Câu 11: Laser là gì? Cơ chế hoạt động của máy phát Laser. Trình bày cấu tạo của laser cụ thể

Khái niệm

Laser chính là sự khuyếch đại ánh sang bằng sự bức xa kích thích

Cơ chế hoạt động máy phát laser

Một ví dụ về cơ chế hoạt động của laser có thể được miêu tả cho laser thạch anh.

Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao, các electron của thạch anh di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật độ tích lũy của electron.

Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng được gọi là photon.

Các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, va phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm các photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây chuyền khuyếch đại dòng ánh sáng.

Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng.

Một số photon ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu. Tia sáng đi ra chính là tia laser.

Cấu tạo

1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích)

2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích)

3) gương phản xạ toàn phần

4) gương bán mạ

5) tia laser

Câu 12 Cơ sở phân loại vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng? Nêu tính chất, đặc điểm của vật liệu từ mềm.

Người ta phân chia các vật liệu từ dựa vào phản ứng của chúng dưới tác dụng của từ trường ngoài. Một cách tương đối, có thể phân thành hai nhóm:

- Vật liệu từ mềm Là các vật liệu dễ từ hoá, và cũng dễ khử từ.

- Vật liệu từ cứng: Là nhóm các vật liệu khó khử từ và khó từ hoá.

Tính chất

Vật liệu áp điện có từ trường bão hòa và độ từ hóa chỉ phụ thuộc vào thành phần của vật liệu.

Hệ số từ hóa và độ khử từ của Hc lại phụ thuộc vào cấu trúc của vật liệu chứ không phải thành phần của vật liệu.

Tổn hao năng lượng từ phụ thuộc vào điện trở suất và nó thỉ lệ nghịch với điện trở suất.

Đặc điểm

vật liệu từ mềm có độthẩm từ ban đầu cao và độ khử thấp. Vật liệu đó có thể đạt được độ từ hóa bão hòa bằng một từ trường tương đối thấpvà có tổn hao năng lượng từ trễ thấp.

Từ trường bão hòa và độ từ hóa chỉ phụ thuộc vào thành phần của vật liệu. hệ số từ hóa và độ khử từ Hc lại nhạy với biến đổi cấu trúc hơn là biến đổi thành phần. vật liệu từ mền phải không có các khuyết tật cấu trúc.

          dễ bị từ hóa.

Câu 13 Đường cong từ trễ là gì. Anh(chị) hãy giải thích sự hình thành của đường cong từ trễ đối với vật liệu từ

Từ trễ  là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tính của các vật liệu sắt từ. Hiện tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất sắt từ.Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ

Giải thích

sau khi từ hóa một vật sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo chiều ngược, thì nó không quay trở về đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường khác. Và nếu ta đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ. Tính chất từ trễ là một tính chất nội tại đặc trưng của các vật liệu sắt từ, và hiện tượng trễ biểu hiện khả năng từ tính của của các chất sắt từ..   

Nguyên nhân cơ bản của hiện tượng từ trễ là sự tương tác giữa các mômen từ có tác dụng ngăn cản các mômen từ bị quay theo từ trường. Có nhiều cơ chế khác nhau tạo nên hiện tượng từ trễ, tạo nên các hình dạng đường cong từ trễ khác nhau.

Câu 14 Cơ chế phản xạ và truyền qua của ánh sáng khi qua vật liệu phi kim loại.

Phản xạ

Khi bức xạ ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác ,một phần ánh sáng bị bức xạ ở trên mặt phân cách giữa hai môi trường. Ngay cả khi môi trường đều và trong suốt.Độ phản xạ R biểu thị phần ánh sáng bị phản xạ ở mặt phân cách tức là :

R=IR/I0

Trong đó I0 và IR –cường độ của chùm tới và chùm phản xạ

Nếu ánh sáng tới vuông góc với mặt phẳng giới hạn thì:

Trong đó n1 và n2 –chiết của hai môi trường .

Nếu như ánh sáng tới không vuông góc với mặt phân cách thi:

Vì chiết suất của không khí rất gần với đơn vị. Như vậy chiết suất của chất rắn càng cao độ phản xạ càng lớn. Chiết suất của vật rắn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng ,do đó đọ phản xạ cũng biến đổi theo bước sóng.

Truyền qua

Xét trường hợp ánh sáng đi qua một vật rắn trong suốt(hình 5.62). Đối với một chùm tia có cường độ I0 chiếu vào mặt nước của mẫu chất có độ dầy l và hệ số hấp thụ β,cường độ được truyền qua tại mặt sau của mẫu là:

IT=I0(1-R)2e-βt

Trong đó R- độ phản xạ và giả thiết rằng có cùng một môi trường tồn tại ở phía ngoài cả mặt trước và mặt sau của mẫu.

Như vậy thành phần của tia tới truyền qua vật liệu trong suốt phụ thuộc vào những tổn hao do hấp thụ và phản xạ.

Câu 15 Nêu cơ chế dẫn nhiệt của vật liệu. Qua đó so sánh, giải thích tính chất dẫn nhiệt của polyme và kim loại.

Các cơ chế dẫn nhiệt

Trong các vật liệu rắn, nhiệt được truyền bởi cả song 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:

k = k1 + ke

trong đó: k1, k­e - độ dẫn nhiệt bởi dao động mạng và bởi điện tử. Năng lượng nhiệt các phonon, tức là các song mạng được truyền đi theo hướng chuyển động của chúng. Các điện tử tự do (các điện tử dẫn) cũng tham gia dẫn nhiệt

Tính dẫn nhiệt của kim loại:

Kim loại là chất dẫn nhiệt hết sức tốt do có số lượng khá lớn điện tử tự do tham gia dẫn nhiệt. Đa số các kim loại có độ dẫn nhiệt trong khoảng 20 – 400 W/m.K.

Tạp chất trong kim loại làm giảm độ dẫn nhiệt, lý dolà các nguyên tử tạp chất, đặc biệt là trong dung dịch rắn, hoạt động như những tâm tán xạ, hạ thấp hiệu quả của chuyển động điện tử.

Tính dẫn nhiệt của polyme:

độ dẫn nhiệt của đa số các polymer là vào cỡ 0,3 W/m.K. Đối với loại vật liệu này, năng lượng truyền theo dao động, tịnh tiến và quay của các phân tử mạch. Độ lớn của độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào mức độ kết tinh, polymer có cấu trúc tinh thể và trật tự cao sẽ có độ dẫn nhiệt lớn hơn so với vật liệu vô định hình tương đương.

Polyme thường được ứng dụng làm chất cách nhiệt nhờ có độ dẫn nhiệt thấp.

Câu 16 Thế nào là hiện tượng siêu dẫn điện. Nêu đặc điểm của vật liệu siêu dẫn. Sự khác nhau cơ bản giữa vật liệu siêu dẫn và vật liệu dẫn điện về phương diện hạt tải điện

Hiện tượng siêu dẫn:

có thể dẫn điện mà không có tiêu hao điện năng (độ dẫn điện vô cùng lớn, điện trở bằng không), xuất hiện tính nghịch từ lí tưởng (từ trường ngoài không thâm nhập được vào vật SD, cảm ứng từ B = 0).

Đặc điểm vật liệụ siêu dẫn:

nếu tuyển một dòng điện vào một mạch làm bằng chất liệu siêu dẫn thì dòng điện sẽ chạy trong đó mãi mà không suy giảm, vì nó không gặp một trở kháng nào trên đường đi, nghĩa là năng lượng điện không bị tiêu hao trong quá trình chuyển tải điện từ nơi này sang nơi khác.

Những chất siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể tạo ra những từ trường rất mạnh.

Nếu hai chất siêu dẫn được đặt gần nhau (nhưng không chạm nhau) thì các điện tử có thể nhảy qua như thể hai chất dẫn điện ấy tiếp xúc với nhau.

Sự khác nhau giữa vật liệu siêu dẫn và vật liệu dẫn điện:

'Từ trường bên trong vật dẫn điện và vật siêu dẫn dưới tác động của môi trường ngoài ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp (nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Curi). Từ trường bị đẩy ra khỏi vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Trạng thái của vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp là trạng thái không thuận nghịch.

Câu 17 Nguồn gốc của mô men từ? So sánh sự khác biệt giữa chất thuận từ, nghịch từ. Nêu đặc điểm của từng chất

Nguồn gốc

Mỗi điện tử trong một nguyên tử đều có các momen từ với hai nguồn gốc. Một liên quan đến quỹ đạo của nó chuyển động quanh hạt nhân. Mặt khác, mỗi điện tử còn có một chuyển động riêng là chuyển động xung quanh trục của bản thân.

So sánh

Thuận từ: Thuận từ là những chất có từ tính yếu

Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài

Nghịch từ: Các chất nghịch từ được cấu tạo từ một loại phân tử không có từ tính

Khi đặt vào từ trường ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài

Đặc diểm

Thuận từ và nghịch từ được xếp vào nhóm các chất phi từ, hoặc nhóm không có trật tự từ. Độ từ thẩm của các chất thuận từ là lớn hơn 1 nhưng xấp xỉ 1 (chỉ chênh lệch cỡ 10-6). Từ tính yếu của thuận từ do hai yếu tố đem lại:

- Mômen từ nguyên tử

- Các mômen từ nguyên tử này nhỏ và hoàn toàn không tương tác với nhau.

Các chất thuận từ điển hình là: ôxi, nhôm...

- Chất nghịch từ là chất không có môment từ nguyên tử. Tổng môment từ của các điện tử trong chất bằng 0 khi không có từ trường ngoài. Khi đặt vào từ trường, có thể hiểu giống như quy tắc cảm ứng điện từ là sẽ sinh ra một từ trường phụ bù trừ với từ trường ngoài (B'<<Bo, ngược chiều với Bo). Các chất như Bi, H2O, Si, Pb, Cu.. là các chất nghịch từ điển hình.

Câu 18 Trình bày sự giãn nở nhiệt của kim loại, gốm và polyme

Kim loại

hệ số giãn nở nhiệt dài của một số kim loại phổ thông nằm trong khoảng từ 5.10-6 đến 25.10-6(oC)-1. Trong nhiều ứng dụng, độ ổn định kích thước cao khi nhiệt độ thăng giáng là rất quan trọng. Điều này đạt được nhờ phát triển một hệ hợp kim sắt – niken và sắt –coban có trị số al vào cỡ 10-6(oC)-1

Gốm

Trong nhiều vật liệu gốm, lực liên kết giữa các nguyên tử khá mạnh, và được phản ánh ở giá trị hệ số giãn nở nhiệt tương đối thấp, trong khoảng 0,5 – 10-6 và 15.10-6(oC)-1. Ở các gốm không tinh thể và các gốm có cấu trúc tinh thể lập phương. αl là đẳng hướng. Ngược lại, có một số vật liệu gốm dị hướng, khi nung nóng thì chúng co lại theo một số hướng tinh thể và nở ra theo một vài hướng khác.

Vật liệu gốm làm việc trong điều kiện thăng giáng nhiệt cần phải có hệ số giãn nở nhiệt tương đối thấp và đẳng hướng. Ngoài ra, những vật liệu giòn này có thể bị nứt vỡ do thay đổi kích thước không đồng đều, gọi là “sốc” nhiệt.

Polyme

Nhiều vật liệu polymer giãn nở nhiệt rất mạnh, hệ số al trong khoảng từ 50.10-6 đến 300. 10-6(oC)-1. Giá trị al cao nhất tìm thấy ở các polymer mạch thẳng và phân nhánh bởi vì trong đó các liên kết thứ cấp giữa các phân tử là yếu và chỉ có một số tối thiểu mạch lien kết ngang. Khi tăng liên kết ngang hệ số giãn nở sẽ giảm và có trị số thấp nhất trong các polymer tinh thể chịu nhiệt như bakelit, trong đó liên kết hầu như hoàn toàn là đồng hoá trị.

Câu 19 Lưỡng cực từ là gì?  Nêu các vector từ trường đặc trưng cho vật liệu

Lưỡng cực tù có thể xem như một thanh nam châm nhỏ , gồm hai đầu cực bắc (N) và cực nam (S), thay cho điện tích dương và âm.

Lưỡng cực từ chịu sự tác động của từ trường tương tự như lưỡng cực điện chịu sự tác động của điện trường . Lực của từ trường làm xoay các lưỡng cực hướng theo trường.

các vector từ trường đặc trưng cho vật liệu

Từ trường ngoài được biểu diễn bằng H và gọi là cường độ từ trường

Từ trường sinh ra trong một ống dây hình trụ,gồm N vòng dây quán khít nhau với chiều dài l và tải một dòng điện cường độ I  tính bằng

H = NI/l

Cảm ứng từ hay mật độ từ thong B, biểu thị từ trường  bên trong chất chịu tác dụng của trường H. Đơn vị đo của B là Tesla

Cả B và H đều là những vector trường đặc trưng bởi độ lớn và chiều trong không gian của trường.

Cường độ từ trường và mật độ từ thong có quan hệ với nhau theo biểu thức.

Tham số được gọi là độ thẩm từ

Vector từ hóa ( Từ độ )  của vật rắn được xác định theo biểu thức.

Khi ở trong từ trường H các momen từ của vật liệu định hướng theo trường đó và tăng cường nó bằng chính từ trường riêng của chúng. Số hạngchính là thành phần đóng góp đó.

Độ lớn của  tỷ lệ với trường đặt vào là :

Câu 20 Thế nào là vật liệu sắt điện và áp điện. Ứng dụng của chúng.

Sắt điện:nhóm vật liệu mang tính phân cực tự phát tức là phân cực ngay cả khi vắng mặt điện trường được gọi là vật liệu sắt điện. Trong các vật liệu sắt điện, có tồn tại mômen lưỡng cực điện của các nguyên tử

Ở các chất sắt điện, hằng số điện môi có giá trị rất lớn, và phụ thuộc vào giá trị của điện trường

Trong vật liệu sắt điện có sự phân chia thành các đômen sắt điện

Áp điện là hiện tượng khi lực ngoài tác dụng lên 1 mẫu chất thì sự phân cực sinh ra và một điện trường được thiết lập trong mẫu.

-Khi đảo dấu của lực ngoài thì chiều của điện trường cũng thay đổi theo.

-Vật liệu áp điện có 2 hiệu ứng thuận và nghịch.

-Vật liệu áp điện phụ thuộc vào lực ngoài tác dụng. nếu lúc ngoài tác dụng là một điện trường thì nó biến đổi hình dạng.khi lực ngoài tác dụng là một lực cơ học thì nó tạo ra dòng điện.

Ứng dụng

Sắt điện:Ứng dụng phổ biến nhất của các chất sắt điện là làm phần tử cách điện trong các tụ điện, hay các bộ nhớ sắt điện, các ống dẫn sóng, các phần tử áp điện...

Áp điện:Ngày nay hiện tượng áp điện được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật phục vụ cho cuộc sống hàng ngày như: máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gương phản xạ tia lade, các thiết bị, động cơ có kích thước nhỏ.