Giáo trình Vật liệu điện - Nghề: Điện dân dụng - Trình độ: Cao đẳng nghề (Tổng cục Dạy nghề)

TUYÊN

BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI
TỔNG CỤC DẠY NGHỀ
-----------------

GIÁO TRÌNH
Môn học: Vật liệu điện
NGHỀ: ĐIỆN DÂN DỤNG
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG NGHỀ
Ban hành kèm theo Quyết định số: 120 /QĐ-TCDN
Ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề

Hà Nội năm 2012


2

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông 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.


3

LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật điện, điện tử là một trong những ngành kỹ thuật có vị trí quan
trọng trong các lĩnh vực sản xuất, đời sống, khoa học kỹ thuật.

Gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật điện là việc ứng ứng dụng ngày
càng nhiều loại vật liệu mới trong chế tạo máy điện, thiết bị điện cũng như trong
quá trình sản xuất, truyền tải, sử dụng điện năng. Việc nghiên cứu và ứng dụng
vật liệu là một yêu cầu quan trọng trong các ngành học có liên quan đến kỹ thuật
điện, điện tử.
Giáo trình vật liệu điện dùng cho trình độ cao đẳng nghề được biên soạn
theo chương trình khung của Bộ lao động thương binh và xã hội.
Giáo trình nhằm mục đích cung cấp cho người học những kiến thức cơ
bản về vật liệu điện. Trong đó trọng tâm là giới thiệu về cấu tạo, đặc điểm, phạm
vi sử dụng của các loại vật liệu: Dẫn điện, cách điện, bán dẫn, vật liệu từ và một
số sản phẩm như các loại dây dẫn điện, dây cáp và dây điện từ.
Trong quá trình biên soạn chúng đã cố gắng kết hợp các phần kiến thức
cơ bản và có cập nhật những thông tin mới trong những lĩnh vực có liên quan.
Tuy nhiên đây không phải giáo trình chuyên sâu mà chủ yếu là tài liệu giảng dạy
cho một môn học cơ sở, vì vậy nhiều nội dung không sâu, mang tính thực tế
nhiều hơn lý luận.
Trong quá trình biên soạn chúng tôi có tham khảo nhiều tài liệu của các
tác giả trong lĩnh vực chuyên môn có liên quan, sử dụng nhiều phần trong các tài
liệu đó.
Trong quá trình biên soạn chúng tôi cũng luôn nhận được sự giúp đỡ, góp
ý của các đồng chí có trách nhiệm trong hội đồng biên soạn của Bộ lao động thương binh xã hội, cùng với sự quan tâm tạo điều kiện của Ban lãnh đạo
Trường Cao đẳng nghề bách nghệ Hải Phòng.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hợp tác của các đồng chí,
đã tạo điều kiện cho chúng tôi hoàn thành được giáo trình nay. Chúng tôi cũng
rất mong nhận được những ý kiến nhận xét, đánh giá, góp ý của các bạn đồng


4

nghiệp, anh em sinh viên sử dụng tài liệu để chúng tôi có điều kiện bổ sung,

chỉnh lý góp phần hoàn thiện thêm cho giáo trình.
Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ:
Trường Cao đẳng nghề Bách nghệ Hải Phòng.
Khoa Điện –Điện tử.
Số 196/143 - Đường Trường Chinh- Quận Kiến An - TP Hải Phòng.
Email:

Hà nội, ngày …… tháng….. năm 2013
Nhóm biên soạn
1. Chủ biên: Phạm Minh Tuấn
2. Đặng Văn Tuyên
3. Nguyễn Văn Vịnh


5

MỤC LỤC
ĐỀ MỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 3
CHƯƠNG I: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN ............................................................ 11
1. Khái niệm chung về vật liệu dẫn điện. .......................................................... 11
1.1. Khái niệm chung về vật liệu điện. ............................................................. 11
1.2.Cấu tạo của vật chất. .................................................................................. 11
1.2.1Cấu tạo nguyên tử. ................................................................................... 11
1.2.2. Cấu tạo phân tử ...................................................................................... 12
1.3. Lý thuyết về phân vùng năng lượng .......................................................... 13
1.4. Phân loại vật liệu điện ............................................................................... 14

1.4.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện. .......................................................... 14
1.4.2. Phân loại theo từ tính .............................................................................. 15
1.5. Khái niệm chung về vật liệu dẫn điện ........................................................ 15
1.6. Phân loại vật liệu dẫn điện ......................................................................... 16
2. Cấu tạo của kim loại và hợp kim .................................................................. 16
2.1. Khái niệm về kim loại và hợp kim............................................................. 16
2.1.1. Kim loại: ................................................................................................ 16
2.1.2. Hợp kim ................................................................................................. 17
2.2. Thực hành nhận dạng phân biệt kim loại, hợp kim với một số loại vật liệu
khác ................................................................................................................. 17
3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim. .................................................... 17
3.1. Tính chất của kim loại: .............................................................................. 17
3.1.1. Tính chất vật lý: Kim loại có các tính chất vật lý chung: tính dẻo, tính dẫn
điện, tính dẫn nhiệt và có ánh kim. ................................................................... 17
3.1.2. Tính chất hóa học: .................................................................................. 18
3.1.3. Tính chất cơ học ..................................................................................... 18
3.2. Tính chất của hợp kim ............................................................................... 18
3.2.1. Tính chất vật lý và tính chất cơ học. ....................................................... 18
3.2.2. Tính chất hóa học ................................................................................... 19
3.3. Thực hành trên các mẫu đã chuẩn bị. ......................................................... 19
4. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện dẫn của kim loại: ........................................ 19
4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................ 19
4.2. Ảnh hưởng của áp suất .............................................................................. 20


6

5. Chọn vật liệu dẫn điện. ................................................................................. 20
5.1. Yêu cầu chung. .......................................................................................... 20
5.2. Chọn vật liệu dẫn điện ............................................................................... 21

6. Một số vật liệu dẫn điện thông dụng ............................................................. 22
6.1. Đồng và hợp kim của đồng ........................................................................ 22
6.1.1. Đồng: Có kí hiệu hóa học là Cu .............................................................. 22
6.1.2. Các tính chất của Đồng ........................................................................... 22
6.1.3. Ứng dụng của đồng ................................................................................ 23
6.1.4. Hợp kim đồng ......................................................................................... 23
6.2. Nhôm và hợp kim của nhôm...................................................................... 24
6.2.1. Nhôm (Al) .............................................................................................. 24
6.2.2. Hợp kim của nhôm ................................................................................. 25
6.3. Sắt và hợp kim của sắt ............................................................................... 25
6.4.Một số kim loại và hợp kim khác ............................................................... 26
7. Nhận diện các loại vật liệu dẫn điện ............................................................. 26
7.1. Đặc điểm chung ......................................................................................... 26
7.2. Cách nhận dạng .......................................................................................... 26
CHƯƠNG II: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ....................................................... 28
1. Khái niệm chung về vật liệu cách điện ......................................................... 28
1.1. Vật liệu cách điện ..................................................................................... 28
1.2. Điện dẫn của chất điện môi ....................................................................... 28
2. Phân loại vật liệu cách điện. ......................................................................... 29
2.1. Phân loại theo trạng thái vật lý. ................................................................. 29
2.2 Phân loai theo thành phần hoá học. ............................................................. 30
2.3 Phân loại theo tính chịu nhiệt. .................................................................... 31
3. Tính chất chung của vật liệu cách điện. ........................................................ 32
3.1 Tính hút ẩm của vật liệu cách điện. ............................................................ 33
3.2 Tính chất cơ học của vật liệu cách điện. ..................................................... 35
3.3 Tính chất hoá học của vật liệu cách điện. ................................................... 36
3.4 Tính chất nhiệt của vật liệu cách điện. ........................................................ 36
4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ cách điện. ....................................................... 38
4.1 Khái niệm về độ bền cách điện. .................................................................. 38
4.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ cách điện. ...................................................... 38

4.2.1 Yếu tố bên ngoài; .................................................................................... 38
4.2.2 Các yếu tố bên trong: ............................................................................... 39


7

5. Chất điện môi ............................................................................................... 40
5.1. Điện môi đặt trong điện trường ................................................................. 42
5.2. Điện dẫn của chất điện môi ....................................................................... 42
5.3. Phân cực điện môi ..................................................................................... 43
5.4. Tổn hao điện môi ...................................................................................... 44
5.5. Phóng thủng điện môi................................................................................ 45
6. Một số vật liệu cách điện thông dụng. .......................................................... 46
6.1. Vật liệu cách điện thể khí .......................................................................... 46
6.2. Vật liệu cách điện thể lỏng ........................................................................ 46
6.3. Vật liệu cách điện thể rắn .......................................................................... 47
7. Nhận dạng các loại vật liệu cách điện ........................................................... 48
7.1. Đặc điểm chung: ....................................................................................... 48
7.2. Cách nhận dạng: ........................................................................................ 48
CHƯƠNG III: VẬT LIỆU BÁN DẪN .......................................................... 50
1.Khái niệm chung về chất bán dẫn. ................................................................. 50
1.1 Khái niệm về chất bán dẫn : ....................................................................... 50
1.2. Phân loại vật liệu bán dẫn .......................................................................... 50
2. Tính chất chung của vật liệu bán dẫn. ........................................................... 51
2.1. Dòng điện trong chất bán dẫn .................................................................... 51
2.2. Đặc điểm dẫn diện của chất bán dẫn .......................................................... 51
3. Một số chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật. ..................................................... 53
3.1. Giecmani: .................................................................................................. 53
3.2. Silic ........................................................................................................... 54
3.3. Selen ......................................................................................................... 54

3.4. Các hợp chất hóa học bán dẫn. .................................................................. 54
4. Các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng điện dẫn của các chất bán dẫn ................... 55
4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................ 55
4.2. Ảnh hưởng của cường độ điện trường ....................................................... 55
4.3. Ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng ......................................................... 55
4.4. Ảnh hưởng của biến dạng cơ học. ............................................................. 56
4.5. Thực hành đo dòng điện qua linh kiện bán dẫn khi thay đổi các yếu tố ..... 56
5. Vật liệu bán dẫn tinh khiết và bán dẫn tạp chất............................................. 56
5.1. Vật liệu bán dẫn tinh khiết (bán dẫn thuần) ............................................... 56
5.2. Vật liệu bán dẫn tạp chất ........................................................................... 57
5.3. Thực hành giới thiệu các linh kiện trên cơ sở đã trình bày ......................... 58


8

6. Nhận dạng các loại vật liệu bán dẫn ............................................................. 58
6.1. Các lĩnh vực ứng dụng............................................................................... 58
6.2. Các nhận dạng ........................................................................................... 59
CHƯƠNG IV: VẬT LIỆU DẪN TỪ ............................................................. 60
1. Khái niệm - phân loại vật liệu dẫn từ. ........................................................... 60
1.1. Khái niệm về vật liệu từ tính...................................................................... 60
1.2. Phân loại.................................................................................................... 61
2. Các tính chất cơ bản của vật liệu dẫn từ........................................................ 62
2.1. Quá trình từ hóa của vật liệu sắt từ ............................................................ 62
2.1.1. Vật liệu sắt từ ......................................................................................... 62
2.1.2. Đường cong từ hóa ................................................................................. 62
2.2. Vật liệu sắt từ mềm.................................................................................... 63
2.3. Vật liệu sắt từ cứng.................................................................................... 63
2.4. Vật liệu từ có công dụng đặc biệt .............................................................. 64
2.5. Vật liệu từ giảo .......................................................................................... 64

3. Một số vật liệu sắt từ thông dụng.................................................................. 65
3.1. Vật liệu từ mềm ......................................................................................... 65
3.1.1. Gang và thép kết cấu: ............................................................................. 65
3.1.2. Thép lá kỹ thuật điện .............................................................................. 65
3.2. Vật liệu từ cứng ......................................................................................... 66
4. Phương pháp bảo quản vật liệu dẫn từ .......................................................... 66
4.1. Yêu cầu chung ........................................................................................... 66
4.2. Các phương pháp bảo quản........................................................................ 66
5. Nhận dạng các loại vật liệu dẫn từ. ............................................................... 66
5.1. Các lĩnh vực ứng dụng vật liệu dẫn từ ....................................................... 66
5.2. Nhận dạng các loại vật liệu dẫn từ ............................................................. 67
CHƯƠNG V: DÂY DẪN, DÂY CÁP, DÂY ĐIỆN TỪ ................................ 68
1. Dây dẫn: ....................................................................................................... 68
1.1. Khái niệm về dây dẫn điện: ....................................................................... 68
1.2. Các loại dây dẫn và thanh dẫn ................................................................... 69
1.2.1. Dây đồng ................................................................................................ 69
1.2.2. Dây nhôm ............................................................................................... 70
1.2.3. Thanh dẫn ............................................................................................... 71
2. Dây cáp ........................................................................................................ 73
2.1. Khái niệm. ................................................................................................. 73


9

2.2. Cấu tạo chung của dây cáp ........................................................................ 73
2.3. Phân loại và kí hiệu dây cáp ...................................................................... 73
2.3.1. Phân loại................................................................................................. 73
2.3.2. Kí hiệu cáp ............................................................................................. 75
2.4. Đặc điểm của một số loại dây cáp ............................................................. 75
2.4.1. Cáp điện lực cách điện bằng giấy tẩm dầu điện áp 1 – 35KV ................. 75

2.4.2. Cáp điện lực 25 – 220KV ....................................................................... 76
3. Dây điện từ................................................................................................... 77
3.1. Khái niệm ................................................................................................. 78
3.2. Phân loại ................................................................................................... 78
3.2.1. Phân loại theo vật liệu chế tạo ................................................................ 78
3.2.2. Phân loại theo tiết diện dây dẫn .............................................................. 78
3.2.3. Phân loại theo vật liệu cách điện: ........................................................... 79
4. Phương pháp bảo quản các loại dây dẫn, dây cáp, dây điện từ ...................... 80
4.1. Khái niệm và yêu cầu chung khi bảo quản................................................. 80
4.2. Các phương pháp bảo quản ....................................................................... 80
4.3. Thực hành việc tổ chức bảo quản .............................................................. 81
5. Nhận dạng các loại dây dẫn và dây điện từ ................................................... 81
5.1. Các lĩnh vực sử dụng ................................................................................. 81
5.2. Cách nhận dạng: Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo, phạm vi sử dụng ta có thể dễ
dàng nhận dạng các loại dây dẫn trên. .............................................................. 81


10

TÊ MÔN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN
Mã môn học: MH12
Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trò của môn học.
- Môn học được bố trí sau khi sinh viên học xong các môn học chung
trước các môn học nghề.
Là môn lý thuyết cơ sở bắt buộc.
Môn học cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản về vật liệu điện,
giúp các học viên có các kiến thức để phân biệt các loại vật liệu điện, lựa chọn
được các loại vật liệu điện phục vụ cho công tác sửa chữa thiết bị điện, bảo quản
được các vật liệu trong quá trình sản xuất.
Nội dung chính của môn học: Môn học vật liệu điện gồm năm chương.

Chương1: Vật liệu dẫn điện.
Chương 2: Vật liệu cách điện.
Chương 3: Vật liệu bán dẫn.
Chương 4: Vật liệu từ.
Chương 5: Dây dẫn, dây cáp, dây điện từ.


11

CHƯƠNG I
VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
Mã chương: MH 12 .01.
Giới thiệu: Bài học giới thiệu những kiến thức cơ bản về vật liệu dẫn điện
và cách sử dụng vật liệu dẫn điện các lĩnh vực kỹ thuật, sản xuất.
Mục tiêu: Trình bày được các khái niệm về vật liệu dẫn điện.
Tính chất chung của kim loại, hợp kim.Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn
điện của kim loại và hợp kim.
Phân loại, nhận dạng, chọn được vật liệu dẫn điện theo yêu cầu của công
việc.
Nội dung chính:
1. Khái niệm chung về vật liệu dẫn điện.
1.1. Khái niệm chung về vật liệu điện.
Vật liệu điện là tất cả những loại vật liệu dùng để sản xuất các thiết bị trong
lĩnh vực ngành điện.
Theo đặc điểm, tính chất và công dụng , vật liệu điện được chia thành các loại
cơ bản: vật liệu dẫn điện , vật liệu cách điện , vật liệu bán dẫn, vật liệu từ.Để
hiểu rõ hơn bản chất của việc phân loại ta nghiên cứu cơ bản thêm phần cấu tạo
của vật chất.
1.2. Cấu tạo của vật chất.
1.2.1 Cấu tạo nguyên tử.

