zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 4 - Phạm Thành Chung

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Báo xấu

17
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 4 - Phạm Thành Chung" được biên soạn nhằm giúp các em sinh viên trình bày được một số khái niệm cơ bản về vật liệu từ; Nắm được tính chất từ của nguyên tử; Phân loại được vật liệu từ; Tìm hiểu về hiệu ứng Kelvin (Hiệu ứng bề mặt). Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 4 - Phạm Thành Chung

Chương 4. Vật liệu từ 1. Một số khái niệm cơ bản 1.1. Các đơn vị cơ bản • Khi một vật liệu đặt trong từ trường ngoài, nó đáp ứng với từ trường ngoài này bằng cách sinh ra một từ trường được gọi là độ từ hóa hay từ độ (magnetisation) M. • Cường độ của từ trường ngoài được ký hiệu là H. • Cảm ứng từ B (magnetic induction) hay còn gọi là mật độ từ thông (magnetic flux density) là tổng thông lượng từ trường tạo bởi từ trường ngoài H và độ từ hóa M của vật liệu. (hệ đơn vị S.I- toàn TG) Với μ là độ từ thẩm của vật liệu còn μ0 là độ từ thẩm của chân không =4π.10-7 H.m-1. Trong hệ cgs (hay còn gọi là hệ Gauss) được người Mỹ sử dụng • Độ từ cảm χ (magnetic susceptibility) đo mức độ từ hóa của vật liệu theo cường độ tác dụng của từ trường ngoài: 69
Chương 4. Vật liệu từ 1. Một số khái niệm cơ bản 1.1. Các đơn vị cơ bản Quan hệ giữa một số đại lượng trong hệ SI và hệ Gauss (cgs) 70
Chương 4. Vật liệu từ 1. Một số khái niệm cơ bản 1.2. Khái niệm lực Lorentz 71
(gt từ trường đều) 72
Chương 4. Vật liệu từ 1. Một số khái niệm cơ bản 1.2. Khái niệm lực Lorentz Đường sức từ trường là các đường cong mà tiếp tuyến của nó tại từng điểm chính là xác định hướng của từ trường B tại điểm đó. Đường sức từ trường trong một số trường hợp thường gặp: a- do một nam châm sinh ra; b- do một ống dây sinh ra; c- trong lõi thép máy biến áp; d- do dòng điện chạy trong một dây dẫn thẳng; e- do dòng điện chạy trong một vòng dây 73
Chương 4. Vật liệu từ 2. Tính chất từ của nguyên tử  Chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân và quanh trục của chính nó là nguyên nhân gây ra tính chất từ của vật liệu.  Nếu sự có mặt của điện tích là nguyên nhân gây ra điện trường thì sự chuyển động của điện tích (hay nói cách khác là dòng điện) là nguyên nhân gây ra từ trường Trạng thái năng lượng chiếm giữ bởi điện tử trong nguyên tử được đặc trưng bởi bốn số lượng tử: -Số lượng tử chính n với các giá trị 1, 2, 3 …xác định kích cỡ quỹ đạo (orbit) của điện tử và năng lượng của nó. - Số lượng tử orbital l (hay còn gọi là số lượng tử mômen góc quỹ đạo) mô tả mômen góc của chuyển động quỹ đạo. - Số lượng tử từ m mô tả thành phần của mômen góc quỹ đạo l theo một phương nhất định, còn gọi là phương lượng tử hóa. Đa số các trường hợp phương lượng tử hóa được chọn trùng với phương của trường ngoài. - Số lượng tử spin ms mô tả thành phần của spin điện tử theo một phương nhất định, thông thường là phương của trường đặt vào. 74
Chương 4. Vật liệu từ 3. Phân loại vật liệu từ Tổng của mômen từ quỹ đạo mo và mô men từ spin ms trong nguyên tử chính là mô men từ của nguyên tử mi. mi=mo+ms Tùy theo trị số của mô men từ nguyên tử mà người ta chia vật liệu từ thành các loại khác nhau: Ferromagnetic: vật liệu sắt từ Antiferromagnetic: vật liệu phản sắt từ Paramagnetic: Vật liệu thuận từ Diamagnetic: Vật liệu nghịch từ 75
Chương 4. Vật liệu từ 3. Phân loại vật liệu từ 76
Chương 4. Vật liệu từ 3.1. Vật liệu thuận từ (Paramagnetic) Thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính). Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là các chất này có mômen từ nguyên tử (nhưng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên. Các lớp e không được lấp đầy -> mô men từ quỹ đạo Σmo=0 Σmi≠0 Không tồn tại các cặp e có spin trái dấu -> mô men spin Σms≠0 Σmi = Σmo+ Σms ≠0 Ví dụ: Al, Mn… 77
