Chuong 0 mo dau

Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương Mở Đầu
Chương Mở Đầu:

NHỮNG HIỂU BIẾT CHUNG VỀ CẤU TẠO VẬT CHẤT

1. Cấu tạo nguyên tử.
Nguyên tử là phần tử cơ bản của vật chất. Theo mô hình Born thì nguyên tử được
cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử có điện tích âm chuyển động
trên các quĩ đạo bao quanh hạt nhân.
Khối lượng của điện tử khi nó ở trạng thái tĩnh hay chuyển động với vận tốc rất
nhỏ so với vận tốc ánh sáng có trị số bằng m = 9,1.10 -31 kg, trong khi đó khối lượng của
mỗi hạt trong nhân lớn gấp 1850 lần khối lượng của điện tử. Do đó, có thể cho rằng khối
lượng của nguyên tử được tập ở hạt nhân.
Bình thường nguyên tử ở trạng thái trung hoà về điện: số điện tích dương bằng số
điện tích âm của các điện tử trong nguyên tử. Nhưng vì nguyên nhân nào đó nguyên tử bị
mất đi một vài điện tử thì nó sẽ trở thành ion dương. Ngược lại, khi nguyên tử nhận thêm
điện tử nó sẽ trở thành ion âm.
Để có khái niệm về năng lượng của điện tử xét trường hợp đơn giản của nguyên tử
Hyđrô, nguyên tử này được cấu tạo từ một prôton và một điện tử.
Khi điện tử chuyển động trên quĩ đạo có bán kính r bao quanh hạt nhân thì nó sẽ
chịu lực hút của hạt nhân được xác định bởi:
q2
f1 = 2
r
Lực này sẽ cân bằng với lực ly tâm của chuyển động tròn:

mv 2
f2 =
r

Trong đó:
q2
v2 =
r.m

m _ khối lượng của điện tử.
v _ vận tốc dài của chuyển động tròn.
Từ đó sẽ xác định được động năng:
mv 2 q 2
T= =
2 2r

Do thế năng của điện tử có trị số:

q2
U =−
r

1

Nên năng lượng của điện tử sẽ bằng:
q2
W =U +T = −
2r
Biểu thức trên chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử đều tương ứng với một mức
năng lượng nhất định và để di chuyển nó tới quĩ đạo xa hơn phải cung cấp năng lượng
cho điện tử.
Sự kích thích và sự ion hoá:
Trong điều kiện bình thường các điện tử của nguyên tố nằm ở trạng thái có trật tự,
bắt đầu ở trạng thái mức năng lượng thấp nhất. Khi tác động lên nguyên tử bằng một tia
rơn gen thì các điện tử của nguyên tử sẽ hấp thụ một phần năng lượng ở trạng thái bình
thường. Hiện tượng này gọi là sự kích thích nguyên tử. Nhiều lần hoặc một lần kích thích
nguyên tử có thể đạt được trạng thái mà một vài điện tử ở trạng thái khi n=∝ và nó bứt
khỏi lực hút của hạt nhân. Trong trường hợp này ta nói rằng nguyên tử ở trạng thái ion
hoá.

2. Cấu tạo vật chất.
Vật chất được cấu tạo từ nguyên tử, phân tử hoặc ion theo các dạng liên kết sau
đây:
 Liên kết đồng hoá trị:
Liên kết đồng hoá trị được hình thành là nhờ các hạt nhân của nguyên tử là trung
tâm lực kéo của tất cả các điện tử. Các điện tử trở nên chung nhau và hình thành phân tử
của các nguyên tử.
Lấy cấu trúc của phân tử Clo làm ví dụ: phân tử này gồm hai nguyên tử Clo và
như đã biết mỗi nguyên tử Clo gồm 17 điện tử, trong đó 7 điện tử ở lớp ngoài cùng (điện
tử hoá trị). Hai nguyên tử này được liên kết bền vững với nhau bằng cách cùng sử dụng
chung hai điện tử:

Cl + Cl ⇒ Cl Cl

Lớp vỏ ngoài cùng mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của nguyên tử
kia.
Phân tử theo liên kết đồng hoá trị có thể là trung tính hoặc cực tính.
Phân tử Clo thuộc loại trung tính vì như trên hình trên . các trung tâm điện tích
dương và âm trùng nhau.
Axít Clohyđric (HCl) là ví dụ của phân tử cực t1nh. Các trung tâm điện tích dương
và âm cách nhau một khoảng cách là a và như vậy phân tử này được xem như một lưỡng
cực điện với moment lưỡng cực bằng 18aq
-18q +18q µo

a

 Liên kết ion:
Liên kết này được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và âm. Vật rắn có cấu
tạo ion được đặc trưng bởi tính chất khá bền vững về cơ học và nhiệt độ nóng chảy tương
đối cao. Ví dụ điển hình của tinh thể ion là muối Halogen của kim loại kềm.

2

Đặc điểm của liên kết này là hấp thu mạnh tia hồng ngoại. Ngoài ra ở nhiệt độ
thấp chúng là điện môi rất tốt, ngược lại ở nhiệt độ cao chúng có tính dẫn điện rất cao.
 Liên kết kim loại:
Dạng liên kết này cũng tạo nên tinh thể rắn. Kim loại được xem như là một hệ
thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do. Sức hút giữa các
ion dương và điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại.
Sự tồn tại của các điện tử tự do làm cho kim loại có tính óng ánh và tính dẫn điện,
dẫn nhiệt cao.
 Liên kết vandecvanx:
Liên kết này được quan sát thấy giữa các phân tử của một số chất như parafin có
nhiệt độ nóng chảy thấp. Điều đó chứng tỏ rằng dạng liên kết này là dạng liên kết yếu,
cấu trúc mạng tinh thể không vững chắc.
 Liên kết Hyđrô:
Các ion dương của hyđrô là proton không có điện tử trên lớp vỏ, vì vậy kích thước
của nó rất nhỏ, gần bằng không. Liên kết hyđrô không mạnh, nó ở giới hạn (20 - 50
J/mol) và phân tử là điện môi.

3. Khuyết tật trong vật rắn.
Mạng tinh thể với trường tĩnh điện thay đổi theo chu kỳ là một biểu tượng về trật
tự của thế giới nguyên tử trong vật rắn.
Trên thực tế, tính chu kỳ của trường tĩnh điện mạng tinh thể thường bị phá huỷ do
sự tồn tại của các khuyết tật như lỗ xốp, vết rạn nứt, tạp chất lạ v.v… từ đó sẽ làm thay
đổi các đặc tính lý, hoá cơ và điện của vật liệu. Trong kỹ thuật người ta đã sử dụng tính
chất trên để chế tạo vật liệu có các thuộc tính đặc biệt.

4. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn.
Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại các nhóm
vật liệu dẫn điện, bán dẫn điện và cách điện.
Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí _ khi
các nguyên tử cách xa nhau _ chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi
những vạch quang phổ hoàn toàn xác định. Điều đó chứng tỏ rằng nguyên tử có những
mức năng lượng xác định.
Nguyên tử khi ở trạng thái bình thường sẽ có mức năng lượng tương ứng với mức
năng lượng của lớp điện tử hoá trị.
Khi điện tử hoá trị được cung cấp năng lượng đủ để di chuyển tới quĩ đạo xa hạt
nhân hơn thì nguyên tử sẽ ở trạng thái bị kích thích và có mức năng lượng cao hơn (mức
kích thích) và khi năng lượng cung cấp cho điện tử còn lớn hơn nữa nguyên tử sẽ bị ion
hoá và có mức năng lượng cao nhất.

W
Sau đây cho thấy sơ đồ phân bố Vùng rỗng, vùng tự do
vùng năng lượng của vật rắn ở nhiệt độ
tuyệt đối (0oK). Do không có năng lượng
của chuyển động nhiệt nên vùng năng
lượng bình thường của nguyên tử được gọi ∆W Vùng cấm
là vùng đầy hoặc vùng hóa trị sẽ ở vị trí
thấp nhất.
Vùng đầy, vùng hóa trị

3


Tùy theo chiều rộng tùy vùng cấm ∆W vật liệu được phân loại theo tính dẫn điện
như sau:
 Điện môi: là chất có vùng cấm rộng tới mức ở điều kiện bình thường các điện
tử hoá trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt cũng
không thể di chuyển tới vùng rỗng để trở thành điện tử tự do.
 Vật dẫn: là chất có vùng đầy nằm sát với vùng rỗng. Các điện tử hoá trị trong
vùng đầy có thể chuyển một cách không điều kiện tới vùng rỗng và do đó, loại
vật liệu này có điện dẫn rất cao.
 Bán dẫn điện: là chất có chiều rộng dãy cấm bé ( ∆W = 0,2 - 1,5 eV) nên ngay
ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hoá trị trong vùng đầy với sự tiếp sức
của chuyển động nhiệt đã có thể di chuyển tới vùng rỗng để hình thành tính
dẫn điện của vật liệu.

Vùng rỗng
3
a b 321 c 31 Vùng cấm
21
Vùng đầy

Biểu đồ năng lượng
a a. điện môi.
b b. bán dẫn.
c c. kim loại

5. Phân loại vật liệu theo từ tính.
Theo từ tính vật chất được phân theo các chất nghịch từ, thuận từ và dẫn từ.
 Nghịch từ: là chất có độ từ thẩm µ < 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ
trường ngoài. Loại này gồm có hydro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ,
muối mỏ và một loạt kim loại đồng, kẽm, bạc vàng, thuỷ ngân.v.v..
 Thuận từ: là chất có độ từ thẩm µ > 1 và cũng không phụ thuộc vào cường độ
từ trường ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ, oxyt, muối sắt, các muối coban và
niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim.
Các chất thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm gần bằng 1.
 Dẫn từ: là chất có µ > 1 và phụ thuộc vào cường độ của từ trường ngoài. Loại
này gồm có sắt, niken, côban và các hợp kim của chúng, hợp kim crôm và
mangan, gadolonit, ferit có các thành phần khác nhau.

4

Chuong 0 mo dau

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (9)

Similar to Chuong 0 mo dau

Similar to Chuong 0 mo dau (20)

More from Đinh Công Thiện Taydo University

More from Đinh Công Thiện Taydo University (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Chuong 0 mo dau