Sách kỹ sư/Điện

Từ thời cổ đại người ta đã biết đến và nghiên cứu các hiện tượng điện, mặc dù lý thuyết về điện mới thực sự phát triển từ thế kỷ 17 và 18. Tuy thế, những ứng dụng của điện trong giai đoạn này vẫn còn ít cho đến cuối thế kỷ 19 với sự bùng nổ của ngành kỹ thuật điện đưa nó vào ứng dụng trong công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày. Sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật và công nghệ điện đã làm thay đổi nền công nghiệp chạy bằng hơi nước trước đó cũng như thay đổi xã hội loài người. Tính linh hoạt của điện cho phép con người có thể ứng dụng nó vào vô số lĩnh vực như giao thông, ứng dụng nhiệt, chiếu sáng, viễn thông, và máy tính điện tử. Năng lượng điện ngày nay trở thành xương sống trong mọi công nghệ hiện đại. Điện là tập hợp các hiện tượng vật lý đi kèm với sự có mặt và dịch chuyển của dòng điện tích. Trong các hiện tượng điện, các điện tích tạo ra trường điện từ mà trường này lại tác động đến các điện tích khác.

Điện nguồn

Điện được tạo ra từ nhiều nguồn Điện giải , Điện cực , Quang tuyến nhiệt điện , Biến điện AC ra điện DC , Máy phát điện AC

Điện giải

Điện giải là phản ứng hóa học giửa hai kim loại và axit tạo ra Điện . Điện giải tạo ra điện không đổi theo thời gian được gọi là Điện DC . Điện giải được dùng tao ra Bình ắc ki cung cấp Điện DC

Điện cực

Phản ứng hóa học giửa kim loại và axit tạo ra Điện . Điện cực tạo ra điện không đổi theo thời gian được gọi là Điện DC . Ứng dụng Điện cực được dùng tao ra Điện DC có điện 1.5 - 3.0 V

Quang tuyến nhiệt điện

Biến điện AC ra điện DC

Biến điện AC ra điện DC là một bộ phận điện tử có khả năng Biến điện AC ra điện DC . Với điện thế nhập điện AC có cường độ 120v 60Hz , cho điện thế xuất là điện DC có cường độ 10v, 5v ...

Máy phát điện AC

Điện AC được tạo ra từ máy phát điện AC có cấu tạo sau

Loại điện

Có 2 loại điện thông dụng bao gồm Điện DC và Điện AC . Điện DC thông thường được tìm thấy ở Pin, Ắc quy, Pin mặt trời có Điện thế khoảng 1.5 V đến 12 V được tạo ra từ nhiều nguồn phát điện như Điện giải , Điện cực , Quang tuyến nhiệt điện và Biến điện AC ra điện DC . Điện AC được tạo ra từ máy phát điện AC có Điện thế 120V - 60 Hz

Điện DC

Được tìm thấy ở Pin, Ắc quy, Pin mặt trời có Điện thế khoảng 1.5 V đến 12 V được tạo ra từ nhiều nguồn phát điện như .

Tính chất

Điện DC có điện thế không đổi theo thời gian

Ký hiệu
Công thức toán sau	$v(t)=V$

Công thức toán

Dòng điện	$I={\frac {Q}{t}}$
Điện lượng	$Q=It$
Điện thế	$V={\frac {W}{Q}}$
Năng lực	$W=QV$
Năng lượng	$P={\frac {W}{t}}={\frac {QV}{t}}=IV$

Điện AC

Điện AC được tạo ra từ máy phát điện AC có Điện thế 120V - 60 Hz

Tính chất

Điện AC hay Điện hai chiều có điện thế thay đổi theo thời gian của một sóng sin đều

Ký hiệu
Công thức toán	$v(t)=V\sin \omega t$

Công thức toán

Dòng điện	$i(t)={\frac {d}{dt}}Q(t)$
Điện lượng	$Q(t)=\int i(t)dt$
Điện thế	$v(t)={\frac {d}{dt}}{\frac {W(t)}{Q(t)}}$
Năng lực	$W(t)=\int v(t)[Q(t)dt]dt=\int v(t)i(t)dt$
Năng lượng	$U(t)={\frac {d}{dt}}W(t)={\frac {d}{dt}}\int v(t)i(t)dt$

Vật và điện

Mọi vật dẫn điện được chia thành 3 loại vật tùy theo khả năng dẫn điện của vật Dẫn điện , Bán dẩn điện và Cách điện

Dẫn điện

Mọi vật dể dẫn điện được tìm thấy từ các Kim loại như Đồng (Cu), Sắt (Fe) . Dẩn điện được dùng trong việc chế tạo các công cụ điện như Điện trở , Tụ điện , Cuộn từ .

Điện trở kháng

Mọi vật dẩn điện đều có Điện trở kháng tính bằng định luật Ohm

R={\frac {V}{I}}=\rho {\frac {l}{A}}

Điện dẩn

Mọi vật dẩn điện đều có Điện trở kháng tính bằng định luật Ohm

G={\frac {1}{R}}={\frac {I}{V}}={\frac {1}{\rho }}{\frac {1}{\frac {l}{A}}}=\sigma {\frac {A}{l}}

Độ dẫn điện của một số kim loại ở khoảng 27 °C:
Chất dẫn điện	Phân loại	σ in S/m
Bạc	Kim loại	61,39 · 10⁶
Đồng	Kim loại	≥ 58,0 · 10⁶
Vàng	Kim loại	44,0 · 10⁶
Nhôm	Kim loại	36,59 · 10⁶
Natri	Kim loại	21 · 10⁶
Wolfram	Kim loại	18,38 · 10⁶
Đồng thau (CuZn37)	Kim loại	≈ 15,5 · 10⁶
Sắt	Kim loại	10,02 · 10⁶
Crom	Kim loại	8,74 · 10⁶
Chì	Kim loại	4,69 · 10⁶
Titan (bei 273 K)	Kim loại	2,56 · 10⁶
Thép không gỉ (1.4301)	Kim loại	1,4 · 10⁶
Thủy ngân	Kim loại	1,04 · 10⁶
Gadolini	Kim loại	0,74 · 10⁶
Than chì (parallel zu Schichten)	Phi kim	3 · 10⁶
Polymer dẫn điện	–	10⁻¹¹ bis 10⁵
Germani	Bán dẫn	1,45
Silic, undotiert	Bán dẫn	252 · 10⁻⁶
Teluride	Bán dẫn	5 · 10⁻³
Nước biển	–	≈ 5
Nước máy	–	≈ 50 · 10⁻³
Nước tinh khiết	–	5 · 10⁻⁶

Điện trường

J=\sigma E

Bán dẫn điện

Mọi vật khó dẩn điện được tìm thấy từ các Á Kim như Silicon (Si), Germanium (Ge) . Bán dẩn điện được dùng trong việc chế tạo các công cụ điện như Điot , Trăng si tơ , FET

Vùng năng lượng trong chất bán dẫn

Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính, đó là:

Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.

Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:

Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện.
Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở độ không tuyệt đối (0K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt ( $k_{B}.T$ với $k_{B}$ là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:

R=R_{0}\exp \left({\frac {\Delta E_{g}}{2k_{B}T}}\right)

với: $R_{0}$ là hằng số, $\Delta E_{g}$ là độ rộng vùng cấm. Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng (quang-bán dẫn).

Bán dẫn pha tạp

Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống (viết tắt cho chữ tiếng Anh positive, nghĩa là dương). Khi đó, lỗ trống là hạt tải điện cơ bản (hay đá số), electron là hạt tải điện không cơ bản hay thiểu số).Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm - negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính. Khi đó, electron là hạt tải điện cơ bản (hay đá số), lỗ trống là hạt tải điện không cơ bản (hay thiểu số).

Chất bán dẫn không suy biến là chất có nồng độ hạt dẫn không cao, chất bán dẫn có nồng độ tạp chất lớn hơn 10²⁰ nguyên tử/cm³ được gọi là bán dẫn suy biến và có tính chất giống như kim loại vì vậy nó dẫn điện tốt, năng lượng của hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn suy biến không phụ thuộc vào nhiệt độ.

Có thể giải thích một cách đơn giản về bán dẫn pha tạp nhờ vào lý thuyết vùng năng lượng như sau . Khi pha tạp, sẽ xuất hiện các mức pha tạp nằm trong vùng cấm, chính các mức này khiến cho electron dễ dàng chuyển lên vùng dẫn hoặc lỗ trống dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị để tạo nên tính dẫn của vật liệu. Vì thế, chỉ cần pha tạp với hàm lượng rất nhỏ cũng làm thay đổi lớn tính chất dẫn điện của chất bán dẫn.

Cách điện

Mọi vật không dẫn điện được tìm thấy từ các Phi Kim . Sành, Sứ ...

Chất cách điện là các chất dẫn điện kém, có độ kháng điện rất lớn (khoảng 10⁶ - 10¹⁵ Ω m). 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.

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 khí (không khí, khí SF6).

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.