Đang tải... (xem toàn văn)
Phần 1 của giáo trình Vật liệu điện, điện tử cung cấp cho học viên những nội dung về: cấu tạo và phân loại vật chất, cấu tạo nguyên tử, phân tử, lý thuyết phân vùng năng lượng, phân loại vật chất; vật liệu dẫn điện; vật liệu cách điện;... Mời các bạn cùng tham khảo!
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Ths Tống Thị Phượng (Chủ biên) Ths Đoàn Thị Như Quỳnh GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐIỆN, ĐIỆN TỬ DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH – 2014 LỜI MỞ ĐẦU Giáo trình “Vật liệu kỹ thuật điện, điện tử” tài liệu biên soạn để phục vụ cho việc giảng dạy, học tập giảng viên sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Giáo trình biên soạn theo đề cương học phần “Vật liệu kỹ thuật điện, điện tử” trình độ đại học ngành Cơng nghệ kỹ thuật điện, điện tử nhà trường thông qua Giáo trình gồm chương: Chương 1.Cấu tạo phân loại vật chất: Giới thiệu cấu tạo nguyên tử, phân tử, lý thuyết phân vùng lượng, phân loại vật chất Chương Vật liệu dẫn điện: Trình bày trình vật lý vật liệu dẫn điện tính chất chúng Giới thiệu vật liệu có điện dẫn cao, vật liệu dẫn điện có điện trở cao Chương Vật liệu cách điện: Trình bày q trình vật lý điện mơi tính chất chúng, phân loại vật liệu cách điện Giới thiệu vật liệu cách điện thể khí, thể lỏng, thể rắn Chương Vật liệu bán dẫn: Giới thiệu khái niệm chung vật liệu bán dẫn, tính dẫn điện vật liệu bán dẫn, tiếp xúc p-n số chất bán dẫn thông dụng Chương Vật liệu từ: Giới thiệu khái niệm chung vật liệu từ Tổng quan vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng vật liệu từ có cơng dụng đặc biệt Trong trình biên soạn giáo trình, cố gắng không tránh khỏi thiếu sót Kính mong đồng nghiệp bạn đọc đóng góp ý kiến để giáo trình hồn thiện Quảng Ninh, tháng năm 2014 Người biên soạn Tổng Thị Phượng Chương CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT CHẤT 1.1 Cấu tạo vật chất 1.1.1 Cấu tạo nguyên tử Như biết vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử phần tử vật chất Theo mơ hình ngun tử Rutherford, ngun tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích dương nhỏ bé, tập trung phần lớn khối lượng nguyên tử trung tâm, điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân quỹ đạo giống hành tinh quay xung quanh Mặt Trời (hình 1-1) Hình 1-1 Mơ hình ngun tử Rutherford Hạt nhân nguyên tử tạo nên từ hạt proton nơtron, nơtron hạt không mang điện tích, proton có điện tích dương với số lượng Z.q Trong đó: Z – Số lượng điện tử nguyên tử đồng thời số thứ tự nguyên tố nguyên tử bảng tuần hồn Mendeleep; q – Điện tích điện tử e (qe = 1,601.10-19 culơng) Proton có khối lượng 1,67.10-27kg; e – Electron có khối lượng 9,1.10-31kg Ở trạng thái bình thường ngun tử trung hịa điện, tức nguyên tử có tổng điện tích dương hạt nhân tổng điện tích âm điện tử Nếu lý đó, nguyên tử hay nhiều điện tử trở thành điện tích dương, ta thường gọi ion dương Ngược lại, nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử trở thành ion âm Để có khái niệm lượng điện tử ta xét nguyên tử hyđrô, nguyên tử cấu tạo từ proton điện tử Khi điện tử chuyển động quỹ đạo trịn bán kính r xung quanh hạt nhân điện tử chịu lực hút hạt nhân f1 xác định công thức sau: f1 q2 r2 (1-1) Lực hút f1 cân với lực ly tâm chuyển động f2: mv f2 (1-2) Trong đó: m - Khối lượng điện tử; v - Tốc độ chuyển động điện tử q2 Từ (1-1) (1-2) ta có f1 = f2 hay: mv r Trong trình chuyển động, điện tử có động T = (1-3) mv q2 U = nên lượng điện tử bằng: r q2 W=T+U=2r (1-4) Biểu thức (1-4) chứng tỏ điện tử nguyên tử có mức lượng định, lượng tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động điện tử Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r vơ cần phải q2 cung cấp cho lượng lớn 2r Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự người ta gọi lượng ion hóa (Wi) Khi bị ion hóa (bị điện tử), nguyên tử trở thành ion dương Q trình biến ngun tử trung hịa thành ion dương điện tử tự gọi trình ion hóa Trong ngun tử, lượng ion hóa lớp điện tử khác khác nhau, điện tử hóa trị ngồi có mức lượng ion hóa thấp chúng cách xa hạt nhân (biểu thức 1-4) Khi điện tử nhận lượng nhỏ lượng ion hóa chúng bị kích thích di chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác Song, chúng ln có xu trở vị trí trạng thái ban đầu Phần lượng cung cấp để kích thích nguyên tử trả lại dạng lượng quang học (quang năng) Trong thực tế, lượng ion hóa lượng kích thích ngun tử nhận từ nhiều nguồn lượng khác nhiệt năng, quang năng, điện năng, lượng tia sóng ngắn , , hay tia X 1.1.2 Cấu tạo phân tử Phân tử tạo nên từ nguyên tử thông qua liên kết hóa học Trong vật chất, tồn loại liên kết sau 1.1.2.1 Liên kết đồng hóa trị Liên kết đồng hóa trị đặc trưng dùng chung điện tử nguyên tử phân tử Khi đó, mật độ đám mây điện tử hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững Lấy cấu trúc phân tử clo làm ví dụ Phân tử clo (Cl 2) gồm nguyên tử clo, nguyên tử clo gồm có 17 điện tử, điện tử hóa trị lớp Hai nguyên tử liên kết bền vững với cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ nguyên tử bổ sung thêm điện tử nguyên tử (hình 1-2) Hình 1-2 Liên kết cộng hóa trị phân tử clo Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hóa trị trung tính hay cực tính (lưỡng cực) Phân tử có trọng tâm điện tích dương âm trùng phân tử trung tính Các chất tạo nên từ phân tử trung tính gọi chất trung tính Phân tử có trọng tâm điện tích dương điện tích âm khơng trùng nhau, cách khoảng cách “a” gọi phân tử cực tính hay cịn gọi lưỡng cực Phân tử cực tính đặc trưng momen lưỡng cực m = q.a Dựa vào trị số momen lưỡng cực phân tử, người ta chia thành chất cực tính yếu cực tính mạnh Những chất cấu tạo phân tử cực tính gọi chất cực tính Liên kết đồng hóa trị cịn thấy chất rắn vơ có mạng tinh thể cấu tạo từ nguyên tử, ví dụ kim cương Cấu tạo kim cương mơ tả hình 1-3 Hình 1-3 Cấu tạo tinh thể kim cương 1.1.2.2 Liên kết ion Liên kết ion xác lập lực hút ion dương ion âm phân tử Liên kết ion liên kết bền vững Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ điển hình tinh thể ion muối halogen kim loại kiềm Hình 1-4 Mơ hình mạng tinh thể NaCl Khả tạo nên chất hợp chất mạng không gian phụ thuộc chủ yếu vào kích thước ngun tử hình dáng lớp điện tử hóa trị ngồi 1.1.2.3 Liên kết kim loại Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn Kim loại xem hệ thống cấu tạo từ ion dương nằm môi trường điện tử tự (hình 1-5) Lực hút ion dương điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Chính vậy, liên kết kim loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Lực hút ion dương điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Hình 1-5 Sơ đồ cấu tạo kim loại Sự tồn điện tử tự làm cho kim loại có tính ánh kim tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo kim loại giải thích dịch chuyển trượt lớp ion, kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng 1.1.2.4 Liên kết VandeWaals Liên kết dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững Do vậy, liên kết phân tử liên kết VanderWaals có nhiệt độ nóng chảy độ bền thấp parafin 1.1.2.5 Liên kết hydro Liên kết hydro xuất trường hợp mà nguyên tử hydro liên kết vớí ngun tử có tính âm điện mạnh chẳng hạn flo, oxy, photpho, ni tơ Các nguyên tử điện tử liên kết mang điện tích âm, liên kết gây lực hút tĩnh điện hạt mang điện Một thí dụ điển hình liên kết loại liên kết xuất phân tử nước Liên kết O-H tạo thành nguyên tử oxy phân tử nước với nguyên hydro phân tử nước khác Nguyên tử hydro có điện tử hố trị, liên kết với ngun có lớp ngồi thiếu điện tử Nhưng hydro liên kết với hai nguyên tử lúc tạo thành liên kết hydro Đây dạng liên kết có hướng, lượng liên kết bé, nhỏ 20 kJ/mol 1.1.2.6 So sánh liên kết Liên kết thường gặp liên kết VanderWaals, xuất trường hợp loại liên kết yếu với lượng liên kết cỡ 104J/mol Liên kết xuất ngun tử, phân tử trung hồ có lớp vỏ điện tử bên đầy Liên kết ion loại liên kết điển hình, thường gặp chất vơ cơ, hợp chất kim loại với halogen, oxyt, kim loại, sulphua Vì vật rắn cấu tạo với liên kết ion hình thành lên mạng tinh thể ion, có nhiệt độ nóng chảy cao lượng liên kết cao Ở nhiệt độ thấp, điện dẫn điện tử yếu điện tử bị gắn chặt vào ion, tinh thể ion có tính chất điện môi Liên kết ion thường gặp kim loại chuyển tiếp (cadmi, selen, nitri ) Năng lượng liên kết ion lớn hẳn liên kết Van der Waals, đạt cỡ 106 J/mol Nhưng nhiệt độ cao chuyển động mạnh ion, nên điện dẫn ion xuất Liên kết cộng hoá trị có mặt chất hữu thường hay gặp hợp chất vô Liên kết dẫn đến tạo thành tinh thể hố trị điển Al, Ge Năng lượng liên kết ion thường cao khoảng 106J/mol Do chất có liên kết hố trị có điểm nóng chảy cao nhiệt dung lớn Liên kết kim loại xuất tạo thành điện tử hoá trị góp chung cho, đặc trưng cho kim loại điển hình Năng lượng liên kết bậc với với liên kết hoá trị Cuối liên kết hydro liên kết tương đối yếu Trong vật rắn thực, thường gặp thường gặp hai nhiều loại liên kết, có loại chiếm ưu quy định cấu trúc, tính chất vật liệu 1.1.3 Khuyết tật cấu tạo vật rắn Các tinh thể vật rắn có kết cấu đồng Sự phá hủy kết cấu đồng tạo nên khuyết tật vật rắn thường gặp nhiều thực tế Những khuyết tật tạo nên ngẫu nhiên hay cố ý q trình cơng nghệ chế tạo vật liệu Khuyết tật vật rắn tượng phá vỡ tính chất chu kỳ trường tĩnh điện mạng tinh thể như: Phá vỡ thành phần hợp thức, có mặt hợp chất lạ, áp lực học, lượng tử dao động đàn hồi – phonon, mặt tinh thể phụ - đoạn tầng, khe rãnh, lỗ xốp Hình 1-6 Các dạng khuyết tật vật rắn Khuyết tật làm thay đổi đặc tính học, lý học, hóa học tính chất điện vật liệu Khuyết tật tạo nên tính đặc biệt tốt, ví dụ vi mạch IC làm cho tính chất vật liệu đi, ví dụ vật liệu cách điện có lẫn kim loại 1.1.4 Các mạng tinh thể 1.1.4.1 Cấu trúc tinh thể Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) mạng lưới khơng gian ba chiều nút mạng đơn vị cấu trúc (nguyên tử , ion, phân tử ) - Tinh thể kim loại; - Tinh thể ion; - Tinh thể nguyên tử (Hay tinh thể cộng hoá trị); - Tinh thể phân tử 1.1.4.2 Khái niệm ô sở Là mạng tinh thể nhỏ mà cách tịnh tiến theo hướng ba trục tinh thể ta thu tồn tinh thể Mỗi sở đặc trưng thông số: Hằng số mạng: a, b, c, , , ; Số đơn vị cấu trúc: n; Số phối trí; Độ đặc khít 1.1.4.3 Mạng tinh thể kim loại a Một số kiểu mạng tinh thể kim loại * Mạng lập phương đơn giản - Đỉnh nguyên tử kim loại hay ion dương kim loại - Số phối trí = - Số đơn vị cấu trúc: * Mạng lập phương tâm khối - Đỉnh tâm khối hộp lập phương nguyên tử hay ion dương kim loại - Số phối trí = - Số đơn vị cấu trúc: * Mạng lập phương tâm diện - Đỉnh tâm mặt khối hộp lập phương nguyên tử ion dương kim loại - Số phối trí = 12 - Số đơn vị cấu trúc: * Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương) - Khối lăng trụ lục giác gồm ô mạng sở Mỗi ô mạng sở khối hộp hình thoi Các đỉnh tâm khối hộp hình thoi nguyên tử hay ion kim loại - Số phối trí = 12 - Số đơn vị cấu trúc: Hình 1-7 Mơ hình mạng tinh thể kim loại b Một số đặc điểm mạng tinh thể kim loại * Độ đặc khít mng tinh th Lập ph-ơng tâm khối Lập ph-ơng tâm mặt C A B B A A Lục ph-ơng chặt khÝt Hình 1-8 Mơ hình so sánh tính chặt khít mạng tinh thể kim loại * Hốc tứ diện hốc bát diện Hèc b¸t diƯn Hèc tø diƯn Hình 1-9 Mơ hình hốc tứ diện bát diện mạng tinh thể kim loại + Mạng lập phương tâm mặt: Hốc tứ diện 8; Hốc bát diện là: + 12.1/4 = + Mạng lục phương: Hốc tứ diện 4; Hốc bát diện là: + 12.1/4 = c Độ đặc khít mạng tinh thể * Mạng tinh thể lập phương tâm khối a a a = 4r Hình 1-10 Mơ hình mạng tinh thể lập phương tâm khối Số cầu ô sở : + 1/8 = Tổng thể tích cầu r 3 Thể tích ô sở = a3 * Mạng tinh thể lập phương tâm diện 3 (a ) = a3 = 68% a a a = 4.r Hình 1-11 Mơ hình mạng tinh thể lập phương tâm diện Số cầu ô sở : 1/2 + 1/8 = 4 r 3 Tổng thể tích cầu = = 4 (a ) = 74% Thể tích sở a3 a3 * Mạng tinh thể lục phương chặt khít Số cầu sở: 1/6 + 1/12 + = r 3 Tổng thể tích cầu = Thể tích sở a ( )3 = 2a a.a 2 a = 74% a 2a b= a a a a a a a = 2.r Ô sở a Hình 1-12 Mơ hình mạng tinh thể lục phương chặt khít Bảng 1-1 Tổng quát đặc điểm mạng tinh thể kim loại Số Số Số Số Độ đặc Cấu trúc Hằng số mạng hạt phối hốc hốc Kim loại khít (%) (n) trí T O Lập phương tâm khối (lptk:bcc) ===90o a=b=c Lập phương tâm diện (lptd: fcc) ===90o a=b=c 12 Lục phương đặc khít (hpc) == 90o =120o a≠b≠c 12 - 68 Kim loại kiềm, Ba, Fe, V, Cr, … 74 Au, Ag, Cu, Ni, Pb, Pd, Pt, … 74 Be, Mg, Zn, Tl, Ti, … - d Khối lượng riêng kim loại * Công thức tính khối lượng riêng kim loại D= 3.M P (*) D = (n.M) / (NA.V1 ô ) 4 r N A Trong đó: M - Khối lượng kim loại (g); NA - Số Avogadro; n - Số nguyên tử ô sở; (1-6) - Men thủy tinh: Loại thủy tinh đục dễ nóng chảy có độ bóng, dính tốt dùng để phủ lên mặt sản phẩm - Sợi thủy tinh: Là thủy tinh kéo thành sợi nhỏ , dài mềm dùng để sản xuất loại vải sợi thủy tinh sử dụng cho việc chịu nhiệt cách điện Loại hút ẩm, đàn hồi khơng chịu mài mòn nên cách điện thủy tinh dễ bị hư hỏng va chạm 3.7.6 Thủy tinh ceramic Thủy tinh ceramic (gốm thủy tinh) nhóm vật liệu tương đối mới, có tổ chức kết hợp vơ định hình tinh thể, bao gồm vài pha tinh thể phân bố pha vơ định hình Giai đoạn đầu vật liệu chế tạo theo cơng nghệ thủy tinh, có tổ chức gồm pha thủy tinh đồng Tạo hình sản phẩm thực trạng thái lỏng mềm Sau sản phẩm xử lý nhiệt theo chế độ xác định để thực trình tạo mầm kết tinh Các loại gốm thủy tinh kỹ thuật thường dựa sở thủy tinh gốc hệ SiO 2Al2O3 - LiO2, SiO2 - Al2O3 - MgO, SiO2 - Al2O3 - Na2O,… Để thuận lợi cho trình tạo mầm, người ta phải chọn thành phần thủy tinh gốc phù hợp đưa thêm vào chất xúc tác tạo mầm Pt, TiO2, ZrO2, SnO2, sulfit, fluorit,… Phần lớn thủy tinh gốm vật liệu không suốt, có loại suốt kích thước hạt pha tinh thể nhỏ (bé 0,4μm) Bằng cách điều khiển trình hình thành vi tinh thể, người ta chủ động tạo loại gốm thủy tinh với tính chất mong muốn Các tính chất cơng dụng gốm thủy tinh - Gốm thủy tinh không giãn nở nhiệt: Gốm thủy tinh có chứa pha tinh thể với hệ số giãn nở nhiệt đặc biệt nhỏ có trị số âm pha tinh thể phù hợp để có hệ số giãn nở chung vật liệu nhỏ khơng Vật liệu có độ bền xung nhiệt cao, ổn định kích thước nhiệt độ thay đổi - Gốm thủy tinh có độ bền học cao chịu mài mịn: Gốm thủy tinh có độ bền học cao, khả chịu mài mòn cao so với vật liệu thủy tinh Độ bền kéo khoảng 150Mpa ÷ 600Mpa - Gốm thủy tinh dễ gia cơng tạo hình phương pháp khí: Tính chất giúp cho việc chế tạo chi tiết lắp ghép vật liệu thuận lợi - Gốm thủy tinh có tính chất điện, từ đặc biệt: Các pha tinh thể có tính chất điện, từ đặc biệt chủ động tạo gốm thủy tinh mang lại cho vật liệu tính chất điện từ đặc biệt - Gốm thủy tinh sinh học: Gốm thủy tinh với thành phần hóa học thành phần pha thích hợp tạo mối liên kết trực tiếp kiểu sinh hóa 3.7.7 Ceramic Là vật liệu vơ dùng để sản xuất sản phẩm có hình dáng Sau đưa vào nung nhiệt độ cao Nếu ta chọn thành phần cấu tạo q trình cơng nghệ chế tạo thích hợp vật liệu gốm có độ bền cao, hệ số điện mơi nhỏ, tính chịu nhiệt tốt… Gốm thường: Chủ yếu SiO2, Al khoáng fenpast, dùng để sản xuất loại sứ cách điện, sản phẩm làm cần phải tráng men nung nóng Lớp men thủy tinh ngăn không cho ẩm thấm vào lỗ xốp, tăng điện áp chịu 77 phóng điện cho bề mặt giảm bớt độ rò điện theo bề mặt, loại bỏ vết nứt nhỏ, nên bụi chất bẩn khác có khả bám vào Loại có Eđt = 30 kV/mm, ε = 6, tgδ =0,02; nhiệt độ tăng cao tính cách điện giảm nhiều Dùng để làm sứ đường dây (sứ treo, sứ đứng), sứ trạm (sứ đỡ, sứ xuyên), sứ dùng cho thiết bị điện, sứ định vị (phích cắm), đui đèn… Gốm cao tần: - Sứ siêu cao tần: Là vật liệu mà gốc giống gốm thường có thêm chất phụ gia khác BaO để làm tăng độ bền tính cách điện - Aluminoxit (chủ yếu Al2O3): Có ε = 10, tgδ =0,001 có độ bền cao chịu nhiệt độ 16000C - Steatit (chủ yếu SiO2, Mg) độ bền tốt, tgδ =0,0002 Đặc biệt dành riêng cách điện cao tần, dùng làm VLCĐ định vị thiết bị kỹ thuật vô tuyến Gốm dùng làm tụ điện: Có hệ số điện mơi cao dùng làm tụ điện gốm TiO2, gốm xenhit BaO, TiO2 3.8 Điện môi tích cực 3.8.1 Phân loại Những điện mơi tích cực xec-nhet điện; piezoelectric (áp điện); piroelectric (hỏa điện); electret Phân loại nghiêm ngặt điện mơi tích cực khó khăn khác biệt rõ ràng điện mơi tích cực điện mơi thụ động khơng có Phần lớn trường hợp điện mơi tích cực phân loại theo thể loại hiệu ứng vật lý sử dụng để điều khiển tính chất vật liệu Tuy nhiên loại phân loại dù hoàn tồn lơgic có sở chưa cho phép xác định cách rõ ràng nhóm vật liệu với nhóm khác 3.8.2 Chất xec-nhet điện Chất xec-nhet điện vật liệu có phân cực tự phát, hướng chúng có thay đổi điện trường ngồi Khi khơng có điện trường ngồi E=0, xec-nhet điện có cấu trúc vùng (domen), vùng lớn có phân cực tự phát Hướng momen điện cảm domen khác nhau; tổng phân cực Khi tinh thể có kích thước đủ nhỏ có domen Tuy nhiên vật liệu có kích thước lớn chia thành tập hợp nhiều domen, trạng thái domen khơng có lợi mặt lượng Hình 3-13 Cấu trúc chất xec - nhet điện Khi điện trường E khác momen điện domen thay đổi, tạo thành hiệu ứng phân cực mạnh, hệ số điện môi xec-nhet điện cao (có thể đến 100.000) Sự phân cực tự phát có liên quan đến q trình sinh tăng domen mới, có dịch chuyển giới hạn vùng, kết gây tái định hướng vectơ phân cực tự phát theo hướng điện trường 78 Hệ cấu trúc vùng domen phụ thuộc khơng tuyến tính cảm ứng điện D vào điện trường E hình vẽ 3-14 Hình 3-14 Đường cong phân cực đường điện trễ xec-nhet điện Khi điện trường E nhỏ, phụ thuộc D E tuyến tính (đoạn OA); dịch chuyển giới hạn miền q trình mang tính thuận nghịch (đàn hồi) Trong miền điện trường E đủ lớn (đoạn AB) dịch chuyển khơng cịn mang tính đàn hồi nữa, lúc số lượng domen có định hướng đa số (có véc tơ phân cực tự phát tạo thành góc nhỏ với hướng điện trường ) tăng Khi giá trị đạt tương ứng với điểm B, tất domen định hướng theo điện trường (xuất trạng thái bão hoà) Trong đơn tinh thể trạng thái tương ứng với vùng trạng thái, đường OAB đường cong phân cực xec-nhet điện Nếu từ trạng thái bão hoà giảm điện trường E cảm ứng điện D khơng trở mà giá trị Dr Khi điện trường ngồi E đổi hướng cảm ứng điện D giảm nhanh đến giá trị điện trường ngồi cảm ứng điện trở 0, điện trường ngồi Ec cảm ứng điện D qua gọi lực kháng Tiếp tục tăng điện trường ngồi E xec-nhet điện lại trạng thái bão hoà (điểm C) Vậy phân cực xec-nhet điện trường biến thiên tạo thành đường điện trễ Diện tích đường điện trễ tỷ lệ với tổn hao lượng điện môi chu kỳ Tập hợp đỉnh vòng điện trễ nhận giá tri biên độ điện trường xoay chiều khác hình thành đường phân cực xec-nhet điện Ứng dụng xec-nhet điện: Trong kỹ thuật, xec-nhet điện sử dụng theo hướng sau: - Sản xuất tụ điện tần số thấp có điện dung cao - Sử dụng vật liệu có miền phân cực khơng tuyến tính lớn để khuyếch đại điện môi, điều biến điều khiển hệ thống khác - Sử dụng xec-nhet điện vào kỹ thuật máy tính vào thành phần nhớ - Sử dụng xec-nhet điện kháng xec-nhet điện để điều biến biến đổi tia laser - Sử dụng để sản xuất áp điện biến đổi hoả điện 79 - Tụ điện gốm xec-nhet điện Cũng điện môi để sản xuất tụ điện thơng thường, cần phải có hệ số điện mơi cao phụ thuộc vào nhiệt độ, tổn hao thấp Một phương pháp quan trọng để nhận tính chất tối ưu khoảng nhiệt độ cho trước sử dụng dung dịch rắn Sự thay đổi nồng độ thành phần dung dịch rắn điều khiển giá trị hệ số điện môi, dịch chuyển nhiệt độ Quiri, làm thay đổi phân cực khơng tuyến tính… 3.8.3 Piezoelectric Hiệu ứng áp điện trực tiếp tượng phân cực điện môi tác động lực học Hiện tượng áp điện (tiếng Anh piezoelectric phenomena) tượng nhà khoáng vật học người Pháp đề cập vào năm 1817, sau anh em nhà Pierre Jacques Curie chứng minh nghiên cứu thêm vào năm 1880 Hiện tượng xảy sau: Người ta tìm loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) có hai hiệu ứng thuận nghịch áp vào trường điện biến đổi hình dạng ngược lại dùng lực học tác động vào tạo dịng điện Nó máy biến đổi trực tiếp từ ượng điện sang lượng học ngược lại Nếu theo chiều hướng thuận, có nghĩa tác dụng lực lên vật sinh điện ngược lại áp điện nghịch : tác động hiệu vào vật sinh cơng biến dạng làm biến đổi lực Một vật cấu tạo ba yếu tố PZT (chì , zorconi, titan) có tính chất áp điện Hình 3-15 Hiện tượng áp điện Ngày tượng áp điện ứng dụng rộng rãi kỹ thuật phục vụ cho sống hàng ngày như: Máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gương phản xạ tia laze, thiết bị, động có kích thước nhỏ, người ta phát triển nhiều chương trình nghiên cứu máy bay bay đập cánh côn trùng, nhân tạo, cánh máy đổi hình dạng, phịng triệt tiêu âm thanh, cấu trúc thông minh, hầu hết máy in ứng dụng quan trọng kỹ thuật dùng làm động piezo Hiệu ứng áp điện thuận nghịch tượng xảy thay đổi kích thước điện môi phụ thuộc vào cường độ điện trường E theo qui luật tuyến tính Sự biến dạng áp điện phụ thuộc vào hướng điện trường: Khi đặt lên áp điện trường hình sin xuất biến dạng tần số Hình 3-16 Hiệu ứng áp điện trường hình sin 80 Hiện có hàng ngàn vật chất có tính chất áp điện, số có tất xec-nhet điện Trong thực tế áp điện sử dụng giới hạn định: Một số đơn tinh thể thạch anh Đây biến dạng dioxit silic Ngồi cịn kể đến muối xec-nhet, sử dụng rộng rãi gốm xecnhet Ở trạng thái bình thường gốm xec-nhet khơng xuất tính áp điện mơi trường đẳng hướng có vị trí hạt tinh thể nằm hỗn loạn phân chia chúng thành miền có hướng phân cực tự phát khác nhau, tác dụng điện trường mạnh phân cực miền theo hướng điện trường, sau điện trường loại bỏ giữ độ phân cực dư Gốm áp điện ứng dụng sản xuất micro kích thước nhỏ, điện thoại, cảm biến áp suất, cảm biến biến dạng, cảm biến gia tốc rung… Biến áp điện dùng để chế tạo điện áp cao, máy biến áp hoạt động tần số từ 10KHz ÷ 500KHz, dùng máy phát xung điện áp cao, nguồn ống tia điện tử, có ưu điểm gọn nhẹ cấu tạo đơn giản kết cấu bền vững… 3.8.4 Piroelectric Hiện tượng hỏa điện thay đổi phân cực tự phát điện môi nhiệt độ thay đổi Piroelectric điện mơi có tượng hỏa điện cao Khi nhiệt độ không thay đổi momen phân cực tự phát điện môi bị triệt tiêu điện tích tự trái dấu xuất dẫn điện hay hấp thụ hạt mang điện từ môi trường xung quanh Sự thay đổi phân cực tự phát giải phóng số điện tích bề mặt điện mơi làm xuất dịng điện: I=S.p.dT/dt (3-10) Trong đó: S - Diện tích bề mặt hỏa điện; p - Hệ số hoả điện; dT/dt - Tốc độ thay đổi nhiệt độ Sự phụ thuộc vào nhiệt độ phân cực tự phát giải thích nguyên nhân: Khi nhiệt độ tăng lên làm phá vỡ trật tự momen lưỡng cực (hiệu ứng hoả điện thứ nhất), mặt khác đốt nóng gây thay đổi kích thước điện mơi (hiệu ứng hoả điện thứ hai) Tính chất hoả điện có điện mơi tuyến tính Li 2SO4 xec-nhet điện Hoả điện tuyến tính khác với xec-nhet điện hướng phân cực tự phát không thay đổi tác động điện trường ngồi Xec-nhet điện thể tính chất hoả điện trạng thái đơn miền mẫu đa miền tổng phân cực nên hiệu ứng hoả điện không tồn Hiệu ứng hỏa điện xuất gốm xec-nhet điện sử dụng nhiều chế tạo cảm biến nhiệt, máy thu ánh sáng Nguyên lý hoạt động máy thu ánh sáng đơn giản, lượng ánh sáng chiếu vào bề mặt phần diện tích có tinh thể gốm xec-nhet điện đốt nóng nó, kết làm thay đổi hướng phân cực tự phát làm xuất dòng điện xung, mạch điện ghi nhận dịng điện này… chúng có khả hoạt động giải tần đến 10MHz; hiệu ứng áp điện hiệu ứng hoả điện thấy số polyme, ưu đểm chúng công nghệ sản xuất đơn giản, giá thành rẻ, chế tạo mẫu gần với dạng hình học nào… 81 3.8.5 Electret Electret vật liệu điện mơi giữ phân cực lâu dài tạo môi trường xung quanh điện trường (nó có tính chất tương tự nam châm vĩnh cửu) Electret nhiệt có khả tạo điện trường xung quanh thời gian dài chí hàng năm Electret quang sản xuất từ vật liệu có tính dẫn quang (S,CdS…) đồng thời tác động ánh sáng điện trường Electret quang giữ điện tích bóng tối nhanh chóng xả ánh sáng Tồn phương pháp khác để có trạng thái electret điện mơi Ví dụ electret hình thành tác động lên điện mơi có điện trường khơng có đốt nóng chiếu tia, điện trường chọn lớn bề mặt điện mơi xuất phóng điện chất khí, ion bắn phá bề mặt điện môi tạo khuyết tật hình thành điện tích bề mặt Sự nhiễm điện dễ dàng áp suất thấp Tuổi thọ electret điều kiện bình thường tới hàng chục năm Nó giảm nhanh nhiệt độ độ ẩm tăng lên Mật độ điện tích mặt electret khoảng (10-8 - 10-10)C/cm2 Trong electret có loại điện tích liên kết tự khác nhau, hiệu số chúng tạo nên điện tích bề mặt tùy theo số lượng chúng mà dấu bề mặt electret thay đổi theo thời gian Nếu Electret đặt điện cực điện tích cảm ứng Qcư là: Qcư = Q /(ε h1/h2+1) (3-11) Trong đó: Q - Điện tích bề mặt electret; h1 - Khe hở bề mặt electret với điện cực; h2 - Bề dày electret; ε - Hệ số điện môi electret Khi ta thay đổi khe hở h1 điện tích cảm ứng thay đổi Hình 3-17 Điện tích cảm ứng electret thay đổi ta thay đổi khe hở h1 Electret dùng để chế tạo micro, điện thoại, đo độ rung học, đo áp suất khí quyển, đo độ ẩm khơng khí Electret sử dụng làm bàn phím máy tính điện tử nhiều công dụng khác… 82 3.8.6 Tinh thể lỏng 3.8.6.1 Khái niệm Tinh thể lỏng vừa có tính chất vật liệu thể lỏng (độ nhớt thấp, có hình dáng theo hình bình đựng nó), vừa có tính chất vật liệu thể rắn Nó có khả điều biến ánh sáng đặt tín hiệu điện Các chất lỏng bình thường chất đẳng hướng: Chúng biểu tính chất quang, từ, điện, … theo hướng không gian Tinh thể lỏng có tính chất khơng đẳng hướng Nó có độ nhớt thấp chảy Tinh thể lỏng hình thành từ phân tử hữu cơ, có hình dáng que dài từ 20A0 đến 100A0, chiều rộng khoảng 5A0 Trên hình 3.18 thấy sơ đồ cấu trúc phân tử hình que tinh thể lỏng chất hữu gọi p-azoxyanioul (PAA) Hình 3-18 Sơ đồ cấu trúc phân tử hình que tinh thể lỏng Ở nhiệt độ cao, phân tử định hướng tùy tiện, biểu diễn hình bên dưới, hình thành nên chất lỏng đẳng hướng Do hình dạng thon dài chúng, nên điều kiện thích hợp, phân tử biểu trật tự định hướng cho tất trục thẳng hàng hình thành nên gọi tinh thể lỏng nematic Các phân tử chuyển động xung quanh chất lỏng, định hướng chúng cũ Không trật tự định hướng xuất hiện, mà trật tự vị trí Tinh thể lỏng biểu số trật tự vị trí gọi tinh thể lỏng smectic Trong smectic, khối tâm phân tử xếp thành lớp chuyển động chủ yếu bị hạn chế bên lớp Hình 3-19 Các pha tinh thể lỏng Pha tinh thể lỏng nematic pha quan trọng ứng dụng Trong pha nematic, toàn phân tử hàng gần song song Tại điểm, định nghĩa vector đơn vị, song song với hướng trung bình trục dài 83 phân tử vùng lân cận Vector này, gọi vector đường chuẩn, khơng phải số tồn môi trường, mà hàm không gian Một loại phân tử tinh thể lỏng biểu nhiều pha tinh thể lỏng khác Pha tinh thể lỏng nguyên chất (với loại phân tử) tồn phụ thuộc vào nhiệt độ Tinh thể lỏng nguyên chất, hỗn hợp chúng, pha điều khiển nhiệt độ, gọi tinh thể lỏng hướng nhiệt Chuyển động Brown phân tử tăng lên theo nhiệt độ, làm giảm trật tự chất liệu Ở nhiệt độ cao, trật tự định hướng bị chất liệu biến đổi sang pha đẳng hướng Khi giảm nhiệt độ, chất biến đổi sang pha nematic Nhiệt độ chuyển pha xảy ra, đặc trưng chất, gọi nhiệt độ chuyển pha nematic-đẳng hướng hay điểm lọc Bằng cách hạ thêm nhiệt độ, pha biến đổi sang pha smectic A, smectic C cuối trạng thái rắn Mỗi chuyển pha xảy nhiệt độ định, phụ thuộc vào chất liệu, pha khác xuất số bị thiếu Ngồi tinh thể lỏng hướng nhiệt, cịn có họ tinh thể lỏng khác gọi lyotropic Đây hỗn hợp phân tử kiểu que dung môi đẳng hướng nồng độ dung dịch nguyên nhân cho xuất pha Tinh thể lỏng lyotropic chủ yếu hấp dẫn ứng dụng sinh học biểu số lượng lớn pha khác Mơi trường tinh thể lỏng nematic có đối xứng trục, nghĩa môi trường tinh thể lỏng đồng nhất, chuyển động quay xung quanh hướng không gây biến đổi Khối trật tự có ảnh hưởng rõ lên cách thức ánh sáng điện trường hành xử chất liệu Tính dị hướng trục mang lại thông số điện quang khác xét dọc theo vector đường chuẩn mặt phẳng vng góc với Điều mang lại tiềm công nghệ hấp dẫn Hai tượng trình bày sau đây: Sự định hướng lại phân tử điện trường lưỡng chiết quang phân tử 3.8.6.2 Sự định hướng lại phân tử điện trường Là kết tính dị hướng trục, điện trường chịu số điện môi khác dao động theo hướng song song vng góc với vector đường chuẩn Sự khác biệt gọi tính dị hướng điện môi Nếu số điện môi dọc theo vector đường chuẩn lớn theo hướng vng góc với nó, người ta nói có tính dị hướng dương Do tính dị hướng, độ dịch lưỡng cực momen lưỡng cực cảm ứng không song song với điện trường, trừ vector đường chuẩn song song vng góc với điện trường Kết momen quay tác dụng lên vector đường chuẩn Đối với chất có tính dị hướng dương, vector đường chuẩn ưa hàng song song với điện trường Tinh thể lỏng có tính dị hướng âm có xu hướng tự định hướng chúng vng góc với điện trường Tác dụng điện trường lên mơi trường tinh thể lỏng có tính dị hướng dương minh họa hình bên Ban đầu, định hướng nằm ngang Khi điện trường với hướng dọc theo mũi tên màu xanh đặt vào, momen quay (biểu diễn màu xanh cây) phát sinh từ tính dị hướng điện mơi, tác dụng lên phân tử Momen quay có xu hướng phân tử song song với điện trường Khi cường độ điện trường tăng lên, phân tử định hướng lại song song với trường 84 Hình 3-20 Tác dụng điện trường đến tinh thể lỏng Tầm quan trọng kĩ thuật định hướng lại thật rõ ràng: mang lại mơi trường bật mở dễ dàng cách làm biến thiên điện trường đặt vào môi trường tinh thể lỏng Trong đa số ứng dụng, tinh thể lỏng thường nằm lớp mỏng hai bề mặt thủy tinh Để phát điện trường, lớp điện cực mỏng cho lắng lên đáy và/hoặc bề mặt thủy tinh Đối với dụng cụ quang, người ta sử dụng điện cực suốt, chế tạo từ indium thiếc oxide (ITO) Nếu điện trường sinh đủ mạnh, phân tử định hướng lại theo hướng 3.8.6.3 Lưỡng chiết quang Ứng dụng tinh thể lỏng ln có liên quan đến quang học Sóng quang học liên quan đến điện trường, tần số cao nhiều so với tần số điện trường phát sinh điện áp đặt vào Do đó, số điện mơi, phát sinh từ phản ứng điện tử phân tử với trường đặt vào, khác Để phân biệt, sóng quang người ta sử dụng khái niệm chiết suất thay cho số điện mơi Sóng quang học làm định hướng lại đường chuẩn tinh thể lỏng theo kiểu tương tự điện trường đặt vào Trong hiển thị, điều bỏ qua, tính dị hướng điện mơi cường độ trường quang học thông thường nhỏ nhiều so với trường hợp tĩnh Do đó, truyền quang học chủ yếu độc lập với tính tốn đường chuẩn Để tìm hiểu ảnh hưởng lưỡng chiết lên truyền ánh sáng qua tinh thể lỏng, ánh sáng phải biểu diễn điện trường Điện trường mơ tả vector sóng điểm Tại thời điểm vị trí định, hướng độ dài vector tương ứng với hướng độ lớn điện trường Đối với sóng phẳng truyền theo hướng định, vector điện trường môi trường đẳng hướng vẽ nên elip mặt phẳng vng góc với hướng truyền Elip 85 biểu diễn cho phân cực ánh sáng Một số trường hợp đặc biệt phân cực thẳng phân cực trịn elip bị biến dạng thành đường thẳng vịng trịn hồn hảo Nói chung, trạng thái phân cực hình elip tách chồng chất hai phân cực thẳng theo hai trục vng góc Trong mơi trường đẳng hướng, hai phân cực thẳng chuyển động với tốc độ Tốc độ sóng xác định chiết suất mơi trường Hình 3-21 Sự truyền ánh sáng môi trường đẳng hướng Đối với môi trường tinh thể lỏng trục, điện trường cảm thấy chiết suất khác dao động mặt phẳng vng góc với đường chuẩn dọc theo đường chuẩn Tính dị hướng trục chiết suất gọi lưỡng chiết Lưỡng chiết cho phép thao tác với phân cực ánh sáng truyền qua môi trường Trạng thái phân cực elip ánh sáng vào môi trường tinh thể lỏng phải tách thành hai trạng thái phân cực thẳng gọi mode thường mode bất thường Theo hai hướng này, hai mode phân cực thẳng cảm thấy chiết suất khác Vì thế, chúng truyền qua tinh thể lỏng với tốc độ khác minh họa hình 322 Hình 3-22 Sự truyền ánh sáng môi trường lưỡng chiết Trong mơi trường đẳng hướng, hai phần truyền qua với tốc độ Kết hợp chúng trở lại với mang lại trạng thái phân cực elip ban đầu Trong môi trường lưỡng chiết, tốc độ khác sóng thường sóng bất thường mang lại lệch pha hai mode (= trễ pha) Tại đầu cuối môi trường, lệch pha hai dao động mang lại elip phân cực khác Tinh thể lỏng thường dùng lớp mỏng nằm hai chất thủy tinh đặt song song Khoảng cách, chất bên bên tế bào tinh thể lỏng thường biến thiên từ đến 100 µm, tùy thuộc vào loại tinh thể lỏng sử dụng ứng dụng dự kiến Hai chất giữ song song khoảng cách không đổi miếng đệm: cầu que vi mô cấu tạo từ polymer thủy tinh Các miếng đệm trộn lẫn chất keo giữ hai chất lại với cần thiết phân tán tồn bề mặt chất cách quay trịn Hình bên thể ba thí dụ lớp tinh thể lỏng kẹp hai chất Trên bề mặt tiếp xúc với tinh thể lỏng, người ta cho lắng lớp thẳng hàng 86 ma sát Trong hình bên trái, lớp thẳng hàng hai bề mặt bị cọ xát theo hướng Đây gọi tế bào Π hay tế bào xòe Sự phân bố đường chuẩn thu không đồng biểu méo dạng xịe Hình 3-23 Sắp xếp lớp tinh thể lỏng kẹp hai chất 3.8.6.4 Cấu trúc hiển thị tinh thể lỏng Hình giản đồ LCD Màn hiển thị gồm lớp tinh thể lỏng mỏng (bề dày ± 5µm) kẹp hai chất thủy tinh Để điều khiển định hướng lại đường chuẩn, người ta cho lắng điện cực suốt chất thủy tinh (màu trắng đỏ) Trong hình, người ta sử dụng gọi ma trận thụ động Trên chất phía phía dưới, điện cực hàng cột cho lắng theo thứ tự Sự chồng lấn điện cực cột điện cực hàng hình thành nên ảnh điểm hiển thị Trong thí dụ đơn giản này, điện cực hàng sử dụng kết hợp với điện cực cột Kết hợp cho hiển thị hai ảnh điểm Điện cực cột bên trái mức điện điện cực hàng Với điện cực cột bên phải (màu đỏ), người ta đặt vào điện áp khác Theo cách này, điện trường phát sinh ảnh điểm bên phải định hướng vng góc với mặt thủy tinh Trên hình 3-24, người ta thấy hướng ma sát lớp thẳng hàng (màu xanh lá) chất phía phía chọn vng góc với Do chọn lựa này, đường chuẩn ảnh điểm bên trái thực bước xoay chuyển 90o đặn từ phía lên Vì thế, loại LCD gọi „LCD nematic xoắn‟ (TN-LCD) Nếu đặt điện áp vào điện cực, đường chuẩn định hướng lại trở nên vng góc với mặt (ảnh điểm bên phải) Để điều khiển cường độ ánh sáng truyền qua, toàn lớp kẹp kính phân cực trực giao (màu vàng) Nếu ánh sáng chưa phân cực vào cấu trúc từ phía lên, ánh sáng trở thành phân cực thẳng kính phân cực phía Hình 3-24 Cấu trúc hiển thị tinh thể lỏng 87 Ánh sáng vào lớp tinh thể lỏng với hướng phân cực song song với đường chuẩn bên Người ta chứng minh bề dày lớp thơng số tinh thể lỏng chọn lựa thích hợp, phân cực thẳng ánh sáng vào đại khái tuân theo chuyển động quay đường chuẩn (= chế độ Mauguin) Kết ánh sáng truyền qua phân cực phía ảnh điểm trạng thái sáng Nếu đặt điện áp hai lớp điện cực, đường chuẩn tinh thể lỏng định hướng lại phân cực ánh sáng khơng cịn quay qua lớp tinh thể lỏng Kết ánh sáng bị hấp thụ phân cực (= phân tích) phía ảnh điểm trở thành tối Thêm lọc màu thích hợp tạo hiển thị màu hồn toàn đầy đủ sử dụng nhiều hiển thị tinh thể lỏng ngày Mỗi ảnh điểm vào vịng biến đổi chia nhỏ thành ba ảnh điểm nhằm điều khiển tương ứng thành phần đỏ, lục lam ánh sáng Tất nhiên khả chế tạo LCD Nhiều cấu hình khác có sử dụng loại tinh thể lỏng khác, định hướng phân tử khác cách khác chuyển mạch phân tử Loại thông dụng LCD nematic siêu xoắn (với quay đường chuẩn lớp > 900) LCD đảo mạch đồng phẳng (các phân tử quay song song với mặt thủy tinh điện trường nằm ngang) 3.8.6.5 Ứng dụng tinh thể lỏng Ban đầu, LCD sử dụng máy tính bỏ túi đồng hồ đeo tay kĩ thuật số có vài ảnh điểm đen trắng Ngày nay, LCD có mặt khắp nơi loại ứng dụng hình phẳng cho ứng dụng desktop laptop, điện thoại di động, máy chiếu… Tất nhiên, tinh thể lỏng ứng dụng hiển thị Các nhà nghiên cứu cịn nghiên cứu ứng dụng kì lạ tinh thể Sử dụng tính chất phi tuyến môi trường tinh thể lỏng (các thông số chất liệu không phụ thuộc hướng, mà phụ thuộc cường độ ánh sáng vào bước sóng), người ta thử tìm ứng dụng Ví dụ: * Sự truyền sóng soliton tinh thể lỏng Một chùm laser cường độ cao chiếu vào tinh thể lỏng tạo định hướng cục phân tử dẫn hướng Theo cách này, ánh sáng tạo sóng mang riêng ánh sáng laser khơng nhiễu xạ mà giới hạn chùm hẹp Ứng dụng soliton dẫn đến sóng mang tinh thể lỏng xử lí để chuyển mạch ánh sáng vài sợi quang Hình 3-25 Sự truyền sóng soliton tinh thể lỏng * Sợi quang tinh thể lỏng rỗng ruột Sợi quang rỗng ruột tỏ có cơng dụng Nếu đổ đầy tinh thể lỏng vào chúng làm cho chúng mang lại hành trạng hấp dẫn điều khiển cho sợi quang 88 * Màn hiển thị tinh thể lỏng quang điều khiển Trong hiển thị tinh thể lỏng quang xử lí, điện trường mạnh bước sóng khơng nhìn thấy với cường độ cao sử dụng để chuyển đảo phân tử thay cho điện áp đặt vào * Pin Mặt trời tinh thể lỏng Một ứng dụng đầy hứa hẹn sử dụng tinh thể lỏng chất bán dẫn tinh thể lỏng Tinh thể lỏng phân tử hữu tương tự polymer Trong polymer chứa hệ liên hợp (xen kẽ liên kết đơn liên kết đôi), tạo thành liên kết pi cao thấp đưa đến tạo thành dải khe giống chất bán dẫn Việc sử dụng tinh thể lỏng thiết bị tương tự tế bào Grätzel đưa đến loại pin Mặt trời 3.8.7 Vật liệu sử dụng lĩnh vực laser Laser nguồn xạ quang, có tính chất định hướng cao mật độ lượng lớn Nguyên tắc tác động laser tượng cưỡng bức xạ Nó đồng thời phát xạ theo tần số phát sóng điện từ số lượng lớn nguyên tử hay phân tử tác động điện từ trường Bản thân từ laser ghép chữ đầu cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser có nhiều loại: Laser rắn, laser khí, laser bán dẫn Laser rắn loại laser mà môi trường hoạt tính chất rắn, thường điện mơi dạng tinh thể vơ định hình có dạng hình trụ trịn Ví dụ: Laser rubi dùng rubi tinh thể nhơm Al2O3 số ion Al+3 thay ion Cr+3 Thanh rubi có dạng hình trụ dài 100-300mm, đường kính tới 30-50mm Laser dùng nguyên tố đất Neodym, Dysprozi, Samari, Erbium… Laser khí laser sử dụng hoạt chất chất khí Chất khí bao gồm chất khí tồn nhiệt độ thường (Argon, Neon, Kripton, Xenon…), chất vật chất nung nóng bốc hơi, ví dụ kim loại Laser bán dẫn (Điốt laser) Hình 3-26a trình bày sơ đồ cấu trúc vùng lượng điốt laser khơng có điện áp phân cực Hình 3-26b trình bày sơ đồ cấu trúc vùng lượng điốt laser với điện áp phân cực Hình 3-26 Sơ đồ cấu trúc vùng lượng điốt laser a/ Khơng có điện áp phân cực b/ Có điện áp phân cực thuận eU > Wg 89 Điốt laser đặt điện áp phân cực thuận, cho eU > Wg, tất mức lượng phía n nâng lên, cịn phía p bị hạ thấp xuống chiều cao rào chắn giảm xuống nhiều, thấy hình 3-29b Các hạt mang điện phun với số lượng lớn vào vùng hoạt tính sát với mặt tiếp giáp, vùng electron chuyển động từ vùng dẫn đến mức trống vùng hóa trị, xạ photon Để tạo vùng hoạt tính điều kiện phải eU > Wg Sự tái hợp electron-lỗ trống xạ photon có lượng gần Wg, chiều dài bước sóng λg, q trình có hiệu vật liệu bán dẫn trực tiếp:do sử dụng vật liệu bán dẫn trực tiếp để chế tạo laser CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG Câu Chất điện mơi chất: a Khơng dẫn điện b Khi có điện trường ngồi điện tích dịch chuyển tự bề mặt c Tùy theo điều kiện mơi trường mà dẫn điện hay khơng d Có điện tích liên kết Câu Nhận xét không điện môi là: a Điện môi môi trường cách điện b Hằng số điện môi chân không c Hằng số điện môi môi trường cho biết lực tương tác điện tích mơi trường nhỏ so với chúng đặt chân không lần d Hằng số điện mơi nhỏ Câu Sẽ khơng có ý nghĩa ta nói số điện mơi a Hắc ín ( nhựa đường) b Nhựa c Thủy tinh d Nhôm Câu Khơng khí điều kiện bình thường khơng dẫn điện a Các phân tử chất khí khơng thể chuyển động thành dòng b Các phân tử chất khí khơng chứa hạt mang điện c Các phân tử chất khí ln chuyển động hỗn loạn khơng ngừng d Các phân tử chất khí ln trung hịa điện, chất khí khơng có hạt tải Câu Khi đốt nóng chất khí, trở lên dẫn điện a Vận tốc phân tử chất khí tăng b Khoảng cách phân tử chất khí tăng c Các phân tử chất khí bị ion hóa thành hạt mang điện tự d Chất khí chuyển động thành dịng có hướng Câu Một khối lập phương ebơnit, có cạnh a = 50mm, có điện trở suất khối v 5.10 m điện trở suất mặt s 1013 m hai mặt đối diện có bọc kim loại để làm điện cực Điện áp chiều đặt lên hai điện cực U =2kV Hãy xác định dòng điện rò tổn hao công suất? 90 Câu Một dây cáp truyền thơng có lõi d =1mm, bọc cách điện polyetylen, đường kính ngồi lớp cách điện 10mm điện trở suất khối v 1014 m ( bỏ qua dịng điện mặt) Hãy tính điện trở lớp polyetylen với chiều dài l = 100m l = 1km Câu Hỗn hợp điện môi gồm có thành phần: Polytetrafluoroetylen (ftorlon -4) ticond T-80 Hãy xác định tỉ lệ (theo thể tích) thành phần số điện môi hợp chất 10 Cho biết : ε = 80 ticond T – 80 ε = 2,1 ftorlon – 91 ... 2.7 19 .3 10 .2 16 .6 8.6 4.5 6.5 21 19.3 10 .5 21. 4 12 7.8 8.9 8.7 11 .4 7.3 7 .1 8.6 7.3 5.9 13 .6 10 83 657 3380 2620 2977 2 415 17 25 18 15 314 5 10 63 9 61 1770 15 55 15 35 14 55 14 92 327 232 420 3 21 157... nở dài ? ?1. 106, độ -1 16.5 21 4.4 5 .1 6.5 7.2 8 .1 5.4 4.7 14 .2 19 .3 11 .9 11 13 12 .5 29 23 31 30 24.8 18 .3 61 Điện trở suất .mm 2/m Hệ số nhiệt điện trở suất, đ? ?1, Cơng điện tử eV 0. 017 2 0.028... trở suất bạc a 1, 866 .10 -8 Ω.m b 3,679 10 -8 Ω.m c 3, 812 10 -8 Ω.m d 4 ,15 1 10 -8 Ω.m 47 Chương VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 3 .1 Khái niệm phân loại vật liệu cách điện 3 .1. 1 Khái niệm Vật liệu cách điện có ý nghĩa