Đề 8 – Bài tập, đề thi trắc nghiệm online Vật liệu điện

Vật liệu áp điện có khả năng chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện và ngược lại. Khi bị nén hoặc kéo dãn, chúng tạo ra điện áp; ngược lại, khi có điện áp đặt vào, chúng bị biến dạng về kích thước.

Điện trở suất của bán dẫn nằm giữa chất dẫn điện và cách điện vì số lượng hạt tải điện (electron và lỗ trống) trong bán dẫn không cố định như chất dẫn điện hay quá ít như chất cách điện. Số lượng hạt tải điện trong bán dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và nồng độ tạp chất, có thể điều chỉnh được để thay đổi độ dẫn điện.

Vật liệu nền phổ biến nhất cho mạch in (PCB) là FR-4 (Flame Retardant type 4), là một loại composite làm từ sợi thủy tinh và nhựa epoxy. FR-4 có khả năng cách điện tốt, độ bền cơ học đủ, và giá thành hợp lý.

Ferit là vật liệu từ tính gốm có độ từ thẩm tương đối rất cao, cao hơn nhiều so với chân không (độ từ thẩm bằng 1), không khí (gần bằng 1) và nhôm (thuận từ, độ từ thẩm lớn hơn 1 nhưng không đáng kể). Độ từ thẩm cao giúp ferit tập trung từ thông hiệu quả.

Đối với linh kiện điện tử nhạy cảm với nhiệt, cần sử dụng hợp kim hàn có nhiệt độ nóng chảy thấp để tránh làm hỏng linh kiện trong quá trình hàn. Hợp kim Sn-Bi (Thiếc-Bismuth) và các hợp kim hàn nhiệt độ thấp khác được thiết kế cho mục đích này.

Điện trở của dây dẫn tỉ lệ thuận với chiều dài, tỉ lệ nghịch với tiết diện, và phụ thuộc vào điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn (vật liệu khác nhau có điện trở suất khác nhau).

Vật liệu magneto-strictive có khả năng thay đổi kích thước khi đặt trong từ trường và ngược lại, tạo ra từ trường khi bị biến dạng cơ học. Ứng dụng chính của chúng là trong các cảm biến từ trường, bộ truyền động, và các thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ-điện dựa trên từ trường.

Thủy ngân là kim loại ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ phòng và là một chất dẫn điện tốt. Nước cất là chất cách điện (nếu không có ion), dầu máy biến áp và ethanol cũng là chất cách điện.

Kim cương có cấu trúc mạng tinh thể chặt chẽ, electron liên kết mạnh, rất ít electron tự do, dẫn đến khả năng cách điện cực kỳ cao.

Silicon là vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất trong pin mặt trời. Silicon có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi quang năng thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện.

Silicon (Si) là vật liệu bán dẫn chiếm ưu thế trong công nghiệp vi mạch tích hợp do có nhiều ưu điểm như trữ lượng lớn, giá thành hợp lý, công nghệ chế tạo và xử lý đã phát triển mạnh mẽ, và có lớp oxide tự nhiên (SiO2) chất lượng tốt làm lớp cách điện.

Ở tần số cao, tổn hao điện môi (do sự phân cực và đảo chiều phân cực của điện môi) trở nên đáng kể. Gốm sứ đặc biệt, nhất là các loại gốm sứ kỹ thuật, được phát triển để có tổn hao điện môi rất thấp ở tần số cao, nên được ưu tiên trong tụ điện cao tần.

Vật liệu composite kết hợp ưu điểm của nhiều vật liệu thành phần, thường có khối lượng nhẹ hơn kim loại, nhưng vẫn đảm bảo độ bền cơ học cao và khả năng cách điện tốt. Điều này làm cho chúng lý tưởng cho vỏ bọc thiết bị điện, giúp giảm trọng lượng và tăng tính an toàn.

Ferit là vật liệu từ tính gốm có độ từ thẩm cao, giúp tăng cường từ thông trong lõi biến áp và cuộn cảm. Đồng thời, điện trở suất cao của ferit giúp giảm thiểu dòng điện xoáy (eddy current) ở tần số cao, làm giảm tổn hao năng lượng.

Siêu dẫn là hiện tượng vật lý xảy ra ở một số vật liệu khi nhiệt độ giảm xuống dưới một nhiệt độ tới hạn nhất định, điện trở suất của chúng giảm xuống chính xác bằng không.

