Đề 15 – Bài tập, đề thi trắc nghiệm online Vật liệu điện

Hằng số điện môi (ε) đặc trưng cho khả năng của một vật liệu điện môi làm giảm cường độ điện trường bên trong nó so với khi chân không. Vật liệu có hằng số điện môi càng cao thì khả năng suy giảm điện trường càng lớn.

Vật liệu magnetostrictive (từ giảo) có tính chất biến dạng cơ học (thay đổi kích thước) khi đặt trong từ trường và ngược lại, tạo ra từ trường khi bị biến dạng cơ học. Ứng dụng trong cảm biến từ trường, bộ truyền động từ giảo, và các thiết bị khác.

Vật liệu dẫn điện lý tưởng sẽ không có bất kỳ sự cản trở nào đối với dòng điện, do đó điện trở suất của nó phải bằng không. Tuy nhiên, trong thực tế, không có vật liệu nào có điện trở suất hoàn toàn bằng không ở nhiệt độ thường.

Varistor (Voltage Dependent Resistor) là điện trở có giá trị điện trở thay đổi mạnh mẽ theo điện áp. Khi điện áp thấp, điện trở cao; khi điện áp vượt quá ngưỡng, điện trở giảm mạnh. Varistor được dùng để bảo vệ mạch điện khỏi quá áp đột biến, ví dụ trong các thiết bị chống sét.

Đồng là vật liệu dẫn điện tốt thứ hai sau bạc, nhưng có giá thành thấp hơn nhiều so với bạc và có độ bền cơ học cao hơn nhôm, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến nhất cho dây dẫn điện.

Transistor lưỡng cực (BJT) có hai lớp tiếp giáp p-n, tạo thành cấu trúc n-p-n hoặc p-n-p. Transistor trường (FET) cũng có vùng tiếp giáp hoặc cấu trúc tương tự để điều khiển dòng điện.

Đặc trưng cơ bản của hiện tượng siêu dẫn là điện trở của vật liệu đột ngột giảm xuống bằng không khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn. Điều này cho phép dòng điện chạy qua vật liệu siêu dẫn mà không bị tiêu hao năng lượng.

Vật liệu điện môi (hay chất điện môi, chất cách điện) có đặc tính chính là cách điện tốt và có khả năng phân cực điện khi đặt trong điện trường. Khả năng phân cực này cho phép chúng lưu trữ năng lượng điện trường, ứng dụng trong tụ điện.

Pha tạp là quá trình thêm một lượng nhỏ tạp chất vào vật liệu bán dẫn tinh khiết để thay đổi nồng độ electron tự do hoặc lỗ trống, từ đó điều chỉnh độ dẫn điện của vật liệu theo mong muốn. Có hai loại pha tạp chính là pha tạp n-type và p-type.

Vật liệu composite cách điện thường kết hợp chất nền polymer (như epoxy, polyester) với chất độn là sợi thủy tinh hoặc sợi carbon. Sợi độn giúp tăng cường độ bền cơ học, độ cứng, và khả năng chịu nhiệt của vật liệu composite, đồng thời vẫn duy trì tính cách điện của polymer.

Graphene là vật liệu 2D có cấu trúc mạng tinh thể carbon một lớp nguyên tử, có độ bền cơ học cực cao, độ dẫn điện và dẫn nhiệt tuyệt vời, diện tích bề mặt lớn. Những đặc tính này khiến graphene trở thành vật liệu tiềm năng cho nhiều ứng dụng điện tử, quang điện tử và cơ khí.

Dây điện cao thế cần có độ bền cơ học cao để chịu được lực căng và trọng lượng bản thân, lõi thép đảm bảo điều này. Vỏ nhôm có độ dẫn điện tốt và nhẹ hơn đồng, giúp giảm trọng lượng dây và tổn hao điện năng, đồng thời nhôm cũng chống ăn mòn tốt hơn thép trong môi trường tự nhiên.

Vật liệu ferit là vật liệu từ tính gốm, có độ từ thẩm cao (dễ từ hóa) và điện trở suất rất lớn (khó dẫn điện). Điện trở suất lớn giúp giảm thiểu dòng điện xoáy (eddy current) trong lõi từ ở tần số cao, làm giảm tổn hao năng lượng, nên thích hợp cho biến áp và cuộn cảm cao tần.

Chất bán dẫn loại p được tạo ra bằng cách pha tạp bán dẫn thuần với tạp chất có 3 electron hóa trị (như Boron, Gallium). Các tạp chất này đóng vai trò là chất nhận electron, tạo ra lỗ trống (hole) dư thừa trong vật liệu, làm tăng độ dẫn điện do sự di chuyển của lỗ trống.

Điện cực trong pin và ắc quy cần phải dẫn điện tốt để cho phép dòng điện chạy qua và tham gia vào các phản ứng hóa học tạo ra điện. Kim loại và hợp kim (như chì, kẽm, lithium, niken, cadmium,...) có tính dẫn điện tốt và khả năng tham gia phản ứng hóa học, nên được sử dụng làm điện cực.