Chương 4. Vật liệu từ 3.2. Vật liệu nghịch từ (Diamagnetic) Các chất nghịch từ là các chất không có mômen từ (tổng vecto từ quỹ đạo và từ spin của toàn bộ điện tử bằng 0 khi không có từ trường ngoài). Khi đặt vào từ trường ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài theo xu hướng cảm ứng điện từ (hiệu ứng vật lý lượng tử) Đa số vật liệu nghịch từ rất nhỏ và khó phá hiện. Các lớp e luôn được lấp đầy -> mô men từ quỹ đạo Σmo≠0 Luôn tồn tại các cặp e có spin trái dấu -> mô men spin Σms=0 Σmi = Σmo+ Σms ≠0 Ví dụ: Cu, Ag, Zn… 78 Đẩy bất kỳ nam chậm nào lại gần
Chương 4. Vật liệu từ 3.3. Vật liệu sắt từ (Ferromagnetic) Sắt từ là một trong những vật liệu được sử dụng sớm nhất trong lịch sử loài người, với việc sử dụng các đá nam châm làm la bàn hoặc làm các vật dụng hút sắt thép (thực chất đó là các quặng Fe3O4) từ hơn 2000 năm trước (mà xuất phát là từ Trung Hoa và Hy Lạp cổ đại). - Sắt từ là các chất có từ độ M rất mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh (độ thẩm từ µ>>1 dưới tác dụng của từ trường ngoài H. - Có khả năng lưu giữ từ tính s - Các chất sắt từ có hành vi gần giống với các chất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài. - Một số e không ghép đôi nên nguyên tử của chúng tồn tại mômen từ. Khác với vật liệu thuận và nghịch từ Trong VLST có sự tương tác mạnh mẽ giữa các mômen từ của các nguyên tử liền kề. Sự tương tác này là do lực qua lại của các e giữa các nguyên tử. Độ lớn của lực qua lại này rất lớn tương đương với từ trường 1000 Tesla (gấp 100 triệu lần từ trường trái đất (có độ lớn cỡ 50μT)). 79
Chương 4. Vật liệu từ 3.3. Vật liệu sắt từ (Ferromagnetic)  Ở nhiệt độ thấp sự tương tác giữa các mô men từ cạnh nhau đủ lớn để vượt quá chuyển động nhiệt của các mô men từ, dẫn đến kết quả là mô men từ không sắp xếp một cách hỗn loạn mà song song với nhau, hay ta nói trong vật liệu sắt từ có hiện Phân bố mô men từ tượng từ hóa tự nhiên. Do đó đôi khi từ độ của vật liệu sắt từ trong một vùng từ hóa rất lớn ngay cả khi không có từ trường ngoài.  Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt tăng và từ độ giảm dần và bằng không ở nhiệt độ TC . Ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie, vật liệu sắt từ trở thành vật liệu thuận từ. Như vậy hai đặc tính quan trọng nhất của vật Phụ thuộc của từ độ và nghịch đảo độ từ liệu sắt từ là hiện tượng từ hóa tự nhiên và cảm theo nhiệt độ trong vật liệu sắt từ nhiệt độ Curie. Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào nhiệt độ được gọi là định luật Curie (Curie law) và được biểu diễn bởi phương trình: C là hằng số Curie còn T là nhiệt độ và nhiệt độ chuyển pha TC (hay nhiệt độ Curie) 80
Chương 4. Vật liệu từ A. Hiện tượng từ hóa tự nhiên và bão hòa từ Hiện tượng này là trong vật liệu tồn tại M rất lớn khi từ trường ngoài H =0 Độ lớn của từ độ ở 0oK phụ thuộc vào mô men từ spin của điện tử. Hiện tượng bão hòa từ là khi đặt vật liệu vào trong từ trường ngoài độ lớn mô men từ của vật liệu là lớn nhất, dù từ trường đặt vào tăng cũng không làm tăng thêm độ lớn của mô men từ. Phân bố mô men từ trong một vùng từ hóa và đường cong từ hóa trong vật liệu sắt từ Sự khác nhau giữa hai hiện tượng từ hóa tự nhiên và bão hòa từ là do cấu trúc của vùng từ hóa (magnetic domain). Theo lý thuyết về cấu trúc vùng từ hóa, tương tác giữa các mô men nguyên tử liền kề không xảy ra trong toàn bộ thể tích vật liệu mà nó chỉ xảy ra ở những thể tích nhỏ cỡ từ 1÷100 μm (nhưng vẫn lớn hơn nhiều khoảng cách giữa các nguyên tử), thể tích này được gọi là một vùng từ hóa. Trong mỗi vùng chứa từ 1012 ÷ 1015 nguyên tử với các mômen từ sắp xếp song song với nhau. 81
Sự chuyển hướng 180o của các mô men từ trong vách ngăn Bloch giữa hai vùng từ hóa tự nhiên Các vùng ngăn cách với nhau bởi các đường biên (bounderies) còn gọi là vách ngăn Bloch (Bloch wall). Vách ngăn Bloch là một vùng hẹp trong đó có sự chuyển hướng dần dần các mô men từ nguyên tử từ 0 ÷180o.  Khi chưa bị nhiễm từ (hay chưa đặt trong từ trường ngoài), các mô men từ trong các vùng phân bố theo các hướng một cách ngẫu nhiên, do đó từ độ tổng cộng của cả vật liệu là bằng không. Khi đặt vật liệu trong từ trường, mô men từ của các miền sẽ được định hướng lại theo chiều của từ trường ngoài do đó sinh ra từ trường rất lớn bên trong bản thân vật liệu. Sự định hướng lại này có thể diễn ra theo hai cách: - Hoặc làm tăng thể tích của vùng từ hóa có mô men song song với từ trường ngoài - Hoặc làm xoay mô men của tất cả các vùng theo hướng của từ trường ngoài. Hiện tượng bão hòa từ xảy ra khi mô men từ của tất cả các miền định hướng song song với nhau và theo hướng của từ trường ngoài. 82
B. Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ Một đặc tính quan trọng nữa của vật liệu sắt là khả năng giữ lại từ tính sau khi bỏ đi từ trường đặt vào, hay chính là hiện tượng từ trễ. Đường cong từ trễ là quan hệ giữa cảm ứng từ B và cường độ từ trường ngoài H khi H thay đổi. •Đối với vật liệu chưa hề bị nhiễm từ, khi tăng dần từ trường ngoài đặt vào trị số của cảm ứng từ sẽ tăng dần theo đường đứt nét đứt. •Khi hầu hết các mô men từ trong các vùng từ hóa được định hướng song song với từ trường ngoài, dù từ trường ngoài có tiếp tục tăng thì trị số của cảm ứng từ B cũng tăng ít và đạt tới giá trị Bs bão hòa khi tất cả các mô men từ song song với nhau và với từ trường ngoài (điểm a). •Sau đó khi ta giảm trị số từ trường ngoài H về 0 thì giá trị của B không giảm về 0 mà chỉ giảm nhẹ so với Bs để đạt giá trị Br tại điểm b, còn gọi là cảm ứng từ dư. •Điểm b này tương ứng với mức độ từ hóa còn dư trong vật liệu sau khi loại bỏ từ trường ngoài ( tại thời điểm này một số vùng từ hóa vẫn còn song song với từ trường ngoài trong khi một số vùng khác đã mất đi trật tự song song có được khi vẫn còn từ trường ngoài) •Khi lực từ của từ trường ngoài đổi hướng, giá trị cảm ứng từ sẽ giảm về 0 tại vị trí c ứng với trị số lực từ là–Hc hay còn gọi là lực kháng từ. Đó là lực từ cần thiết để loại bỏ hoàn toàn cảm ứng từ còn dư trong vật liệu. Tiếp tục giảm trị số của từ trường ngoài, ta sẽ đạt tới trị số bão hòa –Bs tại điểm d, sau đó đổi dấu của từ trường ngoài đường cong sẽ đi qua e, f và trở về a để kết thúc một vòng từ trễ (hysteresis loop). 83
B. Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ Từ vòng từ trễ ta xác định được các đặc tính quan trọng của vật liệu sắt từ, bao gồm:  Cảm ứng từ dư là mật độ từ thông còn sót lại tương ứng với cảm ứng từ bão hòa của một vật liệu từ. Hay nói cách khác nó là khả năng giữ lại một lượng từ trường sau khi đã đạt được trị số cảm ứng từ bão hòa và bỏ đi từ trường ngoài đặt vào  Từ tính dư hay từ thông dư là mật độ từ thông còn sót lại trong vật liệu sau khi bỏ đi từ trường ngoài. Chú ý là từ tính dư khác với cảm ứng từ dư ở chỗ từ trường ngoài được bỏ đi ngay cả khi cảm ứng từ chưa đạt tới trị số bão hòa. Do đó, từ tính dư có thể nhỏ hơn cảm ứng từ dư và chỉ bằng khi vật liệu đã được từ hóa tới trị số bão hòa  Lực kháng từ là trị số từ trường ngoài ngược hướng đặt vào để đưa giá trị từ thông dư về 0.  Độ từ thẩm đặc trưng cho khả năng dễ hình thành từ thông trong một vật liệu.  Từ trở là khả năng chống lại sự hình thành từ thông trong vật liệu, nó giống như điện trở trong mạch điện. 84
Chương 4. Vật liệu từ C. Phân loại vật liệu sắt từ Từ mềm (soft magnetic material) - Dễ dàng nhiễm từ và khử từ. - Lực kháng từ nhỏ hơn 1000 A/m. - Chúng được sử dụng để tăng cường hoặc trung chuyển từ thông sinh bởi dòng điện. - Ứng dụng nhiều nhất của vật liệu từ mềm là trong lĩnh vực phát dẫn điện, vật liệu từ sử dụng trong lõi từ của máy biến áp và động cơ Từ cứng (hard magnetic material) điện. - Khó nhiễm từ và khó khử từ. Hc >10kA/m - Do loại vật liệu này có vòng từ trễ nhỏ nên tổn - Có khả năng lưu lại từ tính sau khi bị nhiễm từ hao tiêu tán trên trong một vòng từ trễ nhỏ. - Tổn hao vòng từ trễ lớn. -Ứng dụng ở điện áp một - Ứng dụng của loại vật liệu này là nam châm chiều có thể kể đến nam vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi trong động cơ, châm điện dùng để nâng máy phát điện, loa, các thiết bị đo lường, các các vật thể bằng thép hay thiết bị ghi dữ liệu từ… màng ngăn từ. 85
Chương 4. Vật liệu từ 3.4. Vật liệu phản sắt từ (Antiferromagnetic) Vật liệu phản sắt từ có cấu trúc gần giống như vật liệu sắt từ, tuy nhiên khi không có từ trường ngoài tương tác qua lại giữa các vùng từ hóa dẫn tới việc định hướng các mô men từ ngược nhau sao cho mô men tổng cộng của vật liệu bằng 0. Ta có thể tưởng tượng như trong tinh thể của vật liệu phản sắt từ có hai họ vùng từ hóa A và B với các mô men từ tương ứng lần lượt là mA và mB song song và ngược hướng với nhau (có spin đối song song với nhau). Số lượng vùng A bằng với số lượng vùng B, dẫn đến mA=mB và do đó từ độ tự phát bằng 0. Khi đặt trong từ trường ngoài vật liệu phản sắt từ cư xử giống như vật liệu thuận từ. Giống như vật liệu sắt từ, vật liệu phản sắt từ trở thành vật liệu thuận từ ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ chuyển pha hay còn gọi là nhiệt độ Néel TN (đặt theo tên nhà vật lý người Pháp Louis Néel) Ví dụ Cr có TN=310oK và độ từ cảm Phân bố mô men từ trong một vùng từ hóa 86 và đường cong từ hóa trong vật phản sắt từ
Vật liệu từ 3.5. Thép hợp kim vô định hình Đặc tính Kim loại vô định hình hay thủy tinh kim loại là một hợp kim có cấu trúc vô định hình. Hầu hết kim loại đều có cấu trúc định hình, với các nguyên tử bố trí rất chặt chẽ. Kim loại vô định hình có cấu trúc vô định hình giống như chất lỏng và thủy tinh. Nhưng không giống như thủy tinh thông thường không dẫn điện, kim loại vô định hình có độ dẫn điện tốt. Để tạo kim loại vô định hình có thể dùng các phương pháp: công nghệ nguội nhanh, ngưng tụ vật lý, phản ứng trạng thái rắn, chiếu xạ ion và hợp kim cơ khí. Loại vật liệu này có độ chống chịu gấp 3 lần và đàn hồi gấp 10 lần thép công nghiệp. Hơn nữa chúng còn có điểm nóng chảy thấp 87
Vật liệu từ 3.5. Thép hợp kim Vô định hình dùng cho Máy biến thế phân phối Ưu điểm Hiệu suất năng lượng và tiết kiệm năng lượng: MBA hiệu suât cao sử dụng thép hợp kim vô định hình góp phần làm giảm tổn hao điện năng trong mạng lưới điện phân phối vì máy có tổn hao không tải nhỏ (tương đương với tổn hao ở chế độ không tải) vào khoảng 1/3 tổn hao không tải của một máy biến áp sử dụng thép điện cán lạnh có định hướng (cold rolled grain oriented – CRGO). Máy cũng góp phần làm giảm khí thải CO2 trong quá trình sản xuất điện do máy sử dụng điện năng một cách hiệu quả. Kháng thời tiết và có độ bền, v.v…: Tương đương với máy biến áp sử dụng thép điện có định hướng cán lạnh (cold rolled grain oriented – CRGO). Chi phí ban đầu của máy biến áp sử dụng thép hợp kim vô định hình cao hơn so với máy biến áp thông thường sử dụng thép điện cán lạnh có định hướng, nhưng vì tổn hao điện năng thấp hơn, chi phí vận hành ít hơn và do đó về mặt chi phí vòng đời thì máy biến áp sử dụng thép hợp kim vô định hình rẻ hơn 1 nửa. 88

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2418 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.