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

Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông MỞ ĐẦU Trong năm qua, chương trình sách giáo khoa giáo dục đào tạo biên soạn lại đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy học, đáp ứng yêu cầu đổi giáo dục theo chủ trương ngành giáo dục nước nhà Vì việc nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức,và cách thể nội dung kiến thức sách giáo khoa vật lí cần thiết.Với yêu cầu môn học, tiểu luận này, sâu nghiên cứu phân tích làm rõ kiến thức vật lý chương DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG sách giáo khoa vật lý 11 nâng cao Để hoàn thành tiểu luận này, chọn phương pháp nghiên cứu là: Đọc tài liệu vật lí phổ thông, vật lí đại cương, sách giáo khoa vật lí trung học phổ thông lớp 11, tài liệu có nội dung liên quan; tìm kiếm thông tin mạng internet; lựa chọn thông tin theo yêu cầu tiểu luận trình bày thông tin theo vấn đề đặt Trong cách trình bày kiến thức cố gắng quan tâm nhiều đến ý nghĩa vật lý kiến thức, hạn chế sử dụng công cụ toán học phức tạp để phù hợp với trình độ học sinh THPT PHẦN : NGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC PHẦN DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG I: Đặc điểm phần dòng điện môi trường Phần dòng điện môi trường đề cập đến dòng điện kim loại,dòng điện chất điện phân,dòng điện chất khí,dòng điện chân không dòng điện chất bán dẫn.Việc nghiên cứu dòng điện kim loại hợp lý lí sau: LL&PPDH Vật lý K23 Trang Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông - Cho phép liên hệ trực tiếp với chương trình vật lí bậc trung học sở - Đường đặc trưng Vôn-ampe kim loại đơn giản Việc nghiên cứu dòng điện môi trường khác dựa sở thuyết elctron cổ điển.Điều có tác dụng nâng cao mức độ khoa học việc nghiên cứu vấn đề xét toàn phần điện động lực học Trên cở sở nghiên cứu dòng điện môi trường,xây dựng quan hệ thống phụ thuộc cường độ dòng điện vào hiệu điện chế dẫn điện môi trường Việc nghiên cứu chế dẫn điện môi trường khác nhau,bản chất phần tử mang điện đặc điểm chuyển động chúng môi trường có tác dụng to lớn việc giáo dục giới quan cho học sinh.Việc nghiên cứu dòng điện môi trường sở để hiểu biết cấu tạo nguyên tắc hoạt động dụng cụ thiết bị điện thông thường sống ống Rơnghen,ống phóng điện tử,đèn ống huỳnh quang qua học sinh nắm sở vật lí điện tử học II Phân tích nội dung kiến thức chương Nhiệm vụ chương dòng điện môi trường - Nghiên cứu hạt dẫn chủ yếu môi trường: kim loại, chất điện phân, chất khí, chân không, bán dẫn - Nghiên cứu thuyết, định luật điện tích, điện trường, dòng điện cách vận dụng chúng để nghiên cứu chất dòng điện môi trường: kim loại, chất điện phân, chất khí, chân không, bán dẫn giải thích tượng điện xảy có dòng điện chạy qua môi trường - Nghiên cứu ứng dụng chất dòng điện môi trường vào thực tế kỹ thuật Cấu trúc chương dòng điện môi trường LL&PPDH Vật lý K23 Trang Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông LL&PPDH Vật lý K23 Trang Các loại bán dẫn Bản chất CHẤT Lớp chuyển tiếp p-n Ứng dụng Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thôngCác linh kiện bán dẫn Dòng điện môi trường 3.1 Dòng điện môi trường kim loại 3.1.1 Các khái niệm  Suất điện động nhiệt điện: suất điện động xuất mạch điện gồm hai dây dẫn khác loại tiếp xúc với hai đầu (mối hàn) hai đầu có chênh lệch nhiệt độ Ở hai đầu mối hàn, khác mật độ electron dẫn hai kim loại nên xảy tượng khuếch tán electron Từ đó, lớp tiếp xúc hai kim loại hình thành hiệu điện tiếp xúc Do hiệu điện tiếp xúc phụ thuộc nhiệt độ, nên có chênh lệch nhiệt độ hai đầu mối hàn hiệu điện tiếp xúc hai kim loại khác Từ đó, hai đầu mối hàn sinh suất điện động tổng đại số hai hiệu điện tiếp xúc Đó suất điện động nhiệt điện  Dòng nhiệt điện: dòng chuyển dời có hướng electron dẫn suất điện động nhiệt điện mạch gây Dòng nhiệt điện có chiều từ đầu nóng sang đầu lạnh mạch  Trạng thái siêu dẫn: trạng thái vật liệu hạ thấp nhiệt độ xuống nhiệt độ tới hạn Tc mà điện trở đột ngột giảm xuống giá trị 3.1.2 Thuyết electron dẫn điện kim loại 3.1.2.1 Nội dung - Trong kim loại, nguyên tử bị electron hóa trị trở thành ion dương Các ion dương liên kết với cách có trật tự tạo thành mạng tinh thể kim loại - Các electron hóa trị tách khỏi nguyên tử, trở thành electron tự Chúng chuyển động hỗn loạn tạo thành khí electron tự không sinh dòng điện Mật độ electron xấp xỉ mật độ nguyên tử kim loại nên lớn Tập hợp electron tự xem khí electron, có tính chất giống khí lí tưởng Khí electron tuân theo định luật khí lí tưởng - Điện trường nguồn điện sinh đẩy khí electron trôi ngược chiều điện trường tạo dòng điện LL&PPDH Vật lý K23 Trang Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông - Sự trật tự mạng tinh thể chuyển động nhiệt iôn tinh thể méo mạng tinh thể cản trở chuyển động electron tự Đó nguyên nhân gây điện trở kim loại 3.1.2.2 Ứng dụng thuyết electron kim loại Một ứng dụng quan trọng thuyết electron cổ điển suy luận lí thuyết định luật Ôm cho dòng điện không đổi Để đến định luật cần xét đoạn mạch có chiều dài l tiết diện S (hình 9),giữa hai đầu đoạn mạch đặt hiệu điện U Cường độ E= đoạn mạch điện trưòng U l Lực điện trường tác dụng lên electron tự kim loại trạng thái chuyển động nhiệt là: eE F= e điện tích electron Dưới tác dụng lực điện trường electron chuyển động có hướng với gia tốc : a= F eE eU = = m m ml m khối lưọng electron Ở thời điểm cuối hai lần va chạm electron có vận tốc(vận tốc có hướng) : v = at = EUt ml LL&PPDH Vật lý K23 Trang Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông t= Thời gian t xác định biết chiều dài quãng đường tự trung bình λ ν Trong công thức không kể đến vận tốc chuyển động có hướng electron giá trị nhỏ vận tốc chuyển động nhiệt nhiều lần Chuyển động có gia tốc electron hai lần va chạm đặc trưng vận tốc trung bình : v= v0 + v Nếu coi va chạm với ion mạng tinh thể làm electron dừng lại khoảng khắc,nghĩa vận tốc không,thì vận tốc trung bình quãng đường tự : v= v eUt eUλ = = 2ml 2mlv Cường độ dòng điện đoạn mạch biểu thị theo mật độ dẫn điện n,điện tích e electron,vận tốc trung bình chuyển động có hướng tiết diện ngang S theo công thức : I = n.e.S v v Thay vào công thức tính I= ne SUλ 2mlv ρ= Đặt ta có : 2mv e nλ gọi điện trở suất dây dẫn LL&PPDH Vật lý K23 Trang Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông ρ Đại lượng R=ρ viết l S phụ thuộc vào cấu tạo dây dẫn gọi điện trở R dây dẫn hay l S Cuối ta trở định luật Ôm viết dạng quen thuộc I= U R 3.1.3 Định luật Ôm Trong dây dẫn kim loại, nhiệt độ không đổi cường độ dòng điện qua dây dẫn tỉ lệ thuận với hiệu điện đặt vào hai đầu dây dẫn I= Biểu thức: U R 3.1.4 Bản chất dòng điện kim loại Kim loại dẫn điện tốt mật độ electron tự kim loại lớn Khi không chịu tác dụng điện trường electron tự chuyển động hỗn loạn, không tạo dòng điện Nếu có điện trường tác dụng electron tự bắt đầu chuyển động theo hướng ngược chiều điện trường tạo dòng điện Vậy, chất dòng điện kim loại dòng dịch chuyển có hướng electron ngược chiều điện trường Điều chứng minh thí nghiệm cổ điển Ricke,Mandelstam,TolmanStewart Thí nghiệm Tolman-Stewart xuất phát từ tư tưởng sau : LL&PPDH Vật lý K23 Trang Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông Nếu kim loại điện tích tự có khối lượng chúng phải tuân theo định luật quán tính.Do ta cho kim loại chuyển động nhanh đột ngột dừng lại điện tích tự tiếp tục chuyển động tạo thành dòng điện.Chiều dòng điện phát nhờ chiều quay kim điện kế.Chiều chuyển động điện tích dương chiều với dòng điện chiều điện tích âm ngược chiều dòng điện Thí nghiệm Tolman-stewart cho biết chiều điện tích ngược với chiều dòng điện : điện tích chuyển động theo quán tính dây kim loại điện tích âm-electron.Chúng ta cần phân biệt vận tốc có hướng electron với vận tốc lan truyền dòng điện.Đây hai khái niệm hoàn toàn khác nhau.Vận tốc có hướng electron tác dụng điện trường nhỏ,thí dụ với dòng điện có cường độ 10A vận tốc có hướng electron dây đồng khoảng 0,7mm/s.Vận tốc nhỏ vận tốc trung bình chuyển động nhiệt hàng tỷ lần(cỡ 1000km/s) Vận tốc lan truyền dòng điện phải hiểu vận tốc lan truyền tác dụng điện trường lên electron.Điện trườg làm cho electron điểm khác vật dẫn thu chuyển động chậm có hướng tức thời.Sự lan truyền tác dụng điện trường từ electron đến electron khác xảy với vận tốc lớn,khoảng 3000.000km/s Khi nói trạng thái electron tự kim loại cần nhấn mạnh electron trạng thái tự khoảng thời gian ngắn.Trong khoảng thời gian electron tự tham gia vào chuyển động nhiệt,va chạm nhiều lần với với ion.Khi electron tự gặp ion dương xảy liên kết.Nói cách khác kim loại xảy hai trình thuận nghịch :Sự tạo tự tái hợp.Kết mật độ electron tự kim loại không đổi không phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài.Mật độ electron tự gần số nguyên tử 1cm3 kim loại,nghĩa 1022 -1023 1cm3 3.1.5 Hiện tượng dẫn điện kim loại 3.1.5.1 Hiện tượng siêu dẫn Năm 1911, làm thí nghiệm khảo sát phụ thuộc vào nhiệt độ điện trở cột thủy ngân có độ tinh khiết cao, nhà vật lí Hà Lan Kammerlingh Onnes phát rằng: Ở nhiệt độ Heli lỏng (4,20K) điện trở cột thủy ngân nhỏ tiếp tục hạ nhiệt độ điện trở cột thủy ngân đột ngột hoàn toàn Sau ông phát thấy tượng điện LL&PPDH Vật lý K23 Trang Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông trở nhiệt độ xác định xảy hai kim loại khác thiếc chì Hiện tượng gọi tượng siêu dẫn Vậy, tượng siêu dẫn tượng nhiệt độ hạ xuống nhiệt độ tới hạn TC đó, điện trở kim loại (hay hợp kim) giảm đột ngột đến giá trị không * Giải thích: Hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp giải thích dựa vào lí thuyết BCS ba nhà khoa học J Bardeen, L N Cooper J R Schirieffer đưa vòa năm 1957 Lí thuyết giả thuyết hạt tải điện electron riêng lẻ mà cặp electron gọi cặp Cooper Các cặp Cooper xem hạt tải điện có tính chất khác với electron riêng biệt Để tạo cặp Cooper, lí thuyết xem có electron chuyển động qua mạng tinh thể làm mạng bị biến dạng, khiến cho mật độ điện tích dương quanh electron tăng lên thời gian ngắn Nếu vào thời điểm electron thứ hai tiến đến dải này, bị hút vào trọng dải mật độ điện tích dương lớn giải khác liên kết với electron thứ tạo thành cặp Cooper Nếu nhiệt mạng tinh thể nhỏ lượng tương tác hai electron hai electron cặp đôi với Bởi thế, cần nhiệt độ đủ thấp để dao động nhiệt mạng đủ nhỏ, từ cho phép tạo nên cặp Cooper Cặp Cooper chuyển động mạng tinh thể không va chạm, không gây điện trở Vì lực liên kết tạo cặp yếu nên nhiệt độ tăng, từ trường tăng, hay mật độ dòng điện tăng nguyên nhân phá vỡ cặp Cooper để trở lại electron kim loại kim loại, trạng thái thường vật liệu siêu dẫn Ngoài đặc tính không tổn hao lượng, chất siêu dẫn biểu tính chất từ đặc biệt Khi vật liệu siêu dẫn đặt từ trường làm lạnh từ nhiệt độ cao xuống nhiệt độ chuyển pha vật liệu siêu dẫn trở nên nghịch từ lí tưởng Hiện tượng gọi hiệu ứng Meissner Hiệu ứng ngăn cản không cho từ trường xâm nhập vào bề mặt vật trạng thái siêu dẫn Vì lực từ đẩy đĩa gốm siêu dẫn nâng lên lơ lửng nam châm Nhưng vật liệu siêu dẫn đặt từ trường mạnh lực từ thắng lực đẩy vật liệu siêu dẫn, từ trường phá hủy đặt tính siêu dẫn vật liệu Hiện tượng cho thấy, chất gốm siêu dẫn dễ bị ảnh hưởng từ trường mạnh 3.1.5.2 Hiện tượng nhiệt điện LL&PPDH Vật lý K23 Trang Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông Hiện tượng tạo thành suất điện động nhiệt điện mạch điện kín gồm hai vật dẫn khác giữ hai mối hàn hai nhiệt độ khác (cặp nhiệt điện) tượng nhiệt điện Ví dụ, hơ nóng đầu nối A hai đoạn dây dẫn đồng constantan có dòng điện chạy mạch chênh lệch nhiệt độ hai đầu mối hàn A B * Giải thích: Giả sử có mạch kín gồm hai kim loại tiếp xúc hai mối hàn Nếu có mật độ electron tự n khuếch tán từ kim loại sang kim loại mật độ electron tự n khuếch tán từ kim loại sang kim loại (giả sử n > n2) mặt tiếp xúc hai kim loại xuất hiệu điên tiếp xúc U i Theo thuyết electron khí electron tuân theo định luật khí lí tưởng mối liên hệ n1 n2 đước xác định công thức:  E − Et   eU  n1 = n2 exp − t1  = n2 exp − i  kT    kT  với Et1, Et2 electron kim loại kim loại Từ đó, hiệu điện tiếp xúc Ui = kT n2 ln e n1 Như vậy, mật độ electron n n2 khác hiệu điện tiếp xúc lớn Nếu nhiệt độ hai mối hàn tổng hiệu điện tiếp xúc hai mối hàn Bây giờ, giả sử nhiệt độ mối hàn T = T + ∆T mối hàn T2 = T Nếu ta coi mật độ electron tự n n2 hai kim loại không phụ thuộc vào nhiệt độ tổng hiệu điện tiếp xúc khác không hiệu điện tiếp xúc phụ thuộc vào nhiệt độ Cụ thể là, mối hàn nóng có khuếch tán electron lớn mối hàn lạnh, khiến cho hiệu điện tiếp xúc mối hàn nóng lớn Khi suất điện động nhiệt điện xác định công thức: E = U i1 + U i = kT1 n2 kT2 n1 k (T1 − T2 ) n2 ln + ln = ln e n1 e n2 e n1 k n α T = ln e n1 ⇒ E = α T (T1 − T2 ) , với hệ số nhiệt điện động (V.K-1) LL&PPDH Vật lý K23 Trang 10 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông Lúc đầu, cho hai điện cực chạm vào mạch điện bị nối tắt nên dòng điện mạch lớn làm cho hai đầu điện cực bị nóng đỏ, gây phát xạ nhiệt electron Khi tách hai đầu khoảng ngắn xuất dòng điện chạy chất khí chủ yếu dòng electron (và ion âm) từ catot sang anot có phần dòng ion dương từ anot catot Ion âm electron đến đập vào anot, làm anot nóng lên (nhiệt độ 3500 0C) Lúc đó, anot phát sáng mạnh, nóng chảy tạo vết lõm bề mặt Còn ion dương tới đập vào catot làm cho catot trì trạng thái nóng đỏ tiếp túc phát xạ nhiệt electron Chất khí hai điện cực có nhiệt độ cao nên bị ion hóa dẫn điện tốt, nhờ mà điện trở khí hồ quang nhỏ cường độ dòng điện mạch lớn *Hiện tượng phát xạ nhiệt electron Hiện tượng electron phát từ chất nung nóng gọi tượng phát xạ nhiệt electron Trong hồ quang điện, phần dòng điện chạy qua chất khí dòng ion dương từ anot tới catot, chúng truyền cho cực lượng mà chúng nhận từ điện trường làm cho cực nóng đỏ có khả phát electron * Giải thích: Khi nhiệt độ tăng, vận tốc chuyển động nhiệt electron tăng số electron thu động đủ để thực công thoát thoát khỏi bề mặt kim loại 3.4.4 Các ứng dụng Hàn hồ quang tay Hàn hồ quang tay trình hàn điện nóng chảy sử dụng điện cực dạng que hàn, thao tác gây hồ quang, dịch chuyển que hàn người thợ thao tác tay Phương pháp dùng để hàn cắt chi tiết kim loại Lò hồ quang LL&PPDH Vật lý K23 Trang 24 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông Lò hồ quang loại lò mà nhiệt nung chảy kim loại tạo phóng điện hai điện cực Lò hồ quang sử dụng để nung chảy kim loại nhiệt độ lên tới 20000C Đèn chiếu sáng Đèn huỳnh quang dạng đèn phóng điện môi trường khí Để có phóng điện ống đòi hỏi phải có điện áp đủ lớn hai điện cực để tạo hồ quang điện kích thích phát sáng Bugi hệ thống đánh lửa Trong hệ thống đánh lửa, tia lửa điện phát điện cực bugi để đốt cháy hỗn hợp hòa khí Hòa khí bị nén có điện trở lớn, nên cần phải tạo điện hàng chục ngàn vôn để đảm bảo phát tia lửa mạnh, đốt cháy hỗn hợp hòa khí 3.5 Dòng điện môi trường chất bán dẫn 3.5.1 Các định nghĩa  Bán dẫn: loại vật liệu trung gian vật liệu dẫn điện vật liệu cách điện có điện trở suất biến thiên khoảng từ 10 -5 đến 108 Ωm , tăng nhiệt độ pha lẫn tạp chất dùng kích thích vào chất bán dẫn chiếu sáng hay kích thích tác nhân iôn hóa điện trở suất bán dẫn giảm mạnh  Bán dẫn tinh khiết: bán dẫn tinh khiết loại bán dẫn mà mạng tinh thể có loại nguyên tử LL&PPDH Vật lý K23 Trang 25 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông  Bán dẫn có lẫn tạp chất: bán dẫn có lẫn tạp chất loại bán dẫn mà thành phần cấu tạo có loại nguyên tử Ở hình vẽ :Cấu trúc tinh thể bán dẫn Silic có lẫn tạp chất,nguyên tử tạp chất hoá trị năm (P) cần bốn êlectron hoá trị để liên kết với bốn nguyên tử Silic lân cận.Êlectron thứ năm trở thành êlectron tự do,còn nguyên tử P trở thành ion P+  Bán dẫn loại n: loại bán dẫn có lẫn tạp chất nguyên tử tạp chất liên kết với nguyên tử bán dẫn bị thừa electron, từ cung cấp electron thừa cho mạng tinh thể Do mà hạt tải điện bán dẫn loại electron  Bán dẫn loại p: loại bán dẫn có pha lẫn tạp chất nguyên tử tạp chất nhận electron từ mạng tinh thể bán dẫn để lấp đầy mối liên kết với nguyên tử bán dẫn, từ tạo cho mạng tinh thể lỗ trống mang điện dương Do mà hạt tải điện bán dẫn loại lỗ trống 3.5.2 Bản chất dòng điện bán dẫn Trong bán dẫn có loại hạt tải điện electron dẫn lỗ trống mang điện dương Do đặt vào hai đầu bán dẫn điện trường tác LL&PPDH Vật lý K23 Trang 26 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông dụng lực điện trường, electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường về anot lỗ trống chuyển động chiều điện trường catot tạo dòng điện chất bán dẫn Vậy, chất dòng điện bán dẫn dòng chuyển dời có hướng electron dẫn ngược chiều điện trường lỗ trống chiều điện trường 3.5.3 Hiện tượng dẫn điện bán dẫn 3.5.3.1 Sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n Lớp chuyển tiếp p – n hình thành cho hai mẫu bán dẫn loại p loại n tiếp xúc với Khi có tiếp xúc lỗ trống electron dẫn khuếch tán từ mẫu p sang n ngược lại Do bán dẫn loại p, lỗ trống hạt tải điện chủ yếu bán dẫn loại n electron dẫn hạt tải điện chủ yếu nên khuếch tán từ p sang n chủ yếu dòng lỗ trống từ n sang p chủ yếu dòng electron dẫn Lỗ trống từ p sang n tái hợp với electron dẫn nên phía n gần mặt phân cách hai mẫu bán dẫn không hạt tải điện tự nữa, mà cho ion tạp chất mang điện dương Tương tự vậy, phía p gần mặt phân cách có ion tạp chất mang điện âm Kết mặt phân cách xuất điện trường E t hướng từ n sang p có tác dụng ngăn cặn khuếch tán hạt mang điện đa số Khi cường độ điện trường E t ổn định chổ tiếp xúc hai bán dẫn hình thành lớp chuyển tiếp p – n Ở lớp hạt tải điên tự nên gọi lớp nghèo 3.5.3.2 Hiện tượng phun hạt tải điện Nếu đặt điện trường có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n lỗ trống bán dẫn p chạy theo điện trường vào lớp nghèo, electron bán dẫn n chạy sngược chiều điện trường vào lớp Lúc lớp nghèo có hạt tải điện trở nên dẫn điện Vì có dòng điện chạy qua lớp nghèo theo chiều từ miền p sang miền n (chiều thuận) Khi đó, hạt tải điện vào lớp nghèo tiếp sang miền đối diện tượng gọi tượng phun hạt tải điện LL&PPDH Vật lý K23 Trang 27 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông 3.5.4 Ứng dụng Linh kiện điện tử Ứng dụng tính dẫn điện bán dẫn, người ta tạo linh kiện điện tử diốt, tranzitor,… sử dụng phổ biến mạch điện tử, mạch điều khiển điện tử, vi mạch điện tử,… 4.Khảo sát đặc tuyến Vôn – Ampe môi trường * Trong kim loại + Đối với dây dẫn kim loại, nhiệt độ định, đặc tuyến Vôn – Ampe đoạn thẳng (Hình 20) điện trở R không phụ thuộc vào hiệu điện U Vậy dây dẫn kim loại nhiệt độ không đổi vật dẫn tuân theo định luật Ôm + Tiến hành làm thí nghiệm khảo sát phụ thuộc điện trở dây tóc bóng đèn 6,2V – 0,5A vào hiệu điện đặt vào bóng đèn Kết thí nghiệm cho thấy, điện trở dây tóc bóng đèn tăng hiệu điện tăng Mặt khác, hiệu điện tăng, độ sáng đèn tăng, chứng tỏ nhiệt độ dây tóc bóng đèn tăng Từ LL&PPDH Vật lý K23 Trang 28 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông kết luận: điện trở dây tóc bóng đèn tăng nhiệt độ tăng Đặc tuyến Vôn – Ampe điện trở dây tóc bóng đèn có dạng hình 21 I(A) I(A) 0,3 U(V) Hình 20 : Đặc tuyến Vôn – Ampe đoạn dây dẫn nhiệt độ không đổi 0,2 0,1 * Trong chất điện phân U(V) Hình 21: Đặc tuyến Vôn – Ampe điện trở dây tóc bóng đèn - Thí nghiệm gồm bình thủy tinh đựng dung dịch CuSO Hai điện cực: anốt đồng, catốt than chì kim loại khác Đóng khóa K khoảng thời gian đến 10 phút Quan sát kĩ catốt ta thấy có lớp đồng mỏng bám vào (Hình 22) - Cũng với thí nghiệm trên, đo giá trị cường độ dòng điện I qua bình thay đổi hiệu điện U đặt vào bình, ta vẽ đặc tuyến Vôn – Ampe bình điện phân đựng dung dịch CuSO4 với anốt đồng (Hình 23) LL&PPDH Vật lý K23 Trang 29 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông e- e- I(A) K A mA r E SO42- K1 Cu2+ SO42- + Cu2+ _ Dd CuSO4 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 U(V) Hình 23 : Đặc tuyến Vôn – Ampe bình điện phân đựng dung dịch CuSO4 với anốt đồng Hình 22 mA * Trong chân không Để khảo sát dòng điện chân không, người ta dùng sơ đồ thí nghiệm hình 24, gồm: điôt điện tử, LL&PPDH Vật lý K23 Hình 24 Trang 30 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông nguồn điện miliampe kế Điôt bóng thuỷ tinh hút hết khí có hai cực: catốt (K) vật liệu khó nóng chảy (như vônfram chẳng hạn) bề mặt có phủ lớp chất có công thoát nhỏ, anốt thường có dạng hình trụ bao quanh catốt Khi catốt chưa đốt nóng mạch dòng điện dù đặt vào hai cực hiệu điện lớn Khi đốt nóng catốt (nhờ nguồn điện phụ) xảy tượng phát xạ nhiệt electron, mạch có dòng điện Dòng điện xuất trường hợp cực dương nguồn nối với Anôt cực âm nối với Catốt Nghĩa dòng điện chạy theo chiều từ Anôt sang Catốt Cường độ dòng điện I qua điôt chân không phụ thuộc hiệu điện Anốt Catốt Đường đặc trưng vôn - ampe có dạng hình 25 + Khi điện anốt không, cường độ dòng điện qua điôt nhỏ + Khi tăng điện dương anốt (U>0) cường độ dòng điện tăng + Tiếp tục tăng điện anốt cường độ dòng điện đạt tới giá trị cực đại gọi dòng điện bão hòa Ibh điốt, dòng điện không phụ thuộc vào tăng điện anốt + Khi tăng nhiệt độ catốt, đường đặc tuyến Vôn – Ampe đường cong Với giá trị LL&PPDH Vật lý K23 Trang 31 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông dòng điện nhỏ Ibh, phụ thuộc I U với nhiệt độ khác biểu diễn đường cong Hình 25 Đường đặc tuyến Vôn – Ampe điôt điện tử phi tuyến tính Vì vậy, đèn điôt điện tử vật dẫn không tuân theo định luật Ôm * Trong chất khí Khảo sát phụ thuộc cường độ dòng điện chất khí áp suất bình thường vào hiệu điện có tác nhân ion hóa, ta thu đặc tuyến Vôn – Ampe hình 26 Đặc tuyến Vôn – Ampe đường thẳng Vì vậy, dòng điện chất khí không tuân theo định luật Ôm Đặc điểm giải thích sau: Khi tăng U, cường độ điện trường tăng lực điện trường tác dụng lên điện tích tăng số điện tích đến điện cực tăng theo, làm cho cường độ dòng điện tăng (I tỉ lệ với U) Hình 26 Tuy nhiên, tác dụng điện trường, phần lớn điện tích tạo thành sau giây tới cực dòng điện không tăng nữa, đạt giá trị bão hoà (đoạn ab) Sự tăng dòng điện đoạn bc electron tác nhân ion hoá tạo gia tốc mạnh tác dụng điện trường lớn suốt quãng đường tự trung bình, nên tích luỹ lượng đủ lớn đủ để ion hoá phân tử va chạm với chúng Các electron vừa bứt từ phân tử gia tốc điện trường, lại va chạm với phân tử khác gây ion hoá Số lượng electron ion tăng LL&PPDH Vật lý K23 Trang 32 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông nhanh lớn gấp nhiều lần số điện tích tự tạo tác nhân ion hoá Số electron tạo nhanh gây thành thác electron Do đó, U > UC I tăng phụ thuộc số hạt tải điện mà tác nhân ion hoá bên sinh Quá trình dẫn điện chất khí nói gọi trình dẫn điện không tự lực * Trong chất bán dẫn Để khảo sát dòng điện bán dẫn ta thiết lập sơ đồ thí nghiệm sau: LL&PPDH Vật lý K23 Trang 33 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông Hình 28: Dòng điện thuận qua điôt bán dẫn Hình 29: Dòng điện ngược qua điôt bán dẫn Dùng biến trở R để thay đổi hiệu điện U đặt vào hai cực điốt Ta vẽ đặc tuyến Vôn – Ampe sau (Hình 30, 31 ): + Nhánh thuận: Khi hiệu điện thuận tăng dòng điện thuận có cường độ lớn tăng nhanh theo Trong thực tế, người ta dùng điôt phân cực thuận đến giá trị hiệu điện thuận cỡ vài vôn Vì với hiệu điện cao hơn, Ith có giá trị lớn, làm hỏng lớp chuyển tiếp + Nhánh ngược: Dòng ngược nhỏ không tăng theo hiệu điện Tuy nhiên Ung lớn, điện trường r Et lớp chuyển tiếp lớn xảy tượng đánh thủng lớp chuyển tiếp dòng Ing tăng mạnh Hình 30 Hình 31 Phương pháp nhận thức Dòng điện môi trường khác phân biệt theo hạt mang điện môi trường (ion âm, ion dương electron), đặc điểm chuyển động LL&PPDH Vật lý K23 Trang 34 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông loại hạt mang điện Dòng điện môi trường có đặc điểm chung chúng dòng chuyển dời có hướng hạt mang điện tự Khi nghiên cứu dòng điện môi trường việc so sánh với dòng điên môi trường nghiên cứu trước cần thiết Có thể xây dựng dàn có cấu trúc thống nghiên cứu dòng điện môi trường Đầu tiên làm sáng tỏ chất hạt mang điện tự do, sau khảo sát đặc điểm chuyển động chúng, nghiên cứu phụ thuộc cường độ dòng điện vào hiệu điện cuối tìm hiểu nguyên tắc hoạt động dụng cụ thiết bị trình hoạt động dụng cụ, thiết bị trình công nghệ dựa định luật dòng điện môi trường Việc phát hiện tượng,xây dựng khái niệm định luật nói chung dựa sở thực nghiệm song mức độ quan sát mà phải dựa vào chế dẫn điện môi trường để làm sáng tỏ chất tượng ,ý nghĩa vật lí khái niệm Điều giúp cho học sinh vận dụng cách có ý thức kiến thức vào thực tế việc giải tập định tính định lượng LL&PPDH Vật lý K23 Trang 35 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông KẾT LUẬN Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông việc làm quan trọng, cần thiết giáo viên Qua việc phân tích kiến thức chương “ Dòng điện môi trường” giúp thân hiểu rõ kiến thức cách sâu sắc hơn,trong làm tiểu luận đạt kết quả: Hệ thống kiến thức Trình bày chi tiết kiến thức chương với phần nhận xét đánh giá sâu sắc Trang bị nhiều tư liệu hình ảnh minh họa,biểu thức toán để làm rỏ Như qua việc phân tích nội dung kiến thức chương thân có phần tài liệu tham khảo trang bị kiến thức chuyên sâu để giảng dạy phổ thông sau qua giúp học sinh nắm vững cách chắn kiến thức đem kiến thức học vận dụng kĩ thuật đời sống Qua trình làm tiểu luận, thân cố gắng tìm tòi, học hỏi, sưu tầm tài liệu để làm rỏ nội dung trình bày sách giáo khoa Tuy nhiên điều kiện thời gian, khả tiếp thu vấn đề nghiên cứu chưa nhiều nên chắn nhiều thiếu sót Rất mong đóng góp ý kiến thầy cô bạn đồng nghiệp để tiểu luận hoàn chỉnh Chân thành cảm ơn LL&PPDH Vật lý K23 Trang 36 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông TÀI LIỆU THAM KHẢO Dương Trọng Bái – Vũ Thanh Khiết (2005), Từ điển Vật lí phổ thông, Nhà xuất giáo dục Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2007), Vật lí 11 bản, Nhà xuất Giáo dục Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2007), Sách giáo viên Vật lí 11 bản, Nhà xuất Giáo dục N.I.KARIAKIN, K.N.BƯXTRÔV, P.X.K IRÊEV (2004), Sách tra cứu tóm tắt Vật lí, Nhà xuất Giáo dục Vũ Thanh Khiết - Nguyễn Phúc Thuần (1992), Điện học, Nhà xuất giáo dục Vũ Thanh Khiết - Nguyễn Thế Khôi – Vũ Nhọc Hồng (1997), Giáo trình Điện Đại Cương, Nhà xuất Giáo dục Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2007), Vật lí 11 nâng cao, Nhà xuất Giáo dục Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên)(2007), Sách giáo viên Vật lí 11 nâng cao, Nhà xuất Giáo dục Đào Văn Phúc (1976), Điện động lực học, Nhà xuất Giáo dục 10 Lê Công Triêm (2004), Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông, Huế LL&PPDH Vật lý K23 Trang 37 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông 11.Vụ giáo dục trung học (2007), Tài liệu bồi dưỡng giáo viên lớp 11 môn Vật lí, Nhà xuất giáo dục 12 Tài liệu Internet : - http/www.tulieubachkim.com.vn - http/www.thuvienvatly.com.vn - http://www.wikipedia.com - http://www.vietsciences1.free.fr; - http://www.vietnamnet.com; - http://www.onthi.com LL&PPDH Vật lý K23 Trang 38 [...]... viên Qua việc phân tích những kiến thức cơ bản trong chương “ Dòng điện trong các môi trường” đã giúp bản thân hiểu rõ các kiến thức đó một cách sâu sắc hơn ,trong khi làm tiểu luận cũng đạt được các kết quả: Hệ thống được các kiến thức cơ bản Trình bày khá chi tiết các kiến thức trong chương với phần nhận xét đánh giá sâu sắc Trang bị được nhiều tư liệu về hình ảnh minh họa,biểu thức toán để làm... phân, khi cường độ điện trường không quá lớn thì mật độ dòng điện tỉ lệ thuận với cường độ điện trường Biểu thức: i = σE * 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... và dòng Ing tăng mạnh Hình 30 Hình 31 5 Phương pháp nhận thức Dòng điện trong các môi trường khác nhau được phân biệt căn bản theo hạt mang điện cơ bản trong môi trường (ion âm, ion dương và electron), cũng như đặc điểm chuyển động của các LL&PPDH Vật lý K23 Trang 34 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông loại hạt mang điện này Dòng điện trong các môi trường có một đặc điểm chung là chúng đều là dòng. .. chuyển động cùng chiều điện trường đến catot tạo ra dòng điện trong chất khí Vậy, bản chất dòng điện trong chất khí là dòng dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm, electron ngược chiều điện trường 3.4.3 Các hiện tượng phóng điện trong chất khí 3.4.3.1 Hiện tượng nhân số hạt tải điện Hiện tượng tăng mật độ hạt tải điện trong chất khí do dòng điện chạy qua gọi là hiện... dẫn suất của chất điện phân • Lưu ý: 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 giảm điện trở Khi cường độ điện trường trong chất điện phân lớn khoảng 10 6 V/m thì định luật Ôm không còn đúng với dòng điện trong chất điện phân vì khi đó vận tốc của các ion sẽ lớn nên... lệch trong điện trường và từ trường 3.3.2 Bản chất dòng điện trong chân không Chân không là môi trường đã được lấy đi tất cả các phân tử khí do đó trong chân không không có hạt tải điện nên sẽ không dẫn điện Muốn tạo ra dòng điện giữa hai điện cực đặt trong chân không thì ta phải đưa vào trong đó các hạt tải điện là các electron bằng cách đốt nóng catot để gây phát xạ nhiệt electron Khi đã có các electron... 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 trong dung dịch thành các ion trái dấu Chuyển động nhiệt mạnh trong các muối hoặc bazơ nóng chảy cũng làm các phân tử chất này phân li thành các ion tự do trong dung dịch LL&PPDH Vật lý K23 Trang 12 Nghiên cứu chương trình vật... tinh thể các lỗ trống mang điện dương Do vậy mà hạt tải điện cơ bản của bán dẫn loại này là các lỗ trống 3.5.2 Bản chất của dòng điện trong bán dẫn Trong bán dẫn có các loại hạt tải điện là electron dẫn và các lỗ trống mang điện dương Do đó khi đặt vào hai đầu bán dẫn một điện trường ngoài thì dưới tác LL&PPDH Vật lý K23 Trang 26 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông dụng của lực điện trường, các electron... vậy, dòng điện trong chất khí không tuân theo định luật Ôm Đặc điểm này được giải thích như sau: Khi tăng U, cường độ điện trường tăng thì lực điện trường tác dụng lên các điện tích tăng vì thế số điện tích đi đến các điện cực tăng theo, làm cho cường độ dòng điện tăng (I tỉ lệ với U) Hình 26 Tuy nhiên, dưới tác dụng của điện trường, khi phần lớn các điện tích được tạo thành sau mỗi giây đã tới được các. .. ra ở điện cực tỉ lệ với đương lượng hoá học A/n của chất đó và điện lượng q đi qua dung dịch điện phân M= - Biểu thức: M =kq hay 1 A It F n Tính ra bằng gam (g) trong đó:I tính theo ampe (A) t tính theo giây (s) 3.2.4 Bản chất dòng điện trong chất điện phân LL&PPDH Vật lý K23 Trang 17 Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông Khi chất điện phân hòa tan trong dung dịch thì các phân tử chất đó bị phân ... việc phân tích kiến thức chương “ Dòng điện môi trường” giúp thân hiểu rõ kiến thức cách sâu sắc hơn ,trong làm tiểu luận đạt kết quả: Hệ thống kiến thức Trình bày chi tiết kiến thức chương. .. luật Ôm dòng điện chất điện phân Khi chưa có điện trường đặt vào, ion chất điện phân chuyển động hỗn loạn, chất điện phân lúc dòng điện Khi có điện trường đặt vào dòng điện chất điện phân tạo... chuyển động tạo thành dòng điện. Chiều dòng điện phát nhờ chiều quay kim điện kế.Chiều chuyển động điện tích dương chiều với dòng điện chiều điện tích âm ngược chiều dòng điện Thí nghiệm Tolman-stewart