Đề 4 – Bài tập, đề thi trắc nghiệm online Vật liệu điện

Thermistor NTC (Negative Temperature Coefficient) được làm từ vật liệu bán dẫn oxit kim loại và có đặc tính điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Các kim loại như đồng và sắt thường có hệ số nhiệt điện trở dương (PTC). Than chì có hệ số nhiệt điện trở âm nhưng ít được nhắc đến như thermistor NTC.

Vật liệu composite, đặc biệt là composite polymer, thường có trọng lượng nhẹ hơn đáng kể và khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn so với kim loại, trong khi vẫn duy trì đủ các tính chất điện cần thiết cho một số ứng dụng (ví dụ, vỏ cách điện, cấu trúc hỗ trợ).

Hiện tượng siêu dẫn, tức là mất hoàn toàn điện trở, chỉ xảy ra ở nhiệt độ cực kỳ thấp, gần độ không tuyệt đối, đối với các vật liệu siêu dẫn thông thường.

Silicon là vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ vi điện tử làm chất nền cho vi mạch tích hợp (IC). Silicon có nhiều ưu điểm như dễ dàng tạo ra tinh thể đơn tinh khiết, có lớp oxit silicon (SiO2) tự nhiên làm lớp cách điện tốt, và công nghệ chế tạo silicon đã rất phát triển.

Vật liệu điện môi được đặt giữa các bản cực của tụ điện để tăng điện dung. Điện dung tỷ lệ thuận với hằng số điện môi của vật liệu. Điện môi cũng giúp tăng điện áp đánh thủng, chứ không giảm.

Vật liệu áp điện có khả năng chuyển đổi giữa năng lượng cơ học và năng lượng điện. Khi bị biến dạng cơ học (như nén hoặc kéo), chúng tạo ra điện áp, và ngược lại, khi có điện áp đặt vào, chúng sẽ biến dạng cơ học.

Đồng có độ dẫn điện cao, độ bền kéo tốt, và khả năng chống ăn mòn tương đối, làm cho nó trở thành lựa chọn kinh tế và hiệu quả cho dây dẫn điện.

Thủy tinh là chất cách điện, có điện trở suất rất cao, lớn hơn nhiều so với các kim loại dẫn điện như đồng, nhôm và bạc. Bạc có điện trở suất thấp nhất trong số các kim loại phổ biến, tiếp theo là đồng và nhôm.

Polyetylen liên kết ngang (XLPE) là vật liệu polymer có đặc tính cách điện tuyệt vời, độ bền nhiệt cao và khả năng chịu được điện áp cao, phù hợp cho cáp điện cao thế.

Vật liệu từ cứng có từ dư lớn và lực kháng từ cao, giữ được từ tính sau khi từ trường ngoài bị loại bỏ, phù hợp để chế tạo nam châm vĩnh cửu. Alnico là một ví dụ điển hình về vật liệu từ cứng. Sắt non và ferit mềm là vật liệu từ mềm, dễ từ hóa và khử từ. Thép kỹ thuật điện cũng là vật liệu từ mềm, dùng trong lõi biến áp.

Gốm kỹ thuật, như alumina và porcelain, có điện áp đánh thủng rất cao và khả năng chịu nhiệt độ cao, làm cho chúng lý tưởng cho các ứng dụng điện cao áp như sứ cách điện, ống phóng điện, và các bộ phận cách điện trong môi trường nhiệt độ cao. Độ bền cơ học của một số loại gốm kỹ thuật khá tốt, không phải kém. Gốm không dẫn điện, và việc gia công gốm thành hình dạng phức tạp thường khó khăn hơn so với kim loại hoặc polymer.

Chất bán dẫn quang, như cadmium sulfide (CdS) hoặc silicon vô định hình (a-Si), có độ dẫn điện tăng lên khi hấp thụ ánh sáng. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng quang dẫn, và vật liệu này được sử dụng trong các cảm biến ánh sáng, điện trở quang (photoresistor) và pin mặt trời.

Nhôm nhẹ hơn đáng kể so với đồng (khoảng một phần ba trọng lượng cho cùng một độ dẫn điện) và giá thành cũng thường thấp hơn. Điều này làm giảm chi phí cột điện, dây cáp và lắp đặt cho đường dây tải điện trên không, mặc dù độ dẫn điện của nhôm thấp hơn.

Điện cực trong pin cần là chất dẫn điện để dẫn dòng điện, và quan trọng hơn, chúng phải tham gia vào các phản ứng điện hóa để tạo ra dòng điện. Các vật liệu như kim loại (ví dụ, Lithium, chì, kẽm) và hợp chất (ví dụ, oxit kim loại) thường được sử dụng.

Vật liệu ferroelectric là một loại vật liệu điện môi đặc biệt, có khả năng duy trì phân cực điện ngay cả khi không có điện trường ngoài (tính phân cực tự phát), và có thể đảo chiều phân cực bằng điện trường ngoài. Barium Titanate (BaTiO3) là một ví dụ điển hình về vật liệu ferroelectric.

Tụ điện gốm sử dụng vật liệu gốm sứ có hằng số điện môi cao (như barium titanate, strontium titanate) làm chất điện môi. Hằng số điện môi cao cho phép tụ điện gốm đạt được điện dung lớn trong kích thước nhỏ gọn.

Vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong linh kiện điện tử, pin mặt trời và cảm biến nhờ khả năng điều khiển độ dẫn điện. Tuy nhiên, chúng không được sử dụng làm vỏ cách điện cho dây cáp điện; vật liệu cách điện polymer như PVC, XLPE mới phù hợp cho ứng dụng này.

Điện trở dây quấn sử dụng dây điện trở quấn quanh lõi cách điện. Hợp kim Niken-Crom (Nichrome) là vật liệu phổ biến cho dây điện trở do có điện trở suất cao, hệ số nhiệt điện trở thấp và độ bền nhiệt tốt.

Điện trở công suất lớn hoạt động ở công suất cao, sinh ra nhiều nhiệt. Khả năng tản nhiệt tốt của vật liệu là yếu tố quan trọng nhất để tránh quá nhiệt và đảm bảo tuổi thọ của điện trở. Điện trở suất cần đủ cao để tạo ra giá trị điện trở mong muốn, nhưng không phải là yếu tố quan trọng nhất so với khả năng tản nhiệt. Hệ số nhiệt điện trở và điện dung không phải là đặc tính chính được quan tâm trong trường hợp này.

Vật liệu dẫn điện lý tưởng, hay siêu dẫn, có điện trở suất bằng không, cho phép dòng điện chạy qua mà không có bất kỳ sự mất mát năng lượng nào do nhiệt.

Nhôm là kim loại có độ dẫn nhiệt rất tốt, nhẹ và giá thành hợp lý, nên được sử dụng rộng rãi làm tản nhiệt cho các linh kiện điện tử như CPU, GPU, và các module công suất. Nhựa epoxy và gỗ là chất cách nhiệt, còn thủy tinh cũng có độ dẫn nhiệt kém.

Lõi từ trong biến áp được làm từ vật liệu từ mềm (như thép kỹ thuật điện hoặc ferit) để tăng cường từ thông liên kết giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Từ thông mạnh hơn giúp truyền năng lượng hiệu quả hơn giữa các cuộn dây và giảm tổn hao từ thông ra môi trường.

Vàng là kim loại quý có khả năng chống ăn mòn cực tốt và độ dẫn điện cao. Lớp mạ vàng mỏng thường được sử dụng trên các đầu nối điện, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao và môi trường khắc nghiệt, để bảo vệ bề mặt tiếp xúc khỏi oxy hóa và đảm bảo tiếp xúc điện tốt.

Đặc điểm của bán dẫn là độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn và cách điện, và độ dẫn điện của chúng thực tế TĂNG lên khi nhiệt độ tăng (do tăng số lượng electron dẫn và lỗ trống). Độ dẫn điện cũng thay đổi mạnh mẽ khi pha tạp. Lựa chọn 4 mô tả tính chất của chất dẫn điện lý tưởng, không phải bán dẫn.

Thermistor NTC (Negative Temperature Coefficient) thường được chế tạo từ các oxit kim loại bán dẫn như oxit mangan, oxit niken, oxit coban, v.v. Các vật liệu này có hệ số nhiệt điện trở âm lớn, làm cho điện trở của chúng giảm mạnh khi nhiệt độ tăng.

Các chất siêu dẫn truyền thống như thủy ngân, chì và nhôm chỉ trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ rất thấp, gần độ không tuyệt đối. YBaCuO là một loại vật liệu ceramic perovskite thuộc lớp chất siêu dẫn nhiệt độ cao, có thể trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn đáng kể (nhưng vẫn còn dưới nhiệt độ phòng), mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng hơn.

Vật liệu điện môi là chất cách điện nhưng có khả năng phân cực điện khi đặt trong điện trường. Tính chất này làm cho chúng hữu ích trong tụ điện để lưu trữ năng lượng điện.

Điện trở là linh kiện thụ động có chức năng chính là cản trở dòng điện trong mạch. Chúng chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt năng, hạn chế dòng điện đến mức mong muốn và phân chia điện áp.

Ferit là vật liệu từ tính có tính từ mềm (dễ từ hóa và khử từ) và điện trở suất rất cao. Điện trở suất cao giúp giảm thiểu dòng điện xoáy trong lõi ở tần số cao, giảm tổn hao năng lượng.

Vật liệu magneto-resistive (MR) có điện trở thay đổi khi có từ trường tác dụng. Hiệu ứng này được sử dụng rộng rãi trong cảm biến từ trường, đầu đọc ổ cứng (HDD), và các thiết bị điện tử khác để phát hiện và đo lường từ trường.