Mọi vật chất đều được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử.
Nguyên tử là những phần tử cơ bản nhất của vật chất . Nguyên tử được cấu tạo
bởi hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm,chuyển
động xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo nhất định.
Hạt nhân nguyên tử được tạo nên bởi các proton (p) và các notron (n),
notron là các phần tử không mang điện, còn các proton mang điện tích dương
(+). Ở trạng thái bình thường nguyên tử trung hòa về điện, tức là trong nguyên
tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng các điện tích âm của điện tử.
Nếu vì lý do nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện


12

tích dương gọi là ion dương. Ngược lại nếu nguyên tử trung hòa nhận thêm điện
tử thì sẽ trở thành ion âm.
Trong quá trình chuyển động quanh hạt nhân, điện tử có một thế năng và
một động năng. Mỗi điện tử có một mức năng lượng khác nhau, năng lượng này
tỉ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử.
Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do gọi
là quá trình ion hóa. Năng lượng tối thiểu để cung cấp cho điện tử để điện tử
tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do gọi là năng lượng ion hóa (W).
Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn mức ion hóa cũng có thể bị kích
thích và chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, nhưng
chúng luôn có xu thế trở về vị trí của trạng thái ban đầu. Phần năng lượng cung
cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang học.
Năng lượng ion hóa cấp cho nguyên tử có thể là năng lượng nhiệt, điện trường
hoặc do va chạm, do tác dụng của tia cực tím, phóng xạ...
Ngược lại với quá trình ion hóa là quá trình kết hợp:
Nguyên tử + e = ion
Ion (+) + e = nguyên tử, phân tử trung hòa

1.2.2. Cấu tạo phân tử
Phân tử là phần nhỏ nhất của một chất ở trạng thái tự do nó mang đầy đủ
các đặc điểm, tính chất của chất đó.
Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua những liên kết phân
tử. Trong vật chất tồn tại 4 dạng liên kết sau:
- Liên kết đồng hóa trị: đặc trưng của liên kết là một số điện tử trở thành
chung cho các nguyên tử tham gia hình thành phân tử. Phân tử liên kết đồng hóa
trị có thể là trung tính hoặc cực tính. Phân tử có trọng tâm của điện tích dương
và điện tích âm trùng nhau là phân tử trung tính. Các chất được tạo nên từ các
phân tử trung tính gọi là chất trung tính. Phân tử có trọng tâm của điện tích
dương và điện tích âm không trùng nhau gọi là phân tử cực tính (hay phân tử
lưỡng cực), các chất được tạo nên từ phân tử cực tính gọi là chất cực tính


13

- Liên kết ion : Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương
và ion âm trong phân tử. Liên kết này chỉ xảy ra giữa các phân tử của các
nguyên tố hóa học có tính chất khác nhau.
- Liên kết kim loại: Là liên kết trong các kim loại. Dạng liên kết này tạo
nên các tinh thể mà hạt nhân là các nút của
mạng tinh thể, xung quanh hạt nhân có các
điện tử liên kết, ngoài ra còn có các điện tử tự
do. Khi không chuyển động nhiệt thì các hạt
(gồm nguyên tử, phân tử hoặc ion) ở một vị trí
xác định gọi là nút, các nút được sắp xếp theo
một trật tự xác định hợp thành mạng tinh thể
(ví dụ mạng tinh thể lập phương).
- Liên kết Vandec – van: Là liên kết tương tự như liên kết kim loại nhưng
là liên kết yếu nên dễ bị phá vỡ bởi nhiệt. Vì vậy những chất rắn trên cơ sở liên

kết này thường có nhiệt độ nóng chảy thấp.
1.3. Lý thuyết về phân vùng năng lượng
Theo lý thuyết cấu tạo nguyên tử, mỗi điện tử đều có mức năng lượng
nhất định. Sơ đồ phân bổ vùng năng lượng của một vật rắn ở OoK có thể được
mô tả như sau:
- Các điện tử hóa trị lớp ngoài cùng tập trung lại thành một vùng gọi là
vùng hóa trị hay vùng đầy (1)
- Các điện tử tự do có
mức năng lượng cao hơn tạo
thành dải tự do hay vùng dẫn
(3).
- Giữa vùng đầy và vùng
tự do có một vùng trống gọi là
vùng cấm (3)
Để một điện tử hóa trị từ vùng đầy trở thành trạng thái tự do cần cung cấp
cho nó một năng lượng W đủ để vượt qua vùng cấm.


14

W > W (W: năng lượng vùng cấm)
Dựa vào lý thuyết phân vùng năng lượng người ta chia vật liệu kỹ thuật
điện thành: vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn.
- Vật liệu cách điện: vùng dẫn rất nhỏ. Vùng cấm rộng tới mức ở điều
kiện bình thường các điện tử hóa trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của
truyền động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng dẫn để trở thành điện tử tự
do. Trong điều kiện bình thường, vật liệu có điện dẫn bằng 0 (hoặc nhỏ không
đáng kể).
- Vật liệu bán dẫn: Có vùng hóa trị nằm sát hơn vùng dẫn so với vật liệu
cách điện. Ở điều kiện bình thường một số điện tử hóa trị ở vùng (1) với sự trợ

giúp của chuyển động nhiệt có thể chuyển tới vùng dẫn (2) để hình thành tính
dẫn điện của vật liệu.
- Vật liệu dẫn điện: có vùng hóa trị (1) nằm sát hơn vùng dẫn (2) so với
chất bán dẫn. Các điện tử hóa trị có thể di chuyển một cách không điều kiện tới
vùng (2), có những chất vùng dẫn và vùng hóa trị còn chồng lên nhau vì vậy
luôn có một số lớn điện tử tự do. Do đó loại vật liệu này có điện dẫn rất cao

1.4. Phân loại vật liệu điện
1.4.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện.
Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại vật liệu điện thành: vật
liệu cách điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu dẫn điện.


15

- Vật liệu cách điện: Là những chất ở điều kiện bình thường sự dẫn điện
bằng điện tử không xảy ra.
- Vật liệu bán dẫn: Là những chất ở điều kiện bình thường một số điện tử
hóa trị được sự tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do
để tham gia vào dòng điện.
- Vật liệu dẫn điện: Là những chất ở nhiệt độ bình thường các điện tử hóa
trị có thể di chuyển sang vùng tự do một cách dễ dàng, dưới tác dụng của điện
trường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn, vì vậy chất dẫn điện có tính
dẫn điện tốt.
Lưu ý: Vật liệu điện không phải cố định hoàn toàn chúng có thể chuyể đổi
từ vật dẫn sang bán dẫn hoặc cách điện, hoặc ngược lại tùy thuộc vào năng
lượng tác động giữa chúng hay điều kiện tác động của môi trường.
1.4.2. Phân loại theo từ tính
Theo từ tính người ta phân vật liệu từ thành các chất: nghịch từ, thuận từ,
và dẫn từ.

