Đề thi, bài tập trắc nghiệm online Vật liệu điện – Đề 7

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 dân dụng. Nhôm nhẹ hơn nhưng độ dẫn điện kém hơn đồng và dễ bị oxy hóa hơn. Sắt và thép có độ dẫn điện kém và dễ bị gỉ sét, không phù hợp cho mục đích này.

Vật liệu dẫn điện lý tưởng là vật liệu không có điện trở, tức là điện trở suất bằng không. Trong thực tế, không có vật liệu nào có điện trở suất hoàn toàn bằng không ở nhiệt độ thường, nhưng siêu dẫn là vật liệu gần với lý tưởng này ở nhiệt độ rất thấp.

Cao su là vật liệu polymer có tính chất cách điện tốt do cấu trúc phân tử của nó không cho phép các electron di chuyển tự do. Nước muối dẫn điện do chứa ion, kim loại là chất dẫn điện tốt, và graphite (một dạng của carbon) cũng dẫn điện.

Vật liệu bán dẫn có đặc tính quan trọng là độ dẫn điện của chúng có thể thay đổi đáng kể dưới tác động của nhiệt độ, ánh sáng, và tạp chất. Điều này làm cho chúng trở nên hữu ích trong các thiết bị điện tử. Nếu độ dẫn điện không thay đổi, vật liệu đó sẽ không thể hoạt động như một bán dẫn.

Vật liệu siêu dẫn có khả năng dẫn điện hoàn toàn không điện trở và tạo ra từ trường mạnh mẽ. Ứng dụng chính của chúng hiện nay là trong các nam châm điện cực mạnh, ví dụ như trong máy quét MRI (Cộng hưởng từ hạt nhân) để tạo ra hình ảnh y tế chi tiết. Các ứng dụng khác vẫn đang trong giai đoạn phát triển do yêu cầu nhiệt độ cực thấp để duy trì trạng thái siêu dẫn.

Điện môi là vật liệu cách điện được sử dụng trong tụ điện để tăng khả năng tích trữ điện tích. Gốm sứ là một vật liệu điện môi phổ biến do có hằng số điện môi cao và khả năng chịu điện áp tốt. Đồng và nhôm là chất dẫn điện, sắt cũng là chất dẫn điện và có từ tính, không phù hợp làm điện môi.

Ở chất bán dẫn, khi nhiệt độ tăng, số lượng electron tự do và lỗ trống tăng lên do các liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ bởi nhiệt. Điều này làm tăng độ dẫn điện và giảm điện trở suất của vật liệu. Ở chất dẫn điện kim loại, nhiệt độ tăng lại làm tăng điện trở suất do sự tăng dao động nhiệt của mạng tinh thể cản trở dòng electron.

Điện trở nhiệt (thermistor) là loại điện trở có điện trở suất thay đổi mạnh theo nhiệt độ. Chúng được chế tạo từ vật liệu bán dẫn vì bán dẫn có độ nhạy nhiệt cao, tức là điện trở suất của chúng thay đổi đáng kể khi nhiệt độ thay đổi. Chất dẫn điện và cách điện không có sự thay đổi điện trở suất lớn theo nhiệt độ như bán dẫn.

Điện trở suất (ρ) là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của một vật liệu. Nó được định nghĩa là điện trở của một dây dẫn hình trụ làm bằng vật liệu đó, có chiều dài 1 mét và tiết diện 1 mét vuông. Do đó, đơn vị đo điện trở suất là Ohm-mét (Ω⋅m). Ohm (Ω) là đơn vị đo điện trở, Siemens (S) là đơn vị đo độ dẫn điện, và Farad (F) là đơn vị đo điện dung.

Hệ số nhiệt điện trở âm có nghĩa là điện trở suất của vật liệu giảm khi nhiệt độ tăng. Chất bán dẫn như Silicon và Germanium thường có hệ số nhiệt điện trở âm do sự gia tăng số lượng hạt tải điện (electron và lỗ trống) khi nhiệt độ tăng. Kim loại như Đồng và Nhôm thường có hệ số nhiệt điện trở dương, nghĩa là điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng. Carbon (graphite) cũng có hệ số nhiệt điện trở âm nhưng không mạnh mẽ như bán dẫn.

Chất bán dẫn loại p được tạo ra bằng cách pha tạp chất ba hóa trị vào chất bán dẫn hóa trị bốn (như Silicon). Boron (B) là nguyên tố nhóm IIIA, có 3 electron hóa trị. Khi pha tạp Boron vào Silicon, nó tạo ra 'lỗ trống' (hole), là hạt tải điện dương chủ yếu, do đó tạo ra chất bán dẫn loại p. Phosphorus (P), Arsenic (As), và Antimony (Sb) là các nguyên tố nhóm VA (5 electron hóa trị) và được sử dụng để tạo chất bán dẫn loại n.

