Bài giảng Kỹ thuật điện - Nghề: Vận hành nhà máy thủy điện

ung, bộ khuếch đại từ, 
rơle không tiếp điểm và bộ nhớ máy tính. 
3.2.2 Vật liệu từ cứng 
 Gồm : Thép hợp kim tôi cứng, hợp kim đúc, nam châm dạng bột, ferit từ cứng, 
hợp kim biến dạng đàn hồi và băng từ. 
a. Thép hợp kim tôi cứng 
 Đặc điểm : Tính chất từ tính thấp, dễ gia công, giá thành rẻ. 
 Ứng dụng: Sản xuất nam châm vĩnh cửu. 
b. Hợp kim nam châm cứng- đúc 
 Đặc điểm : Là hợp kim của 3 nguyên tố: Nhôm - Niken- Sắt gọi là alni, có năng 
lượng từ lớn.Tính chất từ tính phụ thuộc vào những kết cấu tinh thể và kết cấu từ. Hợp 
kim này giòn và cứng không gia công cơ khí được chỉ hoàn thiện sản phẩm bằng cách 
đúc và mài mòn. 
 Ứng dụng :sản xuất nam châm vĩnh cửu 
c. Nam châm bột: có 2 loại 
 + Loại 1 : Nam châm gốm kim loại là nam châm có kết dính 
 + Loại 2 : Nam châm nhựa kim loại là nam châm không có kết dính ở trường từ 
có tần số cao. 
d. Ferit nam châm cứng 
 Có điện trở suất cao bằng hàng triệu lần điện trở suất của hợp kim cứng, cường 
độ cơ học thấp, tính giòn cao, tính chất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. 
 Ứng dụng : Dùng ở các thiết bị có tần số cao 
e. Băng từ và các hợp kim biến dạng dẻo 
 Dùng chế tạo thép nam châm cứng và các hợp kim tạo thành băng từ ghi chép và 
các băng ghi âm thanh hoặc dây kim loại. Khi hợp kim không thể hình thành băng hay 
sợi kim loại thì tạo thành các băng chất dẻo. 
3.2.3 Nam châm điện 
 Khi một lõi thép được đặt trong một cuộn dây có dòng điện chạy qua (mạch từ 
hở) thì lõi thép sẽ trở thành nam châm và hút dưới tác động của lực điện từ ở bên trong 
cuộn dây. 
 Vậy nam châm điện là một thiết bị gồm có cuộn dây từ hoá và một mạch từ, phần 
động gọi là nêm từ được kéo bởi phần chính mạch từ với lực: F = 4.105B2S 
 Với: F là lực được xác định bằng N 
 B là cảm ứng từ được tính bằng T S là diện tích các cực tính bằng m2 
 Trong trường hợp mạch từ của nam châm điện làm việc ở trạng thái không bão 
 98 
hòa, sự biến đổi của dòng điện cho phép làm thay đổi cảm ứng từ do đó làm biến đổi 
lực kéo của nam châm. 
 - Nam châm điện được ứng dụng rộng rãi VD: Để cố định các chi tiết gia công 
trong máy công cụ, rơ le, cơ cấu phanh... 
4. VẬT LIỆU BÁN DẪN 
4.1. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CHẤT BÁN DẪN 
4.1.1. Khái niệm 
 Chất bán dẫn chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, đặc 
điểm của nó là điện trở suất lớn hơn vật liệu dẫn điện nhưng nhỏ hơn của vật liệu cách 
điện. Tuy nhiên không có một danh giới rõ rệt giữa ba loại vật liệu kể trên. 
4.1.2. Phân loại chất bán dẫn 
a. Chất bán dẫn thuần 
* Một số chất bán dẫn thường gặp 
  Silic, (Si) 
 Si là một trong những nguyên tố có rất nhiều trong thiên nhiên dưới dạng SiO2 
trong các mỏ khác nhau và dưới dạng Silicat (Si chiếm khoảng 28% trong lớp vỏ trái 
đất). Nhưng, kỹ thuật để sản xuất Si tinh khiết rất phức tạp nên những dụng cụ sử dụng 
bán dẫn Si rất đắt so với các dụng cụ bán dẫn sử các chất khác mặc dù các chất này 
trong thiên nhiên hiếm hơn nhiều so với Si. 
 Điện dẫn suất của Si biến đổi trong phạm vi rộng. Silic nguyên chất được chế tạo 
làm các điện trở phi tuyến trong mạch điện tần số cao, dùng làm chất bán dẫn điện 
trong các máy tách sóng, trong các bộ khuyếch đại,...Silic được sử dụng như chất khử 
oxy trong luyện kim. 
 Silic trong hợp hợp kim Sắt - Silic (15% Si) được chế tao dưới dạng tấm, lá dùng 
để làm lõi thép dẫn từ của các máy biến áp. Ngoài ra nó còn được sử dụng để chế tạo 
các hợp kim khác của sắt - Si ; đồng thanh, đồng thau - Silic, ... được sử dụng rộng rãi 
trong công nghiệp 
  Giecmani, (Ge) 
 Ge rất hiếm trong tự nhiên, Ge được dùng để chế tạo các chất bán dẫn trong các 
máy tách sóng, các bộ chỉnh lưu phẳng, các transisto và các bộ khuyếch đại.... 
  Cácbon, (C) 
 Các bon được tìm thấy nhiều trong tự nhiên. Trong kỹ thuật, chia các bon thành 3 
dạng: Kim cương (diamant), graphit và các bon vô định hình (carbone amorphe), trong 
đó kim cương, graphit khai thác từ các mỏ trong tự nhiên còn các bon vô định hình có 
thể được điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau. 
Các bon được dùng rất nhiều trong kỹ thuật điện, điện tử để chế tạo: 
 - Các điện cực các bon (điện cực điện phân, hàn hồ quang điện). 
 - Chổi than (graphit, các bon vô định hình). 
 99 
 - Tiếp điểm điện. 
 - Điện trở đốt nóng, điện trở hoá học. 
 - Dùng trong các Micro, ống nói dưới dạng hạt nhỏ, khối hoặc màn. 
* Dòng điện trong chất bán dẫn nguyên chất 
 Để hiểu được bản chất sự dẫn điện của bán dẫn ta nghiên cứu cấu trúc bên trong 
của nó. Ta hãy xét tinh thể Silic là một bán dẫn điển hình. 
 Trong mạng tinh thể, mỗi nguyên tử Si liên kết với 15 nguyên tử Si khác ở bên 
cạnh bằng 15 mối liên kết đồng hoá trị (Hình 3.1). 
 Si Si Si 
 Si Si 
 Si Si Si 
 Si Si 
 Hình 3.1 Mô hình cấu trúc nguyên tử Si 
 Ở nhiệt độ thấp những liên kết này rất bền vững. Do đó chất bán dẫn Si có tính 
dẫn điện. Khi đốt nóng, mạng tinh thể chất bán dẫn Si thu thêm năng lượng. Do 
chuyển động nhiệt, một số nguyên tử mất liên kết với hạt nhân, trở thành điện tử tự 
do. Hình 3.2 giúp ta hình dung được tình trạng của chất bán dẫn lúc này. 
 Eng 
 2 
 3 
 - 
 1 4 
 Hình 3.2: Mạng tinh thể Si tạp chất 
 Giả sử khi một điện tử tách khỏi nguyên tử số 1, nguyên tử này trở thành ion 
dương, xem như một lỗ trống có thể lấy điện tử của một nguyên tử 2 nào đó ở gần để 
lấp lỗ trống và trở thành trung hoà. Nguyên tử số 2 vừa mất điện tử lại trở thành lỗ 
trống và lại lấy điện tử của nguyên tử 3 nào đó ở gần. Hiện tượng cứ tiếp diễn như vậy 
gây ra sự chuyển dịch của vị trí lỗ trống. Nếu không có điện trường ngoài Eng tác động, 
hiện tượng xảy ra hỗn độn, trong chất bán dẫn không có dòng điện. Còn nếu có điện 
trường ngoài Eng, điện tử sẽ chuyển dịch ngược chiều điện trường (hình 3.2) tạo thành 
dòng điện. Tính dẫn điện của chất bán dẫn Si tăng lên 
 100 
Vậy bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng đồng thời 
của điện tử ngược chiều điện trường và lỗ trống thuận chiều điện trường. 
 b. Chất bán dẫn tạp 
 * Dòng điện trong vật liệu bán dẫn tạp chất 
 Trong thực tiễn, chế tạo các chất bán dẫn nguyên chất rất khó khăn. Các bán dẫn 
thường có lẫn một ít tạp chất, hơn nữa trong kỹ thuật người ta còn chủ động pha thêm 
tạp chất vào chất bán dẫn nguyên chất. Nếu có một ít tạp chất lẫn vào (dù là một lượng 
rất nhỏ, không đáng kể) cũng đủ làm cho độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên nhiều 
lần, thậm chí hàng chục nghìn lần. 
 Ví dụ : Nếu cho vào Si một ít Ge là chất có 5 điện tử hoá trị; khi vào mạng tinh 
thể Si, 15 điện tử hoá trị của Ge kết chặt từng đôi một với 15 điện tử của các nguyên 
tử Si láng giềng, còn điện tử thứ 5 trở thành điện tử tự do chuyển động tự do trong 
mạng tinh thể (hình 3.3). Khi đó mật độ điện tử tự do trong chất bán dẫn Si tăng lên rất 
nhiều. Dưới tác dụng của điện trường, các điện tử tự do này chuyển động có hướng tạo 
thành dòng điện. Loại bán dẫn có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng điện tử tự do gọi là 
chất bán dẫn loại n hay bán dẫn điện tử. 
 Si Si Si Si 
 - Si Si 
 Si Ge Si Si 
 Hình 3.3: Mạng tinh thể Si tạp chất Ge 
 Nếu ta cho vào Silic một chút các nguyên tố thuộc nhóm III trong bảng hệ thống 
tuần hoàn Mendeleep, chẳng hạn Indi (In) : Ở vành ngoài cùng của In có 3 điện tử hoá 
trị, nên khi vào mạng tinh thể Si, nó tạo ra một lỗ trống trong mối liên kết giữa các 
nguyên tử. Điện tử của nguyên tử bên cạnh dễ dàng nhảy vào lỗ trống này và tạo thành 
lỗ trống mới, quà trình cứ tiếp diễn mãi; lỗ trống chạy tự do trong tinh thể. Khi đó mật 
độ lỗ trống trong chất bán dẫn tăng lên rất nhiều. Dưới tác dụng của điện trường, điện 
tử chuyển dời có hướng ngược chiều điện trường, còn lỗ trống thì chuyển dịch thuận 
chiều điện trường. Ta xem lỗ trống tương tự như điện tích dương và dòng điện chạy 
trong chất bán dẫn này là dòng những lỗ trống chuyển động. Chất bán dẫn này gọi là 
chất bán dẫn loại p hay bán dẫn lỗ trống. 
4.2. ỨNG DỤNG CHẤT BÁN DẪN 
4.2.1. Ứng dụng chất bán dẫn chất bán dẫn thuần 
 a. Silic (Si) 
 Si là vật liệu chủ yếu để sản xuất vi mạch tích phân có kích thước cực nhỏ và có 
cấu tạo rất phức tạp, được sử dụng trong kỹ thuật máy tính. Từ Si người ta chế tạo ra 
 101 
diode chỉnh lưu ở tần số cao hoặc thấp, các transistor công suất cao hoạt động ở tần số 
tới 109Hz. Diode chỉnh lưu từ Si có thể chịu được điện áp ngược tới 1500 V, dòng điện 
cho qua tới 1500 A. 
 Si được sử dụng rộng rãi ở dụng cụ quang học độ nhạy cao, diode quang có tác 
động cực nhanh, tế bào quang điện dùng để biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng 
lượng điện có hiệu suất đạt 10 - 12%. Nhờ Si có độ rộng vùng cấm cao hơn Ge, các 
dụng cụ từ Si có thể hoạt động được ở nhiệt độ cao hơn hẳn so với Ge. Nhiệt độ hoạt 
động của bán dẫn Si đạt khoảng180 ÷ 2000C. 
 b. Giecmani (Ge) 
 Trên cơ sở của Ge sản xuất số lượng lớn dụng cụ có nhiều công dụng khác nhau, 
đầu tiên phải nói tới diode và transistor. Đặc biệt là diode chỉnh lưu mặt phẳng và các 
transistor lưỡng cực. Các diode chỉnh lưu mặt phẳng tính ở dòng điện từ (0,3 ÷1000)A 
và điện áp rơi ttrên có không quá 0,5 V. Nhược điểm của diode Ge là tính chịu điện áp 
ngược không cao. Các transistor từ Ge có thể là cao tần hoạc âm tần công suất nhỏ 
hoặc công suất lớn. Nhờ có độ nhạy của các điện tích cao, Ge sử dụng để sản xuất các 
độ cảm biến. 
 Tính chất quang của Ge sử dụng để sản xuât transistor quang, diode quang. Nhiệt 
độ hoạt động của bán dẫn Ge từ 600C ÷700C, giới hạn trên của nhiệt độ hoạt động là 
nhược điểm cơ bản của Ge. 
c. Cácbon (C) 
 Các bon được dùng rất nhiều trong kỹ thuật điện, điện tử để chế tạo: 
 - Các điện cực các bon (điện cực điện phân, hàn hồ quang điện). 
 - Chổi than (graphit, các bon vô định hình). 
 - Tiếp điểm điện. 
 - Điện trở đốt nóng, điện trở hoá học. 
 - Dùng trong các Micro, ống nói dưới dạng hạt nhỏ, khối hoặc màn. 
4.2.2. Ứng dụng chất bán dẫn tạp chất 
 Bằng cách ghép các bán dẫn loại n với loại p, người ta đã chế tạo được rất nhiều 
dụng cụ điện, điện tử quan trọng. Dưới đây là một số ứng dụng bán dẫn tạp chất 
 a. Điốt bán dẫn (đèn bán dẫn 2 cực). 
 Điôt bán dẫn được cấu tạo từ một tiếp giáp P-N với mục đích sử dụng nó như 
một van điện. Tuỳ theo diện tích của phần tiếp xúc giữa hai lớp P và N mà người ta gọi 
là điôt tiếp điểm hay điôt tiếp mặt. 
 Ở điôt tiếp điểm, mặt tiếp xúc giữa hai lớp bán dẫn thu nhỏ lại hầu như chỉ còn ở 
một điểm nhằm mục đích giảm điện dung ký sinh của mặt ghép để điôt có thể làm 
việc được ở tần số cao. Điôt tiếp điểm được sử dụng ở các mạch để xử lý tín hiệu vô 
tuyến điện như tách sóng, điều chế, biến tần ... 
 Khác với điôt tiếp điểm, điôt tiếp mặt thì mặt tiếp xúc của hai lớp P và N có điện 
tích đủ lớn nhằm chịu được dòng điện lớn để sử dụng chúng vào mục đích chỉnh lưu. 
 102 
 b. Transisto (đèn bán dẫn 3 cực). 
 Tranzito lưỡng cực gồm có hai tiếp giáp P-N được tạo nên bởi 3 miền bán dẫn 
loại P và N xếp xen kẽ nhau. Nếu miền bán dẫn ở giữa là bán dẫn loại N thì ta có 
tranzito lưỡng cực loại P-N-P. Nếu miền bán dẫn ở giữa là bán dẫn loại P thì ta có 
tranzito lưỡng cực loại N-P-N. 
 Tranzito lưỡng cực là linh kiện có 3 chân, tranzito được sử dụng điều khiển 
chuyển mạch hoặc điều khiển khuếch đại. Các tranzito có loại có cấu trúc pnp, có loại 
có cấu trúc npn. Tranzito lưỡng cực loại npn dùng một dòng nhỏ đi vào cực badơ B 
(cấp dòng) và một điện áp dương (có quan hệ với cực emitơ E) để điều khiển dòng lớn 
hơn chảy từ cực colectơ C đến cực emitơ E. Ngược lại, tranzito loại pnp dùng một 
dòng nhỏ đi ra khỏi cực badơ B (rút dòng) và một điện áp âm (có quan hệ với cực 
emitơ E) để điều khiển dòng lớn hơn chảy từ cực emitơ đến cực colectơ. 
 Tranzito lưỡng cực là linh kiện rất tiện dụng. Khả năng điều khiển dòng điện của 
tranzito lưỡng cực bằng cách đặt tín hiệu điều khiển đã làm cho loại tranzito này trở 
thành linh kiện được phổ dụng trong các mạch chuyển mạch điều khiển bằng điện, 
mạch điều chỉnh dòng, mạch khuếch đại, mạch dao động và các mạch nhớ. 
 103 
 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG II 
 1. Trình bày khái niệm, cách phân loại vật liệu cách điện. 
 2. Trình bày những hư hỏng thường gặp và cách chon vật liệu cách điện. 
 3. Trình bày các chất cách điện thể khí được sử dụng phổ biến trong thực tế. Nêu 
các đặc tính chính của chúng. 
 4. Trình bày đặc tính và công dụng của dầu máy biến áp. 
 5. Nêu công dụng của dầu máy biến áp. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hóa già 
của dầu 
 6. Hãy phân tích ưu nhược điểm của dầu biến áp. 
 7. Theo thành phần hóa học, mica được chia thành hai loại mica mutscôvit và 
mica flogopit. Em hãy cho biết mica mutscôvit có những ưu điểm gì hơn so với mica 
flogopit, nhiệt độ hoặc môi trường dầu có ảnh hưởng như thế nào đến tính chất mica. 
Kể một số ứng dụng mica? 
 8. Trình bày khái niệm và tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện, giải thích cụ thể 
từng tính chất đó ? 
 9. Phân loại chất cách điện thể rắn. Các chất cách điện thể rắn vô cơ được sử 
dụng 
 trong thực tế. 
 10. Khí elegaz (SF6) có cường độ cách điện cao hơn cường độ cách điện của 
không khí 23 lần, có độ ổn định cao, có khả năng dập tắt hồ quang tốt, là chất khí có 
khả năng tự phục hồi. Tuy nhiên sau nhiều lần sử dụng chất khí này bị hồ quang phân 
hủy tạo ra nhiều sản phẩm độc hại có mùi trứng thối. Nếu có mùi trứng thối cần phải 
tiến hành làm gì? Kể một số ứng dụng của khí elegaz? 
 11. Trình bày các cách điện rắn hữu cơ được sử dụng trong thực tế. Nêu các đặc 
tính cơ bản của chúng. 
 12. Trình bày các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến vật liệu dẫn điện ? 
 13. Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất trong tất cả các vật liệu dẫn điện 
dùng trong kỹ thuật điện vì đồng có những ưu điểm nổi trội hơn so với các vật liệu dẫn 
điện khác, trình bày các ưu điểm của đồng và ứng dụng của đồng trong kỹ thuật điện? 
 14. Trình bày đặc tính chung, phân loại, tính chất cơ học và các ứng dụng của 
kim loại Đồng, Nhôm, Chì, Wonfram và Sắt. 
 15. Trình bày khái niệm chất bán dẫn, đặc điểm chất bán dẫn thuần và bán dẫn 
tạp? 
 16. Hãy nêu ứng dụng của chất bán dẫn thuần và bán dẫn tạp? 
 104 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Cơ sở kỹ thuật điện – Hoàng Hữu Thận – Nhà xuất bản giao thông vận tải – năm 
2000. 
2. Kỹ thuật điện – Đặng Văn Đào và Lê Văn Doanh - Nhà xuất bản giáo dục – Năm 
2009. 
3. Bài tập kỹ thuật điện– Đặng Văn Đào và Lê Văn Doanh - Nhà xuất bản giáo dục – 
Năm 2010. 
4. Đặng Văn Đào, Kỹ Thuật Điện, NXB Giáo dục 2004. 
5. Giáo trình Vật liệu điện -TS Nguyễn Đình - NXB Giáo Dục 2006. 
6. Giáo trình vật liệu điện - Nguyễn Xuân Phú – NXB Khoa học kỹ thuật 1998. 
 105 
 XÁC NHẬN KHOA 
 Bài giảng môn học/mô đun “Kỹ thuật điện” đã bám sát các nội dung trong 
chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, 
năng lực tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. 
Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun...... thay thế cho giáo trình. 
 Người biên soạn Lãnh đạo Khoa 
 ( Ký, ghi rõ họ tên) ( Ký, ghi rõ họ tên) 
 Hà Thị Thu Hiền 
 106