Đề thi, bài tập trắc nghiệm online Vật liệu điện – Đề 9

Đồng là vật liệu dẫn điện tốt, có độ bền kéo và khả năng chống ăn mòn cao, giá thành hợp lý, nên được sử dụng rộng rãi nhất cho dây dẫn điện. Nhôm nhẹ hơn nhưng dẫn điện kém hơn và dễ bị oxy hóa hơn đồng. Sắt và chì có điện trở suất cao hơn nhiều, không phù hợp làm dây dẫn điện thông thường.

Điện trở suất (resistivity) là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của một vật liệu. Điện dẫn suất (conductivity) là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất, thể hiện khả năng dẫn điện của vật liệu. Điện dung và điện cảm là các đại lượng liên quan đến khả năng tích trữ năng lượng điện trường và từ trường, không trực tiếp đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện.

Gốm sứ có đặc tính cách điện rất tốt, chịu được điện áp cao, chịu nhiệt tốt và độ bền hóa học cao, nên được sử dụng rộng rãi làm vật liệu cách điện trong các thiết bị điện cao thế như sứ cách điện, ống cách điện, v.v. Đồng, thép và nhôm là vật liệu dẫn điện, không phù hợp cho ứng dụng cách điện.

Chất bán dẫn có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Điểm đặc biệt là độ dẫn điện của chất bán dẫn có thể thay đổi đáng kể dưới tác động của các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng, điện trường, tạp chất... Điều này làm cho chất bán dẫn trở nên vô cùng quan trọng trong điện tử học.

Điện môi (hay chất cách điện) là vật liệu có khả năng cách điện tốt, tức là chúng không cho phép dòng điện chạy qua một cách dễ dàng. Chúng được sử dụng để cách ly các bộ phận dẫn điện với nhau, ngăn chặn dòng điện rò rỉ và đảm bảo an toàn điện.

Đặc tính nổi bật nhất của vật liệu siêu dẫn là điện trở suất của chúng giảm xuống bằng không khi nhiệt độ giảm xuống dưới một ngưỡng nhiệt độ tới hạn nhất định. Điều này có nghĩa là dòng điện có thể chạy qua vật liệu siêu dẫn mà không bị mất năng lượng.

Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào ba yếu tố chính: chiều dài (tỉ lệ thuận), tiết diện (tỉ lệ nghịch) và vật liệu làm dây dẫn (thông qua điện trở suất). Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến điện trở, nhưng vật liệu và kích thước là yếu tố trực tiếp hơn trong công thức tính điện trở.

Silicon là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất trong công nghiệp điện tử do có nhiều ưu điểm như trữ lượng lớn, giá thành tương đối rẻ, dễ dàng chế tạo và có các tính chất bán dẫn phù hợp cho nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong sản xuất vi mạch và linh kiện bán dẫn.

Gốm ferroelectric có độ thẩm điện môi rất cao, cho phép tụ điện tích trữ được nhiều điện tích hơn với cùng kích thước và điện áp. Do đó, chúng được sử dụng phổ biến trong các tụ điện cần dung lượng lớn. Không khí và polyetylen có hằng số điện môi thấp, còn giấy có hằng số điện môi trung bình.

Thép kỹ thuật điện (thép silic) là vật liệu từ mềm, có từ thẩm cao, tổn hao từ trễ thấp, dễ dàng từ hóa và khử từ. Các tính chất này rất quan trọng cho lõi biến áp để tăng hiệu suất và giảm tổn hao năng lượng. Thép cứng và ferit cứng là vật liệu từ cứng, khó từ hóa và khử từ, không phù hợp làm lõi biến áp. Nam châm vĩnh cửu giữ từ tính sau khi từ hóa, không phù hợp cho lõi biến áp cần thay đổi từ trường liên tục.

Độ bền điện môi bề mặt (surface dielectric strength) là khả năng chịu đựng điện áp của bề mặt vật liệu cách điện trước khi xảy ra phóng điện dọc theo bề mặt. Trong ứng dụng cao áp, đặc tính này rất quan trọng để ngăn chặn hiện tượng phóng điện bề mặt, có thể gây ra sự cố và hư hỏng thiết bị. Các đặc tính khác như độ bền cơ học, độ bền nhiệt và điện trở suất cũng quan trọng nhưng không trực tiếp liên quan đến phóng điện bề mặt bằng độ bền điện môi bề mặt.

