Điện tử cơ bản
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
BÀI 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN I. Những khái niệm cơ bản trong kỹ thuật cách điện 1. Vật liệu cách điện (chất điện môi) - Là các vật thể có rất ít điện tích ở trạng thái tự do, hầu như không dẫn điện. Khi đặt chúng trong điện trường, trong chất điện môi coi như không có dòng điện. - Vật liệu cách điện dùng để bao quanh những bộ phận dẫn điện trong thiết bị điện để tách rời các bộ phận có điện thế khác nhau, giữ nhiệm vụ chỉ cho dòng điện đi theo những con đường đã quy định tùy theo mạch. Không thể thiếu vật liệu cách điện trong các thiết bị điện. 2. Điện trường: Mục đích của cách điện là duy trì khả năng cách điện của vật liệu cách đặt trong điện trường. Muốn vậy không để xảy ra những hiện tượng: - Phóng điện trong vật liệu cách điện. - Đánh thủng toàn phần hoặc bộ phận bên trong vật liệu cách điện. - Phóng điện bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu. Hiện tượng phóng điện chỉ xảy ra nếu điện áp lớn hơn trị số đặc trưng của vật liệu cách điện và kết cấu hình học của điện cực. Trị số này là điện áp phóng điện. Điện áp mà bắt đầu có sự phóng điện gọi là điện áp ngưỡng của phóng điện. Để phân biệt hiện tượng đánh thủng và hiện tượng phóng điện bề mặt, ta quan sát hai điện cực trong hình sau:
Như hình trên giữa hai tấm điện cực có tấm cách điện. Nếu ta tăng điện áp giữa hai điện cực thì có thể xảy ra hai hiện tượng sau: - Một là: Tấm cách điện không chịu nổi điện áp và ở một hoặc nhiều chỗ điện tích chạy từ điện cực này qua điện cực kia xuyên qua tấm cách điện bị đánh thủng. hiện tượng này gọi là hiện tượng đánh thủng. - Hai là: Khi điện áp tăng đến một trị số nào đó thì ở cạnh mép của điện cực xuất hiện quầng quang, rồi phát triển thành những tia lửa điện dài bò lằng ngằngtrên bề mặt tấm cách điện, điện áp càng tăng tia lửa điện càng dài cuối cùng nối liền nhau, hồ quang điện phógn trên bề mặt của tấm cách điện từ cực này sang cực kia. Hiện tượng này gọi là phóng điện bề mặt của vật liệu cách điện. - Vật liệu cách điện thể khí hoặc thể lỏng chỉ xảy ra hiện tượng đánh thủng và chỉ xảy ra trong giây lát. - Vật liệu cách điện thể rắn thì xảy ra hiện tượng đánh thủng xuyên qua cách điện và bị phá hủy vĩnh viễn không sử dụng lại được. - Hiện tượng phóng điện bề mặt thường không gây nên hậu quả nghiêm trọng, nhiệt của hồ quang có thể gây nên làm cháy hoặc làm rạn nứt bề mặt cách điện nhưng vẫn có thể sử dụng được, không đòi hỏi phải thay ngay. - Điện áp đánh thủng là điện áp làm cho cách điện có bề dày nhất định bị đánh thủng. Ký hiệu là Uđt¬. - Điện áp phóng điện là điện áp sinh ra phóng điện bề mặt cách điện. Ký hiệu là Upđ. - Điều kiện làm việc của cách điện là: Uđt < Upđ < Uđm Trong đó : Uđm là điện áp định mức của vật liệu cách điện. 3. Hệ số an toàn: Ký hiệu là a - Hệ số an toàn đối với đánh thủng: là tỷ số giữa điện áp đnáh thủng và điện áp định mức của vật liệu cách điện. a(đt) = Uđt/Uđm - Hệ số an toàn đối với phóng điện bề mặt: là tỷ số giữa điện áp phóng điện và điện áp định mức của vật liệu cách điện. a(pđ) = Upđ / Uđm 4. Cường độ chọc thủng: là cường độ điện trường đủ gây ra hiện tượng chọc thủng vật liệu cách điện. Ký hiệu: e(ct) Điện môi có e(ct) càng lớn có độ bền cách điện tốt. - Cường độ chọc thủng đặc trưng cho khả năng cách điện của điện môi đưcợ gọi là độ bền cách điện, đơn vị tính KV/cm - nếu điện môi có độ dày là d thì muốn đạt tới cường độ chọc thủng thì điện áp đặt vào điện môi phải đạt tới trị số điện áp đánh thủng. Uđt = e(ct).d Trong đó: d là độ dày điện môi e(ct) là cường độ chọc thủng. Cường độ chọc thủng của một số vật liệu cách điện thông thường. Vật liệu Cường độ chọc thủng KV/cm Hằng số điện môi Giấy tẩm dầu Vải sợi Đá hoa Paraphin Caosu Thủy tinh Mica Dầu biến áp Sứ Cattông cách điện 100 – 250 100- 400 30-50 200- 250 150 – 200 100 -150 500 -1000 50 – 180 150 – 200 80- 120 3.6 3 – 4 7- 8 2 -2.2 3- 6 6 – 10 5.4 2- 2.5 5.5 3- 3.5
Ví dụ: Xác định điện áp định mức và điện áp đánh thủng của một tấm cạt tông cách điện dày d= 0.15 cm áp sát vào hai điện cực. Cho biết hệ số an toàn a(đt) = 3 Giải: Tra bảng biết e(ct) = 100 KV/cm (lấy trung bình) Điện áp đánh thủng: Uđt = e(ct).d =100.0.15 = 15KV/cm Điện áp định mức: Uđm = 15/3 = 5KV II. Phân loại vật liệu cách cách điện: 1. Phân loại theo trạng thái vật lý: vật liệu cách điện có thể ở thể khí, lỏng, rắn. Vật liệu thể khí và thể lỏng luôn luôn phải sử dụng với cách điện ở thể rắn thì mới hình thành được cách điện vì các phần tử kim loại không thể giữ chặt được trong không khí.
6. Sơn cách điện Sơn là những dung dịch keo của nhựa, của dầu (các chất này được gọi là nền sơn) được hòa tan trong các dung môi dễ bay hơi. Khi sấy khô thì dung môi bay hơi còn lại nền sơn ở trạng thái rắn và tạo thành màng sơn. 6.1. Sơn tẩm: Dùng để tẩm những chất cách điện xồp và các chất xơ như giấy bìa, vải sợi cách điện trong dây quấn máy điện và thiết bị điện. Sau khi tẩm thì các lỗ xốp trong chất cách điện không còn chứa không khí nữa mà được lấp kín bằng sơn khô có độ bền cách điện và độ dẫn nhiệt cao hơn không khí nhiều. Vì vậy sau khi được tẩm thì chất cách điện có các tính chất sau: - Chịu được điện áp chọc thủng cao hơn. - Độ dẫn nhiệt lớn hơn. - Tính hút ẩm và tính thấm nước giảm. - Tính cơ tốt hơn. - Làm chặt cứng các vòng dây với nhau. - Xơ hữu cơ sau khi đưcợ tẩm thì ít bị ảnh hưởng oxyhóa của không khí nên tính chịu nhiệt tăng, sự già hóa do nhiệt giảm. 6.2. Sơn phủ Dùng để tráng lên bề mặt của vật liệu cách điện một lớp màng nhẵn bóng nhằm cải thiện các đặc tính của vật liệu như: - Chịu được độ ẩm và sức bền cơ cao. - Tăng điện áp phóng điện bề mặt. - Tăng điện trở bề mặt. - Tăng cường bảo vệ cuộn dây. - Chống bụi và cáu bẩn. - Làm đẹp mặt ngoài của sản phẩm. 6.3. Sơn phủ emay: Emay không dùng để phủ lên chất chất điện rắn mà được quét trực tiếp lên kim loại (như dây đồng, dây nhôm) nhằm tạo ra trên tòan bề mặt của kim loại một lớp cách điện như: - Cách điện của dây emay (gọi là dây tráng men hay dây điện từ) - Cách điện của các lá tôn kỹ thuật điện dùng trong mạch từ nhiều lớp. Theo phương pháp sấy người ta chia sơn và emay ra hai loại: sấy nóng và sấy nguội. sấy nóng là sấy trong lò sấy, nhiệt độ từ 80- 1800C, thời gian từ 5- 17 giờ tùy theo loại sơn. Sơn sấy nguội thì có thể khô cứng ở nhiệt độ trong phòng hoặc ngoài trời. Sơn và emay sấy nóng có tính điện môi và tính cơ cao. Để cải thiện đặc tính của sơn và emay sấy nguội đôi khi người ta cũng gia nhiệt ở 40- 800C. 6.4. Sơn dán: Dùng để dán các vật liệu rắn lại với nhau: - Gắn các vật liệu cách điện vào kim loại. - Dán các mảnh vụng mica trong chất tạo mica Ngoài các đặc tính của sơn cách điện thì sơn dán phải có tính bám dính cao. 7. Nhựa tổng hợp: Là vật liệu cách điện ở trạng thái trung gian, quá độ giữa vật liệu cách điện thể lỏng và thể rắn. Công dụng: cách điện dây cáp điện, làm vỏ bọc cho những ống nối, đúc cuộn dây làm đầy hoàn toàn những lỗ rỗng, chống sự thâm nhập của không khí và độ ẩm, cách điện những bộ phận trong khí cụ điện. 7.1. Nhựa cứng nhiệt: Khi được làm nóng và ép khuôn thì mềm, khi nguội thì cứng lại và có hình dáng theo khuôn ép dù có làm nóng cũng không thay đổi hình dáng. Trước khi hóa cứng có thể hòa tan trong một số dung môi, sau khi hóa cứng rồi thì dung môi không còn tác dụng. Một số loại nhựa cứng nhiệt: - Nhựa bakelít: ép khuôn cuộn dây, làm hộp, vỏ cách điện. - Nhưạ melamin: ép độn với amiămg và thủy tinh làm các chi tiết chịu nhiệt như buồng dập hồ quang... - Nhựa polyeste: đúc khuôn cuộn dây máy biến áp, máy biến dòng, làm đầy các lỗ rỗng, bọt khí, hút ẩm, bụi bám... - Nhựa phenol: Nắp đậy cho các khí cụ đóng ngắt hạ thế, nắp hộp cầu chì, hộp công tắc... - Nhựa silicon: là một torng những nhựa mơớ nhất và có công dụng quan trọng. Nhựa silicon chế tạo từ nguyên liệu cát thạch anh(SiO2). Silicon có 5 nhóm: + Nhóm dầu silicon: bốc hơi ít, bền về hóa tính, không bị oxy hóa, không hòa tan trong nước và cồn, không hòa tan caosu. Phạm vi sử dụng rộng, dùng làm dầu bôi trơn để bôi lên sứ cách điện và kim loại để chống ẩm ướt, dùng làm dầu cách điện máy biến thế. + Mỡ silicon: Chịu được axit, bazơ, không bị oxy hóa, không ăn mòn caosu và các nhựa nhân tạo khác. Dùng làm chất bôi trơn, chống già hóa, chống oxyhóa, chống ẩm. Dùng trong dây cáp, các chi tiết trong thiết bị vô tuyến. + Sơn tẩm silicon: Chống thấm nước, chịu nhiệt cao, độ bám dính cao, đàn hồi. Dùng để bọc cách điện dây dẫn, bọc cách điện cuộn dây máy điện. + Caosu silicon: mềm, đàn hồi như cao su tự nhiên, chịu nhiệt từ 56- 2000C, chịu đưcợ axít, bazơ, dầu xăng, chậm lão hóa. dùng để cách điện dây dẫn, cáp điện, bcọ những chi tiết gốm sứ, thủy tinh, kim loại, có độ bám tốt trên những vật liệu đó. + Nhựa silicon: Chống thấm nước, dùng tráng lên bề mặt gốm sứ, thủy tinh, thường sử dụng ở vùng ẩm và sương mù. 7.2. Nhựa nhiệt mềm: có thể ép nóng, làm thành tấm mỏng để sử dụng, hóa mềm khi bị làm nóng. III. Chọn vật liệu cách điện: Khi chọn vật liệu cách điện phải chú ý những yêu cầu sau: 1. Vật liệu cách điện phải có độ bền cao, chịu tác động cơ hcọ tốt, nhiệt dẫn tốt, ít thấm nước. 2. Gia công dễ dàng, đủ mỏng. 3. Tính cách điện cao, độ bền nhiệt tốt, duy trì tính cách điện đảm bảo tuổi thọ làm việc của máy từ 15- 20 năm trong điều kiện làm việc bình thường. 4. Chú ý môi trường làm việc: - Môi trường ẩm ướt - Môi trường hóa chất - Mô trưòng lạnh - Môi trường nhiệt đới Bài 2: Vật liệu dẫn điện I. Đặc tính chung của kim loại và hợp kim 1. Kim loại Có khoảng 79 nguyên tố kim loại trong hệ thống tuần hoàn, nhôm là hợp kim có nhiều nhất trong vỏ quả đất sau đó đến sắt. 2. Cấu tạo của kim loại 2.1. Cấu tạo tinh thể: Ở trạng thái rắn các nguyên tử sắp xếp trong không gian theo một trật tự nhất định gọi là mạng tinh thể. Phần nhỏ nhất đặc trong một mạng tinh thể gọi là ô cơ bản. Mạng tinh thể bao gồm nhiều ô cơ bản sắp xếp liên tiếp nhau. Mạng tinh thể được đặc trưng bằng ô cơ bản của nó. Các kiểu mạng tinh thể của kim loại như lập phương diện tâm, lập phương thể tâm, mạng lục phương, mạng lập phương dày đặc. - Lập phương thể tâm: Trong ô cơ bản của kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở nút đỉnh của hình lập phương và giữa mỗi hình lập phương có một nguyên tử. Các nguyên tử có kiểu mạng này là crôm, vônfram, .. - Lập phương diện tâm: Trong ô cơ bản của kiểu mạng này các nguyên tử nằm ở nút đỉnh hình lập phương và ở trung tâm của các mặt tinh thể. Các tinh thể có kiểu mạng này là sắt, đồng, niken, chì, vàng, bạc, ... - Lục phương dày đặc: Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở nút đỉnh của hình lục lăng, hai nguyên tử nằm ở trung tâm hai mặt đáy và 3 nguyên tử nằm ở trung tâm của ba khối lăm trụ tam giác cách nhau. Các kim loại có mạng tinh thể kiểu này là kẽm, coban, magiê, ... 2.2. Các tính chất của kim loại: - Tính chất lý học: + Có màu sáng óng ánh (có vẻ sáng bề ngoài). + Kim loại không trong suốt, không nhìm xuyên qua được. Mỗi kim loại phản chiếu ánh sáng theo một màu sắc riêng. Ví dụ: đồng có màu đỏ, thiếc có màu trắng bạc, kẽm màu xám, ... + Tính nóng chảy: Kim loại bị đốt nógn sẽ chảy loãng ra và ta có thể rót vào khuôn, đúc thành bất cứ hình dạng gì ta muốn và đông đặc khi làm nguội. Nhiệt độ làm nóng chảy của kim loại gọi là điểm nóng chảy. Bảng kê nhiệt độ nóng chảy của một số kim loại thông thường
Kim loại Nhiệt độ nóng chảy 0C Nhôm 660 Bạc 961 Vàng 1063 Đồng 1083 Chì 327.4 Kẽm 419.4 Sắt 1439 Vônfram 3380 + Tính dẫn nhiệt và dẫn điện: tất cả các kim loại đều dẫn điện và dẫn nhiệt. Kim loại nào sáng chói thì dẫn nhiệt và dẫn điện tốt. - Tính chất hóa học: + Tính chống ăn mòn: là khả năng của hơi nước hay oxi của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao. + Tính chịu axít: là khả năng chống lại tác dụng của ngoại lực lên kim loại. - Tính chất cơ học: là khả năng chống lại tác dụng của ngoại lực lên kim loại. + Tính đàn hồi + Tính bền chắc + Tính dẻo dai + Tính cứng + Tính dòn 3. Hợp kim: 3.1. Cấu tạo của hợp kim: hợp kim có cấu tạo khác kim loại nguyên chất. hợp kim là hỗn hợp của nhiều chất trong đó phải có ít nhất một chất là kim loại. Có những hợp kim có hai, ba hay hiều chất trong đó có những chất chiếm một dung lượng rất ít. Hợp kim được chế tạo bằng cách nóng chảy hoặc điện phân. Ví dụ: - đồng thau là hợp kim của đồng và kẽm. - Đồng vàng là hợp kim của đồng và thiếc. - Thép là hợp kim của sắt và cacbon. 3.2. Tính chất của hợp kim: - Tính cơ học: + Tùy theo thành phần và sự pha luyện hợp kim có tính chất cơ học khác nhau. Ví dụ: hợp kim đồng và nhôm nếu nhôm chiếm 10% thì hợp kim này dễ dát mỏng và ít dòn. Nếu nhôm chiếm trên 10% thì hợp kim trở nên dòn. Nếu nhôm chiếm 66% thì hợp kim này dễ dát mỏng. + Tính cứng: hợp kim làm tăng độ cứng của kim loại. - Tính chất lý học: Hợp kim chịu được nhiệt độ nóng chảy cao hoặc thấp hơn kim loại. Ví dụ: Chì nóng chảy ở 3270C, thiếc nóng chảy ở 2300C, hợp kim chì thiếc gồm 30% chì và 70% thiếc thì nhiệt độ nóng chảy sẽ là 1820C. 4. Công dụng của hợp kim: - Sử dụng chế tạo thiết bị điện. - Chế tạo các cơ cấu máy chính xác. - Hợp kim của đồng được sử dụng nhiều trong kỹ thuật điện. - Đúc đồ gai dụng: vòi nước, thau, chậu, ... - Chế tạo các chi tiết trong động cơ nổ. 5. Các đặc tính cơ bản của vật liệu dẫn điện: 5.1. Điện trở R: Điện trở của dây dẫn được tính theo công thức: R= ro. l/s Điện trở suất: