PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN

1.  PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN

 

1.1.   Phân loại vật liệu theo khả năng dẫn điện

 

1.1.1. Lý thuyết về phân vùng năng lượng trong chất rắn

 

     Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí khi các nguyên tử ở cách xa nhau một khoảng cách lớn đã chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi những vạch quang phổ hoàn toàn xác định. Điều đó chứng tỏ rằng các nguyên tử khác nhau có những trạng thái năng lượng hay mức năng lượng khác nhau.

     Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường không bị kích thích, một số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy, còn ở các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận được năng lượng từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích). Nguyên tử luôn có xu hướng quay về trạng thái ổn định. Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lượng dư thừa.

     Khi các chất khí hóa lỏng sau đó tạo nên mạng tinh thể của vật rắn, các nguyên tử nằm sát nhau, tất cả các mức năng lượng của nguyên tử bị dịch chuyển nhẹ do tác động của các nguyên tử bên cạnh tạo nên một giải năng lượng hay còn gọi là vùng các mức năng lượng.

     Do không có năng lượng của chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình thường của nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hóa trị hay còn gọi là vùng đầy (ở 0^oK các điện tử hóa trị của nguyên tử lấp đầy vùng này).

     Những điện tử tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng của chúng tập hợp thành vùng tự do hay vùng điện dẫn. Ở giữa vùng tự do và vùng đầy là vùng cấm.

     Để 1 điện tử hóa trị ở vùng đầy trở thành trạng thái tự do cần cung cấp cho nó một năng lượng W đủ để vượt qua vùng cấm W ≥ ∆W (∆W: năng lượng vùng cấm)

     Khi điện tử từ vùng đầy sang vùng tự do, nó tham gia dòng dẫn điện. Tại vùng đầy sẽ xuất hiện lỗ trống do điện tử nhảy sang vùng tự do, lỗ trống đó sẽ được một điện tử ở vị trí gần đó lắp đầy và lại tạo ra một lỗ trống mới, những quá trình như vậy tạo nên những cặp “ điện tử - lỗ” trong vật chất.

     Khi có tác động điện trường theo các lỗ trống sẽ chuyển động theo chiều điện trường như điện tích dương, còn các điện tử chuyễn động theo chiều ngược lại, tạo nên tính dẫn điện của vật chất.

 

1.2. Phân loại vật liệu theo khả năng dẫn điện

 

     Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành các nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn và điện môi (cách điện).

 

• Vật liệu dẫn điện: là vật liệu có vùng tự do nằm sát với vùng đầy thậm chí có thể chồng lên vùng đầy. Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn, ở nhiệt độ bình thường các điện tử hóa trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn.
• Vật liệu cách điện (điện môi): Là vật liệu có vùng cấm lớn (∆W > 1.5 eV).  Do đó để 1 điện tử của vùng lắp đầy lên được vùng tự do cần phải cung cấp 1 năng lượng lớn ( > 3eV ). Do năng lượng yêu cầu lớn nên khó có điện tử chuyển động từ vùng lắp đầy sẽ lên vùng tự do nên khả năng dẫn điện kém.
• Vật liệu bán dẫn: là vật liệu ở vùng cấm hẹp hơn so với điện môi, vùng này có thể thay đổi nhờ tác động từ bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé, do đó ở nhiệt độ bình thường một số hóa trị ở vùng đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể đi chuyển tới vùng tự do để tham gia dòng điện dẫn.

1.2.   Phân loại vật liệu theo khả năng dẫn từ

     Vật liệu từ có thể được phân loại dựa trên độ từ thẩm. Độ từ thẩm (Magnetic permeability, ký hiệu: μ) là một đại lượng vật lý đặc trưng cho tính thấm của từ trường vào một vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài.

     Dựa vào độ từ thẩm có thể phân vật liệu từ thành 3 loại:

     -    Vật liệu nghịch từ: là những chất có độ từ thẩm μ<1, khi đặt vào từ trường ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài. VD: đồng, kẽm, bạc, vàng, thủy ngân…

     -    Vật liệu thuận từ: là những chất có độ từ thẩm μ>1, tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài. VD: oxy, nitơ oxit, muối sắt, các muối coban và niken…

     -    Vật liệu dẫn từ: là các chất có μ>>1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Loại này gồm có sắt, nikon, coban, và các hợp kim của chúng, hợp kim crom và mangan…

     Ngoài ra, vật liệu từ trong kỹ thuật điện, điện tử được chia thành 2 nhóm chính

     -    Vật liệu từ mềm: Là vật liệu từ có lực kháng từ thấp và hệ số từ thẩm cao. Chúng có khả  năng từ hóa tới bão hòa ở từ trường yếu, có vòng tổn hao nhỏ và tổn hao trên từ hóa nhỏ. Vật liệu từ mềm được sử dụng làm lõi cuộn cảm và dây dẫn trong máy biến áp.

     -    Vật liệu từ cứng: Là các vật liệu có lực kháng từ cao, nó chỉ bị từ hóa ở cường độ điện trường rất cao. VD: Hợp kim AlNiCo, vật liệu từ cứng Ferrite, vật liệu từ cứng kim loại chuyển tiếp – đất hiếm.

 

Nguồn : Sưu tầm