Đang tải... (xem toàn văn)
Quá trình dẫn điện của chất khí có thể tự duy trì, không cần đưa liên tục hạt tải điện vào, gọi là quá trình dẫn điện (phóng điện) tự lực. Muốn có quá trình dẫn điện tự lực thì trong hệ [r]
(1)Dòng điện kim loại
Bản chất dòng điện kim loại Dựa vào thuyết electron :
+Nguyên tử electron -> ion dương -> liên kết-> mạng tinh thể -> mạng tinh thể trật tự chuyển động nhiệt ion dương mạnh
+ Các electron hóa trị tách khỏi nguyên tử -> electron tự với mật độ n khơng đổi -> khí electron chuyển động hổn độn, khơng sinh dịng điện
+ đẩy khí electron chuyển động ngược với -> dòng điện
+Sự trật tự mạng tinh thể cản trở chuyển động electrun tự -> điện trở kim loại
Nhận xét :
Hạt tải điện kim loại electron tự do,
mật độ n cao (n = 1028 đến 1029 m-3), nên kim
loại dẫn điện tốt
(2)a/ Sự trật tự xãy mạng tinh thể : - Chuyển động nhiệt ion dương
- Sự méo mạng tinh thể biến dạng học
- Nguyên tử lẫn kim loại
b/ Mật độ dòng điện định nghĩa :
j = nq v0
n : mật độ hạt mang điện
q0: độ lớn điện tích hât mang điện
v : vận tốc có hướng trung bình hạt nang
điện
Ngoài : I = (S)
j d S
dS : vectơ có hướng
với vectơ pháp tuyến, có độ lớn dS
I = UR
n tỉ lệ nghịch với điện trở => n tỉ lệ nghịch với điện trở suất kim loại
Kết luận : Dòng điện kim loại dòng chuyển dời có hướng electron tự tác dụng điện trường
E
dSn
(3)
Sự phụ thuộc điện trở kim loại theo nhiệt độ
Nhiệt độ tăng -> chuyển động nhiệt ion
trong mạng tinh thể tăng ρ = ρ0[1+α(t – t0)]
α : hệ số nhiệt điện trở
Đối với tất kim loại : α >
Đối với số vật dẫn loại khoảng nhiệt độ với chất điện phân (vật dẫn loại hai) : α <
đối với kim loại nguyên chất α ≈
1
273 = giá trị
của hệ số nở nhiệt chất khí Do
kim loại ngun chất : ρ = ρ0αT (T; nhiệt độ
tuyệt đối) Tập hợp electron tự kim loại coi khí electron giống khí lý tưởng
Sự va chạm electron với ion dương nút mạng tinh thể kim loại biểu tương tác electron ion dương, va chạm dẫn đến cân nhiệt khí electron mạng tinh thể kim loại Khí electron tuân theo định luật khí lý tưởng
Vận tốc trung bình chuyển động nhiệt
electron : T
8kT V
π m
; k = 1,38.10-23J/K ; T: nhiệt độ
(4)Vận tốc trung bình chuyển động có hướng electron :
1 V
ne
<< VT cần phân biệt V
với vận tốc truyền tương tác điện từ V = 3.108m/s.
ρ0 : điện trở suất nhiệt độ t0
t0 = 200C ( T = 293K) phụ thuộc nhiệt độ
của điện trở suất kim loại khơng cịn tuyến tính nhiệt độ thấp 20K Ở nhiệt độ này, điện trở kim loại phụ thuộc mạnh vào lượng tạp chất kim loại Thực tế phép đo điện trở suất nhiệt độ thấp thường sử dụng để đánh giá lượng tạp chất kim loại
Điện trở kim loại nhiệt độ thấp tượng siêu dẫn
Đối với số kim loại làm lạnh đến nhiệt độ thấp thấy xuất tượng đặc biệt : điện trở kim loại hoàn toàn biến Hiện tượng gọi tượng siêu dẫn Hiện tượng siêu dẫn trạng thái vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn, cho phép dòng điện chạy
ρ
(5)qua trạng thái khơng có điện trở đặt chất siêu dẫn từ trường từ trường cịn bị đẩy khỏi
Đặc trưng chất siêu dẫn khả tải dịng điện chiều khơng có hao phí lượng đẩy từ trường khỏi chất siêu dẫn chất siêu dẫn đặt từ trường
Theo lý thuyết BCS (John Bardeen, Leon Cooper, Robert Schriffer) kết luận rằng: Trong chất siêu dẫn có cặp điện tử (gọi cặp Cooper) Các cặp Cooper truyền chất siêu dẫn mà khơng có va chạm hệ qủa khơng có điện trở Lý thuyết giải thích thỏa mãn cho vật liệu trở thành siêu dẫn nhiệt độ thấp 24K (siêu dẫn cổ điển)
Từ năm 1986 nhiều chất siêu dẫn phát hiện, hầu hết chất có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn nằm vùng nhiệt độ cao nhiệt độ hóa lỏng Nitơ (77K) gọi chung siêu dẫn nhiệt độ cao Lý thuyết BCS không giải thích tính chất vật liệu Phải đời lý thuyết mở rộng lý thuyết BCS giải thích tính chất vật liệu siêu dẫn
(6)Khi nghiên cứu điện trở Hg phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ Kamerlingh Onnes quan sát điện trở Hg trạng thái
rắn (trước điểm nóng chảy cở 243K (-390C) là
39,7Ω) trạng thái lỏng 00C (273K) có giá trị là
172,7Ω, gần 4k có gía trị 8.10-2Ω T ~
3K có gía trị nhỏ 3.10-6Ω Như coi
ở nhiệt độ T < 4K, điện trở Hg biến ( xấp xĩ 0)
Nhiệt độ mà điện trở hồn tồn biến gọi nhiệt độ tới hạn nhiệt độ chuyển
pha siêu dẫn (TC) Có thể hiểu nhiệt độ
chuyển pha siêu dẫn nhiệt độ mà chất chuyển từ trạng thái bình thường sang trạng thái siêu dẫn
