Đề thi, bài tập trắc nghiệm online Vật liệu điện – Đề 13

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 lý tưởng và phổ biến nhất cho dây dẫn điện trong nhiều ứng dụng.

Đối với hầu hết các vật liệu dẫn điện kim loại, điện trở suất tăng lên khi nhiệt độ tăng. Điều này là do sự tăng nhiệt độ làm tăng sự dao động của các ion kim loại, cản trở dòng chuyển động của electron.

Vật liệu cách điện phải có khả năng ngăn chặn dòng điện chạy qua. Điều này có nghĩa là chúng phải có độ dẫn điện rất thấp (khả năng dẫn điện kém) và điện trở suất rất cao (khả năng cản trở dòng điện lớn).

Vật liệu bán dẫn như silicon và germanium là nền tảng của ngành điện tử hiện đại. Chúng được sử dụng để chế tạo các linh kiện chủ động như transistor và diode, là các khối xây dựng cơ bản của mạch tích hợp và các thiết bị điện tử khác.

Độ bền điện môi (hay cường độ điện môi) là thước đo khả năng của vật liệu cách điện chịu được điện trường mạnh trước khi xảy ra hiện tượng đánh thủng điện môi. Vật liệu có độ bền điện môi cao có thể chịu được điện áp lớn hơn.

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

Gốm sứ được sử dụng rộng rãi làm vật liệu cách điện do độ bền điện môi cao và khả năng chịu nhiệt tốt (cách điện đường dây cao thế, cách nhiệt lò điện). Một số gốm đặc biệt có tính chất từ tính (lõi biến áp). Tuy nhiên, gốm không phải là vật liệu bán dẫn chính để chế tạo transistor; silicon và germanium phổ biến hơn cho ứng dụng này.

Chất điện môi trong tụ điện là vật liệu cách điện được đặt giữa các bản cực để tăng khả năng tích trữ điện tích. Gốm sứ và polymer là các vật liệu phổ biến được sử dụng làm chất điện môi do có hằng số điện môi cao và độ bền điện môi tốt.

Khi vật liệu siêu dẫn vượt quá nhiệt độ tới hạn, từ trường tới hạn hoặc mật độ dòng tới hạn, nó mất đi tính siêu dẫn và trở lại trạng thái dẫn điện bình thường. Trong trạng thái này, điện trở suất của vật liệu tăng lên đáng kể, không còn bằng không nữa.

Ở tần số cao, tổn thất điện môi trong vật liệu cách điện trở nên đáng kể. Polyetylen (PE) là vật liệu polymer có tổn thất điện môi thấp, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng điện cao tần như cáp đồng trục và cách điện trong radar.

Hệ số nhiệt điện trở âm (NTC) có nghĩa là điện trở của vật liệu giảm khi nhiệt độ tăng. Carbon (graphite) và nhiều vật liệu bán dẫn có tính chất NTC. Kim loại như đồng và sắt thường có hệ số nhiệt điện trở dương (PTC).

Niken-Crom (Nichrome) là hợp kim có điện trở suất cao và khả năng chịu nhiệt độ cao mà không bị oxy hóa hoặc nóng chảy. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi làm dây đốt nóng trong các thiết bị sinh nhiệt như bàn là điện, lò nướng, và máy sấy tóc.

Điện trở là linh kiện thụ động có chức năng chính là hạn chế hoặc cản trở dòng điện trong mạch. Giá trị điện trở càng lớn, khả năng cản trở dòng điện càng cao.

Vật liệu áp điện tạo ra điện tích khi chịu áp lực cơ học, và ngược lại, biến dạng cơ học khi có điện trường tác dụng. Thạch anh là một ví dụ điển hình về vật liệu áp điện, được sử dụng trong cảm biến áp suất, micro, và bộ tạo dao động.

Trong cáp điện cao thế, lớp bán dẫn được đặt giữa dây dẫn và lớp cách điện, cũng như bên ngoài lớp cách điện. Chức năng chính của lớp bán dẫn là phân bố đều điện trường, giảm ứng suất điện trường tập trung tại các điểm không hoàn hảo, từ đó nâng cao độ bền điện môi và tuổi thọ cáp.

Ferit là vật liệu gốm từ tính, có điện trở suất cao và tổn thất dòng điện xoáy thấp ở tần số cao. Do đó, chúng rất phù hợp để làm lõi biến áp, cuộn cảm, và các linh kiện từ tính khác trong các mạch điện tử và điện cao tần.

Hầu hết polyme là chất cách điện, nhưng có một số polyme dẫn điện, như polyaniline, polypyrrole và polythiophene. Polyaniline có thể dẫn điện tốt sau khi được pha tạp, và được nghiên cứu cho các ứng dụng như pin mặt trời hữu cơ, cảm biến và điện cực.

