Giáo trình Kỹ thuật điện (Trình độ Trung cấp)

người sử dụng tài liệu tốt và hiệu quả. Bài giảng được chia làm 02 chương, trong đó: Chương 1: Cung cấp các kiến thức về mạch điện một chiều, mạch điện xoay chiều hình sin một pha, mạng ba pha (dòng điện, cường độ dòng điện, điện trở, điện trở suất, công suất, điện năng), viết, giải thích, vận dụng linh hoạt các biểu thức tính toán để giải được các dạng bài tập Chương 2: Cung cấp kiến thức về các loại vật liệu điện để phục vụ cho công tác sửa chữa, thay thế. 2 TẬP BÀI GIẢNG Tên môn học: Kỹ thuật điện Mã số môn học: MH 09 Thời gian môn học: 60 giờ; (Lý thuyết: 40 giờ; Thí nghiệm, bài tập, thảo luận: 18 giờ; Kiểm tra: 2 giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC: - Vị trí: Kỹ thuật điện là môn học kỹ thuật cơ sở trong danh mục các môn học/môđun đào tạo bắt buộc thuộc chương trình dạy nghề Vận hành nhà máy thuỷ điện. Môn học trang bị cho người học những kiến thức cơ sở về điện để người học học tiếp các môn liên quan; - Tính chất: Môn học dược bố trí giảng dạy trước khi học các môn học/ mô đun chuyên môn. II. MỤC TIÊU MÔN HỌC: * Kiến thức: - Phân tích và tính toán được các đại lượng điện trong mạch điện một chiều, xoay chiều một pha và ba pha - Mô tả được đặc điểm và ứng dụng các vật liệu dẫn điện cách điện, dẫn từ, vật liệu kết cấu * Kỹ năng: - Vận dụng các công thức tính toán cho mạch điện cụ thể tính toán các thông số của mạch điện cụ thể như mạch điện một chiều, xoay chiều một pha, xoay chiều ba pha - Lựa chọn đúng loại vật liệu điện phục vụ cho công tác sửa chữa, thay thế * Năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Nghiêm túc, chủ độn học tập. Ứng dụng các kiến thức đã học vào thực tế. 3 MỤC LỤC Trang LỜI GIỚI THIỆU 1 MỤC LỤC 3 CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN 5 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 5 1.1. MẠCH ĐIỆN VÀ MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN 5 1.2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 8 2. MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 10 2.1. CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ BIỂU THỨC CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 10 2.2. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG 15 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH MỘT CHIỀU 21 3. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 29 3.1. KHÁI NIỆM VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 29 3.2. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 31 3.3. BIỂU DIỄN ĐẠI LƯỢNG HÌNH SIN BẰNG ĐỒ THỊ VECTƠ 32 3.4. GIẢI MẠCH XOAY CHIỀU HÌNH SIN 34 4. MẠNG BA PHA 48 4.1. KHÁI NIỆM CHUNG 48 4.2. SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY TRONG MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 50 4.3. CÔNG SUẤT MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 54 4.4. PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 55 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I 59 BÀI TẬP CHƯƠNG I 60 CHƯƠNG II: VẬT LIỆU ĐIỆN 63 1. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 63 1.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 63 1.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 65 1.3. NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 69 1.4. MỘT SỐ VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THÔNG DỤNG. 70 2. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 82 2.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 82 2.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 83 2.3. NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT 85 4 LIỆU DẪN ĐIỆN 2.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN THÔNG DỤNG 88 3. VẬT LIỆU DẪN TỪ 95 3.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU DẪN TỪ 95 3.2 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN TỪ THÔNG DỤNG 97 4. VẬT LIỆU BÁN DẪN 99 4.1. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CHẤT BÁN DẪN 99 4.2. ỨNG DỤNG CHẤT BÁN DẪN 101 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG II 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 5 CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN I. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG: - Phát biểu được các khái niệm, định luật, định lý cơ bản trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha. - Vận dụng các biểu thức để tính toán các thông số kỹ thuật trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha ở trạng thái xác lập. - Vận dụng các phương pháp phân tích, biến đổi mạch để giải các bài toán về mạch điện hợp lý. - Giải thích một số ứng dụng đặc trưng theo quan điểm của kỹ thuật điện. II. NỘI DUNG CHI TIẾT 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN. 1.1. MẠCH ĐIỆN VÀ MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN. 1.1.1. Mạch điện. Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện gồm 3 phần tử cơ bản là nguồn điện, thiết bị tiêu thụ điện, dây dẫn ngoài ra còn có các thiết bị phụ trợ như: thiết bị đóng cắt, đo lường, bảo vệ, tự động Ví dụ: Sơ đồ mạch điện đơn giản như hình vẽ: a. Nguồn điện - Là các thiết bị để biến đổi các dạng năng lượng như: Cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, thuỷ năng, năng lượng nguyên tửthành điện năng. - Nguồn điện có thể là nguồn một chiều hoặc xoay chiều. + Nguồn một chiều: Pin, acquy, máy phát điện một chiều,... + Nguồn xoay chiều: Lấy từ lưới điện, máy phát điện xoay chiều, - Các nguồn điện công suất lớn thường được truyền tải từ các nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử...). - Các nguồn điện một chiều thường được đặc trưng bằng sức điện động E, điện trở trong r. Với nguồn xoay chiều thường biểu diễn bằng công suất P (công suất máy phát) và điện áp ra u. 6 b. Thiết bị tiêu thụ điện (Phụ tải) Là các thiết bị sử dụng điện năng để chuyển hóa thành một dạng năng lượng khác, như dùng để thắp sáng (quang năng), chạy các động cơ điện (cơ năng), dùng để chạy các lò điện (nhiệt năng)... . Các thiết bị tiêu thụ điện thường được gọi là phụ tải (hoặc tải) và ký hiệu bằng điện trở R hoặc bằng tổng trở Z. c. Dây dẫn Có nhiệm vụ liên kết và truyền dẫn dòng điện từ nguồn điện đến nơi tiêu thụ. Thường làm bằng kim loại đồng hoặc nhôm và một số vật liệu dẫn điện có điện dẫn suất cao khác. d. Các thiết bị phụ trợ: - Dùng để đóng cắt như: Cầu dao, công tắc, aptômát, máy cắt điện, công tắc tơ... - Dùng để đo lường: Ampe mét, vôn mét, oát mét, công tơ điện - Dùng để bảo vệ: Cầu chì, rơ le, 1.1.2. Mô hình mạch điện Khi tính toán, mạch điện thực được thay thế bằng một sơ đồ gọi là mô hình mạch điện, trong đó các phần tử thực được thay thế bằng các phần tử lý tưởng: E, J, R - Yêu cầu về mô hình mạch điện: mô hình mạch điện phải đảm bảo kết cấu hình học và quá trình năng lượng giống như mạch điện thực. - Một mạch thực có thể có nhiều mô hình mạch điện, điều đó là tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu và điều kiện làm việc của mạch điện. a. Phần tử điện trở Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng vv. Hình 1.3: Một số loại phụ tải thông dụng Hình 1.2: Một số loại nguồn điện 7 Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở : UR =R.I (1.1) Đơn vị của điện trở là Ω (ôm) ; Công suất điện trở tiêu thụ: P = RI2 ; (1.2) - Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t là: tRIA 2 (1.3) - Đơn vị của điện năng là Wh, KWh. b. Phần tử điện cảm - Khi có dòng điện i chạy qua cuộn dây có w vòng sẽ sinh ra từ thông móc vòng qua cuộn dây:  w (1.4) - Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa i w i L  (1.5) - Sức điện động tự cảm: dt diLeL  (1.6) - Đơn vị của điện cảm là H (Henri). Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện cảm: UL = - eL = - L. dt di (1.7) UL: còn gọi là điện áp rơi trên điện cảm Công suất trên cuộn dây: PL = UL.i = L.i. dt di (1.8) Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây: WM = L. 2 2i (1.9) Như vậy điện cảm L đặc chưng cho hiện tượng tích lũy lăng lượng từ trường của cuộn dây. c. Phần tử điện dung - Khi đặt điện áp của uc lên tụ điện có điện dung C thì tụ sẽ được nạp điện với điện tích q: CCUq  (1.10) uL i L I UR R 8 - Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện dung C là: i = dt dq = dt UCd C.. = dt Udc C..  UC =  1 0 ..1 dti C (1.11) - Công suất trên tụ điện: pC = UC.i = C.UC. dt Ud C. = C.UC. dt Ud C. (1.12) - Năng lượng điện trường của tụ điện: WE = 2 .2 CUC (1.13) Như vậy điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trong tụ diện. Đơn vị của điện dung là: F (Fara). 6 9 12(1 10 ); (1 10 ) ; (1 10 )F F F nF nF F pF pF F       d. Phần tử nguồn điện áp u(t) - Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn. Chiều điện áp được quy định từ điểm có hiệu điện thế cao xuống điểm có hiệu điện thế thấp. Chiều sức điện động được quy định từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao. - Quan hệ giữa sức điện động và điện áp đầu cực nguồn: u(t)= e(t) e. Phần tử nguồn dòng điện j(t) Nguồn dòng đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài. 1.2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 1.2.1. Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện Khi đặt vật dẫn trong điện trường, dưới tác dụng của lực điện trường, các điện tích dương sẽ di chuyển từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn, còn các e u ( t) J ( t ) uC i C 9 điện tích âm (các điện tử) sẽ di chuyển ngược lại từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao hơn và tạo thành dòng điện. Vậy: Dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hướng dưới tác dụng của lực điện trường. * Chiều quy ước của dòng điện: Theo quy ước: chiều dòng điện là chiều chuyển rời của các điện tích dương. + Trong kim loại : Dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hướng. Vì điện tử di chuyển từ nơi có điện thế thấp hơn đến nơi có điện thế cao hơn nên dòng điện tử ngược với chiều quy ước của dòng điện. + Trong dung dịch điện ly : Dòng điện là dòng các ion chuyển dời có hướng. Nó gồm có hai dòng ngược chiều nhau đó là: Dòng ion dương có chiều theo chiều quy ước của điện trường và dòng ion âm có chiều ngược chiều quy ước. Các ion dương sẽ di chuyển từ Anốt (cực dương) về Catôt (cực âm) nên gọi là các Cation, các ion âm di chuyển từ catốt về Anôt nên gọi là các Anion. + Trong môi trường chất khí bị ion hoá : Dòng điện là dòng các ion và điện tử chuyển dời có hướng. Nó gồm có dòng ion dương đi theo chiều của điện trường từ Anốt về Catốt, và dòng ion âm và điện tử đi ngược chiều điện trường từ Catốt về Anốt. Như vậy trong vật dẫn, dòng điện sẽ đi từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, trong nguồn điện thì ngược lại dòng điện đi từ cực có điện thế thấp đến cực có điện thế cao. 1.2.2. Cường độ dòng điện Đại lương đặc trưng cho độ lớn của dòng điện được gọi là Cường độ dòng điện, ký hiệu là I (hoặc i). Cường độ dòng điện là lượng điện tích qua tiết diện dây dẫn trong một đơn vị thời gian (tính bằng giây) Ta có: I = t q (1.11) Trong đó: I: Cường độ dòng điện, đơn vị là ampe (A) t: thời gian, đơn vị là giây (s) q: lượng điện tích, đơn vị là culong (C) 1.2.3. Mật độ dòng điện Mật độ dòng điện là đại lượng đo bằng tỉ số giữa dòng điện qua dây dẫn và tiết diện dây: S Ij  (1.12) Nếu S = 1  j = I. Vậy mật độ dòng điện chính là cường độ dòng điện qua 1 đơn vị tiết diện dây. 10 Rd Ud R0 U R I E r0 U I R + - I (A), S (mm2) nên j đơn vị là ( 2mm A ) Cường độ dòng điện dọc theo một đoạn dây dẫn là không đổi thì chỗ nào dây dẫn có tiết diện nhỏ thì mật độ dòng điện sẽ lớn và ngược lại. 2. MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU. 2.1. CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ BIỂU THỨC CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU. 2.1.1. Định luật Ôm * Định luật ôm cho đoạn mạch: Dòng điện trong 1đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp 2 đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch. * Công thức: I = R U  U = I. R (1.13) Điện áp đặt vào điện trở ( còn gọi là sụt áp trên điện trở) tỷ lệ thuận với trị số điện trở và dòng điện qua điện trở. * Định luật ôm cho toàn mạch Có mạch điện không phân nhánh như hình vẽ: - Nguồn điện có sức điện động là E, điện trở trong của nguồn là r0 - Phụ tải có điện trở R - Điện trở đường dây Rd Áp dụng định luật ôm cho đoạn mạch ta có: - Sụt áp trên phụ tải: U = I.R - Sụt áp trên đường dây Ud = I.Rd - Sụt áp trên điện trở trong của nguồn U0 = I. r0 Muốn duy trì được dòng điện I thì sức điện động của nguồn phải cân bằng với các sụt áp trong mạch E = U +U1 +U0 = I.