Silicon (Si) và Germanium (Ge) đều thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn. Các nguyên tố nhóm IVA có 4 electron lớp ngoài cùng, tạo điều kiện cho cấu trúc mạng tinh thể và tính chất bán dẫn đặc trưng của chúng.

Chất điện phân rắn đang được nghiên cứu và phát triển để thay thế chất điện phân lỏng dễ cháy nổ trong pin lithium-ion, nhằm tạo ra pin lithium-ion trạng thái rắn an toàn hơn, mật độ năng lượng cao hơn và tuổi thọ dài hơn. Pin trạng thái rắn được coi là thế hệ pin lithium-ion tiếp theo.

Vật liệu perovskite, đặc biệt là perovskite hữu cơ-vô cơ lai, đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực pin mặt trời do hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, giá thành sản xuất tiềm năng thấp và khả năng chế tạo linh hoạt. Chúng được coi là vật liệu tiềm năng cho pin mặt trời thế hệ mới.

Gốm áp điện, như PZT (Lead Zirconate Titanate), có hiệu ứng áp điện mạnh, được sử dụng rộng rãi trong các cảm biến siêu âm (ví dụ trong máy siêu âm y tế, cảm biến khoảng cách), loa áp điện, micro áp điện, và các ứng dụng khác cần chuyển đổi giữa cơ năng và điện năng.

Vật liệu vô định hình (như thủy tinh, một số polymer) có cấu trúc nguyên tử không có trật tự xa, tức là các nguyên tử sắp xếp ngẫu nhiên và không có tính tuần hoàn trên phạm vi lớn. Vật liệu tinh thể có cấu trúc nguyên tử trật tự, tuần hoàn trên phạm vi xa.

Điốt bán dẫn hoạt động dựa trên nguyên lý tiếp giáp p-n. Tiếp giáp p-n được tạo ra bằng cách ghép nối một vùng bán dẫn loại p và một vùng bán dẫn loại n. Tiếp giáp này có tính chỉnh lưu, cho phép dòng điện chạy qua dễ dàng theo một chiều (chiều thuận) và cản trở dòng điện theo chiều ngược lại (chiều ngược).

Điện trở nhiệt (thermistor) là loại điện trở có giá trị điện trở thay đổi đáng kể và thường là phi tuyến tính theo nhiệt độ. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cảm biến và điều khiển nhiệt độ.

Polyethylene (PE) và các loại polymer khác như PVC, XLPE có khả năng cách điện rất tốt, chịu được điện áp cao và có độ bền cơ học, hóa học phù hợp, nên được dùng phổ biến làm lớp cách điện cho cáp điện, đặc biệt là cáp cao thế.

Sắt là một trong những vật liệu sắt từ điển hình và có từ tính sắt từ mạnh ở nhiệt độ phòng. Các vật liệu sắt từ như sắt, niken, coban và hợp kim của chúng có khả năng từ hóa mạnh và duy trì từ tính sau khi từ trường ngoài bị loại bỏ.

Cầu chì được thiết kế để bảo vệ mạch điện khỏi dòng điện quá tải. Vật liệu làm cầu chì cần có điện trở suất đủ thấp để dẫn điện bình thường và nhiệt độ nóng chảy thấp để dễ dàng nóng chảy và ngắt mạch khi dòng điện vượt quá định mức.

Điểm khác biệt chính của bán dẫn là khả năng dẫn điện của chúng có thể được điều khiển và thay đổi đáng kể bởi các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng, điện trường hoặc tạp chất. Vật liệu dẫn điện có độ dẫn điện cao cố định, còn vật liệu cách điện có độ dẫn điện rất thấp cố định.

Vật liệu áp điện có tính chất đặc biệt là 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 trong cảm biến, đầu dò siêu âm, loa áp điện...

Chất lỏng điện môi (như dầu biến áp, dầu silicon) có khả năng cách điện cao và tản nhiệt tốt, được sử dụng rộng rãi trong máy biến áp và tụ điện cao áp để làm môi trường cách điện, làm mát và tăng cường khả năng chịu điện áp của thiết bị.

Sợi đốt trong bóng đèn sợi đốt thường được làm từ vonfram. Vonfram có nhiệt độ nóng chảy rất cao (khoảng 3422°C) và phát ra ánh sáng khi bị đốt nóng đến nhiệt độ cao, đáp ứng yêu cầu của bóng đèn sợi đốt.

Chất bán dẫn loại n được tạo ra bằng cách pha tạp bán dẫn thuần (như Silicon) với tạp chất có 5 electron hóa trị (như Phosphorus, Arsenic). Các tạp chất này đóng vai trò là chất cho electron, tạo ra electron tự do dư thừa trong vật liệu, làm tăng độ dẫn điện.