Điện trở thường được chế tạo từ carbon (than) hoặc các hợp kim kim loại có điện trở suất phù hợp. Carbon được sử dụng cho điện trở than, trong khi các hợp kim như niken-crom, manganin, constantan được dùng cho điện trở dây quấn hoặc điện trở màng mỏng do chúng có điện trở suất ổn định và ít thay đổi theo nhiệt độ. Đồng, nhôm và bạc là vật liệu dẫn điện tốt, không phù hợp để chế tạo điện trở.

Vật liệu có hệ số nhiệt điện trở âm (NTC) là vật liệu mà điện trở của nó giảm khi nhiệt độ tăng. Bán dẫn oxit kim loại, thường được sử dụng trong thermistor, có đặc tính NTC rõ rệt. Đồng, nhôm và vonfram là kim loại, thường có hệ số nhiệt điện trở dương (PTC), nghĩa là điện trở tăng khi nhiệt độ tăng.

Chất điện phân trong pin và ắc quy phải là môi trường cho phép ion di chuyển giữa các điện cực để tạo ra dòng điện. Dung dịch ion (như axit sulfuric trong ắc quy chì-axit) hoặc chất điện ly rắn (trong pin lithium-ion) đáp ứng yêu cầu này. Kim loại và chất bán dẫn là vật liệu dẫn điện hoặc bán dẫn điện tử, không phải chất điện phân ion. Chất cách điện không cho phép dòng điện chạy qua.

Cáp quang sử dụng sợi thủy tinh hoặc nhựa trong suốt để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng. Ánh sáng được truyền đi nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong sợi quang. Đồng, nhôm và thép là vật liệu dẫn điện, không dùng để truyền dẫn ánh sáng trong cáp quang.

Vật liệu từ tính, đặc biệt là ferrite, có khả năng hấp thụ sóng điện từ tốt trong một dải tần số nhất định. Do đó, chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị chống nhiễu điện từ (EMI) để giảm thiểu nhiễu xạ và bức xạ điện từ không mong muốn. Đồng và nhôm là vật liệu dẫn điện, phản xạ sóng điện từ tốt hơn là hấp thụ. Gốm sứ là vật liệu cách điện.

Invar là một hợp kim đặc biệt của sắt và niken có hệ số giãn nở nhiệt cực kỳ thấp. Điều này làm cho nó rất phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ ổn định kích thước cao khi nhiệt độ thay đổi, ví dụ như các linh kiện chính xác trong thiết bị đo lường, đồng hồ, và các cấu trúc đòi hỏi độ chính xác cao. Nhựa, cao su và nhôm có hệ số giãn nở nhiệt cao hơn nhiều so với Invar.

Pin lithium-ion sử dụng lithium kim loại (trong pin lithium kim loại, ít phổ biến hiện nay) hoặc các hợp chất lithium như lithium cobalt oxide (LiCoO2), lithium iron phosphate (LiFePO4), v.v., làm vật liệu điện cực (thường là cực dương). Lithium có điện thế điện hóa âm nhất và mật độ năng lượng cao, lý tưởng cho pin hiệu suất cao. Đồng và nhôm thường được dùng làm vật liệu thu dòng điện, không phải điện cực hoạt động. Thép không phù hợp cho điện cực pin lithium-ion.

Gallium nitride (GaN) và gallium phosphide (GaP) là các vật liệu bán dẫn nhóm III-V được sử dụng phổ biến để chế tạo LED phát ánh sáng nhìn thấy. GaN thường dùng cho LED xanh và trắng, GaP cho LED đỏ và vàng. Silicon và germanium là vật liệu bán dẫn nhóm IV, chủ yếu dùng trong vi điện tử và cảm biến, không hiệu quả cho LED phát ánh sáng nhìn thấy. Selen là chất bán dẫn, nhưng ít dùng trong LED so với GaN và GaP.

Vàng và thiếc thường được sử dụng làm lớp mạ bảo vệ trên chân linh kiện điện tử. Vàng có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và độ dẫn điện tốt, nhưng đắt tiền. Thiếc rẻ hơn và cũng có khả năng chống ăn mòn tốt, đồng thời cải thiện khả năng hàn do dễ nóng chảy và tạo liên kết tốt với vật liệu hàn. Sắt và nhôm dễ bị ăn mòn, chì độc hại và không cải thiện khả năng hàn.

Thạch anh (quartz) và gốm piezoelectric như PZT (lead zirconate titanate) là vật liệu áp điện. Chúng có khả năng sinh ra điện áp khi bị biến dạng cơ học (hiệu ứng áp điện trực tiếp) và ngược lại, biến dạng cơ học khi có điện áp đặt vào (hiệu ứng áp điện nghịch đảo). Tính chất này được ứng dụng trong cảm biến áp suất, micro, loa, bộ phận đánh lửa, v.v. Đồng, thép và nhựa không có tính áp điện.