( R + Rd + r0) = I.R  R = R + Rd + r0 Vậy dòng điện trong mạch tỉ lệ thuận với sức điện động của nguồn và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn mạch. I = 0rR E R E  (1.14) Phát biểu định luật Ôm: Dòng điện qua một đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp hai đầu đoạn mạch, tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch. 2.1.2. Công suất và điện năng trong mạch một chiều a. Công của dòng điện 11 Công của dòng điện là công của lực điện chuyển dịch các điện tích trong mạch điện. Giả sử trên một đoạn mạch có điện áp là U, dòng điện là I, trong thời gian t lượng điện tích chuyển qua đoạn mạch là: q = I.t. (1.15) Từ định nghĩa về điện áp ta thấy công của lực bằng tích của điện tích di chuyển qua đoạn mạch. A = q.U = U.I.t (1.16) Trong đo lường ta thường dùng đon vị của công là Jun ký hiệu là J. Vây: Công của dòng điện sản ra trên một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp hai đầu đoạn mạch, dòng điện qua mạch và thời gian duy trì dòng điện. b. Công suất của dòng điện Công suất của dòng điện là công của dòng điện thực hiện được trong 1đơn vị thời gian . . .A U I tP U I t t    (1.17) Vậy công suất của dòng điện trên một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp ở hai đầu đoạn mạch và dòng điện qua mạch. P = U.I = I2.R = R U 2 (1.18) Đơn vị của công suất người ta dùng đơn vị đo là: Oát ký hiệu W, KW, MW. c. Công suất của nguồn điện Công của nguồn điện là số đo năng lượng chuyển hóa các dạng năng lượng khác thành điện năng, và được tính theo công thức: Pt = E.I (1.19) Vậy: công suất của nguồn điện bằng tích số giữa sức điện động nguồn và dòng điện qua nguồn. d. Điện năng trong mạch điện 1 chiều Điện năng tiêu thụ trong mạch điện 1 chiều ký hiệu là A: A = P.t (1.20) Trong đó: P: là công suất của mạch điện (W) t: là thời gian dòng điện đi trong mạch (h) Vì vậy đơn vị của điện năng là oát-giờ (Wh), KWh, MWh. Ví dụ 1: Một bóng đèn ghi 220 V, 100W. 1) Gải thích ký hiệu đó. 2) Tính điện trở bóng đèn (ở trạng thái làm việc). 3) Nếu bóng đèn đó đặt vào điện áp U’ = 110V thì công suất tiêu thụ của bóng đèn là bao nhiêu? giả thiết khi đó điện trở của bóng đèn là không đổi? 12 Giải 1) Bóng đèn ghi 220V, 100W nghĩa là điện áp làm việc ứng với 220V thì đèn làm việc bình thường, đảm bảo các tính năng kỹ thuật theo quy định của nhà chế tạo và khi đó công suất tiêu thụ là 100W. 220V - là điện áp định mức của bóng đèn, kí hiệu Uđm. 100W - là công suất định mức của đèn kí hiệu là Pđm. 2) Điện trở của đèn ở trạng thái làm việc bình thường được tính theo công thức:  484 100 22022 đm đm P Ur 3) Gọi công suất tiêu thụ ứng với điện áp U’ là P’ và ứng với điện áp định mức là Pđm thì khi đó ta có: Pđm = r U đm 2 và P’ = r U 2' ta rút ra 22 2'' k U U P P đmđm  Với khi ta giả thiết là r không đổi. Vậy công suất tiêu thụ của đèn ứng với điện áp U’ = 110V là P’ = Pđm.k2 = 100.( 220 110 )2 = 25W. Ví dụ 2: Một pin có sđđ E = 6V cung cấp cho bóng đèn có R = 10 . Dòng điện qua đèn I = 0,4A. Tính công suất tổn hao trên điện trở trong của pin và trị số điện trở đó. Điện trở dây nối không đáng kể. Giải - Công suất phát của nguồn PPt = E.I = 6. 0,4 =2,4W - Công suất tiêu thụ trên bóng đèn P = I2.R = 0,42.10 = 1,6 W - Công suất tổn hao trên điện trở bóng: P0 = PPt – P = 2,4 -1,6 =0,8 W - Điện trở trong của pin: r0 =  5 4,0 8,0 22 0 I P 2.1.3. Định luật Jun – Lenxơ Định luật này do hai nhà Bác học là Jun (người Anh) và Lenxơ (người Nga) tìm ra bằng thực nghiệm năm 1844 nên người ta gọi là định luật Jun - Lenxơ. Phát biểu định luật: Nhiệt lượng do dòng điện toả ra trên một điện trở tỷ lệ với bình phương dòng điện, với trị số điện trở và thời gian dòng điện chạy qua. Q = 0,24A = 0,24.I2.R.t (Calo) (1.21) 1J = 0,24 calo  Q = R.I2.t (Jun) (1.22) Ứng dụng: Tác dụng nhiệt của dòng điện được ứng dụng rất rộng rãi để làm các dụng cụ đốt nóng bằng dòng điện như đèn điện có sợi nung, bếp điện, bàn là điện, lò sấy và lò luyện bằng điện tử,. Nguyên tắc có bản của các dụng cụ này là dùng một 13 + - Anốt Catốt I I phần tử đốt nóng để cho dòng điện chạy qua. Nhiệt toả ra ở các phần tử đốt nóng sẽ gia nhiệt các bộ phận chính của dụng cụ, hoặc sẽ phát sáng ở các đèn sợi nung. Dòng điện đi qua dây dẫn sẽ toả nhiệt theo định luật Jun - Lenxơ. Nhiệt lượng này sẽ đốt nóng dây dẫn, khi dây dẫn nóng lên nhiệt độ của nó cao hơn nhiệt độ bên ngòai môi trường. Dây càng nóng thì nhiệt độ toả ra ngoài môi trường càng lớn. Đến một lúc nào đó nhiệt lượng toả ra môi trường trong một giây bằng nhiệt lượng sinh ra của dòng điện thì nhiệt độ dây dẫn không tăng nữa, ta gọi là nhiệt độ ổn định hay nhiệt độ làm việc của dây dẫn. 2.1.4. Định luật Faraday * Hiện tượng điện phân Khi có dòng đi qua dung dịch muối ăn anion Cl- đi về cực dương (anốt) còn cation Na+ đi về cực âm (catốt). Tại cực dương Cl- nhường bớt điện tử cho điện cực trở thành nguyên tử Cl trung hoà. Tại cực âm Na+ thu thêm điện tử ở điện cực trở thành nguyên tử Na giải phóng ở cực âm. Kết quả là phần tử muối ăn bị dòng điện phân tích thành Cl ở cực dương và Na ở cực âm. Nếu dung dịch điện phân là muối của đồng thì ở cực âm thu được kim loại đồng. Như vậy: Khi dòng điện qua chất điện phân, sẽ xảy ra hiện tượng phân tích chất điện phân, giải phóng kim loại hoặc hiđrô ở cực âm. Đó là hiện tượng điện phân * Định luật Farday: Khối lượng của chất thoát ra ở mỗi cực điện tỷ lệ với điện tích đã chuyển qua chất điện phân: m = k.q = k.I.t (2.23) Ở đây, m là khối lượng chất thoát ra ở điện cực ; q = I.t là điện tích qua dung dịch (Culông) ; k : Là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng. Nếu q = 1Culông thì k = m. Vậy đương lượng điện hóa của một chất là khối lượng chất đó thoát ra ở điện cực khi có 1 Culông qua dung dịch. * Ứng dụng của hiện tượng điện phân * Luyện kim: Trong luyện kim, hiện tượng điện phân được ứng dụng để tinh chế và điều chế một số kim loại. Muốn tinh chế kim loại, người ta ứng dụng hiện tượng cực dương ta. Chẳng hạn, để tinh chế đồng, người ta dùng thanh đồng cần tinh chế làm điện cực dương, dung dịch điện phân là muối đồng tan. Khi dòng điện qua dung dịch, thanh đồng bị hòa tan dần, và ở điện cực sẽ hình thành một lớp đồng tinh khiết. Để điều chế kim loại (luyện kim) bằng dòng điện, người ta tiến hành điện phân quạng kim loại nóng chảy hoặc các dung dịch muối của chúng. Chẳng hạn, để luyện 14 nhôm, người ta điện phân quạng bâu xít (nhôm ô xít Al2O3) nóng chảy trong criolit, để luyện natri người ta điện phân muối ăn (NaCl) nóng chảy. * Mạ điện: Mạ điện là phương pháp dùng dòng điện để phủ lên các đồ vật một lớp kim loại không gỉ như bạc, vàng, .. Muốn mạ một vật nào đó, cần làm sạch bề mặt cần mạ, rồi nhúng vào bình điện phân làm thành cực âm. Cực dương là thỏi kim loại của lớp mạ (như bạc, vàng, ..). Dung dịch điện phân là một muối tan của kim loại mạ. Khi dòng điện qua dung dịch, một lớp kim loại mạ sẽ phủ kín bề mặt vật cần mạ, còn cực dương bị mòn dần. Tùy theo cường độ và thời gian dòng điện qua mà ta có lớp kim loại phủ mỏng hay dầy. 2.1.5. Hiện tượng nhiệt điện * Hiện tượng nhiệt điện Mỗi kim loại đều có mật độ điện tử tự do (tức là số điện tử tự do trong một đơn vị thể tích) nhất định. Mật độ này ở các kim loại khác nhau sẽ khác nhau. Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc là K1 và K2 thì có sự khuếch tán điện tử qua chỗ tiếp xúc. Giả sử kim loại K1 có mật độ điện tử tự do lớn hơn K2. Khi đó, điện tử tự từ K1 sẽ khuếch tán sang K2 kết quả là K1 sẽ tích điện dương (vì thiếu điện tử), K2 sẽ tích điện âm (vì thừa điện tử), và hình thành nên một điện trường tại mặt tiếp xúc, có một hiệu điện thế Utx gọi là hiệu điện thế tiếp xúc. Hình 1.4 Sự khuếch tán của điện tử qua chỗ tiếp xúc (a) Sự hình thành hiệu điện thế tiếp xúc và s.đ.đ nhiệt điện (b) Hiệu điện thế tiếp xúc phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Bản chất kim loại tiếp xúc K1, K2. Kim loại khác nhau thì mật độ điện tử khác nhau, và do đó mức độ khuếch tán điện tử qua lớp tiếp xúc cũng khác nhau. - Nhiệt độ chỗ tiếp xúc. Khi nhiệt độ tăng thì mức độ khuếch tán cũng tăng lên. Bằng thực nghiệm người ta thấy trong khoảng nhiệt độ không lớn lắm, hiệu điện thế tiếp xúc tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xúc: Utx = C.T (1.24) Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xúc, oK: G C D B A K2 K1 Utx2 Utx1 b) + + + + - - - - - K1 K2 Utx a) 15 A R1 I B R2 R3 C U1 D U2 U3 U T(oK)  273 + (oC) (1.25) C là hệ số nhiệt điện, phụ thuộc vào kim loại tiếp xúc, chẳng hạn: Tiếp xúc đồng – côngstangtan, C = 41,8V/độ ; Tiếp xúc Platin- Platinpharod, C = 6,4V/độ. Để lấy được hiệu điện thế tiếp xúc, ta phải nối kín mạch cả hai dầu và hình thành 2 mối nối tiếp xúc A, B. Gọi nhiệt độ mối A là T1, mối B là T2 thì hiệu điện thế tiếp xúc ở các mối là: Utx1 = CT1 = C.(273+1) (1.26) Utx2 = CT2 = C(273+2) Trong mạch kín sẽ có một sức điện động gọi là sức điện động nhiệt điện E bằng hiệu của hai điện thế tiếp xúc: E = Utx1 – Utx2 = C(T1 – T2) = C.