Đề 11 – Bài tập, đề thi trắc nghiệm online Vật liệu điện

Ở chất bán dẫn, khi nhiệt độ tăng, số lượng electron và lỗ trống tự do (hạt tải điện) tăng lên do sự kích thích nhiệt. Điều này dẫn đến sự gia tăng đáng kể về độ dẫn điện của chất bán dẫn. Ngược lại, kim loại thường có độ dẫn điện giảm khi nhiệt độ tăng.

Điện cực trong pin và ắc quy cần phải dẫn điện tốt và tham gia vào các phản ứng hóa học điện hóa. Kim loại và hợp kim, như chì, kẽm, lithium, và các hợp chất kim loại chuyển tiếp, thường được sử dụng làm vật liệu điện cực do tính dẫn điện và khả năng tham gia phản ứng hóa học.

Gốm alumina (Al₂O₃) là vật liệu cách điện nhưng có khả năng dẫn nhiệt tốt. Do đó, nó thường được sử dụng làm chất nền hoặc vật liệu tản nhiệt trong các thiết bị điện tử, giúp dẫn nhiệt từ các linh kiện sinh nhiệt ra môi trường xung quanh, tránh quá nhiệt.

Thủy tinh là vật liệu cách điện vô cơ, không phải polymer. Cao su, Polyethylene (PE), và Teflon (PTFE) là các polymer phổ biến được sử dụng rộng rãi làm vật liệu cách điện do tính chất cách điện tốt và dễ gia công.

Dây điện cao thế cần có độ bền cơ học cao để chịu được trọng lượng và lực căng, đồng thời cần dẫn điện tốt để giảm tổn thất năng lượng. Thép có độ bền cơ học cao nhưng dẫn điện kém và nặng. Nhôm dẫn điện tốt và nhẹ nhưng độ bền cơ học kém hơn thép. Kết hợp lõi thép (độ bền) và vỏ nhôm (dẫn điện, nhẹ) là giải pháp tối ưu.

Hiện tượng siêu dẫn là trạng thái vật lý đặc biệt của một số vật liệu khi nhiệt độ giảm xuống dưới một nhiệt độ tới hạn nhất định, điện trở suất của chúng giảm xuống đột ngột và trở về 0. Điều này cho phép dòng điện chạy qua mà không bị mất năng lượng.

Đánh thủng điện môi là hiện tượng vật liệu cách điện mất khả năng cách điện khi điện trường đặt vào nó vượt quá độ bền điện môi của vật liệu. Khi đó, vật liệu cách điện trở thành dẫn điện đột ngột, gây ra sự cố ngắn mạch hoặc phóng điện.

Sắt là một vật liệu sắt từ, có từ tính mạnh nhất trong số các lựa chọn được đưa ra. Nhôm và đồng là vật liệu nghịch từ hoặc thuận từ yếu, còn gỗ không có tính từ đáng kể.

Vật liệu dẫn điện lý tưởng có khả năng dẫn điện hoàn hảo, nghĩa là không có sự cản trở dòng điện. Điện trở suất là thước đo khả năng cản trở dòng điện của vật liệu. Do đó, điện trở suất của vật liệu dẫn điện lý tưởng phải bằng không.

Điện trở nhiệt (thermistor) là linh kiện điện tử có điện trở thay đổi mạnh mẽ theo nhiệt độ. Bán dẫn oxit kim loại, như NiO, MnO₂, CoO, có độ nhạy nhiệt cao và thường được sử dụng làm điện trở nhiệt để đo và kiểm soát nhiệt độ.

Đèn LED hoạt động dựa trên nguyên tắc phát quang điện của chất bán dẫn. Bán dẫn hợp chất, như Gallium Arsenide (GaAs) và Gallium Nitride (GaN), có vùng cấm năng lượng phù hợp để phát ra ánh sáng khi có dòng điện chạy qua, và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất đèn LED với các màu sắc khác nhau.

Vật liệu gốm có độ bền nhiệt và độ bền điện môi cao, làm cho chúng lý tưởng cho các ứng dụng cách điện, đặc biệt ở nhiệt độ cao hoặc trong môi trường điện trường mạnh. Mặc dù gốm có thể được tạo hình phức tạp, nhưng độ giòn của chúng lại là một hạn chế. Giá thành và khả năng dẫn điện không phải là lý do chính khiến gốm được dùng làm vật liệu cách điện.

Polyvinyl chloride (PVC) là một polymer phổ biến được sử dụng làm vật liệu cách điện cho cáp và dây điện nhờ vào tính linh hoạt, khả năng cách điện tốt, khả năng chống cháy và giá thành hợp lý. Các polymer khác như PS, PMMA, và PC có thể có các ứng dụng khác nhưng ít phổ biến hơn trong cách điện dây và cáp điện.

Pin mặt trời cần có điện cực phía trên trong suốt để ánh sáng mặt trời có thể chiếu vào lớp bán dẫn hấp thụ ánh sáng. Oxide kim loại trong suốt dẫn điện (Transparent Conductive Oxides - TCO), như ITO (Indium Tin Oxide) hoặc AZO (Aluminum-doped Zinc Oxide), vừa dẫn điện tốt vừa trong suốt với ánh sáng nhìn thấy, nên được sử dụng làm điện cực trong pin mặt trời.

Điện dung suất (permittivity) của vật liệu điện môi là thước đo khả năng vật liệu đó phân cực khi đặt trong điện trường và do đó, quyết định khả năng lưu trữ năng lượng điện của tụ điện. Vật liệu có điện dung suất cao sẽ cho phép tụ điện có điện dung lớn hơn với cùng kích thước và điện áp.

Nhiệt độ là yếu tố chính ảnh hưởng đến điện trở suất của kim loại. Khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử kim loại dao động mạnh hơn, cản trở dòng electron di chuyển, do đó làm tăng điện trở suất. Ánh sáng, áp suất và độ ẩm ít ảnh hưởng trực tiếp đến điện trở suất của kim loại hơn so với nhiệt độ.

Vật liệu bán dẫn loại p được tạo ra bằng cách pha tạp chất nhận electron, thường là các nguyên tố nhóm III (ví dụ: Bo, Gallium, Indium), vào chất bán dẫn thuần (ví dụ: Silicon, Germanium). Các tạp chất này tạo ra `lỗ trống` trong cấu trúc mạng tinh thể, đóng vai trò là hạt tải điện dương.

Vật liệu từ mềm có đặc tính dễ dàng bị từ hóa và khử từ. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng cần thay đổi từ trường nhanh chóng, như lõi biến áp, đầu đọc/ghi dữ liệu từ tính, và cảm biến từ trường. Nam châm vĩnh cửu lại yêu cầu vật liệu từ cứng, giữ được từ tính lâu dài.

Điện trở chính xác yêu cầu giá trị điện trở ít thay đổi theo nhiệt độ. Các hợp kim như Constantan (Cu-Ni) và Manganin (Cu-Mn-Ni) có hệ số nhiệt điện trở rất nhỏ, nghĩa là điện trở của chúng ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ. Do đó, chúng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất điện trở chính xác.

Điện môi là vật liệu cách điện có khả năng phân cực điện khi đặt trong điện trường. Đặc tính này cho phép chúng lưu trữ năng lượng điện trong tụ điện và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử.

Thạch anh (Quartz) là một vật liệu tinh thể có thể thể hiện cả tính chất áp điện (tạo ra điện áp khi bị nén hoặc uốn cong) và nhiệt điện (tạo ra điện áp khi có sự chênh lệch nhiệt độ). Đồng, sắt và nhôm không có cả hai tính chất này đáng kể.

Vật liệu áp điện có khả năng tạo ra điện áp khi chịu áp lực cơ học (hiệu ứng áp điện thuận) và biến dạng cơ học khi có điện áp đặt vào (hiệu ứng áp điện nghịch). Ứng dụng chính của chúng là trong các cảm biến áp suất, micro, loa, và bộ tạo dao động.

Độ bền điện môi là khả năng của vật liệu cách điện chịu được điện trường mạnh mà không bị đánh thủng hay mất khả năng cách điện. Vật liệu cách điện tốt cần có độ bền điện môi cao để ngăn chặn dòng điện rò rỉ khi có điện áp cao.

Hệ số nhiệt điện trở âm (NTC) nghĩa là điện trở suất của vật liệu giảm khi nhiệt độ tăng. Bán dẫn như silicon và germanium có hệ số nhiệt điện trở âm. Kim loại (đồng, nhôm) thường có hệ số nhiệt điện trở dương (điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng). Carbon (than chì) cũng có hệ số nhiệt điện trở âm nhưng ít rõ rệt hơn bán dẫn.

Điện trở suất (ký hiệu ρ) là một đặc tính vật liệu đo khả năng cản trở dòng điện. Nó được định nghĩa là điện trở của một dây dẫn có chiều dài 1 mét và diện tích tiết diện 1 mét vuông. Đơn vị đo điện trở suất trong hệ SI là Ohm-mét (Ω·m). Ohm (Ω) là đơn vị đo điện trở, Siemens (S) là đơn vị đo độ dẫn điện, và Ampe (A) là đơn vị đo dòng điện.

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 nhất cho dây dẫn điện. Nhôm nhẹ hơn và rẻ hơn nhưng độ dẫn điện kém hơn và dễ bị oxy hóa hơn đồng. Sắt và thép có độ dẫn điện kém hơn nhiều so với đồng và nhôm, và dễ bị gỉ sét.

Hiệu ứng bề mặt (skin effect) là hiện tượng dòng điện xoay chiều có xu hướng tập trung ở bề mặt của dây dẫn khi tần số tăng lên. Điều này là do sự tự cảm của dây dẫn tạo ra điện kháng lớn hơn ở trung tâm so với bề mặt, khiến dòng điện chủ yếu chạy ở lớp bề mặt mỏng.

Điện tử linh hoạt đòi hỏi vật liệu có khả năng uốn cong, kéo giãn mà vẫn duy trì được chức năng điện. Polymer dẫn điện và vật liệu nano (như ống nano carbon, graphene) là những vật liệu tiềm năng cho ứng dụng này do tính linh hoạt cơ học và khả năng dẫn điện/bán dẫn có thể điều chỉnh.

Vật liệu compozit được tạo ra từ sự kết hợp của hai hay nhiều vật liệu khác nhau, nhằm tận dụng ưu điểm và khắc phục nhược điểm của từng vật liệu thành phần. Trong ứng dụng điện, compozit có thể được thiết kế để có sự kết hợp tối ưu giữa độ bền cơ học, khả năng cách điện, độ dẫn nhiệt, và các đặc tính khác.

Chất bán dẫn có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện, và đặc biệt quan trọng là độ dẫn điện của chúng có thể thay đổi đáng kể bởi các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng, và tạp chất (doping). Điều này cho phép chúng được sử dụng trong các thiết bị điện tử như transistor và diode.