Đang tải... (xem toàn văn)
Để Mị nói cho mà nghe” đã thu hút 4,5 triệu lượt xem. ... 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 trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt 3 năm học tập dưới giảng đường Trường Đại học Sư phạm Huế, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô giáo đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho em từ những ngày đầu cho đến ngày hôm nay. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Đình, người đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành đề tài này một cách tốt nhất. Với nền tảng kiến thức còn hạn chế và còn cần học hỏi thêm nhiều, trong quá trình 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 bạn sinh viên để đề tài nghiên cứu của em được hoàn thiện hơn và có thêm được nhiều kinh nghiệm quý báu. Cuối cùng, em xin chúc quý Ban lãnh đạo, quý thầy cô giáo Trường Đại học Sư phạm Huế, chúc thầy Lê Đình và gia đình lời chúc sức khỏe, thành công và thịnh vượng 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
TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH LỜI CẢM ƠN Có câu nói :“ Đừng dự đón nhận giúp đỡ, tất cần giúp đỡ khoảnh khắc đời” Trên thực tế khơng có thành cơng mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong suốt năm học tập giảng đường Trường Đại học Sư phạm Huế, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy giáo tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức cho em từ ngày đầu ngày hôm Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Đình, người ln tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành đề tài cách tốt Với tảng kiến thức hạn chế cần học hỏi thêm nhiều, trình thực đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót khuyết điểm Vậy nên em mong nhận bảo, ý kiến đóng góp q thầy giáo, bạn sinh viên để đề tài nghiên cứu em hồn thiện có thêm nhiều kinh nghiệm quý báu Cuối cùng, em xin chúc quý Ban lãnh đạo, quý thầy cô giáo Trường Đại học Sư phạm Huế, chúc thầy Lê Đình gia đình lời chúc sức khỏe, thành công thịnh vượng sống công tác Em xin chân thành cảm ơn SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH MỤC LỤC SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Trang Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH I Lí chọn đề tài Thể rắn (solids) bốn trạng thái vật chất (các trạng thái khác bao gồm thể lỏng (liquids), thể khí (gases) plasma) Nó đặc trưng cấu trúc bền, cứng có tính chất phản kháng lại thay đổi hình dạng khối lượng Không giống chất lỏng, chất rắn khơng chảy theo hình dạng bình chứa, khơng mở rộng để lấp đầy tồn thể tích có sẵn giống chất khí Các vật cấu tạo từ chất rắn có hình dạng ổn định Các ngun tử chất rắn bị ràng buộc chặt chẽ với nhau, mạng lưới hình học thơng thường (chất rắn kết tinh) không (chất rắn vơ định hình) Ngành vật lý chun nghiên cứu tính chất vật lý chất rắn gọi vật lý chất rắn nhánh vật lý vật chất cô đặc (cũng bao gồm chất lỏng) Từ mơ hình đơn giản rút tính chất vật liệu kim loại, chất bán dẫn, chất cách điện, chất có từ tính, chất siêu dẫn, dạng tinh thể Nghiên cứu vật lý chất rắn vừa giúp hiểu chế vật lý xảy chất rắn, xây dựng nguyên tắc để sử dụng chúng thực tiễn kỹ thuật đời sống, vừa giúp tìm vật liệu đại, phục vụ tốt cho người Một chất rắn tự nhiên cứng tảng đá hay mềm lơng thú, có kích thước lớn tiểu hành tinh nhỏ hạt cát Các đặc tính vật lý sử dụng để quan sát mô tả vật chất Nó quan sát đo đạc mà không làm thay đổi thành phần vật chất Đề tài:“ Các đặc tính vật lí chất rắn” tập trung giới thiệu vấn đề nhóm đặc tính quan trọng chất rắn: đặc tính (mechanical properties), đặc tính nhiệt (thermal properties), đặc tính quang (optical properties), đặc tính âm (acoustical properties), đặc tính điện (electrical properties) đặc tính từ (magnetic properties) Phụ thuộc tính chất kích thích tác dụng lên chất rắn mà khả phản ứng lực học, với nhiệt, âm thanh, ánh sáng, điện trường từ trường không giống Nghĩa liên quan đến khả tương tác học, tính chất nhiệt, liên quan đến từ tính, khả dẫn điện, đến phát quang đặc trưng âm học chất rắn SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH II Mục tiêu đề tài - Cung cấp cho người đọc kiến thức sáu đặc tính vật lí quan trọng chất rắn tạo thành kích thích khác tác dụng lên chất rắn - Đưa nhìn rõ ràng đặc trưng quan trọng chất rắn để hỗ trợ cho việc học tập, nghiên cứu để người đọc có hiểu biết cần thiết tìm hiểu lĩnh vực khoa học liên quan đến chuyên ngành vật lí chất rắn III Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài - Xây dựng hệ thống sở lý thuyết giải vấn đề đặt đề tài - Xây dựng cơng thức vật lý thể tính chất chất rắn, hệ số đặc trưng tính chất vật liệu rắn - Tìm hiểu ảnh hưởng tác động vật lý, khả phản ứng chất rắn tác nhân việc hình thành cấu trúc, thành phần, tính chất đặc trưng chất rắn - Tìm hiểu mối quan hệ đặc tính cơ, nhiệt, điện, từ, quang, âm chất rắn đến tính chất vật liệu rắn IV Đối tượng nghiên cứu Nội dung vật lý chất rắn, vật liệu rắn về: - Đặc tính (mechanical properties) - Đặc tính điện (electrical properties) - Đặc tính quang (optical properties) V Phương pháp nghiên cứu đề tài - Phương pháp thu thập tài liệu - Phương pháp đọc sách, nghiên cứu phân tích - Đặc tính nhiệt (thermal properties) - Đặc tính từ (magnetic properties) - Đặc tính âm (acoustical properties) tài liệu giáo khoa, lý thuyết vật lý có liên quan B – NỘI DUNG I Đặc tính I.1 Nội lực Chúng ta biết chất rắn, nguyên tử phân tử bao quanh nguyên tử phân tử lân cận Chúng liên kết với lực liên nguyên tử liên phân tử trạng thái cân ổn định, lực giữ cho chất rắn có hình dạng định Khi chất rắn chịu tác dụng ngoại lực, lực tương tác SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH thay đổi Lượng thay đổi lực tương tác phần tử chất rắn gọi nội lực Nội lực xuất có ngoại lực Ngoại lực lực tác động từ vật thể khác môi trường xung quanh lên vật thể xét Khi ngoại lực tăng dần, nội lực tăng dần để cân với ngoại lực Nhưng tính chất học loại vật rắn, nội lực tăng đến giới hạn định Nếu ngoại lực tăng lớn, nội lực không tăng nữa, lúc vật rắn bị biến dạng mức bị phá hỏng I.2 Ứng suất I.2.1 Ứng suất toàn phần Căn vào giả thuyết liên tục chất rắn, ta giả định nội lực phân bố liên tục toàn mặt cắt, để biết phân bố nội lực ta tìm trị số nội lực điểm vật thể Giả sử điểm K chẳng hạn, xung quanh điểm K lấy diện tích nhỏ Hợp lực nội lực diện tích Ta có tỷ số: = (1.1) gọi ứng suất trung bình K Khi gọi ứng suất toàn phần K Như vậy:“Ứng suất toàn phần P điểm mặt cắt tỷ số trị số nội lực tác dụng phân tố diện tích bao quanh điểm K với diện tích đó” Đơn vị ứng suất P N/ hay Pascal (Pa) Từ định nghĩa trên, ta xem ứng suất tồn phần P trị số nội lực đơn vị diện tích mặt cắt Từ hình I.2.1 ta phân tích P hai thành phần: - Ứng suất thành phần có phương vng góc với mặt cắt gọi ứng suất pháp, kí hiệu (đọc xích ma) - Ứng suất thành phần có phương tiếp tuyến với mặt cắt gọi ứng suất tiếp, kí hiệu (đọc tô) = + Đơn vị σ τ tương tự đơn vị P (N/ hay Pa) SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page (1.2) TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH Tùy theo hình thức biến dạng, ứng suất xác định công thức khác I.2.2 Ứng suất mặt cắt ngang Xét chịu kéo tâm, trước chịu lực, ta kẻ bề mặt ngồi đường thẳng vng góc với trục biểu thị cho mặt cắt đường thẳng song song với trục biểu thị cho thớ dọc (hình I.2.2a) Sau tác dụng lực kéo P, ta thấy đoạn thẳng vng góc với trục di chuyển xuống phía dưới, thẳng vng góc trục, đường thẳng song song với trục dịch lại gần với nhau, thẳng song song với trục (hình I.2.2b) Với giả thiết biến dạng xảy bên tương tự biến dạng quan sát bên mặt ngồi thanh, ta kết luận: Các mặt cắt phẳng vng góc với trục Các thớ dọc thẳng song song với trục Dựa vào hai kết luận trên, ta thấy nội lực phân bố mặt cắt phải có phương song song với trục thanh, tức có phương vng góc với mặt cắt Vậy mặt cắt chịu kéo (hoặc chịu nén) có ứng suất pháp σ Ngoài ra, nội lực phân bố mặt cắt, ứng suất pháp điểm mặt cắt có trị số Vậy ta viết biểu thức liên hệ nội lực N phân bố mặt cắt S N = σ.S sau: Từ rút ra: Tổng quát ta viết: : SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY = = (1.3) (1.4) (1.5) Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH Dấu “ + ” “ – ” lấy tùy theo nội lực N kéo nén Có thể phát biểu cơng thức (1.5) sau:“ Trị số ứng suất pháp mặt cắt chịu kéo hay chịu nén tỷ số nội lực dọc theo mặt cắt với diện tích mắt cắt” I.3 Độ biến dạng Dưới tác dụng lực kéo P dài thêm ra, chiều ngang hẹp bớt lại (hình I.3a) ngược lại (hình I.3b), bị biến dạng vẽ nét đứt Chiều dài thay đổi đoạn ∆ = – , gọi biến dạng dọc tuyệt đối Nếu dài ra, ∆l gọi độ giãn dọc tuyệt đối có trị số dương; ngắn đi, ∆ gọi độ co tuyệt đối có trị số âm Đơn vị biến dạng dọc tuyệt đối mét (m) Để so sánh biến dạng dọc có chiều dài khác nhau, người ta dùng khái niệm biến dạng dọc tương đối, tức độ biến dạng tuyệt đối đơn vị chiều dài Biến dạng dọc tương đối ký hiệu chữ ε(epxilon) tính sau: = (1.6) Trong đó: ε hư số, dấu với ∆ Như nói trên, tác dụng lực kéo dọc P, dài chiều ngang hẹp lại đoạn = – ; gọi biến dạng ngang tuyệt đối, mang trị số dương bề ngang tăng thêm, có trị số âm bề ngang hẹp lại Để so sánh biến dạng ngang có kích thước ngang khác nhau, người ta dùng khái niệm biến dạng ngang tương đối, tức biến dạng tuyệt đối đơn vị chiều ngang Biến dạng ngang tương đối ký hiệu tính sau: = (1.7) Trong đó: hư số dấu với Nhiều thí nghiệm cho thấy ε có mối liên hệ với sau: SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH = - hay = (1.8) Dấu “-” trước tỷ số ε biểu chúng luôn ngược nhau, nghĩa chiều dài dài thêm chiều ngang hẹp bớt ngược lại Trong biểu thức trên, ( muy) gọi hệ số Poisson hay hệ số biến dạng ngang, đặc trưng cho tính đàn hồi vật rắn, hệ số hư số I.4 Định luật Hooke Năm 1676, qua thí nghiệm kéo, nén mẫu làm vật liệu khác nhau, nhà vật lý Robert Hooke (1635 – 1703) cho rằng: “khi lực tác động P chưa vượt giới hạn (giới hạn tùy vật liệu) biến dạng dọc tuyệt đối mẫu thí nghiệm ln ln tỷ lệ thuận với lực P” biểu thức ứng với trường hợp hình I.3 có dạng là: = (1.9) Nếu ý lực dọc (hay thường gọi nội lực) N = P ta viết : = (1.10) Trong đó, gọi modul đàn hồi kéo (hoặc nén) vật liệu Nó số vật lý đặc trưng cho khả chống lại biến dạng chịu lực kéo hay nén loại vật liệu phạm vi biến dạng đàn hồi Trị số xác định thí nghiệm có đơn vị mega niutơn mét vng (MN/m2) Tích số gọi độ cứng kéo (hoặc nén) tâm, tùy theo trị số lớn hay nhỏ biến dạng dọc nhỏ hay lớn Trị số mang dấu “+” hay “–” tùy theo trị số lực dọc N dương hay âm Biểu thức (1.10) viết thành : = (1.11) Mặt khác, ta biết = = Vậy thay vào (1.11) ta được: = hay = E (1.12) Từ biểu thức (1.12) ta phát triển sau: “Khi vật chịu kéo (hoặc chịu nén) tâm, ứng suất pháp mặt cắt vật tỷ lệ thuận với biến dạng tương đối ε” Đó định luật Hooke kéo (hoặc nén) tâm I.5 Đường cong ứng suất – biến dạng Đường cong biểu diễn mối quan hệ ứng suất pháp biến dạng dọc tương đối gọi đường cong ứng suất – biến dạng Xét phản ứng vật rắn biến dạng, chia đường cong ứng suất – biến dạng làm hai vùng: vùng biến dạng đàn hồi vùng biến dạng đàn hồi – dẻo SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH I.5.1 Vùng biến dạng đàn hồi Khi lực kéo nhỏ, mẫu biến dạng đàn hồi, đặc trưng giai đoạn dỡ bỏ tải trọng, mẫu lại phục hồi trở lại chiều dài ban đầu Trong vùng tồn mối quan hệ tuyến tính ứng suất pháp biến dạng dọc tương đối tuân theo định luật Hooke: = E Modul đàn hồi đặc trưng cho thuộc tính đàn hồi vật rắn tác dụng ứng suất pháp Vùng biến dạng đàn hồi giới hạn giới hạn đàn hồi Việc xác định xác giới hạn đàn hồi nhiều khó khăn nên người ta thường quy định lấy làm giới hạn đàn hồi, ứng suất tương ứng với mức độ biến dạng dư = 0,01% I.5.2 Vùng biến dạng đàn hồi – dẻo Nếu tải trọng tăng lên khiến ứng suất mẫu vượt giới hạn đàn hồi vật rắn bắt đầu trình chảy dẻo Trong vùng dỡ bỏ tải trọng mẫu khơng phục hồi chiều dài ban đầu mà bị dãn dài đoạn đường cong ứng suất biến dạng thể mức độ biến dạng dư Ứng suất làm cho vật rắn bắt đầu chảy dẻo gọi giới hạn chảy Quan hệ ứng suất biến dạng quan hệ phi tuyến Kèm theo biến dạng dẻo có biến dạng đàn hồi Trong kỹ thuật người ta quy định giới hạn chảy ứng suất gây nên lượng biến dạng dư 0,2%, kí hiệu vật rắn có đường cong ứng suất – biến dạng khơng có vùng chảy rõ rệt Còn vật rắn có đường cong ứng suất – biến dạng có vùng chảy rõ rệt việc xác định dễ dàng I.6 Các phương pháp biến dạng SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH Trên thực tế có hàng trăm phương pháp biến dạng khác phương pháp đồng thời xuất nhiều trạng thái ứng suất khác nhau, chúng biến đổi trình biến dạng Căn vào ứng suất có tác dụng chủ yếu trình biến dạng, ta phân thành nhóm lớn sau đây: I.6.1 Biến dạng kéo Khi chịu tác dụng lực đặt dọc theo trục bị giãn Ta gọi chịu kéo (hình I.6.1) Trong trình biến dạng trục thẳng (đường đứt nét biểu diễn hình dạng sau biến dạng) Trạng thái dẻo vật rắn biến dạng chủ yếu gây ứng suất kéo nhiều chiều Thuộc nhóm có phương pháp kéo dãn, dập phình, dập định hình I.6.2 Biến dạng nén Khi chịu tác dụng lực đặt dọc theo trục bị co lại Ta gọi chịu nén (hình I.6.2) Trong trình biến dạng trục thẳng (đường đứt nét biểu diễn hình dạng sau biến dạng) Trạng thái dẻo vật thể biến dạng chủ yếu gây nên ứng suất nén nhiều chiều Thuộc nhóm có phương pháp cán, rèn tự do, rèn khuôn, ép chảy I.6.3 Biến dạng uốn Khi chịu tác dụng lực vng góc với trục thanh, trục bị uốn cong, ta gọi chịu uốn (hình I.6.3) SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 10 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH Nếu có rắn từ dài (đo mét [m], theo hệ SI) có cường độ cực từ I (đo Weber [Wb]) tích I gọi momen từ, đặc trưng cho khả chịu tác dụng từ trường thanh, ký hiệu đại lượng vector: =I (4.1) Đơn vị Weber.meter, [Wb.m] IV.2.2 Độ từ hóa Tổng momen từ đơn vị thể tích chất rắn gọi từ độ hay độ từ hóa, đặc trưng cho từ tính chất rắn, ký hiệu J, vector: = (4.2) Đơn vị [Wb/] hay Tesla [T] IV.2.3 Từ trường Khoảng khơng gian xung quanh cực từ có từ trường , đặc trưng cho tác dụng từ tính cực từ lên cực từ khác Đơn vị cường độ từ trường Ampere/met [A/m] IV.2.4 Hệ số từ hóa χ Mối quan hệ từ độ từ trường xác định qua biểu thức: =χ (4.3) Đại lượng không thứ nguyên χ gọi độ cảm từ hay hệ số từ hóa, đặc trưng mức độ hấp thụ từ tính đơn vị thể tích chất rắn, = π.[H/m] độ từ thẩm chân không Người ta dùng đại lượng cảm ứng từ hay mật độ từ thông đo Tesla [T] đặc trưng cho mức độ hấp thu từ tính chất rắn: = + [T] Thay từ (4.3) vào (4.4) ta được: SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 24 (4.4) TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH = () = (4.5) Trong đó, µ = (χ +1) độ từ thẩm chất rắn, đại lượng không thứ nguyên IV.3 Phân loại vật liệu từ IV.3.1 Chất nghịch từ Chất nghịch từ chất có độ cảm từ χ có giá trị âm nhỏ 1, vào khoảng Nguồn gốc tính nghịch từ chuyển động điện tử quỹ đạo quanh hạt nhân, tạo từ trường có chiều ngược với từ trường ngồi (hình IV.3.1) IV.3.2 Chất thuận từ SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 25 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH Chất thuận từ có độ từ hóa χ > nhỏ, cỡ tỷ lệ với 1/T Khi chưa có từ trường ngoài, momen từ nguyên tử ion thuận từ định hướng hỗn loạn; có từ trường chúng xếp hướng với từ trường (hình IV.3.2) IV.3.3 Chất sắt từ Chất sắt từ có độ cảm từ χ có giá trị lớn, cỡ Ở T < (nhiệt độ Curie) từ độ giảm dần, khơng tuyến tính nhiệt độ tăng lên Tại T = từ độ biến Ở vùng nhiệt độ T > giá trị 1/ χ phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ Sắt từ vật liệu từ mạnh, chúng tồn momen từ tự phát, xếp cách có trật tự khơng có từ trường ngồi (hình IV.3.3) IV.3.4 Chất phản sắt từ Chất phản sắt từ chất từ yếu, χ ~ , phụ thuộc 1/ χ vào nhiệt độ khơng hồn tồn tuyến tính chất thuận từ có hõm nhiệt độ (gọi nhiệt độ Nell) Khi T < phản sắt từ tồn momen từ tự phát sắt từ chúng xếp đối song song đôi Khi T > xếp momen từ spin trở nên hỗn loạn χ lại tăng tuyến tính theo t chất thuận từ (hình IV.3.4) SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 26 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH IV.3.5 Chất feri từ Độ cảm từ chất feri từ có giá trị lớn, gần sắt từ ( χ ) tồn momen từ tự phát Tuy nhiên, cấu trúc tinh thể chúng gồm hai phân mạng mà momen từ spin (do tự quay điện tử tạo ra) có giá trị khác xếp phản song song với nhau, từ độ tổng cộng khác khơng khơng có từ trường ngồi tác dụng vùng nhiệt độ T < Vì feri từ gọi phản sắt từ khơng bù trừ Khi T > trật tự từ bị phá vỡ, vật liệu trở thành thuận từ (hình IV.3.5) IV.4 Bản chất từ tính vật liệu IV.4.1 Momen từ electron Để đơn giản ta coi quỹ đạo chuyển động điện tử quanh hạt nhân đường tròn có bán kính r, momen từ quỹ đạo electron xác định theo biểu thức sau: =i = =- =- (4.6) Ở e, m điện tích khối lượng electron; T, ω chu kì vận tốc góc quay electron quanh hạt nhân; = m momen động lượng quỹ đạo electron; diện tích quỹ đạo hình tròn; i = e/T cường độ dòng điện chuyển động electron quỹ đạo; vector đơn vị theo phương pháp tuyến với mặt phẳng quỹ đạo, xác định theo quy tắc “cái đinh ốc”: xoay đinh ốc theo chiều dòng điện chiều tiến đinh ốc chiều Vì electron mang điện tích âm nên chiều dòng điện ln ngược với chiều quay electron, ngược chiều với SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 27 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH Từ (4.6) suy quan hệ momen từ quỹ đạo momen động lượng electron xác định tỷ số từ hay tỷ số hồi chuyển: = =- (4.7) Vector momen từ quỹ đạo vector momen động lượng quỹ đạo electron hướng ngược chiều momen từ xác định theo chiều dòng điện momen động lượng xác định theo chiều chuyển động electron Trong học lượng tử mối quan hệ vector biểu thị dạng tốn tử: =Trị số mơđun: = (4.8) = Hình chiếu lên trục Oz: (4.9) = (4.10) với số lượng tử quỹ đạo ( = 0, 1, 2, 3…) số lượng tử hình chiếu momen động lượng trục z số lượng tử từ quỹ đạo ( = 0, ± 1, ± 2, …, ± ); ћ = h = 6,62607 J.s số Plank Mặt khác electron tự quay xung quanh (chuyển động nội tại) nên có momen từ riêng có giá trị lớn gấp lần momen từ quỹ đạo có mối quan hệ với momen động lượng riêng hay gọi spin electron theo biểu thức: =Hay: = (4.11) (4.12) Với s số lượng tử spin, đặc trưng cho trạng thái electron Chiếu lên trục Oz có: = = = (4.13) Giá trị = số lượng tử từ spin = = 0,9274 , [A.] SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 28 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH IV.4.2 Momen từ hạt nhân Hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương dao động nhiệt chỗ có spin tương tác với momen từ Về độ lớn, spin hạt nhân spin electron (do điện tích nhau), khối lượng hạt nhân thường lớn gấp lần khối lượng electron, theo biểu thức (4.13) momen từ hạt nhân phải nhỏ momen từ electron tới bậc, ảnh hưởng đến tính chất từ vật liệu, bỏ qua Tuy nhiên số trường hợp, ví dụ tượng cộng hưởng từ hạt nhân…, vai trò momen từ hạt nhân quan trọng IV.4.3 Momen từ tổng hợp nguyên tử Như trình bày trên, momen từ hạt nhân nhỏ bé, bỏ qua, momen từ nguyên tử tổng momen từ electron, tổng momen từ quỹ đạo electron: = (4.14) Theo học lượng tử ta có: = = (4.15) Với L = momen động lượng tổng cộng electron Momen từ spin nguyên tử : Và độ lớn momen từ spin: = = = (4.16) (4.17) Ở S = tổng số lượng tử trạng thái Momen từ tổng cộng nguyên tử: Và: = + = + = (L + 2S) (4.18) (4.19) Gọi J số lượng tử momen động lượng tồn phần electron, J nhận giá trị: J = L + S , L + S -1, L + S – 2,…, L – S L > S J = S + L, S + L -1, S + L – 2,…, S – L S > L SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 29 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN Khi có: Và hình chiếu lên trục z: GVHD: LÊ ĐÌNH =g (4.20) =g (4.21) Trong đó, g thừa số Landé hay thừa số tách mức từ, số lượng tử hình chiếu momen động lượng tồn phần, nhận (2J+1) giá trị: = 0, ±1, ±2, …, ±J V Đặc tính quang Đặc tính quang chất rắn hiểu phản ứng chất rắn tác động xạ điện từ đặc biệt ánh sáng nhìn thấy Khi chiếu tia sáng vào chất rắn, xảy tượng sau: truyền qua (transmission), khúc xạ (refraction), phản xạ (reflection) hấp thụ (absorption) Mỗi loại chất rắn có khả tương tác khác với tượng V.1 Khúc xạ Khúc xạ tượng ánh sáng vào chất rắn bị gãy bề mặt thay đổi vận tốc chất rắn Chỉ số khúc xạ hay gọi chiết suất chất rắn tỷ số tốc độ ánh sáng chân không c tốc độ pha xạ điện từ chất rắn: n= = = (5.1) Trong đó: + , số điện môi độ từ thẩm môi trường đẳng hướng + , số điện môi độ từ thẩm chân không, = , + , số điện môi tỉ đối độ từ thẩm tỉ đối chất rắn V.2 Phản xạ Phản xạ tượng ánh sáng vào chất rắn có phần bị phản xạ trở lại mặt phân cách SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 30 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH Hệ số phản xạ R() xác định tỷ số cường độ ánh sáng phản xạ (λ) cường độ ánh sáng tới (λ): R() = (5.2) Đây đại lượng khơng có thứ ngun, thường biểu diễn dạng phần trăm (%) Hệ số phản xạ chất rắn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tới R = f(λ) Sự phụ thuộc gọi phổ phản xạ V.3 Hấp thụ Hấp thụ ánh sáng tượng môi trường vật chất làm giảm cường độ chùm ánh sáng truyền qua Bức xạ ánh sáng hấp thụ theo hai chế: Cơ chế 1: Hấp thụ phân cực điện tử Cơ chế hấp thụ đóng vai trò quan trọng tần số ánh sáng lân cận tần số hồi phục nguyên tử Bản chất ánh sáng sóng điện từ nên có tương tác với đám mây electron bao quanh nguyên tử, tạo nên phân cực điện tử Hệ quả: + Đám mây electron nguyên tử bị biến dạng, lệch so với hạt nhân + Một phần lượng ánh sáng bị hấp thụ + Vận tốc ánh sáng bị chậm lại tạo nên khúc xạ Cơ chế 2: Hấp thụ chuyển mức điện tử từ dải hóa trị dải dẫn Cơ chế hấp thụ phụ thuộc vào cấu trúc dải lượng chất rắn Electron thuộc lớp vỏ nguyên tử, ion nhận lượng ánh sáng, nhảy từ trạng thái bền lên trạng thái kích thích Chỉ xạ có lượng thích hợp giúp electron chuyển sang trạng thái kích thích (bước sóng bị hấp thụ): = (5.3) + Electron tiếp nhận lượng từ photon nhảy lên mức lượng cao hấp thụ tự phát (hình V.3.1a) SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 31 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH + Electron xạ lượng dạng photon nhảy xuống mức lượng thấp xạ tự phát (hình V.3.1b) Hệ số hấp thụ (λ) Năm 1729, Bouguer thiết lập định luật hấp thụ ánh sáng có nội dung sau: “Cường độ ánh sáng truyền qua môi trường giảm theo quy luật hàm mũ” Từ ta xây dựng hệ số hấp thụ (λ) Giả sử chùm tia sáng đơn sắc song song có cường độ rọi vng góc vào mơi trường đồng tính có chiều dày L giới hạn hai mặt song song (hình V.3.2) Do có hấp thụ mà cường độ ánh sáng khỏi môi trường < Chia mẫu vật thành vơ số lớp mỏng có độ dày dx, chọn phương x phương truyền chùm tia sáng, gốc tọa độ O nằm mặt trước môi trường mà ánh sáng truyền qua Độ giảm cường độ dI lớp mỏng có độ dày dx chất hấp thụ tỷ lệ với độ dày dx với cường độ ánh sáng tới Ta có: dI = - I.dx Dấu “-” giảm cường độ ánh sáng qua môi trường, hệ số tỉ lệ SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 32 (5.4) TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH Để tìm cường độ I ánh sáng khỏi chất hấp thụ, ta lấy tích phân hai vế biểu thức (5.4), cận x chạy từ đến L khơng phụ thuộc vào x nên ta đưa khỏi dấu tích phân: =hay -== (5.5) Từ ta suy hệ số hấp thụ: (λ) = (5.6) Như vậy, hệ số hấp thụ (λ) xác định phần cường độ ánh sáng bị suy giảm qua đơn vị bề dày mẫu; (λ) xem xác suất hấp thụ photon ánh sáng bề mặt đơn vị bề dày mẫu Hệ số hấp thụ có thứ nguyên nghịch đảo đơn vị dài () Nó phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, phụ thuộc = f(λ) gọi phổ hấp thụ, ta nói hấp thụ có tính chọn lọc V.4 Truyền qua Hệ số truyền qua T( xác định tỷ số cường độ ánh sáng truyền qua mẫu cường độ ánh sáng tới: T( = (5.7) Với T( đại lượng không thứ nguyên, thường biểu diễn dạng phần trăm (%) Khi chùm sáng tới có cường độ chiếu tới bề mặt mẫu có bề dày L hệ số hấp thụ , cường độ tia truyền qua mặt sau là: = với R hệ số phản xạ Khi hệ số truyền qua T( = (5.8) (5.9) Hệ số truyền qua phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, phụ thuộc gọi phổ truyền qua mẫu SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 33 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH V.5 Mối quan hệ hệ số quang chất rắn Khi ánh sáng đến bề mặt chất rắn, cường độ ánh sáng tới (λ) bị phân tách thành ba phần: phần qua có cường độ sáng , phần bị hấp thụ có cường độ sáng phần bị phản xạ có cường độ sáng (λ) = + + Hay (5.10) = + + T+ +R=1 (5.11) Khi R = max vật thể màu trắng Khi = max vật thể màu đen Khi T = max vật thể suốt VI Đặc tính âm VI.1 Sóng âm, hệ số âm học Sóng âm sóng (hay sóng đàn hồi) lan truyền môi trường rắn, lỏng, khí có biên độ dao động thính giác nhận biết Chẳng hạn dao động sóng phát từ dây đàn, mặt trống rung động Trong mơi trường, sóng âm truyền tắt dần lượng âm chuyển thành dạng lượng khác Khi sóng âm tới bề mặt kết cấu hay vật thể bất kỳ, lượng âm tới phân thành phận: phận phản xạ trở gọi lượng âm bị phản xạ, kí hiệu ; phận tổn thất vật liệu gọi lượng âm bị hấp thụ, kí hiệu ; phận xuyên qua kết cấu tiếp tục lan truyền gọi lượng âm bị xuyên qua, kí hiệu Tương ứng, có hệ số phản xạ , hệ số hấp thụ hệ số xuyên qua Hệ số phản xạ : đặc trưng cho tính chất phản xạ sóng âm Nếu lượng sóng tới thì: = (6.1) Hệ số xuyên qua : đặc trưng cho tính chất xun qua sóng âm = Hệ số hấp thụ : đặc trưng cho tính hấp thụ sóng âm SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 34 (6.2) TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH = (6.3) Các hệ số âm phụ thuộc nhiều yếu tố, thực tế thường xác định thực nghiệm Theo định luật bảo toàn lượng: = + + đó: + + =1 (6.4) (6.5) VI.2 Vật liệu hút âm vật liệu cách âm Khả hút cho âm qua vật liệu đặc trưng tính hút âm, khả phản xạ âm vật liệu đặc trưng tính cách âm Những vật liệu có tính chất hút lượng âm thuộc vật liệu hút âm, vật liệu có khả ngăn cản xuyên âm vật liệu cách âm VI.2.1 Vật liệu hút âm a Định nghĩa Hút âm khả hấp thu âm vật liệu kết cấu xây dựng Vật liệu hút âm tập trung vào độ lớn nhỏ lượng âm phản xạ, mục đích nhằm tối thiểu hóa lượng âm phản xạ Khả hấp thu âm phụ thuộc vào đặc tính bề mặt, chất vật liệu Hầu hết khả hút âm vật liệu xây dựng dựa vào tính rỗng Sóng âm tới gây áp lực bề mặt kết cấu, áp lực đẩy khơng khí dao động lui tới khe rỗng, lượng âm bị tiêu hao Khi tới bề mặt vật liệu dễ uốn, sóng âm cưỡng kết cấu dao động uốn cong, trở lực uốn cong lớn, lượng âm tiêu hao nhiều, vật liệu rỗng, kết cấu dễ uốn cong thường dùng để hút âm Ngồi có vật liêu đặc chế chun dụng để hút âm b Hệ số hút âm � Hệ số hút âm liên quan đến lượng tổn thất so với lượng tới: SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 35 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH = (6.6) Cơng thức tính lượng hút âm của vật liệu hay kết cấu là: ΔL = Σ10(), decibel [dB] (6.7) Trong đó: diện tích bề mặt hút âm vật liệu hay kết cấu, []; hệ số hút âm bề mặt vật liệu hay kết cấu VI.2.2 Vật liệu cách âm a Định nghĩa Cách âm khả làm giảm dòng âm truyền qua kết cấu xây dựng Vật liệu chặn truyền âm tạo môi trường yên tĩnh gọi vật liệu cách âm Khi âm vào vật liệu, lượng xuyên qua mặt bên vật liệu nhỏ, chứng tỏ vật liệu có khả cách âm tốt Vật liệu cách âm tập trung vào độ lớn nhỏ lượng âm xuyên qua mặt bên kia, mục đích nhằm tối thiểu hóa lượng âm xuyên qua Khả cách âm kết cấu xây dựng phụ thuộc vào cấu tạo lớp vật liệu lớp kết cấu b Hệ số cách âm ξ Chênh lệch decibel (dB) lượng âm vào lượng âm xuyên qua mặt khác lượng cách âm vật liệu Hệ số cách âm liên quan đến lượng xuyên qua so với lượng tới: = Mối quan hệ hệ số hút âm hệ số cách âm: + ξ = SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 36 (6.8) (6.9) TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH C - KẾT LUẬN Thơng qua tiểu luận, người đọc nắm đặc tính cơ, nhiệt, điện, từ, quang, âm chất rắn, cụ thể: Trong đặc tính cơ: hiểu khái niệm nội lực, điều kiện xuất nội lực chất rắn; ứng suất toàn phần điểm chất rắn để từ xây dựng cơng thức tính ứng suất mặt cắt; hiểu biến dạng dọc ngang mối quan hệ ứng suất pháp độ biến dạng tương đối mặt cắt vật vật chịu kéo chịu nén dựa vào định luật Hooke, biểu diễn mối quan hệ thơng qua đường cong ứng suất – biến dạng; biết nhóm phương pháp biến dạng lớn: kéo, nén, uốn, cắt, xoắn Trong đặc tính nhiệt: hiểu khái niệm nhiệt dung, phân biệt nhiệt dung riêng, nhiệt dung phân tử, nhiệt dung đẳng tích nhiệt dung đẳng áp; tìm hiểu nhiệt dung chất rắn dao động mạng theo lý thuyết cổ điển xét nhiệt độ cao lý thuyết nhiệt dung theo quan điểm học lượng tử nhiệt độ thấp; tìm hiểu ứng suất nhiệt, hệ số dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt chế dẫn nhiệt chất rắn Trong đặc tính điện: tìm hiểu lý thuyết phân vùng lượng chất rắn, từ phân chia vật liệu kỹ thuật điện thành loại: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn vật liệu cách điện; biết số thông số vật liệu dẫn điện điện trở, điện dẫn, điện trở suất, điện dẫn suất tìm hiểu tính dẫn điện chất rắn Trong đặc tính từ: tìm hiểu tượng từ hóa, đại lượng đặc trưng cho từ tính vật rắn momen từ, độ từ hóa, cường độ từ trường, hệ số từ hóa; phân loại vật liệu từ: nghịch từ, thuận từ, sắt từ, phản sắt từ feri từ chất từ tính vật liệu Trong đặc tính quang: tìm hiểu tượng quang xảy tương tác vật rắn với tác động xạ điện từ: truyền qua, khúc xạ, phản xạ hấp thụ Trong đặc tính âm: tìm hiểu hệ số âm học bản: hệ số phản xạ, hệ số xuyên qua, hệ số hấp thụ có hiểu biết vật liệu hút âm, vật liệu cách âm SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 37 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH D – TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TSKH Nguyễn Tất Tiến, Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, NXB Giáo dục, 2004 [2] Th.S Trần Chí Thanh, Giáo trình lực học, Tiền Giang, 2012 [3] Cơ học ứng dụng, Giáo trình nghề cơng nghệ ô tô, Trường Trung cấp nghề Giao thông vận tải Hải Phòng [4] Nguyễn Phú Bình, Bài giảng Sức bền vật liêu, Trường Trung cấp Cầu đường dạy nghề, 2010 [5] PGS.TS Đỗ Ngọc Uấn, Giáo trình vật lý chất rắn, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2003 [6] PGS Hồng Đình Tín, Truyền nhiệt tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, NXB Khoa học Kĩ thuật, 2001 [7] W Kurz, Gerald Zambelli, Jean P Mercier, Introduction to Materials Science, 2002 [8] Giáo trình vật liệu điện, Trường Cao đẳng nghề Quy Nhơn, TP Quy Nhơn, 2009 [9] Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện, Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên [10] Bài giảng Vật liệu điện, Trường Cao đẳng Cơ điện Nông nghiệp Nam Bộ, 2009 [11] Giáo Trình Vật Lý Đại Cương – Tập I: Cơ - Nhiệt - Điện, Trường ĐH Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh, 2006 [12] Lê Khắc Bình, Cơ sở vật lý chất rắn, NXB ĐH Quốc gia TP.HCM, 2006 [13] Nguyễn Mạnh Tuấn, Công nghệ khoa học vật liệu đại cương, ĐH Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh, 2008 [14] Việt Hà, Nguyễn Ngọc Giả, Cơ sở Âm học kiến trúc, NXB Xây dựng, Hà Nội, 2010 SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 38 ... vật lý chun nghiên cứu tính chất vật lý chất rắn gọi vật lý chất rắn nhánh vật lý vật chất cô đặc (cũng bao gồm chất lỏng) Từ mơ hình đơn giản rút tính chất vật liệu kim loại, chất bán dẫn, chất. .. phần vật chất Đề tài:“ Các đặc tính vật lí chất rắn tập trung giới thiệu vấn đề nhóm đặc tính quan trọng chất rắn: đặc tính (mechanical properties), đặc tính nhiệt (thermal properties), đặc tính. .. vật lí chất rắn III Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài - Xây dựng hệ thống sở lý thuyết giải vấn đề đặt đề tài - Xây dựng công thức vật lý thể tính chất chất rắn, hệ số đặc trưng tính chất vật liệu rắn