Telluride bismuth (Bi2Te3) và các hợp kim nhiệt điện khác là vật liệu nhiệt điện. Chúng có khả năng tạo ra điện áp khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu (hiệu ứng Seebeck) và ngược lại, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ khi có dòng điện chạy qua (hiệu ứng Peltier). Tính chất này được ứng dụng trong các cặp nhiệt điện, máy phát nhiệt điện, và thiết bị làm lạnh nhiệt điện. Đồng, nhôm và gốm sứ không có tính nhiệt điện hiệu quả.

Photoresist (chất quang trở) là polyme nhạy sáng được sử dụng trong công nghệ khắc quang (photolithography) để tạo hình ảnh mạch trên tấm wafer silicon trong sản xuất vi mạch. Photoresist thay đổi tính chất hóa học khi tiếp xúc với ánh sáng, cho phép tạo ra các mẫu mạch chi tiết bằng cách loại bỏ hoặc giữ lại các vùng photoresist sau quá trình phơi sáng và phát triển. Kim loại, chất bán dẫn và gốm sứ không có tính chất này.

Tụ điện nhiều lớp (MLCC) sử dụng các lớp gốm sứ điện môi mỏng làm lớp cách điện giữa các lớp điện cực dẫn điện. Gốm sứ điện môi có hằng số điện môi cao, cho phép tụ điện MLCC đạt được dung lượng lớn trong kích thước nhỏ. Đồng và nhôm là vật liệu dẫn điện, không dùng làm lớp cách điện. Giấy có thể dùng trong một số loại tụ điện, nhưng gốm sứ điện môi phổ biến hơn trong MLCC do đặc tính tốt hơn.

Nitinol (hợp kim niken-titan) là vật liệu nhớ hình nổi tiếng. Nó có khả năng trở lại hình dạng ban đầu khi được nung nóng sau khi bị biến dạng. Tính chất này được ứng dụng trong các thiết bị điều khiển nhiệt, van nhiệt, công tắc nhiệt, và các ứng dụng y tế. Đồng, nhôm và thép không có tính chất nhớ hình.

Vật liệu composite nền sợi thủy tinh (FR-4) là vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm chất nền cho mạch in (PCB). FR-4 có đặc tính cách điện tốt, độ bền cơ học cao, dễ gia công và giá thành hợp lý. Đồng và nhôm là vật liệu dẫn điện, không phù hợp làm chất nền cách điện. Thép nặng và không dễ gia công như FR-4.

Nam châm đất hiếm như NdFeB (neodymium-sắt-bo) và SmCo (samarium-cobalt) là vật liệu từ tính mạnh nhất hiện nay và được sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu có lực từ mạnh. Thép kỹ thuật điện và ferrite mềm là vật liệu từ mềm, dễ từ hóa và khử từ, không phù hợp làm nam châm vĩnh cửu. Sắt non cũng là vật liệu từ mềm.

Nhôm và đồng là kim loại có hệ số dẫn nhiệt rất cao, giúp tản nhiệt nhanh chóng và hiệu quả. Do đó, chúng được ưu tiên sử dụng làm vật liệu tản nhiệt (heatsink) trong các thiết bị điện tử công suất để làm mát các linh kiện sinh nhiệt, tránh quá nhiệt và đảm bảo hoạt động ổn định. Nhựa và gỗ là vật liệu cách nhiệt, dẫn nhiệt kém. Gốm sứ có thể dẫn nhiệt tốt hơn nhựa và gỗ, nhưng vẫn kém hơn so với nhôm và đồng.

Vật liệu hữu cơ phát quang (organic light-emitting materials) có khả năng phát quang điện, tức là phát sáng khi có dòng điện chạy qua. Đây là nguyên lý hoạt động của màn hình OLED (Organic Light Emitting Diode). Silicon và germanium là vật liệu bán dẫn, không phát quang điện trong ứng dụng màn hình. Thủy tinh là vật liệu cách điện, không liên quan đến phát quang điện.

Silicon vô định hình (a-Si:H), thường được hydro hóa (ký hiệu :H), là vật liệu bán dẫn vô định hình phổ biến nhất được sử dụng trong pin mặt trời màng mỏng. Silicon tinh thể được dùng trong pin mặt trời truyền thống, nhưng silicon vô định hình phù hợp hơn cho công nghệ màng mỏng do có thể lắng đọng trên diện tích lớn với chi phí thấp hơn. Germanium và gallium arsenide ít được dùng trong pin mặt trời màng mỏng so với silicon vô định hình.