Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Chương 8 Ngô Quang Ước Bài giảng Vật liệu điện và cao áp

CHƯƠNG 8.
VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN VÀ CÁP ĐIỆN

1. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
1.1. Phân loại và các tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện
* Phân loại:
- Thế rắn: có các kim loại và các hợp kim. Kim loại gồm
loại có điển dẫn cao (dùng làm dây dẫn, cáp điện ) và loại
có điện trở cao (dùng làm biến trở, đèn thăm sáng ).
- Thể lỏng: Gồm các kim loại nóng chảy và dung dịch điện
phân.
- Thể khí: Loại này trở thành vật dẫn nếu ở một điều kiện
nhất định.
* Tính chất:
- Điện dẫn suất và điện trở suất. Ω.m
- Hệ số nhiệt của điện trở suất.
Trong đó:
ρ
t
- điện trở suất của vật liệu đo ở nhiệt độ t
0
;
ρ
0
- điện trở suất ở nhiệt độ ban đầu;
α
ρ
- hệ số nhiệt của điện trở suất
Hệ số nhiệt của điện trở suất nói lên sự thay đổi
điện trở suất của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi:

l
R
S


).1(
0
t
t



t
TK
t



0
0




- Sự biến đổi điện trở suất khi biến dạng.
Kim loại bị kéo hay bị nén, điện trở suất của nó có thể
tính gần đúng như sau:

Với: - σ ứng suất cơ ở tiết diện mẫu; - φ hệ số ứng suất

cơ. Dấu cộng (+) ứng với biến dạng kéo, còn dấu
trừ (-) là khi nén.
- Nhiệt dẫn suất
Theo định luật thực nghiệm Viđeman Frantx


Hệ số a đối với đa số kim loại giống nhau: a = 2,23.10
-8
)1(


L
n
aT



- Sức nhiệt động.
+ Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc thì giữa
chúng phát sinh hiệu điện thế. Và được xác định
theo công thức:


Trong đó:
U
A
và U
B
- điện thế tiếp xúc của kim loại A và B
n

OA
và n
OB
- mật độ điện tử trong kim loại A và B
T – Nhiệt độ tại chỗ tiếp xúc
K – hằng số Boltzman k = 1,38.10
-23
(J/K)
+ Nguyên nhân phát sinh hiệu điện thế tiếp xúc là do
công thoát của mỗi kim loại khác nhau do đó số
điện tử tự do trong các kim loại (hoặc hợp kim)
không bằng nhau

.ln
OA
AB B A
OB
n
KT
U U U
en
  
+ Hiệu điện thế tiếp xúc của các cặp kim loại dao động
vài phần mười đến vài vôn, nếu nhiệt độ của cặp
bằng nhau, tổng hiệu điện thế trong mạch kín bằng
không. Nhưng khi một phần tử của cặp có nhiệt độ là
T
1
còn cặp kia là T
2

thì trong trường hợp này sẽ phát
sinh sức nhiệt điện động (s.n.đ.đ)

A
B
T
1

T
2

mV
Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo cặp nhiệt điện
1 2 1 2
OB
( )ln ( )
OA
n
K
U T T A T T
en
   
+ Sự xuất hiện hiệu điện thế tiếp xúc đóng vai trò quan
trọng ở hiện tượng ăn mòn điện hóa và được úng
dụng trong một số khí cụ đo lường, đặc biệt là ứng
dụng để chế tạo các cặp nhiệt ngẫu dùng để đo
nhiệt độ
- Hệ số nhiệt giãn nở dài của vật dẫn kim loại.
+ Hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài của vật dẫn kim loại

Giá trị: - α
L
cao nóng chảy ở nhiệt độ thấp.
- α
L
nhỏ khó nóng chảy
+ Hệ số nhiệt độ của vật dẫn được tính:



dT
dL
L
TK
t
LL
1


LR



- Tính chất cơ học của vật dẫn.
+ Đặc tính cơ được đặc trưng bằng giới hạn bền và độ
dãn dài tương đối khi đứt ∆l/l
1.2. Vật liệu có điện dẫn cao
1) Đồng (Cu)
- Ưu điểm:

Điện trở suất nhỏ; Độ bền cơ tương đối cao; Chống ăn
mòn tốt; Khả năng gia công tốt; Hàn và gắn tương đối
dễ dàng.
- Sản xuất:
Được tiều chế từ quặng sunfít trong tự nhiên, sau đó
được làm sạch bằng điện phân và sau đó được kéo
thành sản phẩm có tiết diện cần thiết.
- Chế tạo dây dẫn:
Thỏi đồng được cán nóng thành dây đường kính 6,5 – 7,2
mm, sau đó dây được rửa sạch trong dung dịch axít
sunfuric loãng để khử đồng ôxít CuO
2
sinh ra trên bề
mặt khi đốt nóng đồng, cuối cùng kéo nguội thành sợi
có đường kính cần thiết đến 0,03 ÷ 0,02 mm.
• Phân loại đồng
- Theo thành phần tạp chất
+ M1 có 99,90%Cu, các tạp chất khác là 0,10% và
lượng ôxy không được quá 0,08%,
+ MO có MO – 99,95% có tính cơ học tốt hơn, không
quá 0,05% tạp chất, trong đó ôxy không quá 0,02%.
- Theo quá trình sản xuất
+ Khi thực hiện gia công kéo nguội sẽ được đồng
cứng MT. loại này có giới hạn bền cao, độ giãn dài
nhỏ.
+ Đồng ủ sẽ được đồng mềm MM, loại này tương đối
dẻo, có độ cứng nhỏ, độ bền không lớn nhưng độ
dãn dài rất lớn khi đứt và điện dẫn suất cao hơn.
• Đồng tiêu chuẩn là đồng ở trạng thái ủ. ở nhiệt độ

20
0
C có điện dẫn suất 58 (m/Ω.mm
2
).
• Các tính chất của đồng:
+ Có màu đỏ nhạt sáng rực, da công dễ dàng, chịu
được thời tiết xấu.
+ Điện dẫn suất rất nhạy cảm với tạp chất có trong
đồng.
+ Hệ số nhiệt điện trở suất của đồng cứng cũng như
đồng mềm trên thực tế giống nhau.
+ Giới hạn bền khi kéo với MT > 36÷39 còn MM > 26÷28
kG/mm
2
.
+ Độ dãn dài tương đối khi đứt với MT > 0,5÷2,5% còn
MM > 18÷35%
+ Điện trở suất với MT > 0,0179÷0,0182 còn AM >
0,01754 Ω.mm
2
/m.
+ Nhiệt độ nóng chảy: 1083
0
C

• Ứng dụng
Dùng làm kết cấu máy biến áp, máy điện, làm dây dẫn
cho đường dây tải điện, dây quấn trong máy điện ,
trong các khí cụ điện, trong thiết bị vô tuyến viễn

thông….

2) Hợp kim đồng.
- Đồng thanh (Bronze) : là hợp kim đồng với một lượng
nhỏ thiếc, silic, phôtpho, beri, crôm, magiê, cađmi
v.v.
+ Đồng thanh có ưu điểm hơn đồng tinh khiết:
Có tính chất cơ học tốt hơn, Điện trở suất lớn hơn
+ Sử dụng để chế tạo lo xo dẫn điện, Các cổ góp điện,
dây dẫn viễn thông, đường dây trên không, …
+ Cho chất phụ cađmi vào đồng thu được: Làm điện
dẫn suất giảm sút đi một ít nhưng độ bền cơ và độ
cứng tăng lên nhiều, Giới hạn bền kéo của đồng
thanh cađmi đạt 105 kg/mm
2
. Được dùng ở những
chố tiếp xúc, phiến góp có công dụng đặc biệt.
- Đồng thau (Latun): là hợp kim đồng kẽm trong đó
kẽm không quá 46% và có thêm Si, Ni, Al, Mn, Fe,
Sb,…
+ Đồng thau có điện trở suất cao hơn. Có độ giãn dài
tương đối khá cao, có độ bền kéo cao hơn nên có
đặc tính công nghệ ưu việt hơn so với đồng tinh
khiết khi gia công rèn, dập, kéo sợi mảnh
+ Được dùng trong kỹ thuật điện để sản xuất ra mọi chi
tíêt dẫn điện như: roto lồng sóc, các chi tiết như vít,
chốt, khóa, các ổ cắm điện…
3) Nhôm

- Nhôm là vật liệu quan trọng thứ hai được sử dụng
trong kỹ thuật điện sau đồng,
- Nhôm có điện dẫn suất cao (thu bạc và đồng), trọng
lượng riêng giảm và tính chất vật lý, hoá học cho ta
khả năng dùng nó làm dây dẫn điện.
- Có màu bạc trắng là kim loại tiêu biểu cho các kim
loại nhẹ (Nghĩa là kim loại có khối lượng riêng nhỏ
hơn 5 g/cm
3
). Khối lượng riêng của nhôm đúc gần =
2,6 còn nhôm cán là 2,7 g/cm
3
và nhẹ hơn đồng 3,5
lần. Hệ số nhiệt độ giãn nở dài, nhiệt dung và nhiệt
độ nóng chảy của nhôm đều lớn hơn đồng.
- Cùng một tiết diện và chiều dài nhôm kém đồng cả về
độ bền cơ và đặc tính điện.
- Điện trở dây nhôm lớn hơn đồng 1,63 lần nên điện trở
R
Al
= R
Cu
hay đường kính (D
Al
= 1,63D
Cu
) vì vậy khi
nào bị hạn chế về kích thước thì việc dùng nhôm
thay đồng gặp khó khăn.
- Nếu so sánh 2 đoạn dây nhôm và đồng có cùng độ

dài, R. Mặc dù Nhôm to hơn Đồng nhưng nhẹ hơn
đồng khoảng 2 lần. Vì vậy để sản xuất các dây dẫn
có cùng điện dẫn và chiều dài thì dùng Al lợi hơn Cu
trong trường hợp nếu 1 tấn nhôm đắt hơn một tấn
đồng không quá 2 lần. Nên Al thay thế Cu làm dây
điện đường dây tải điện trên không và dùng sản xuất
lõi dây cáp điện với số lượng rất lớn.
• Phân loại Nhôm
- Theo thành phần tạp chất:
+ Al là nhôm có tạp chất trong thành phần không quá
0,5%
+ ABOO có tạp chất < 0,03% được dùng sản xuất nhôm
lá, các điện cực và vỏ tụ điện điện phân.
+ ABOOO có tạp chất < 0,004%
- Cộng nghệ gia công như cán, kéo và ủ củng giống
như đồng. –
+ Nếu Nhôm được cán nguội thì goi là Nhôm
cứng(AT).
+ Nếu Nhôm được ủ thì goi là Nhôm mềm (AM)
• Tính chất của nhôm cứng (AT) và mềm (AM):
+ Giới hạn bền khi kéo với AT > 1617 còn AM > 8
kG/mm
2
.
+ Độ dãn dài tương đối khi đứt với AT > 1,52% còn AM
> 1018%
+ Điện dẫn suất với AT > 0,0295 và AM > 0,0295
Ω.mm
2
/m.

- Khi nhôm bị ôxy hoá mạnh sẽ tạo nên màng ôxýt
nhôm có điện trở lớn, lớp màng bày bảo vệ cho
nhôm khỏi bị tiếp tục ăn mòn nhưng tạo nên điện trở
lớn ở chổ tiếp xúc các dây nhôm và không thể hàn
nhôm bằng phương pháp thông thường. Để hàn
nhôm ta phải dùng thuốc hàn bột đặc biết hay sử
dụng mỏ hàn siêu âm
- Nhiệt độ nóng chảy: 657
o
C
- Nếu trong vùng tiếp xúc giữa đồng và nhôm chịu tác
dụng của hơi ẩm sẽ phát sinh cặp pin cục bộ có trị số
S.đ.đ khá cao và sẽ có dòng điện đi từ nhôm sang
đồng, kết quả là dây dẫn nhôm có thể bị phá huỷ vì bị
ăn mòn nhanh. Vì thế ở chỗ nối dây đồng với dây nhôm
cần phải được bảo vệ chống ẩm cẩn thận.
- Nếu dùng Nhôm thay thế chì để làm vỏ cáp, phải sử
dụng nhôm tinh khiết đặc biệt cao tạp chất < 0,01%(Al
bình thường 0,5%)
- Sử dụng làm dây dẫn trên không với khoảng vượt lớn
dùng hợp kim nhôm có độ bên cơ cao hơn.
- Đường dây tải điện thường sử dụng loại nhôm lõi thép
(AC), loại này có độ bền cơ do lõi thép quyết định, và
đường kính ngoài của dây nhôm lớn hơn sử dụng đồng
nên giảm được tổn thất do phóng điện vầng quang.
4) Sắt (thép)
- Thép (sắt công nghiệp) là kim loại rẻ tiền, dễ khiếm,
có độ bền cơ cao, nên được làm vật dẫn.

- Sắt tinh khiết có điện trở suất lớn hơn nhiều so với
Cu và Al, thép là sắt với tạp chất cácbon và một số
chất khác có điện trở suất cao hơn nhiều
- Dòng điện xoay chiều trong thép sẽ gây nên hiệu ứng
bề mặt đáng kể, nên R dây thép đối với dòng điện
xoay chiều cao hơn điện trở với dòng 1 chiều. Dòng
xoay chiều còn gây ra tổn thất từ trễ.