Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn

Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn Tiểu luận các đặc tính vật lí của chất rắn

TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH A – MỞ ĐẦU 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 không 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 vô 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 lông 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 SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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 khơng 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 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 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 SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH - Phương pháp thu thập tài liệu - Phương pháp đọc sách, nghiên cứu phân tích 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 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 SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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 tơ) = + (1.2) Đơn vị σ τ tương tự đơn vị P (N/ hay Pa) 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 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) SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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 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 Ngồi 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 N = σ.S cắt S sau: (1.3) Từ rút ra: Tổng quát ta viết: : = = (1.4) (1.5) 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” SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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: SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH = (1.7) Trong đó: hư số dấu với Nhiều thí nghiệm cho thấy ε có mối liên hệ với sau: = - 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 : = Mặt khác, ta biết = = Vậy thay vào (1.11) ta được: = hay = E (1.12) SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page (1.11) TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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 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 SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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 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 SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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 vuông góc với trục thanh, trục bị uốn cong, ta gọi chịu uốn (hình I.6.3) Thanh chịu uốn gọi dầm Ngoại lực gây uốn phẳng lực tập trung có phương vng góc với trục dầm ngẫu lực nằm mặt phẳng đối xứng chứa trục dầm Trạng thái dẻo vật thể biến dạng chủ yếu gây nên trọng tải uốn Thuộc nhóm có phương pháp uốn với dụng cụ chuyển động thẳng chuyển động quay Ví dụ: thân dao bào cắt gọt, dầm nâng tải trọng I.6.4 Biến dạng cắt (trượt) Một gọi chịu cắt ngoại lực tác dụng hai lực song song, ngược SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 10 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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) IV.3.5 Chất feri từ SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 29 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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 tác dụng vùng nhiệt độ T < Vì feri từ gọi phản sắt từ không 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 SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 30 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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 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 toán tử: =Trị số mơđun: = = Hình chiếu lên trục Oz: (4.8) (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: = (4.11) SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 31 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH Hay: = (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.] 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: SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY = = = Page 32 (4.16) (4.17) TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH Ở S = tổng số lượng tử trạng thái Momen từ tổng cộng nguyên tử: Và: = + (4.18) = + = (L + 2S) (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 Khi có: Và hình chiếu lên trục z: =g =g (4.20) (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: SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 33 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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 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 thứ nguyên, 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 SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 34 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH + 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) + Electron xạ lượng dạng photon nhảy xuống mức lượng thấp xạ tự phát (hình V.3.1b)  Hệ số hấp thụ (λ) SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 35 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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 (5.4) Dấu “-” giảm cường độ ánh sáng qua môi trường, hệ số tỉ lệ 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 -== Từ ta suy hệ số hấp thụ: (λ) = SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 36 (5.5) (5.6) TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH 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 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) = + + SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 37 (5.10) TL VẬT LÝ CHẤT RẮN Hay    GVHD: LÊ ĐÌNH = + + 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: = Hệ số xuyên qua : đặc trưng cho tính chất xuyên qua sóng âm =  Hệ số hấp thụ : đặc trưng cho tính hấp thụ sóng âm = (6.1)  SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 38 (6.2) (6.3) TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH Các hệ số âm phụ thuộc nhiều yếu tố, thực tế thường xác định thực nghiệm Theo định luật bảo toàn lượng: = + + đó: (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 không 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 chuyên dụng để hút âm SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 39 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH b Hệ số hút âm � Hệ số hút âm liên quan đến lượng tổn thất so với lượng tới: = (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 xun 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: SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 40 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH =  Mối quan hệ hệ số hút âm hệ số cách âm: (6.8)  + ξ = (6.9) C - KẾT LUẬN Thông 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 SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 41 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN  GVHD: LÊ ĐÌNH 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 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 tốn 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 SVTH: PHAN HUỲNH THẢO VY Page 42 TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH [9] Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện, Bộ mơn 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 Công 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 43 ... 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 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. .. 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 nhiệt (thermal properties) - Đặc tính điện (electrical