Giáo trình vật liệu điện, điện tử

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

Ths. Tống Thị Phượng (Chủ biên)
Ths. Đồn 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” là tài liệu được biên soạn để phục vụ
cho việc giảng dạy, học tập của giảng viên và sinh viên ngành Cơng nghệ kỹ thuật
điện, điện tử.
Giáo trình được biên soạn theo đề cương học phần “Vật liệu kỹ thuật điện, điện
tử” ở trình độ đại học ngành Cơng nghệ kỹ thuật điện, điện tử đã được nhà trường
thông qua. Giáo trình gồm 5 chương:
Chương 1.Cấu tạo và phân loại vật chất: Giới thiệu cấu tạo nguyên tử, phân
tử, lý thuyết phân vùng năng lượng, phân loại vật chất.
Chương 2. Vật liệu dẫn điện: Trình bày các quá trình vật lý trong vật liệu dẫn
điện và các tính chất của chúng. Giới thiệu các vật liệu có điện dẫn cao, vật liệu dẫn
điện có điện trở cao.
Chương 3. Vật liệu cách điện: Trình bày các quá trình vật lý trong điện mơi và
các tính chất của chúng, phân loại vật liệu cách điện. Giới thiệu các vật liệu cách điện
thể khí, thể lỏng, thể rắn.
Chương 4. Vật liệu bán dẫn: Giới thiệu khái niệm chung về vật liệu bán dẫn,

tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn, tiếp xúc p-n và một số chất bán dẫn thông dụng.
Chương 5. Vật liệu từ: Giới thiệu khái niệm chung về vật liệu từ. Tổng quan
về các vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng và các vật liệu từ có cơng dụng đặc biệt.
Trong quá trình biên soạn giáo trình, mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng không
tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong đồng nghiệp và bạn đọc đóng góp ý kiến để
giáo trình được hồn thiện hơn.
Quảng Ninh, tháng 5 năm 2014
Người biên soạn

Tổng Thị Phượng


Chương 1
CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT CHẤT
1.1. Cấu tạo vật chất
1.1.1. Cấu tạo nguyên tử
Như chúng ta đã biết mọi vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử.
Nguyên tử là phần tử cơ bản nhất của vật chất. Theo mơ hình ngun tử của
Rutherford, ngun tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương rất nhỏ bé, tập
trung phần lớn khối lượng của nguyên tử ở trung tâm, còn các điện tử mang điện tích
âm quay xung quanh hạt nhân trên các quỹ đạo giống như các hành tinh quay xung
quanh Mặt Trời (hình 1-1).

Hình 1-1. Mơ hình ngun tử của Rutherford
Hạt nhân ngun tử được tạo nên từ các hạt proton và nơtron, nơtron là các hạt
khơng mang điện tích, proton có điện tích dương với số lượng bằng Z.q.
Trong đó:
Z – Số lượng điện tử của một nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự của nguyên
tố nguyên tử đó trong bảng tuần hồn Mendeleep;
q – Điện tích của điện tử e (qe = 1,601.10-19 culơng). Proton có khối lượng bằng

1,67.10-27kg;
e – Electron có khối lượng bằng 9,1.10-31kg.
Ở trạng thái bình thường nguyên tử được trung hòa về điện, tức là trong ngun
tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện
tử. Nếu vì lý do nào đó, ngun tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện
tích dương, ta thường gọi là ion dương. Ngược lại, nếu ngun tử trung hịa nhận thêm
điện tử thì trở thành ion âm.
Để có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của hyđrô, nguyên
tử này được cấu tạo từ một proton và một điện tử.
Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo trịn bán kính r xung quanh hạt nhân thì
điện tử sẽ chịu lực hút của hạt nhân f1 và được xác định bởi công thức sau:
f1 

q2
r2

(1-1)

Lực hút f1 sẽ được cân bằng với lực ly tâm của chuyển động f2:
mv 2
f2 
2

(1-2)

Trong đó:
1


m - Khối lượng của điện tử;

v - Tốc độ chuyển động của điện tử.
q2
Từ (1-1) và (1-2) ta có f1 = f2 hay: mv 
r
2

Trong quá trình chuyển động, điện tử có một động năng T =

(1-3)
mv 2
và một thế
2

q2
nên năng lượng của điện tử sẽ bằng:
năng U = r
q2
W=T+U=2r

(1-4)

Biểu thức (1-4) ở trên chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử có một mức năng
lượng nhất định, năng lượng này tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của
điện tử. Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r ra vơ cùng cần phải
q2
cung cấp cho nó một năng lượng lớn hơn bằng
.
2r

Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở

thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng ion hóa (Wi). Khi bị ion hóa (bị mất
điện tử), nguyên tử trở thành ion dương. Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion
dương và điện tử tự do gọi là q trình ion hóa.
Trong một ngun tử, năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác nhau cũng
khác nhau, các điện tử hóa trị ngồi cùng có mức năng lượng ion hóa thấp nhất vì
chúng cách xa hạt nhân (biểu thức 1-4).
Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa chúng sẽ bị kích
thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Song,
chúng ln có xu thế trở về vị trí của trạng thái ban đầu. Phần năng lượng cung cấp để
kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang học (quang năng).
Trong thực tế, năng lượng ion hóa và năng lượng kích thích nguyên tử có thể
nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện
năng, năng lượng của các tia sóng ngắn như  ,  ,  hay tia X ...
1.1.2. Cấu tạo phân tử
Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết hóa học. Trong
vật chất, tồn tại các loại liên kết sau
1.1.2.1. Liên kết đồng hóa trị
Liên kết đồng 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.
Lấy cấu trúc của phân tử clo làm ví dụ. Phân tử clo (Cl 2) gồm 2 nguyên tử clo,
mỗi nguyên tử clo gồm có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử hóa trị ở lớp ngồi cùng. Hai
ngun tử này được liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung hai điện tử,
lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của ngun tử
kia (hình 1-2).

Hình 1-2. Liên kết cộng hóa trị trong phân tử clo
2

Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng
hóa trị có thể là trung tính hay cực tính (lưỡng cực).
Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau là phân tử trung
tính. Các chất được tạo nên từ các phân tử trung tính gọi là chất trung tính.
Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và điện tích âm khơng trùng nhau,
cách nhau một khoảng cách “a” nào đó được gọi là phân tử cực tính hay cịn gọi là
lưỡng cực. Phân tử cực tính đặc trưng bởi momen lưỡng cực m = q.a. Dựa vào trị số
momen lưỡng cực của phân tử, người ta chia ra thành chất cực tính yếu và cực tính
mạnh. Những chất được cấu tạo bằng các phân tử cực tính gọi là chất cực tính.
Liên kết đồng hóa trị cịn thấy ở cả chất rắn vơ cơ có mạng tinh thể cấu tạo từ
các nguyên tử, ví dụ như kim cương. Cấu tạo kim cương được mô tả trên hình 1-3.

Hình 1-3. Cấu tạo tinh thể kim cương

1.1.2.2. 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, vật rắn có cấu tạo ion được đặc
trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Ví dụ điển hình về tinh thể ion là
các muối halogen của các kim loại kiềm.

Hình 1-4. Mơ hình mạng tinh thể NaCl
Khả năng tạo nên một chất hoặc một hợp chất mạng khơng gian nào đó phụ
thuộc chủ yếu vào kích thước ngun tử và hình dáng lớp điện tử hóa trị ngồi cùng.
1.1.2.3. Liên kết kim loại
Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn. Kim loại được xem như là một
hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do (hình 1-5).
Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại.
Chính vì vậy, liên kết kim loại là liên kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt
3

độ nóng chảy cao. Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối
của kim loại.