(1 - 2) (1.27) Sức điện động nhiệt điện tỷ lệ thuận với độ chênh nhiệt độ của hai đầu tiếp xúc và phụ thuộc vào bản chất các kim loại tiếp xúc: Nếu 1 = 2 thì Etx = 0. Chính vì thế, nếu coi các mối tiếp xúc A và B cùng nhiệt độ thì sức điện động nhiệt điện do hai mối đó tạo ra bằng không. * Ứng dụng hiện tượng nhiệt điện – Pin nhiệt điện Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để chế tạo ra các pin nhiệt điện hay cặp nhiệt điện. Pin nhiệt điện gồm có hai thanh kim loại (hay bán dẫn) khác nhau, được hàn với nhau ở một đầu, đặt vào nơi có nhiệt độ cao (gọi là đầu nóng), còn đầu kia đặt ở nơi có nhiệt độ thấp (gọi là đầu lạnh), sức điện động nhiệt đện của pin được dùng để đo lường hay phát điện.Trên hình 1.5 vẽ một nhiệt kế dùng pin nhiệt điện. Đầu a đặt vào nơi có nhiệt độ cần đo, đầu b tiếp xúc với môi trường. Coi nhiệt độ của môi trường là không đổi thì sức điện động của pin sinh ra tỉ lệ với nhiệt độ của điểm a, nên cơ cấu đo G sẽ cho biết nhiệt độ cần đo. G b a Hình 1.5: Đo nhiệt độ bằng pin nhiệt điện 2.2. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG 2.2.1. Điện trở ghép nối tiếp, song song . 2.2.1.1. Điện trở ghép nối tiếp. * Ghép nối tiếp các điện trở là cách ghép sao cho chỉ có 1 dây điện duy nhất chạy qua tất cả các điện trở (mạch điện không phân nhánh) 16 - Điện trở tương đương của các điện trở R1, R2, R3 mắc nối tiếp là: Rtđ = R1+ R2 + R3 (1.28) Nếu có n điện trở mắc nối tiếp thì: Rtđ = R1 + R2 + Rn U = U1 + U2 + Un (1.29) * Ví dụ 1: Hộp điện trở gồm 4 điện trở: R1 = 1 ; R2 = 2 ; R3 = 3 ; R3 = 4 nối tiếp. Mỗi điện trở đều có thể nối tắt 2 cực. Xác định điện trở tương đương của hộp điện trở khi: a, Nối tắt 2 cực của R2 b, Không nối tắt 2 cực của điện trở nào Giải: a, Khi nối tắt 2 cực của R2 mạch còn 3 điện trở R1, R3, R4 đấu nối tiếp. Rtđ = R1+ R3 + R4 = 1+3+4 = 8 b, Khi không nối tắt điện trở nào mạch có 4 điện trở R1, R2, R3, R4 đấu nối tiếp Rtđ = R1+ R2 + R3 + R4 = 1+2+3+4 = 10 * Ví dụ 2: Cần ít nhất mấy bóng đèn 24V, 12W đấu nối tiếp để đặt vào điện áp U = 120V? Tính điện trở tương đương của mạch. Giải Bóng đèn 24V không đấu trực tiếp với điện áp 120V được mà ta phải đấu nối tiếp nhiều bóng để đảm bảo điện áp trên mỗi bóng đèn không vượt quá điện áp định mức của bóng đền là 24V. Vì các bóng đèn giống nhau nên khi đấu nối tiếp thì điện áp đặt vào các bóng là như nhau. Vậy số bóng cần đấu là: n ≥  24 110 5, ta lấy n = 5 bóng. Điện trở của mỗi bóng:  48 12 2422 đm đm P Ur Điện trở tương đương của toàn mạch là: rtđ = n.r = 5.48 = 240  2.2.1.2.. Điện trở ghép song song. * Ghép song song các điện trở là cách ghép sao cho tất cả các điện trở đều đặt vào cùng 1 điện áp. Ghép song song là cách ghép phân nhánh, mỗi nhánh có 1 điện trở. 17 Dòng điện mạch chính: I = I1 +I2 + +In (1.30) Điện trở tương đương của các điện trở R1, R2 Rn mắc song song được tính: ntd RRRR 1...111 21  (1.31) *Các trường hợp riêng: - Hai điện trở đấu song song: (R1// R2) Rtđ = 21 21. RR RR  (1.32) - Ba điện trở đấu song song ( R1// R2//R3) Rtđ = 323121 321 ... .. RRRRRR RRR  (1.33) - Các điện trở bằng nhau đấu song song R1 = R2 = = Rn = R; Rtđ = n R (1.34) * Ví dụ 1: Có 3 điện trở R1 = 60 ; R2 = 120 ; R3 = 150 đấu song song. Tính điện trở tương đương. Giải: Rtđ= 323121 321 ... .. RRRRRR RRR  = 120.150150.60120.60 150.120.60  = 31,6  * Ví dụ 2: Tính điện trở tương đương của đoạn mạch AD như hình vẽ biết: R1 = 0,12  ; R2 = 2  ; R3 =10 ; R4 = 20 ; R5 =50 Giải: - Điện trở tương đương của đoạn mạch BC: RBC = 88.5 50.2050.1020.10 50.20.10 ... .. 545343 543     RRRRRR RRR ( ) - Điện trở tương đương của đoạn mạch AD. RAD = R1 + R2 + RBC = 0,12 + 2 + 5,88 = 8  18 2.2.2. Biến đổi  - Y và Y -  2.2.2.1. Biến đổi sao (Y) thành tam giác () Giả thiết có 3 điện trở R1, R2, R3, nối với nhau theo hình sao (Y). Biến đổi các điện trở đấu sao trên thành các điện trở đấu với nhau theo hình tam giác theo các công thức sau: 2 3 1 31 212 1 2 23 2 3 31 3 1 3 1 2 . .. ; ;R R R RR RR R R R R R R R R R R R          (1.35) Khi hình sao đối xứng: R1 = R2 = R3 = R ta có: R12 = R23 = R31 2.2.2.2. Biến đổi tam giác () thành sao (Y) Giả thiết có 3 điện trở R12, R23, R31, nối với nhau theo hình tam giác (). Biến đổi các điện trở đấu tam giác trên thành các điện trở đấu với nhau theo hình sao theo các công thức sau: 12 31 23 12 31 23 1 2 3 12 23 31 12 23 31 12 23 31 . . .; ;R R R R R RR R R R R R R R R R R R          (1.36) Khi tam giác đối xứng: R12 = R23 = R31 = R Thì: R1 = R2 = R3 = R/3. * Ví dụ: Tính dòng điện I chạy qua nguồn của mạch hình cầu (hình vẽ). Biết R1 = 12 , R2 = R3 =6 , R4 =21 , R0 =18 , Rn = 2 , E= 240V. R31 Hình 1.6 : Mạch biến đổi tam giác thành sao R12 R23 1 3 2 R1 R2 R3 2 1 3 R31 Hình 1.5: Mạch biến đổi điện trở sao thành tam giác R12 R23 1 3 2 R1 R2 R3 2 1 3 19 Giải: RA =     2 18612 6.12. 021 21 RRR RR RB =     6 18612 18.12. 021 01 RRR RR RC =     3 18612 6.18. 021 20 RRR RR Điện trở tương đương ROD của đoạn mạch OD gồm 2 nhánh song song. ROD =       8 21366 )213).(66()).(( 43 43 RRRR RRRR CB CB Điện trở tương đương toàn mạch: Rtđ = Rn + RA +ROD = 2+2+8 =12  Dòng điện chạy qua nguồn I =  20 12 240 tdR E 2.2.2.3. Nguồn áp ghép nối tiếp Trong nhiều trường hợp, sức điện động và dòng điện của một phần tử không thoả mãn yêu cầu sử dụng mà phải đấu nhiều nguồn điện với nhau thành bộ nguồn. Các bộ nguồn có thể đấu nối tiếp hoặc song song với nhau tuỳ thuộc vào yêu cầu của mạch điện. Với nguồn xoay chiều người ta thường đấu song song các nguồn với nhau để đảm bảo công suất, nâng cao tính chắc chắn tuy nhiên việc đấu song song các nguồn điện này cần phải đảm bảo một số điều kiện bắt buộc (tần số, góc pha, điện áp,) sẽ nghiên cứu ở môn máy điện. Với nguồn một chiều pin, ác quy, suất điện động nhỏ cỡ vài vôn đến vài chục vôn. Trong nhiều trường hợp, sức điện động và dòng điện của một phần tử không thoả mãn yêu cầu sử dụng và phải đấu nhiều bộ pin, ác quy thành bộ nguồn. Khi đấu thành bộ, người ta chỉ sử dụng các phần tử giống nhau, tức có cùng sức điện động là E0 và điện trở trong r0. Có 3 cách đấu nguồn tương tự như cách đấu điện trở: nối tiếp, song song, hỗn hợp. * Trong thực tế người ta thường đấu nối tiếp các nguồn áp một chiều với nhau để tạo ra điện áp lớn hơn: Đấu nối tiếp là đấu cực âm phần tử thứ nhất với cực dương phần tử thứ hai, cực âm phần tử thứ hai với cực dương của phần tử thứ ba, Cực dương của phần tử thứ nhất và cực âm của phần tử cuối cùng là hai cực của bộ nguồn điện áp. Gọi sức điện động của mỗi phần tử là Eo, thì sức điện động của cả bộ nguồn sẽ là: E = n.Eo (1.37) 20 Từ đó, nếu đã biết điện áp yêu cầu của phụ tải là U, ta xác định được số phần tử nối tiếp là: o Un E  (1.38) Kí hiệu điện trở trong mỗi phần tử là r0, điện trở của bộ nguồn là rb thì rb chính là điện trở tương đương của n điện trở nối tiếp: rb = n0 Hình 1.7 : Nguồn áp ghép nối tiếp Dòng điên qua bộ nguồn điện áp là dòng điện qua mỗi phần tử, nên dung lượng nguồn bằng dung lượng mỗi phần tử. Ví dụ: Cho mạch điện (hình 1.12). Biết: E0 = 3V; r0 = 1Ω; n = 4; Rt = 4Ω. Tìm dòng điện chạy qua Rt. Giải: E = nE0 = 4.3 = 12(V); r = nr0= 4.1 = 4(Ω); Rtđ = 4 + 4 = 9(Ω). Vậy I = 5,1 8 12  (A) 2.2.2.4. Nguồn dòng ghép song song Để có dòng điện thoả mãn yêu cầu mạch điện người ta cũng có thể đấu nối tiếp hoặc song song các nguồn dòng với nhau. Trong nguồn điện một chiều (pin, ác quy...) dòng điện phóng khoảng cỡ vài phần mười đến vài phần chục am pe. Do đó muốn có dòng điện lớn người ta ghép song song các nguồn dòng với nhau. Đấu song song các nguồn dòng điện là đấu các cực dương với nhau, các cực âm với nhau, tạo thành hai cực của bộ nguồn. Sức điện động của cả bộ nguồn là sức điện động của mỗi phần tử. E = Eo (1.39) Điện trở trong của bộ nguồn là điện trở tương đương của m điện trở song song. ft o r r m  (1.40) Dòng điện tương đương của bộ nguồn là tổng dòng điện qua mỗi phần tử nguồn dòng điện: I = m.Ift (1.41) Từ đó, nếu đã biết dòng điện yêu cầu của tải I, ta tính được số nguồn dòng điện cần thiết để mắc song song tạo thành bộ nguồn dòng điện là: J + E r 21 ftcf Im I  (1.42) Hình 1.8: Nguồn dòng điện ghép song song Ví dụ 1: Xác định số ácquy cần nối thành bộ để cung cấp tải là đèn chiếu sáng sự cố, công suất tải 2,1KW, điện áp tải 120V. Biết mỗi ácquy có E0 = 12V, dòng điện phóng cho phép là 10A. Giải Dòng điện tải là: I = A U P 5,1...y điện người ta ghi công suất biểu kiến định mức của chúng. Nếu ta nhân 3 cạnh của tam giác tổng trở với bình phương trị hiệu dụng của dòng điện I sẽ được 1 tam giác đồng dạng gọi là tam giác công suất, có: - Cạnh huyền : S = I2.z - Cạnh góc vuông: P = I2.R ; Q = I2.X Hình 1.38: Tam giác trở kháng trong mạch điện xoay chiều R-L-C nối tiếp Từ tam giác công suất biết P và Q ta tính được S và góc lệch pha  S QC P QL  Q = QL - QC S QC QL  Q = QL - QC P 44 S = 2222 )( CL QQPQP  (1.91) tg P QQ P Q CL  Ngược lại nếu biết S và  ta tính được P và Q: P = S.cos ; Q= S.sin * Các trường hợp riêng Một trong 2 thành phần điện cảm và điện dung thường vắng mặt trong mạch. Khi đó tất cả các lí luận trên đều đúng * Khi mạch chỉ có điện trở và điện cảm thì bỏ thành phần điện áp trở kháng và công suất của tụ điện và ta có 3 tam giác sau * Mạch có điện trở và điện dung R, C thì bỏ thành phần điện áp trở kháng và công suất của điện cảm ta có tam giác sau: * Mạch thuần phản kháng (L-C), R = 0 - Nếu XL>XC thì mạch có tính chất giống như mạch thuần điện cảm - Nếu XL<XC thì mạch có tính chất giống như mạch thuần điện dung - Nếu XL=XC thì mạch có trạng thái cộng hưởng điện áp Ví dụ 1: Cho mạch điện như hình vẽ (hình 1.39). Biết: điện áp đầu cực của nguồn là: 10 2 sinu t (V), R = 75, XL = 25, XC = 60. Tính dòng điện I, và điện áp trên các phần tử UR, UL, UC. Vẽ đồ thị vectơ mạch điện. XC 60Ω XL25Ω 75Ω R U LU  I  RU  U  x CU  C CU U   25o O a) b) Hình 1.39: Mạch điện và đồ thị vectơ UC UC UR I U  R XC Z  P QC S UL UL UR I U XL Z R  S P  QL 45 Giải: Tổng trở của mạch điện có R, L, C 2 2 2 2z= R ( ) 75 (25 60) 82,8L CX X       Dòng điện I chạy trong mạch: 10 0,121A 82,8 UI z    Điện áp trên các phần tử: UR = R.I = 75.0.121 = 9,08V. UL = XL.I = 25.0.121 = 3,03V. UC = XC.I = 60.0.121 = 7,27V. Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện: 25 60 0, 466 25 75 oL CX Xtg R             < 0 cho ta biết dòng điện vượt trước điện áp. Để vẽ đồ thị vectơ hình 3.21.b, trước hết ta vẽ vectơ điện áp trùng với phương trục ox ( = 0) sau đó vẽ dòng điện i vượt trước điện ápU một góc 25o. Vectơ UR trùng pha với dòng điệnIi, vectơ UL vượt trước I một góc 90o,UuC chậm sau dòng điện I một góc 90o. Ví dụ 2: Một mạch điện R, L, C nối tiếp. Điện áp đầu cực của nguồn U = 20V, tính dòng điện trong mạch khi tần số f = 1kHz, f = 2kHz. C 0,02F L100mH 3,3kΩ R U Hình 1.40: Mạch điện nối tiếp R, L, C ví dụ 2.2b Giải: a) Khi f = 1kHz, ta có: XL = 2fL = 2..103.100.10-3 = 628 (Ω). 3 8 1 1 7960 2 2 .10 .2.10C X fC       2 2 2 2( ) 3300 (628 7960) 8040L Cz R X X        46 3 3 20 2, 48.10 8,04.10 UI A z    b) Khi f = 2kHz ta có: XL = 2fL = 2..2.103.100.10-3 = 1260Ω. 3 8 1 1 3980 2 2 .2.10 .2.10C X fC       2 2 2 2( ) 3300 (1260 3980) 4280L Cz R X X        3 3 20 4,67.10 4,28.10 UI A z    . 