Trong vật liệu dẫn điện (kim loại), các electron hóa trị ngoài cùng không liên kết chặt chẽ với hạt nhân nguyên tử và có thể di chuyển tự do trong mạng tinh thể. Những electron này được gọi là electron tự do và là hạt tải điện chủ yếu, chịu trách nhiệm cho dòng điện trong kim loại. Lỗ trống là hạt tải điện chủ yếu trong bán dẫn loại p, ion dương và âm là hạt tải điện trong chất điện phân.

Vật liệu áp điện là vật liệu tạo ra điện áp khi bị biến dạng cơ học (ép, uốn, kéo) và ngược lại, biến dạng cơ học khi có điện áp đặt vào. Gốm áp điện, đặc biệt là PZT (Chì zirconat titanat), là vật liệu áp điện phổ biến được sử dụng trong cảm biến áp suất, loa, micro, và bộ đánh lửa. Thủy tinh, nhựa và giấy không có tính chất áp điện đáng kể.

Vật liệu điện môi cao k (high-k dielectric) là vật liệu có hằng số điện môi cao, cho phép tụ điện tích trữ được nhiều điện tích hơn trong cùng một diện tích hoặc thể tích. Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ vi mạch để chế tạo các tụ điện nhỏ gọn với điện dung lớn, giúp tăng hiệu suất và giảm kích thước của chip điện tử. Đèn sợi đốt sử dụng dây tóc kim loại, điện trở nhiệt dùng bán dẫn, dây dẫn điện cao thế dùng chất dẫn điện tốt.

Ferrite là một loại vật liệu gốm từ tính được tạo thành từ oxit sắt kết hợp với oxit của các kim loại khác như mangan, niken, hoặc kẽm. Ferrite có tính chất từ điện (ferrimagnetism hoặc ferromagnetism), được sử dụng rộng rãi trong lõi biến áp, cuộn cảm, và các thiết bị từ tính khác. Nhôm, đồng và vàng là các kim loại không có tính chất từ điện mạnh (chúng là chất nghịch từ hoặc thuận từ yếu).

Polyetylen (PE) là một loại polymer nhựa nhiệt dẻo có tính chất cách điện rất tốt, khả năng chịu điện áp cao, và độ bền cơ học đủ để làm lớp cách điện cho dây cáp điện, đặc biệt là cáp điện cao thế. Đồng và nhôm là chất dẫn điện, thép cũng dẫn điện và dễ bị gỉ sét, không phù hợp làm lớp cách điện.

Silicon là vật liệu bán dẫn quan trọng nhất được sử dụng trong pin mặt trời. Silicon có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện. Đồng, sắt và thép là kim loại dẫn điện, không có khả năng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng một cách hiệu quả như bán dẫn silicon.

Hiện tượng siêu dẫn, khi điện trở suất của vật liệu đột ngột giảm xuống bằng không, chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất thấp, thường gần độ không tuyệt đối (-273.15°C). Một số vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTSC) có thể siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn (nhưng vẫn rất lạnh so với nhiệt độ phòng), ví dụ như -135°C, nhưng vẫn cần phải làm lạnh đáng kể.

Vật liệu có hệ số nhiệt điện trở dương (PTC - Positive Temperature Coefficient) có điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng. Ứng dụng chính của chúng là trong các điện trở sưởi tự điều chỉnh. Khi nhiệt độ tăng do dòng điện chạy qua, điện trở của vật liệu PTC tăng lên, làm giảm dòng điện và do đó tự giới hạn nhiệt độ, tránh quá nhiệt. Cảm biến nhiệt độ thường dùng vật liệu NTC (hệ số nhiệt điện trở âm), điện trở nhạy sáng dùng bán dẫn quang, điện trở biến đổi điện áp (varistor) dùng vật liệu phi tuyến.

Trong pin lithium-ion, cực âm (cathode) thường được làm từ vật liệu oxide kim loại lớp lớp, trong đó Lithium cobalt oxide (LiCoO2) là một trong những vật liệu phổ biến nhất do có điện dung riêng cao và hiệu suất tốt. Graphite thường được sử dụng làm cực dương (anode), đồng và nhôm được dùng làm vật liệu dẫn điện cho các bộ phận khác của pin.

