Giáo trình vật liệu điện

Chỉång 1 CÁÚU TẢO VÁÛT CHÁÚT I . Cáúu tảo nguyãn tỉí Táút caí cạc cháút âãưu täưn tải åí 3 trảng thại ràõn , loíng , khê ,âãưu âỉåüc cáúu tảo bàịng 3 hảt cå baín : proton , notron vaì electron - Nguyãn tỉí : laì pháưn nhoí nháút cuía 1 phán tỉí cọ thãø tham gia phaín ỉïng hoạ hoüc .Nguyãn tỉí gäưm cọ hảt nhán vaì låïp voí âiãûn tỉí nhỉ hçnh veỵ + Hảt nhán gäưm cọ cạc hảt : Proton vaì Notron + Voí nguyãn tỉí gäưm cọ cạc hảt electron chuyãøn âäüng xung quanh hảt nhán theo nhỉỵng qué âảo xạc âënh , tuyì theo mỉïc nàng lỉåüng cạc âiãûn tỉí maì âỉåüc xàõp xãúp thaình låïp Vãư âiãûn: Proton vaì electron mang cuỵng trë säú âiãûn têch q = 1,6 . 10-19 C nhỉng ngỉåüc dáúu nhau . Ngỉåìi ta kê hiãûu âiãûn têch Proton laì +q , vaì cuía Notron laì -q.Hảt notron trung hoaì vãư âiãûn . Váûy âiãûn têch cuía hảt nhán chênh laì âiãûn têch Proton coìn låïp voí laì âiãûn têch cuía electron. Vãư khäúi lỉåüng: Proton vaì Notron mang khäúi lỉåüng xáúp xè nhau mP = mN = 1,67 . 10-27 kg = 1 âvc ,coìn electron cọ khäúi lỉåüng ráút bẹ so våïi khäúi lỉåüng cuía proton hồûc notron ráút nhiãưu (me=9,1.10-31kg)=> khäúi lỉåüng nguyãn tỉí xem nhỉ laì khäúi lỉåüng hảt nhán vaì tênh bàịng täøng khäúi lỉåüng Proton vaì Notron. Vãư säú lỉåüng: Säú hảt Proton bàịng säú hảt electron, do âọ åí trảng thại bçnh thỉåìng nguyãn tỉí trung hoaì vãư âiãûn Täøng säú hảt Proton vaì Notron goüi laì säú khäúi kê hiãûu laì A ,säú Proton goüi laì säú hiãûu nguyãn tỉí kê hiãûu laì Z , säú hiãûu nguyãn tỉí laì âàûc trỉng tênh cháút váût lyï cuía nguyãn täú, säú electron låïp ngoaìi cuìng âàûc trỉng tênh cháút hoạ hoüc cuía nguyãn täú II. Phán tỉí : Laì pháưn nhoí nháút cuía 1 cháút åí trảng thại tỉû do maì cọ thãø mang âáưy âuí tênh cháút cuía cháút âọ Trong phán tỉí cạc nguyãn tỉí liãn kãút våïi nhau bàịng liãn kãút hoạ hoüc 2.1 Liãn kãút cäüng hoạ trë : laì mäúi liãn kãút giỉỵa cạc nguyãn tỉí trong cạc phán tỉí håüp cháút hồûc âån cháút bàịng nhỉỵng càûp electron duìng chung . vê dủ : Phán tỉí clo Moỵi nguyãn tỉí clo cọ 7 electron låïp ngoaìi , khi 2 nguyãn tỉí clo lải gáưn nhau , moỵi nguyãn tỉí gọp 1 electron âãø tảo thaình càûp âiãûn tỉí duìng chung Hảt nhán Voí âiãûn tỉí Cl Cl ClCl+ --> - Mäúi liãn kãút cäüng hoạ trê xaíy ra giỉỵa cạc nguyãn tỉí cạc nguyãn täú hoạ hoüc cọ tênh cháút gáưn giäúng nhau ,vê dủ ( Ar,He, O2,Cl2,H2,H2O,CO2,NH3 . . .) - Tuyì theo cáúu trục cạc phán tỉí âäúi xỉïng hay khäng âäúi xỉïng maì ta chia cạc phán tỉí ra laìm 2 loải + Phán tỉí khäng phán cỉûc laì phán tỉí maì troüng tám âiãûn têch ám truìng våïi troüng tám âiãûn têch dỉång + Phán tỉí phán cỉûc laì phán tỉí maì troüng tám âiãûn têch ám vaì troüng tám âiãûn têch dỉång cạch nhau 1 khoaíng l Âãø âàûc trỉng cho sỉû phán cỉûc ngỉåìi ta duìng momen lỉåỵng cỉûc Pe =q . l Trong âọ : q : âiãûn têch l : cọ chiãưu tỉì -q âãún +q vaì cọ âäü låïn laì chiãưu daìi l (khoaíng cạch giỉỵa troüng tám âiãûn têch ám vaì troüng tám âiãûn têch dỉång ) 2.2 Liãn kãút ion : - Laì mäúi liãn kãút âỉåüc tảo nãn båỵi lỉûc hụt giỉỵa ion ám vaì ion dỉång . Liãn kãút naìy chè xaíy ra giỉỵa cạc nguyãn tỉí cuía cạc nguyãn täú hoạ hoüc cọ tênh cháút khạc nhau - Âàûc trỉng cho dảng liãn kãút kim loải laì liãn kãút giỉỵa kim loải vaì phi kim âãø tảo thaình muäúi . Củ thãø laì halogen vaì kim loải kiãưm goüi laì muäúi halogen cuía kim loải kiãưm - Nhỉỵng cháút ràõn cọ cáúu tảo liãn kãút ion thỉåìng ráút bãưn vỉỵng vãư nhiãût vaì âỉåüc tảo ra dảng tinh thãø khạc nhau Vê dủ : liãn kãút giỉỵa Na vaì Cl trong muäúi NaCl laì liãn kãút ion (vç Na cọ 1electron låïp ngoaìi cuìng -> dãù nhỉåìng 1 electron tảo thaình Na+ , Clo cọ 7electron låïp ngoaìi cuìng -> dãù nháûn 1 e vaì tảo thaình Cl- . Hai ion trại dáúu naìy seỵ hụt láùn nhau vaì tảo thaình phán tỉí NaCl ) , muäúi NaCl cọ tênh cháút hụt áøm , tnc = 800 oC , tsäi <1450oC 2.3 Liãn kãút kim loải : - Kim loảichè cọ thãø täưn tải dỉåïi dảng nguyãn tỉí riãng biãût khi åí dảng khê . Khi åí dảng thãø ràõn hồûc loíng , kim loải tråí thaình ion dỉång vaì âiãûn tỉí tỉû do chuyãøn âäøi häùn loản .Cạc âiãûn tỉí naìy gàõn cạc ion kim loải lải våïi nhau tảo thaình liãn kãút kim loải . Dảng liãn kãút naìy giaíi thêch âỉåüc nhỉỵng tênh cháút âàûc trỉng cuía kim loải : - Tênh nguyãn khäúi (ràõn ) : Lỉûc hụt giỉỵa cạc ion ám vaì cạc âiãûn tỉí tảo nãn tênh nguyãn khäúi , kim loải thỉåìng åí dảng tinh thãø ( mảng lủc giạc ) - Tênh deío : do sỉû dëch chuyãøn vaì trỉåüt lãn nhau cuía cạc ion - Do täưn tải cạc âiãûn tỉí tỉû do nãn kim loải thỉåìng cọ ạnh kim , dáùn âiãûn vaì dáùn nhiãût cao 2.4 Liãn kãút Vandecvan: Laì mäúi liãn kãút yãúu nháút trong cạc liãn kãút thỉåìng tảo nãn nhỉỵng cháút khäng bãưn vãư nhiãût vaì cå ( dãù nọng chaíy vaì mãưm) II. Khuyãút táût trong váût ràõn Trong thỉûc tãú cạc mảng tinh thãø cọ cáúu trục âäưng âãưu hồûc khäng âäưng âãưu .Tuy nhiãn trong ké thuáût ta sỉí dung nhỉỵng váût liãûu cọ cáúu trục âäưng âãưu vaì caí khäng âäưng âãưu Mảng tinh thãø cọ trỉåìng ténh âiãûn biãún âäøi cọ chu kç goüi laì mảng tinh thãø âäưng âãưu ngỉåüc lải goüi laì khäng âäưng âãưu hay goüi laì khuyãút táût trong váût liãûu Khuyãút táût trong váût ràõn : Laì báút kç 1 hiãûn tỉåüng naìo laìm cho trỉåìng ténh âiãûn cuía mảng tinh thãø máút tênh chu kç Cạc dảng khuyãút táût trong váût ràõn thỉåìng laì : tảp cháút , âoản táưng , khe raỵnh . . . -Khuyãút táût trong váût ràõn tảo ra nhỉỵng tênh cháút váût lyï âàûc biãût , âỉåüc ỉïng dung trong ké thuáût cạc váût liãûu vaì cạc dung củ ráút khạc nhau vê dủ : cháút bạn dáùn n-p , cạc håüp kim âiãûn tỉí . . . III. Lyï thuyãút phán vuìng nàng lỉåüng Táút caí cạc váût liãûu âãưu thuäüc 1 trong 3 nhọm : Bạn dáùn , dáùn âiãûn , cạch âiãûn ( âiãûn mäi) .Sỉû khạc nhau cuía cạc cháút âỉåüc giaíi thêch nhåì vaìo lyï thuyãút phán vuìng nàng lỉåüng Näüi dung lyï thuyãút phán vuìng nàng lỉåüng : - Cạc nguyãn tỉí cọ mỉïc nàng lỉåüng khạc xạc âënh - Cạc nguyãn tỉí åí trảng thại bçnh thỉåìng (khäng bë kêch thêch ) 1 säú mỉïc nàng lỉåüng âỉåüc cạc âiãûn tỉí láúp âáưy coìn cạc mỉïc nàng lỉåüng khạc âiãûn tỉí chè cọ thãø cọ màût khi nguyãn tỉí bë kêch thêch, cạc nguyãn tỉí bë kêch thêch cọ xu hỉåïng tråí vãư trảng thại bçnh thỉåìng, khi tråí vãư trảng thại bçnh thỉåìng seỵ phạt ra nàng lỉåüng dỉåïi dảng foton ạnh sạng. - Trong cạc váût ràõn do cạc nguyãn tỉí åí gáưn nhau cạc mỉïc nàng lỉåüng bë xã dëch tảo thaình cạc vuìng nàng lỉåüng. Tảp cháút Läù träúng Tinh thãø lyï tỉåíng Chỉïa tảp cháút Chỉïa läù träúng Cheìn nguyãn tỉí vaìo giỉỵa Dëch chuyãøn - Giaíi thêch tênh cháút cuía cạc nhọm : 3.1 Âäúi våïi kim loải (váût dáùn ) : - Khoaíng cạch giỉỵa vuìng láúp âáưy vaì vuìng tỉû do ráút nhoí eVW 2.0≤∆ Trong trỉåìng håüp naìy, dỉåïi tạc dủng cuía chuyãøn âäüng nhiãût, âiãûn tỉí åí vuìng láúp âáưy dãù daìng nhaíy lãn vuìng tỉû do vaì tråí thaình âiãûn tỉí tỉû do tham gia dáùn âiãûn. Vç váûy, âäúi våïi váût liãûu naìy tênh dáùn âiãûn cao vaì âiãûn tråí suáút ρ = 10-6 -- >10-3 m.Ω 3.2 Âäúi våïi váût liãûu cạch âiãûn (âiãûn mäi ) : Bãư räüng vuìng cáúm W∆ ≥ 1.5eV , do âọ âãø 1 âiãûn tỉí tỉì vuìng hoạ trë lãn vuìng rỉû do phaíi cung cáúp 1 nàng lỉåüng ≥ 3eV. Do nàng lỉåüng yãu cáưu låïn nãn khọ cọ âiãûn tỉí chuyãøn tỉì vuìng hoạ trë lãn vuìng tỉû do, nãn khaí nàng dáùn âiãûn kẹm , thãø hiãûn ρ = 109 -->1018 Ω .m 3.3 Âäúi våïi váût liãûu bạn dáùn : W 4 5 3 1 2 W 1- mỉïc nàng lỉåüng bçnh thỉåìng cuía nguyãn tỉí 2 : vuìng âiãûn tỉí láúp âáưy 3 : Mỉïc nàng lỉåüng kêch thêch cuía nguyãn tỉí 4 : Vuìng tỉû do 5 : Vuìng cáúm 5 2 4 W 5 2 4 W > = 3eV≥∆W 1.5eV Váût liãûu naìy cọ bãư räüng vuìng cáúm nàịm giỉỵa váût dáùn vaì váût cạch âiãûn 0.2< W∆ <1.5eV, nãn ngay åí nhiãût âäü bçnh thỉåìng mäüt säú âiãûn tỉí trong vuìng láúp âáưy våïi sỉû tiãúp sỉïc cuía chuyãøn âäüng nhiãût âaỵ cọ thãø di chuyãøn tåïi vuìng tỉû do âãø hçnh thaình tênh dáùn âiãûn cuía váût liãûu. Dãù daìng nháûn tháúy ràịng, säú lỉåüng âiãûn tỉí åí vuìng tỉû do phủ thuäüc vaìo nhiãût âäü. Nhiãût âäü caìng cao tênh dáùn âiãûn cuía váût liãûu caìng låïn. Khi mäüt âiãûn tỉí naìo âọ thoạt khoíi vuìng láúp âáưy thç tải âọ hçnh thaình " läù träúng". Läù träúng naìy láûp tỉïc âỉåüc láúp kên båỵi cạc âiãûn tỉí cuía nguyãn tỉí lán cáûn. Âiãûn tỉí naìy seỵ âãø lải mäüt läù träúng, läù träúng âọ cuỵng bë traìn ngáûp båỵi âiãûn tỉí cuía nguyãn tỉí lán cáûn khạc. Nhỉ vängsex hçnh thaình nhỉỵng càûp "âiãûn tỉí -läù träúng" trong cháút bạn dáùn âiãûn. Sỉû di chuyãøn cuía càûp âiãûn tỉí läù träúng naìy seỵ tảo nãn tênh dáùn âiãûn cuía váût liãûu. Âiãûn dáùn cuía loải váût liãûu naìy nàịm trong khoaíng ρ = 10-4 -->108 Ω 5 2 4 W < = 3eV