3.4.4.3. Hiện tượng cộng hưởng điện áp a. Hiện tượng và tính chất Trong mạch xoay chiều không phân nhánh, hai thành phần UL và UC ngược pha nhau, trị số của chúng ngược dấu nhau ở mọi thời điểm và có tác dụng bù trừ nhau. Nếu trị số hiệu dụng UL = UC thì chúng sẽ triệt tiêu nhau, và điện áp nguồn chỉ còn một thành phần đặt vào điện trở U = Ur, và ta nói mạch có hiện tượng cộng hưởng điện áp. Khi mạch cộng hưởng thì ta có: UL = - UC (1.92) do đó trị hiệu dụng: UL = UC, suy ra: XL = XC Khi đó: RXXRZ CL  22 )( (1.93) 00   R XXtg CL Hình 1.41: Đồ thị mạch cộng hưởng áp Ta có những nhận xét sau: - Trong mạch có cộng hưởng điện áp, dòng và áp đồng pha nhau, tổng trở bằng điện trở. 0 i;u t /2  3/ 2 t uL i UR = U UC I UL UC UL uC 47 - Dòng điện trong mạch cộng hưởng: R U Z UI  (1.94) - Nếu điện trở R càng nhỏ so với XL và XC thì điện áp trên điện cảm UL (cũng là điện áp nguồn U). Tỷ số giữa XL (hay XC) với R gọi là hệ số phẩm chất của cộng hưởng, kí hiệu là q. U U U U U U U U RI XI RI XI R Xq LC R C R LCLL  . . . . (1.95) Hệ số phẩm chất q cho biết khi cộng hưởng, điện áp cục bộ trên cuộn cảm hay tụ điện gấp máy lần điện áp nguồn. - Công suất tức thời trên cuộn cảm và tụ điện pL= i.uL = - i.uC = - pC (1.96) Như vậy, ở mọi thời điểm, pL và pC bằng nhau về trị số, ngược nhau về dấu. Khi pL > 0 thì pC < 0 tức cuộn dây tích lũy năng lượng từ trường thì tụ điện phóng năng lượng điện trường. Ngược lại khi pL 0, tức cuộn dây phóng năng lượng từ trường còn tụ điện tích năng lượng điện trường. Như vậy, khi mạch cộng hưởng điện áp, xảy ra sự trao đổi năng lượng hoàn toàn giữa điện trường và từ trường, còn năng lượng nguồn chỉ tiêu thụ trên điện trở R. Công suất phản kháng trong mạch bằng 0, vì không có sự trao đổi năng lượng giữa nguồn và các trương. b. Điều kiện cộng hưởng áp Từ biểu thức: XL = XC  1L C    Rút ra điều kiện cộng hưởng sau: 0 1 LC    (1.97) Lượng 0 1 LC  gọi là tần số góc riêng của mạch. Biết: 0 1 2 2 f f LC       (1.98) Lượng 0 1 22 f LC     gọi là tần số riêng của mạch. Vậy điều kiện cộng hưởng áp là tần số nguồn điện bằng tần số riêng của mạch 0 0hay f f   . Hiện tượng cộng hưởng có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật, chẳng hạn để tạo ra điện áp lớn (trên cuộn cảm hay tụ điện khi điện áp nguồn vẫn bé), thường dùng thí nghiệm: Dùng trong mạch lọc theo tần số, ứng dụng trong kỹ thuật nắn điện hay thông tin, 48 Tuy nhiên nếu xảy ra cộng hưởng trong mạch điện không ứng với chế độ làm việc bình thường, sẽ dẫn đến hậu quả có hại, như điện áp cục bộ trên cuộn dây hay tụ điện quá lớn, vượt trị số cho phép, làm nguy hiểm cho thiết bị và người vận hành. Ví dụ: Nối tiếp điện trở 2, với điện cảm 160mH và điện dung 64F, đặt vào điện áp xoay chiều 220V có tần số biến thiên. Với điều kiện nào sẽ xẩy ra cộng hưởng ? Xác định hệ số phẩm chất và điện áp trên các phần tử khi có cộng hưởng. Giải: - Tần số riêng của mạch: 0 3 6 1 1 50 2 2.3,14. 160.10 .64.10 f Hz LC      Vậy khi tần số nguồn f = f0 = 50Hz thì xảy ra cộng hưởng điện áp. - Hệ số phẩm chất: 25 2 10.160.50.14,3.22 3   R fL R Xq L  - Điện áp trên các phần tử khi có cộng hưởng: - Điện áp trên điện trở: Ur = U = 220V - Điện áp trên điện cảm và điện dung: UL = UC = q.U = 25.220 = 550V 4. MẠNG BA PHA 4.1. KHÁI NIỆM CHUNG 4.1.1. Hệ thống ba pha cân bằng Hiện tại phần lớn các mạch điện có công suất lớn đều sử dụng mạch điện ba pha do tính ưu việt của nó về kỹ thuật và kinh tế. Hệ thống điện 3 pha là tập hợp ba hệ thống điện một pha được nối với nhau tạo thành một hệ thống năng lượng điện từ chung, trong đó sức điện động ở mỗi mạch đều có dạng hình sin, cùng tần số, lệch pha nhau một phần ba chu kỳ. Nguồn điện gồm có ba sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số, lệch nhau về pha 2 3  , gọi là nguồn ba pha đối xứng (hay nguồn cân bằng). Đối với nguồn đối xứng ta có : eA + eB + eC = 0 (1.99) EA + EB + EC = 0 Tải ba pha có tổng trở phức của các pha bằng nhau : ZA = ZB = ZC gọi là tải ba pha đối xứng. Mạch điện ba pha gồm có nguồn, tải và đường dây đối xứng được gọi là mạch điện ba pha đối xứng (còn được gọi là mạch ba pha cân bằng). Nếu không thỏa mãn điều kiện đã nêu thì gọi là mạch ba pha không đối xứng. 49 4.1.2. Đồ thị dạng sóng và đồ thị vectơ Hệ thống điện ba pha đuợc tạo ra từ máy phát điện đồng bộ ba pha, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Cấu tạo nguyên lý của máy phát điện 3 pha gồm hai phần : Hình 1.42: Nguyên lý máy phát điện ba pha a) Stator (phần tĩnh). Gồm ba cuộn dây giống nhau (gọi là các cuộn dây pha) đặt lệch nhau 1200 trong các rãnh của lõi thép stator. Các cuộn dây ba pha thường ký hiệu tương ứng là AX, BY, CZ. b) Rotor (phần quay). Là một nam châm điện N-S. Khi rotor quay, từ trường của nó lần lượt quét qua các cuộn dây pha, sinh ra các sức điện động hình sin có cùng biên độ, cùng tần số, nhưng lệch pha nhau một góc 1200. Nếu chọn pha ban đầu của sức điện động eA trong cuộn dây AX bằng không ta có biểu thức các sức điện động trong các pha là : )120sin(2)240sin(2 )120sin(2 sin2 00 0    tEtEe tEe tEe C B A    (1.100) Nếu biểu diễn hệ thống SĐĐ 3 pha trên bằng số phức ta được: 00 0 0 120240 120 0       EEE EE EE C B A (1.101) Hình 1.43: Đồ thị dạng sóng và đồ thị vectơ mạch điện ba pha 50 4.1.3. Đặc điểm và ý nghĩa Hệ thống điện 3 pha có nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống điện một pha. Để truyền tải điện một pha ta cần dùng 2 dây dẫn, nhưng để truyền tải hệ thống 3 pha chỉ cần dùng 3 hoặc 4 dây dẫn do vậy tiết kiệm và kinh tế hơn. Hệ 3 pha dễ dàng tạo ra từ trường quay, làm cho việc chế tạo động cơ điện đơn giản. Các động cơ công suất lớn đều phải sử dụng nguồn điện 3 pha. Nếu nối riêng rẽ từng pha với tải ta được 3 hệ thống một pha độc lập, hay hệ thống 3 pha không liên hệ với nhau (hình 4.3). Hệ thống này ít sử dụng trong thực tế do không kinh tế vì cần tới 6 dây dẫn. Thông thường 3 pha nguồn được nối với nhau, 3 pha tải cũng được nối với nhau và có đường dây 3 pha nối giữa nguồn và tải. Có 2 phương pháp nối mạch 3 pha thường sử dụng trong công nghiệp là nối hình sao (Y) và nối hình tam giác (Δ). A C B X Y Z IA IB IC ZA ZB ZC Hình 1.44: Hệ thống mạch điện ba pha độc lập 4.2. SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY TRONG MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 4.2.1. Các định nghĩa Mỗi pha của nguồn và tải đều có điểm đầu và điểm cuối. Ta thường ký hiệu các điểm đầu pha là A, B, C, các điểm cuối pha là X, Y, Z. Đối với nguồn, 3 điểm cuối X, Y, Z của các cuộn dây máy phát điện được nối lại với nhau tạo thành điểm trung tính O. Đối với tải, 3 điểm cuối X’, Y’, Z’ được nối lại với nhau tạo thành điểm trung tính O’. Ba dây nối các điểm đầu của nguồn và tải AA’, BB’, CC’ gọi là các dây pha. Dây dẫn nối các điểm trung tính OO’ gọi là dây trung tính. 4.2.2. Đấu dây hình sao (Y) 42.2.1. Nguyên tắc nối Để nối hình sao người ta nối 3 điểm cuối của các pha lại với nhau tạo thành điểm trung tính. Đối với nguồn, 3 điểm cuối X, Y, Z của các cuộn dây máy phát điện được nối lại với nhau tạo thành điểm trung tính O. Đối với tải, 3 điểm cuối X’, Y’, Z’ được nối lại với nhau tạo thành điểm trung tính O’. 51 Ba dây nối các điểm đầu của nguồn và tải AA’, BB’, CC’ gọi là các dây pha. Dây dẫn nối các điểm trung tính OO’ gọi là dây trung tính. Hình 1.45: Sơ đồ đấu dây hình sao a) Sơ đồ đấu dây ; b) Đồ thị vectơ 4.2.2.2. Quan hệ giữa dòng điện dây Id và dòng điện pha Ip Dòng điện pha Ip là dòng điện chạy trong mỗi pha của nguồn (hoặc tải). Dòng điện dây Id là dòng chạy trong các dây pha nối giữa nguồn và tải. Từ hình 1.45 ta thấy dòng điện dây Id có giá trị bằng dòng điện chạy trong các pha Ip. Id = Ip (1.102) 4.2.2.3. Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha Điện áp pha Up là điện áp giữa điểm đầu và điểm cuối của mỗi pha (hoặc giữa dây pha và dây trung tính). Điện áp dây Ud là điện áp giữa 2 dây pha : AB A B BC B C CA C A U U U U U U U U U                (1.103) Để vẽ đồ thị vectơ điện áp dây, trước hết ta vẽ đồ thị vectơ điện áp pha UA, UB, UC , sau đó dựa vào công thức (1.103) ta dựng đồ thị vectơ điện áp dây như trên hình 1.45 b. Ta có : Hình 1.46: Đồ thị vectơ mạch điện đấu sao 52 Về trị số, điện áp dây Ud lớn hơn điện áp pha Up là 3 lần. Thật vậy, xét tam giác OAB từ đồ thị hình 1.45 b ta có : o 32AH=2OAcos30 2OA 3 2 3d P AB OA U U      (1.104) Dễ thấy rằng, khi điện áp pha đối xứng, thì điện áp dây đối xứng. - Về pha, các điện áp dây UAB, UBC, UCA lệch pha nhau một góc 120o và vượt trước điện áp pha tương ứng một góc 300. Khi tải đối xứng, dòng điện qua dây trung tính bằng không : 0o A B CI I I I         (1.105) Trong trường hợp này có thể không cần dây trung tính, ta có mạch ba pha ba dây. Thông thường trong thực tế, tải ba pha là không cần bằng, khi đó dòng điện qua dây trung tính là khác không, do đó bắt buộc phải có dây trung tính. Ví dụ 1: Một nguồn điện áp ba pha đối xứng hình sao, điện áp pha nguồn Upn = 220V. Nguồn cung cấp điện cho tải R ba pha đối xứng. Biết dòng điện chạy trên dây Id =10A. Tính điện áp Ud, điện áp pha của tải, dòng điện pha của tải và của nguồn, vẽ đồ thị vectơ. Giải: Nguồn nối hình sao, áp dụng công thức (1.105) điện áp dây là : 3 3.220 380d fU U V   Tải nối hình sao, biết Ud = 380V, theo công thức (1.105) ta có điện áp của tải là: 380 220 3 3 d f UU V   O Ipn Up n A BC O Ipt A BC Up tR R R Ud Id IA IBIC CU  BU  AU  AI  BI  CI  a) b) Hình 1.47: Mạch điện và đồ thị vectơ Nguồn nối sao, tải nối sao nên ta có : Dòng điện pha nguồn: Ipn = Id = 10A Dòng điện pha tải: Ipt = Id = 10A Vì tải thuần trở nên điện pha của tải trùng pha với dòng điện pha của tải. 53 4.2.3. Đấu dây hình tam giác () 4.2.3.1. Nguyên tắc nối Để nối hình tam giác người ta nối đầu pha này với cuối pha kia, ví dụ A nối với Z, B nối với X, C nối với Y (hình 1.48). Hình 1.48: Mạch điện ba pha nối tam giác 4.2.3.2. Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha Từ hình vẽ ta thấy khi nối tam giác thì điện áp giữa hai dây chính là điện áp pha Ud = Up (1.106) 4.2.3.3. Quan hệ giữa dòng điện dây Id và dòng điện pha Ip Áp dụng định luật Kirchhoff 1 cho các nút, ta có : Tại nút A: A AB CAI I I      Tại nút B: B BC ABI I I      Tại nút C: C CA BCI I I      Đồ thị vectơ các dòng điện dây IA, IB, IC và dòng điện pha IAB, IBC, ICA vẽ trên hình 1.48b: Ta có : - Về trị số, dòng điện dây lớn gấp 3 lần dòng điện pha. Thật vậy, xét tam giác OEF từ đồ thị hình 1.48b ta có : 0 3EF = 2OEcos30 2OE 3 2 OE  Từ đó: 3d pI I (1.107) Ví dụ 2: Một mạch điện ba pha, nguồn điện nối sao, tải nối tam giác. Biết điện áp pha của nguồn Upn = 2kV, dòng điện pha của nguồn Ipn = 20A. a) Hãy vẽ sơ đồ nối dây mạch ba pha và trên sơ đồ ghi rõ các đại lượng pha và dây. b) Hãy xác định dòng điện và điện áp pha của tải Ipt, Upt. Giải: a) Sơ đồ đấu dây cho trên hình 1.49 54 b) Vì nguồn nối hình sao, nên dòng điện dây bằng dòng điện pha Id = Ipn = 20A Điện áp dây bằng 3 lần điện áp pha nguồn : 3 3.2 3,646d pnU U kV   O Ipn Upn A B C A Z Upt Ud Id IdId Z Z Z I pt Hình 1.49: Sơ đồ đấu dây mạch điện Vì tải nối hình tam giác, nên điện áp pha của tải Upt bằng điện áp dây : Upt = Ud = 3,464kV Dòng điện pha của tải nhở hơn dòng điện nhỏ hơn dòng điện dây 3 lần 20 11,547A 3 3 d pt II    4.3. CÔNG SUẤT MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 4.3.1. Công suất tác dụng P Gọi PA, PB, PC tương ứng là công suất tác dụng của các pha A, B,C, ta có công suất tác dụng của mạch ba pha bằng tổng các công suất tác dụng của từng pha : P = PA + PB + PC = UAIAcosA+ UBIBcosB + UCICcosC Khi mạch ba pha đối xứng ta có : UA = UB = UC = UP IA = IB = IC = IP cosA = cosB = cosC Từ đó: P = 3UpIp cos (1.110) Hoặc : P = 3RpIp2 (1.111) Trong đó Rp là điện trở pha. Nếu thay đại lượng pha bằng đại lượng dây: Trong cách nối hình sao : ; 3 d p d p UI I U  Trong cách nối tam giác : ; 3 d p d p IU U I  55 Ta có công suất tác dụng trong mạch ba pha viết theo đại lượng dây áp dụng cho cả hai trường hợp nối hình sao và tam giác đối xứng : P = 3 UdIdcos (1.112) Trong đó  là góc lệch pha giữa điện áp pha và dòng điện pha tương ứng : p 2 2 p R os = R p c X   4.3.2. Công suất phản kháng Q Công suất phản kháng của mạch ba pha là : Q = QA + QB + QC = UAIAsinA + UBIBsinB + UCICsinC Khi mạch đối xứng ta có : Q =3UpIpsin (1.113) Hoặc: Q = 3XpIp2 (1.114) Trong đó Xp là điện kháng của pha. Nếu biểu diễn theo các đại lượng dây ta cũng có : Q = 3 UdIdsin (1.115) 4.3.3. Công suất biểu kiến Khi đối xứng, công suất biểu kiến ba pha là : 2 2 3 3p p d dS P Q U I U I    (1.116) 4.4. PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠNG BA PHA CÂN BẰNG Đối với mạch điện ba pha đối xứng, dòng điện và điện áp các pha có trị số bằng nhau và lệch pha nhau một góc 1200. Khi giải mạch ba pha ta chỉ cần tính cho một pha, sau đó suy ra các pha còn lại. Khi nối vào nguồn có điện áp Ud, bỏ qua tổng trở của đường dây, nếu biết tổng trở tải, các bước tính toán sẽ thực hiện như sau: - Bước 1. Xác định cách nối phụ tải : hình sao hay tam giác. - Bước 2. Xác định điện áp pha của tải : + Nếu nối hình sao: 3d PU U + Nếu tải nối tam giác: Ud = Up - Bước 3. Xác định tổng trở pha và hệ số công suất của tải. 2 2 p p pZ R X  Hệ số công suất: p 2 2 p R os = Z p p p R c R X    - Bước 4. Tính dòng điện Ip của phụ tải. + Nếu tải nối sao: Id = Ip 56 + Nếu tải nối tam giác: Id= 3 Ip – Bước 5. Tính công suất tiêu thụ trên phụ tải. P = 3RpIp2 =3UpIpcos = 3 UdIdcos Q = 3XpIp2 =3UpIpsin = 3 UdIdsin S = 3ZpIp2 = 3UpIp = 3 UdId Ví dụ 3: Một tải 3 pha có điện trở pha Rp = 20Ω, điện kháng pha Xp =15Ω, nối hình tam giác và đấu vào lưới điện 3 pha có điện áp dây Ud = 220V. (hình 1.50a). Tính dòng điện pha Ip, dòng điện dây Id, công suất tải tiêu thụ và vẽ đồ thị vectơ điện áp dây và dòng điện pha phụ tải. Giải: Theo sơ đồ đấu dây (hình 1.50) tải nối tam giác, do đó điện áp pha của tải là: Ud = Up = 220 V. Tổng trở pha của tải: 2 2 2 220 15 25p p pZ R X      Dòng điện pha của tải: 220 8,8A 25 p p p U I Z    Hình 1.50: Sơ đồ mạch điện Dòng điện dây của tải: Id = 3 Ip = 3 .8,8 = 15,24A Công suất tiêu thụ: P = 3RpIp2 = 3.20.8,82 = 4646,4W Q = 3Xp Ip2 = 3.15.8,82 = 3484,24Var S = 3 UdId = 3 220.15,24 = 5870,21VA Hệ số công suất: p p R 20os = 0,8 36,87 Z 25 oc      Dòng điện chậm pha hơn điện áp một góc là  = 36,87o. Đồ thị vectơ dòng điện và điện áp pha vẽ trên hình 1.50b. 57 Ví dụ 4: Một tải 3 pha là 3 cuộn dây được đấu vào lưới điện 3 pha có điện áp dây là 380V. Cuộn dây có điện trở R = 2Ω, điện kháng X = 8Ω và được thiết kế làm việc ở điện áp định mức là 220V. 1) Xác định cách nối các cuộn dây thành tải 3 pha. 2) Tính công suất P, Q và cos của tải. Hình 1.51: Sơ đồ mạch điện ví dụ 4. Giải: a) Các cuộn dây phải nối hình sao vì khi đấu vào lưới điện 3 pha thì điện áp pha đặt lên mỗi cuộn dây bằng điện áp định mức: 380 220 3 3 p p U U V   Nếu tải nối tam giác, điện áp pha đặt lên cuộn dây (hình 1.51b) : Up = Ud = 380 V Giá trị điện áp 380V lớn hơn điện áp định mức của cuộn dây, nên cuộn dây sẽ bị hỏng. b) Tổng trở pha của tải là : 2 2 2 22 8 8,24p p pZ R X      Hệ số công suất : p p R 2os = 0,242 8, 24 c Z    p p X 8sin = 0,97 8, 24Z    Dòng điện pha của tải: p p 220= 26,7A 8,24p U I Z   Dòng điện dây: Id = Ip = 26,7A Công suất tác dụng của tải : 3 os = 3.380.26,7.0.242d dP U I c W Công suất phản kháng của tải : 58 3 sin 3.380.26,7.0,97 17045,7 Ard dQ U I V   Công suất biểu kiến : 3 3.380.26,7 17572,8d dS U I VA   59 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I 1. Lập bảng so sánh 2 cách đấu song song và nối tiếp điện trở (định nghĩa, công thức xác định điện trở tương đương, dòng áp chung và trên mỗi phần tử, công suất...). Hai điện trở bằng nhau khi đấu song song và đấu nối tiếp trị số Rtđ thay đổi như thế nào ? 2. So sánh 2 cách đấu nguồn điện (đấu song song và đấu nối tiếp). 3. Giải thích hai sơ đồ tương đương của nguồn điện (Nguồn dòng và nguồn áp). 4. Phát biểu hai định luật Kirchoff. Cách viết các phương trình Kirchoff ? Cho ví dụ. 5. Nêu cách giải mạch điện bằng phương pháp biến đổi điện trở ? Đặc điểm của phương pháp này. 6. Nêu cách giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện nhánh, phương pháp dòng điện vòng? So sánh đặc điểm của hai phương pháp này. 7. Thế nào là dòng điện xoay chiều hình sin ? Phân biệt trị số tức thời, biên độ và hiệu dụng của lượng hình sin. 8. Thế nào là pha, góc pha đầu, sự lệch pha ? Hai lượng hình sin cùng pha có đặc điểm gì, muốn 2 lượng hình sin bằng nhau phải thỏa mãn điều kiện gì ? 9. Nêu cách biểu diễn lượng hình sin bằng đồ thị véc tơ ? 10. Công suất biểu kiến là gì ? Phân biệt công suất biểu kiến và công suất tác dụng. 11. Thế nào là hiện tượng cộng hưởng điện áp. Điều kiện để có cộng hưởng là gì ? Ý nghĩa của hiện tượng cộng hưởng ? 12. Nêu những ưu điểm của mạch ba pha. 13. Định nghĩa điện áp pha, điện áp dây, dòng điện dây và quan hệ giữa chúng khi nối sao và nối tam giác. 14. Trình bày các bước giải mạch điện ba pha đối xứng. 15. Các biểu thức của công suất P, Q, S trong mạch ba pha đối xứng. 60 BÀI TẬP CHƯƠNG I Bài 1: Cho mạch điện cầu như hình vẽ. Biết: E = 4,4V, R1 = 20; R2 = 60; R3 = 120; R4 = 80; R5 = 44. Tính điện trở tương đương của toàn mạch. Đáp số: Biến đổi 1 trong 2 tam giác ABD hoặc CBD thành hình sao tương đương, giả sử biến đổi ABD, khi đó: RA = 6; RB = 12; RD = 36; RCO = 16; Rtm = 22. Bài 2: Cho mạch điện như hình vẽ, có: E = 30V; R2 = R3 = 20; R1 = Rt = 10. Tính điện trở tương đương của toàn mạch và dòng điện trong mạch ? Đáp số: Rtm = 7,3 ; I = 4,1A Bài 3: Cho mạch điện như hình vẽ, có: R1 = 12. ; R2 = 4; R3 = 3; R4 = 8; R5 = 6; R6 = 8. Tính điện trở tương đương của toàn mạch? R2 R5 R3 R1 R6 R4 E R2 R1 R3 Rt 61 Bài 4: Cho mạch điện như hình vẽ, có: R1 = 10. ; R2 = 3; R3 = 1; R4 = 6; R5 = 12; R6 = 4; R7 = 1; R8 = 5. Tính điện trở tương đương của toàn mạch? Bài 5: Dùng phép biến đổi tương đương, tính dòng điện trong các nhánh trên sơ đồ hình B1.2. Tính công suất nguồn và công suất trên các điện trở. Biết U = 80V; R = 1,25 ; R1 = 6; R2 = 10. Hình B1.2 Đáp số: I1 = 10A; I2 = 6A; I = 16A; P = 1280W; PR = 320W; PR1 = 600W; PR2 = 360W; Bài 6: Cho mạch điện trên sơ đồ hình B2.2. Biết nguồn E = 15V; R1 = 6; R2 = 12; R3 = 10; R4 = 40. Tính dòng điện trong các nhánh. Bài 7: Cho mạch điện trên sơ đồ hình. Hãy giải mạch điện bằng 2 phương pháp sau: a, Phương pháp dòng điện nhánh. R5 R3 R1 R6 R4 R2 R8 R7 + R R1 R2 - I1 I2 I E a R2 R3 R4 I3 I4 I R1 I2 I1 62 b, Phương pháp dòng điện vòng Cho biết E1 = 200V; R1 = 2; E2 = 170V; R2 = 10; R3 = 20. Bài 8: Mạch điện gồm điện trở R = 7,5 mắc nối tiếp với tụ điện C = 320F, đặt vào điện áp xoay chiều U = 125V. f = 50Hz. Tính dòng điện và các thành phần của tam giác điện áp, vẽ đồ thị véctơ. Đáp số: I = 10A; UR = 75V; UX = -100 V; tg = -1,333   = -530 Bài 9: Mạch điện gồm điện trở R = 12, C = 127F, L = 160mH nối tiếp vơi nhau, đặt vào điện áp xoay chiều U = 127V. f = 50Hz. Tính dòng điện và các thành phần của tam giác điện áp, tam giác công suất. Vẽ đồ thị véctơ. Đáp số: I = 4,6A; UR = 55,2V; UX = 115V; tg = 2,08   = 60020’ P = 254 W; Q = 529VAr; S = 584VA. Bài 10: Mạch điện có điện trở R = 2, C = 64F, L = 160mH nối tiếp vơi nhau, đặt vào điện áp xoay chiều U = 220V. Với tần số nguồn điện bao nhiêu sẽ sảy ra cộng hưởng điện áp. Xác định hệ số phẩm chất và các thành phần tam giác điện áp trong trường hợp cộng hưởng. Đáp số: f0 = 50Hz; q = 25; UR = U = 220V; UL = UC = 5500V. Câu 11: Một mạch điện 3 pha, nguồn nối Y, tải nối ∆. Nguồn và tải đều đối xứng. Biết dòng điện pha của tải IPt = 50 A, điện áp pha của tải UPt = 220 V. a. Hãy vẽ sơ đồ nối dây mạch ba pha và trên sơ đồ ghi rõ các đại lượng pha và dây. b. Hãy xác định dòng điện pha và điện áp pha của nguồn. Câu 12: Mạch điện gồm R = 30, L = 0,8H, C mắc nối tiếp. Điện áp nguồn u = 120 2 Sin 100t (V). a, Xác định C để mạch cộng hưởng nối tiếp. Tính dòng điện cộng hưởng. b, Với C = 25. 10-5 F. Tính hệ số UR, UL, UC, hệ số Cos, P, Q, S. C, Vẽ đồ thị véc tơ dòng điện và điện áp. R1 I1 I2 R2 E1 I3 R3 E2 A B 63 CHƯƠNG II: VẬT LIỆU ĐIỆN I. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG - Trình bày được được khái niệm vật liệu cách điện, dẫn điện, dẫn từ, vật liệu bán dẫn; tính chất chung của các loại vật liệu đó. - Phân loại các loại vật liệu điện thông dụng. Nhận dạng các loại vật liệu thông qua tính chất của chúng. Lựa chọn các loại vật liệu phù hợp với mục đích sử dụng. Xác định các dạng và nguyên nhân gây hư hỏng ở vật liệu điện. Tính chọn/thay thế vật liệu điện. II. NỘI DUNG CHI TIẾT 1. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.1.1 Khái niệm Vật liệu cách điện (còn gọi là chất điện môi) là vật chất mà trong điều kiện bình thường không có điện tử tự do nên vật liệu không dẫn điện, điện dẫn  của chúng bằng không hoặc nhỏ không đáng kể. Vật liệu cách điện có vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện, việc nghiên cứu vật liệu cách điện để tìm hiểu các tính chất, đặc điểm, để từ đó chọn lựa cho phù hợp. 1.1.2. Phân loại vật liệu cách điện a. Phân loại theo trạng thái vật lý Theo trạng thái vật lý, có:  Vật liệu cách điện thể khí,  Vật liệu cách điện thể lỏng,  Vật liệu cách điện thể rắn. Vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng luôn luôn phải sử dụng với vật liệu cách điện ở thể rắn thì mới hình thành được cách điện. Vật liệu cách điện rắn còn được phân thành các nhóm: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng. Ở giữa thể lỏng và thể rắn còn có một thể trung gian gọi là thể mềm nhão như: các vật liệu có tính bôi trơn, các loại sơn tẩm. b. Phân loại theo thành phần hóa học Theo thành phần hoá học, người ta phân ra: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ. * Vật liệu cách điện hữu cơ: chia thành hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo. + Nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên sử dụng các hợp chất cơ bản có trong thiên nhiên, hoặc giữ nguyên thành phần hóa học như: cao su, lụa, phíp, xenluloit,... 