Đồng là vật liệu nghịch từ. Vật liệu nghịch từ có xu hướng đẩy từ trường ra khỏi lòng nó khi đặt trong từ trường ngoài. Các vật liệu khác như sắt và niken là vật liệu sắt từ, nhôm là vật liệu thuận từ.

Điện trở nhiệt NTC (Negative Temperature Coefficient) được làm từ vật liệu bán dẫn. Bán dẫn có đặc tính là khi nhiệt độ tăng, điện trở của chúng giảm, do đó hệ số nhiệt điện trở là âm.

Kim loại thường có hệ số nhiệt điện trở dương (PTC - Positive Temperature Coefficient), nghĩa là khi nhiệt độ tăng, điện trở của chúng tăng. Điều này là do sự tăng cường độ dao động mạng tinh thể cản trở dòng electron khi nhiệt độ cao hơn.

Cầu chì cần có điện trở suất thấp để không gây sụt áp lớn trong mạch ở điều kiện bình thường. Đồng thời, nó phải có nhiệt độ nóng chảy thấp để dễ dàng nóng chảy và ngắt mạch khi dòng điện vượt quá giá trị định mức, bảo vệ mạch điện khỏi quá tải.

Vật liệu điện môi được đặt giữa các bản cực của tụ điện để tăng cường khả năng tích trữ điện tích, từ đó làm tăng điện dung của tụ điện. Hằng số điện môi của vật liệu càng cao, điện dung càng lớn.

Mặc dù độ dẫn điện của nhôm kém hơn đồng, nhưng nhôm nhẹ hơn đáng kể. Với cùng một độ dẫn điện, dây nhôm sẽ nhẹ hơn dây đồng, giảm tải trọng cho cột điện và dễ dàng lắp đặt hơn, đặc biệt trong đường dây tải điện trên không dài.

Vật liệu dẫn điện, đặc biệt là kim loại như đồng và nhôm, được sử dụng làm lớp chắn EMI (Electromagnetic Interference) vì chúng có khả năng phản xạ và hấp thụ sóng điện từ, ngăn chặn nhiễu điện từ xâm nhập hoặc phát ra từ thiết bị.

Cảm biến Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, là hiện tượng sinh ra điện áp Hall vuông góc với dòng điện và từ trường trong vật liệu dẫn điện hoặc bán dẫn khi có từ trường tác dụng. Vật liệu bán dẫn thường được sử dụng trong cảm biến Hall vì hiệu ứng Hall rõ rệt hơn so với kim loại.

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 phổ biến cho dây dẫn điện dân dụng.

Đối với điện trở công suất lớn, khi hoạt động sẽ sinh nhiệt đáng kể. Do đó, vật liệu cần có hệ số nhiệt điện trở thấp (để điện trở ít thay đổi theo nhiệt độ) và khả năng tản nhiệt tốt (để tránh quá nhiệt và hư hỏng). Màu sắc và độ dẻo dai không phải là yếu tố chính.

Vật liệu cách điện trong cáp cao thế cần điện trở suất cao, độ bền điện môi cao để chịu được điện áp lớn, và ổn định hóa học để không bị phân hủy. Độ dẫn nhiệt cao không phải là yêu cầu, ngược lại, thường mong muốn độ dẫn nhiệt thấp để giữ nhiệt không truyền ra ngoài.

Vật liệu bán dẫn loại p được tạo ra bằng cách pha tạp chất có hóa trị III (nhóm III) vào chất bán dẫn thuần có hóa trị IV. Nguyên tố nhóm III tạo ra `lỗ trống` (hole) trong cấu trúc, làm tăng số lượng hạt tải điện dương.

Ở hầu hết các vật liệu dẫn điện, khi nhiệt độ tăng, sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử và ion tăng lên, cản trở dòng electron tự do, do đó làm tăng điện trở suất.

Vật liệu điện môi (chất điện môi) là chất cách điện, nhưng điểm đặc biệt là chúng có khả năng phân cực điện khi đặt trong điện trường. Điều này làm cho chúng quan trọng trong tụ điện và các ứng dụng khác.

SF6 (Sulfur hexafluoride) là khí cách điện có độ bền điện môi rất cao, cao hơn nhiều so với không khí, dầu biến áp và thủy tinh. Do đó, SF6 được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện cao áp như máy cắt, GIS (thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí).