Tiểu luận vật lý CHẤT rắn

Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn Tiểu luận vật lý CHẤT rắn

LỜI CẢM ƠN

Có câu nói :“ Đừng do dự khi đón nhận sự giúp đỡ, tất cả chúng ta đều cần sự

giúp đỡ ở bất kỳ khoảnh khắc nào trong cuộc đời” Trên thực tế không có thành

công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trựctiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt 3 năm học tập dưới giảng đườngTrường Đại học Sư phạm Huế, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy côgiáo đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho em từ những ngày đầu chođến ngày hôm nay

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Đình, người đã luôn tậntình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành đềtài này một cách tốt nhất

Với nền tảng kiến thức còn hạn chế và còn cần học hỏi thêm nhiều, trong quátrình thực hiện đề tài sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và khuyết điểm Vậy nên

em rất mong nhận được sự chỉ bảo, ý kiến đóng góp của quý thầy cô giáo, các bạnsinh viên để đề tài nghiên cứu của em được hoàn thiện hơn và có thêm được nhiềukinh nghiệm quý báu

Cuối cùng, em xin chúc quý Ban lãnh đạo, quý thầy cô giáo Trường Đại học Sưphạm Huế, chúc thầy Lê Đình và gia đình lời chúc sức khỏe, thành công và thịnhvượng trong cuộc sống cũng như trong công tác

Em xin chân thành cảm ơn.

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa 1

Lời cảm ơn 2

Mục lục 3

A – MỞ ĐẦU 6

I Lí do chọn đề tài 6

II Mục tiêu của đề tài 7

III Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài 7

IV Đối tượng nghiên cứu 7

V Phương pháp nghiên cứu đề tài 7

B – NỘI DUNG 8

I Đặc tính cơ 8

I.1 Nội lực 8

I.2 Ứng suất 8

I.3 Độ biến dạng 10

I.4 Định luật Hooke 11

I.5 Đường cong ứng suất – biến dạng 12

I.6 Các phương pháp biến dạng 14

I.6.1 Biến dạng kéo 14

I.6.2 Biến dạng nén 14

I.6.3 Biến dạng uốn 14

I.6.4 Biến dạng cắt (trượt) 15

I.6.5 Biến dạng xoắn 15

II Đặc tính nhiệt 16

II.1 Định nghĩa nhiệt dung 16

II.2 Nhiệt dung do dao động mạng 17

II.3 Dẫn nhiệt 19

II.3.1 Hệ số dẫn nhiệt 19

II.3.2 Các cơ chế dẫn nhiệt 20

II.4 Hệ số giãn nở nhiệt 20

II.5 Ứng suất nhiệt 21

III Đặc tính điện 22

III.1 Cấu tạo nguyên tử 22

III.2 Các dạng liên kết 23

III.3 Lý thuyết phân vùng năng lượng trong chất rắn 24

III.4 Một số thông số của vật liệu dẫn điện 26

III.5 Tính dẫn điện của chất rắn 27

III.5.1 Tính dẫn điện của kim loại 27

III.5.2 Tính dẫn điện của chất bán dẫn 27

III.5.3 Tính dẫn điện trong chất điện môi rắn 28

IV Đặc tính từ 28

IV.1 Hiện tượng từ hoá 28

IV.2 Các đại lượng đặc trưng cho từ tính của chất rắn 29

IV.3 Phân loại vật liệu từ 30

IV.3.1 Chất nghịch từ 30

IV.3.2 Chất thuận từ 31

IV.3.3 Chất sắt từ 31

IV.3.4 Chất phản sắt từ 32

IV.3.5 Chất feri từ 32

IV.4 Bản chất từ tính của vật liệu 33

IV.4.1 Momen từ của electron 33

IV.4.2 Momen từ của hạt nhân 34

IV.4.3 Momen từ tổng hợp của nguyên tử 35

V Đặc tính quang 36

V.1 Khúc xạ 36

V.2 Phản xạ 36

V.3 Hấp thụ 37

V.4 Truyền qua 39

V.5 Mối quan hệ giữa các hệ số quang của chất rắn 40

VI Đặc tính âm 40

VI.1 Sóng âm, các hệ số âm học 40

VI.2 Vật liệu hút âm và vật liệu cách âm 41

VI.2.1 Vật liệu hút âm 41

VI.2.2 Vật liệu cách âm 42

C - KẾT LUẬN 43

D – TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

A – MỞ ĐẦU

I Lí do chọn đề tài

Thể rắn (solids) là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất (các trạng tháikhác bao gồm thể lỏng (liquids), thể khí (gases) và plasma) Nó được đặc trưng bởicấu trúc bền, cứng và có tính chất phản kháng lại sự thay đổi hình dạng hoặc khốilượng Không giống như chất lỏng, một chất rắn không chảy theo hình dạng củabình chứa, cũng không mở rộng để lấp đầy toàn bộ thể tích có sẵn giống như chấtkhí Các vật được cấu tạo từ chất rắn có hình dạng ổn định Các nguyên tử trongmột chất rắn bị ràng buộc chặt chẽ với nhau, hoặc trong một mạng lưới hình họcthông thường (chất rắn kết tinh) hoặc không đều (chất rắn vô định hình)

Ngành vật lý chuyên nghiên cứu các tính chất vật lý của chất rắn được gọi là vật

lý chất rắn và là nhánh chính của vật lý vật chất cô đặc (cũng bao gồm chất lỏng)

Từ các mô hình đơn giản rút ra các tính chất cơ bản của các vật liệu chính như kimloại, chất bán dẫn, chất cách điện, chất có từ tính, chất siêu dẫn, dưới dạng tinhthể Nghiên cứu vật lý chất rắn vừa giúp hiểu được các cơ chế vật lý xảy ra trongchất rắn, xây dựng được nguyên tắc để sử dụng chúng trong thực tiễn kỹ thuật vàđời sống, vừa giúp tìm ra những vật liệu mới và hiện đại, phục vụ tốt hơn cho conngười

Một chất rắn trong tự nhiên có thể cứng như một tảng đá hay mềm như lông thú,

có kích thước lớn như một tiểu hành tinh hoặc nhỏ như một hạt cát Các đặc tínhvật lý được sử dụng để quan sát và mô tả vật chất Nó có thể được quan sát hoặc đođạc mà không làm thay đổi thành phần của vật chất

Đề tài:“ Các đặc tính vật lí của chất rắn” tập trung giới thiệu những vấn đề cơ

bản của 6 nhóm đặc tính quan trọng của chất rắn: đặc tính cơ (mechanicalproperties), đặc tính nhiệt (thermal properties), đặc tính quang (optical properties),

đặc tính âm (acoustical properties), đặc tính điện (electrical properties) và đặc tính

từ (magnetic properties) Phụ thuộc tính chất của kích thích tác dụng lên chất rắn

mà khả năng phản ứng của nó đối với các lực cơ học, với nhiệt, âm thanh, ánhsáng, điện trường và từ trường là không giống nhau Nghĩa là nó liên quan đến khảnăng tương tác cơ học, tính chất nhiệt, liên quan đến từ tính, khả năng dẫn điện,đến sự phát quang và đặc trưng âm học của một chất rắn

II Mục tiêu của đề tài

- Cung cấp cho người đọc những kiến thức cơ bản về sáu đặc tính vật lí quan trọng

của chất rắn được tạo thành bởi các kích thích khác nhau tác dụng lên chất rắn

- Đưa ra một cái nhìn rõ ràng về các đặc trưng quan trọng của chất rắn để hỗ trợcho việc học tập, nghiên cứu và để người đọc có được những hiểu biết cần thiết khitìm hiểu về các lĩnh vực khoa học liên quan đến chuyên ngành vật lí chất rắn

III Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài

- Xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết và giải quyết các vấn đề đặt ra trong đề tài

- Xây dựng các công thức vật lý thể hiện tính chất của chất rắn, các hệ số đặc trưng

cơ bản về tính chất của vật liệu rắn

- Tìm hiểu ảnh hưởng của các tác động vật lý, khả năng phản ứng của chất rắn đốivới các tác nhân trong việc hình thành cấu trúc, thành phần, tính chất đặc trưng củachất rắn

- Tìm hiểu mối quan hệ giữa các đặc tính cơ, nhiệt, điện, từ, quang, âm của chất rắnđến các tính chất của vật liệu rắn

IV Đối tượng nghiên cứu

Nội dung của vật lý chất rắn, vật liệu rắn về:

- Đặc tính cơ (mechanical properties) - Đặc tính nhiệt (thermalproperties)

- Đặc tính điện (electrical properties) - Đặc tính từ (magneticproperties).

- Đặc tính quang (optical properties) - Đặc tính âm (acousticalproperties)

V Phương pháp nghiên cứu đề tài

- Phương pháp thu thập tài liệu

- Phương pháp đọc sách, nghiên cứu và phân tích các tài liệu giáo khoa, các lýthuyết vật lý có liên quan

các phần tử của chất rắn được gọi là nội lực.

Nội lực chỉ xuất hiện khi có ngoại lực Ngoại lực là lực tác động từ những vật thểkhác hoặc môi trường xung quanh lên vật thể đang xét Khi ngoại lực tăng dần, nộilực cũng tăng dần để cân bằng với ngoại lực Nhưng do tính chất cơ học của từngloại vật rắn, nội lực chỉ có thể tăng đến một giới hạn nhất định Nếu ngoại lực tăngquá lớn, nội lực không tăng được nữa, lúc này vật rắn bị biến dạng quá mức và bịphá hỏng

I.2 Ứng suất

I.2.1 Ứng suất toàn phần

Căn cứ vào giả thuyết cơ bản về sự liên tục

của chất rắn, ta có thể giả định nội lực phân

bố liên tục trên toàn mặt cắt, để biết sự phân

bố nội lực ta hãy đi tìm trị số của nội lực tại

một điểm nào đó trong vật thể

Giả sử tại điểm K chẳng hạn, xung quanh

điểm K lấy một diện tích khá nhỏ ∆ S Hợp

lực của nội lực trên diện tích ∆ S là ∆ F Ta có

tỷ số:

⃗∆ F⃗

∆ S = ⃗P tb (1.1)

P tb được gọi là ứng suất trung bình tại K Khi ∆ S → 0 thì ⃗P tb →⃗P và ⃗P được gọi

là ứng suất toàn phần tại K

Như vậy:“Ứng suất toàn phần P tại điểm bất kỳ trên mặt cắt là tỷ số giữa trị

số nội lực tác dụng trên phân tố diện tích bao quanh điểm K đó với chính diện tích đó”.

Đơn vị của ứng suất P là N/m2 hay Pascal (Pa)

Từ định nghĩa trên, ta có thể xem ứng suất toàn phần P là trị số của nội lực trênmột đơn vị diện tích của mặt cắt Từ hình I.2.1 ta phân tích P ra hai thành phần:

- Ứng suất thành phần có phương vuông góc với mặt cắt được gọi là ứng suất pháp, kí hiệu là σ⃗ (đọc là xích ma)

- Ứng suất thành phần có phương tiếp tuyến với mặt cắt được gọi là ứng suất tiếp,

kí hiệu là τ⃗ (đọc là tô)

⃗P = σ⃗ + τ⃗ (1.2)

Đơn vị của  và  cũng tương tự như đơn vị của P (N/m2 hay Pa)

Tùy theo hình thức biến dạng, ứng suất được xác định bằng những công thứckhác nhau

I.2.2 Ứng suất trên mặt cắt ngang

Xét một thanh chịu kéo đúng tâm, trước khi

thanh chịu lực, ta kẻ trên bề mặt ngoài của thanh

những đường thẳng vuông góc với trục của thanh

biểu thị cho các mặt cắt của thanh và những đường

thẳng song song với trục của thanh biểu thị cho các

thớ dọc của thanh (hình I.2.2a)

Sau khi tác dụng lực kéo P, ta thấy những đoạn

thẳng vuông góc với trục thanh di chuyển xuống

phía dưới, nhưng vẫn thẳng và vuông góc trục, còn

những đường thẳng song song với trục thanh thì dịch lại gần với nhau, nhưng vẫnthẳng và song song với trục của thanh (hình I.2.2b)

Với giả thiết biến dạng xảy ra bên trong thanh tương tự như biến dạng quan sátđược bên mặt ngoài thanh, ta có thể kết luận:

 Các mặt cắt của thanh vẫn phẳng và vuông góc với trục thanh

 Các thớ dọc của thanh vẫn thẳng và song song với trục thanh

Dựa vào hai kết luận trên, ta có thể thấy nội lực phân bố trên mặt cắt phải cóphương song song với trục thanh, tức là có phương vuông góc với mặt cắt Vậy trênmặt cắt của thanh chịu kéo (hoặc chịu nén) chỉ có ứng suất pháp  Ngoài ra, nội

lực phân bố đều trên mặt cắt, do đó ứng suất pháp tại mọi điểm trên mặt cắt có trị

số bằng nhau

Vậy ta có thể viết được biểu thức liên hệ giữa những nội lực N phân bố trên mặtcắt S như sau: N = .S(1.3)

Từ đó rút ra: σ = N S (1.4)

Tổng quát ta có thể viết: : σ = ± N

S

(1.5)

Dấu “ + ” hoặc “ – ” được lấy tùy theo nội lực N là kéo hoặc nén

Có thể phát biểu công thức (1.5) như sau:“ Trị số ứng suất pháp trên mặt cắt của thanh chịu kéo hay chịu nén bằng tỷ số giữa nội lực dọc theo mặt cắt đó với diện tích mắt cắt”.

I.3 Độ biến dạng

Dưới tác dụng của lực kéo P thanh sẽ dài thêm ra, nhưng chiều ngang hẹp bớt lại(hình I.3a) hoặc ngược lại (hình I.3b), ở đây thanh bị biến dạng vẽ bằng nét đứt.Chiều dài thanh thay đổi một đoạn l = l1 – l , gọi là biến dạng dọc tuyệt đối Nếu thanh dài ra, l gọi là độ giãn dọc tuyệt đối và có trị số dương; nếu thanh ngắn đi,

l gọi là độ co tuyệt đối và có trị số âm Đơn vị của biến dạng dọc tuyệt đối là mét

(m)

Để so sánh biến dạng dọc của thanh có chiều dài khác nhau, người ta dùng khái

niệm biến dạng dọc tương đối, tức là độ biến dạng tuyệt đối trên mỗi đơn vị chiều

dài thanh

Biến dạng dọc tương đối ký hiệu bằng

chữ (epxilon) và tính như sau:

ε = ∆ l l (1.6)

Trong đó:  là một hư số, cùng dấu với

l

Như đã nói ở trên, dưới tác dụng của

lực kéo dọc P, thanh dài ra nhưng chiều

ngang hẹp lại một đoạn ∆ b = b1 – b; ∆ b

gọi là biến dạng ngang tuyệt đối, ∆ b

mang trị số dương nếu bề ngang tăng

thêm, ∆ b có trị số âm nếu bề ngang hẹp

lại

Để so sánh biến dạng ngang của những thanh có kích thước ngang khác nhau,

người ta cũng dùng khái niệm biến dạng ngang tương đối, tức là biến dạng tuyệt

đối trên mỗi đơn vị chiều ngang của thanh Biến dạng ngang tương đối ký hiệu là ε1

và tính như sau:

ε1 = ∆ b b (1.7) Trong đó: ε1 là một hư số cùng dấu của với ∆ b

Nhiều thí nghiệm cho thấy rằng giữa  và ε1 có mối liên hệ với nhau như sau:

μ = - ε1

ε hay ε1 = -με (1.8)

Dấu “-” trước tỷ số ε1 và  biểu hiện chúng luôn luôn ngược nhau, nghĩa là nếuchiều dài dài thêm thì chiều ngang hẹp bớt và ngược lại

Trong biểu thức trên, μ ( muy) gọi là hệ số Poisson hay hệ số biến dạng ngang,

nó đặc trưng cho tính đàn hồi của vật rắn, hệ số này là một hư số

I.4 Định luật Hooke

Năm 1676, qua thí nghiệm kéo, nén những mẫu làm bằng vật liệu khác nhau, nhà

vật lý Robert Hooke (1635 – 1703) cho rằng: “khi lực tác động P chưa vượt quá một giới hạn nào đó (giới hạn này tùy từng vật liệu) thì biến dạng dọc tuyệt đối ∆ l

của mẫu thí nghiệm luôn luôn tỷ lệ thuận với lực P” và biểu thức của nó ứng với

các trường hợp trên hình I.3 có dạng là: ∆ l = ES Pl(1.9)

Nếu chú ý rằng lực dọc (hay thường gọi là nội lực) N = P thì ta có thể viết :

∆ l = ES Nl (1.10)

Trong đó, E gọi là modul đàn hồi khi kéo (hoặc nén) vật liệu Nó là một hằng số

vật lý đặc trưng cho khả năng chống lại sự biến dạng khi chịu lực kéo hay nén củatừng loại vật liệu trong phạm vi biến dạng đàn hồi Trị số E xác định bằng thínghiệm và có đơn vị là mega niutơn trên mét vuông (MN/m2) Tích số ES được gọi

là độ cứng khi kéo (hoặc nén) đúng tâm, vì tùy theo trị số ES lớn hay nhỏ thì biếndạng dọc ∆ l của thanh sẽ nhỏ hay lớn Trị số ∆ l có thể mang dấu “+” hay “–” tùytheo trị số lực dọc N là dương hay âm

Biểu thức (1.10) có thể viết thành :

∆ l l = ES N (1.11)

Mặt khác, ta đã biết σ = N S và ∆ l l = ε Vậy thay vào (1.11) ta được:

ε = σ E hay σ = Eε (1.12)

Từ biểu thức (1.12) ta có thể phát triển như sau: “Khi vật chịu kéo (hoặc chịu nén) đúng tâm, ứng suất pháp trên mặt cắt của vật tỷ lệ thuận với biến dạng tương đối ”.

Đó là định luật Hooke khi kéo (hoặc nén) đúng tâm

I.5 Đường cong ứng suất – biến dạng

Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất pháp σ và biến dạng dọc tươngđối ε gọi là đường cong ứng suất – biến dạng Xét phản ứng của vật rắn khi biếndạng, có thể chia đường cong ứng suất – biến dạng làm hai vùng: vùng biến dạngđàn hồi và vùng biến dạng đàn hồi – dẻo

I.5.1 Vùng biến dạng đàn hồi

Khi lực kéo còn nhỏ, mẫu chỉ biến

dạng đàn hồi, đặc trưng của giai đoạn

này là khi dỡ bỏ tải trọng, mẫu lại phục

hồi trở lại chiều dài ban đầu Trong

vùng này tồn tại mối quan hệ tuyến

tính giữa ứng suất pháp σ và biến dạng

dọc tương đối ε tuân theo định luật

Hooke: σ = Eε

Modul đàn hồi E đặc trưng cho

thuộc tính đàn hồi của vật rắn dưới tác

dụng của ứng suất pháp σ Vùng biến

dạng đàn hồi được giới hạn bởi giới

hạn đàn hồi R e Việc xác định chính xác giới hạn đàn hồi R e nhiều khi rất khó khănnên người ta thường quy định lấy R p 0,01 làm giới hạn đàn hồi, đó là ứng suất tươngứng với mức độ biến dạng dư ε = 0,01%.

I.5.2 Vùng biến dạng đàn hồi – dẻo

Nếu tải trọng tăng lên khiến ứng suất trong mẫu vượt quá giới hạn đàn hồi thì vật

rắn bắt đầu quá trình chảy dẻo Trong vùng này nếu dỡ bỏ tải trọng thì mẫu khôngphục hồi được chiều dài ban đầu mà vẫn bị dãn dài ra một đoạn và trên đường congứng suất biến dạng được thể hiện bằng mức độ biến dạng dư ε p Ứng suất làm chovật rắn bắt đầu chảy dẻo gọi là giới hạn chảy R p

Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là quan hệ phi tuyến Kèm theo biến dạngdẻo bao giờ cũng có biến dạng đàn hồi Trong kỹ thuật người ta quy định giới hạnchảy là ứng suất gây nên một lượng biến dạng dư bằng 0,2%, kí hiệu là R p 0,2 đối vớinhững vật rắn có đường cong ứng suất – biến dạng không có vùng chảy rõ rệt Cònđối với những vật rắn có đường cong ứng suất – biến dạng có vùng chảy rõ rệt thìviệc xác định R p là dễ dàng

I.6 Các phương pháp biến dạng

Trên thực tế có hàng trăm phương pháp biến dạng khác nhau và trong mỗiphương pháp đồng thời xuất hiện nhiều trạng thái ứng suất khác nhau, chúng biếnđổi trong quá trình biến dạng Căn cứ vào những ứng suất có tác dụng chủ yếu đốivới quá trình biến dạng, ta phân thành 5 nhóm lớn sau đây:

I.6.1 Biến dạng kéo

Khi thanh chịu tác dụng

của những lực đặt dọc theo

trục thanh thì thanh bị giãn

ra Ta gọi thanh chịu kéo

(hình I.6.1) Trong quá trình

biến dạng trục thanh vẫn thẳng (đường đứt nét biểu diễn hình dạng của thanh saukhi biến dạng).

Trạng thái dẻo trong vật rắn biến dạng chủ yếu được gây ra bởi ứng suất kéo mộthoặc nhiều chiều Thuộc nhóm này có các phương pháp kéo dãn, dập phình, dậpđịnh hình

I.6.2 Biến dạng nén

Khi thanh chịu tác dụng

của những lực đặt dọc theo

trục thanh thì thanh bị co

lại Ta gọi thanh chịu nén

(hình I.6.2) Trong quá

trình biến dạng trục thanh

vẫn thẳng (đường đứt nét

biểu diễn hình dạng của thanh sau khi biến dạng)

Trạng thái dẻo trong vật thể biến dạng chủ yếu được gây nên bởi ứng suất nénmột hoặc nhiều chiều Thuộc nhóm này có các phương pháp cán, rèn tự do, rènkhuôn, ép chảy

I.6.3 Biến dạng uốn

Khi thanh chịu tác dụng của các lực vuông góc với trục thanh, trục thanh bị uốncong, ta gọi thanh chịu uốn (hình I.6.3)

Thanh chịu uốn gọi là dầm Ngoại lực gây

uốn phẳng là những lực tập trung có phương

vuông góc với trục dầm hoặc những ngẫu lực

nằm trong mặt phẳng đối xứng chứa trục dầm

Trạng thái dẻo trong vật thể biến dạng chủ yếu được gây nên bởi trọng tải uốn.Thuộc nhóm này có các phương pháp uốn với dụng cụ chuyển động thẳng hoặcchuyển động quay Ví dụ: thân dao bào khi cắt gọt, dầm nâng tải trọng

I.6.4 Biến dạng cắt (trượt)

Một thanh gọi là chịu cắt khi ngoại lực

tác dụng là hai lực song song, ngược

chiều có cùng trị số và nằm trên hai mặt

cắt rất gần nhau của thanh Mối ghép

bằng đinh tán là một ví dụ đơn giản về

thanh chịu cắt Mỗi đinh tán là một thanh

chịu cắt (hình I.6.4)

Trạng thái dẻo trong vật thể chủ yếu

được gây nên bởi tải trọng cắt Thuộc

nhóm này có các phương pháp trượt, xoắn

I.6.5 Biến dạng xoắn

Khi ngoại lực nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục thanh và tạo thành cácngẫu lực trong mặt phẳng đó thì làm cho thanh bị xoắn (hình I.6.5) Sau biến dạngcác đường sinh ở bề mặt ngoài trở thành các đường xoắn ốc

II Đặc tính nhiệt

II.1 Định nghĩa nhiệt dung

Nhiệt dung là lượng nhiệt vật hoặc một khối chất thu vào hay tỏa ra để tăng hoặcgiảm 1°K hoặc 1°C Biểu thức của nhiệt dung C có dạng:

C = δQQ dT (2.1) Trong đó: δQQ là năng lượng cần để gây ra độ biến thiên nhiệt độ dT

II.1.1 Nhiệt dung riêng, nhiệt dung phân tử

a Nhiệt dung riêng c của một chất là một đại lượng vật lý về trị số bằng nhiệt

lượng

cần thiết truyền cho một đơn vị khối lượng chất đó để nhiệt độ của nó tăng lên 1o Gọi m là khối lượng của vật, δQ là nhiệt lượng truyền cho vật trong quá trình cânQ là nhiệt lượng truyền cho vật trong quá trình cânbằng và dT là độ biến thiên nhiệt độ của vật trong quá trình đó thì:

Trong đó: μ là khối lượng của 1mol chất đó Trong hệ đơn vị SI đơn vị của c là J/kg.K, đơn vị của C là J/mol.K

II.1.2 Nhiệt dung đẳng tích, nhiệt dung đẳng áp

Nhiệt dung của một chất có thể được đo trong điều kiện nhiệt độ không đổi hoặcthể tích không đổi Do đó, trong thực tế, có 2 cách đo nhiệt dung của vật tương ứngvới các điều kiện môi trường kèm theo sự truyền nhiệt

 Một là, nhiệt dung đẳng tích C V: C V = (δQQ dT)V – nhiệt dung tại thể tích khôngđổi.

 Hai là, nhiệt dung đẳng áp C P: C P= (δQQ dT)P – nhiệt dung tại áp suất không đổi Khi nói đến nhiệt dung ta thường nghĩ tới nhiệt dung ở thể tích không đổi C V làđại lượng cơ bản hơn là nhiệt dung ở áp suất không đổi C P, C P thường xác địnhđược bằng thực nghiệm Trong nhiệt động học ta có:

C P - C V = 9α2BVT (2.4)

Trong đó, α là hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính, V là thể tích, B là modul nén thủytĩnh C P và C V nói chung không khác nhau nhiều ở nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phòng

II.2 Nhiệt dung do dao động mạng

Trong đa số các chất rắn, dạng cân bằng năng lượng nhiệt chủ yếu bằng sự tăngnăng lượng dao động của các nguyên tử Nguyên tử trong chất rắn không ngừngdao động ở tần số rất cao và với biên độ tương đối nhỏ Những dao động của cácnguyên tử lân cận phối hợp với nhau bằng liên kết nguyên tử và theo phương thứctruyền sóng mạng, có thể xem đó là những sóng đàn hồi hay nói đơn giản là nhữngsóng âm, có bước sóng ngắn và tần số rất cao, lan truyền trong tinh thể với tốc độ

âm thanh Năng lượng dao động nhiệt của chất rắn bao gồm một dãy các sóng đànhồi có phân bố và tần số khác nhau Theo lý thuyết lượng tử, năng lượng dao độngnhiệt trong chất rắn bị lượng tử hoá, chỉ có một số giá trị năng lượng là được phép.Một lượng tử đơn của năng lượng dao động được gọi là một phonon (tương tự nhưlượng tử của bức xạ điện từ photon) Bản thân sóng dao động có khi cũng được gọibằng thuật ngữ phonon

Từ thực nghiệm đối với nhiều chất rắn vô cơ, người ta đã tóm tắt thành 3 quan điểm:

 Thứ nhất, tại nhiệt độ phòng, các giá trị nhiệt dung của hầu hết các chất rắn cỡ

3Nk B, nghĩa là 25 Jun/mol.K hay 6 calo/mol.K, trong đó k B là hằng số Boltzmann

Thứ hai, ở nhiệt độ thấp, nhiệt dung giảm mạnh và ở vùng gần độ không tuyệt

đối, nhiệt dung tiến tới 0 theo T3 đối với điện môi và theo T đối với kim loại Nếukim loại biến thành siêu dẫn (trạng thái siêu dẫn) thì nhiệt dung giảm nhanh hơn

Thứ ba, trong các vật liệu từ thể rắn ở tất cả mọi vùng nhiệt độ có tồn tại trật tự

hóa của hệ các momen từ hạt nhân có thể có đóng góp rất lớn vào nhiệt dung

Từ đồ thị hình II.2, kết hợp với 3

quan điểm nêu trên cho ta sự phụ

thuộc của nhiệt dung C vào nhiệt độ

như sau:

 Quan điểm thứ nhất xuất phát từ

định luật Dulong – Petit cổ điển

(1819), cho rằng:“nhiệt dung phân

tử của chất rắn không phụ thuộc vào

nhiệt độ và như nhau với mọi chất”.

Định lí này chỉ đúng khi xem xét ở

nhiệt độ đủ cao (xấp xỉ từ nhiệt độ

phòng trở lên), khi đó nhiệt dung

phân tử của chất rắn không đổi với mọi chất:

C V ≈ 3Nk B = 3R = 25 Jun/mol.K (2.5)

Ở nhiệt độ thấp, lý thuyết nhiệt dung được giải thích theo quan điểm lượng tử

Einstein đưa ra vào năm 1906, cho phép giải thích kết quả sự giảm nhiệt dung riêng

theo nhiệt độ Einstein cho rằng:“nhiệt dung riêng của các chất khác nhau là khác nhau và nó phụ thuộc vào hằng số mạng a của mỗi chất và cấu trúc mạng tinh thể của chất đó” Ở vùng nhiệt độ cao kết quả lý thuyết của Einstein phù hợp với kết quả cổ điển, tức là định luật Dulong – Petit:“nhiệt dung phân tử của chất rắn là như nhau và không phụ thuộc vào hằng số mạng a” Tuy nhiên, khi xét ở nhiệt độ

thấp kết quả của Einstein đưa ra T → 0 thì C → 0 theo hàm e−ћωω /k B T lại không phùhợp với thực nghiệm Thực nghiệm cho thấy ở nhiệt độ thấp, nhiệt dung giảm theobậc ba của nhiệt độ C T3 chứ không tiến tới 0 không nhanh như quy luậthàm e mũ, kết quả này trùng với lý thuyết Debye về nhiệt dung đưa ra vào năm

1912 So với lý thuyết của Einstein thì lý thuyết Debye phù hợp tốt hơn với thựcnghiệm, vì vậy cho đến nay nó vẫn được coi là lý thuyết đúng đắn nhất Đây cũngchính là nội dung của quan điểm thứ hai

II.3 Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là một dạng truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng cónhiệt độ thấp do sự truyền động năng hoặc va chạm của các phân tử và nguyên tử

II.3.1 Hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của

chất rắn Định luật cơ bản về dẫn nhiệt được thực hiện đầu tiên bởi Jean BaptistBiot (1774 - 1862) dựa trên cơ sở quan sát thực nghiệm nhưng sau này mang têncủa nhà toán lý Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 – 1830), ông là người đã ứngdụng các kết quả này vào sự phân tích lý thuyết về nhiệt Định luật này phát biểu

như sau: “Mật độ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn nhiệt theo phương quy định tỷ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền và gradien nhiệt độ theo phương ấy”.

Giả sử dòng nhiệt theo phương x, định luật Fourier thể hiện như sau:

Q x = -λ S dT

dx , đơn vị oát [W] (2.5a)

Hay: q x = Q x

S = -λ dT

dx , đơn vị [W/m2](2.5b)

Trong đó:

 Q x - dòng nhiệt truyền qua diện tích S, [J/s]

 q x - mật độ dòng nhiệt, tức là dòng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích trongmột đơn vị thời gian (diện tích được lấy vuông góc với hướng của dòngnhiệt), [W/m2]

 S - diện tích bề mặt truyền nhiệt qua, [m2]

 dT/dx - gradient nhiệt độ qua môi trường dẫn nhiệt, [K/m]

Phương trình (2.5a,b) chỉ có giá trị đối với dòng nhiệt ở trạng thái ổn định, nghĩa

là trong điều kiện mà mật độ dòng nhiệt không thay đổi theo thời gian Do quy ướcchiều dương của vector gradient nhiệt độ là chiều tăng của nhiệt độ, còn vector mật

độ dòng nhiệt luôn đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp nên có dấu “-” trong

phương trình (2.5a,b)

Thực nghiệm đã xác minh hệ số tỷ lệ λ trong phương trình (2.5a,b) là một thông

số vật lý của chất rắn đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật thể được gọi là hệ

số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt của vật nói chung phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ vàđược xác định bằng thực nghiệm Thông thường trong các thực nghiệm, từ việc xácđịnh mật độ dòng nhiệt và gradient nhiệt độ thì hệ số dẫn nhiệt được tìm theo côngthức:

λ = |q|

|gradienT| , đơn vị [W/mK] (2.6)

Từ (2.6) ta thấy, hệ số dẫn nhiệt về trị số bằng nhiệt lượng truyền qua một đơn vị

bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi gradient nhiệt độ bằng 1 Thựcnghiệm cũng chứng tỏ rằng hầu hết các chất rắn, hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độtheo quan hệ đường thẳng: λ = λ o (1+bt)(2.7)

Trong đó: λ o là hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ 0℃; b là hằng số xác định bằng thựcnghiệm

II.3.2 Các cơ chế dẫn nhiệt

Trong chất rắn, nhiệt được truyền bởi cả sóng dao động mạng (phonon) và điện

tử tự do Độ dẫn nhiệt toàn phần là tổng của hai thành phần theo hai cơ chế đó là:

k = k1 + k e (2.8)

Trong đó: k1, k e là độ dẫn nhiệt bởi dao động mạng và bởi điện tử Thông thườngthì một trong hai thành phần đó chiếm ưu thế Năng lượng nhiệt các phonon, tức làcác sóng mạng được truyền đi theo hướng chuyển động của chúng Thành phần k1

gây bởi chuyển động thuần của các phonon từ vùng nhiệt độ cao tới vùng nhiệt độthấp trong vật thể Các điện tử tự do (các điện tử dẫn) cũng tham gia dẫn nhiệt Ởvùng nóng của chất rắn điện tử tự do có động năng lớn hơn Chúng di chuyển đếnnhững vùng lạnh hơn và một phần động năng này được chuyển bù thêm cho cácnguyên tử (năng lượng dao động) như là kết quả của các va chạm với phonon hay

là với các khuyết tật mạng Phần đóng góp tương đối của k e tăng theo nồng độ điện

tử tự do khi có nhiều điện tử hơn tham gia vào quá trình dẫn nhiệt

II.4 Hệ số giãn nở nhiệt

Trong khoa học vật liệu, hệ số giãn nở nhiệt của một chất rắn là một đại lượng

vật lý đặc trưng cho sự thay đổi kích thước của vật thể khi nhiệt độ thay đổi Đa sốcác vật liệu rắn đều giãn nở khi gia nhiệt và co lại khi làm lạnh

II.4.1 Hệ số nở dài

Sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ của chất rắn được tính theo biểu thức:

l r−l o

l o = α l(T r−T o) (2.9) Trong đó: l o và l r tương ứng là chiều dài ban đầu và chiều dài cuối cùng khi thay đổi nhiệt độ của vật từ T o đến T r; α l là hệ số nở dài (℃−1)

Ở nhiều loại chất rắn, giá trị của α v là dị hướng, nghĩa là nó phụ thuộc vào hướngtinh thể Đối với các vật liệu rắn mà sự giãn nở nhiệt có tính đẳng hướng thì α v ≈ 3

α l

II.5 Ứng suất nhiệt

Ứng suất nhiệt là ứng suất được gây ra trong vật thể do sự thay đổi nhiệt độ

II.5.1 Ứng suất do sự giãn và co bị hạn chế

Xét một thanh đặc đồng chất và đẳng hướng bị nung nóng hoặc làm lạnh đồngđều, nghĩa là không có gradient nhiệt độ Khi giãn hoặc co tự do, thanh sẽ khôngchịu ứng suất Tuy nhiên, nếu như chuyển động dọc trục của thanh bị giới hạn bởicác giá cứng chặn ở hai đầu thì sẽ có ứng suất nhiệt

Độ lớn σ của ứng suất gây bởi độ biến thiên nhiệt độ từ T o đến T r là:

σ = Eα l(T o−T r¿

(2.11)

Trong đó: E là modul đàn hồi; α l là hệ số nở dài.

Khi nung nóng (T r > T o) ứng suất sẽ là nén (σ < 0) vì sự giãn nở của thanh đã bịgiữ lại Đương nhiên, khi thanh bị làm lạnh (T r < T o) thì sẽ có ứng suất kéo đàn hồithanh mẫu trở

về độ dài ban đầu sau khi nó chịu giãn nở do biến đổi nhiệt độ từ T o đến T r

II.5.2 Ứng suất gây bởi gradient nhiệt độ

Khi một vật rắn bị nung hoặc làm nguội, sự phân bố nhiệt độ bên trong sẽ phụthuộc vào kích thước, hình dạng của nó, vào độ dẫn nhiệt của vật rắn và chỉ số biếnđổi nhiệt độ Ứng suất nhiệt có thể hình thành do gradient nhiệt độ gây ra bởi sựnung nóng hoặc làm nguội nhanh và làm cho phần ngoài thay đổi nhiệt độ nhanhhơn phần phía trong Các biến đổi kích thước bộ phận có tác dụng hạn chế sự giãnhoặc co của những phần thể tích xung quanh Chẳng hạn khi nung nóng, phầnngoài của mẫu sẽ nóng hơn, và do đó sẽ giãn mạnh hơn các vùng trong Như vậyứng suất bề mặt và ứng suất nén xuất hiện và cân bằng bởi các ứng suất kéo ở bêntrong Mối tương quan ứng suất trong – ngoài sẽ đảo lại khi làm nguội nhanh vàlàm cho bề mặt chịu ứng suất kéo

III Đặc tính điện

III.1 Cấu tạo nguyên tử

Mọi vật chất đều cấu tạo từ các hạt cơ bản là proton, nơtron và điện tử Hạt nhânnguyên tử cấu tạo bởi proton và nơtron mang điện tích dương và bao quanh hạtnhân là các điện tử mang điện tích âm cân bằng với điện tích dương của hạt nhân.Thông qua các dạng liên kết cơ bản mà hình thành nên

vật chất

Theo mô hình nguyên tử của Bohr, trong nguyên tử

điện tử chỉ có thể chuyển động trên những quỹ đạo xác

định, có bán kính nhất định, khi quay trên những quỹ đạo

đó năng lượng được bảo toàn Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng xác định,

quỹ đạo ở gần hạt nhân có mức năng lượng nhỏ và ngược lại Khi điện tử chuyển

động từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì xảy ra sự hấp thụ hoặc giải phóng nănglượng

Theo cơ học lượng tử, chuyển động của các điện tử được mô tả bởi một hàm

sóng Đối với một nguyên tử biệt lập thì hàm sóng này có tính đối xứng cầu, do đóđiện tích của điện tử phân bố tản và tạo thành một đám mây

III.2 Các dạng liên kết

III.2.1 Liên kết cộng hoá trị

Liên kết cộng hóa trị được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử của cácnguyên

tử trong phân tử Khi đó mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bãohòa, liên kết phân tử bền vững Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đốixứng mà phân tử liên kết cộng hóa trị có thể là trung tính hay lưỡng cực

Phân tử có trọng tâm điện tích dương và âm trùng nhau là phân tử trung tính.Các

chất được tạo nên từ các phân tử trung tính gọi là chất trung tính

Phân tử có trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, cáchnhau một khoảng cách l nào đó gọi là phân tử lưỡng cực Phân tử lưỡng cực đặctrưng bởi momen lưỡng cực: ⃗p = q ⃗l, với q là điện tích lưỡng cực điện

III.2.2 Liên kết ion

Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong

Liên kết ion là liên kết khá bền vững Do vậy, chất rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi