CHƯƠNG I : CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU I. CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU I. Cấu tạo nguyên tử: Tất cả các vật chất (rắn, lỏng, khí) đều được cấu tạo từ các nguyên tử. Mỗi nguyên tử đều được cấu tạo từ 3 loại hạt cơ bản gồm có proton, notron và electron.
Trong một nguyên tử, ta có đặc điểm sau Về số lượng: Số hạt proton bằng số hạt electron (=Z), với Z là số hiệu nguyên tử. Số lượng hạt notron có thể không bằng nhau trong các nguyên tử khác nhau của cùng 1 nguyên tố (đồng vị). Tổng số hạt proton và notron trong một guyên tử gọi là số khối (A). Chú ý, Z và A có thể được tra từ bảng tuần hoàn hóa học Mendelev.
Về khối lượng: Khối lượng của 1 hạt proton bằng khối lượng 1 hạt notron (mp = mn = 1,67. Khối lượng 1 hạt electron rất bé so với 1 hạt protron (mp= mn me = 9,1. Như vậy, do số hạt electron bằng số hạt proton trong khi khối lượng hạt electron không đáng kể (mp me), nên khối lượng nguyên tử chính là khối lượng hạt nhân (A. Về điện tích: Proton mang điện tích dương +q (với q = 1,601.
Notron trung hòa về điện (điện tích bằng 0). Điện tử (electron) mang điện tích âm (-q=- 1,601. Về cơ bản, một nguyên tử được chia làm 2 phần gồm hạt nhân và lớp vỏ điện tử. Hạt nhân được cấu tạo từ các hạt proton và notron.
Như vậy, hạt nhân mang điện tích dương và tổng điện tích bằng Z. Lớp vỏ được cấu tạo gồm các điện tử (electron) mang điện tích âm. Do tổng số điện tử bằng số proton, nên lớp vỏ điện tử mang điện tích âm (-Zq). Ở trạng thái bình thường, nguyên tử trung hòa về điện (vì Zq-Zq=0) và có khối lượng bằng khối lượng hạt nhân (A.
Ở trạng thái bình thường, các điện tử ở lớp vỏ chuyển động xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo nhất định, tuỳ theo mức năng lượng các điện tử mà sắp xếp thành lớp. * Năng lượng điện tử: Điện tử chuyển động trên quỹ đạo bán kính r sẽ mang năng lượng q2 W=− 2r trong đó: q - Điện tích điện tử, Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 2 Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 r - Bán kính nguyên tử. Như vậy, mỗi điện tử trong lớp vỏ điện tử có một năng lượng (|W|) nhất định. Mức năng lượng của điện tử tỉ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử.
Điện tử càng gần hạt nhân có năng lượng (|W|) càng lớn, điện tử càng xa hạt nhân có năng lượng càng bé. Chính vì vậy, điện tử càng xa hạt nhân (ở lớp ngoài cùng) càng dễ bị tách ra khỏi nguyên tử nhất. Khi cung cấp cho điện tử 1 năng lượng W , điện tử xẽ chuyển sang quỹ đạo xa hạt nhân hơn. Đế di chuyển điện tử từ quỹ đạo bán kính r ra xa vô cùng (r bằng vô cùng) cần phải q2 cung cấp cho nó năng lượng W .
Khi đó, điện tử được xem như điện tử tự do vì lực hút 2r hạt nhân đối với điện tử bằng 0. Như vậy ta có 2 khái niệm - Hiện tượng ion hóa: hiện tượng mà tách điện tử ra khỏi lớp vỏ nguyên tử để trở thành điện tử tự do. Khi đó, nguyên tử trở thành ion dương và năng lượng tối thiểu để thực hiện được ion hóa gọi là năng lượng ion hóa (Wi). Nguyên tử trung hòa về điện Nhận e Mất e ion âm ion dương Trong một nguyên tử, năng lượng ion hoá của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử ở lớp ngoài cùng có mức năng lượng ion hoá thấp nhất (vì chúng cách xa hạt nhân nhất nên mang năng lượng |W| bé nhất).
- Hiện tượng kích thích: hiện tượng điện tử chỉ dịch chuyển ra quỹ đạo xa hạt nhân hơn nhưng không trở thành điện tử tự do khi nhận được năng lượng từ bên ngoài. Trạng thái của nguyên tử lúc này được gọi là trạng thái kích thích. Trạng thái kích thích của nguyên tử là trạng thái không bền, sau 1 thời gian ngắn điện tử sẽ quay về quỹ đạo ban đầu và trả lại năng lượng dưới dạng photon ánh sang. Cấu tạo phân tử: Phân tử là phần nhỏ nhất của một chất ở trạng thái tự do mà có thể mang đầy đủ tính chất của chất đó.
Trong phân tử, các nguyên tử kiên kết với nhau bằng liên kết hóa học. Liên kết đồng hoá trị: Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 3 Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Liên kết cộng hóa trị được đặc trưng bởi sự dùng chung điện tử của các nguyên tử trong 1 phân tử. Khi đó, mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hoà và liên kết phân tử bền vững. Ví dụ: Phân tử Clo.
Mỗi nguyên tử Clo có 7 electron lớp ngoài cùng, khi 2 nguyên tử Clo lại gần nhau, mỗi nguyên tử góp 1 electron để tại thành cặp điện tử dùng chung. Hình 1-1: Liên kết đồng hoá trị trong phân tử Clo Mối liên kết cộng hóa trị xảy ra giữa các nguyên tử các nguyên tố phi kim, ví dụ Ar, He, O2, H2, H2O, CO2, NH3 … Tùy theo cấu trúc các phân tử đối xứng hay không đối xứng mà các phân tử được hình thành bỡi liên kết cộng hóa trị được chia ra làm 2 loại: + Phân tử trung tính: phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau. + Phân tử cực tích (hay lưỡng cực): phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng cách “l” nào đó. Phân tử cực tính được đặc trưng bởi Momen lưỡng cực: Pe = q.l Trong đó: q: điện tích l : có chiều từ -q đến +q, độ lớn là chiều dài l.
Liên kết ion: Liên kết ion là mối liên kết được tạo nên bởi lực hút giữa ion dương và ion âm. Liên kết này chỉ xảy ra giữa các nguyên tử của các nguyên tố hóa học có tính chất khác nhau. - Đặc trưng cho dạng liên kết kim loại là liên kết giữa kim loại với phi kim để tạo thành muối. Cụ thể là halogen và kim loại kiềm gọi là muối halogen của kim loại kiềm.
- Những chất rắn có cấu tạo liên kết ion thường rất bền vững về nhiệt và được tạo ra dạng tinh thể khác nhau. Ví dụ: Liên kết giữa Natri và Clo trong muối NaCl là liên kết ion (vì Na có 1 electron lớp ngoài cùng nên dễ nhường 1 electrong thành Na+, Clo có 7e lớp ngoài cùng nên dễ nhận 1e và tạo thành Cl-. Hai ion trái dấu này sẽ hút lẫn nhau và tạo thành phân tử NaCl), muối NaCl có tính chất hút ẩm, tnc = 800o C, tsôi <1450oC. - Khả năng tạo nên một chất hoặc hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dáng lớp điện tử hoá trị ngoài cùng.
Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 4 Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Hình 1-2: Sơ đồ cấu tạo kim loại I. Liên kết kim loại: Kim lọai chỉ có thể tồn tại dưới dạng nguyên tử riêng biệt khi ở dạng khí. Khi ở thể rắn hoặc lỏng, kim loại trở thành ion dương và điện tử tự do chuyển đổi hỗn loạn. Các điện tử này gắn các ion kim loại lại với nhau tạo thành liên kết kim loại.
Dạng liên kết này giải thích được những tính chất đặc trưng của kim loại: * Tính nguyên khối (rắn): Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối, kim loại thường ở dạng tinh thể (mạng lục giác). * Tính dẻo: do sự dịch chuyển và trượt lên nhau của các ion. Do tồn tại các điện tử tự do nên kim loại thường có ánh kim, dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Vật liệu có liên kết kim loại rất bền vững.
Liên kết Vandec-Van: - Đây là dạng liên kết yếu giữa nguyên tử của phân tử này và nguyên tử trong 1 phân tử khác. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn: Trong thực tế các mạng tinh thể có cấu trúc đồng đều hoặc không đồng đều. Tuy nhiên trong kỹ thuật ta sử dụng những vật liệu có cấu trúc đồng đều và cả không đồng đều. Mạng tinh thể có trường tĩnh điện biến đổi có chu kỳ gọi là mạng tinh thể đồng đều, ngược lại gọi là không đồng đều hay gọi là khuyết tật trong vật liệu.
Khuyết tật trong vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của trường tĩnh điện mạng tinh thể: + Phá vỡ thành phần hợp thức. + Sự có mặt của các tạp chất lạ. + Các lượng tử của dao động đàn hồi-phônôn. + Mặt tinh thể phụ-đoạn tầng.
Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 5 Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 + Khe rãnh, lỗ xốp… Khuyết tật trong vật rắn sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ học, lý học, hóa học và các tính chất về điện của vật liệu, Hình 1-3. Tạp chất Lỗ trống Tinh thể lí tưởng Chứa tạp chất Chứa lỗ trống Chèn nguyên tử Dịch chuyển vào giữa Hình 1-3: Khuyết tật trong vật rắn. - Khuyết tật tính năng đặc biệt tốt làm kém tính chất của vật liệu Ví dụ: chất bán dẫn n-p, các hợp kim điện tử … I. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn: Nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi những đường quang phổ hoàn toàn xác định.
Các nguyên tử khác nhau có những trạng thái năng lượng hay mức năng lượng khác nhau, Hình 1-4. Mức NL bình thường 3 4 2. Vùng điện tử lấp đầy 3. Mức năng lượng kích ΔW 5 thích 4.
Vùng tự do 1 5. Vùng cấm 2 Hình 1-4: Giản đồ năng lượng. Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 6 Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Tất cả các vật liệu đều thuộc 3 nhóm: Bán dẫn, dẫn điện và cách điện (điện môi). Sự khác nhau của các chất được giải thích nhờ vào thuyết phân vùng năng lượng.
Thuyết phân vùng năng lượng: Các nguyên tử có mức năng lượng xác định khác nhau. Các nguyên tử ở trạng thái bình thường (không bị kích thích), 1 số mức năng lượng được các điện tử lấp đầy còn các mức năng lượng khác, điện tử chỉ có thể có mặt khi bị kích thích.