Khoảng nhiệt độ từ điện trở bắt đầu suy gỉảm đột ngột đến gọi độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ΔT) Độ rộng chuyển pha siêu dẫn(ΔT) phụ thuộc vào chất vật
liệu siêu dẫn
Hiện tượng nhiệt điện :
a.Hiện tượng :
(7)động mạch 0, mạch khơng có dịng điện Nhưng nhiệt độ đầu hai mối hàn chênh lệch suất điện động mạch khác khơng, mạch xuất dịng điện tượng nhiệt điện
Suất điện động gọi suất nhiệt điện động mạch gọi cặp nhiệt điện
ξ = C(T1 – T2) với T1> T2
T1; T2 : nhiệt độ hai kim loại C hệ số phụ
thuộc chất hai kim loại thay đổi theo nhiệt độ, cho biết độ lớn suất nhiệt điện
động nhiệt độ hai mối hàn chênh 10C
Thí dụ: cặp nhiệt điện đồng – contantin C = 41,8μV/độ
b Ứng dụng : Đo nhiệt độ
Dùng hai dây kim loại khác nhau, hàn hai đầu chúng mắc vào milivolt kế Trước tiên, lấy mẫu cho cách đặt
mối hàn lạnh nhiệt độ T0 cố
định thường nước đá
tan 00C , đặt mối hàn nóng
vào nơi có nhiệt độ biết trước giá trị nhiệt độ bên cạnh giá trị suất điện động tương
m V
T0
T
(8)ứng theo số kim milivolt kế Sau chia thang độ milivolt kế nhiệt độ Khi muốn đo nhiệt độ T nơi đó, đặt mối hàn nóng vào đó, đặt mối hàn lạnh nhiệt độ lấy mẫu nước đá tan đọc nhiệt độ cần biết milivolt kế
Ưu điểm bật cặp nhiệt điện so với nhiệt kế đo khoảng nhiệt độ rộng từ vài độ đến 1000 độ Nó cịn cho phép đo nhiệt độ điểm vật, việc đo nhanh chóng qn tính nhiệt cặp nhiệt điện nhỏ
(9)DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN
Thuyết điện li (Thuyết Arrhénius) : Trong dung dịch, hợp chất hóa học acide, baze muối bị phân li (một phần toàn bộ) thành nguyên tử nhóm nguyên tử bị tích điện gọi ion ; ion chuyển động tự dung dịch trở thành hạt tải điện
HnA = nH+ + A E
cathode(-) anode(+)
M(0H)n = Mn+ + n(0H)
E
cathode(+) anode(+)
MA = M+ + A
E
cathode(-) anode(+)
+
Các ion dung dịch chuyển động hổn độn
Acide
HnA
+ + + -+ + + - -+ + - +
Dung dịch Acide
+ + Baze M(0H)n
Dung dịch Baze
MA
(10)Các ion dương chuyển động chiều phía cathode gọi cation, cathode ion dương nhận electron trở thành nguyên tử trung hòa
Các ion âm chuyển động ngược chiều điện trường phía anode gọi anion , anode ion âm nhường electron trở thành nguyên tử trung hòa
Chất điện phân dung dịch chất nóng chảy
Giải thích tương điện li :
Xét dung dịch Muối Hiện tượng điện li dung dịch muối xãy hai nguyên nhân : chuyển động nhiệt hổn độn phân tử, nguyên tử tương tác phân tử có cực (do
liên kết ion khác dấu mạng tinh thể Na+
và Cl- ) chất hòa tan với phân tử tự phân
cực dung mơi (H2O)
Q trình phân li xãy sau: Các phân tử
H2O cấu trúc chúng mà ion O= hai ion H+
phân bố loại phía có tâm khơng trùng
nhau, phân tử H2O có cấu tạo lưỡng
H+ H
+
Mơ hình phân tử NaCl nước
O= Na+ Cl- O
=
H+ H
(11)cực điện Khi hòa tan NaCl nước, lưỡng cực điện phân tử nước tạo quanh
điện trường, làm cho ion Na+ Cl- trước liên
kết chặt, bị yếu (Trường hợp yếu ε = 81 lần)
Với liên kết yếu vậy, phân tử NaCl tham gia chuyển động nhiệt chúng dễ dàng bi
tách thành ion Na+ Cl- riêng rẽ tạo thành
quá trình điện li
Cùng với trình điện li, có q trình ngược lại, q trình tái hợp ion trái dấu chất hòa tan bị phân li, chuyển động nhiệt lực tương tác tĩnh điện chúng lại gần nhau, va chạm với tạo thành phân tử trung hòa
Hai qúa trình xãy ngược nhau, đồng thời, sau khoảng thời gian xãy cân động
Bản chất dòng điện chất điện phân.: Dòng điện lòng chất điện phân dòng ion dương ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược
(12)của chuyển động có hướng chúng nhỏ Mơi trường dung dịch lại trật tự nên cản trở mạnh chuyển động ion Vì chất điện phân khơng dẫn điện tốt kim loại
Dòng điện chất điện phân khơng tải điện lượng mà cịn tải vật chất (theo nghĩa hẹp)đi theo Tới điện cực có electron tiếp, cịn lượng vật chất đọng lại điện cực, gây tượng điện phân Tùy chất hóa học chất làm điện cực, mà q trình trao đổi điện tích ion điện cực kèm theo phản ứng hóa học phụ
Các tượng diễn điện cực Hiện tượng dương cực tan
Hiện tượng dương cực tan (Có phản ứng phụ)
Là tượng xãy với dung dịch muối kim loại cực dương kim loại dung dịch muối
Xét dung dịch CuSO4 với
cực dương Cu.Khi có
dòng điện chạy qua : Cu2+ -> cathode , nhận e- từ
nguồn điện chạy tới Cu2+ + 2e- -> Cu bám vào
cathode
A N
Điện phân dung dịch CuSO4 với
(13)Ở anode, e- bị kéo cực dương nguồn
điện, kết hợp với Cu thành Cu2+ bề mặt tiếp
xúc với dung dịch Cu -> Cu2+ + 2e-.
Khi anion (SO4)2- chạy anode, kéo theo
cation Cu2+ vào dung dịch , nên đồng anode sẽ
tan dần dung dịch Đó tượng dương cực tan
Các tượng diễn anode cathode bình điện phân phản ứng cân xãy theo hai chiều ngược :
Cu2+ + 2e- Cu.
Nếu phản ứng xãy theo chiều thu lượng, phản ứng xãy theo chiều ngược lại tỏa lượng, nên tổng cộng lại điện không bị tiêu hao q trình phân tích chất mà bị tiêu hao tỏa nhiệt Bình điện phân điện trở
Một số điện phân có phản ứng phụ
-Điện phân dung dịch H2SO4 với điện cực
Pt
Anode : oxi bay
Cathode : hydro bay thể hydro gấp đơi thể
tích oxi Chỉ có H2O bị phân tích thành hydro
oxi
(14)Anode : oxi bay
Cathode:hydro bay thể hydro gấp đơi thể
tích oxi Chỉ có H2O bị phân tích thành hydro
oxi
Năng lượng W dùng để thực việc phân tách lấy từ lượng dòng điện, nên tỉ lệ với
điện lượng tải qua bình điện phân => W = εpIt,
trong εp suất phản điện bình điện phân
Giá trị εp phụ thuộc vào chất điện cực
và chất điện phân có đơn vị volt Trong
trường hợp bình điện phân dương cực tan εp =
Các định luật Faraday
Định luật Faraday thứ :
Khối lượng chất giải phóng điện cực bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình m = kq (1)
k gọi đương lượng điện hóa chất giải phóng điện cực
Định luật Faraday thứ hai :
Đương lượng điện hóa k nguyên tố tỉ
lệ với đương lượng gam An nguyên tố hệ
số tỉ lệ F1 (F số Faraday)
k =
1 A
(15)
Thí nghiệm cho biết , I tính ampère, t tính nằng giây => F = 96494 C/mol ≈ 96500 C/mol
(1) , (2) => m =
1 A
F n It
m lượng chất giải phóng điện cực, tính gam
Ứng dụng tượng điện phân
Luyện nhôm
Người ta điều chế nhôm nguyên chất cách điện phân muối nóng chảy Chất điện phân hổn hợp muối nóng chảy
gồm aluminAl2O3 crlit Na2AlF6 cịn điện
cực than
Mạ điện
DỊNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ
Chất khí mơi trường cách điện
Chất khí khơng dẫn điện phân tử khí trạng thái trung hịa điện, chất khí khơng có hạt tải điện
(16)Chất khí trở thành dẫn điện
chất khí có phần tử tải điện (e-, ion(-),
ion(+)) tức chất khí bị ion hóa
Sự ion hóa chất khí
Đó qúa trình electron tách khỏi ngun tử trung hịa làm cho nguyên tử trở thành ion (+) Nhớ có khả ngun tử trung hịa nhận
thêm e- để trở thành ion (-), trình này
khơng gọi ion hóa
Năng lượng ion hóa
Để tách e- khỏi nguyên tử, ta cần phải cung
cấp cho e- lượng đó, để thắng được
năng lượng liên kết e- lớp võ với hạt
nhân nguyên tử (proton, neutron) Năng lượng gọi lượng ion hóa, phụ thuộc vào :
+Bản chất hoá học phân tử, nguyên tử
cấu tạo nên chất khí (O2, N2 )
+Trạng thái lượng e- nguyên tử
(nguyên tử lớp s,p,d,f)
+
+ ++
e
e
e
===>
(17)Thí dụ : Năng lượng ion hóa He 24,5eV, Ne 21,5eV
Điện ion hóa
Đó hiệu điện cần thiết để gia tốc e- trong
điện trường để lượng lượng
ion hóa i i
A =
e
Tác nhân ion hóa
Sự ion hóa xãy có nguồn kích thích ion hóa gọi tác nhân ion hóa từ
bên ngồi (đốt nóng, tia X, phóng xạ, chùm e- hay
ion khác) e- hay ion xuất khi
khi bị ion hóa tác dụng vào nguyên tử, phân tử trung hòa khác : ion hóa va chạm
Cường độ ion hóa
Cường độ ion hóa số cặp điện tích trái dấu xuất đơn vị thể tích, đơn
vị thời gian ΔN0
Nếu chất khí, nồng độ điện tích trái dấu
là n0, đơn vị thể tích, số phân tở trung
hịa tạo thành sẻ tỉ lệ với n02, ta có :
ΔN0 = β n02 ; β : hệ số tái hợp, đo m3/s
Thí dụ : với khơng khí β = 1,67.10-15m3/s.
(18)ΔN0 = β n02 => n0 =
0
ΔN β
Như vậy, ta thấy trình tái hợp, tác nhân ion hóa ngừng, chất khí khơng cịn ion
Chuyển động ion chất khí tác dụng điện trường
Nếu đặt chất khí bị ion hóa vào điện trường ngồi, tùy theo dấu ion, mà chúng chuyển động theo ngược chiều điện
trường với vận tốc v± đó.v± tỉ lệ với cường
độ điện trường E
v± = b±E ; b± : hệ số tỉ lệ gọi lả độ linh
động ion (+), (-)
E = 1V/m => v± = b± : độ linh động vận tốc
chuyển động ion E = 1V/m Độ linh động tỉ lệ nghịch với áp suất chất khí b =
1
p Thật
vậy p nhỏ số phân tử đơn vị thể tích ít, số lần va chạm đơn vị thời gian ít, cản trở chuyển động ion ít, tức dộ linh động tăng lên
(19)Giả sử có hai kim loại đặt song song với khơng khí Thí nghiệm chứng tỏ nối chúng với hai cực nguồn điện chiều mạch khơng có dịng điện Ngun nhân điều kiện bình thường khơng khí chất khí khác khơng có có hạt tải điện
Nhưng dùng lửa đốt nóng khối khí hai kim loại mạch xuất dịng điện có tia lửa điện phóng qua chất khí trở nên dẫn điện Thay lữa, cách rọi vào khối khí chùm tia tử ngoại hay chùm tia X có kết tương tự Điều chứng tỏ kích thích, phân khí bị ion hóa, bị tách thành ion dương electron tự electron tự lại kết hợp với phân tử trung hịa để trở thành ion âm Do tác dụng điện trường (do nguồn điện sinh ra), ion dương chuyển động theo chiều điện trường, electron tự ion âm chuyển động ngược chiều điện trường, tạo thành dòng điện chất khí
Bản chất dịng điện chất khí
(20)các ion âm, electron ngược chiều điện trường Các hạt tải điện nảy chất khí bị ion hóa sinh
Q trình dẫn điện khơng tự lực chất khí
Là q trình tồn đưa hạt tải điện vào khối khí biến ngừng đưa hạt tải điện vào
Xét chi tiết trình :
+ áp suất khí p lớn xấp xỉ áp
suất khí p0, electron xuất tác
nhân ion hóa nhanh chóng tương tác với nguyên tử, phân tử trung hòa, tạo thành ion dẫn điện lúc dẫn điện ion (dương âm)
+ Khi áp suất khí p << p0, electron xuất
hiện tác nhân ion hóa, áp suất nên va chạm với nguyên tử, phân tử trung hòa, nên tồn dạng electron tự Sự dẫn điện chất kmí lúc dẫn điện tự
+Khi áp suất p ≈ p0
Bố trí thí nghiệm
A
I
c a b
U V
(21)Một ống A chứa khí cần xét phóng điện có hai điện cực 1,2 hai điện cực nối với nguồn điện , hiệu điện hai điện cực đo volt kế thay đổi bắng biến trở R
Khi có tác nhân ion hóa chất khí cị dịng điện, cường độ dịng điên I thay đổi theo hiệu điện U vẽ giản đồ IU (đường đặc trưng volt-ampère)
Giải thích đồ thị
* Đoạn Oa : Khi hiệu điện nhỏ , mật độ dịng điện chất khí
+ -
j = v n q + v n q
:
n0 : nồng độ cặp phần tử tải điện trái dấu
q : điện tích phần tử tải điện
v± : vận tốc phần tử tải điện (+) (-)
=> j=qn (b +b )E0 +
-
; với E =
U
d ; d là
(22)Như vậy, E tăng, tức U tăng, dòng điện I tăng tuyến tính theo U
* Đoạn ab : Hiệu điện U đủ lớn Khi điện trường đủ mạnh cho đơn vị thời gian ion tạo nên tác nhân ion hóa đến điện cực hết, dù có tăng hiệu điện thế, dịng điện khơng tăng => dòng điện bảo hòa Cường độ dòng điện phụ thuộc vào cường độ ion hóa
* Đoạn bc : Hiệu điện U lớn Khi điện trường tăng mạnh, ứng với hiệu điện vượt
gía trị U0 đó, dịng điện tăng đột ngột :
q trình ion hóa va chạm Các electron thu lượng đủ lớn chuyển động điện trường, mà động electron lớn lượng ion hóa Cứ “va chạm” lại tạo thêm electron electron lại ion hóa ngun tử trung hịa khác Quá trình tạo thành
thác electron (Hiện tượng nhân số hạt tải điện
trong chất trình dẫn điện khơng tự lực) Để đơn giản , xét trường hợp điện cực phẳng electron tác nhân ion hóa tạo nên
cathode anode
e
e- e
e
e- e
e
(23)từ cathode Gọi α số electron trung bình tạo qua quãng đường đơn vị chiều dài electron tạo ra, gọi hệ số ion hóa thể tích phụ thuộc vào E áp suất p
n : số electron bay vào lớp có chiều dày nằm x x +dx số electron tạo lớp : dn = n.α.dx =>
dn
n = α.dx => n = ceαx , với
c số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu
Tại cathode, x = 0, n = N0 : số electron bay
từ cathode tác nhân ion hóa bên ban đầu
Vậy : c = N0 => n = N0eαx
Nếu khoảng cách cathode anode d,
khi số electron tới anode : nA = N0ecd
Kết luận : Như ba giai đoạn đồ thị
IU (Oabc) ngừng tác nhân ion hóa (N0) => n0 ~
0
N
β = => j
= nA = 0, nghĩa dòng điện
(24)Q trình dẫn điện tự lực chất khí điều kiện để tạo trình dẫn điện tự lực
Q trình dẫn điện chất khí tự trì, khơng cần đưa liên tục hạt tải điện vào, gọi q trình dẫn điện (phóng điện) tự lực
Muốn có q trình dẫn điện tự lực hệ gồm chất khí điện cực phải tự tạo hạt tải điện để bù lại hạt tải điện tới điện cực biến Số hạt tải điện sinh ban đầu khơng nhiều nhờ q trình nhân số hạt tải điện nói mà mật độ tải điện tăng mạnh, khiến cho mơi trường dẫn điện tốt
Có bốn cách để dịng điện tạo hạt tải điện chất khí :
1 Dịng điện chạy qua chất khí làm nhiệt độ chất khí tăng cao, khiến phân tử khí bị phân hóa
2 Điện trường chất khí lớn, khiến phân tử khí bị phân hóa nhiệt độ thấp
3 Cathode bị dịng điện nung nóng đỏ, làm cho có khả phát electron Hiện tượng gọi tượng phát xạ nhiệt điện tử
(25)Tùy chế sinh hạt tải điện chất khí mà thực tế có dạng phóng điện tự lực khác
Hai dạng phóng điện tự lực thường gặp tia lửa điện hồ quang điện
Tia lửa điện điều kiện để tạo tia lửa điện
1 Định nghĩa :
Tia lửa điện q trình phóng điện tự lực chất khí đặt hai điện cực điện trường đủ mạnh để biến phân tử khí trung hịa thành ion dương electron tự
2 Điều kiện để tạo tia lửa điện :
Trong không khí tia lửa điện hình thành điện trường đặt vào đạt gía trị ngưỡng vào khoảng
3.106V/m
Hiện tượng phóng tia lửa điện xãy áp suất thường, có cường độ điện trường lớn
(26)Thí dụ : Sét phóng tia lửa điện, đường kính kênh dẫn điện 10cm đến 25cm, chiều dài hàng km, cường độ dòng điện đạt tới hàng trăm ngàn ampère
3 Ứng dụng :
Tia lửa điện dùng phổ biến động nổ để đốt hổn hợp nổ (là xăng lẫn khơng khí) xylanh phận để tạo tia lửa điện bugi (đó hai điện cực đặt cách vào cở milimét khối sứ cách điện)
Sự phóng điện phát sáng
Trong điều kiện phóng điện tự lực xãy ra, ống thủy tinh có chiều dài khoảng 0,5m chứa khí áp suất thấp (từ 0,1mmHg đến 0,01mmHg), ống xuất miền sáng miền tối xen kẽ tượng phóng điện phát sáng ánh sáng phát trình tái hợp : electron tái hợp với ion dương, để trở thành phân tử trung hòa, luợng giải phóng dạng photon ánh sáng Đây ngun tắc hoạt động đèn ống
(27)tối thay đổi liên tục ta khơng phân biệt vùng tượng lưu ảnh mắt
Hồ quang điện điều kiện tạo hồ quang điện
Định nghĩa : Hồ quang điện q trình phóng điện tự lực xãy chất khí áp suất thường áp suất thấp đặt hai điện cực có hiệu điện khơng lớn
Hồ quang điện kèm theo tỏa nhiệt tỏa sáng mạnh
Điều kiện tạo hồ quang điện ;
Trong ống phóng điện phát sáng, ta giảm điện trở mạch ngồi để mật độ dịng điện qua chất khí tăng lên công suất tiêu thụ ống tăng theo phóng điện phát sáng trở thành dạng phóng điện tự lực khác gọi phóng điện hồ quang
Đặc điểm phóng điện hồ quang cường độ dịng điện lớn (có thể tới vài trăm ngàn
ampère mm2) hiệu điện giữa
(28)và phát electron tự động tác dụng điện trường mạnh lên cực âm
Phóng điện hồ quang sinh áp suất thấp, áp suất thông thường áp suất cao Để có phóng điện hồ quang áp suất thường, ta dùng hai thỏi than, đặt hai đầu giáp nối hai đầu lại với nguồn điện chiều khoảng vài chục volt Khi tách hai đầu than chút, ta hồ quang điện Mật độ dòng hồ
quang điện khoảng 470A/cm2 = 4,7.10+6A/m2
Càng hoạt động lâu, thỏi than cực âm bị mòn nhọn ra, thỏi than cực dương lõm vào bị electron bắn phá
Ứng dụng :
(29)
DÒNG ĐIỆN TRONG CHÂN KHƠNG
Cách tạo dịng điện chân khơng
Bản chất dịng điện chân khơng :
Dịng điện chân khơng dịng chuyển dời có hướng electron đưa vào khoảng chân khơng
Thí nghiệm : R F
+ IA
ξF - IA(mA)
F’
(30)
+Một đèn chân khơng Đ , cấu tạo bóng thủy tinh hút chân khơng có cathode K (dây vônfram FF’) anode cực kim loại A Cathode K đốt nóng dịng
điện (mạch điện gồm pin ξF biến trở R)
+Volt kế đo UAK
+Anode nối với nguồn điện bíên đổi điện kế G
+Đốt nóng cathode, electron phát xạ nhiệt chuyển có hướng từ cathode sang anode, tạo
dòng điện IA ngược chiều chuyển động
electron
+Qua đồ thị biểu diễn IA theo UAK, ta thấy :
G
(31)+Khi dây tóc FF’ khơng đốt nóng,
IA= 0, chân khơng khơng dẫn điện (h.a)
+Khi dây tóc nóng đỏ , UAK < => IA
không đáng kể ; UAK > IA tăng nhanh theo
UAK đạt đến giá trị bão hòa (h.b)
+Khi dây tóc nóng hơn, (h.c) giống dạng (h.b), giá trị dòng bảo hòa lớn
Tóm lại : Dịng IA phụ thuộc hai yếu tố :
+ Ảnh hưởng UAK :
Với nhiệt độ định cathothe,
thay đổi gía trị UAK, kết
UAK < : IA =
UAK > dương tăng dần, IA
tăng
UAK = Um, I= Ibh : tất electron
phát xạ nhiệt từ cathode bị hút hết phía anode, nên dịng điện khơng tăng nữa, có dòng bảo hòa
+Ảnh hưởng nhiệt độ cathode :
Dùng biến trở R để thay đổi cường độ dòng điện qua dây FF’ thay đổi nhiệt độ dây đốt này, ta thấy : Cường độ dòng điện bảo hòa
tăng theo nhiệt độ cathode
II Tia cathode :
(32)Rút dần khí ống thủy tinh để có ống chân khơng, nguồn điện có hiệu điện khoảng vài ngàn volt
+Khi áp suất cịn lớn : Khơng thấy q trình phóng điện
+Khi áp suất đủ nhỏ : ống có phóng điện tự trì (h.a) , có cột khí phát sáng kéo dài từ anode đến gần cathode, gần cathode có khoảng tối (khoảng tối cathode)
+Giảm áp suất, khoảng tối cathode mở rộng => chiếm tồn ống nên khơng cịn thấy ống phát sáng Q trình phóng điện trì phía đối diện cathode, thành ống thủy tinh phát ánh sáng màu vàng lục (h.b) tia từ cathode làm huỳnh quang thủy tinh gọi tia cathode hay tia âm cực
+Tiếp tục rút khí => trình phóng điện biến
Rút khí
cột sáng anode (nitro)
Khoảng tối cathode
- + (a) - + (b)
Phóng điện trì qua khí :
(a) Ở áp suất thấp : cột sáng anode, khoảng tối cathode
(b) Ở áp suất thấp, ống có tia cathode làm huỳnh quang ống thủy tinh
A K
(33)Tính chất tia cathode :
+Tia cathode phát theo phương vuông góc với bề mặt cathode Gặp vật cản , tia cathode bị chận lại làm vật cản tích điện âm
+Tia cathode mang lượng lớn: làm đen phim ảnh, làm huỳnh quang số tinh thể, làm kim loại phát tia X, làm nóng vật bị rọi vào tác dụng lực lên vật
+Từ trường làm tia cathode lệch theo hướng vng góc với phương lan truyền phương từ trường, điện trường làm tia cathode lệch theo chiều ngược với chiều điện trường
Bản chất tia cathode :
Tia cathode thực chất dòng electron bay tự ống nghiệm
Ứng dụng :
Súng electron
DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN
Chất bán tính chất
+ ρkl < ρbd < ρđm Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất
của chất siêu tinh khiết lớn (có tính cách điện điện mơi) Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm
ρ
bán dẫn tinh khiết
kim loại
T
(34)nhanh, hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm (bán dẫn trở nên dẫn điện) (sự dẫn điện bán dẫn) ngược với phụ thuộc điện trở suất kim loại vào nhiệt độ
+Khi pha thêm tạp chất vào dẫn ρbd
giảm, tỉ lệ pha tạp chất cao ρbd giảm
(sự dẫn điện tạp chất)
+ρbd giảm đáng kể chất bán dẫn bị
chiếu sáng bị tác dụng tác nhân ion hóa khác
Hạt tải điện chất bán dẫn loại n bán dẫn loại p
Bán dẫn loại n bán dẫn loại p
+Bán dẫn tinh khiết : bán dẫn chưa pha tạp chất chất bán dẫn đơn chất Si, Ge, C hợp chất GaAs, InP nguyên tố bán dẫn nói cách chung nằm nhóm III, IV, V bảng phân loại tuần hoàn Những chất bán dẫn đơn chất thường dùng nhóm IVnhư C, Si, Ge, Ti
S i S
i
S i S
i
e
Tinh thể Silic nhiệt độ thấp, khơng có hạt mang điện tự do
(35)Trong hai bán dẫn dùng nhiều kỷ thuật Si Ge Lớp điện tử nguyên tử có điện tử
Xét cấu trúc nguyên tử Si Các nguyên tử liên kết cộng hóa trị với Một nguyên tử Si liên kết với bốn nguyên tử Si xung quanh tạo thành mạng tinh thể hình vẽ (Ở nhiệt độ thấp, gần K, electron hóa trị gắn bó chặt chẻ với nguyên tử nút mạng => tinh thể khơng có hạt tải điện tự do, bán dẫn Silic không dẫn điện)
Ở nhiệt độ tương đối cao, nhờ dao động nhiệt nguyên tử, số electron hóa trị thu thêm lượng giải phóng khỏi liên kết, trở thành electron tự do, tham gia vào dẫn điện giống electron dẫn kim loại nên gọi electron dẫn
Đồng thời, electron bứt khỏi liên kết, xuất liên kết bị trống, gọi lỗ trống Lỗ trống mang điện tích nguyên tố dương, thiếu liên kết electron Một electron gần chuyển đến lắp đầy liên kết bị trống tạo thành lỗ
S i
S i S
i
S i
lổ trống
electron
(36)trống vị trí khác => lỗ trống dịch chuyển tinh thể
Vậy, nhiệt độ cao, có phát sinh cặp electron-lỗ trống
Xãy trình tái hợp electron-lỗ trống đồng thời, electron tự chiếm mối liên kết bị trống trở thành electron liên kết Quá trình làm đồng thời electron tự lỗ trống (một cặp electron-lỗ trống) Ở nhiệt độ xác định, có cân trình phát sinh trình tái hợp
Khi có điện trường đặt vào, electron chuyển động ngược chiều điện trường, lỗ trống chuyển động chiều điện trường, gây nên dòng điện bán dẫn
Vậy : dòng điện bán dẫn dòng chuyển
dời có hướng electron lỗ trống
Ở bán dẫn tinh khiết, số electron số lỗ trống (mật độ electron = mật độ lỗ trống) Sự dẫn điện bán dẫn trường hợp dẫn điện riêng bán dẫn (Bán dẫn loại i)
(37)Hiện tượng quang dẫn => quang điện trở bán dẫn
Sự dẫn điện bán dẫn có tạp chất
Khi pha lượng với tỉ lệ vài phần triệu vào bán dẫn tinh khiết độ dẫn điện bán dẫn tăng lên nhiều dẫn điện riêng,cịn có dẫn điện tạp chất
Bán dẫn loại n
Pha nguyên tố P vào bán dẫn Si Ngun tự P có năm electron lớp ngồi, bốn electron tham gia liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử Si xung quanh, electron lại liên kết yếu với nguyên tử P => nhiệt độ thấp liên kết với nguyên tử P nà trở thành electron tự Nguyên tử P trở thành ion dương nằm nút mạng => pha nguyên tử P vào bán dẫn Si số electron dẫn nhiều số lỗ trống Electron coi hạt mang điện (đa số), lỗ trống coi hạt mang điện không (thiểu số) ban dẫn gọi bán dẫn electron (bán dẫn loại n)
P S i S i S i +
Nguyên tử P
electron Bán dẫn loại n
Nguyên tử P
electron Bán dẫn loại n
P+
Nguyên tử P
electron Bán dẫn loại n
(38)Bán dẫn loại p
Nếu tạp chất ngun tố B cịn thiếu electron để tạo thành liên kết nguyên tử B với bốn nguyên tữ Si lân cận Một electron liên kết gần chuyển đến lắp đầy liên kết tạo thành lỗ trống Còn nguyên tử B trở thành ion âm nằm nút mạng
Tạp chất B pha vào bán dẫn Si tạo thêm lỗ trống, làm cho số lỗ trống nhiều số electron dẫn, tức mật độ lỗ trống nhiều mật độ electron Lỗ trống hạt mang điện (đa số), electron hạt mang điện không (thiểu số) Đây bán dẫn lỗ trống (bán dẫn loại p)
Nếu pha hai tạp chất P B vào bán dẫn Si bán dẫn loại n loại p tùy theo tỉ lệ hai lượng tạp chất pha vào
Lớp chuyển tiếp p-n
Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n
Lớp chuyển tiếp p-n chổ tiếp xúc miền mang tính dẫn p miền mang tính dẫn n tạo tinh thể bán dẫn
B
-S i
S i S
i
+
Nguyên tử B
(39)Khi có tiếp xúc, lỗ trống electron khuếch tán từ miền p sang miền n ngược lại Tuy nhiên, bán dẫn p , lỗ trống hạt tải điện đa số => dòng khuếch tán từ bán dẫn p sang bán dẫn n dòng lỗ trống Lỗ trống từ p sang n tái hợp với electron tự Do phía bán dẫn n gần mặt phân cách hai mẫu bán dẫn, khơng cịn hạt tải điện tự Ở có ion tạp chất mang điện dương Tương tự từ phía n sang phía p, dịng khuếch tán chủ yếu electron Phía p, gần mặt phân cách hai miền, có ion tạp chất mang điện âm (sự khuếch tán hạt dẫn đa số làm xuất
dòng điện khuếch tán Ikt từ p đến n) Kết
sự khuếch tán , chỗ tiếp xúc hai miền bán dẫn xuất vùng điện tích khơng gian ion tạp chất tạo ra, bên n mang điện tích dương , cịn bên p mang điện tích âm Như , chổ tiếp xúc
xuất điện trường E tx
hướng từ n sang p, gọi điện trường tiếp xúc
Điện trường tiếp xúc đẩy lổ trống từ n trở lại p đẩy điện tử từ n trở lại p cản trở khuếch tán
tạo dịng điện trơi Itr từ
n sang p (dòng hạt
Etx
Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n
nP
(40)-thiểu số) Sự khuếch tán chấm dứt hệ đạt trạng
thái cân động (Ikt = Itr) Lúc này, vùng điện
tích khơng chỗ tiếp xúc ổn định mật độ hạt dẫn đa số thấp vùng khác nên gọi lớp nghèo hay lớp ngăn p-n có điện trở lớn nhiều lần so với vùng cịn lại
Lớp chuyển tiếp p-n có điện trường
Trạng thái cân động lớp tiếp xúc bị phá vỡ đặt vào lớp điện trường tương ứng hiệu điện ngoài) nối p n với cực trái dấu nguồn điện
Phân cực thuận : Khi nối p với cực dương, n với cực âm nguồn điện
Hiệu điện phân cực thuận tạo điện
trường ngòai Eng
ngược chiều với điện trường Etx
vàkhử Etx
làm tăng dòng khuếch tán hạt dẫn đa số Hiện tượng gọi phun hạt đa số
qua lớp tiếp xúc p-n (lỗ trống từ p đến n, e- từ
n đến p) Khi Ikt tăng lên , cịn Itr thay đổi
khơng đáng kể mật độ hạt thiểu số nhỏ , ta có
dịng điện tổng Ith = Ikt – Itr, chạy theo chiều từ p-n
gọi dòng điện thuận Do mật độ hạt dẫn đa số lớn nên hiệu điện phân cực thuận
tăng => Ikt lớn => Ith lớn Điện trở lớp
+ -+
-+ -+ +
-pn
Etx
(41)-chuyển tiếp lúc
này nhỏ gọi điện trở thuận Rth Bề rộng lớp
nghèo giảm
Phân cực ngược : Khi nối p với cực âm, nối n với cực dương Điện trường ngòai chiều với điện trường tiếp xúc Nên tạo thêm phần cản trở hạt dẫn đa số vượt qua lớp chuyển tiếp Khi
Ikt giảm dần đến 0, Itr tăng chút nhanh chóng
đạt giá trị bảo hịa nhỏ (vì mật độ hạt bảo hòa
rất nhỏ) Dòng điện tổng Ing = Ikt – Itr < Ing
nhỏ, gọi dòng điện ngược Điện trở lớp chuyển
tiếp Rng lớn, gọi điện trở ngược (Rng
>> Rth) Bề rộng lớp nghèo tăng lên, Ing nhỏ Ith
hàng vạn lần
Như lớp chuyển tiếp p-n giống van đóng mở, cho dịng điện chạy theo chiều từ p sang n khơng cho dịng điện chạy ngược lại Khi
Eng
A+
Ith
Itr
Ikt
Phân cự thuận
p n
A+
Ký hiệu Diode bán dẫn
I(mA)
Udt U1
UAK(V)
(42)đó cho lớp chuyển tiếp có tính chỉnh lưu (hiệu ứng Diode) Dựa vào tính chất chỉnh lưu lớp chuyển tiếp p-n người ta chế tạo dụng cụ bán dẫn gọi diode bán dẫn
Khi phân cực ngược lớp, lớp chuyển tiếp p-n
giống chất điện Nếu UAK > U
đt (hiệu điện
đánh thủng) lớp chuyển tiếp bị phá hủy (giống
như tượng đánh thủng điện môi), Ing tăng đột
ngột , tính chất van lớp chuyển tiếp p-n khơng cịn Dựa vào tượng đánh thủng người ta chế tạo diode ổn định (Diode Zerner)
Hiệu ứng Transistor (Transer- Resistor :Điện trở truyền đạt)
Cấu tạo :
Miền Base Miền Base
Cực Cực Cực Cực
phát góp phát góp
Miền Emitter Miền Collector Miền Emitter Miền Collector
Cực gốc Cực gốc
C C
P n
B B
p n
E E
(43)Transistor linh kiện bán dẫn gồm ba miền bán dẫn khác lọai ghép xen kẽ với tạo thành hai lớp chuyển tiếp n Có hai cấu trúc p-n-p p-n-p-n Transistor xét transistor lưỡng cực BJT (Bipolar Junction Transistor), thành phần dòng điện transistor gồm lổ
trống e-.
Miền Emitter (miền phát) có mật độ tạp chất lớn (mật độ hạt dẫn lớn nhất) Điện cực nối đến gọi cực phát E
Miền Base (miền gốc, miền đáy) có mật độ tạp chất thấp có độ dày nhỏ cỡ vài µm nối với điện cực gọi cực gốc B
Miền Colletor (miền góp) có mật độ tạp chất trung bình điện cực tương ứng gọi cực góp C
Nguyên tắc họat động :
Để cụ thể ta xét transistor p-n-p làm việc chế độ khuếch đại (với n-p-n hoàn toàn tương tự)
E C E C
IE B IE B
UBE UCE UBE UCE
EB RB IB EB RB IB
+ IC + IC
EC RC EC RC
+ +
p
n n
(44)+Khi UBE = , UCE = , khơng có dịng điện qua
các cực transistor
+Khi đặt hiệu điện phân cực vào UBE lỗ trống
E dễ dàng khuếch tán sang Base Miền Base mõng, mật độ phần tử tải điện E lớn nhiều mật độ phần tử tải điện B nên hầu hết lỗ trống từ p vượt qua lớp chuyển tiếp EB sang Base tiếp sang miền p thứ hai tạo nên dòng Collector
Một lỗ trống tái hợp với e- Base tạo nên dòng
điện base Như :
IE = IC + IB ; IB << IC,IE
Dịng IC phụ thuộc vào hiệu điện UBE UCE
IC = f(UBE,UCE)
Người ta đưa thông số :
C C
E B
I I
α β
I I
β : hệ số khuếch đại dịng , nói lên dịng IC lớn
hơn dòng IB lần (vài chục vài
trăm); α : hệ số truyền đạt dòng điện
(45)C E
I β
α
I 1β
Khi dùng transistor cần quan tâm đến thông số
UCE max, IC max,UBE max Các giá trị UBE, UCE, IC
không vượt giá trị cực đại