Điện môi phân cực là loại vật liệu điện môi mà các phân tử của nó có mômen lưỡng cực điện tự nhiên ngay cả khi không có điện trường bên ngoài. Điều này là do sự phân bố điện tích không đồng đều trong phân tử. Khi có điện trường, các mômen lưỡng cực này có xu hướng sắp xếp theo hướng điện trường, làm tăng điện dung của tụ điện. Điện môi không phân cực không có mômen lưỡng cực tự nhiên.

Tính chất quang dẫn (photoconductivity) là khả năng của một vật liệu tăng độ dẫn điện khi được chiếu sáng. Silicon, một chất bán dẫn, có tính chất quang dẫn mạnh mẽ. Khi ánh sáng chiếu vào silicon, nó tạo ra các cặp electron-lỗ trống, làm tăng số lượng hạt tải điện và do đó tăng độ dẫn điện. Thủy tinh, cao su và gỗ là chất cách điện và không có tính chất quang dẫn đáng kể.

Silica aerogel là một vật liệu xốp có cấu trúc nano, có khả năng cách nhiệt cực kỳ tốt do chứa rất nhiều không khí trong các lỗ rỗng nhỏ. Nó được sử dụng làm chất cách nhiệt trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả thiết bị điện tử để bảo vệ các thành phần nhạy cảm với nhiệt độ. Nhôm, đồng và sắt là kim loại dẫn nhiệt tốt, không phù hợp làm chất cách nhiệt.

Indium tin oxide (ITO) là một vật liệu oxide dẫn điện trong suốt, được sử dụng rộng rãi trong màn hình cảm ứng, màn hình LCD, và pin mặt trời màng mỏng. ITO có độ dẫn điện đủ tốt và đồng thời cho phép ánh sáng truyền qua. Đồng, bạc và vàng là kim loại dẫn điện tốt nhưng không trong suốt.

Độ bền điện môi là khả năng của vật liệu chịu được điện trường mạnh trước khi bị đánh thủng điện. SF6 (Sulfur hexafluoride) là một loại khí cách điện có độ bền điện môi rất cao, cao hơn nhiều so với không khí, giấy, và dầu biến thế. Do đó, SF6 được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện cao áp như máy cắt điện, GIS (thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí).

Phân cực điện môi là hiện tượng xảy ra khi điện môi được đặt trong điện trường ngoài. Điện trường ngoài tác dụng lực lên các điện tích trong phân tử điện môi, làm dịch chuyển các điện tích dương và âm theo hướng ngược nhau, tạo ra mômen lưỡng cực điện cảm ứng hoặc tăng cường mômen lưỡng cực điện vốn có (trong điện môi phân cực). Dòng điện không chạy qua điện môi lý tưởng, nhiệt độ và áp suất có thể ảnh hưởng đến tính chất điện môi nhưng không phải nguyên nhân trực tiếp gây phân cực.

Ắc quy chì-axit sử dụng chì (Pb) và chì dioxide (PbO2) làm chất liệu cho điện cực (anode và cathode) và dung dịch axit sulfuric (H2SO4) làm chất điện phân. Phản ứng hóa học giữa chì, chì dioxide và axit sulfuric tạo ra dòng điện. Đồng, nhôm và thép không được sử dụng làm điện cực trong ắc quy chì-axit.

Nam châm đất hiếm, đặc biệt là nam châm NdFeB (Neodymium-Iron-Boron), là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay. Chúng có lực từ trường rất cao và khả năng giữ từ tính tốt, được sử dụng rộng rãi trong động cơ điện, loa, MRI, và nhiều ứng dụng khác. Nhôm, đồng và thép có thể có tính từ nhưng không đủ mạnh để làm nam châm vĩnh cửu mạnh như nam châm đất hiếm.

Kim cương không chỉ là vật liệu cứng nhất mà còn có độ dẫn nhiệt cực kỳ cao, cao hơn nhiều so với kim loại và các vật liệu phi kim khác. Mặc dù là chất cách điện về điện, cấu trúc mạng tinh thể chặt chẽ của kim cương giúp truyền nhiệt rất hiệu quả. Gỗ, thủy tinh và nhựa là các vật liệu cách nhiệt, có độ dẫn nhiệt kém.

Vật liệu bán dẫn là thành phần cốt lõi của transistor, điốt phát quang (LED), và pin mặt trời, nhờ khả năng điều khiển độ dẫn điện linh hoạt. Dây dẫn điện cao thế thường được làm từ vật liệu dẫn điện tốt như đồng hoặc nhôm, không phải bán dẫn. Bán dẫn không phù hợp cho ứng dụng dẫn điện truyền tải năng lượng lớn vì điện trở của chúng vẫn cao hơn kim loại.