
Là kim loại rẻ tiền, dễ gia công và có độ bền cao, sắt nguyên chất có điện
trở suất lớn hơn nhiều so với đồng và nhôm = 0,1 mm
2
. Nếu sắt có chứa tạp
chất gọi là thép thì điện trở suất tăng.
Dòng điện xoay chiều trong sắt sẽ gây nên hiệu ứng bề mặt bà tổn hao từ
trễ. Sắt ding làm vật dẫn có tỷ lệ Cácbon 0,1ữ0,13% là loại sắt mềm, sắt thờng
có khả năng chống ăn mòn yếu ngay ở nhiệt độ bình thờng và đặc biệt là khi độ
ẩm cao thì bị gỉ nhanh, vì vậy trên bêt mặt của sắt cân đợc bảo vệ một lớp kim
loại bền hơn nó, ví dụ nh mạ kẽm.
III. Vật liệu dẫn điện có điện trở cao
Vật liệu có điện trở cao dới dạng hợp kim đợc dùng trong các dụng cụ
đo, làm điện trở mẫu, biến trở và các dụng cụ đốt nóng bằng điện.
Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 50
1. Manganin
Là hợp kim ding phổ biến trong các dụng cụ đo điện và làm điện trở mẫu.
Manganin là hợp kim có đồng là 86%; Mangan (Mn) 12%; Niken (Ni) 2%. Điện
trở suất = 0,42 ữ 0,52 mm
2
/m.

Nhiệt độ làm việc cho phép t
0
LVCP
= 200
0
C
Công dụng: Làm điện trở Sun, điện trở phụ trong đồng hồ đo, làm sợi
nung trong thiết bị nung.
2. Constantan
Là hợp kim của đồng (Cu) và Niken (Ni). Đồng chiếm 60%; Niken Chiếm
40%. Điện trở suất = 0,48 ữ 0,52 mm
2
/m. Nhiệt độ làm việc cho phép t
0
LVCP

= 500
0
C.
Dùng làm các dây biến trở, dụng cụ đốt nóng bằng điện và ding làm nhiệt
ngẫu để đo nhiệt độ.
3. Hợp kim Crôm - Niken
Là hợp kim của Niken (Ni), Crôm (Cr), Mangan (Mn) trong đó Ni = 60%,
Cr = 15%, Mn = 1.5% còn lại là các chất khác.
Điện trở suất = 1 ữ 1,2 mm
2
/m.
Nhiệt độ làm việc cho phép t
0
LVCP

= 1000
0
C
Công dụng: Dùng làm là điện, bếp điện, mỏ hàn, bàn là
4. Hợp kim Crôm - Nhôm
Là hợp kim rẻ tiền dùng trong thiết bị đốt nóng bằng điện công suất lớn.
Hợp kim này cứng và dòn nên khó kéo thành sợi và thành băng vải.