Hình 1-5. Sơ đồ cấu tạo kim loại
Sự tồn tại của các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn
điện, dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt
trên nhau giữa các lớp ion, vì thế kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng.
1.1.2.4. Liên kết VandeWaals
Liên kết này là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững
chắc. Do vậy, những liên kết phân tử là liên kết VanderWaals có nhiệt độ nóng chảy
và độ bền cơ thấp như parafin.
1.1.2.5. Liên kết hydro
Liên kết hydro xuất hiện trong trường hợp khi mà một nguyên tử hydro liên kết
vớí những nguyên tử có tính âm điện rất mạnh chẳng hạn như flo, oxy, photpho, ni
tơ... Các nguyên tử này mất một điện tử liên kết và mang điện tích âm, liên kết gây ra
bởi lực hút tĩnh điện giữa các hạt mang điện này.
Một thí dụ điển hình về liên kết loại này là liên kết xuất hiện giữa các phân tử
nước. Liên kết O-H tạo thành giữa các nguyên tử oxy của phân tử nước này với
nguyên hydro của phân tử nước khác.
Ngun tử hydro có một điện tử hố trị, nó có thể liên kết với một nguyên ử có
lớp ngồi cùng thiếu 1 điện tử . Nhưng hydro có thể liên kết với hai nguyên tử cùng
một lúc tạo thành liên kết hydro Đây là một dạng liên kết có hướng, năng lượng liên
kết bé, nhỏ hơn 20 kJ/mol.
1.1.2.6. So sánh các liên kết
Liên kết thường gặp nhất là liên kết VanderWaals, nó xuất hiện trong mọi trường
hợp và là loại liên kết yếu nhất với năng lượng liên kết chỉ cỡ 104J/mol. Liên kết này
xuất hiện giữa các ngun tử, phân tử trung hồ có lớp vỏ điện tử bên trong đầy.
Liên kết ion là loại liên kết điển hình, thường gặp trong các chất vơ cơ, trong
các hợp chất kim loại với halogen, oxyt, kim loại, sulphua... Vì thế vật rắn cấu tạo với

liên kết ion hình thành lên mạng tinh thể ion, có nhiệt độ nóng chảy cao vì năng lượng
liên kết rất cao. Ở nhiệt độ thấp, điện dẫn điện tử rất yếu vì các điện tử bị gắn chặt vào
các ion, các tinh thể ion có tính chất của các điện mơi. Liên kết ion cũng thường gặp
trong các kim loại chuyển tiếp (cadmi, selen, nitri...). Năng lượng liên kết ion lớn hơn
hẳn của liên kết Van der Waals, đạt cỡ 106 J/mol. Nhưng ở nhiệt độ cao do chuyển
động mạnh của các ion, nên điện dẫn ion xuất hiện.
Liên kết cộng hoá trị ít có mặt trong các chất hữu cơ và thường hay gặp trong
các hợp chất vô cơ.
4


Liên kết này dẫn đến sự tạo thành tinh thể hố trị điển hình như Al, Ge... Năng
lượng của liên kết ion thường khá cao khoảng 106J/mol. Do vậy các chất có liên kết
hố trị có điểm nóng chảy cao và nhiệt dung lớn.
Liên kết kim loại xuất hiện do tạo thành các điện tử hố trị góp chung cho, đặc
trưng cho kim loại điển hình. Năng lượng liên kết cùng bậc với với liên kết hoá trị.
Cuối cùng liên kết hydro là liên kết tương đối yếu.
Trong các vật rắn thực, thường chúng ta gặp thường gặp hai hoặc nhiều hơn
loại liên kết, trong đó có một loại nào đó chiếm ưu thế hơn nó quy định cấu trúc, tính
chất của vật liệu.
1.1.3. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn
Các tinh thể vật rắn có thể có kết cấu đồng nhất. Sự phá hủy các kết cấu đồng
nhất và tạo nên các khuyết tật trong vật rắn thường gặp nhiều trong thực tế. Những
khuyết tật có thể được tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình cơng nghệ
chế tạo vật liệu.
Khuyết tật của vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của
trường tĩnh điện mạng tinh thể như: Phá vỡ thành phần hợp thức, sự có mặt của các
hợp chất lạ, áp lực cơ học, các lượng tử của dao động đàn hồi – phonon, mặt tinh thể
phụ - đoạn tầng, khe rãnh, lỗ xốp ...

Hình 1-6. Các dạng khuyết tật trong vật rắn
Khuyết tật sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ học, lý học, hóa học và các tính chất
về điện của vật liệu. Khuyết tật có thể tạo nên các tính năng đặc biệt tốt, ví dụ như vi
mạch IC ... và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi, ví dụ như vật liệu
cách điện có lẫn kim loại.
1.1.4. Các mạng tinh thể cơ bản
1.1.4.1. Cấu trúc tinh thể
Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) là mạng lưới không gian ba chiều trong
đó các nút mạng là các 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 về ô cơ sở
Là mạng tinh thể nhỏ nhất mà bằng cách tịnh tiến nó theo hướng của ba trục
tinh thể ta có thể thu được tồn bộ tinh thể.
Mỗi ô cơ sở được đặc trưng bởi các thông số:
1. Hằng số mạng: a, b, c, , , ;
5


2. Số đơn vị cấu trúc: n;
3. Số phối trí;
4. 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 là các nguyên tử kim loại hay ion dương
kim loại
- Số phối trí = 6

- Số đơn vị cấu trúc: 1
*. Mạng lập phương tâm khối
- Đỉnh và tâm khối hộp lập phương là nguyên tử hay
ion dương kim loại
- Số phối trí = 8
- Số đơn vị cấu trúc: 2
*. Mạng lập phương tâm diện
- Đỉnh và tâm các mặt của khối hộp lập phương
là các nguyên tử hoặc ion dương kim loại
- Số phối trí = 12
- Số đơn vị cấu trúc: 4
*. Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương)
- Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ sở.
Mỗi ô mạng cơ sở là một khối hộp hình thoi.
Các đỉnh và tâm khối hộp hình thoi là nguyên tử
hay ion kim loại
- Số phối trí = 12
- Số đơn vị cấu trúc: 2
Hình 1-7. Mơ hình các
mạng tinh thể kim loại
b. Một số đặc điểm của mạng tinh thể kim loại
*. Độ đặc khớt ca mng tinh th

Lập ph- ơng tâm khối

Lập ph- ơng tâm mặt

C

A

B

B

A

A
Lục ph- ơng chặt khít

Hỡnh 1-8. Mụ hỡnh so sánh tính chặt khít của các mạng tinh thể kim loại
6


*. Hốc tứ diện và hốc bát diện

Hèc b¸t diƯn

Hèc tø diƯn

Hình 1-9. Mơ hình hốc tứ diện và bát diện trong mạng tinh thể kim loại
+ Mạng lập phương tâm mặt: Hốc tứ diện là 8; Hốc bát diện là: 1 + 12.1/4 = 4
+ Mạng lục phương: Hốc tứ diện là 4; Hốc bát diện là: 1 + 12.1/4 = 2
c. Độ đặc khít của mạng tinh thể
*. Mạng tinh thể lập phương tâm khối

a

a 2
a 3 = 4r

Hình 1-10. Mơ hình mạng tinh thể lập phương tâm khối
Số quả cầu trong một ô cơ sở : 1 + 8. 1/8 = 2
Tổng thể tích quả cầu