Điện trở suất (ký hiệu ρ) là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của một vật liệu. 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 mạ thiếc kết hợp độ dẫn điện tốt của đồng với khả năng hàn tốt và chống ăn mòn của thiếc. Lớp mạ thiếc giúp bảo vệ đồng khỏi bị oxy hóa và tạo bề mặt dễ hàn, làm cho nó lý tưởng cho chân linh kiện điện tử.

Hằng số điện môi tương đối (εᵣ) của chân không được định nghĩa là 1. Hằng số điện môi của các vật liệu khác thường được so sánh với hằng số điện môi của chân không. Giá trị 8.854 x 10^-12 F/m là độ điện thẩm ε₀ của chân không (không phải hằng số điện môi tương đối).

Rơ le lưỡng kim sử dụng một dải kim loại kép được tạo thành từ hai kim loại có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Invar (hợp kim niken-sắt có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp) và đồng thau (hệ số giãn nở nhiệt cao hơn) thường được sử dụng. Khi dòng điện quá tải chạy qua, dải lưỡng kim nóng lên, uốn cong và ngắt mạch.

Vật liệu từ mềm là vật liệu từ tính dễ bị từ hóa và khử từ. Ferit mềm có độ thẩm từ cao, lực kháng từ thấp và tổn thất dòng điện xoáy thấp, làm cho chúng lý tưởng cho lõi biến áp, cuộn cảm và các ứng dụng từ trường xoay chiều. Thép từ tính vĩnh cửu, Alnico và Samarium Cobalt là vật liệu từ cứng, khó bị khử từ và được dùng làm nam châm vĩnh cửu.

Silicon là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất trong công nghệ điện mặt trời do có hiệu suất chuyển đổi quang điện tốt, giá thành tương đối thấp và công nghệ sản xuất đã được phát triển rộng rãi. Mặc dù Germanium và Gallium Arsenide có hiệu suất cao hơn trong một số trường hợp, nhưng Silicon vẫn chiếm ưu thế về tính kinh tế và khả năng sản xuất hàng loạt.

Điện trở tiếp xúc xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa các vật dẫn điện. Để giảm điện trở này, người ta thường mạ các bề mặt tiếp xúc bằng kim loại dẫn điện tốt, như vàng, bạc, hoặc thiếc. Lớp mạ này giúp tăng diện tích tiếp xúc hiệu quả và giảm điện trở tại mối nối.

Sứ kỹ thuật, đặc biệt là alumina (Al₂O₃), có độ bền nhiệt cao, độ bền điện môi cao, và khả năng cách điện tuyệt vời ngay cả ở nhiệt độ cao. Do đó, chúng được sử dụng rộng rãi làm sứ cách điện trong thiết bị điện cao áp, bugi đánh lửa, và các ứng dụng chịu nhiệt khác. Nhựa Bakelite, thủy tinh hữu cơ và polyetylen có giới hạn nhiệt độ thấp hơn nhiều.

Thuốc hàn bọc ngoài que hàn có nhiều chức năng quan trọng trong quá trình hàn điện. Khi cháy, thuốc hàn tạo ra khí bảo vệ vùng hàn khỏi sự oxy hóa của không khí, đồng thời tạo ra lớp xỉ nóng chảy bao phủ mối hàn, bảo vệ kim loại nóng chảy khỏi bị oxy hóa và làm sạch mối hàn.

Invar là hợp kim niken-sắt đặc biệt với hệ số giãn nở nhiệt cực kỳ thấp. Tính chất này làm cho Invar rất quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi độ ổn định kích thước cao khi nhiệt độ thay đổi, như trong các thiết bị đo lường chính xác, đồng hồ, và các thành phần cơ khí chính xác.

Cực nối đất cần có khả năng dẫn điện tốt và chống ăn mòn tốt trong môi trường đất. Thép mạ đồng kết hợp độ bền cơ học của thép với khả năng dẫn điện tốt và chống ăn mòn của lớp mạ đồng, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho cực nối đất an toàn điện.

Tính chất quang dẫn là khả năng vật liệu tăng độ dẫn điện khi được chiếu sáng. Selen là một vật liệu bán dẫn có tính chất quang dẫn, được sử dụng trong các cảm biến ánh sáng, máy photocopy và một số loại pin mặt trời.

Nhôm là vật liệu tản nhiệt phổ biến do có độ dẫn nhiệt tốt, nhẹ, dễ gia công và giá thành hợp lý. Tản nhiệt nhôm được sử dụng rộng rãi để làm mát các linh kiện điện tử công suất lớn như transistor, MOSFET, và IC công suất, giúp duy trì nhiệt độ hoạt động an toàn và kéo dài tuổi thọ linh kiện.