Vật liệu điện là gì? Khái niệm và phân loại vật liệu điện

Vật liệu điện là gì? Khái niệm và phân loại vật liệu điện

Vật liệu điện đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, từ các thành phần điện tử trong các thiết bị điện tử, đến hệ thống điện trong công nghiệp và xây dựng, và cả trong các lĩnh vực tiên tiến như năng lượng mặt trời và y tế. Sự lựa chọn và ứng dụng thông minh của vật liệu điện đóng góp một phần quan trọng vào việc tiến bộ công nghệ và cải thiện chất lượng cuộc sống của con người.

1. Khái niệm về vật liệu điện

1.1. Khái niệm

Tất cả những vật liệu dùng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn hoặc những vật liệu dùng làm phụ kiện đường dây, được gọi chung là vật liệu điện. Như vậy vật liệu điện bao gồm: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ.

Để thấy được bản chất dẫn điện hay cách điện của vật liệu, chúng ta cần hiểu khái niệm về cấu tạo vật liệu cũng như sự hình thành các phần tử mang điện trong vật liệu.

Vật liệu điện là gì?
Vật liệu điện là gì?

1.2. Cấu tạo nguyên tử của vật liệu

Như chúng ta đã biết, mọi vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử. Nguyên tử là phần tử cơ bản của vật chất. Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (êlectron e) mang điện tích âm, chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định. Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ các hạt prôton và nơtron. Nơtron là các hạt không mang điện tích còn prôton có điện tích dương với số lượng bằng Zq. Trong đó:

Z: số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự của nguyên tố đó ở trong bảng tuần hoàn Menđêlêép.

q: điện tích của điện tử e (qe=1,601.10-19 culông). Prôton có khối lượng bằng 1,67.10-27 kg, êlêctron (e) có khối lượng bằng 9,1.10-31 kg.

Ở trạng thái bình thường, nguyên tử được trung hòa về điện, (tức là trong nguyên tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện tử). Nếu vì lý do nào đó, nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện tích dương mà ta thường gọi là ion dương. Ngược lại nếu nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm.

Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng ion hóa (Wi), khi bị ion hóa (bị mất điện tử), nguyên tử trở thành ion dương. Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do gọi là quá trình ion hóa.

Trong một nguyên tử, năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hóa trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hóa thấp nhất vì chúng xa hạt nhân nhất.

Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, song chúng luôn có xu thế trở về vị trí ban đầu. Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lương quang học (quang năng).

Trong thực tế ion hóa và năng lượng kích thích nguyên tử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như: nhiệt năng, quang năng, điện năng,

năng lượng của các tia song ngắn như các tia: a, b ,g hay tia Rơghen v.v…

1.3. Cấu tạo phân tử

Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử.

Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết sau:

1.3.1. Liên kết đồng hóa trị

Liên kết đồng hóa trị được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử của các nguyên tử trong phân tử. Khi đó mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững.

Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hóa trị có thể là trung tính hay lưỡng cực.

-Phân tử có trọng tâm điện tích dương và âm trùng nhau là phân tử trung tính. Các chất được tạo nên từ các phân tử trung tính gọi là chất trung tính.

-Phân tử có trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng cách ‘’a’’ nào đó gọi là phân tử cực tính hay còn gọi là lưỡng cực.

1.3.2. Liên kết ion

Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử. Liên kết ion là liên kết khá bền vững. Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Ví dụ các muối halôgen của các kim loại kiềm.

Khả năng tạo nên một chất hoặc một hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dáng lớp điện tử ngoài cùng.

1.3.3. Liên kết kim loại

Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn. Kim loại được xem như là một hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do. Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Chính vì vậy liên kết kim loại là liên kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao.

Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt trên nhau giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng.

1.3.4. Liên kết Vandec – Vanx

Liên kết này là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững chắc. Do vậy những liên kết phân tử là liên kết Vandec – Vanx có nhiệt độ nóng chảy và có độ bền cơ thấp.

2. Phân loại vật liệu điện

2.1. Phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện

Trên cơ sở giản đồ năng lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn.

a. Vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện là chất có vùng tự do nằm sát với vùng điền đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy (DW < 0,2eV). Vật liệu dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn; ở nhiệt độ bình thường các điện tử hóa trị ở vùng điền đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn. Chính vì vậy vật dẫn có tính dẫn điện tốt.

b. Vật liệu bán dẫn

Vật liệu bán dẫn là chất có vùng cấm hẹp hơn so với vật liệu cách điện, vùng này có thể thay đổi nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (DW = 0,2 ÷ 1,5eV), do đó ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hóa trị ở vùng điền đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng địên dẫn.

c. Điện môi (vật liệu cách điện):

Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xẩy ra. Các điện tử hóa trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn. Chiều rộng vùng cấm của vật liệu cách điện (DW = 1,5 ÷ 2eV).

2.2. Phân loại vật liệu điện theo từ tính

Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: nghịch từ, thuận từ và dẫn từ.

a. Vật liệu nghịch từ

Là những vật liệu có độ từ thẩm m< 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. Loại này gồm có: hydrô, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, muối mỏ và các kim loại như: đồng, kẽm, bạc, vàng, thủy ngân, gali, antimoan.

b. Vật liệu thuận từ

Là những vật liệu có độ từ thẩm m > 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. Loại này gồm có: oxy, oxit nitơ, muối đất hiếm, muối sắt, muối côban và niken, kim loại kiềm, nhôm và bạch kim.

Vật liệu thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm m xấp xỉ bằng 1.

c. Vật liệu dẫn từ

Là những vật liệu có độ từ thẩm m > 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. Loại này gồm có: sắt, côban, niken và các hợp kim của chúng: hợp kim crôm và mangan, gađôlônít, pherit có các thành phần khác nhau.

2.3. Phân loại theo các dạng khác

Theo công dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ và vật liệu bán dẫn.

Theo nguồn gốc: có vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ.

Theo trạng thái vật thể: có vật liệu ở thể rắn, thể lỏng và vật liệu ở thể khí.

Share this post

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *