Bài giảng Vật liệu điện - Chương 2, Phần 1: Vật liệu dẫn điện và cáp điện

Chương II: Vật liệu dẫn điện 
và cáp điện

 Phân loại

 Bản chất của sự dẫn điện

 Các tính chất cơ bản

 Vật liệu có điện dẫn cao

 Vật liệu có điện trở suất cao

 Các kim loại khác
Phần I: Vật liệu dẫn điện
Phân loại

Phân loại dựa vào trạng thái vật lý: rắn, lỏng, khí và plasma

Vật liệu dẫn điện ởthểrắn được sửdụng rộng rãi và phổbiến: bao gồm
các kim loại và hợp kim
oĐiện dẫn cao: sử dụng làm dây dẫn điện, cáp điện, dây quấn máy
điện
oĐiện trởcao: sửdụng làm điện trở, biến trở, dụng cụ đốt nóng bằng
điện, dây tóc bóng đèn

Vật liệu dẫn điện ởthểlỏng: dung dịch điện phân (ứng dụng: Acquy, công
nghệxi mạ điện) và thủy ngân (ứng dụng trong rơle điện)

Vật liệu dẫn điện ởthểkhí: chỉdẫn điện ở điện trường cao

Plasma: trạng thái thứtưcủa vật chất có tính dẫn điện tốt được tạo thành từchất
khí bịion hóa một phần hoặc hoàn toàn (ứng dụng: cắt kim loại hoặc phủ kim
loại)
Bản chất của sự dẫn điện
1. Dẫn điện điện tử (xảy ra trong kim loại)

 Xét chuyển động của điện tử trong vật dẫn điện dưới tác động của điện trường
(đơn giản: xem như các điện tử c/đ theo phương điện trường)
tA
qJ
∆
∆
= ∆q =?
 Mật độ dòng điện:
Vận tốc dịch chuyển trung
bình của điện tử theo
phương x
[ ]xNxxdx vvvNv +++= ...
1
21
N: số lượng điện tử tự do trong vật dẫn

 Mật độ điện tử tự do trong kim 
loại 32810 −≈= m
V
N
n

 Trong khoảng thời gian ∆t, các điện tử chuyển động được quãng đường ∆x
tvx dx∆=∆

 Tổng điện tích đi qua tiết diện A trong khoảng thời gian ∆t
ee xqnAVqnq ∆=∆=∆

 Mật độ dòng điện theo phương x là
edx
edx
x qnvtA
tqnAv
tA
qJ =
∆
∆
=
∆
∆
=

 Nếu ( ) )(tnvqJtEE dxexxx =⇒=

 Khi không có điện trường
ngoài, các điện tử tự do chuyển
động nhiệt hỗn loạn theo
phương bất kỳ ⇒ không tạo
thành dòng điện

 Khi có điện trường ngoài, các 
điện tử tự do tham gia vào 02 
chuyển động:
o chuyển động nhiệt hỗn loạn
o gia tốc theo phương tác động 
của điện trường ngoài dưới tác 
động của lực qeEx
Chuyển động thực có hướng ngược 
chiều điện trường ⇒ tạo thành dòng 
điện

 Do điện tử chuyển động nhanh dần đều trong khoảng thời gian tự do trung bình
giữa hai lần va chạm τ, nên quan hệ giữa lực tác động lên điện tử và vận tốc của
điện tử là:
[ ] xe
e
xe
xNxxdx E
m
Eq
vvv
N
v µτ ==+++= ...1 21
: độ linh động điện tử-cm2/V.s (đặc trưng cho mức độ dịch 
chuyển của điện tử dưới tác động của điện trường ngoài) e
e
e
m
q τµ =
dxex vnqJ =
⇒ Mật độ dòng điện tỉ lệ thuận 
với điện trường ngoàixeedxex
EnqvnqJ µ==⇒
Mà:
xe
dx
eeee Eq
v
mamF ===
τ

 Vận tốc dịch chuyển trung bình của điện tử theo phương x
Với:
2. Dẫn điện ion (xảy ra trong dung dịch điện phân)

 Sự dịch chuyển của các ion dưới tác dụng của điện trường ⇒ tạo 
ra dòng điện

 Nồng độ chất điện phân trong dung dịch sẽ giảm dần 
( )Eqnqn
vqnvqnJ
−−−+++
−−−+++
+=
+=⇒
µµ
Mật độ dòng điện:
Phản ứng oxi hóa tại cực 
dương tạo khí bay lên
Conduction in 
Electrolyte sollution
Phản ứng khử tại cực 
âm tạo Natri nguyên tử 
tích tụ
Các tính chất cơ bản

 Độ dẫn điện và điện trở suất

 Hệ số nhiệt của điện trở suất

 Độ dẫn nhiệt

 Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt điện động 

 Giới hạn bền kéo và độ dãn dài tương đối
1. Độ dẫn điện và điện trở suất

 Độ dẫn điện đặc trưng cho khả năng dẫn điện của vật liệu (σ, Sm-1)

 Điện trở suất đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của vật liệu 
(ρ, Ωm)
o Bản chất vật lý của điện trở suất: là sự va chạm của các điện tử 
tự do với ion dương dao động nhiệt tại nút mạng tinh thể
o Phụ thuộc nhiệt độ

 Độ dẫn điện và điện trở suất phụ thuộc vào bản chất của vật liệu
I
VR
l
AR === ;;1 ρ
ρ
σ
R: đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của 
một khối vật liệu có hình dạng xác định 

 Điện trở suất của kim loại phụ thuộc nhiệt độ: nhiệt độ tăng ⇒
dao động nhiệt của các ion dương tăng ⇒ tăng xác suất va chạm 
⇒ tăng điện trở suất
Đồng
TR ρρρ +=
ρR: điện trở suất 
dư, phụ thuộc 
rất ít vào nhiệt 
độ
ρT: điện trở suất 
nhiệt phụ thuộc 
vào dao động 
nhiệt của hạt 
nhân nguyên tử

 Gần đúng xem như điện trở suất tăng tuyến tính với nhiệt độ 
BAT +≈ρ

 Hệ số nhiệt của điện 
trở suất: đặc trưng cho 
khả năng thay đổi điện 
trở suất khi nhiệt độ 
tăng 1 độ 




∆
∆
≈
To
o
ρ
ρ
α
1
oO
TTT −=∆
−≈∆ ρρρ
To = 0oC hoặc 20oC
( )[ ]ooo TT −+= αρρ 1 αo = hằng số trong khoảng từ To đến T do 
∆ρ/∆T là hằng số
2. Độ dẫn nhiệt

 Nhiệt được truyền từ bên 
nóng sang bên lạnh nhờ vào 
các điện tử tự to

 Bên nóng, dao động của ion 
dương tăng ⇒ tăng động năng 
các điện tử tự do bằng va 
chạm ⇒ điện tử năng lượng

 Chuyển động hỗn loạn của 
điện tử năng lượng tăng ⇒
tăng năng lượng truyền cho 
ion dương ở bên lạnh bằng va 
chạm ⇒ dao động mạnh hơn 
(tăng nhiệt)
a. Bản chất vật lý 

 Độ dẫn nhiệt đặc trưng cho khả năng truyền tải nhiệt của vật liệu 
( λ, W/m.K)

 Công suất nhiệt Q truyền qua mặt cắt có tiết diện A theo phương x 
của vật liệu có độ dẫn nhiệt λ

 Q tỉ lệ thuận với λ
dA
dx
dTdq λ=dq
dT
dx
b. Công suất truyền nhiệt 

 Độ dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ 

 Định luật Weidemann - Franz- Lorenz: 
- Tỉ số λ/σ tại một giá nhiệt độ là bằng nhau đối với mọi kim loại 
- Tỉ số λ/σ tỉ lệ thuận với nhiệt độ và với một hằng số gần bằng nhau 
đối với mọi kim loại
WFLCT ×=σ
λ
Trong đó: 
28
2
22
1044.2
3
−− Ω×≈= KW
q
kC
e
B
WFL
pi
Hằng số Boltzmann (1.38×10-23 JK-1)
Hằng số Lorenz
3. Giới hạn bền kéo và độ dãn dài tương đối

 Là một trong những tính chất cơ học của kim loại

 Độ bền kéo là giới hạn lớn nhất của ứng suất kéo làm đứt vật liệu

 Ứng suất kéo là trạng thái ứng suất khi vật liệu chịu tác động kéo 
căng theo hướng trục
)/( 2mmN
A
F
kk δσ ≤=
a. Độ bền kéo (δk) 
Ngã cột
điện do bão

 Tác động lực ⇒ dây đồng bị dãn 
đồng thời ứng suất kéo thay đổi 
(đồ thị σk- ∆l/l)

 Độ dãn dài tương đối: ∆l/l

 Dây đồng được sản xuất bằng 02 
phương pháp:
o Kéo nguội sẽ tăng độ bền 
kéo nhưng giảm độ dãn dài
o Kéo sau khi đốt nóng và ủ sẽ 
giảm độ bền kéo nhưng tăng 
độ dãn dài tương đối
σk
∆l/l
PP kéo nguội
PP kéo sau khi đốt 
nóng và ủ
b. Độ dãn dài 
Hiện tượng nhiệt điện

 Hai kim loại khác nhau được 
hàn nối một đầu với nhau 
trong khi đầu còn lại để hở

 Nhiệt độ đầu hàn T1

 Nhiệt độ đầu hở T2 bằng với 
nhiệt độ môi trường

 Xuất hiện điện thế có giá trị 
mV giữa hai kim loại tại đầu 
hở

 Ứng dụng: làm cặp nhiệt 
ngẫu để đo nhiệt độ trong 
công nghiệp (loại E, J, K)
( )
oB
oA
n
nTT
e
KU ln21 −=
Nồng độ 
điện tử 
trong kim 
loại A, B
Vật liệu có điện dẫn cao
1. Đồng

 Đồng được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành kỹ thuật điện để làm 
vật dẫn điện

 Kim loại màu nâu đỏ

 Độ dẫn điện cao (điện trở suất nhỏ: 0.0172 Ωmm2/m)

 Độ bền cơ tương đối cao

 Bền vững hóa học (ít bị ôxy hóa ở nhiệt độ thường, ôxy hóa 
mạnh ở nhiệt độ cao)

 Dễ gia công cơ khí: cán, kéo

 Dễ hàn nối

 Ứng dụng: làm dây dẫn điện, lõi của cáp điện lực, dây quấn máy 
điện
Quặng đồng Phôi đồng
Thành phẩm
2. Hợp kim của đồng

 Có 2 loại: đồng thau và đồng thanh

 Đồng thau là hợp kim của đồng với kẽm

 Đồng thanh là hợp kim của đồng với kim loại khác ngoại trừ kẽm 
(Al, Sn, Cd, P)

 Đồng thau và đồng thanh có điện trở suất cao hơn đồng tinh khiết 
và độ bền cơ cao hơn (độ bền kéo)

 Ứng dụng: làm lò xo dẫn điện, các bộ phận tiếp xúc điện, các chi 
tiết dẫn điện
3. Nhôm

 Nhôm (ρ = 0.028 Ωmm2/m) là vật liệu quan trọng thứ hai để làm vật 
dẫn điện sau đồng

 Độ dẫn điện thấp hơn đồng (1.63 lần), độ bền cơ thấp hơn đồng

 Khối lượng riêng thấp hơn đồng (3.5 lần), giá thành rẽ hơn đồng

 Khi truyền tải cùng dung lượng (cùng cấp điện áp), dây nhôm phải có 
tiết diện lớn hơn dây đồng 1.63 lần nhưng khối lượng dây nhôm chỉ 
bằng 50% của dây đồng ⇒làm dây truyền tải điện trên không và lõi 
cáp điện

 Dây nhôm lõi thép có đường kính lớn hơn dây đồng ⇒giảm phóng 
điện vầng quang

 Nhôm rất dễ bị ôxy hóa tạo lớp ôxit nhôm rất bền về mặt hóa học 
nhưng có điện trở suất lớn ⇒dẫn điện kém tại vị trí tiếp xúc giữa các 
dây nhôm ⇒nối dây bằng phương pháp hàn hoặc bằng thiết bị 
chuyên dụng

 Hợp kim của nhôm với magiê và silíc có cơ tính cao nhưng điện 
trở suất xấp xỉ nhôm tinh khiết
Quặng Bauxite Nhôm ôxít
Phôi nhôm
Dây điện bằng nhôm
4. Sắt (thép)

 Độ bền cơ cao

 Rẻ tiền và dễ kiếm

 Độ dẫn điện thấp (∼15% độ dẫn điện của đồng)

 Điện trở suất của sắt khá lớn: 0.1 Ωmm2/m

 Thép cacbon có điện trở suất lớn hơn nhiều

 Dòng điện xoay chiều trong thép gây ra hiệu ứng bề mặt đáng kể

 Ngoài tổn thất do điện trở, dòng điện xoay chiều trong thép còn 
gây ra tổn thất từ trễ

 Khả năng chống ăn mòn kém, dễ bị ôxy hóa

 Ứng dụng: làm dây tải điện trên không có công suất tương đối 
nhỏ, đường ray tải điện cho tàu điện mặt đất hoặc tàu điện ngầm, 
vật liệu kết cấu
Vật liệu có điện trở suất cao
1. Manganin

 Hợp kim của đồng với Mangan và Ni (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni)

 Điện trở suất cao hơn đồng (ρ = 0.42-0.48 Ωmm2/m )

 Hệ số nhiệt điện trở nhỏ ⇒ điện trở suất ít phụ thuộc vào nhiệt độ

 Điện trở suất có độ ổn định cao trong thời gian dài

 Ứng dụng: làm điện trở mẫu, điện trở shunt trong các dụng cụ đo 
điện
2. Constantan

 Hợp kim của đồng với niken (60% Cu, 40% Ni)

 Hệ số nhiệt điện trở nhỏ (xấp xỉ Manganin)

 Điện trở suất xấp xỉ Manganin

 Điện trở suất không thay đổi trong khoảng nhiệt độ lớn hơn Manganin

 Chịu được nhiệt độ 400-450oC

 Ứng dụng: làm dây biến trở, dụng cụ đốt nóng bằng điện, cặp nhiệt 
điện
3. Hợp kim Nichrome

 Hợp kim của niken với chrome (80% Ni, 20%Cr)

 Điện trở suất cao (ρ = 1-1.2 Ωmm2/m )

 Nhiệt độ nóng chảy cao (1400oC)

 Khả năng chống ôxy hóa tốt tại nhiệt độ cao

 Ứng dụng: làm dụng cụ đốt nóng bằng điện: máy sấy tóc, lò điện, bếp 
điện, mỏ hàn
Các kim loại và vật liệu khác
1. Vonfram

 Khối lượng riêng lớn

 Độ cứng cao, giòn và dễ gẫy

 Nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong kim loại (>2000oC)

 Ôxy hóa mạnh ở nhiệt độ vài trăm độ

 Ứng dụng: làm tiếp điểm, dây tóc bóng đèn
2. Chì

 Kim loại màu xám

 Mềm, dẽo, độ bền cơ thấp

 Nhiệt độ nóng chảy thấp

 Điện trở suất cao (0.21 Ωmm2/m)

 Khả năng chống ăn mòn cao

 Bền vững hóa học

 Chì và hợp kim của chì rất độc đối với con người

 Ứng dụng: làm vỏ bọc cáp điện để chống ẩm, dây chảy, phiến chì 
của ắc quy, màn hấp thụ tia X
3. Kẽm

 Kim loại màu sáng

 Giòn ở nhiệt độ bình thường

 Nhiệt độ nóng chảy thấp

 Kẽm tinh khiết dễ dàng phản ứng với CO2 tạo nên lớp zinc carbonate rất 
bền vững hóa học

 Khả năng điện hóa cao hơn thép

 Ứng dụng: làm lớp mạ bảo vệ thép kết cấu
Kẽm chưa bị oxy hóa Kẽm bị oxy hóa ! ⇒ tạo oxít kẽm
4. Than kỹ thuật điện

 Điện trở suất cao hơn đồng (15-50 Ωmm2/m)

 Sản xuất từ than chì hay than gầy

 Ứng dụng: chổi quét các máy điện, điện cực các lò điện, các bể 
điện phân, cực dương của pin
Than chì
Chổi than
Điện cực 
than
CÂU HỎI THẢO LUẬN
1. Thiết kế loại vật liệu dẫn điện mới có ưu điểm của đồng và nhôm 
(sử dụng các thành quả công nghệ sẵn có - thảo luận nhóm)