4
2.  .r 3
3

Thể tích của một ơ cơ sở =
a3
*. Mạng tinh thể lập phương tâm diện

4
3 3
2.  .(a
)
3
4

=

a3

= 68%

a
a
a 2 = 4.r

Hình 1-11. Mơ hình mạng tinh thể lập phương tâm diện

7


Số quả cầu trong một ô cơ sở : 6. 1/2 + 8. 1/8 = 4
4
4.  .r 3
3

Tổng thể tích quả cầu

=

=

4
2 3
4.  .(a
)
3
4

= 74%

Thể tích của một ô cơ sở
a3
a3
*. Mạng tinh thể lục phương chặt khít
Số quả cầu trong một ô cơ sở: 4. 1/6 + 4. 1/12 + 1 = 2
4
2.  .r 3

3

Tổng thể tích quả cầu
Thể tích của một ơ cơ sở

=

a
4
2.  .( )3
3
2

=

3 2a. 6
.
a.a
2
2

a

3

= 74%

2

a

2a 6
b=
3

a

a
a

a 3
2

a

a
a = 2.r

Ô cơ së

a 6
3

Hình 1-12. Mơ hình mạng tinh thể lục phương chặt khít
Bảng 1-1. Tổng quát các đặc điểm của các 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

4

12

8

Lục phương
đặc khít (hpc)

== 90o
 =120o
a≠b≠c

2

12

4

2

8

-

68

Kim loại
kiềm, Ba,
Fe, V, Cr, …

4

74

Au, Ag, Cu,
Ni, Pb, Pd,
Pt, …

2

74

Be, Mg, Zn,
Tl, Ti, …

-

d. Khối lượng riêng của kim loại
*. Cơng thức tính khối lượng riêng của kim loại
D=

3.M .P
(*) hoặc D = (n.M) / (NA.V1 ơ )
4 r 3 .N A

Trong đó:
M - Khối lượng kim loại (g);
NA - Số Avogadro;
n - Số nguyên tử trong 1 ô cơ sở;
8

(1-6)


P - Độ đặc khít (mạng lập phương tâm khối P = 68%; mạng lập phương tâm diện,
lục phương chặt khít P = 74%);
r - Bán kính ngun tử (cm);

V1ơ - Thể tích của 1 ơ mạng.
*. Áp dụng
Bài 1. Tính khối lượng riêng của tinh thể Ni, biết Ni kết tinh theo mạng tinh thể lập
0

phương tâm mặt và bán kính của Ni là 1,24 A .
Giải:
a=
a

0
4r 4.1, 24

 3,507( A) ; P = 0,74
2
2

Khối lượng riêng của Ni:
3.58, 7.0, 74
=9,04 (g/cm3)
4.3,14.(1, 24.108 )3 .6, 02.1023

a
a 2 = 4.r

Hình 1-13. Mơ hình mạng tinh thể Ni
Bài 2. Thực nghiệm cho biết ở pha rắn, vàng (Au) có khối lượng riêng là 19,4 g/cm3 và có
mạng lưới lập phương tâm diện. Độ dài cạnh của ô mạng đơn vị là 4,070.10-10 m. Khối
lượng mol nguyên tử của vàng là: 196,97 g/cm3.
a. Tính phần trăm thể tích khơng gian trống trong mạng lưới tinh thể của vàng?

b. Xác định trị số của số Avogadro?
Giải:
- Số nguyên tử trong 1 ô cơ sở:
8.1/8 + 6.1/2 = 4.
- Bán kính nguyên tử Au:

a

4.r = a 2  r= a 2 /4= 1,435.10-8 cm

a
a 2 = 4.r

Hình 1-14. Mơ hình mạng tinh thể Au
Thể tích bị chiếm bởi các nguyên tử:
Vnguyên tử= 4/3..r3 = 4.4/3.3,14.(1,435.10-8 )3 = 5.10-23 cm3.
Thể tích 1 ơ đơn vị:
V1ơ = a3 = (4,070.10-8)3 = 6,742.10-23 cm3.
Phần trăm thể tích không gian trống:
(V1ô - Vnguyên tử).100 / Vnguyên tử = 26%.
Trị số của số Avogadro:
NA = (n.M) / (D.Vô) = 6,02.1023.
Bài 3. Đồng kết tinh theo kiểu lập phương tâm diện.
a. Tính cạnh của hình lập phương của mạng tinh thể và khoảng cách ngắn nhất giữa hai
tâm của hai nguyên tử đồng trong mạng, biết nguyên tử đồng có bán kính bằng 1,28A0.
9


b. Tính khối lượng riêng của đồng theo g/cm3. Cho Cu = 64.
Giải:

Bán kính nguyên tử Cu là:
r = 1,28.10-8 cm.
Từ công thức:
4.r = a 2  a = 4.r / 2 = (4.1,28.10-8) / 1,41 = 3,63.10-8 cm.
Khoảng cách ngắn nhất giữa 2 tâm của hai nguyên tử đồng trong mạng:
2.r = 2,56.10-8 cm.
Khối lượng riêng:
D = (n.M) / (NA.V1 ô ) = 8,896 g/cm3.
Bài 4. Xác định khối lượng riêng của Na, Mg, K.
Giải:
Xác định khối lượng riêng của các kim loại trên theo cơng thức:
D=

3.M .P
Sau đó điền vào bảng và so sánh khối lượng riêng của các kim loại
4 r 3 .N A

đó, giải thích kết quả tính được.
Kim loại

Na

Mg

Al

Nguyên tử khối (đv.C)

22,99

24,31

26,98

Bán kính nguyên tử ( A )

1,89

1,6

1,43

Mạng tinh thể

Lptk

Lpck

Lptm

Độ đặc khít

0,68

0,74

0,74

Khối lượng riêng lý thuyết (g/cm3)

0,919

1,742

2,708

Khối lượng riêng thực nghiệm (g/cm3)

0,97

1,74

2,7

0

Nhận xét
Khối lượng riêng tăng theo thứ tự: DNa < DMg < DAl là do sự biến đổi cấu trúc
mạng tinh thể kim loại, độ đặc khít tăng dần và khối lượng mol nguyên tử tăng dần.
1.1.4.4. Mạng tinh thể ion
* Tinh thể hợp chất ion được tạo thành bởi những cation và anion hình cầu có
bán kính xác định.
* Lực liên kết giữa các ion là lực hút tĩnh điện không định hướng.
* Các anion thường có bán kính lớn hơn cation nên trong tinh thể người ta coi
anion như những quả cầu xếp khít nhau theo kiểu lập phương tâm mặt, lập phương
chặt khít, hoặc lập phương đơn giản. Các cation có kích thước nhỏ hơn nằm ở các hốc
tứ diện hoặc bát diện.
Bài 1. Tinh thể NaCl có cấu trúc lập phương tâm mặt của các ion Na+, còn các ion Clchiếm các lỗ trống tám mặt trong ô mạng cơ sở của các ion Na+, nghĩa là có 1 ion Clchiếm tâm của hình lập phương. Biết cạnh a của ô mạng cơ sở là 5,58A0. Khối lượng
mol của Na và Cl lần lượt là 22,99 g/mol; 35,45 g/mol. Cho bán kính của Cl- là
1,81A0. Tính:

a. Bán kính của ion Na+?
b. Khối lượng riêng của NaCl (tinh thể)?
10


Giải:

Na
Cl

Hình 1-15. Mơ hình mạng tinh thể NaCl
Các ion Cl xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, các cation Na+ nhỏ hơn chiếm hết
số hốc bát diện. Tinh thể NaCl gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau. Số phối
trí của Na+ và Cl- đều bằng 6.
Số ion Cl- trong một ô cơ sở: 8.1/8 + 6.1/2 = 4
Số ion Na+ trong một ô cơ sở: 12.1/4 + 1.1 = 4
Số phân tử NaCl trong một ô cơ sở là 4
a. Có: 2.(r Na+ + rCl-) = a = 5,58.10-8 cm  r Na+ = 0,98.10-8 cm;
b. Khối lượng riêng của NaCl là:
D = (n.M) / (NA.V1 ô )  D = [4.(22,29 + 35,45)]/[6,02.1023.(5,58.10-8)3]
D = 2,21 g/cm3.
Bài 2. Phân tử CuCl kết tinh dưới dạng lập phương tâm diện. Hãy biểu diễn mạng cơ sở
của CuCl
a. Tính số ion Cu+ và Cl - rồi suy ra số phân tử CuCl2 chứa trong mạng tinh thể cơ sở.
b. Xác định bán kính ion Cu+.
Cho: D(CuCl) = 4,136 g/cm3; rCl- = 1,84A0; Cu = 63,5; Cl = 35,5.
-

Giải:

Các ion Cl- xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, các cation Cu+ nhỏ hơn chiếm hết
số hốc bát diện. Tinh thể CuCl2 gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau. Số
phối trí của Cu+ và Cl- đều bằng 6
Số ion Cl- trong một ô cơ sở: 8.1/8 + 6.1/2 = 4

Số ion Cu+ trong một ô cơ sở: 12.1/4 + 1.1 = 4
Số phân tử CuCl trong một ô cơ sở là 4
Khối lượng riêng của CuCl là:
D = (n.M) / (NA.a3 )  a = 5,42.10-8 cm (a là cạnh của hình lập phương)
Có: 2.(rCu+ + rCl-) = a = 5,42.10-8cm  rCu+ = 0,87.10-8cm
1.1.4.5. Tinh thể nguyên tử
Trong tinh thể nguyên tử, các đơn vị cấu trúc chiếm các điểm nút mạng là các
nguyên tử, liên kết với nhau bằng liên kết cộng hố trị nên cịn gọi là tinh thể cộng hoá trị.
Do liên kết cộng hố trị có tính định hướng nên cấu trúc tinh thể và số phối trí
được quyết định bởi đặc điểm liên kết cộng hố trị, khơng phụ thuộc vào điều kiện sắp
xếp không gian của nguyên tử.
11


Vì liên kết cộng hố trị là liên kết mạnh nên các tinh thể nguyên tử có độ cứng
đặc biệt lớn, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sơi cao, không tan trong các dung môi.
Chúng là chất cách điện hay bán dẫn.
Bài 1.
a. Hãy vẽ sơ đồ mô tả cấu trúc của một tế bào kim cương sơ đẳng?
b. Biết hằng số mạng a = 3,5A0. Hãy tính khoảng cách giữa một nguyên tử C và một
nguyên tử C láng giềng gần nhất. Mỗi nguyên tử C như vậy được bao quanh bởi mấy
nguyên tử ở khoảng cách đó?
c. Hãy tính số nguyên tử C trong một tế bào sơ đẳng và khối lượng riêng của kim cương?
Giải:

a = 3,55 A
Liên kết C-C dài 1,54 A

Hỡnh 1-16. Mụ hỡnh mạng tinh thể kim cương
a. Các nguyên tử C chiếm vị trí các đỉnh, các tâm mặt và một nửa số hốc tứ diện. Số phối
trí của C bằng 4 ( Cacbon ở trạng thái lai hoá sp2).
Mỗi tế bào gồm 8.1/8 + 6.1/2 + 4 = 8 nguyên tử
Khoảng cách giữa một nguyên tử Cacbon và một nguyên tử cacbon láng giêng gần
nhất là: 2r = d/4; Với d là đường chéo của hình lập phương d = a. 3 .
 2.r = a. 3 / 4 = 1,51.10-8 cm
b. Mỗi nguyên tử cacbon được bao quanh bởi 4 nguyên tử cacbon bên cạnh.
c. Khối lượng riêng của kim cương:
D=

n.M
N A .V

=

8.12,011
= 3,72 g/cm3
6,02.10 23.(3.5.10 8 ) 3

Bài 2. Silic có cấu trúc tinh thể giống kim cương.
a. Tính bán kính nguyên tử silic. Cho khối lượng riêng của silic tinh thể bằng 2,33g.cm-3;
Khối lượng mol nguyên tử của Si bằng 28,1g.mol-1.
b. So sánh bán kính nguyên tử của silic với cacbon (rC = 0,077 nm) và giải thích?
Giải:
a. Từ cơng thức tính khối lượng riêng:
D=

n.M
N A .V

 V1 ô = ( 8.28,1)/(2,33.6,02.1023) = 16,027 cm3;

a = 5,43.10-8 cm; d = a. 3 = 5,43.10-8 .1,71 = 9.39.10-8 cm;
12


Bán kính của nguyên tử silic là: r = d/8 = 1,17 .10-8cm.
b. Có rSi (0,117 nm) > rC( 0,077 nm). Điều này phù hợp với quy luật biến đổi bán kính
ngun tử trong một phân nhóm chính.
Do cấu trúc đặc biệt của mạng tinh thể kim loại mà các kim loại rắn có những
tính chất vật lý chung: tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, tính dẻo, ánh kim. Các tính chất
vật lý chung đó đều do electron tự do trong kim loại gây ra. Ngoài ra đặc điểm của liên
kết kim loại: Mật độ nguyên tử (hay độ đặc khít), mật độ electron tự do, điện tích của
cation kim loại cũng ảnh hưởng đến các tính chất vật lý khác của kim loại như: Độ
cứng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tỷ khối.
1.1.5. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn
Lý thuyết điện tử tự do giải thích được nhiều tính chất của vật rắn như là dẫn
nhiệt, dẫn điện, phát xạ nhiệt, các hiệu ứng nhiệt điện, điện từ... đặc biệt là kim loại.
Nhưng lý thuyết này đã khơng giải thích được những tính chất của vật rắn trong mối
quan hệ với cấu trúc bên trong của nó.
Tại sao một số tinh thể của các chất lại là kim loại, điện mơi và bán dẫn, tính
chất của bán dẫn lại phụ thuộc vào nhiệt độ.
Ở nhiệt độ thấp một số kim loại có điện trở suất nhỏ đến 10-10 Ωcm, cịn một số
điện mơi có điện trở suất lớn đến 1020 Ωcm thế nhưng các tính chất vật lý khác lại
không khác nhau nhiều đến thế.
Bất cứ một vật rắn nào cũng chứa các điện tử. Vấn đề chính liên quan đến tính

chất điện của vật rắn là điện tử có hành vi như thế nào khi có tác động của điện trường
ngồi?
Lý thuyết phân vùng năng lượng cho rằng điện tử phân bố theo các vùng năng
lượng. Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu
thành các nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn và điện mơi (cách điện).
Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí khi
các nguyên tử ở cách xa nhau một khoảng cách lớn đã chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi
chất được đặc trưng bởi những vạch quang phổ hồn tồn xác định. Điều đó chứng tỏ
rằng các nguyên tử khác nhau có những trạng thái năng lượng hay mức năng lượng
khác nhau.
Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường khơng bị kích thích, một số trong các
mức năng lượng được các điện tử lấp đầy, còn ở các mức năng lượng khác điện tử chỉ
có thể có mặt khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngồi tác động (trạng thái kích
thích). Ngun tử ln có xu hướng quay về trạng thái ổn định. Khi điện tử chuyển từ
mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát
ra phần năng lượng dư thừa.

Hình 1-17. Phân vùng năng lượng của vật rắn

13


Các điện mơi có các vùng năng lượng hoặc là điền đầy toàn bộ bởi các điện tử
hoặc trống hoàn tồn: Như vậy chúng khơng thể di chuyển khi có điện trường ngoài
tác động. Tinh thể là kim loại nếu một hoặc hai vùng được điền đầy một phần (từ 10
đến 90%).
Tinh thể là bán kim hay bán dẫn (Bi – bán kim, Si – bán dẫn) nếu một hoặc hai
vùng được điền đầy một phần rất nhỏ hay ngược lại điền gần hết (<10% hạt > 90%).
Sự điền đầy của bán dẫn điện phụ thuộc vào một số điều kiện, đặc biệt nhiệt độ và pha
tạp.

Với một số điện tử nhất định trong chất rắn, chỉ có một số vùng năng lượng
thấp nhất là bị lấp đầy. Tuỳ theo mức độ lấp đầy của vùng năng lượng mà có thể phân
chia tất cả vật chất thành các nhóm:
Nhóm thứ nhất bao gồm những vật mà trong đó trên những vùng năng lượng đã
bị lấp đầy hoàn toàn là vùng năng lượng chỉ bị lấp đầy một phần. Vùng kiểu này xuất
hiện trong các kim loại kiềm. Vùng bị lấp đầy một phần cũng có thể tạo ra sự phủ của
vùng lấp đầy lên vùng bỏ trống hoặc vùng bị lấp đầy một phần, chẳng hạn như với các
nguyên tố của kim loại kiềm thổ. Kim loại chính là những vật rắn có vùng năng lượng
bị lấp đầy một phần.
Nhóm thứ hai bao gồm các vật mà ở phía trên vùng bị lấp đầy hoàn toàn là
vùng hoàn toàn trống. Điển hình là các ngun tố thuộc nhóm 4 của bảng tuần hồn
Mendeleev như C, Ge, Si. Thuộc nhóm này cịn có nhiều hợp chất hố học như các
oxyt kim loại, natri, cadmi, halogen của các kim loại kiềm thổ.
Theo thuyết vùng năng lượng, các điện tử ở vùng hoá trị đều có thể chuyển
động tự do như nhau, khơng phân biệt là kim loại hay điện môi. Sự chuyển động này
thực chất được thực hiện ngầm chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Mặc dù
vậy tính chất dẫn điện của các vật thể, đặc biệt là điện trở suất rất khác nhau. Như thế
thấy rằng sự có mặt của các điện tử tự do chỉ là điều kiện cần để xuất hiện sự dẫn điện
của vật rắn, chứ chưa là điều kiện đủ.
Để có thể giải thích các tính chất điện khác nhau của vật liệu, lý thuyết đưa ra
sự khác biệt về chiều dày vùng cấm. Điều này được thể hiện bằng việc nghiên cứu
quang phổ phát xạ của các nguyên tử cho thấy các kim loại được đặc trưng bởi sự vắng
mặt của vùng cấm (ΔW=0).
Tuỳ thuộc chiều rộng vùng cấm của vật rắn thuộc nhóm hai là điện mơi hay bán
dẫn. Các điện mơi là các chất có chiều dày vùng cấm rộng tới mức ở nhiệt độ bình
thường các điện tử hố trị không thể di chuyển sang vùng dẫn được lớn hơn 3eV, đối
với kim cương 5,2eV, với Al2O3 là 7 eV. Vì vậy trong điều kiện bình thường, điện mơi
là vật liệu khơng dẫn điện hoặc có điện dẫn khơng đáng kể.
Các vật liệu bán dẫn là chất có chiều dày vùng cấm bé, nằm trong khoảng 0,2
đến 1,5 eV, với Ge 0,66eV, Si 1,08eV và AsGa 1,43eV.

Một số điện tử hố trị ngay ở nhiệt độ bình thường với sụ tiếp sức của chuyển
động nhiệt đã có thể chuyển tới vùng dẫn để hình thành tính dẫn điện của vật liệu.
Bình thường năng lượng của chuyển động nhiệt (3/2kT) chỉ vào khoảng 0.04 eV, tức
là nhỏ hơn nhiều so với chiều dày vùng cấm của các điện môi nên không thể đưa điện
tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn được. Thực tế khả năng các điện tử vẫn có khả năng
chuyển sang vùng dẫn do sự phân bố năng lượng giữa các nguyên tử không giống
nhau hoặc do sụ tương tác giữa các nguyên tử và giữa các điện tử.

14


Khi điện tử rời vùng hố trị, tại đó sẽ hình thành một chỗ trống -"lỗ hổng". Lỗ
hổng này được lấp đầy bằng một điện tử khác. Khi có tác dụng của điện trường bên
ngoài sự chuyển động của các điện tử từ chỗ trống này sang chỗ trống khác ngược
chiều của điện trường và có thể xem sự chuyển động của các "lỗ hổng" giống như sự
chuyển động của các điện tích dương .
Nếu các điện tử hố trị điền đầy hoàn toàn một hay nhiều vùng năng lượng thì
đó là điện mơi.
Dưới tác dụng của điện trường ngồi, khơng có dịng điện vì một vùng đã bị
điền đầy hoàn toàn bị ngăn cách với một vùng cao hơn bởi khe năng lượng (vùng cấm)
nên khơng có cách nào thay đổi động lượng tổng của điện tử. Nếu các vùng năng
lượng phủ lẫn nhau thì sẽ có một vùng hay nhiều vùng khơng điền đầy, tinh thể có tính
kim loại. Các kim loại đất hiếm có 2 điện tử hố trị cho mỗi ơ cơ bản đúng ra chúng là
điện mơi nhưng do có sự phủ các vùng năng lượng nên chúng là kim loại.
Do khơng có năng lượng của chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình
thường của nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hóa trị hay cịn gọi là vùng
đầy (ở 00K các điện tử hóa trị của nguyên tử lấp đầy vùng này).
Những điện tử tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng
của chúng tập hợp thành vùng tự do hay vùng điện dẫn (phần trên cùng của sơ đồ phân
bố vùng năng lượng ở hình 1-18).

Hình 1-18. Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn ở nhiệt độ 00K.
1.2. Phân loại vật liệu
1.2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện
Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện (điện
môi), bán dẫn và dẫn điện.

15


Hình 1-19. Sơ đồ phân loại vật liệu theo khả năng dẫn điện
1.2.1.1. Điện mơi
Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng
điện tử khơng xảy ra. Các điện tử hóa trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của
chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện
dẫn. Chiều rộng vùng cấm của điện môi W nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài eV.
1.2.1.2. Bán dẫn
Là chất có vùng cấm hẹp hơn so với điện mơi, vùng này có thể thay đổi nhờ tác
động năng lượng từ bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé ( W =0,2
 1,5eV ). Do đó, ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hóa trị ở trong vùng đầy được
tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dịng
điện dẫn.
1.2.1.3. Vật dẫn
Là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng
đầy ( W < 0,2eV). Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn. Ở nhiệt độ bình
thường, các điện tử hóa trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng,
dưới tác dụng của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dịng điện dẫn. Chính
vì vậy, vật dẫn có tính dẫn điện tốt.
1.2.2. Phân loại vật liệu theo từ tính
Theo từ tính, người ta phân loại vật liệu thành nghịch từ, thuận từ và dẫn từ.

1.2.2.1. Nghịch từ
Là những chất có độ từ thẩm  <1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường
bên ngồi. Loại này gồm có hyđrơ, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, muối mỏ
và các kim loại như: Đồng, kẽm, bạc, vàng, thủy ngân, gali, antimoan.
1.2.2.2. Thuận từ
Là những chất có độ từ thẩm  >1 và cũng không phụ thuộc vào cường độ từ
trường bên ngồi. Loại này gồm có oxy, nitơ ơxit, muối đất hiếm, muối sắt, các muối
coban và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim.

16


1.2.2.3. Chất dẫn từ
Là những chất có  >1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Loại
này gồm có sắt, niken, coban và các hợp kim của chúng. Hợp kim crơm và mangan,
gađolonit, pherit có các thành phần khác nhau.
Trong các phần trình bày tiếp theo sẽ nghiên cứu những tính chất của vật liệu
cách điện, bán dẫn, dẫn điện và vật liệu từ dùng trong kỹ thuật điện.
CÂU HỎI ƠN TẬP CHƯƠNG 1
Câu 1. Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử. Phân biệt chất trung tính và cực tính?
Câu 2. Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất?
Câu 3. Cho biết sắt Feα có mạng tinh thể lập phương thể tâm, bán kính ngun tử
1,24A0, sắt Feγ có mạng tinh thể lập phương diện tâm, bán kính nguyên tử 1,27A0
a. Tính hằng số tinh thể của mỗi mạng tinh thể nói trên?
b. Tính mật độ khối của mỗi chất?
Câu 4. Cho biết nhơm có tinh thể kiểu mạng lập phương diện tâm với hằng số tinh thể
là a=4,04 A0
a. Tính mật độ khối của tinh thể nhơm?
b. Tính mật độ nguyên tử của tinh thể nhôm?
Câu 5. Vật liệu A có chiều rộng vùng cấm W nằm trong khoảng từ 1,7V thuộc loại

nào sau:
a. Chất dẫn điện
b. Chất bán kim
c. Chất bán dẫn
d. Chất điện môi
Câu 6. Chất bán dẫn là chất có chiều rộng vùng cấm thuộc khoảng nào sau:
a. W từ 0 đến 0,2eV
b. W từ 3 đến 7 eV
c. W từ 0,2 đến 1,5 eV
d. W từ 3 đến 5 eV
Câu 7. Vật liệu có độ từ thẩm  <1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên
ngoài thuộc loại nào sau đây:
a. Chất thuận từ
b. Chất nghịch từ
c. Chất dẫn từ
d. Chất kháng từ
Câu 8. Chất dẫn từ là những chất có tính chất sau:
a. Là những chất có  >1 và khơng phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài
b. Là những chất có  >1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngồi
c. Là những chất có  <1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngồi
d. Là những chất có  <1 và khơng phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài

17


Chương 2
VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
2.1. Khái niệm chung
2.1.1. Các quá trình vật lý trong VLDĐ và các tính chất của chúng
2.1.1.1. Các khái niệm cơ bản về chất dẫn điện

Dòng điện là sự chuyển dịch có trật tự của các điện tích dưới tác động của điện
trường. Dịng điện xuất hiện trong vật chất bị ảnh hưởng bởi điện áp, khi đó dưới tác
dụng của lực điện trường sẽ tạo ra các trạng thái chuyển động một cách có trật tự của
các điện tích có trong vật chất. Như vậy điều kiện cần thiết để có dịng điện ở bất kỳ
vật chất nào chính là sự tồn tại các điện tích tự do. Nhưng tùy thuộc vào bản chất thiên
nhiên của các hạt mang điện có trong vật chất, hiện tượng dẫn điện được quan sát có
những sự khác biệt rất khác nhau. Những dạng dẫn điện chủ yếu gồm:
- Tính dẫn điện điện tử: Hạt mang điện là những điện tích âm, chính xác hơn là
các điện tử. Tính dẫn điện này là đặc tính dẫn điện của kim loại và bán dẫn điện tử.
- Tính dẫn điện ion hay phân li: Hạt mang điện là những ion, có thể là các điện
tích dương hoặc âm của phân tử hay nguyên tử. Sự chuyển dịch của các điện tích dẫn
đến hiện tượng điện phân.
- Tính dẫn điện điện di (thường thấy ở điện môi lỏng): Vật chất mang điện là
những nhóm điện tích của phân tử. Sự tồn tại của dòng điện trong vật chất dẫn đến
hiện tượng điện chuyển.
Chất dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do.
Nếu đặt những vật liệu này vào trong một trường điện, các điện tích sẽ chuyển động
theo hướng nhất định của trường và tạo thành dịng điện.
Vật liệu dẫn điện có thể là các vật liệu ở thể rắn, lỏng và trong một số trường
hợp đặc biệt có thể là cả ở thể khí.
2.1.1.2. Phân loại vật liệu dẫn điện
a. Phân loại theo trạng thái
- Các vật liệu ở thể rắn: Gồm kim loại, hợp kim và một số biến thể của cacbon
(than kỹ thuật điện).
Kim loại dẫn điện chia làm 2 loại: Loại có điện dẫn cao và loại có điện trở cao.
Loại có điện dẫn cao được dùng làm dây dẫn; lõi cáp, cuộn dây của máy biến áp và
máy điện, cuộn dây sóng, anot của các đèn phát có cơng suất lớn…
Kim loại, hợp kim có điện trở cao được dùng trong các dụng cụ nung bằng điện
trở như đèn thắp sáng, biến trở…
- Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng: Gồm kim loại lỏng (nóng chảy) và các dung dịch

điện phân (ở nhiệt độ phịng có thể kể thủy ngân Hg).
b. Phân loại theo tính chất
- Vật liệu dẫn điện loại 1: Có dịng điện là dịng chuyển dịch của các điện tử tự
do (kim loại rắn và lỏng).
- Vật dẫn loại 2: Có dịng điện là dịng chuyển dịch của các điện tích, gồm các
ion và điện tử (dung dịch điện phân, axit, kiềm…).
Tất cả các chất khí và hơi, kể cả hơi kim loại, nếu cường độ điện trường ngồi
thấp sẽ khơng dẫn điện nhưng nếu cường độ điện trường vượt quá một giới hạn nào đó
18


đủ gây ion hóa quang và ion hóa va chạm thì chất khí đó trở thành vật dẫn có điện dẫn
ion và điện tử. Khi bị ion hóa mạnh sẽ có số điện tử và ion dương bằng nhau sinh ra
trong một đơn vị thể tích sẽ tạo ra mơi trường dẫn điện đặc biệt gọi là plasma.
Kim loại được xem như một hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi
trường các điện tử tự do, chúng quyết định nhiều tính chất đặc trưng của kim loại. Sức
hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại.
- Đặt kim loại vào điện trường ngoài, các điện tử chạy theo một hướng tạo ra
dịng điện (tính dẫn điện của kim loại).
- Khi nung nóng kim loại, dao động nhiệt của các ion dương tăng làm cản trở
điện tử chuyển động nên điện trở kim loại tăng.
- Sự truyền động năng của các điện tử tự do và các ion dương tạo nên tính dẫn
nhiệt của kim loại.
- Các điện tử khi hấp thụ năng lượng ánh sáng sẽ bị kích thích lên mức cao hơn,
khi trở về nó phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ. Sự khác nhau giữa 2 mức năng
lượng đặc trưng cho tần số ánh sáng phản xạ nên mỗi kim loại có màu riêng (ánh kim).
Liên kết kim loại không bị biến đổi khi các nguyên tử (ion dương) dịch chuyển vị trí
tương đối với nhau.
- Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy 2 hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố
chủ yếu là kim loại còn một lượng nhỏ là á kim. Người ta thay thế kim loại nguyên

chất bằng hợp kim vì kim loại có tính dẻo, độ bền thấp, điện trở nhỏ và thay đổi theo
nhiệt độ, có hệ số giãn nở nhiệt lớn nên không dùng trong các cơ cấu máy chính xác.
2.1.1.3. Tính chất điện hố của kim loại
Các kim loại nằm ở phần bên trái của bảng tuần hoàn các ngun tố hố học
của Mendeleep, chính xác hơn là bên trái của đường chéo đi từ nguyên tố Be
(berylium) số 4 đến nguyên tố At (astatin) số 85.
Theo cấu trúc hoá học, kim loại được định nghĩa là các ngun tố có ít hơn 4
điện tử hố trị. Các điện tử này dễ dàng bị nhường để tạo thành lớp ổn định với 8 điện
tử ở lớp ngoài cùng.
Theo bảng hệ thống tuần hồn chúng ta có thể phân biệt các nhóm kim loại điển
hình.
+ Nhóm kim loại kiềm (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) mà lớp s chỉ có 1 điện tử.
Nguyên tử dễ dàng nhường điện tử này để trở thành ion dương.
+ Nhóm kim loại kiềm thổ (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra), lớp s chỉ có 2 điện tử.
+ Nhóm III gồm các kim loại B, Al, Ga, In, Ti trong đó nguyên tố đầu tiên
khơng được coi là kim loại vì nó khó nhường điện tử và có thể liên kết với các nguyên
tố khác theo dạng liên kết đồng hố trị.
+ Trong nhóm IV gồm các nguyên tố có 4 điện tử ở lớp ngồi cùng chỉ có Sn và
Pb được coi là kim loại.
Các điện tử ở quỹ đạo ngoài cùng của ngun tử có ảnh hưởng nhiều nhất đến
tính chất của mỗi chất, trong đó phải kể đến tính dẫn điện, dẫn nhiệt và tính dẻo.
Các kim loại có độ hoạt động hoá học mạnh là kim loại dễ mất điện tử
2.1.1.4. Tính chất vật lý của kim loại
Nhiệt độ và nhiệt lượng nóng chảy.
Nhiệt độ ứng với khi kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là
nhiệt độ nóng chảy.
19


Nhiệt lượng cần thiết để một đơn vị khối lượng kim loại chuyển từ trạng thái

rắn sang trạng thái lỏng hồn tồn trong điều kiện áp suất bình thường gọi là nhiệt
lượng nóng chảy (J/kg hay kcal/kg).
Nhiệt lượng cần thiết để lμm cho nhiệt độ của một đơn vị khối kim loại tăng lên
1 độ Celcius gọi là nhiệt lượng riêng J/kg.độ hay kcal/kg.độ).
Tính dẫn nhiệt: Tính dẫn nhiệt là tính chất truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt
nóng hay khi làm nguội.
Nhiệt lượng toả ra trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích thẳng
góc với hướng toả nhiệt trên một đơn vị khoảng cách có sự chênh lệch nhiệt độ gọi lμ
nhiệt dẫn suất. Nhiệt dẫn suất đo bằng W/m.độ
Giãn nở nhiệt: Khi đốt nóng các kim loại nở ra và khi làm nguội nó co lại. Sự
giãn nở cần phải được chú ý trong nhiều trường hợp
Vẻ sáng của kim loại: Kim loại không trong suốt ngay cả đối với tấm kim loại
được cán rất mỏng cũng không thể cho ánh sáng xuyên qua được. Theo ánh sáng bề
ngoài, kim loại được chia thành kim loại đen và kim loại màu.
2.1.1.5. Tính chất hố học của kim loại
Tính chất hố học biểu thị khả năng của các kim loại chống lại tác dụng của
mơi trường hố học.
Khả năng chống lại sự ăn mịn của hơi nước hay oxy của khơng khí ở nhiệt độ
thường và nhiệt độ cao gọi là tính chống ăn mịn.
Khả năng chống lại sự tác dụng của mơi trường axit gọi là tính chịu axit.
2.1.1.6. Tính chất cơ học của kim loại
Độ bền: Khả năng của kim loại chống lại tác dụng của lực bên ngồi mà khơng
bị phá hỏng.
Độ đàn hồi: Khả năng của kim loại thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực có
khí rồi trở lại như cũ khi bỏ lực tác dụng.
Độ dẻo: Là khả năng của kim loại thay biến dạng dưới tác dụng của lực cơ khí
mà khơng bị phá hỏng , đồng thời vẫn giữ được hình dạng khi bỏ lực tác dụng.
Các kim loại dẫn điện thường được chia thành hai loại: Loại có điện dẫn cao và
loại có điện trở cao.
Loại có điện dẫn cao (Cu, Al...) được dùng làm dây dẫn điện, lõi cáp, lõi các

cuộn dây của máy biến áp và máy điện. Các kim loại, hợp kim có điện trở suất cao
dùng cho các dụng cụ nung bằng điện, thắp sáng, biến trở ...
2.1.2. Sự dẫn điện của kim loại
Kim loại mang tính dẫn điện tử, khác với tính dẫn ion là khơng có sự chuyển
dịch nhìn thấy trong vật chất khi có dịng điện chảy qua.
Mặc dù trong kim loại có một số lượng lớn các điện tích chảy qua trong một
thời gian dài nhưng không phát hiện bất kỳ sự thay đổi nào về khối lượng cũng như
thay đổi về cấu tạo hóa học (khơng kể tới sự ơxi hóa kim loại). Các electron nằm ở
không gian giữa các nút tinh thể, chúng dao động một cách hỗn loạn, tốc độ của chúng
phụ thuộc vào nhiệt độ. Kích thước của các electron khơng đáng kể so với kích thước
ngun tử lại càng khơng đáng kể so với khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử;
như vậy các electron trong mức độ nào đó có thể xem như là các phân tử khí. Vì thế
đơi khi chúng được gọi là khí điện tử. Khi kim loại không bị tác dụng của điện trường
20


ngồi thì sự phân bố tốc độ chuyển động nhiệt của các electron (v t) theo các hướng có
xác suất như nhau, dịng điện khơng tồn tại khi khơng có điện trường ngồi.
Khi nghiên cứu đặc tính dẫn điện của vật liệu, cần quan tâm đến các tính chất
cơ bản sau:
2.1.2.1. Điện dẫn suất và điện trở suất
Cường độ dòng điện trong vật dẫn có thể viết dưới dạng sau: I  n0 qe S .vtb
Trong đó:

điện trường E.

n0 - Mật độ điện tử tự do của vật dẫn;
qe - Điện tích của điện tử;
S - Tiết diện của dây dẫn;
vtb - Tốc độ chuyển động trung bình của điện tử dưới tác dụng của




Nếu gọi K là độ linh hoạt của các điện tử  K 
luật Ohm như sau:

v
 thì có biểu thức của định
E

I  n0 qe S .K .E
j  n0 qe K .E ; j   .E

*. Điện trở R: Là quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi đặt ở hai đầu của dây
dẫn và cường độ dòng điện một chiều tạo nên trong dây dẫn đó.
Điện trở của dây dẫn được tính theo cơng thức: R  

l
S

(2-1)

Trong đó:
R - Điện trở (Ω);
ρ - Điện trở suất ( Ω .m);
l - Chiều dài dây dẫn (m);
S - Tiết diện dây dẫn(mm2).
Điện dẫn G của một đoạn dây dẫn là đại lượng nghịch đảo của điện trở: G 
Điện dẫn được tính với đơn vị

1
R

1
  1  S


Điện trở suất ρ: Là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài và
tiết diện là một đơn vị diện tích.
Trị số nghịch đảo của điện dẫn suất  gọi là điện trở suất , nếu vật dẫn có tiết
diện khơng đổi là S và độ dài l thì:   R.


1
S
;    
l



(2-2)

Đơn vị của điện trở suất là .mm2/m. Trong hệ SI điện trở suất có thứ nguyên
là .m.
Quan hệ giữa các đại lượng này như sau: 1.m = 106.mm2/m = 106m
1.mm2/m = 1m
Điện trở suất của vật dẫn kim loại biến đổi trong khoảng tương đối rộng từ
0,016 .mm2/m (Ag) đến khoảng 10.mm2/m (hợp kim Fe-Cr-Al). Bảng dưới đây
đưa ra trị số điện trở suất và các đặc tính vật lý của các kim loại chủ yếu dùng trong kỹ
thuật điện.

21


Bảng 2-1. Các đặc tính vật lý của các kim loại chủ yếu dùng trong kỹ thuật điện

Kim loại

Khối
lượng
riêng
g/cm3

Nhiệt
độ
nóng
chảy
0C

Nhiệt
dung
riêng
W/m.độ

Nhiệt
dẫn
riêng
W/m.độ

Đồng
Nhơm

Vonfram
Molipden
Tantan
Niobi
Titan
Ziricobi
Reni
Vàng
Bạc
Platin
Paladi
Sắt
Niken
Coban
Chì
Thiếc
Kẽm
Cadmi
Indi
Gali
Thủy ngân

8.9
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

1083
657
3380
2620
2977
2415
1725
1815
3145
1063
961
1770
1555
1535

1455
1492
327
232
420
321
157
29.8
-39

385
922
138
264
142
272
577
276
138
126
234
134
213
452
444
435
130
226
390
230

243
381
138

390
209
168
151
54
50
15
17
71
293
415
71
72
73
95
79
35
65
111
93
25
10

Hệ số
nhiệt độ
dãn 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
9
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, độ1, 


Cơng
thốt
điện
tử eV

0.0172
0.028
0.055
0.057
0.135
0.18
0.42
0.41
0.21
0.024
0.016
0.105
0.11
0.098
0.073
0.062

0.21
0.12
0.059
0.076
0.09
0.56
0.958

0.0043
0.0042
0.0046
0.0046
0.0038
0.003
0.0044
0.0045
0.0032
0.0038
0.004
0.0039
0.0038
0.006
0.0065
0.006
0.0037
0.0044
0.004
0.0042
0.0047
0.0009

4.35
4.3
4.5
4.2
4.1
3.96
4.09
3.84
4.8
4.8
4.45
5.3
4.82
4.5
5
4.4
4.4
4.5

2.1.2.2. Hệ số nhiệt của điện trở suất
Đối với kim loại, nguyên nhân duy nhất hạn chế độ dài bước tự do là dao động
nhiệt của các nguyên tử ở các nút tinh thể. Rõ ràng là khi nhiệt độ tăng thì biên độ dao
động nhiệt của các nguyên tử tăng theo làm tăng sự tán xạ của các electron, tức làm
tăng điện trở.
Sự thay đổi của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 10C được gọi là hệ số thay đổi
1 d
(2-3)
điện trở suất theo nhiệt độ:  
 dT

Trong khoảng nhiệt độ hẹp quan hệ giữa  với nhiệt độ gần như là đường thẳng
(trong miền tuyến tính), giá trị điện trở suất ở cuối đoạn nhiệt độ t có thể được tính
theo cơng thức:
 t   0 (1    .t )
(2-4)
Trong đó:
t - Điện trở suất của vật liệu đo ở nhiệt độ t0;
22


0 - Điện trở suất của vật liệu đo ở nhiệt độ ban đầu (t0);
t - Hệ số nhiệt của điện trở suất.
Hệ số nhiệt của điện trở suất nói lên sự thay đổi điện trở suất của vật liệu khi
nhiệt độ thay đổi. Hệ số  gần như giống nhau đối với các kim loại tinh khiết và có trị
số gần đúng bằng 4.10-3 (1/0C)
Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất:
Khi kéo hoặc nén đàn hồi, điện trở suất của kim loại biến đổi theo công thức:
ρ =ρ0(1 ± pσ )
(2-5)
Dấu “+” ứng với khi biến dạng do kéo, dấu “-“ do nén.
Trong đó:
σ - Ứng suất cơ khí của mẫu;
p - Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất.
Trong thiên nhiên khơng tồn tại tinh thể có cấu trúc hồn thiện. Ở điều kiện
thực tế thường xuyên có lỗi này hay lỗi khác. Những khác biệt này gọi chung là khuyết
tật. Mặc dù nồng độ khuyết tật của những nguyên tử khơng lớn nhưng sự thay đổi tính
chất vật lý của mạng tinh thể rất lớn.
Điện trở tổng của kim loại là tổng của điện trở gây ra bởi sự tán xạ của electron
trên dao động nhiệt của các nút mạng ρt à điện trở dư ρdu do sự tán xạ của các electron
lên các khuyết tật:  kl   t   du

Ảnh hưởng lớn nhất trong việc tạo điện trở dư là sự tán xạ trên tạp chất (luôn
tồn tại ở dạng chất bẩn hay hợp kim). Chú ý rằng bất kỳ tạp chất nào pha vào đều làm
tăng điện trở suất, thậm chí nếu tạp chất đó có điện dẫn suất lớn hơn kim loại ban đầu
(Ví dụ: Pha 0.01% Ag vào dây đồng sẽ làm tăng điện trở suất lên 0.002μΩ.m).
2.1.2.3. Nhiệt dẫn xuất
Nhiệt dẫn xuất của kim loại dẫn điện có quan hệ với điện dẫn suất của kim loại
đó. Theo định luật thực nghiệm Wiedemann – Franz giữa nhiệt dẫn xuất và điện trở
suất có quan hệ với nhau theo cơng thức sau:
u
(2-6)
 aT

2

k
Hệ số a với đa số kim loại là giống nhau: a  3   2,23.10 8
e

Nếu k = 1,38.10-23 J/độ và e = 1,6.10-19 C
Giá trị thực nghiệm của hằng số a đối với các kim loại khác nhau ở nhiệt độ
bình thường với điện dẫn suất tính bằng S/m, còn nhiệt dẫn xuất –W/độ.m theo bảng
dưới đây:
Bảng 2-2. Hằng số Wiedemann – Franz của một số kim loại
Kim loại
a.108w2/độ2
Kim loại
a.108w2/độ2
Nhơm
2,5
Chì

2,1
Đồng
2,5
Thiếc
2,25
Bạc
2,6
Platin
2,35
Kẽm
2,9
Sắt
2,45

23