Trang 42
Chương 1

NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

I. Đònh nghóa

Vật liệu dẫn điện là loại vật liệu ở trạng thái bình thường có các điện tích
tự do. Nếu đặt những vật liệu này trong điện trường các điện tích sẽ chuyển
động theo hướng xác đònh và tạo thành dòng điện.

II. Phân loại

Vật liệu dẫn điện được chia thành hai loại:

- Vật dẫn với tính dẫn điện tử
- Vật dẫn với tính dẫn ion

1. Vật dẫn với tính dẫn điện tử, bao gồm các kim loại ở trạng thái rắn
hoặc lỏng, hợp kim và một số phi kim loại. Sự hoạt động của các điện tích không
làm biến đổi cấu trúc vật liệu.

2. Vật dẫn với tính dẫn ion, bao gồm các dung dòch có cơ sở là nước như
axit, bazơ, muối; một số ở dạng rắn như AgI. Khi dòng điện đi qua sẽ gây ra
biến đổi hoá học.

Trong cường độ điện trường mạnh chất khí vừa có tính dẫn điện tử, vừa có
tính dẫn ion.

III. Các đặc tính của vật liệu dẫn điện


Đơn vò của điện trở suất: Ωm (MKSA); Ωcm (CGS); Ωmm
2
/m (thường
dùng trong kỹ thuật).

Điện dẫn suất (γ
γγ
γ) là đại lượng nghòch đảo của điện trở suất.

γ =
ρ
1Đơn vò của điện dẫn suất: 1/Ωm (MKSA); 1/Ωcm (CGS); m/Ωmm
2Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất:

- Hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ (α
αα
α)

Điện trở suất của kim loại và nhiều hợp kim tăng theo nhiệt độ; điện trở
suất của cacbon và dung dòch điện phân giảm theo nhiệt độ.

Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở suất của kim loại biến đổi theo công thức:

ρ

0
(1 ± kt)

Dấu "+" ứng với biến dạng do kéo
Dấu "-" ứng với biến dạng do nén

- Ảnh hưởng của từ trường và ánh sáng

Thực nghiệm cho thấy điện trở suất thay đổi khi kim loại đặt trong từ
trường, hoặc một số vật liệu khi bò chiếu sáng.

IV. Tính dẫn điện, cách điện của vật liệu

1. Tính dẫn điện của kim loại

Trong kim loại và hợp kim có một số lớn các electron tự do. Các electron
tự do nằm trong không gian giữa các nút mạng tinh thể. Cũng như các nguyên tử
của nút mạng, chúng dao động hỗn loạn, tốc độ của chúng phụ thuộc vào nhiệt
độ. Khi không có điện trường ngoài tác dụng thì sự phân bố tốc độ của các
electron mọi hướng có xác suất như nhau cho nên không có dòng điện. Khi có
điện trường ngoài, mỗi electron chòu tác dụng bởi một lực F = Eq và các electron
chuyển động theo chiều ngược với chiều của điện trường ngoài.

2. Tính dẫn điện của chất bán dẫn

Điện trở suất của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiều các yếu tố khác nhau,
ảnh hưởng rất lớn đến việc hình thành và tái hợp các hạt mang điện tích tự do:
sự thay đổi nhiệt độ, tác động của bức xạ, sự thay đổi cường độ điện trường.

Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm, vật liệu có hệ số nhiệt điện trở âm.

thiết bò điện nào cũng đặt trong môi trường không khí.

Tất cả các chất khí đều là điện môi. Ở điện trường thấp, điện dẫn suất
của chất khí có giá trò rất nhỏ. Quá trình dẫn điện trong chất khí là do trong đó
có một số ít các hạt mang điện. Trong điều kiện bình thường mật độ của các hạt
mang điện nhỏ hơn 10
13
hạt/m
3
.

Chất khí được sử dụng trong các thiết bò điện cần thỏa mãn các yêu cầu:
điện dẫn suất nhỏ, tổn hao điện môi thấp, độ bền cách điện cao, giá thành rẻ.

6. Tính dẫn điện của chất lỏng

Trang 42
Tính dẫn điện của chất lỏng có liên quan mật thiết với cấu tạo phân tử
chất lỏng.

Tính dẫn điện của chất lỏng không có cực phụ thuộc vào hàm lượng tạp
chất, trong đó có độ ẩm.

Tính dẫn điện của chất lỏng có cực không những phụ thuộc vào tạp chất
mà còn phụ thuộc vào sự phân ly của các phân tử chất lỏng. Dòng điện trong
chất lỏng có thể là sự chuyển động của các ion hoặc sự chuyển động tương đối
của các hạt keo lớn. Do không loại bỏ được hoàn toàn tạp chất có trong chất
lỏng, cho nên để tạo ra được chất cách điện lỏng có tính dẫn điện thấp rất khó
khăn.
Trang 42

0
C), C (> 180
0
C).

II. Tính dẫn điện của điện môi

Tuỳ theo sự phân bố electron xung quanh hạt nhân, người ta phân biệt hai
loại phân tử điện môi: phân tử không phân cực và phân tử phân cực.

- Phân tử không phân cực là loại phân tử có phân bố electron đối xứng
xung quanh hạt nhân. Khi chưa đặt trong điện trường trọng tâm của điện tích
dương và điện tích âm trùng nhau, chẳng hạn H
2
, N
2
, CCl
4
, hydro cacbon ...

- Phân tử phân cực là loại phân tử có phân bố electron không đối xứng
xung quanh hạt nhân. Khi chưa đặt trong điện trường trọng tâm của điện tích
dương và điện tích âm không trùng nhau, chẳng hạn H
2
O, NH
3
, HCl, CH
3
Cl ...


→
+
→
'EGiải thích: khi chưa đặt điện môi trong điện trường
0
E
→
, do chuyển động
nhiệt các lưỡng cực phân tử sắp xếp hỗn loạn, các điện tích trái dấu của lưỡng
cực phân tử trung hoà nhau. Khi đặt điện môi trong điện trường
0
E
→
, các lưỡng
cực phân tử sắp xếp có trật tự sao cho cùng phương với
0
E
→
. Khi đó trong lòng
điện môi các điện tích trái dấu vẫn trung hoà nhau, còn trên các mặt giới hạn đối
diện mới xuất hiện điện tích trái dấu.

IV. Tổn hao điện môi

Xét một tụ điện, lớp cách điện có hằng số điện môi ε, điện dung C, được
mắc vào nguồn điện xoay chiều có tần số ω, điện áp U. Dòng điện nạp điện cho
tụ điện (I) có hai thành phần (hình 7):

; I
R
= I sinδ (δ - góc tổn hao)

Với: tgδ =
C
R
I
I
hệ số tổn hao

Suy ra: I
R
= I
C
tgδ = ωCU tgδ

Tổn hao điện môi: P
d
= UI
R
= ωCU
2
tgδ V. Tính chất cơ - lý - hoá của điện môi

1. Điện trường


Điện áp làm cho cách điện có bề dày nhất đònh bò đánh thủng gọi là điện
áp đánh thủng (U
BR
).

Điện áp gây ra sự phóng điện bề mặt gọi là điện áp phóng điện bề mặt
(U
BF
).

Điều kiện làm việc của cách điện: U < U
BF
< U
BRa
BR
=
U
U
BR
hệ số an toàn đối với đánh thủng
a
BF
=
U
U
BF
hệ số an toàn đối với phóng điện bề mặt

dẫn điện của bề mặt tiếp giáp phụ thuộc vào tính dẫn điện của lớp bẩn đóng
trên bề mặt.

3. Sự hoá già của vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện chủ yếu là vật liệu hữu cơ, sau một thời gian vận hành
sẽ bò hoá già hay lão hoá, đến mức không có khả năng cách điện được nữa.

Quá trình hoá già thực chất là kết quả của sự biến đổi cấu trúc của vật
liệu xảy ra nhanh hoặc chậm do điều kiện vận hành tác động. Tất cả những yếu
tố nào ảnh hưởng đến những phản ứng hoá học xảy ra trong vật liệu cách điện
đều có tác động đến sự hoá già của vật liệu cách điện, chẳng hạn như:

- Nhiệt độ cao
- Tác dụng cơ học trong quá trình chế tạo, quá trình vận hành
- Tác dụng hoá học: sự oxy hoá, sự trùng hợp, sự khử trùng hợp, sự thuỷ
phân, sự bay hơi

VI. Tính chất của vật liệu cách điện

1. Tính chất của vật liệu cách điện thể khí

- Hằng số điện môi ε ≈ 1
- Điện trở cách điện rất lớn và phụ thuộc điện áp
- Hệ số tổn hao (tgδ) phụ thuộc điện áp
- Độ bền cách điện phụ thuộc nhiều vào áp suất, các thông số hình học
của điện cực, thời gian tác dụng của điện áp.
Trang 42

2. Tính chất của vật liệu cách điện thể lỏng

16
Ωcm, giảm nhanh khi nhiệt độ tăng
- Khả năng bảo tồn khí: khi tiếp xúc với không khí dầu hấp thụ không khí
nhiều hơn (do không khí bò ion hóa bởi tác dụng của điện trường) so với lượng
không khí của dầu thải ra. Lượng không khí được hấp thụ sẽ lấp đầy các lỗ bọt,
làm tăng khả năng cách điện.

3. Tính chất của vật liệu cách điện thể rắn

- Độ bền cách điện cao
Trang 42
- Hằng số điện môi lớn
- Khả năng tản nhiệt kém
- Hầu hết đều có khả năng chống ẩm (trừ giấy, vải có nguồn gốc xơ thực
vật).
- Một số vật kiệu có khả năng chòu axit, khó bò oxy hóa, lâu hoá già.

a) Vật liệu cách điện dạng sợi

- Sợi bông axetanhydrit hay cotopa có tính hút ẩm bằng một nửa sợi bông
thường, có khả năng chòu nhiệt và cách điện tốt hơn; dùng làm cách điện cuộn
dây biến thế, cách điện dây dẫn ở các trung tâm điện thoại.

- Sợi poliamit (có hai loại: sợi nylon và sợi perlon) chòu axit, bazơ; không
bò oxi hoá; có thể chòu đến nhiệt độ 120 - 150
0
C; có cơ tính tốt, bền, dẽo, chòu
ma sát; dùng làm cách điện cho cáp điện.

- Sợi thuỷ tinh có độ bền cách điện cao; có tính trơn láng thường sử dụng

O) có tính chòu dầu tốt nhưng chòu axit kém hơn; khả
năng dẫn nhiệt kém; có điện áp đánh thủng cao và hoàn toàn chòu được phóng
điện bề mặt.

- Mica là những miếng cánh kiến có diện tích 10 - 60cm
2
, bề dày 0,006 -
0,1mm. Tính chất của mica phụ thuộc vào thành phần hợp chất của cánh kiến và
chất keo kết dính. Mica dùng làm cách điện cổ góp, cách điện cuộn dây trong
máy điện, cách điện ở các điện trở đốt nóng.

Trang 42
- Micalex được làm từ bột cánh kiến trộn với bột thuỷ tinh, nén dưới áp
lực lớn trong khuôn thép. Micalex dùng làm buồng dập hồ quang điện trong máy
cắt, vỏ phích cắm ở bếp điện, các tấm đệm chòu được dao động.

d) Vật liệu gốm sứ

Sứ được chế tạo từ cao lanh - Al
2
O
3
.2SiO
2
.2H
2
O, fenspat -
Al
2
O

- Vải thuỷ tinh có tính chòu nhiệt cao; độ bền đứt lớn hơn vải bông nhiều
lần; không hút ẩm; có khả năng chòu dầu, axit, bazơ; không bò mục; không hoá
già; có độ bền cách điện cao. Vải thuỷ tinh dùng làm cách điện stato, động cơ
điện sử dụng ở chỗ nóng, khí cụ điện làm việc ở nhiệt độ cao ...

- Amiăng là chất cách điện có tính chòu nhiệt cao. Sợi amiăng mòn, dễ
uốn, có thể tách thành sợi nhỏ hoặc bện thành sợi to, ép thành tấm. Giấy amiăng
quintera chòu được axit, bazơ, dầu; có khả năng chống ẩm dùng làm cách điện
cuộn dây biến thế khô. Giấy mica amiăng làm bằng mica dán trên giấy amiăng
có tính chòu nhiệt và cách điện cao dùng làm cách điện cho cuộn dây điện trở,
phần tử đốt nóng ... Ximăng amiăng được ép thành tấm có cơ tính tốt; có khả
năng chòu nhiệt dùng làm buồng dập hồ quang trong máy cắt, tấm ngăn ở bộ
khống chế hình trống ...

f) Cao su tổng hợp

Bao gồm butadien, polycloropen, polyizobutilen, thiocol. Cao su tổng hợp
có tính đàn hồi cao, không thấm nước, dễ uốn cong dùng làm cách điện ở dây
dẫn điện, dây cáp điện ngầm, động cơ điện của dụng cụ cầm tay, dụng cụ gia
dụng ...

g) Nhựa

Trang 42
Nhựa có trạng thái trung gian giữa vật liệu cách điện thể lỏng và thể rắn
dùng làm cách điện ở đầu cáp điện, vỏ bọc cho ống nối; làm đầy hoàn toàn lỗ
rỗng để chống sự xâm nhập của không khí và hơi ẩm ...

h) Nhựa tổng hợp



Nguyên tử Si có 3 lớp electron, lớp ngoài cùng có 4 electron. Trong tinh
thể chúng liên kết với nhau tạo thành lớp ngoài cùng có 8 electron, do có những
electron dùng chung (hình 5). Các electron liên kết chặt chẽ với hạt nhân, bền
vững cho nên trong chất bán dẫn Si tinh khiết không có các electron tự do và khi
đặt trong điện trường hầu như không dẫn điện. Khi chiếu ánh sáng hoặc đốt
nóng chất bán dẫn tinh khiết, một số electron có thể bò bứt ra khỏi nguyên tử và
để lại lỗ trống, lúc này mật độ electron bằng mật độ lỗ trống. III. Chất bán dẫn loại N (negative)

Khi thêm một lượng nhỏ các nguyên tố thuộc nhóm V trong bảng phân
loại tuần hoàn các nguyên tố hoá học (chẳng hạn P, Sb) ta được chất bán dẫn
loại N. Trong tinh thể các nguyên tử P liên kết với các nguyên tử Si bên cạnh
tạo thành lớp ngoài cùng có 9 electron, sẽ thừa 1 electron (so với lớp ngoài cùng
của nguyên tử Si có 8 electron bền vững). Các electron thừa này có liên kết yếu
e
-

.. .
: :
.. hình 5c. Chất bán dẫn loại
N (negative)

Khi thêm một lượng nhỏ các nguyên tố thuộc nhóm III trong bảng phân
loại tuần hoàn các nguyên tố hoá học (chẳng hạn B, Ga, Al) ta được chất bán
dẫn loại P. Trong tinh thể các nguyên tử B liên kết với các nguyên tử Si bên
cạnh tạo thành lớp ngoài cùng có 7 electron, sẽ thiếu 1 electron (so với lớp ngoài
cùng của nguyên tử Si có 8 electron bền vững). Chỗ thiếu electron này giống
như lỗ trống (h
+
) có khuynh hướng nhận electron và khi đặt trong điện trường do
sự dòch chuyển của các electron từ nguyên tử này sang nguyên tử bên cạnh mà
các lỗ trống có chuyển động biểu kiến, đóng vai trò dẫn điện.

Trong chất bán dẫn loại P phần tử tải điện đa số là lỗ trống, còn phần tử
tải điện thiểu số là electron, do chất bán dẫn nền (Si) và việc pha tạp chất là
không thuần khiết.

V. Một số chất bán dẫn chính thường dùng trong kỹ thuật điện

1. Cacbon (C)

Cacbon được tìm thấy trong thiên nhiên dưới dạng kim cương, graphic và
cacbon vô đònh hình. Kim cương, graphic thu được từ các mỏ tự nhiên; graphic có
thể thu được từ antraxit, than cốc; cacbon vô đònh hình thu được từ đen của khói,
than cốc, than bùn ...

Cacbon có hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ là âm. Kim cương có
điện trở suất ρ = 4,14.10
14
Ωcm là vật liệu cách điện; graphic có điện trở suất ρ =
0,00283Ωcm là vật liệu dẫn điện tốt; cacbon vô đònh hình có điện trở suất ρ =
4Ωcm.