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

Đồng là vật liệu dẫn điện tốt, có độ bền kéo và khả năng uốn dẻo cao, dễ dàng gia công và kết nối, đồng thời có giá thành hợp lý so với hiệu năng, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến nhất cho dây dẫn điện.

Ở hầu hết các kim loại dẫn điện, khi nhiệt độ tăng, các ion kim loại dao động mạnh hơn, cản trở dòng chuyển động của electron tự do, dẫn đến điện trở suất của vật liệu tăng lên.

Thủy tinh có cấu trúc phân tử đặc biệt, hầu như không có electron tự do di chuyển, do đó nó có điện trở suất rất cao và được coi là chất cách điện tốt, thường được sử dụng trong các ứng dụng điện áp cao và cách nhiệt.

Hằng số điện môi (hay còn gọi là độ thẩm điện tương đối) là đại lượng thể hiện khả năng của một vật liệu cách điện làm giảm cường độ điện trường so với chân không, và do đó, nó liên quan trực tiếp đến khả năng tích trữ năng lượng điện trường của vật liệu đó.

Silicon là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất do có nhiều ưu điểm như dồi dào trong tự nhiên, dễ dàng chế tạo thành tinh thể lớn, có tính chất bán dẫn phù hợp, và công nghệ chế tạo dựa trên silicon đã rất phát triển.

Hiện tượng siêu dẫn là trạng thái vật chất trong đó điện trở suất của vật liệu giảm xuống bằng không một cách đột ngột khi nhiệt độ hạ xuống dưới một giá trị tới hạn rất thấp, thường là gần độ không tuyệt đối (-273.15°C).

Điện trở nhiệt là linh kiện sử dụng vật liệu có điện trở thay đổi theo nhiệt độ, hoạt động dựa trên nguyên lý điện trở thông thường, trái ngược với siêu dẫn là trạng thái không có điện trở. Các ứng dụng còn lại đều tận dụng tính chất siêu dẫn để đạt hiệu suất cao.

Bạc là kim loại có độ dẫn điện tốt nhất trong số các kim loại phổ biến, tiếp theo là đồng, vàng và nhôm. Tuy nhiên, do giá thành cao, bạc thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi độ dẫn điện cao nhất và khả năng chống oxy hóa tốt.

Polyme cách điện như XLPE (polyethylene liên kết ngang) và PVC (polyvinyl chloride) có khả năng cách điện cao, mềm dẻo, dễ gia công và có độ bền cơ học, hóa học tốt, nên được sử dụng rộng rãi làm lớp cách điện trong cáp điện, đặc biệt là cáp cao thế.

Độ dẫn nhiệt cao không phải là tính chất quan trọng đối với vật liệu làm điện trở, thậm chí trong một số trường hợp, độ dẫn nhiệt thấp có thể được ưu tiên để điện trở ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường. Các tính chất còn lại đều quan trọng để đảm bảo điện trở hoạt động ổn định và bền bỉ.

Chất bán dẫn loại p được tạo ra bằng cách pha tạp chất nhận vào chất bán dẫn thuần (như Silicon). Boron là nguyên tố thuộc nhóm III, có 3 electron hóa trị, khi pha vào Silicon (nhóm IV), nó tạo ra 'lỗ trống' (hole) trong cấu trúc mạng tinh thể, làm tăng độ dẫn điện loại p.

Điện môi ferroelectric là loại điện môi đặc biệt có tính chất phi tuyến rất mạnh và thể hiện hiện tượng trễ điện môi (hysteresis). Điều này có nghĩa là độ phân cực của vật liệu không chỉ phụ thuộc vào điện trường hiện tại mà còn phụ thuộc vào lịch sử điện trường đã tác dụng lên nó.

Vật liệu điện môi được đặt giữa hai bản cực của tụ điện để tăng khả năng tích trữ điện tích (tăng điện dung) và tăng điện áp tối đa mà tụ điện có thể chịu đựng trước khi bị đánh thủng (tăng điện áp đánh thủng). Nó cũng giúp giảm dòng điện rò, nhưng vai trò chính là tăng điện dung và điện áp đánh thủng.

Lõi biến áp cần vật liệu dẫn từ tốt để tập trung từ thông và giảm tổn hao năng lượng do từ trễ và dòng điện xoáy. Vật liệu từ mềm như thép silic có độ từ thẩm cao, từ trễ nhỏ, điện trở suất cao (giảm dòng điện xoáy), nên rất phù hợp làm lõi biến áp.

Điện môi bị đánh thủng là hiện tượng vật liệu cách điện mất khả năng cách điện và trở thành dẫn điện khi điện trường tác dụng lên nó vượt quá một giá trị tới hạn, gọi là điện trường đánh thủng (hoặc cường độ điện trường tới hạn). Khi đó, dòng điện sẽ chạy qua vật liệu, gây ra sự cố.

Vật liệu piezoelectric (áp điện) có khả năng chuyển đổi giữa năng lượng cơ học và năng lượng điện. Khi bị biến dạng cơ học (như nén, kéo, uốn), nó tạo ra điện áp, và ngược lại, khi có điện trường tác dụng, nó sẽ bị biến dạng hình dạng. Ứng dụng trong cảm biến, đầu dò siêu âm, bộ kích thích, v.v.

Vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các linh kiện điện tử chủ động (transistor, diode), pin mặt trời (chuyển đổi quang điện), và các loại cảm biến. Vật liệu cách điện cho dây điện thường là polyme hoặc gốm sứ, không phải bán dẫn.

Thermistor (điện trở nhiệt) là linh kiện có điện trở thay đổi rất mạnh theo nhiệt độ, thường là theo hàm số mũ. Có hai loại chính: NTC (hệ số nhiệt âm - điện trở giảm khi nhiệt độ tăng) và PTC (hệ số nhiệt dương - điện trở tăng khi nhiệt độ tăng). Ứng dụng trong cảm biến nhiệt độ, bảo vệ quá nhiệt, v.v.

Vật liệu magnetostrictive (từ giảo) có tính chất thay đổi kích thước hoặc hình dạng khi chịu tác dụng của từ trường, và ngược lại, khi bị biến dạng cơ học, nó có thể tạo ra từ trường. Ứng dụng trong cảm biến từ trường, bộ truyền động, v.v.

Dòng điện xoáy là dòng điện cảm ứng sinh ra trong lõi kim loại khi từ thông biến thiên. Để giảm dòng điện xoáy và tổn hao năng lượng, người ta chia nhỏ lõi thành nhiều lá thép kỹ thuật điện mỏng, cách điện với nhau và ghép lại. Điều này làm tăng điện trở trên đường đi của dòng điện xoáy, giảm cường độ dòng điện xoáy.

Vật liệu photoconductive (quang dẫn) là vật liệu có độ dẫn điện tăng lên khi có ánh sáng chiếu vào. Ánh sáng cung cấp năng lượng để giải phóng electron hoặc lỗ trống, làm tăng số lượng hạt tải điện và do đó tăng độ dẫn điện. Ứng dụng trong cảm biến ánh sáng, điện trở quang, v.v.

Gốm sứ kỹ thuật có độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt tốt, chịu hóa chất và cách điện tốt, nên được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền và chịu nhiệt cao như sứ cách điện cao thế, ống sứ cách nhiệt, v.v. PVC và cao su có khả năng chịu nhiệt kém hơn, giấy cách điện dễ bị ẩm và phân hủy ở nhiệt độ cao.

Điện cực trong pin và ắc quy cần vật liệu dẫn điện tốt và có khả năng tham gia vào các phản ứng hóa học oxi hóa khử để tạo ra dòng điện. Kim loại và hợp kim như chì (trong ắc quy chì-axit), lithium (trong pin lithium-ion), niken (trong pin Ni-Cd, Ni-MH) thường được sử dụng làm điện cực.

Cầu chì hoạt động dựa trên nguyên lý nhiệt. Khi dòng điện quá tải chạy qua, dây chì (làm bằng vật liệu dẫn điện có nhiệt độ nóng chảy thấp) nóng lên và chảy ra, ngắt mạch điện, bảo vệ các thiết bị khác khỏi hư hỏng. Hợp kim chì-thiếc là vật liệu phổ biến vì có nhiệt độ nóng chảy thấp và dễ chế tạo.

LED hoạt động dựa trên nguyên lý phát quang điện. Khi có dòng điện chạy qua diode bán dẫn hợp chất, electron và lỗ trống tái hợp trong vùng tiếp giáp p-n, giải phóng năng lượng dưới dạng photon ánh sáng. Vật liệu bán dẫn hợp chất như GaAs, GaN có cấu trúc vùng năng lượng phù hợp để phát ra ánh sáng ở các bước sóng khác nhau.

Vật liệu piezoelectric có cả hiệu ứng áp điện trực tiếp (tạo ra điện áp khi bị biến dạng cơ học) và hiệu ứng áp điện đảo (biến dạng cơ học khi có điện trường). Hiệu ứng áp điện đảo được ứng dụng trong các bộ kích thích, loa áp điện, v.v.

Vỏ bọc kim loại (vật liệu dẫn điện) được sử dụng để chắn nhiễu điện từ (EMI). Vỏ kim loại hoạt động như lồng Faraday, ngăn chặn sóng điện từ xâm nhập hoặc phát ra từ thiết bị, giúp giảm nhiễu và đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định.

Polymer thông thường là chất cách điện. Polymer dẫn điện là loại polymer đặc biệt được pha tạp hoặc có cấu trúc phân tử đặc biệt để có khả năng dẫn điện, mặc dù độ dẫn điện thường thấp hơn kim loại nhưng vẫn có nhiều ứng dụng nhờ tính mềm dẻo, nhẹ, dễ gia công. Ví dụ: PEDOT:PSS, Polyaniline.

Linh kiện điện tử công suất cao sinh ra nhiều nhiệt trong quá trình hoạt động. Để tránh quá nhiệt và đảm bảo độ tin cậy, cần sử dụng vật liệu tản nhiệt tốt để dẫn nhiệt ra môi trường. Kim loại như nhôm và đồng có độ dẫn nhiệt cao, thường được sử dụng làm tản nhiệt.

Sắt, Niken và Cobalt là các kim loại sắt từ, có tính chất từ tính mạnh. Đồng là kim loại không từ tính (thuộc loại nghịch từ hoặc thuận từ yếu), không có khả năng bị từ hóa mạnh như các vật liệu sắt từ.