1. Electrical Engineering Material Chapter 1 Introduction and Basic Concept Copyright 1996-2001 © Dale Carnegie & Associates, Inc.

2. 1. ความสัมพันธ์ของวัสดุศาสตร์ และวัสดุวิศวกรรม Material Science: การศึกษา , ค้นคว้าความรู้ขั้นพื้นฐานเกี่ยวกับโครงสร้าง , สมบัติ Material Engineering: การประยุกต์ใช้ความรู้เกี่ยวกับวัสดุเพื่อประโยชน์ในงานด้านวิศวกรรม Copyright 1996-2001 © Dale Carnegie & Associates, Inc.

3. 2. ประเภทของวัสดุวิศวกรรม 2.1 โลหะ (Metallic) นำความร้อน และไฟฟ้าได้ดี 2.2 พลาสติค หรือ พอลิเมอร์ (Polymeric) เป็นฉนวนที่ดี ทั้งประเภทอ่อน และแข็ง 2.3 เซรามิก (Ceramic) มีลักษณะ แข็ง และเปราะ Copyright 1996-2001 © Dale Carnegie & Associates, Inc.

4. 2.4 วัสดุผสม (Composite) ประกอบด้วยของผสมหลายชนิด เช่น กาวอีพ๊อกซี่ , ไฟเบอร์กลาส 2.5 อิเลคทรอนิกส์ (Electronic) เช่นซิลิกอน , ใช้เป็นทำอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำชนิดต่างๆ Copyright 1996-2001 © Dale Carnegie & Associates, Inc.

5. 3. โครงสร้างอะตอม ผู้คิดค้น : เออร์เนส รัทเทอร์ฟอร์ด และนีลส์โบร์ นิวเคลียส , โปรตรอน , นิวตรอน , อิเลคตรอน

6. มวลอิเลคตรอน ประมาณ มวลโปรตอน /2,000 3.1 ประจุ และมวลของอนุภาค

7. 3.1 ประจุ และมวลของอนุภาค

8. 3.2 เลขอะตอม (Atomic number) บอกถึงจำนวนโปรตรอน หรือจำนวนอิเลคตรอน เลขอะตอม = จำนวนโปรตรอน = จำนวนอิเลคตรอน @ อะตอมมีสภาพเป็นกลาง

9. 3.3 เลขมวล ( Mass Number ) เลขมวล = จำนวนโปรตรอน + จำนวนนิวตรอน จำนวนนิวตรอน = เลขมวล - เลขอะตอม ดังนั้น

10. ตัวย่อทางเคมี ( อลูมิเนียม ) จำนวนโปรตรอน = จำนวนอิเลคตรอน = เลขอะตอม = 13 จำนวนนิวตรอน = เลขมวล - เลขอะตอม = 27-13= 14

11. 3.4 มวลอะตอม (Atomic mass, A.M.) มวลของ 6.02*10 23 อะตอมของธาตุนั้น ( กรัม ) [ หรือเท่ากับ 1 โมล ]

12. มวลอะตอม ( ต่อ ) (Atomic mass, A.M.) น้ำหนักของธาตุ 1 อะตอม = A.M. *1.66*10 -24 ( กรัม ) เช่น A.M. ของอลูมิเนียม = 26.98 อลูมิเนียม 1 อะตอม หนัก = 26.98 *1.66*10 -24 กรัม อลูมิเนียม 1 อะตอม หนัก = 26.98 A.M.U. หรือ อลูมิเนียมมีน้ำหนัก = 26.98 กรัม / โมล

13. โมเลกุล ( อนุภาคที่เล็กที่สุดของสารที่สามารถอยู่ได้เป็นอิสระ ) น้ำหนักของสาร 1 โมเลกุล = M.W. *1.66*10 -24 ( กรัม ) เช่น A.M. ของอลูมิเนียม (Al) = 26.98 = M.W. อลูมิเนียม 1 โมเลกุล หนัก = 26.98 *1.66*10 -24 กรัม อลูมิเนียม 1 อะตอม หนัก = 26.98 *1.66*10 -24 กรัม หรือ อลูมิเนียม 1 โมลมีน้ำหนัก = 26.98 กรัม

14. เช่น A.M. ของสาร (O 2 ) = 16 M.W. ของสาร (O 2 ) = 16*2=32 O 2 1 โมเลกุล หนัก = 32 *1.66*10 -24 กรัม O 2 1 อะตอม หนัก = 16 *1.66*10 -24 กรัม หรือ O 2 1 โมลอะตอมมีน้ำหนัก = 16 กรัม หรือ O 2 1 โมลมีน้ำหนัก = 32 กรัม

15. มวลอะตอมสัมพัทธ์ (Relative atomic mass, R.A.M.) มวลของอะตอมมีค่าน้อยมาก จึงใช้วิธีเปรียบเทียบกับมวลของอะตอม ที่เบาที่สุด คือ “ไฮโดรเจน” โดยกำหนดให้มีมวล = 1

16. มวลอะตอมสัมพัทธ์ ( ต่อ ) (Relative atomic mass, R.A.M.)

17. มวลสูตรสัมพัทธ์ หรือมวลโมเลกุล ตัวอย่าง การหามวลของโมเลกุล ของคาร์บอนไดออกไซด์ CO 2 คาร์บอน = 1 อะตอม , R.A.M. = 12 ออกซิเจน = 2 อะตอม , R . A . M . = 16 ดังนั้นมวลโมเลกุล = (1*12)+(2*16) = 44 ดังนั้นสรุปว่า CO 2 หนักเป็น 44 เท่าของไฮโดรเจน 1 อะตอม

18. มวลสูตรสัมพัทธ์ หรือมวลโมเลกุล ( ต่อ )

19. 3.5 ชั้นของอิเลคตรอน ( ออบิทัล , Orbital) จำนวนอิเลคตรอนสูงสุดแต่ละชั้น = 2 n 2

20. 3.6 ระดับพลังงานของอิเลคตรอน To move an electron from the first to the second orbit requires energy to overcome the attraction of the nucleus.

21. ระดับพลังงานของอิเลคตรอน ( ต่อ ) อิเลคตรอนแต่ละตัวจะมีพลังงานไม่เท่ากับ , ตัวที่อยู่ชั้นนอกนอกจะมีพลังงานสูงกว่า ความถี่ของโฟตอน (v) = (E1-E2)/h

22. ระดับพลังงานของอิเลคตรอน ( ต่อ ) นิลส์ บอร์ ได้สร้างโมเดลสำหรับไฮโดรเจนซึ่งมีอิเลคตรอน 1 ตัว เพื่อหาพลังงานของอิเลคตรอนที่ระดับต่างๆ คือ E: พลังงานของโฟตอนที่ให้ออกมา E=(-13.6/n 2 ) eV E=(-13.6/n 2 ) eV*(1.9*10 -19 /eV) จูล

23. 3.7 โครงสร้างอะตอมของตัวนำ อะตอมทองแดง : 2-8-18-1 : แรงดึงดูดอิเลคตรอนต่ำสุดกรณีตัวที่อยู่วงนอกสุด (valence orbit, free electron) ซึ่งเคลื่อนที่ไปอะตอมอื่นได้อย่างง่ายดาย ( เป็นตัวนำที่ดี ) ดังนั้นจุดสำคัญอยู่ที่อิเลคตรอนวงนอกสุด

24. 3.8 โครงสร้างอะตอมของสารกี่งตัวนำ Germanium: 2-8-18-4 : 4-Valence Electrons Silicon: 2-8-4 : 4-Valence Electrons ในกรณีของวัสดุฉนวน จะมี 8 -Valence Electrons

25. 3.9 ไอโซโทป ( อะตอมที่มีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกัน ) ไอโซโทปของธาตุชนิดเดียวกันจะเกิดปฏิกิริยาเคมีเหมือนกัน เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีเกี่ยวข้องกับอิเลคตรอนเท่านั้น

26. 4. พันธะอะตอม และพันธะโมเลกุล 4.1 พันธะที่มีความแข็งแรง 4.1.1 พันธะไอออนิก 4.1.2 พันธะโควาเลนต์ 4.1.3 พันธะโลหะ 4.2 พันธะที่ไม่แข็งแรง 4.2.1 Permanent Dipole Bonds 4.2.2 Fluctuating Dipole Bonds

27. 4.1.1 พันธะไอออนิก ( พันธะที่เกิดขึ้นระหว่างธาตุโลหะ กับ อโลหะ ) อะตอมธาตุหนึ่งถ่ายเทไปให้อีกธาตุหนึ่ง ทำให้เกิดไอออนบวก และ ลบ จึงเกิดแรงดึงดูดกัน ( แข็งแรง ) อะตอมโซเดียมต้องเสียอิเลคตรอน 1 ตัวให้กับอะตอมของคลอรีน เพื่อเติมเต็มอิเลคตรอนชั้นนอกสุดให้กับคลอรีน

28. ดังนั้นอะตอมจะเสียสภาพความเป็นกลาง และเรียกว่า “ไอออน” @ โซเดียมไอออนจะเป็นบวก , Na + @ คลอรีนไอออนจะเป็นลบ , Cl - ดังนั้นจึงมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน เป็นพันธะไอออนิก ของโซเดียมคลอไรด์ ( NaCl )

29. พันธะไอออนิก ของแมกนีเซียมคลอไรด์ ระหว่าง แมกนีเซียม Mg กับ คลอรีน Cl แมกนีเซียมจะต้องให้อิเลคตรอนกับคลอรีน 2 อะตอม

30. แมกนีเซียม 1 อะตอมให้อิเลคตรอนกับคลอรีน 2 อะตอม MgCl2 : แมกนีเซียมคลอไรด์

31. พันธะไอออนิกของโซเดียมคลอไรด์

32. พันธะไอออนิก แรงดึงดูดระหว่างอะตอม : (F attractive ) (F attractive ) = {(-Z1*e)(Z2*e)}/(4* π *  o*a 2 ) Z1: จำนวนอิเลคตรอนที่ให้ Z2: จำนวนอิเลคตรอนที่รับ e: ประจุ 1.60*10 -19 C a: รัศมีระหว่างไอออน

33. พันธะโคเวเลนต์ ตัวอย่างสารประกอบไฮโดรคาร์บอน ( มีเทน ) CH4 @ อะตอมคาร์บอนต้องการอิเลคตรอนอีก 4 ตัว @ อะตอมของไฮโดรเจนต้องการอิเลคตรอนอีก 1 ตัว พันธะโควาเลนต์ : การใช้อิเลคตรอนร่วมกันระหว่างอะตอมของธาตุอโลหะ

34. พันธะโควาเลนต์เดี่ยว 4 พันธะ ของมีเทน

35. พันธะโควาเลนต์คู่ 1 พันธะ ของออกซิเจน (O 2 ) คุณสมบัติ 1. มีจุดหลอมเหลวสูง ( ซิลิคอนไดออกไซด์ , ทราย ) 2. ไม่ละลายน้ำเนื่องจากไม่มีประจุ 3. ไม่นำไฟฟ้าเนื่องจากไม่มีไอออน , อิเลคตรอนอิสระ 4. แข็ง ( เพชร )

36. พันธะโลหะ การยึดกันของอะตอมในโลหะนั้นแตกต่างไปจาก พันธะไอออนิก และโควาเลนต์ อะตอมของโลหะยึดกันด้วย “ทะเลอิเลคตรอน”

37. พันธะโลหะ อิเลคตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ (non directional)

38. อะตอมของโลหะให้อิเลคตรอน 1 หรือมากกว่า อิเลคตรอนเคลื่อนที่ไปยังขั้วบวก และสามารถถ่ายเทความร้อนด้วย

39. 4.2 พันธะที่ไม่แข็งแรง (Weak Bonding) พลังงานของพันธะต่ำ (4-42 kJ/mol ) แรงที่เกิดขึ้นเนื่องจากแรงดึงดูดของขั้วไฟฟ้า (electric dipoles) ที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอม หรือโมเลกุล

40. 4.2.1 Fluctuation Dipole Bond เป็นพันธะที่อ่อนมากเกิดจากแรงดึงดูดระหว่างอะตอมที่มีการกระจายของประจุอิเลคตรอนที่ไม่ท่ากัน ทำให้เกิดขั้วไฟฟ้าขึ้น เช่นอะตอมของแก๊สเฉื่อย

41. 4.2.2 Permanent Dipole Bond เป็นพันธะที่อ่อนมากมักเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุล โควาเลนต์ ที่มี Permanent Dipoles , โดยทั่วไปโมเลกุลที่ประกอบด้วยธาตุที่มีอิเลคโทรเนกาวิตี้สูง และเป็น asymmetric molecule จะทำให้โมเลกุลนั้นมีขั้ว

42. เนื้อหาครั้งต่อไป Electron and Hole Energy Band Polarization & Permittivity Bounary conditions for perfect dielectric material Capacitance

43. Energy Bands แถบพลังงานของวัสดุทั้ง 3 ชนิด ที่ 0 K