64 + Nhóm nhân tạo thường được gọi là nhựa nhân tạo gồm có: nhựa phênol, nhựa amino, nhựa polyeste, nhựa epoxy, xilicon, polyetylen, vinyl, polyamit,.... * Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại vật liệu rắn như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiăng... c. Phân loại theo tính chịu nhiệt Phân loại vật liệu cách điện theo tính chịu nhiệt là cách phân loại rất cơ bản. Khi lựa chọn vật liệu cách điện, trước tiên ta phải biết vật liệu có khả năng chịu nhiệt theo cấp nào trong số bảy cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện theo bảng sau: (bảng 3.1). Bảng 3.1: Các cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện Cấp cách điện Nhiệt độ cho phép (0C) Các vật liệu cách điện chủ yếu Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu tơng tự, không tẩm và ngâm trong vật liệu cách điện lỏng. Các loại nhựa như: nhựa polietilen, nhựa polistirol, vinyl clorua, anilin... A 105 Giấy, vải sợi, lụa được ngâm hay tẩm dầu biến áp. Cao su nhân tạo, nhựa polieste, các loại sơn cách điện có dầu làm khô, axetyl, tấm gỗ dán, êmây gốc sơn nhựa dầu. E 120 Nhựa tráng polivinylphocman, poliamit, eboxi. Giấy ép hoặc vải có tẩm nha phenolfocmandehit (gọi chung là bakelit giấy). Nhựa melaminfocmandehit có chất độn xenlulo, têctôlit. Vải có tẩm poliamit. Nhựa poliamit, nhựa phênol - phurol có độn xenlulo, nhựa êboxi. B 130 Nhựa polieste, amiăng, mica, thủy tinh có chất độn. Sơn cách điện có dầu làm khô, dùng ở cá bộ phận không tiếp xúc với không khí. Sơn cách điện alkit, sơn cách điện từ nhựa phênol. Các loại sản phẩm mica (micanit, mica màng mỏng). Nhựa phênol-phurol có chất độn khoáng. Nhựa eboxi, sợi thủy tinh, nhựa melamin focmandehit, amiăng, mica, hoặc thủy tinh có chất độn. F 155 Sợi amiăng, sợi thủy tinh không có chất kết dính. Bao gồm micanit, êpoxi poliête chịu nhiệt, silíc hữu cơ. H 180 Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính, nhựa silíc hữu cơ có độ bền nhiệt đặc biệt cao. C Trên 180 Gồm các vật liệu cách điện vô cơ thuần túy, hoàn toàn không có thành phần kết dính hay tẩm. Chất vật liệu cách điện oxit nhôm và florua nhôm. Micanit không có chất kết dính, thủy 65 tinh, sứ. Politetraflotilen, polimonoclortrifloetilen, ximăng amiăng v.v.. 1.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Khi lựa chọn, sử dụng vật liệu cách điện cần phải chú ý đến không những các phẩm chất cách điện của nó mà còn phải xem xét tính ổn định của những phẩm chất này dưới các tác dụng cơ học, hóa lý học, tác dụng của môi trường xung quanh,...gọi chung là các điều kiện vận hành tác động đến vật liệu cách điện. Dưới tác động của điều kiện vận hành, tính chất của vật liệu cách điện bị giảm sút liên tục, người ta gọi đó là sự lão hóa vật liệu cách điện. Do vậy, tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ rất khác nhau trong những điều kiện khác nhau. Bởi thế cần phải nghiên cứu về tính chất cơ lý hoá, nhiệt của vật liệu cách điện để có thể ngăn cản quá trình lão hoá, nâng cao tuổi thọ của vật liệu cách điện. 1.2.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện Các vật liệu cách điện với mức độ khác nhau đều có thể hút ẩm (hút hơi nước từ môi trường không khí) và thấm ẩm (cho hơi nước xuyên qua). Nước là loại điện môi cực tính mạnh, hằng số điện môi tương đối  = 80  81, độ điện dẫn  =10-5  10-6 (1/cm) nên khi vật liệu cách điện bị ngấm ẩm thì phẩm chất cách điện bị giảm sút trầm trọng. Hơi ẩm trong không khí còn có thể ngưng tụ trên bề mặt điện môi, đó là nguyên nhân khiến cho điện áp phóng điện bề mặt có trị số rất thấp so với điện áp đánh thủng. Qua phân tích, ta thấy rằng tính hút ẩm của vật liệu cách điện không những phụ thuộc vào kết cấu và loại vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ ẩm...của môi trường làm việc. Nó sẽ làm biến đổi tính chất ban đầu của vật liệu dẫn đến lão hóa và làm giảm phẩm chất cách điện của vật liệu, tg, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện. Đặc ...dây phải lớn nên giảm được hiện tượng phóng điện vầng quang. * Nhược điểm: - Sức bền cơ khí tương đối bé và gặp khó khăn trong việc thực hiện tiếp xúc điện khi nối với nhau. - Cùng một tiết diện và độ dài, nhôm có điện trở cao hơn đồng 1,63 lần. - Khó hàn nối hơn đồng, chổ nối tiếp xúc không hàn dễ hình thành lớp ôxít có trị số điện trở suất khá cao phá hủy chổ tiếp xúc. - Khi cho nhôm và đồng tiếp xúc nhau, nếu bị ẩm sẽ hình thành pin cục bộ có trị số suất điện động khá cao, dòng điện đi từ nhôm sang đồng phá huỷ mối tiếp xúc rất nhanh. 92 * Ứng dụng: Trong kỹ thuật điện, nhôm được sử dụng phổ biến để chế tạo: - Dây dẫn điện đi trên không để truyền tải điện năng. - Ruột cáp điện. - Các thanh ghép và chi tiết cho trang thiết bị điện. - Dây quấn trong các máy điện. - Các lá nhôm để làm tụ điện, lõi dẫn từ máy biến áp, các rôto của động cơ điện,... b. 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, Al-Si-Cu, Al-Si-Mg, Al-Mg, Al-Mg-Mn. Một hợp kim được dùng phổ biến để chế tạo dây dẫn là hợp kim "aldrey". Chúng là hợp kim của nhôm với (0,30,5)%Mg, (0,40,7)% Si, (0,20,3)% Fe. Tổ hợp làm cho hợp kim có tính chất cơ khí tốt. Dây dẫn bằng hợp kim loại "aldrey" nhận được thông qua việc tôi hợp kim (nung nóng đến 5006000C), kéo nó thành sợi ở kích thước mong muốn và làm già hóa nhân tạo bằng nung nóng 1502000C. Sức bền của dây dẫn "aldrey" lớn gấp khoảng 2 lần so với dây dẫn Al tinh khiết. Vì vậy, khi dùng dây dẫn "aldrey" có thể tăng khoảng cách giữa các cột của đường dây trên không, giảm chi phí xây dựng đáng kể. 2.4.3 Chì và hợp kim của chì * Đặc tính Chì là kim loại có màu tro sáng ngã màu xanh da trời, là kim loại mềm, dễ dàng uốn cong hoặc cắt bằng dao cắt công nghiệp. Chỗ mới cắt có màu sáng rực và màu sáng rực này mất đi rất nhanh và trở thành màu tro. Nó có sức bền đối với thời tiết xấu do có những tổ hợp bảo vệ hình thành trên bề mặt (PbCO3, PbSO4,). Không bị tác dụng bởi axit clohydric, axit sulphuaric, axit sulphuarơ, axit flohydric,axit phosphoric hoặc amôniac, clo, xút, borax. Chì hòa tan dễ dàng trong axit nitric pha loãng hay axit axêtic pha loãng. Chì có sức bền với muối amoniac, clorua, dầunhưng không bền đối với chất kiềm. Sự bay hơi của chì rất độc hại. Chì là kim loại rất dễ dát mỏng thành sợi, thành tấm. Ở trạng thái lỏng, chì dễ chảy và có thể làm đầy khuôn mẫu. Do nhiệt độ nóng chảy thấp nên người ta dùng chì làm vật liệu hàn và hàn gắn rất tốt. Chì không có sức đề kháng ở dao động, đặc biệt ở môi trường nhiệt độ cao. Vì vậy cáp có vỏ bọc chì không nên đặt ở gần đường sắt vì như vậy có thể xuất hiện các đường nứt. Hợp kim chì với tỉ leeh phần trăm nhỏ của SB, Te, Cu, Sn thì sẽ tạo cho chì 93 1 cấu trúc mịn hơn và có sức đề kháng đối với sự dao động nhưng ít bền đối với sự ăn mòn. Sau khi giãn nở do nhiệt, chì mềm không trở lại dạng kích thước ban đầu. Chì là loại vật liệu bảo vệ tốt nhất đối với sự xuyên thủng của tia Rơnghen (tia X). * Ứng dụng Chì và hợp kim của chì dùng làm vỏ bảo vệ ở cáp điện nhằm chống ẩm ướt. Chì không bị thẩm thấu bởi chất lỏng và khí, nó bảo vệ ngăn cách đối với ẩm ướt. Chì tham gia vào các hợp kim. Chì được dùng để chế tạo ăcquy điện có các tấm bản chì. Chì được sử dụng làm dây chì nóng chảy để bảo vệ các đường dây dẫn điện. Chì được sử dụng như vật liệu bảo vệ đối với sự hấp thụ của tia Rơnghen. 2.4.4. Sắt và hợp kim của sắt * Tính chất của sắt Sắt tinh khiết là kim loại màu trắng bạc, không khí khô không tác dụng vào sắt, song nó bị tác dụng bởi khí quyển ẩm và axit, nhưng ít hơn sắt kỹ thuật (vì sắt kỹ thuật có nhiều tạp chất). Dây dẫn bằng thép bị ăn mòn thông qua hiện tượng rỉ ở nhiệt độ bình thường, đặc biệt trong môi trường ẩm thấp. Để tránh ăn mòn, bề mặt tiếp xúc của các thanh góp của các trang thiết bị điện người ta phủ một lớp cadmi, tức tạo ra một lớp bảo vệ ổn định đối với không khí.. Dây dẫn bằng thép có thể chịu đựng tốt ở nhiệt độ đến 1000C mà không làm biến đổi phẩm chất cơ khí của thép. Điện trở của dây dẫn thép ở dòng xoay chiều tăng hơn so với dòng một chiều do ảnh hưởng của hiệu ứng màng ngoài.. * Ứng dụng Thép có điện trở suất gấp 7 ÷ 8 lần so với đồng nhưng sức bền cơ khí gấp 2 ÷ 2,5 lần, do đó dây dẫn thép được sử dụng ở những cột lớn, những tuyến vượt sông rộngvà có thể sử dụng cho những khoảng cột lớn từ 1500 ÷ 1900m. Dây dẫn bằng thép có thể được mắc với độ võng bé hơn các dây dẫn khác, do vậy cột có thể thấp hơn nhưng khỏe hơn. Lực kéo căng của dây thép khá lớn nên có thể dùng thép các cột thấp hơn. Sự phong phú của thép trong quặng thiên nhiên và giá thành thấp của thép làm cho giá thành của dây dẫn thép thấp hơn dây dẫn đồng hay nhôm. Sự tổn thất nhiều trong lưới điện dùng dây dẫn thép phải được nghiên cứu và tính toán nên chỉ dùng dây dẫn thép trong trường hợp năng lượng điện có giá thành hạ. Thanh ray của tàu điện, của đường sắt con tàu sử dụng điện, của đường sắt mêtrô 94 được sử dụng như các đường dây dẫn điện. Dây dẫn bằng thép thay cho dây đồng đối với những thiết bị phải làm việc trong những điều kiện nặng nhọc như va đập cơ khí, áp suất lớn, bụi khói,dẫn đến bị mài mòn nhanh. Dây dẫn bằng thép được dùng làm dây dẫn bảo vệ đối với quá điện áp của đường dây trên không (dây chống sét), dây dẫn sét và trang thiết bị nối đất. Một lĩnh vực quan trọng khác của việc ứng dụng dây dẫn điện bằng thép và các chi tiết bằng gang là chế tạo các điện trở phát nóng với nhiệt độ phát nóng lên đến 300 – 5000C, đồng thời dùng làm biến trở khởi động và điều chỉnh. Thép rèn đôi khi được dùng ở vòng cổ góp của máy điện để thay thế cho các vòng bằng đồng hay thanh gang. Sắt được làm dây tóc bóng đèn hay sử dụng làm điện trở. Sắt tinh khiết (được chế tạo bằng điện phân) được sử dụng chế tạo các điện cực anot (điện cực dương) ở các chỉnh lưu với bể thủy ngân. 2.4.5. Wofram (W) * Đặc tính của wonfram (W) Wonfram là kim loại rất cứng, có màu tro chiếu sáng, không bị thay đổi ở nhiệt độ thường dù có hơi nước. Ở 7000C, wonfram bắt đầu bị oxi hóa, tạo nên oxit màu trắng (WO3), nếu tăng nhiệt độ, oxit trắng này sẽ chuyển sang màu vàng. Ở nhiệt độ cao, wonfram phản ứng với oxit cacbon, nitơ, hơi nước và hydro cacbua, wonfram không phản ứng với thủy ngân và hidro. Ở các khí cụ điện với kỹ thuật chân không, có sợi tóc nung nóng bằng wonfram (đèn nung sáng, bóng điện tử), nếu bên trong có vết hơi nước thì dây tóc sẽ bị hủy hoại rất nhanh. Giải thích tại sao ? Ở nhiệt độ của dây tóc, hơi nước bị phân tích và oxy từ kết quả của sự phân tích này sẽ tác dụng với wonfram tạo nên oxit WO3 bám vào bờ của bóng đèn. Trên đường đi từ sợi tóc đến các bờ của bóng đèn, hay sau khi đạt đến bờ bóng đèn, WO3 sẽ bị giảm bởi hydro (do sự phân tích của hơi nước) sẽ tái tạo lại nước. Như vậy wonfram của sợi tóc sẽ vận chuyển và bám vào bờ của bóng đèn. Wonfram không tan trong axit, nó hòa tan trong Na2CO3 nóng chảy. Những chi tiết wonfram tương đối dày cũng dễ vỡ và đứt vì mối liên hệ cơ học giữa mạng tinh thể rất yếu. Đối với những sợi tóc phải uốn thành những vòng xoắn, người ta chỉ sử dụng dây đa tinh thể, mạng kết cấu này sẽ cản trở việc tái tạo lại mạng tinh thể bằng cách đưa vào các oxit khó bay hơi (SiO2, CaO, K2O, Al2O3, ThO2). 95 Cùng với việc thêm vào oxit ThO2 (0,75÷2%) người ta đã thành công trong việc chế tạo dây tóc bằng wonfram, nó chịu được đến nhiệt độ 25000C và tương đối bền vững đối với sự biến dạng. Wonfram là kim loại có sức bền đứt và độ cứng rất cao, có nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong tất cả các kim loại (33800C) Sức bền cơ khí và sự kéo dài của wonfram thay đổi tùy theo nhiệt độ và phương pháp gia công. Tốc độ bay hơi của wonfram trong khí quyển nitơ là 2 ÷ 5% nhỏ hơn trong chân không, còn trong khí argon là 1,3 ÷ 3% nhỏ hơn trong chân không. Sự phát xạ điện tử của wonfram thay đổi theo nhiệt độ của Catod. * Ứng dụng Wonfram là loại kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất, được chế tạo thành dây sợi tóc trong bóng đèn dây tóc, chế tạo các điện trở phát nóng cho các lò điện, chế tạo các phần tử nhiệt, Nó có sự phát xạ điện tử tương đối thỏa mãn nên trước đây được dùng trong các bóng đèn điện tử. - Wonfram được dùng làm dây vòng xoắn ở đèn nung sáng. - Wonfram được dùng các điện cực catôt (cực âm). - Wonfram được dùng làm điện trở nung nóng. - Các tiếp điểm điện: Wonfram có độ tinh khiết 99,5 ÷ 99,8% có khả năng chịu đựng phóng điện thông qua hồ quang, vì vậy người ta sử dụng nó như vật liệu cho các tiếp điểm điện khi ngắt, đối với dòng điện bé. 3. VẬT LIỆU DẪN TỪ 3.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU DẪN TỪ 3.1.1. Khái niệm Một trong những tác dụng cơ bản của dòng điện là tác dụng từ. Đó chính là cơ sở để chế tạo các loại máy điện. Để truyền tải được năng lượng từ trường cần phải có những vật liệu có từ tính, đó chính là nhóm vật liệu dẫn từ (còn gọi là vật liệu sắt từ ). Kim loại chủ yếu có từ tính là sắt cacbon, niken và các hợp kim của chúng, bên cạnh đó còn có côban cũng được gọi là chất sắt từ đã qua quá trình tinh luyện. 3.1.2. Tính chất của vật liệu dẫn từ Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu là các điện tích luôn chuyển động nằm theo quỹ đạo kín, tạo nên những dòng điện vòng đó là sự quay của các điện tử xung quanh trục của mình và sự quay theo quỷ đạo của các điện tử trong nguyên tử. Hiện tượng sắt từ là do trong một số vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nhất định đã phân thành những vùng mà trong từng vùng ấy các điện tử đều định hướng song song với nhau. Các vùng ấy được gọi là đômen tử. Như vậy tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ của các chất là nó có độ nhiễm từ tự phát ngay khi không có từ trường ngoài. Mặc dù trong chất sắt từ có những vùng từ hóa tự phát nhưng mômen từ của các đômen lại có hướng rất khác nhau. Các chất 96 sắt từ đơn tinh thể có khả năng từ hóa dị hướng nghĩa là theo các trục khác nhau mức từ hóa khó hay dễ cũng khác nhau. Trong trường hợp các chất sắt từ đa tinh thể có tính dị hướng thể hiện rất rõ người ta gọi chất đó là có cấu tạo thớ từ tính. Tạo được thớ từ theo ý muốn có ý nghĩa lớn, nó được sử dụng trong kỹ thuật để nâng cao đặc tính từ của vật liệu theo hướng xác định. 3.1.3. Các đặc tính của vật liệu dẫn từ Tại mỗi điểm trong từ trường, hệ số từ thẩm bằng tỷ số giữa cường độ từ cảm B và cường độ từ trường H. Môi trường là chân không, có các trị số cường độ từ cảm B0 và từ trường H0, thì: 0 = 0 0 H B (6.1) 0-hệ số từ thẩm tuyệt đối của chân không, về trị số 0= 4.10-7 s/m. Đơn vị s/m còn gọi là Henry/mét (H/m). Trong môi trường khác chân không, ta có:  0 = H B hay B =  0H (6.2)  - hệ số từ thẩm tương đối của môi trường từ trường khác chân không, cho biết hệ số từ thẩm tuyệt đối của môi trường so với hệ số từ thẩm của chân không 0 là bao nhiêu. Theo hệ số từ thẩm và từ tính của vật chất, người ta chia ra các chất thuận từ, nghịch từ và dẫn từ. a. Chất thuận từ: là chất có độ từ thẩm  > 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ, oxyt, muối sắt, muối côban, muối niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim. b. Chất nghịch từ: là chất có độ từ thẩm  < 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài. Loại này gồm có hydro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, antimon, gali,... . Các chất thuận từ và ngịch từ giống nhau ở chỗ từ yếu, tức là cùng có độ từ thẩm  sấp sỉ bằng 1. Ví dụ nhôm là chất thuận từ có  = 1,000023, còn đồng là chất nghịch từ có  = 0,999995. c. Chất dẫn từ: là chất có độ từ thẩm  >> 1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài. Loại này gồm có sắt, niken, côban và các hợp kim của chúng, hợp kim crôm - mangan, gađôlonit và ferit có các thành phần khác nhau. 3.1.4 Những hư hỏng thường gặp vật liệu dẫn từ Các loại vật liệu dẫn từ được sử dụng để chế tạo các mạch từ của các thiết bị điện, máy điện và khí cụ điện, nên khi sử dụng lâu ngày sẽ bị hư hỏng và ta thường gặp các dạng hư hỏng sau: 97 + Hư hỏng do bị ăn mòn kim loại: đa phần chúng là các chất sắt từ và các hợp chất sắt từ nên chúng cũng bị tác dụng của môi trường xung quanh và tác dụng đó diễn ra dưới hai hình thức ăn mòn, ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa như những kim loại khác mặc dầu trên bề mặt chúng có sơn lớp sơn cách điện. + Hư hỏng do điện: trong quá trình làm việc do xẩy ra các hiện tương như quá điện áp, do bị ngắn mạch nên các cuộn dây đặt trên mạch từ bị cháy nên làm hỏng các mạch từ. + Hư hỏng do bị già hóa của kim loại: dưới tác dụng của thời gian và môi trường làm cho các tính chất của vật liệu từ thay đổi. + Hư hỏng do các lực tác động từ bên ngoài: dưới tác dụng của ngoại lực làm cho các vật liệu từ bị biến dạng hoặc bị hỏng. + Dưới tác dụng của nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng lên (khoảng 1250C) các vật liệu có từ tính sẽ mất từ tính. 3.2 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN TỪ THÔNG DỤNG 3.2.1. Vật liệu từ mềm Là những vật liệu có độ thấm từ cao lực kháng từ nhỏ tổn thất nhỏ thường dùng làm lõi máy biến áp, nam châm. Để giảm dòng điện xoáy người ta phủ một lớp mỏng lên vật liệu từ mềm có sơn cách điện để tăng điện trở suất. a. Thép kỹ thuật (gồm cả gang) được dùng làm từ trường trong mạch từ không đổi. Thép kỹ thuật có cường độ từ cảm bão hoà cao (tới 2,2 Tesla), hằng số từ thẩm lớn và cường độ khử từ nhỏ. b. Thép lá kỹ thuật điện là hợp chất sắt-silic (1-4%Si). Silic cải thiện đặc tính từ của sắt kỹ thuật: tăng hằng số từ thẩm, giảm cường độ khử từ, tăng điện trở suất (để giảm dòng điện Fucô hay dòng điện xoáy). c. Pecmaloi là hợp kim sắt - niken (22%Ni), ngoài ra còn có một số tạp chất: Molipden, crôm, silic, nhôm. Pecmaloi có hằng số từ thẩm lớn gấp 10-50 lần so với thép lá kỹ thuật điện, chỉ cần một cường độ từ trường nhỏ vài phần đến vài chục phần trăm A/m, thép đã đạt tới cường độ từ cảm bão hoà. d. Ferit là vật liệu sắt từ gồm có bột oxýt sắt, kẽm và một số nguyên tố khác. Khi chế tạo, hỗn hợp được ép trong khuôn với công suất lớn và nung đến nhiệt độ khoảng 12000C, thành phẩm sẽ có dạng theo ý muốn. Ferit có điện trở suất rất lớn, thực tế có thể coi gần như không dẫn điện, nên dòng điện xoáy chạy trong ferit rất nhỏ. Bởi vậy cho phép dùng ferit làm mạch từ của từ trường biến thiên với tần số cao. Ferit niken- kẽm bằng cách nhiệt phân muối, gọi là Oxyfe. Ferit và Oxyfe có hằng số từ thẩm ban đầu lớn, từ dư nhỏ (0,18-0,32 Tesla) và từ trường khử từ nhỏ (8-80 A/m). Chúng được sử dụng rất rọng rãi làm mạch từ của các linh kiện điện tử, khuếch đại từ, máy tính,.... e. Những hợp kim có độ thẩm từ cao. - Hợp kim niken cao chứa 72 - 80% Niken - Hợp kim niken thấp chứa 40 - 50% Niken 98 Ứng dụng: Hợp kim niken thấp không có phụ gia chế tạo lõi máy biến áp cỡ nhỏ, cuộn kháng, rơle. Hợp kim niken cao có phụ gia dùng trong máy biến áp xung, bộ khuếch đại từ, rơle không tiếp điểm và bộ nhớ máy tính. 3.2.2 Vật liệu từ cứng Gồm : Thép hợp kim tôi cứng, hợp kim đúc, nam châm dạng bột, ferit từ cứng, hợp kim biến dạng đàn hồi và băng từ. a. Thép hợp kim tôi cứng Đặc điểm : Tính chất từ tính thấp, dễ gia công, giá thành rẻ. Ứng dụng: Sản xuất nam châm vĩnh cửu. b. Hợp kim nam châm cứng- đúc Đặc điểm : Là hợp kim của 3 nguyên tố: Nhôm - Niken- Sắt gọi là alni, có năng lượng từ lớn.Tính chất từ tính phụ thuộc vào những kết cấu tinh thể và kết cấu từ. Hợp kim này giòn và cứng không gia công cơ khí được chỉ hoàn thiện sản phẩm bằng cách đúc và mài mòn. Ứng dụng :sản xuất nam châm vĩnh cửu c. Nam châm bột: có 2 loại + Loại 1 : Nam châm gốm kim loại là nam châm có kết dính + Loại 2 : Nam châm nhựa kim loại là nam châm không có kết dính ở trường từ có tần số cao. d. Ferit nam châm cứng Có điện trở suất cao bằng hàng triệu lần điện trở suất của hợp kim cứng, cường độ cơ học thấp, tính giòn cao, tính chất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Ứng dụng : Dùng ở các thiết bị có tần số cao e. Băng từ và các hợp kim biến dạng dẻo Dùng chế tạo thép nam châm cứng và các hợp kim tạo thành băng từ ghi chép và các băng ghi âm thanh hoặc dây kim loại. Khi hợp kim không thể hình thành băng hay sợi kim loại thì tạo thành các băng chất dẻo. 3.2.3 Nam châm điện Khi một lõi thép được đặt trong một cuộn dây có dòng điện chạy qua (mạch từ hở) thì lõi thép sẽ trở thành nam châm và hút dưới tác động của lực điện từ ở bên trong cuộn dây. Vậy nam châm điện là một thiết bị gồm có cuộn dây từ hoá và một mạch từ, phần động gọi là nêm từ được kéo bởi phần chính mạch từ với lực: F = 4.105B2S Với: F là lực được xác định bằng N B là cảm ứng từ được tính bằng T S là diện tích các cực tính bằng m2 Trong trường hợp mạch từ của nam châm điện làm việc ở trạng thái không bão 99 hòa, sự biến đổi của dòng điện cho phép làm thay đổi cảm ứng từ do đó làm biến đổi lực kéo của nam châm. - Nam châm điện được ứng dụng rộng rãi VD: Để cố định các chi tiết gia công trong máy công cụ, rơ le, cơ cấu phanh... 4. VẬT LIỆU BÁN DẪN 4.1. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CHẤT BÁN DẪN 4.1.1. Khái niệm Chất bán dẫn chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, đặc điểm của nó là điện trở suất lớn hơn vật liệu dẫn điện nhưng nhỏ hơn của vật liệu cách điện. Tuy nhiên không có một danh giới rõ rệt giữa ba loại vật liệu kể trên. 4.1.2. Phân loại chất bán dẫn a. Chất bán dẫn thuần * Một số chất bán dẫn thường gặp  Silic, (Si) Si là một trong những nguyên tố có rất nhiều trong thiên nhiên dưới dạng SiO2 trong các mỏ khác nhau và dưới dạng Silicat (Si chiếm khoảng 28% trong lớp vỏ trái đất). Nhưng, kỹ thuật để sản xuất Si tinh khiết rất phức tạp nên những dụng cụ sử dụng bán dẫn Si rất đắt so với các dụng cụ bán dẫn sử các chất khác mặc dù các chất này trong thiên nhiên hiếm hơn nhiều so với Si. Điện dẫn suất của Si biến đổi trong phạm vi rộng. Silic nguyên chất được chế tạo làm các điện trở phi tuyến trong mạch điện tần số cao, dùng làm chất bán dẫn điện trong các máy tách sóng, trong các bộ khuyếch đại,...Silic được sử dụng như chất khử oxy trong luyện kim. Silic trong hợp hợp kim Sắt - Silic (15% Si) được chế tao dưới dạng tấm, lá dùng để làm lõi thép dẫn từ của các máy biến áp. Ngoài ra nó còn được sử dụng để chế tạo các hợp kim khác của sắt - Si ; đồng thanh, đồng thau - Silic, ... được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp  Giecmani, (Ge) Ge rất hiếm trong tự nhiên, Ge được dùng để chế tạo các chất bán dẫn trong các máy tách sóng, các bộ chỉnh lưu phẳng, các transisto và các bộ khuyếch đại....  Cácbon, (C) Các bon được tìm thấy nhiều trong tự nhiên. Trong kỹ thuật, chia các bon thành 3 dạng: Kim cương (diamant), graphit và các bon vô định hình (carbone amorphe), trong đó kim cương, graphit khai thác từ các mỏ trong tự nhiên còn các bon vô định hình có thể được điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau. Các bon được dùng rất nhiều trong kỹ thuật điện, điện tử để chế tạo: - Các điện cực các bon (điện cực điện phân, hàn hồ quang điện). - Chổi than (graphit, các bon vô định hình). 100 - Tiếp điểm điện. - Điện trở đốt nóng, điện trở hoá học. - Dùng trong các Micro, ống nói dưới dạng hạt nhỏ, khối hoặc màn. * Dòng điện trong chất bán dẫn nguyên chất Để hiểu được bản chất sự dẫn điện của bán dẫn ta nghiên cứu cấu trúc bên trong của nó. Ta hãy xét tinh thể Silic là một bán dẫn điển hình. Trong mạng tinh thể, mỗi nguyên tử Si liên kết với 15 nguyên tử Si khác ở bên cạnh bằng 15 mối liên kết đồng hoá trị (Hình 3.1). Si Si Hình 3.1 Mô hình cấu trúc nguyên tử Si Ở nhiệt độ thấp những liên kết này rất bền vững. Do đó chất bán dẫn Si có tính dẫn điện. Khi đốt nóng, mạng tinh thể chất bán dẫn Si thu thêm năng lượng. Do chuyển động nhiệt, một số nguyên tử mất liên kết với hạt nhân, trở thành điện tử tự do. Hình 3.2 giúp ta hình dung được tình trạng của chất bán dẫn lúc này. Eng Hình 3.2: Mạng tinh thể Si tạp chất Giả sử khi một điện tử tách khỏi nguyên tử số 1, nguyên tử này trở thành ion dương, xem như một lỗ trống có thể lấy điện tử của một nguyên tử 2 nào đó ở gần để lấp lỗ trống và trở thành trung hoà. Nguyên tử số 2 vừa mất điện tử lại trở thành lỗ trống và lại lấy điện tử của nguyên tử 3 nào đó ở gần. Hiện tượng cứ tiếp diễn như vậy gây ra sự chuyển dịch của vị trí lỗ trống. Nếu không có điện trường ngoài Eng tác động, hiện tượng xảy ra hỗn độn, trong chất bán dẫn không có dòng điện. Còn nếu có điện trường ngoài Eng, điện tử sẽ chuyển dịch ngược chiều điện trường (hình 3.2) tạo thành dòng điện. Tính dẫn điện của chất bán dẫn Si tăng lên Si Si Si Si Si Si Si Si 2 - 3 1 4 101 Si Si Si Si - Si Si Si Ge Si Si Vậy bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng đồng thời của điện tử ngược chiều điện trường và lỗ trống thuận chiều điện trường. b. Chất bán dẫn tạp * Dòng điện trong vật liệu bán dẫn tạp chất Trong thực tiễn, chế tạo các chất bán dẫn nguyên chất rất khó khăn. Các bán dẫn thường có lẫn một ít tạp chất, hơn nữa trong kỹ thuật người ta còn chủ động pha thêm tạp chất vào chất bán dẫn nguyên chất. Nếu có một ít tạp chất lẫn vào (dù là một lượng rất nhỏ, không đáng kể) cũng đủ làm cho độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên nhiều lần, thậm chí hàng chục nghìn lần. Ví dụ : Nếu cho vào Si một ít Ge là chất có 5 điện tử hoá trị; khi vào mạng tinh thể Si, 15 điện tử hoá trị của Ge kết chặt từng đôi một với 15 điện tử của các nguyên tử Si láng giềng, còn điện tử thứ 5 trở thành điện tử tự do chuyển động tự do trong mạng tinh thể (hình 3.3). Khi đó mật độ điện tử tự do trong chất bán dẫn Si tăng lên rất nhiều. Dưới tác dụng của điện trường, các điện tử tự do này chuyển động có hướng tạo thành dòng điện. Loại bán dẫn có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng điện tử tự do gọi là chất bán dẫn loại n hay bán dẫn điện tử. Hình 3.3: Mạng tinh thể Si tạp chất Ge Nếu ta cho vào Silic một chút các nguyên tố thuộc nhóm III trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep, chẳng hạn Indi (In) : Ở vành ngoài cùng của In có 3 điện tử hoá trị, nên khi vào mạng tinh thể Si, nó tạo ra một lỗ trống trong mối liên kết giữa các nguyên tử. Điện tử của nguyên tử bên cạnh dễ dàng nhảy vào lỗ trống này và tạo thành lỗ trống mới, quà trình cứ tiếp diễn mãi; lỗ trống chạy tự do trong tinh thể. Khi đó mật độ lỗ trống trong chất bán dẫn tăng lên rất nhiều. Dưới tác dụng của điện trường, điện tử chuyển dời có hướng ngược chiều điện trường, còn lỗ trống thì chuyển dịch thuận chiều điện trường. Ta xem lỗ trống tương tự như điện tích dương và dòng điện chạy trong chất bán dẫn này là dòng những lỗ trống chuyển động. Chất bán dẫn này gọi là chất bán dẫn loại p hay bán dẫn lỗ trống. 4.2. ỨNG DỤNG CHẤT BÁN DẪN 4.2.1. Ứng dụng chất bán dẫn chất bán dẫn thuần a. Silic (Si) Si là vật liệu chủ yếu để sản xuất vi mạch tích phân có kích thước cực nhỏ và có cấu tạo rất phức tạp, được sử dụng trong kỹ thuật máy tính. Từ Si người ta chế tạo ra 102 diode chỉnh lưu ở tần số cao hoặc thấp, các transistor công suất cao hoạt động ở tần số tới 109Hz. Diode chỉnh lưu từ Si có thể chịu được điện áp ngược tới 1500 V, dòng điện cho qua tới 1500 A. Si được sử dụng rộng rãi ở dụng cụ quang học độ nhạy cao, diode quang có tác động cực nhanh, tế bào quang điện dùng để biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện có hiệu suất đạt 10 - 12%. Nhờ Si có độ rộng vùng cấm cao hơn Ge, các dụng cụ từ Si có thể hoạt động được ở nhiệt độ cao hơn hẳn so với Ge. Nhiệt độ hoạt động của bán dẫn Si đạt khoảng180 ÷ 2000C. b. Giecmani (Ge) Trên cơ sở của Ge sản xuất số lượng lớn dụng cụ có nhiều công dụng khác nhau, đầu tiên phải nói tới diode và transistor. Đặc biệt là diode chỉnh lưu mặt phẳng và các transistor lưỡng cực. Các diode chỉnh lưu mặt phẳng tính ở dòng điện từ (0,3 ÷1000)A và điện áp rơi ttrên có không quá 0,5 V. Nhược điểm của diode Ge là tính chịu điện áp ngược không cao. Các transistor từ Ge có thể là cao tần hoạc âm tần công suất nhỏ hoặc công suất lớn. Nhờ có độ nhạy của các điện tích cao, Ge sử dụng để sản xuất các độ cảm biến. Tính chất quang của Ge sử dụng để sản xuât transistor quang, diode quang. Nhiệt độ hoạt động của bán dẫn Ge từ 600C ÷700C, giới hạn trên của nhiệt độ hoạt động là nhược điểm cơ bản của Ge. c. Cácbon (C) Các bon được dùng rất nhiều trong kỹ thuật điện, điện tử để chế tạo: - Các điện cực các bon (điện cực điện phân, hàn hồ quang điện). - Chổi than (graphit, các bon vô định hình). - Tiếp điểm điện. - Điện trở đốt nóng, điện trở hoá học. - Dùng trong các Micro, ống nói dưới dạng hạt nhỏ, khối hoặc màn. 4.2.2. Ứng dụng chất bán dẫn tạp chất Bằng cách ghép các bán dẫn loại n với loại p, người ta đã chế tạo được rất nhiều dụng cụ điện, điện tử quan trọng. Dưới đây là một số ứng dụng bán dẫn tạp chất a. Điốt bán dẫn (đèn bán dẫn 2 cực). Điôt bán dẫn được cấu tạo từ một tiếp giáp P-N với mục đích sử dụng nó như một van điện. Tuỳ theo diện tích của phần tiếp xúc giữa hai lớp P và N mà người ta gọi là điôt tiếp điểm hay điôt tiếp mặt. Ở điôt tiếp điểm, mặt tiếp xúc giữa hai lớp bán dẫn thu nhỏ lại hầu như chỉ còn ở một điểm nhằm mục đích giảm điện dung ký sinh của mặt ghép để điôt có thể làm việc được ở tần số cao. Điôt tiếp điểm được sử dụng ở các mạch để xử lý tín hiệu vô tuyến điện như tách sóng, điều chế, biến tần ... Khác với điôt tiếp điểm, điôt tiếp mặt thì mặt tiếp xúc của hai lớp P và N có điện tích đủ lớn nhằm chịu được dòng điện lớn để sử dụng chúng vào mục đích chỉnh lưu. 103 b. Transisto (đèn bán dẫn 3 cực). Tranzito lưỡng cực gồm có hai tiếp giáp P-N được tạo nên bởi 3 miền bán dẫn loại P và N xếp xen kẽ nhau. Nếu miền bán dẫn ở giữa là bán dẫn loại N thì ta có tranzito lưỡng cực loại P-N-P. Nếu miền bán dẫn ở giữa là bán dẫn loại P thì ta có tranzito lưỡng cực loại N-P-N. Tranzito lưỡng cực là linh kiện có 3 chân, tranzito được sử dụng điều khiển chuyển mạch hoặc điều khiển khuếch đại. Các tranzito có loại có cấu trúc pnp, có loại có cấu trúc npn. Tranzito lưỡng cực loại npn dùng một dòng nhỏ đi vào cực badơ B (cấp dòng) và một điện áp dương (có quan hệ với cực emitơ E) để điều khiển dòng lớn hơn chảy từ cực colectơ C đến cực emitơ E. Ngược lại, tranzito loại pnp dùng một dòng nhỏ đi ra khỏi cực badơ B (rút dòng) và một điện áp âm (có quan hệ với cực emitơ E) để điều khiển dòng lớn hơn chảy từ cực emitơ đến cực colectơ. Tranzito lưỡng cực là linh kiện rất tiện dụng. Khả năng điều khiển dòng điện của tranzito lưỡng cực bằng cách đặt tín hiệu điều khiển đã làm cho loại tranzito này trở thành linh kiện được phổ dụng trong các mạch chuyển mạch điều khiển bằng điện, mạch điều chỉnh dòng, mạch khuếch đại, mạch dao động và các mạch nhớ. 104 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG II 1. Trình bày khái niệm, cách phân loại vật liệu cách điện. 2. Trình bày những hư hỏng thường gặp và cách chon vật liệu cách điện. 3. Trình bày các chất cách điện thể khí được sử dụng phổ biến trong thực tế. Nêu các đặc tính chính của chúng. 4. Trình bày đặc tính và công dụng của dầu máy biến áp. 5. Nêu công dụng của dầu máy biến áp. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hóa già của dầu 6. Hãy phân tích ưu nhược điểm của dầu biến áp. 7. Theo thành phần hóa học, mica được chia thành hai loại mica mutscôvit và mica flogopit. Em hãy cho biết mica mutscôvit có những ưu điểm gì hơn so với mica flogopit, nhiệt độ hoặc môi trường dầu có ảnh hưởng như thế nào đến tính chất mica. Kể một số ứng dụng mica? 8. Trình bày khái niệm và tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện, giải thích cụ thể từng tính chất đó ? 9. Phân loại chất cách điện thể rắn. Các chất cách điện thể rắn vô cơ được sử dụng trong thực tế. 10. Khí elegaz (SF6) có cường độ cách điện cao hơn cường độ cách điện của không khí 23 lần, có độ ổn định cao, có khả năng dập tắt hồ quang tốt, là chất khí có khả năng tự phục hồi. Tuy nhiên sau nhiều lần sử dụng chất khí này bị hồ quang phân hủy tạo ra nhiều sản phẩm độc hại có mùi trứng thối. Nếu có mùi trứng thối cần phải tiến hành làm gì? Kể một số ứng dụng của khí elegaz? 11. Trình bày các cách điện rắn hữu cơ được sử dụng trong thực tế. Nêu các đặc tính cơ bản của chúng. 12. Trình bày các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến vật liệu dẫn điện ? 13. Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất trong tất cả các vật liệu dẫn điện dùng trong kỹ thuật điện vì đồng có những ưu điểm nổi trội hơn so với các vật liệu dẫn điện khác, trình bày các ưu điểm của đồng và ứng dụng của đồng trong kỹ thuật điện? 14. Trình bày đặc tính chung, phân loại, tính chất cơ học và các ứng dụng của kim loại Đồng, Nhôm, Chì, Wonfram và Sắt. 15. Trình bày khái niệm chất bán dẫn, đặc điểm chất bán dẫn thuần và bán dẫn tạp? 16. Hãy nêu ứng dụng của chất bán dẫn thuần và bán dẫn tạp? 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Cơ sở kỹ thuật điện – Hoàng Hữu Thận – Nhà xuất bản giao thông vận tải – năm 2000. 2. Kỹ thuật điện – Đặng Văn Đào và Lê Văn Doanh - Nhà xuất bản giáo dục – Năm 2009. 3. Bài tập kỹ thuật điện– Đặng Văn Đào và Lê Văn Doanh - Nhà xuất bản giáo dục – Năm 2010. 4. Đặng Văn Đào, Kỹ Thuật Điện, NXB Giáo dục 2004. 5. Giáo trình Vật liệu điện -TS Nguyễn Đình - NXB Giáo Dục 2006. 6. Giáo trình vật liệu điện - Nguyễn Xuân Phú – NXB Khoa học kỹ thuật 1998. 106 XÁC NHẬN KHOA Bài giảng môn học/mô đun “Kỹ thuật điện” đã bám sát các nội dung trong chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun...... thay thế cho giáo trình. Người biên soạn ( Ký, ghi rõ họ tên) Hà Thị Thu Hiền Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên)