phân tích những kiến thức cơ bản trong chương “ dòng điện trong các môi trường”

Trên cở sở nghiên cứu dòng điện trong các môi trường,xây dựng một quan hệ thống nhất của sựphụ thuộc của cường độ dòng điện vào hiệu điện thế và cơ chế dẫn điện của môi trường đó.. Việc

MỞ ĐẦU Trong những năm qua, chương trình và sách giáo khoa đã được bộ giáo dục và đào tạo biên soạn lại và đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy và học, đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục theo chủ trương của ngành giáo dục nước nhà Vì vậy việc nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức,và cách thể hiện nội dung kiến thức trong sách giáo khoa vật lí là cần thiết.Với yêu cầu của môn học, trong tiểu luận này, tôi chỉ đi sâu nghiên cứu và phân tích

ở sách giáo khoa vật lý 11 nâng cao

Để hoàn thành tiểu luận này, tôi chọn phương pháp nghiên cứu là: Đọc các tài liệu vật lí phổ thông, vật lí đại cương, sách giáo khoa vật lí trung học phổ thông lớp

11, các tài liệu có nội dung liên quan; tìm kiếm thông tin trên mạng internet; lựa chọn các thông tin theo yêu cầu của tiểu luận và trình bày các thông tin đó theo các vấn đề đặt ra ở trên.

Trong cách trình bày các kiến thức cơ bản tôi đã cố gắng quan tâm nhiều đến ý nghĩa vật lý của kiến thức, hạn chế sử dụng các công cụ toán học phức tạp để phù hợp với trình độ của học sinh THPT.

PHẦN 3 : NGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC PHẦN DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG I: Đặc điểm của phần dòng điện trong các môi trường

Phần dòng điện trong các môi trường đề cập đến dòng điện trong kim loại,dòng điện trongchất điện phân,dòng điện trong chất khí,dòng điện trong chân không và dòng điện trong chất bándẫn.Việc nghiên cứu bắt đầu từ dòng điện trong kim loại là hợp lý vì những lí do sau:

LL&PPDH Vật lý K23 Trang 1

- Cho phép liên hệ trực tiếp với chương trình vật lí bậc trung học cơ sở

- Đường đặc trưng Vôn-ampe đối với kim loại là đơn giản nhất

Việc nghiên cứu dòng điện trong các môi trường khác nhau dựa trên cơ sở thuyết elctron cổđiển.Điều đó có tác dụng nâng cao mức độ khoa học của việc nghiên cứu các vấn đề đang xét cũngnhư toàn bộ phần điện động lực học

Trên cở sở nghiên cứu dòng điện trong các môi trường,xây dựng một quan hệ thống nhất của sựphụ thuộc của cường độ dòng điện vào hiệu điện thế và cơ chế dẫn điện của môi trường đó

Việc nghiên cứu cơ chế dẫn điện của các môi trường khác nhau,bản chất của các phần tử mangđiện và đặc điểm chuyển động của chúng trong các môi trường có tác dụng to lớn trong việc giáodục thế giới quan cho học sinh.Việc nghiên cứu dòng điện trong các môi trường còn là cơ sở đểhiểu biết cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các dụng cụ và thiết bị điện thông thường trongcuộc sống như ống Rơnghen,ống phóng điện tử,đèn ống huỳnh quang qua đó học sinh nắmđược những cơ sở vật lí của điện tử học

II Phân tích nội dung kiến thức của chương

1 Nhiệm vụ của chương dòng điện trong các môi trường

- Nghiên cứu về hạt dẫn chủ yếu trong các môi trường: kim loại, chất điện phân, chất khí,chân không, bán dẫn

- Nghiên cứu các thuyết, các định luật về điện tích, điện trường, dòng điện và cách vận dụngchúng để nghiên cứu bản chất dòng điện trong các môi trường: kim loại, chất điện phân, chất khí,chân không, bán dẫn cũng như giải thích các hiện tượng điện xảy ra khi có dòng điện chạy qua cácmôi trường đó

- Nghiên cứu các ứng dụng của bản chất dòng điện trong các môi trường vào thực tế và kỹthuật

2 Cấu trúc của chương dòng điện trong các môi trường

LL&PPDH Vật lý K23 Trang 2

CHẤT BÁN DẪN

Các loại bán dẫnBản chất

Lớp chuyển tiếp p-n

LL&PPDH Vật lý K23 Trang 3

Lớp chuyển tiếp p-n

Ứng dụng

Các linh kiện bán dẫn

Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông

3 Dòng điện trong các môi trường

3.1 Dòng điện trong môi trường kim loại

3.1.1 Các khái niệm

 Suất điện động nhiệt điện: là suất điện động xuất hiện trong mạch điện gồm hai dây

dẫn khác loại tiếp xúc với nhau ở hai đầu (mối hàn) khi ở hai đầu đó có sự chênh lệch nhiệt độ

Ở hai đầu mối hàn, do sự khác nhau về mật độ các electron dẫn của hai kim loại nên xảy ra

hiện tượng khuếch tán electron Từ đó, ở lớp tiếp xúc của hai kim loại hình thành một hiệu điện

thế tiếp xúc trong Do hiệu điện thế tiếp xúc trong phụ thuộc nhiệt độ, nên khi có sự chênh lệch

nhiệt độ ở hai đầu mối hàn thì hiệu điện thế tiếp xúc trong của hai kim loại sẽ khác nhau Từ đó,

giữa hai đầu mối hàn sẽ sinh ra một suất điện động là tổng đại số của hai hiệu điện thế tiếp xúc

trên Đó chính là suất điện động nhiệt điện

 Dòng nhiệt điện: là dòng chuyển dời có hướng của các electron dẫn do suất điện động

nhiệt điện trong mạch gây ra Dòng nhiệt điện sẽ có chiều đi từ đầu nóng sang đầu lạnh của mạch

 Trạng thái siêu dẫn: là trạng thái của vật liệu khi hạ thấp nhiệt độ xuống dưới một nhiệt

độ tới hạn Tc nào đó mà điện trở của nó đột ngột giảm xuống giá trị 0

3.1.2 Thuyết electron về sự dẫn điện trong kim loại

3.1.2.1 Nội dung

- Trong kim loại, các nguyên tử bị mất electron hóa trị trở thành các ion dương Các ion

dương liên kết với nhau một cách có trật tự tạo thành mạng tinh thể kim loại

- Các electron hóa trị tách khỏi nguyên tử, trở thành các electron tự do Chúng chuyển

động hỗn loạn tạo thành khí electron tự do và không sinh ra dòng điện nào Mật độ các electron

xấp xỉ bằng mật độ các nguyên tử trong kim loại nên rất lớn Tập hợp electron tự do có thể xem

như khí electron, có tính chất giống khí lí tưởng Khí electron tuân theo các định luật của khí lí

- Sự mất trật tự của mạng tinh thể do chuyển động nhiệt của các iôn trong tinh thể hoặc

do sự méo mạng tinh thể sẽ cản trở chuyển động của electron tự do Đó là nguyên nhân gây rađiện trở của kim loại

3.1.2.2 Ứng dụng của thuyết electron về kim loại

Một ứng dụng quan trọng của thuyết electron cổ điển đó là sự suy luận lí thuyết định luật

Ôm cho dòng điện không đổi

Để đi đến định luật này chỉ cần xét một đoạn mạch có chiều dài l và tiết diện S (hình

e là điện tích của một electron

Dưới tác dụng của lực điện trường đó electron sẽ chuyển động có hướng với gia tốc :

ml

eU m

e

m

F

m là khối lưọng của một electron

Ở thời điểm cuối cùng của hai lần va chạm electron có vận tốc(vận tốc có hướng) :

ml

Ut at

LL&PPDH Vật lý K23 Trang 5

Thời gian t có thể xác định được khi biết chiều dài của quãng đường tự do trung bình ν

eUt v

v

222

λ

=

=

=

Cường độ dòng điện trong đoạn mạch này có thể biểu thị theo mật độ dẫn điện n,điện tích

e của electron,vận tốc trung bình của chuyển động có hướng và tiết diện ngang S theo công thức :

v S e n

Thay vào công thức tính v ở trên ta có :

mlv

SU ne

3.1.4 Bản chất dòng điện trong kim loại

Kim loại dẫn điện tốt do mật độ các electron tự do trong kim loại rất lớn Khi không chịutác dụng của điện trường thì các electron tự do chuyển động hỗn loạn, không tạo ra được dòngđiện Nếu có điện trường tác dụng thì các electron tự do bắt đầu chuyển động theo hướng ngượcchiều điện trường tạo ra dòng điện

Vậy, bản chất dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron

ngược chiều điện trường.

Điều này đã được chứng minh bằng các thí nghiệm cổ điển của Stewart

Ricke,Mandelstam,Tolman-Thí nghiệm Tolman-Stewart xuất phát từ tư tưởng như sau :

LL&PPDH Vật lý K23 Trang 7

Nếu trong kim loại các điện tích tự do có khối lượng thì chúng phải tuân theo các định luậtquán tính.Do đó nếu ta cho một thanh kim loại đang chuyển động rất nhanh đột ngột dừng lại thìcác điện tích tự do sẽ tiếp tục chuyển động tạo thành dòng điện.Chiều của dòng điện này có thểphát hiện nhờ chiều quay của kim điện kế.Chiều chuyển động của điện tích dương cùng chiều vớidòng điện và chiều của điện tích âm ngược chiều dòng điện.

Thí nghiệm của Tolman-stewart cho biết chiều của điện tích ngược với chiều dòng điện :điện tích chuyển động theo quán tính trong dây kim loại là điện tích âm-electron.Chúng ta cũngcần phân biệt vận tốc có hướng của các electron với vận tốc lan truyền của dòng điện.Đây là haikhái niệm hoàn toàn khác nhau.Vận tốc có hướng của electron do tác dụng của điện trường là rấtnhỏ,thí dụ với dòng điện có cường độ là 10A thì vận tốc có hướng của các electron trong dây đồngkhoảng 0,7mm/s.Vận tốc này nhỏ hơn vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt hàng tỷ lần(cỡ1000km/s)

Vận tốc lan truyền của dòng điện phải hiểu là vận tốc lan truyền dưới tác dụng của điệntrường lên các electron.Điện trườg làm cho các electron ở các điểm khác nhau của vật dẫn lần lượtthu được các chuyển động chậm có hướng hầu như tức thời.Sự lan truyền tác dụng đó của điệntrường từ những electron này đến những electron khác xảy ra với vận tốc rất lớn,khoảng3000.000km/s

Khi nói về trạng thái của các electron tự do trong kim loại cần nhấn mạnh rằng các electron

ở trạng thái tự do trong một khoảng thời gian ngắn.Trong khoảng thời gian đó các electron tự dotham gia vào chuyển động nhiệt,va chạm nhiều lần với nhau và với các ion.Khi các electron tự dogặp các ion dương có thể xảy ra sự liên kết.Nói cách khác trong kim loại xảy ra hai quá trình thuậnnghịch :Sự tạo ra các tự do mới và sự tái hợp.Kết quả là mật độ của các electron tự do trong kimloại là không đổi và hầu như không phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài.Mật độ của các electron tự

do gần bằng số nguyên tử trong 1cm3 kim loại,nghĩa là bằng 1022 -1023 trong 1cm3

3.1.5 Hiện tượng dẫn điện trong kim loại

3.1.5.1 Hiện tượng siêu dẫn

Năm 1911, khi làm thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở một cộtthủy ngân có độ tinh khiết cao, nhà vật lí Hà Lan Kammerlingh Onnes đã phát hiện rằng: Ở nhiệt độHeli lỏng (4,20K) điện trở của cột thủy ngân đó rất nhỏ và khi tiếp tục hạ nhiệt độ thì điện trở củacột thủy ngân đột ngột mất hoàn toàn Sau đó ông còn phát hiện thấy rằng hiện tượng mất điện

LL&PPDH Vật lý K23 Trang 8

trở ở một nhiệt độ xác định cũng xảy ra ở hai kim loại khác là thiếc và chì Hiện tượng đó gọi làhiện tượng siêu dẫn

Vậy, hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng khi nhiệt độ hạ xuống dưới một nhiệt độ tới

hạn T C nào đó, điện trở của kim loại (hay hợp kim) đó giảm đột ngột đến giá trị bằng không.

* Giải thích: Hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ thấp được giải thích dựa vào lí thuyết

BCS do ba nhà khoa học là J Bardeen, L N Cooper và J R Schirieffer đưa ra vòa năm 1957 Líthuyết này giả thuyết rằng các hạt tải điện không phải là các electron riêng lẻ mà là các cặpelectron gọi là cặp Cooper Các cặp Cooper này được xem là hạt tải điện có tính chất rất khác vớicác electron riêng biệt

Để tạo ra cặp Cooper, lí thuyết này xem rằng có một electron chuyển động qua mạng tinhthể làm mạng bị biến dạng, khiến cho mật độ điện tích dương quanh electron này tăng lên trongthời gian ngắn Nếu vào thời điểm đó một electron thứ hai tiến đến dải này, nó sẽ bị hút vào trọngdải bởi mật độ điện tích dương lớn hơn các giải khác và liên kết với electron thứ nhất tạo thànhcặp Cooper Nếu như nhiệt năng trong mạng tinh thể nhỏ hơn năng lượng tương tác của haielectron này thì hai electron này vẫn cặp đôi với nhau Bởi thế, luôn cần một nhiệt độ đủ thấp đểdao động nhiệt của mạng đủ nhỏ, từ đó cho phép tạo nên cặp Cooper Cặp Cooper chuyển độngtrong mạng tinh thể không va chạm, không gây ra điện trở Vì lực liên kết tạo cặp rất yếu nên nhiệt

độ tăng, từ trường tăng, hay mật độ dòng điện tăng là các nguyên nhân phá vỡ cặp Cooper để nótrở lại là các electron kim loại như kim loại, đó là trạng thái thường của vật liệu siêu dẫn

Ngoài đặc tính không tổn hao năng lượng, chất siêu dẫn còn biểu hiện tính chất từ rất đặcbiệt Khi một vật liệu siêu dẫn đặt trong từ trường được làm lạnh từ nhiệt độ cao xuống dưới nhiệt

độ chuyển pha thì vật liệu siêu dẫn trở nên nghịch từ lí tưởng Hiện tượng này gọi là hiệu ứngMeissner Hiệu ứng này ngăn cản không cho từ trường xâm nhập vào bề mặt vật ở trạng thái siêudẫn Vì thế lực từ có thể đẩy đĩa gốm siêu dẫn nâng lên

và lơ lửng trên các nam châm Nhưng nếu vật liệu siêu

dẫn đặt trong từ trường mạnh thì lực từ có thể thắng

được lực đẩy của vật liệu siêu dẫn, khi đó từ trường sẽ

phá hủy đặt tính siêu dẫn của vật liệu Hiện tượng này

cho thấy, những chất gốm siêu dẫn dễ bị ảnh hưởng bởi

Hiện tượng tạo thành suất điện động nhiệt điện trong một mạch điện kín gồm hai vật dẫn khác nhau khi giữ hai mối hàn ở hai nhiệt độ khác nhau (cặp nhiệt điện) là hiện tượng nhiệt điện.

Ví dụ, khi hơ nóng đầu nối A của hai đoạn dây dẫn bằng đồng và constantan thì có dòngđiện chạy trong mạch do sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu mối hàn A và B

* Giải thích: Giả sử có một mạch kín gồm hai kim loại 1 và 2 tiếp xúc nhau ở

hai mối hàn Nếu có mật độ electron tự do n1 khuếch tán từ kim loại 1 sang kim loại 2

và mật độ electron tự do n2 khuếch tán từ kim loại 2 sang kim loại 1 (giả sử n1 > n2) thì

tại mặt tiếp xúc của hai kim loại xuất hiện một hiệu điên thế tiếp xúc Ui Theo thuyết

electron thì khí electron có thể tuân theo các định luật của khí lí tưởng do đó mối liên

hệ giữa n1 và n2 có thể đước xác định bằng công thức:

kT

E E n

n exp t1 t2 2exp i

2 1

với Et1, Et2 là thế năng của electron ở kim loại 1 và kim loại 2 Từ đó, hiệu điện thế tiếp xúc sẽ là

1

2 2 1 2

1 2 1

2 1 2

n

n e

T T k n

n e

kT n

n e

kT U

U

)(T1 T2

k

T = α

là hệ số nhiệt điện động (V.K-1)

LL&PPDH Vật lý K23 Trang 10

Ngoài nguyên nhân trên, sự xuất hiện suất điện động nhiệt điện còn do nguyên nhân thứhai như sau Ở đầu nóng, năng lượng của các electron cao hơn ở đầu lạnh, do đó vận tốc chuyểnđộng nhiệt của các electron ở đầu nóng cũng lớn hơn ở đầu lạnh, vì thế dòng electron khuếch tán

từ đầu nóng đến đầu lạnh lớn hơn dòng electron theo chiều ngược lại Kết quả là đầu lạnh tíchđiện âm, đầu nóng tích điện dương Quá trình này kéo dài mãi cho đến khi xuất hiện hiệu điện thếlàm cho dòng electron đi từ đầu lạnh đến đầu nóng bằng dòng electron đi theo chiều ngược lại,nghĩa là cho đến khi có sự cân bằng động Đối với kim loại 1 và 2 như thế là có một hiệu điện thếxuất hiện và tổng đại số các hiệu điện thế này trong mạch kín tạo nên thành phần thứ 2 của suấtđiện động nhiệt điện

3.1.6 Các ứng dụng

 Nhiệt kế nhiệt điện

Nhiệt kế nhiệt điện dùng để đo nhiệt độ ở những nơi có nhiệt độ rất cao hoặc

rất thấp mà bằng các nhiệt kế thông thường không thể thực hiện được

 Pin nhiệt điện

Ghép nhiều cặp nhiệt điện với nhau sẽ tạo thành một nguồn điện gọi là pin nhiệt điện

 Dây cáp siêu dẫn

Ứng dụng của siêu dẫn người ta sử dụng các đường dây cáp

siêu dẫn có khả năng tải điện đi xa mà không bị tổn hao năng lượng do

không có điện trở; mặt khác, dây cáp tải điện siêu dẫn không cần làm

to như dây cáp thông thường, điều này làm tiết kiệm được vật liệu , vì

mật độ dòng điện trong dây siêu dẫn có thể đạt tới 105 A/cm2, tức là

lớn hơn nhiều so với dây đồng hoặc nhôm của đường dây tải điện thông thường

 Nam châm siêu dẫn

LL&PPDH Vật lý K23 Trang 11

Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn, nhờ mật độ dòng điện

trong dây siêu dẫn là rất lớn người ta đã chế tạo ra nam châm điện có

cuộn dây bằng vật liệu siêu dẫn có thể tạo ra từ trường mạnh trong

cần cho máy gia tốc, lò phản ứng nhiệt hạch và các nghiên cứu khác

Ví dụ: Nhờ nam châm siêu dẫn, năm 1986 ở Anh trong thiết bị To-ka-mác đã tạo ra được nhiệt độ

140 triệu độ trong nửa giây

3.2 Dòng điện trong môi trường chất điện phân

3.2.1 Các khái niệm

 Chất điện phân: là các hợp chất hóa học bị phân li thành các iôn trong dung dịch axit,bazơ và muối

- Axit phân li thành ion âm (gốc axit)- và ion dương H+

- Bazơ phân li thành ion âm (OH)- và ion dương (kim loại)+

- Muối phân li thành ion âm (gốc axit)- và ion dương (kim loại)+

- Một số bazơ như nước amoniac (NH4)OH hoặc muối như phân đạm amoni clorua (NH4)Clkhông chứa ion kim loại nhưng trong dung dịch chúng cũng bị phân li thành các ion (OH)-, Cl- và(NH4)+

 Sự phân li dung dịch điện phân : là quá trình phân tách các phân tử chất hòa tan trongdung dịch thành các ion trái dấu Chuyển động nhiệt mạnh trong các muối hoặc bazơ nóng chảycũng làm các phân tử chất này phân li thành các ion tự do trong dung dịch

LL&PPDH Vật lý K23 Trang 12

3.2.2 Thuyết điện li

3.2.2.1 Nội dung

Trong dung dịch axit, bazơ và muối, các hợp chất hóa học bị phân li thành các ion Anion (ion âm) là gốc axit hoặc ion (OH)-, cation (ion dương) là các ion kim loại, ion H+ hoặc một số nhóm nguyên tử khác Trong muối và bazơ nóng chảy cũng xảy ra sự phân li tương tự như trên Các ion có thể chuyển động tự do trong dung dịch và trở thành các hạt tải điện

3.2.2.2 Giải thích sự tạo thành các ion trong dung dịch chất điện li

Giả sử có một hợp chất ion, như NaCl chẳng hạn, được hoà tan vào nước Các phân tử thuộc loại phân tử có cực, có momen lưỡng cực lớn (Hình 11) Trong điện trường ở xung quanh mỗi phân tử H2O được sắp xếp như sau: các đầu dương của chúng hướng vào cực âm của phân tử NaCl, tức là hướng vào ion Cl-

trong phân tử NaCl và hút ion ấy, đồng thời đẩy Na+ của phân tử NaCl Còn các đầu

âm của chúng lại hướng vào đầu dương của phân tử NaCl tức là vào ion Na+ và hút ion ấy, đồng thời đẩy ion Cl- của NaCl (Hình 11) Như vậy là các phân tử của dung môi (ở đây là H2O) bao quanh các ion của chất hoà tan (ở đây là NaCl), tạo thành

một tập hợp gọi là “solvat”.

Khi ion chuyển động, toàn bộ solvat cũng chuyển động Hiện tượng đó được

gọi là solvat hoá Sự solvat hóa đã làm yếu mối liên kết giữa các ion Na+ và Cl

-trong phân tử NaCl Do chuyển động nhiệt, các phân tử luôn luôn va chạm với nhau Khi phân tử NaCl va chạm với một phân tử nào đó có dung môi (hay với một phân

tử NaCl khác) đang chuyển động khá nhanh, nó có thể phân li thành ion Na+ và Cl-.

LL&PPDH Vật lý K23 Trang 13

Song song với quá trình phân li nói trên, còn có quá trình ngược lại đó là khi hai ion trái dấu va chạm với nhau trong chuyển động nhiệt, chúng có thể kết hợp lại

thành các phân tử trung hoà Quá trình đó gọi là sự tái hợp Khi số ion sinh ra do sự phân li bằng số ion tái hợp trong cùng một đơn vị thời gian thì trong dung dịch có sự cân bằng động của hai quá trình phân li và tái hợp.

Khả năng phân li của chất hòa tan ở các dung môi khác nhau là rất khác nhau.

Để đặc trưng định lượng độ phân li của một chất hòa tan trong dung dịch người ta

đưa vào hệ số phân li (α).

Nếu trong một đơn vị thể tích dung dịch có n0 phân tử chất hòa tan mà trong

( / ' 0

α n n

Hệ số α phụ thuộc vào bản chất của chất hoà tan của dung môi, vào nồng độ dung dịch và nhiệt độ dung dịch.

3.2.3 Các định luật

3.2.3.1 Định luật Ôm đối với chất điện phân

- Trong chất điện phân, khi cường độ điện trường không quá lớn thì mật độ dòng điện tỉ lệthuận với cường độ điện trường Biểu thức: i = σ E

* Giải thích định luật Ôm đối với dòng điện trong chất điện phân

Khi chưa có điện trường đặt vào, các ion trong chất điện phân chuyển động hỗn loạn, do

đó trong chất điện phân lúc này không có dòng điện

Khi có điện trường đặt vào thì dòng điện trong chất điện phân được tạo nên bởi sự dịchchuyển có hướng của các ion trái dấu Lúc này, mật độ dòng điện trong chất điện phân bằng tổng

số các mật độ dòng điện tạo nên bởi sự dịch chuyển các ion dương theo chiều điện trường và cácion âm theo chiều ngược lại

Mật độ dòng điện gây ra bởi sự dịch chuyển có hướng của các ion dương và các ion âm sẽlà: i+ = n+qv+ và i- = n-qv- Trong đó, n+, n- lần là mật độ ion dương và ion âm, q là điện tích của mỗi

LL&PPDH Vật lý K23 Trang 14

ion và v+, v- lần lượt là vận tốc phụ của ion dương theo hướng điện trường và của ion âm ngượchướng điện trường.

Mật độ dòng điện toàn phần sẽ là: i = i+ + i- = n+qv+ + n-qv-

Khi mỗi phân tử chất điện phân phân li thành hai ion trái dấu, thì mật độ ion sẽ là: n+ = n- =

αn0, với α là hệ số phân li và n0 là mật độ phân tử chất hòa tan

Vận tốc phụ của các ion dương và ion âm liên hệ với độ linh động của các ion đó theo côngthức:

E v

+ + =

,

E v

lần lượt là độ linh động của ion dương và ion âm

Như vậy, mật độ dòng điện toàn phần sẽ là: i = qαn0(v+ + v-) = qαn0(

0 0

− ++ v

v

)E

Với một dung dịch cho trước thì lượng qαn0(

0 0

− ++ v

− ++ v

v

) là điện dẫn suất của chất điện phân

Khi tăng nhiệt độ thì điện trở của kim loại tăng nhưng điện trở của chất điện phân thì giảm

vì sự phân li của các phân tử tăng, độ linh động của các ion cũng tăng lên nên dẫn đến sự giảmđiện trở

Khi cường độ điện trường trong chất điện phân lớn khoảng 106 V/m thì định luật Ômkhông còn đúng với dòng điện trong chất điện phân vì khi đó vận tốc của các ion sẽ lớn nên điềukiện tương tác giữa các ion với các hạt của môi trường sẽ thay đổi Từ đó, độ linh động của các ion

sẽ là hàm số của vận tốc dịch chuyển của ion và do đó là hàm số của E nên sự phụ thuộc của i vào E

Định luật Faraday I được xây dựng từ thực nghiệm Định luật này cho biết mối liên hệ giữa khối lượng chất được giải phóng ra ở điện cực và điện lượng đi qua dung dịch điện phân

- Phát biểu: Khối lượng M của chất được giải phóng ra ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ với điện lượng q chạy qua bình đó

- Biểu thức: M = kq = kIt.

trong đó : I là cường độ dòng điện (A)

t là thời gian dòng điện di qua dung dịch điện phân.

k gọi là đuơng lượng điện hoá (kg/C), phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất giải

- Phát biểu: Đương lượng điện hoá k của các chất thoát ra ở điện cực tỷ lệ thuận với

đương lượng hoá học n

=

trong đó : A là nguyên tử lượng của chất thoát ra ở điện cực

n là hoá trị của chất thoát ra ở điện cực

Dựa vào sự dẫn điện của chất điện phân và vào thuyết điện li, ta có thể giải thích các địnhluật Faraday.

Giả sử có N ion di chuyển tới điện cực Nếu khối lượng mỗi ion là m, thì khi N ion đó được trung hoà ở điện cực, khối lượng của chất được giải phóng ra là: M = Nm.

Điện tích mỗi ion là q = ne (với e là điện tích nguyên tố, n là hoá trị của nguyên tố) Khi có N ion tới điện cực thì điện lượng đã chuyển qua dung dịch điện phân là: Q = Nq = Nne.

Đó chính là biểu thức của định luật Faraday 1, với k = m/ne.

Mặt khác khối lượng nguyên tử của chất được giải phóng ra ở điện cực: A = N 0 m (N 0 là số

Avogadro) và đương lượng hoá học của chất đó bằng:

0

N m A

Đó chính là nội dung của định luật Faraday 2

Từ đó ta tìm được số Faraday: F = N 0 e = 9,65.107 C/kmol

A F

Khi chất điện phân hòa tan trong dung dịch thì các phân tử chất đó bị phân li thành các iontrái dấu là ion âm và ion dương Khi không chịu tác dụng của điện trường ngoài thì các ion nàychuyển động nhiệt hỗn loạn, không tạo ra dòng điện Nếu đặt vào bình điện phân một điện trườnggiữa hai điện cực trái dấu là anot và catot thì các ion dương sẽ chuyển động theo chiều điệntrường về catot còn các ion âm sẽ chuyển động ngược chiều điện trường về anot.

Vậy, bản chất dòng điện trong chất điện phân là dòng dịch chuyển có hướng của các ion

dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường.

3.2.5 Hiện tượng dương cực tan

Hiện tượng dương cực tan là hiện tượng xảy ra khi điện phân một dung dịch muối kim loại nào đó mà anốt của bình điện phân làm bằng chính kim loại đó Kết quả là cực dương (anốt) bị ăn mòn dần.

Ví dụ, khi cho thanh đồng nối với cực dương của nguồn điện và thành chì nối với cực âmcủa nguồn cùng nhúng vào dung dịch CuSO4 thì sau một thời gian anot bị hao dần còn catot cóđồng bám vào

đến catốt,nhận hai electron từ nguồn điện đi tới trở thành nguyên tử đồng bám vào catốt:

Cu e

Cu2 + + 2 − =

Ở anốt, êlectron bị kéo về cực dương của nguồn điện,tạo điều kiện hình thành ion Cu2+ trên

bề mặt anốt tiếp xúc với dung dịch:

− ++

Mạ điện là dùng phương pháp điện phân để phủ một lớp kim loại lên những đồ

vật bằng kim loại khác Khi đó vật cần được mạ dùng làm cực âm, kim loại dùng để mạ làm

cực dương, còn chất điện phân là dung dịch muối của kim loại dùng để mạ

Đúc điện:

Khuôn của vật định đúc bằng sáp ong hay bằng một chất khác dễ nặn, rồi

quét lên khuôn một lớp than chì (graphit) mỏng để bề mặt khuôn trở thành dẫn

điện Khuôn này được dùng để làm cực âm, còn cực dương thì bằng kim loại mà ta

muốn đúc và dung dịch điện phân là muối của kim loại đó Khi đặt một hiệu điện

thế vào hai điện cực đó, kim loại sẽ kết thành một lớp trên khuôn đúc, dày hay mỏng tuỳ thuộc vàothời gian điện phân Sau đó người ta tách lớp kim loại ra khỏi khuôn và được vật cần đúc

Điều chế hóa chất

Phương pháp điện phân có thể dùng để điều chế được nhiều hóa chất Chẳng hạn, khi sửdụng phương pháp điện phân dung dịch muối ăn (NaCl) tan trong nước với điện cực bằng graphithoặc bằng kim loại không bị ăn mòn, người ta có thể điều chế được ra các nguyên liệu là khí clo,hidro, xút (NaOH) rất cần thiết cho công nghiệp hóa chất

3.3 Dòng điện trong môi trường chân không

LL&PPDH Vật lý K23 Trang 19