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 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

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 củangười 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 truyềnđạt 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 tìnhhướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành đề tài này mộtcách tốt nhất

Với nền tảng kiến thức còn hạn chế và còn cần học hỏi thêm nhiều, trong quá trình thựchiện đề tài sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và khuyết điểm Vậy nên em rất mongnhận được sự chỉ bảo, ý kiến đóng góp của quý thầy cô giáo, các bạn sinh viên để đề tàinghiên 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 phạmHuế, chúc thầy Lê Đình và gia đình lời chúc sức khỏe, thành công và thịnh vượng trongcuộc 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 thái khác baogồm thể lỏng (liquids), thể khí (gases) và plasma) Nó được đặc trưng bởi cấu trúc bền,cứng và có tính chất phản kháng lại sự thay đổi hình dạng hoặc khối lượng Không giốngnhư chất lỏng, một chất rắn không chảy theo hình dạng của bình chứa, cũng không mởrộng để lấp đầy toàn bộ thể tích có sẵn giống như chất khí Các vật được cấu tạo từ chấtrắn có hình dạng ổn định Các nguyên tử trong một chất rắn bị ràng buộc chặt chẽ vớinhau, hoặc trong một mạng lưới hình học thông 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 chấtrắn và là nhánh chính của vật lý vật chất cô đặc (cũng bao gồm chất lỏng) Từ các môhình đơn giản rút ra các tính chất cơ bản của các vật liệu chính như kim loại, chất bándẫn, chất cách điện, chất có từ tính, chất siêu dẫn, dưới dạng tinh thể Nghiên cứu vật lýchất rắn vừa giúp hiểu được các cơ chế vật lý xảy ra trong chất rắn, xây dựng đượcnguyên tắc để sử dụng chúng trong thực tiễn kỹ thuật và đời sống, vừa giúp tìm ra nhữngvật liệu mới và hiện đại, phục vụ tốt hơn cho con người

Một chất rắn trong tự nhiên có thể cứng như một tảng đá hay mềm như lông thú, cókích thước lớn như một tiểu hành tinh hoặc nhỏ như một hạt cát Các đặc tính vật lý được

sử dụng để quan sát và mô tả vật chất Nó có thể được quan sát hoặc đo đạc mà khônglàm 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 (mechanical properties), đặc tínhnhiệt (thermal properties), đặc tính quang (optical properties), đặc tính âm (acousticalproperties), đặc tính điện (electrical properties) và đặc tính từ (magnetic properties) Phụthuộc tính chất của kích thích tác dụng lên chất rắn mà khả năng phản ứng của nó đối vớicác lực cơ học, với nhiệt, âm thanh, ánh sáng, điện trường và từ trường là không giống

nhau Nghĩa là nó liên quan đến khả năng 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 trợ cho việchọc tập, nghiên cứu và để người đọc có được những hiểu biết cần thiết khi tìm hiểu về cáclĩnh 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 cơbản về tính chất của vật liệu rắn

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

- Tìm hiểu mối quan hệ giữa các đặc tính cơ, nhiệt, điện, từ, quang, âm của chất rắn đếncác 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 (thermal properties)

- Đặc tính điện (electrical properties) - Đặc tính từ (magnetic properties)

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

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 lý thuyếtvật lý có liên quan

nội lực.

Nội lực chỉ xuất hiện khi có ngoại lực Ngoại lực là lực tác động từ những vật thể kháchoặc môi trường xung quanh lên vật thể đang xét Khi ngoại lực tăng dần, nội lực cũngtăng dần để cân bằng với ngoại lực Nhưng do tính chất cơ học của từng loại vật rắn, nộilực chỉ có thể tăng đến một giới hạn nhất định Nếu ngoại lực tăng quá lớn, nội lực khôngtăng được nữa, lúc này vật rắn bị biến dạng quá mức và bị phá 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 trên mộtđơn 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 thức khác 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 vẫn thẳng 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 sát đượcbên 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 có phươngsong song với trục thanh, tức là có phương vuông góc với mặt cắt Vậy trên mặt cắt củathanh chịu kéo (hoặc chịu nén) chỉ có ứng suất pháp  Ngoài ra, nội lực phân bố đều trênmặt 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 mặt cắt Snhư 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 (hìnhI.3a) hoặc ngược lại (hình I.3b), ở đây thanh bị biến dạng vẽ bằng nét đứt Chiều dàithanh 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 nếu chiềudài 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 của từng loại vậtliệu trong phạm vi biến dạng đàn hồi Trị số E xác định bằng thí nghiệm và có đơn vị làmega 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 biến dạng dọc ∆ l của thanh sẽ nhỏhay lớn Trị số ∆ l có thể mang dấu “+” hay “–” tùy theo trị số lực dọc N là dương hay âm Biểu thức (1.10) có thể viết thành :

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 tương đối ε

gọi là đường cong ứng suất – biến dạng Xét phản ứng của vật rắn khi biến dạng, có thểchia đường cong ứng suất – biến dạng làm hai vùng: vùng biến dạng đàn hồi và vùng biếndạng 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 khăn nên người ta

thường quy định lấy R p 0,01 làm giới hạn đàn hồi, đó là ứng suất tương ứng với mức độ biếndạng 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 không phục hồiđược chiều dài ban đầu mà vẫn bị dãn dài ra một đoạn và trên đường cong ứng suất biến

dạng được thể hiện bằng mức độ biến dạng dư ε p Ứng suất làm cho vật rắn bắt đầu chảydẻo gọi là giới hạn chảy R p

Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là quan hệ phi tuyến Kèm theo biến dạng dẻo baogiờ cũng có biến dạng đàn hồi Trong kỹ thuật người ta quy định giới hạn chảy là ứng suấtgây nên một lượng biến dạng dư bằng 0,2%, kí hiệu là R p 0,2 đối với những vật rắn cóđường cong ứng suất – biến dạng không có vùng chảy rõ rệt Còn đối với những vật rắn

có đường cong ứng suất – biến dạng có vùng chảy rõ rệt thì việc 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 mỗi phươngpháp đồng thời xuất hiện nhiều trạng thái ứng suất khác nhau, chúng biến đổi trong quátrình biến dạng Căn cứ vào những ứng suất có tác dụng chủ yếu đối với quá trình biếndạng, 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 sau khi biến dạng)

Trạng thái dẻo trong vật rắn biến dạng chủ yếu được gây ra bởi ứng suất kéo một hoặcnhiều chiều Thuộc nhóm này có các phương pháp kéo dãn, dập phình, dập định 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 biếndạng)

Trạng thái dẻo trong vật thể biến dạng chủ yếu được gây nên bởi ứng suất nén một hoặcnhiều chiều Thuộc nhóm này có các phương pháp cán, rèn tự do, rèn khuôn, ép chảy

I.6.3 Biến dạng uốn

Khi thanh chịu tác dụng của các lực vuông góc với trục thanh, trục thanh bị uốn cong,

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 hoặc chuyển 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 các ngẫu lựctrong mặt phẳng đó thì làm cho thanh bị xoắn (hình I.6.5) Sau biến dạng các 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 hoặc giảm1°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 cân bằngQ là nhiệt lượng truyền cho vật trong quá trình cân bằng

và dT là độ biến thiên nhiệt độ của vật trong quá trình đó thì:

c = mdT δQQ (2.2)

b Nhiệt dung phân tử C của một chất là một đại lượng vật lý về trị số bằng nhiệt lượng

cần thiết truyền cho một mol chất đó để nhiệt độ của nó tăng lên 1o

C = μc (2.3)

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 hoặc thểtích không đổi Do đó, trong thực tế, có 2 cách đo nhiệt dung của vật tương ứng với cácđiều 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 không đổi

 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 là đạilượng cơ bản hơn là nhiệt dung ở áp suất không đổi C P, C P thường xác định được bằngthực 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 thủy tĩnh

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 tăng nănglượng dao động của các nguyên tử Nguyên tử trong chất rắn không ngừng dao động ở tần

số rất cao và với biên độ tương đối nhỏ Những dao động của các nguyên tử lân cận phốihợp với nhau bằng liên kết nguyên tử và theo phương thức truyền sóng mạng, có thể xem

đó là những sóng đàn hồi hay nói đơn giản là những sóng 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 củachất rắn bao gồm một dãy các sóng đàn hồi có phân bố và tần số khác nhau Theo lýthuyết lượng tử, năng lượng dao động nhiệt trong chất rắn bị lượng tử hoá, chỉ có một sốgiá trị năng lượng là được phép Một lượng tử đơn của năng lượng dao động được gọi làmột phonon (tương tự như lượng tử của bức xạ điện từ photon) Bản thân sóng dao động

có khi cũng được gọi bằng 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 3N k 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 Nếu kim loạibiến 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 Lýthuyết nhiệt dung của chất rắn đầu tiên dựa trên cơ sở của cơ học lượng tử được Einsteinđưa 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 → 0thì C → 0 theo hàm e−ћωω /k B T lại không phù hợp với thực nghiệm Thực nghiệm cho thấy ởnhiệt độ thấp, nhiệt dung giảm theo bậc ba của nhiệt độ C T3 chứ không tiếntới 0 không nhanh như quy luật hàm e mũ, kết quả này trùng với lý thuyết Debye về nhiệtdung đưa ra vào năm 1912 So với lý thuyết của Einstein thì lý thuyết Debye phù hợp tốthơn với thực nghiệm, vì vậy cho đến nay nó vẫn được coi là lý thuyết đúng đắn nhất Đâycũng chính 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 có nhiệt độthấp 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 Baptist Biot (1774 - 1862)dựa trên cơ sở quan sát thực nghiệm nhưng sau này mang tên của nhà toán lý JeanBaptiste Joseph Fourier (1768 – 1830), ông là người đã ứng dụng 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 - 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 trong một đơn

vị thời gian (diện tích được lấy vuông góc với hướng của dòng nhiệt), [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 làtrong điều kiện mà mật độ dòng nhiệt không thay đổi theo thời gian Do quy ước chiềudương 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 và được xác định bằngthực nghiệm Thông thường trong các thực nghiệm, từ việc xác định mật độ dòng nhiệt vàgradient nhiệt độ thì hệ số dẫn nhiệt được tìm theo công thức:

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 bềmặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi gradient nhiệt độ bằng 1 Thực nghiệmcũng chứng tỏ rằng hầu hết các chất rắn, hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ theo quan hệđường 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 thực nghiệm

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 thường thìmột trong hai thành phần đó chiếm ưu thế Năng lượng nhiệt các phonon, tức là các sóngmạng được truyền đi theo hướng chuyển động của chúng Thành phần k1 gây bởi chuyểnđộng thuần của các phonon từ vùng nhiệt độ cao tới vùng nhiệt độ thấp trong vật thể Các

điện tử tự do (các điện tử dẫn) cũng tham gia dẫn nhiệt Ở vùng nóng của chất rắn điện tử

tự do có động năng lớn hơn Chúng di chuyển đến những vùng lạnh hơn và một phầnđộng năng này được chuyển bù thêm cho các nguyên tử (năng lượng dao động) như là kếtquả của các va chạm với phonon hay là với các khuyết tật mạng Phần đóng góp tươngđối của k e tăng theo nồng độ điện tử tự do khi có nhiều điện tử hơn tham gia vào quá trìnhdẫn 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 số các vật liệurắn 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)

Trong đó: V o và ∆V tương ứng là thể tích ban đầu và độ biến thiên thể tích khi nhiệt độthay đổi ∆ T; α v là hệ số giãn nở thể tích

Ở nhiều loại chất rắn, giá trị của α v là dị hướng, nghĩa là nó phụ thuộc vào hướng tinhthể Đối với các vật liệu rắn mà sự giãn nở nhiệt có tính đẳng hướng thì α v ≈ 3α 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 đồng đều,nghĩa là không có gradient nhiệt độ Khi giãn hoặc co tự do, thanh sẽ không chịu ứngsuất Tuy nhiên, nếu như chuyển động dọc trục của thanh bị giới hạn bởi các giá cứngchặn 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 bị giữ lại.Đương nhiên, khi thanh bị làm lạnh (T r < T o) thì sẽ có ứng suất kéo đàn hồi thanh 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 phụ thuộcvào kích thước, hình dạng của nó, vào độ dẫn nhiệt của vật rắn và chỉ số biến đổi nhiệt độ.Ứng suất nhiệt có thể hình thành do gradient nhiệt độ gây ra bởi sự nung nóng hoặc làmnguội nhanh và làm cho phần ngoài thay đổi nhiệt độ nhanh hơn phần phía trong Cácbiến đổi kích thước bộ phận có tác dụng hạn chế sự giãn hoặc co của những phần thể tíchxung quanh Chẳng hạn khi nung nóng, phần ngoài của mẫu sẽ nóng hơn, và do đó sẽ giãnmạnh hơn các vùng trong Như vậy ứng suất bề mặt và ứng suất nén xuất hiện và cânbằng bởi các ứng suất kéo ở bên trong Mối tương quan ứng suất trong – ngoài sẽ đảo lạikhi làm nguội nhanh và làm 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 hạt nhân 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 trênnhững quỹ đạo xác định, có bán kính nhất định, khi quay trên những quỹ đạo đó nănglượng 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 năng lượng

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 đó điện tích củađiện 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 các nguyên

tử trong phân tử Khi đó mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hòa,liên kết phân tử bền vững Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng 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 Cácchất 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, cách nhau mộtkhoảng cách l nào đó gọi là phân tử lưỡng cực Phân tử lưỡng cực đặc trưng bởi momenlưỡng 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 phân tử.Liên kết ion là liên kết khá bền vững Do vậy, chất rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi độbền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ: các muối halogen của các kim loại kiềm

III.2.3 Liên kết kim loại

Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể chất rắn Kim loại được xem như là một hệ thốngcấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do Lực hút giữa các iondương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại Chính vì vậy liên kết kim