1. Chương II: Vật liệu dẫn điện và cáp điện Phần I: Vật liệu dẫn điện  Phân loại  Bản chất của sự dẫn điện  Các tính chất cơ bản  Vật liệu có điện dẫn cao  Vật liệu có điện trở suất cao  Các kim loại khác TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  2. Phân loại  Phân loại dựa vào trạng thái vật lý: rắn, lỏng, khí và plasma  Vật liệu dẫn điện ở thể rắn được sử dụng rộng rãi và phổ biến: bao gồm các kim loại và hợp kim o Điện dẫn cao: sử dụng làm dây dẫn điện, cáp điện, dây quấn máy điện… o Điện trở cao: sử dụng làm điện trở, biến trở, dụng cụ đốt nóng bằng điện, dây tóc bóng đèn…  Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng: dung dịch điện phân (ứng dụng: Acquy, công nghệ xi mạ điện) và thủy ngân (ứng dụng trong rơle điện)  Vật liệu dẫn điện ở thể khí: chỉ dẫn điện ở điện trường cao  Plasma: trạng thái thứ tư của vật chất có tính dẫn điện tốt được tạo thành từ chất khí bị ion hóa một phần hoặc hoàn toàn (ứng dụng: cắt kim loại hoặc phủ kim loại) TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  3. Bản chất của sự dẫn điện 1. Dẫn điện điện tử (xảy ra trong kim loại)  Mật độ dòng điện: ∆q ∆q =? J= A ∆t  Xét chuyển động của điện tử trong vật dẫn điện dưới tác động của điện trường (đơn giản: xem như các điện tử c/đ theo phương điện trường) Vận tốc dịch chuyển trung bình của điện tử theo phương x 1 vdx = [v x1 + v x 2 + ... + v xN ] N N: số lượng điện tử tự do trong vật dẫn TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  4.  Mật độ điện tử tự do trong kim N 28 −3 loại n = ≈ 10 m V  Trong khoảng thời gian ∆t, các điện tử chuyển động được quãng đường ∆x ∆x = vdx ∆t  Tổng điện tích đi qua tiết diện A trong khoảng thời gian ∆t ∆q = n∆Vqe = nA∆xqe  Mật độ dòng điện theo phương x là ∆q nAvdx ∆tqe Jx = = = nvdx qe A ∆t A∆t  Nếu E x = E x (t ) ⇒ J x = qe nvdx (t ) TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  5.  Khi không có điện trường ngoài, các điện tử tự do chuyển động nhiệt hỗn loạn theo phương bất kỳ ⇒ không tạo thành dòng điện  Khi có điện trường ngoài, các điện tử tự do tham gia vào 02 chuyển động: o chuyển động nhiệt hỗn loạn o gia tốc theo phương tác động của điện trường ngoài dưới tác động của lực qeEx Chuyển động thực có hướng ngược chiều điện trường ⇒ tạo thành dòng điện TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  6.  Do điện tử chuyển động nhanh dần đều trong khoảng thời gian tự do trung bình giữa hai lần va chạm τ, nên quan hệ giữa lực tác động lên điện tử và vận tốc của điện tử là: vdx Fe = me ae = me = qe E x τ  Vận tốc dịch chuyển trung bình của điện tử theo phương x 1 qe E x vdx = [v x1 + v x 2 + ... + v xN ] = τ = µe Ex N me Với: qeτ µe = : độ linh động điện tử-cm2/V.s (đặc trưng cho mức độ dịch me chuyển của điện tử dưới tác động của điện trường ngoài) Mà: J x = nqe vdx ⇒ J x = nqe vdx = nqe µ e E x ⇒ Mật độ dòng điện tỉ lệ thuận với điện trường ngoài TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  7. 2. Dẫn điện ion (xảy ra trong dung dịch điện phân)  Sự dịch chuyển của các ion dưới tác dụng của điện trường ⇒ tạo ra dòng điện  Nồng độ chất điện phân trong dung dịch sẽ giảm dần Mật độ dòng điện: ⇒ J = n+ q+ v+ + n− q− v− = (n+ q+ µ + + n− q− µ − )E Phản ứng khử tại cực âm tạo Natri nguyên tử tích tụ Phản ứng oxi hóa tại cực Conduction in dương tạo khí bay lên Electrolyte sollution TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  8. Các tính chất cơ bản  Độ dẫn điện và điện trở suất  Hệ số nhiệt của điện trở suất  Độ dẫn nhiệt  Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt điện động  Giới hạn bền kéo và độ dãn dài tương đối TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  9. 1. Độ dẫn điện và điện trở suất  Độ dẫn điện đặc trưng cho khả năng dẫn điện của vật liệu (σ, Sm-1)  Điện trở suất đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của vật liệu (ρ, Ωm) o Bản chất vật lý của điện trở suất: là sự va chạm của các điện tử tự do với ion dương dao động nhiệt tại nút mạng tinh thể o Phụ thuộc nhiệt độ  Độ dẫn điện và điện trở suất phụ thuộc vào bản chất của vật liệu 1 A V σ = ;ρ = R ;R = ρ l I R: đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của một khối vật liệu có hình dạng xác định TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  10. TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  11.  Điện trở suất của kim loại phụ thuộc nhiệt độ: nhiệt độ tăng ⇒ dao động nhiệt của các ion dương tăng ⇒ tăng xác suất va chạm ⇒ tăng điện trở suất ρ = ρ R + ρT ρR: điện trở suất Đồng dư, phụ thuộc rất ít vào nhiệt độ ρT: điện trở suất nhiệt phụ thuộc vào dao động nhiệt của hạt nhân nguyên tử TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  12.  Gần đúng xem như điện trở suất tăng tuyến tính với nhiệt độ ρ ≈ AT + B  Hệ số nhiệt của điện trở suất: đặc trưng cho khả năng thay đổi điện trở suất khi nhiệt độ tăng 1 độ 1  ∆ρ  αo ≈   ρ o  ∆T  TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  13. ∆ρ ≈ ρ − ρ O To = 0oC hoặc 20oC ∆T = T − To ρ = ρ o [1 + α o (T − To )] αo = hằng số trong khoảng từ To đến T do ∆ρ/∆T là hằng số TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  14. 2. Độ dẫn nhiệt a. Bản chất vật lý  Nhiệt được truyền từ bên nóng sang bên lạnh nhờ vào các điện tử tự to  Bên nóng, dao động của ion dương tăng ⇒ tăng động năng các điện tử tự do bằng va chạm ⇒ điện tử năng lượng  Chuyển động hỗn loạn của điện tử năng lượng tăng ⇒ tăng năng lượng truyền cho ion dương ở bên lạnh bằng va chạm ⇒ dao động mạnh hơn (tăng nhiệt) TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  15. b. Công suất truyền nhiệt  Độ dẫn nhiệt đặc trưng cho khả năng truyền tải nhiệt của vật liệu ( λ, W/m.K)  Công suất nhiệt Q truyền qua mặt cắt có tiết diện A theo phương x của vật liệu có độ dẫn nhiệt λ  Q tỉ lệ thuận với λ dT dT dq dq = λ dA dx dx TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  16.  Độ dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  17.  Định luật Weidemann - Franz- Lorenz: - Tỉ số λ/σ tại một giá nhiệt độ là bằng nhau đối với mọi kim loại - Tỉ số λ/σ tỉ lệ thuận với nhiệt độ và với một hằng số gần bằng nhau đối với mọi kim loại λ = T × CWFL σ Hằng số Boltzmann (1.38×10-23 JK-1) Trong đó: π 2 k B2 CWFL = 2 ≈ 2.44 ×10 −8 WΩK − 2 3q e Hằng số Lorenz TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  18. TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  19. 3. Giới hạn bền kéo và độ dãn dài tương đối a. Độ bền kéo (δk)  Là một trong những tính chất cơ học của kim loại  Độ bền kéo là giới hạn lớn nhất của ứng suất kéo làm đứt vật liệu  Ứng suất kéo là trạng thái ứng suất khi vật liệu chịu tác động kéo căng theo hướng trục F 2 σ k = ≤ δ k ( N / mm ) A TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  20. TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.