BÀI 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1. Vật dẫn điện và cách điện:

1.1.1. Khái niệm chất dẫn điện:

Trong vật lý và kỹ thuật điện, một chất dẫn điện là một đối tượng hoặc loại vật liệu đó cho phép dòng chảy của dòng điện qua nó theo một hoặc nhiều hướng.

Ví dụ, một dây điện là một dây dẫn điện có thể dẫn điện dọc theo chiều dài của nó.

Hình 1.1. Dây cáp kết nối làm từ vật liệu dẫn điện

Trong các kim loại như đồng hoặc nhôm, các hạt tích điện chuyển động là các electron.

Điện tích dương cũng có thể di động, chẳng hạn như chất điện li cực dương của một pin, hoặc các proton di động của điện li proton của một tế bào nhiên liệu. 

Chất cách điện là vật liệu không dẫn điện với ít điện tích di động tự do và chỉ hỗ trợ các dòng điện không đáng kể.

1.1.2. Khái niệm chất cách điện:

a. Khái niệm chất cách điện:

Chất cách điện là các chất dẫn điện kém, có điện trở suất rất lớn (khoảng 10⁶ - 10¹⁵ Ωm).

Các vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống, nhằm mục đích ngăn chặn sự tiếp xúc của dòng điện với người hoặc với các dòng điện khác.

Hình 1.2. Phip đồng làm từ vật liệu cách điện trong chế tạo mạch in.

Nhiều chất cách điện là các chất điện môi, tuy nhiên cũng có những môi trường cách điện không phải là chất điện môi (như chân không).

Các loại vật liệu cách điện gồm có: cách điện rắn (ví dụ: gỗ, nhựa, vỏ bọc dây diện), cách điện lỏng (ví dụ: dầu máy biến áp), cách điện khí (không khí, khí SF6).

b. Đặc trưng của chất cách điện:

Đối với các chất cách điện là chất điện môi, các đặc trưng như điện trở suất, độ thẩm điện môi (hằng số điện môi), tổn hao điện môi,độ bền điện môi (điện áp đánh thủng cách điện) được quan tâm khi chế tạo các thiết bị cách điện.

Yếu tố quan trọng để đánh giá một vật liệu cách điện là cường độ điện trường đánh thủng.

Khi cường độ điện trường đặt lên vật liệu vượt quá giá trị cho phép thì sẽ xuất hiện sự phóng điện (quá điện áp), phá hủy vật liệu và vật liệu mất đi đặc tính cách điện vốn có.

Cường độ điện trường đánh thủng cũng là yếu tố quan trọng nhất để lựa chọn cách điện cho các ứng dụng.

Các nghiên cứu để chế tạo các loại vật liệu cách điện có khả năng chịu được điện trường ngày càng cao được chú ý, để cho phép giảm kích thước của các thiết bị điện.

1.2. Các hạt mang điện và dòng điện trong môi trường:

1.2.1. Dòng điện trong kim loại:

- Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron ngược chiều điện trường.

- Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ:

ρ = ρo[1 + α(t – to)].

α: hệ số nhiệt điện trở (K^-1)

ρ_o : điện trở suất của vật liệu tại nhiệt độ t⁰

- Suất điện động của cặp nhiệt điện:E = αT(T₁ – T₂).

Trong đó T₁ – T₂  là hiệu nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh;αT  là hệ số nhiệt điện động.

- Hiện tượng siêu dẫn: Là hiện tượng điện trở suất của vật liệu giảm đột ngột xuống bằng 0 khi khi nhiệt độ của vật liệu giảm xuống thấp hơn một giá trị T_c nhất định. Giá trị này phụ thuộc vào bản thân vật liệu.

1.2.2. Dòng điện trong chất điện phân:

Trong dung dịch, các axit, ba zơ, muối bị phân li thành ion.

Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion trong điện trường theo hai hướng ngược nhau.

Hiện tượng gốc axit trong dung dịch điện phân tác dụng với cực dương tạo thành chất điện phân tan trong dung dịch và cực dương bị mòn đi gọi là hiện tượng dương cực tan.

Nội dung các định luật Faraday:

+ Định luật 1: Khôi lượng chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó.

m = k.q

+ Định luật 2: Đương lượng hóa học của nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam A/n của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là 1/F trong đó F gọi là số Faraday.

Biểu thức kết hợp nội dung hai định luật:

1.2.3. Dòng điện trong chất khí:

Trong điều kiện thường thì chất khí không dẫn điện. Chất khí chỉ dẫn điện khi trong lòng nó có sự ion hóa các phân tử.

Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương, ion âm và các electron do chất khí bị ion hóa sinh ra.

Khi dùng nguồn điện gây hiệu điện thế lớn thì xuất hiện hiện tượng nhân hạt tải điện trong lòng chất khí.

Quá trình phóng điện vẫn tiếp tục được quy trì khi không còn tác nhân ion hóa chất khí từ bên ngoài gọi là quá trình phóng điện tự lực.

Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực hình thành dòng điện qua chất khí có thể giữ được nhiệt độ cao của catod để nó phát được eletron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử.

1.2.3. Dòng điện trong chân không:

Là dòng chuyển động ngược chiều điện trường của các electron bứt ra từ điện cực.

Diot chân không chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều, nó gọi là đặc tính chỉnh lưu.

Dòng electron được tăng tốc và đổi hướng bằng điện trường và từ trường và nó được ứng dụng ở đèn hình tia catot (CRT).

1.2.4. Dòng điện trong chất bán dẫn:

Một số chất ở phân nhóm chính nhóm 4 như Si, Ge trong những điều kiện khác nhau có thể dẫn điện hoặc không dẫn điện, gọi là bán dẫn.

Bán dẫn dẫn điện hằng hai loại hạt tải là electron và lỗ trống.

Ở bán dẫn tinh khiết, mật độ electron bằng mật độ lỗ trống. Ở bán dẫn loại p, mật độ lỗ trống rất lớn hơn mật độ electron.

Ở bán dẫn loại n, mật độ electron rất lớn hơn mật độ lỗ trống.

Lớp tiếp xúc n – p có đặc điểm cho dòng điện đi theo một chiều từ p sang n. Đây gọi là đặc tính chỉnh lưu.

Đặc tính này được dùng để chế tạo diot bán dẫn. Bán dẫn còn được dùng chế tạo transistor có đặc tính khuyếch đại dòng điện.

1.2.5. Các đại lượng và định luật cơ bản:

1.1.1. Dòng điện:

Một dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện, chính là dòng chuyển dời của các electron qua các dây dẫn và các linh kiện điện tử.

Một ví dụ đơn giản nhất để bạn có thể hình dung sự chuyển dời của các electron này tương tự quá trình chảy của một dòng nước thông qua các ống dẫn nước.

Nước là quá trình chuyển dời của các phân tử nước trong các ống dẫn nước dưới tác động của máy bơm nước thì dòng điện chuyển dời trong các dây dẫn được thực hiện dưới tác động của nguồn pin.

Như đã biết các hạt đồng dấu thì đẩy nhau, các hạt trái dấu thì hút nhau.

Cụ thể các hạt mang điện tích cùng dương hoặc cùng âm sẽ đẩy nhau còn các hạt mang điện tích trái dấu thì hấp dẫn lẫn nhau.

Chính nhờ lý do đó, một nguồn pin sẽ có hai cực.

Cực âm sẽ đẩy các electron đi vào trong dây dẫn và cực dương sẽ hút các electron về phía nó.

Do đó, nếu tạo thành một vòng kín, thì các electron sẽ chuyển dời theo một hướng xác định và đó chính là dòng điện.

      Dòng điện này có chiều không đổi nên được gọi là dòng một chiều.

      Trong trường hợp, hai cực của nguồn pin tuần tự đổi cực tính từ dương sang âm và từ âm sang dương thì lúc này dòng điện trong dây dẫn cũng lần lượt đổi chiều tương ứng với sự đổi cực của các điện cực. Dòng điện này chính là dòng xoay chiều.

1.1.2. Điện áp (hay hiệu điện thế):

Điện áp hay hiệu điện thế là giá trị chênh lệch điện thế giữa hai điểm.

Cũng tương tự như dòng điện, điện áp có 2 loại điện áp một chiều và điện áp xoay chiều.

Điện áp một chiều là sự chênh lệch điện thế giữa hai điểm mà tại đó sự chênh lệch điện thế tạo ra các dòng điện một chiều.

Điện áp xoay chiều tương ứng với trường hợp sự thay đổi liên tục về cực tính giữa hai điểm tương ứng và điều này chính là nguyên nhân tạo ra sự thay đổi chiều dòng điện và chúng ta có dòng điện xoay chiều.

  1.1.3. Các định luật cơ bản:

 a. Định luật Ohm

          Một trong các định luật cơ bản nhất trong điện học đó chính là định luật Ôm và nó được biểu diễn bởi công thức:

U=I.R

Trong đó:

     + U: là hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở đo bằng Vôn (ký hiệu V).

     + I: là cường độ dòng điện đi qua điện trở (đo bằng Ampe (ký hiệu A).

     + R: là điện trở lắp trong mạch (đo bằng Ôm, ký hiệu Ω).

b. Điện năng và công suất

*Điện năng

Khi dòng điện chạy qua các thiết bị như bóng đèn làm bóng đèn sáng, chạy qua động cơ  làm động cơ quay như vậy dòng điện đã sinh ra công.

Công của dòng điện gọi là điện năng, ký hiệu là W, trong thực tế ta thường dùng Wh, KWh ( Kilo wat giờ).

      Công thức tính điện năng là :

W = U.I.t

Trong đó:    W là điện năng tính bằng June (J)

                             U là điện áp tính bằng Vol (V)

                             I là dòng điện tính bằng Ampe (A)

                             t là thời gian tính bằng giây (s)

Công suất 

Công suất của dòng điện là điện năng tiêu thụ trong một giây, công suất được tính bởi công thức:

P = W / t = (U. I .t ) / t = U .I

Theo định luật ôm ta có P = U.I = U² / R = R.I²