- Nghịch từ là những chất có độ từ thẩm  <1 và không phụ thuộc vào
cường độ từ trường ngoài.
- Thuận từ là những chất có độ từ thẩm  > 1 và cũng không phụ thuộc
vào cường độ từ trường ngoài.
Dẫn từ là những chất có độ từ thẩm  >> 1 và phụ thuộc vào cường độ từ
trường ngoài.
1.5. Khái niệm chung về vật liệu dẫn điện
Vật liệu dẫn điện là những chất mà ở trạng thái bình thường có các điện
tích tự do. Nếu đặt chúng trong một điện trường các điện tích sẽ chuyển động
theo một hướng nhất định mà tạo thành dòng điện. Vật liệu dẫn điện có thể ở thể
rắn, thể lỏng và trong một số điều kiện phù hợp có thể là thể khí hoặc hơi.
Vật liệu dẫn điện ở thể rắn gồm các kim loại và hợp kim của chúng (trong
một số trường hợp có thể không phải là kim loại hoặc hợp kim).
Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng gồm các kim loại lỏng và dung dịch điện
phân.


16

- Các chất ở thể khí hoặc hơi có thể trở nên dẫn điện nếu chịu tác động
của điện trường lớn.
1.6. Phân loại vật liệu dẫn điện
Vật liệu dẫn điện được chia làm 2 loại:
Vật liệu có tính dẫn điện tử và vật liệu có tính dẫn ion.
- Vật liệu có tính dẫn điện tử: là các chất mà sự hoạt động của điện tích
không làm biến đổi thực thể đã tạo thành vật liệu đó. Điển hình là các kim loại,
hợp kim, hóa chất rắn không phải là kim loại như than đá.
- Vật liệu có tính dẫn ion: Là những chất mà dòng điện đi qua sẽ tạo nên
sự biến đổi hóa học. Ví dụ như các dung dịch điện phân (axit, kiềm, dung dịch
muối).

Trong kĩ thuật điện vật liệu dẫn điện chủ yếu là kim loại và hợp kim vì
vậy khi nghiên cứu về vật liệu dẫn điện ta nghiên cứu chủ yếu về kim loại và
hợp kim.
2. Cấu tạo của kim loại và hợp kim
2.1. Khái niệm về kim loại và hợp kim
2.1.1. Kim loại:
- Cấu tạo nguyên tử của kim loại
Cấu tạo nguyên tử của kim loại có một số đặc điểm sau:
+ Có ít điện tử hóa trị. Hầu hết các kim loại có 1, 2, hoặc 3 điện tử ở lớp
ngoài cùng.
+ Có cấu trúc mạng tinh thể. Mạng tinh thể của kim loại có 3 dạng cơ bản:
Mạng tinh thể lục phương
Mạng tinh thể lập phương tâm diện
Mạng tinh thể lập phương tâm khối
+ Liên kết trong kim loại là liên kết kim loại.
Đặc điểm của liên kết này: tại các nút mạng là các hạt nhân mang điện
tích dương. Xung quanh là các điện tử tự do (thông qua các điện tử tự do các ion
dương tạo ra lực hút nhau, qua đó hình thành liên kết). Như vậy liên kết kim loại
được hình thành do các điện tử tự do gắn kết các ion dương với nhau.


17

2.1.2. Hợp kim
Cấu tạo của hợp kim: Hợp kim là vật liệu kim loại có chứa một kim loại
cơ bản và một số kim loại khác hoặc phi kim khác. Hoặc có thể coi hợp kim là
một dung dịch rắn của nhiều nguyên tố kim loại hoặc giữa nguyên tố kim loại
với nguyên tố phi kim. Hợp kim có cấu tạo tinh thể. Có các loại tinh thể hợp kim
sau: tinh thể hỗn hợp, tinh thể dung dịch rắn, tinh thể hợp chất hóa học.
- Tinh thể hỗn hợp: có nguồn gốc từ khi hỗn hợp các đơn chất trong hợp

kim ở trạng thái lỏng. Ở trạng thái này các đơn chất không tan vào nhau và cũng
không tác dụng hóa học với nhau. Kiểu liên kết chủ yếu là liên kết kim loại.
- Tinh thể dung dịch rắn: có nguồn gốc từ hỗn hợp các đơn chất trong hợp
kim ở trạng thái lỏng. Ở trạng thái này các đơn chất trong hỗn hợp tan vào nhau,
ta có dung dịch lỏng. Ở nhiệt độ thấp hơn dung dịch lỏng chuyển thành dung
dịch rắn. Kiểu liên kết này cũng chủ yếu là liên kết kim loại.
- Tinh thể hợp chất hóa học: có nguồn gốc từ khi hợp kim ở trạng thái
lỏng. Ở trạng thái này nếu các đơn chất tham gia hợp kim có kiều mạng tinh thể
khác nhau, tính chất khoa học khác nhau và kích thước các ion khác nhau rõ rệt
thì giữa những đơn chất này tạo ra hợp chất hóa học. Kiểu liên kết này là liên kết
cộng hóa trị.
2.2. Thực hành nhận dạng phân biệt kim loại, hợp kim với một số loại vật
liệu khác
3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim.
3.1. Tính chất của kim loại:
3.1.1. Tính chất vật lý: Kim loại có các tính chất vật lý chung: tính dẻo,
tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt và có ánh kim.
- Tính dẻo: là khả năng của kim loại biến đổi hình dạng khi bị tác động
đập, cán. Kim loại có tính chất này là do các lớp mạng tinh thể trượt lên nhau
nhưng vẫn liên kết được với nhau nhờ lực hút tĩnh điện của các điện tử tự do các
ion dương kim loại
- Tính dẫn điện: Nhờ các điện tử tự do chuyển dời thành dòng có hướng
dưới tác dụng của điện trường.


18

- Tính dẫn nhiệt: Nhờ sự chuyển động của các điện tử tự do mang năng
lượng (động năng) từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp.
- Ánh kim: nhờ các điện tử tự do có khả năng phản xạ ánh sáng

Kim loại còn có một số tính chất riêng:
- Khối lượng riêng: phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử
- Nhiệt độ nóng chảy: phụ thuộc vào độ bền của liên kết kim loại.
- Tính cứng: phụ thuộc vào độ bền của liên kết kim loại.
3.1.2. Tính chất hóa học:
Tất cả các kim loại đều có tính khử.
Kim loại có thể tham gia phản ứng hóa học với các chất và hợp chất sau:
- Tác dụng với phi kim: tạo thành muối
- Tác dụng với axit: tạo thành muối giải phóng hiđro hoặc tạo thành nước
- Tác dụng với nước: chủ yếu là các kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ.
Ở nhiệt độ cao một số kim loại cũng có tác dụng với nước
- Tác dụng với dung dịch muối, tác dụng với dung dịch kiềm.
3.1.3. Tính chất cơ học
Tính chất cơ học của một kim loại thường được đặc trưng bởi giới hạn
bền kéo và độ giãn dài tương đối. Các giới hạn này thay đổi theo phương pháp
gia công.
3.2. Tính chất của hợp kim
3.2.1. Tính chất vật lý và tính chất cơ học.
Tính chất vật lý và đặc biệt là tính chất cơ học của hợp kim khác nhiều so
với tính chất của các đơn chất tham gia thành phần hợp kim. Hợp kim cũng có
những tính chất vật lý chung: dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo và có ánh kim như
kim loại, do trong cấu trúc mạng tinh thể cũng có nhiều điện tử tự do. Tuy nhiên
có một số điểm khác biệt:
- Tính dẫn điện, dẫn nhiệt giảm so với kim loại thành phần, do mật độ
điện tử tự do giảm.
- Có độ cứng cao hơn so với kim loại thành phần do có sự thay đổi về cấu
tạo mạng tinh thể, thay đổi về thành phần ion trong mạng tinh thể


19

- Có nhiều hợp kim có những tính chất rất ưu việt như: Hợp kim không gỉ,
hợp kim chịu axit, chịu nhiệt, chịu ma sát tốt, hợp kim có độ cứng cao...
3.2.2. Tính chất hóa học
Hợp kim có tính chất hóa học tương tự của các đơn chất tham gia tạo
thành hợp kim, chủ yếu là của kim loại cơ bản.
3.3. Thực hành trên các mẫu đã chuẩn bị.
4. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện dẫn của kim loại: Để biểu thị khả năng
dẫn điện của một loại vật điện ta sử dụng khái niệm điện dẫn xuất. Từ công thức
xác định cường độ dòng điện đi trong một vật dẫn:
i = no.S.Vtb.e
Trong đó:
no : Nhiệt độ của phần tử mang điện
S: tiết diện của dây dẫn
Vtb: tốc độ chuyển động trung bình của điện tử dưới tác dụng của điện
trường
e: điện tích của phần tử mang điện
Thay Vtb = u.E (u: độ di chuyển của phần tử mang điện)
Ta có công thức cuối cùng: i = no.e.u.E = .E
: được gọi là điện dẫn xuất của chất dẫn điện. Hệ số này nói lên khả năng
dẫn điện của một vật dẫn.
Trong thực tế kĩ thuật thường sử dụng khái niệm điện trở suất. Điện trở
xuất là đại lượng nghịch đảo của điện dẫn suất:  

1



Điện trở suất của kim loại và hợp kim phụ thuộc vào nhiều yếu tố tức là
độ dẫn điện của chúng cũng phụ thuộc vào các yếu tố đó (nhưng theo chiều

ngược lại).
4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Điện trở suất của đa số kim loại và hợp kim đều tăng khi nhiệt độ tăng.
Riêng điện trở suất của cacbon và dung dịch điện phân giảm theo nhiệt độ.


20

Thông thường điện trở suất ở nhiệt độ t2 nào đó được tính toán xuất phát từ nhiệt
độ t1 (thường lấy chuẩn là 20oC)
 t 2   t1 1   t 2  t1 



Với: : gọi là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ (đơn vị là 1/oC).
Trong kĩ thuật thường sử dụng các bảng tra các trị số: nhiệt độ nóng chảy,
điện trở suất  và hệ số  của một số kim loại hay dùng trong kĩ thuật điện. Các
trường hợp đặc biệt:
- Ở OoK (K: nhiệt độ tuyệt đối: điện trở suất của kim loại tinh khiết giảm
đột ngột ( 0) được gọi là tính siêu dẫn).
Khi bị chảy dẻo thì điện trở suất của kim loại tăng, nếu tiến hành nung để
nó kết tinh lại thì điện trở suất có thể giảm (do tác dụng của sự biến dạng làm
cho kết cấu của kim loại được chặt chẽ và do sự phá hủy các màng oxit).
4.2. Ảnh hưởng của áp suất
Khi kéo hoặc nén (áp suất thay đổi) thì điện trở suất của vật dẫn cũng thay
đổi theo biểu thức:  = o (1+ K. ).
Trong đó: o là điện trở suất ban đầu của mẫu
: ứng suất cơ khí của mẫu.
K: hệ số thay đổi điện trở suất theo áp suất, K có dấu cộng (+) ứng với
biến dạng khi kéo, có dấu trừ (-) ứng với biến dạng khi nén.

Sự thay đổi của điện trở suất khi kéo hoặc nén là do sự thay đổi của biên
độ dao động của mạng tinh thể. Khi kéo biên độ tăng -  tăng, khi nén, biên độ
giảm,  giảm.
4.3. Các yếu tố ảnh hưởng khác
Tạp chất phi kim có trong kim loại có thể làm  tăng (giảm mật độ điện
tử).
Ảnh hưởng của từ trường và ánh sáng: các yếu tố này ảnh hưởng đến sự
chuyển động của các điện tử nên có thể làm thay đổi dòng điện trong kim loại.
5. Chọn vật liệu dẫn điện.
5.1. Yêu cầu chung.


21

Khi chọn vật liệu dẫn điện phải căn cứ theo yêu cầu sử dụng, các điều
kiện và khả năng kĩ thuật để lựa chọn cho phù hợp.
- Trước kết vật liệu phải đáp ứng các yêu cầu về tính dẫn điện
- Phải có các tính chất vật lý và hóa học phù hợp (tính nóng chảy, tính
dẻo, tính dẫn nhiệt, độ giãn nở nhiệt, tính chống ăn mòn, chịu tác động bất lợi
của môi trường....)
- Đảm bảo độ bền về cơ học. (giới hạn đàn hồi tính chịu va chạm, rung
động)
- Khả năng gia công
- Có tính kinh tế.
5.2. Chọn vật liệu dẫn điện
Vật liệu dẫn điện được sử dụng trong kĩ thuật điện chủ yếu trong các lĩnh
vực:
- Chế tạo máy điện (cuộn dây điện từ trong các máy điện)
- Chế tạo các loại khí cụ điện (các phần tử mang điện, dẫn điện, các tiếp
điểm.... )

- Các loại dây dẫn cho các mạng điện (dây dẫn, dây cáp điện)
- Các phần tử gia nhiệt (các loại lò nung điện trở, dụng cụ đốt nóng).
- Các phần tử dẫn điện trong các dụng cụ đặc biệt (vi mạch điện tử....)
Thông thường ta thường phải lựa chọn phục vụ cho các công việc sau:
-Chế tạo các loại dây dẫn điện
- Chế tạo các phần tử hoạt động cho các khí cụ điện và dụng cụ điện
Trong chế tạo dây dẫn vật liệu phổ biến thường dùng là đồng và nhôm
Chế tạo các phần tử dẫn điện trong các thiết bị điện cũng thường dùng
đồng và nhôm
Các thiết bị gia nhiệt thường dùng các loại hợp kim có điện trở suất cao
nhưng phải đảm bảo độ bền nhiệt và ổn định.
Vật liệu dùng cho các tiếp điểm dẫn điện, làm việc ở các chế độ đóng cắt
có dòng điện phải chọn các vật liệu chịu mài mòn có nhiệt độ nóng chảy cao
chịu được hồ quang điện...


22

6. Một số vật liệu dẫn điện thông dụng
Những kim loại có điện dẫn xuất cao là những loại vật liệu dẫn điện tốt
như vàng bạc đồng nhôm và hợp kim của chúng, được sử dụng rộng rãi nhất là
đồng và nhôm
6.1. Đồng và hợp kim của đồng
6.1.1. Đồng: Có kí hiệu hóa học là Cu
Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất trong tất cả các vật liệu dẫn điện
dùng trong kĩ thuật điện vì nó có nhiều ưu điểm:
- Điện trở suất nhỏ (trong số các kim loại chỉ có bạc, có điện trở suất nhỏ
hơn đồng một ít).
- Độ bền cơ tương đối cao.
- Trong đa số trường hợp đồng có tính chống ăn mòn tốt. Đồng chị bị oxi

hóa mạnh ở nhiệt độ cao.
- Khả năng gia công tốt: cán được thành tấm, thanh, kéo thành sợi, độ nhỏ
của dây có thể đạt vài phần nghìn mm.
Hàn và gắn tương đối dễ dàng.
- Có khả năng tạo thành hợp kim tốt.
Đồng dùng trong kĩ thuật phải được tinh luyện bằng phương pháp điện
phân nếu có lẫn tạp chất điện dẫn suất của đồng có thể giảm rất nhiều. Vì vậy để
làm vật dẫn chỉ dùng đồng điện phân có độ tinh khiết 99,9% Cu.
6.1.2. Các tính chất của Đồng
Ngoài những tính chất chung của một kim loại dẫn điện tốt, đồng có một
số tính chất riêng như sau:
Đồng được tiêu chuẩn hóa ở 20oC thường có đặc tính sau:
 = 1,7241.10-6 (.cm)
 = 0,58.106 (.cm)
 = 0,00393(1/oC).
Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất:
Ảnh hưởng của tạp chất
Ảnh hưởng của gia công cơ khí


23

Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt
Các ảnh hưởng trên đều làm giảm điện dẫn suất của đồng
Tính chất cơ học và các yếu tố ảnh hưởng:
+ Các kim loại thêm vào (tạo thành hợp kim):
Thường sử dụng nhóm kim loại: kẽm, niken, nhôm. Đều làm tăng độ bền
cơ
+Ảnh hưởng của phương pháp gia công
Ở trạng thái ủ nhiệt độ bền kéo k = 22kG/cm2.

Đồng được nung nóng rồi để nguội gọi là đồng mềm có độ bền về cơ kém
nhưng có độ giãn dài lớn và có điện dẫn suất cao.
Khi kéo nguội độ bền cơ tăng lên k = 45kG/cm2 và được gọi là đồng
cứng, nó có sức bền cao nhưng độ giãn dài nhỏ, rắn và có khả năng đàn hồi.
Các đặc tính về tính chất hóa học:
Ở nhiệt độ thường đồng chịu ăn mòn tốt, chịu được tác động của nước vì
có lớp oxit bảo vệ.
6.1.3. Ứng dụng của đồng
Ứng dụng chung: đồng cứng được dùng ở những nơi cần sức bền cơ giới
cao chịu được mài mòn như làm cổ góp điện, các thanh dẫn ở các tủ phân phối
điện, các thanh cái, các trạm biến áp, các lưỡi dao chính của cầu dao, các tiếp
điểm của thiết bị bảo vệ. Đồng mềm được dùng ở những nơi cần độ uốn lớn, sức
bền cơ giới cao như ruột dẫn điện của cáp điện, thanh góp điện áp cao, dây dẫn
điện, dây quấn trong máy điện và khí cụ điện.
6.1.4. Hợp kim đồng
Ngoài việc dùng đồng tinh khiết làm vật dẫn người ta thường dùng các
hợp kim của đồng với các chất khác như thiếc, silic, photpho, Berili, Crom,
Mangan... Trong đó đồng là kim loại cơ bản còn các chất khác có hàm lượng
thấp. Hợp kim đồng có đặc điểm chung là sức bền cơ khí lớn, độ cứng cao, có
độ dai và có tính dễ nóng chảy, dễ gia công trên máy công cụ, dễ đúc thành các
chi tiết có hình dáng phức tạp và có thể dùng phủ lên bề mặt khác theo phương
pháp mạ điện.


24

Căn cứ vào lượng và thành phần các chất chứa trong hợp kim người ta
chia hợp kim đồng thành các dạng chủ yếu sau:
- Đồng thanh (đồng đỏ) là hợp kim đồng có thêm một số kim loại khác để
tăng độ cứng, sức bền và dễ nóng chảy. Tùy thuộc vật liệu thêm vào ta phân biệt

các loại thành đồng thanh:
+ Đồng thanh với thiếc:
+ Đồng thanh với thiếc và kẽm
+ Đồng thanh với nhôm
+ Đồng thanh với Berili
Đồng thanh được dùng để chế tạo các chi tiết dẫn điện trong các máy điện
và khí cụ điện, để gia công các chi tiết nối và giữ dây dẫn, cổ góp điện...
- Đồng thau : Đồng thau là hợp kim đồng với kẽm, trong đó kẽm không
vượt quá 46%. Ở nhiệt độ cao sức bền với sự ăn mòn do oxi hóa của đồng thau
giảm. Để tăng sức đề kháng đối với sự ăn mòn điện hóa người ta tẩm thiếc hay
tráng kẽm lên đồng thau khi còn nóng.
Đồng thau được dùng trong kĩ thuật điện để gia công các chi tiết dẫn dòng
như ổ cắm, các phích cắm, các đầu nối đến hệ thống tiếp đất, các loại ốc vít.
6.2. Nhôm và hợp kim của nhôm
6.2.1. Nhôm (Al)
Sau đồng, nhôm là vật liệu dẫn điện quan trọng thứ 2 sử dụng trong kĩ
thuật điện vì nó cũng có một số ưu điểm
- Điện trở suất nhỏ (chỉ lớn hơn bạc và đồng)
- Có trọng lượng nhẹ (nhỏ hơn đồng 3,5 lần)\
- Có tính dẻo cao
- Nhôm là kim loại phổ biến, giá thành rẻ hơn đồng
- Nhôm sử dụng trong kĩ thuật điện phải đảm bảo tinh khiết tối thiếu
99,5% nhôm.
Ở nhiệt độ thường khi để trong không khí nhôm được bảo vệ bằng một
lớp oxit có tác dụng chống ăn mòn. Nhưng trong trường hợp trong khí quyển có
tồn tại các loại khí như CO2, NH3, SO2.... và độ ẩm lớn có thể phát sinh hiện


25

tượng ăn mòn điện hóa tạo nên sự ăn mòn nhanh của nhôm, đặc biệt ở những vị
trí tiếp xúc, nối giữa đồng và nhôm. So với đồng nhôm kém hơn các tính chất về
điện và cơ. Trong kĩ thuật điện nhôm được sử dụng trong chế tạo
+ Dây dẫn điện đi trên không để chuyển tải và phân phối điện năng
+ Ruột của các loại cáp điện lực.
+ Các thanh ghép, thanh dẫn và chi tiết trong các thiết bị điện
+ Dây quấn trong các máy điện, roto của các động cơ điện
6.2.2. Hợp kim của nhôm
Nhôm có nhiều hợp kim dùng để đúc và để kéo dây dẫn điện.
Các hợp kim chính của nhôm dùng để đúc có thể là những loại sau:
Al – Zn – Cu, Al- Cu, Al – Cu – Ni, Al – Si...
6.3. Sắt và hợp kim của sắt
- Sắt được sản xuất tương đối dễ nên giá thành hạ so với các kim loại khác
tùy theo tỷ lệ các bon chứa trong sắt được chia thành:
- Gang là sắt chứa tỉ lệ từ 1,7 đến 4,5% Các bon
- Thép là sắt chứa tỉ lệ 0,5 – 1,7% các bon
- Sắt rèn là sắt chứa tỷ lệ nhỏ hơn 0,5% Các bon
Trong kĩ thuật điện chủ yếu dùng thép làm vật liệu dẫn điện. Thép dùng
làm vật liệu dẫn thường có hàm lượng C từ 0,1 – 0,19% C, có giới hạn kéo từ 70
– 75 kg/mm2 có độ giãn dài kéo đứt (5-8%), có điện trở suất > đồng 6 - 7 lần.
Nhược điểm của thép là dễ bị ăn mòn do hiện tượng gỉ ngay ở nhiệt độ bình
thường, đặc biệt là gỉ rất nhanh ở nhiệt độ cao và môi trường ẩm ướt. Để khắc
phục hiện tượng này về mặt tiếp xúc của sắt được phủ một lớp vật liệu ổn định
hơn như Cadmi, Zn,... Mặc dù có những nhược điểm trên nhưng thép cũng có
một số ưu điểm:
Thép có sức bền cơ khí lớn (gấp 2 – 2,5 lần so với đồng) do đó dây dẫn
thép có thể dùng ở những khoảng cột lớn
- Với các đường dây truyền tải điện người ta thường sử dụng dây dẫn thép
bằng nhiều sợi bện thành chão hoặc sử dụng chão thép – nhôm với dây thép
được tráng kẽm đặt ở giữa.