Phan tich chuong Dong dien trong cac moi truong

Sự tăng dòng điện trong đoạn bc là do các electron do tác nhân ion hoá tạo ra được gia tốc mạnh dưới tác dụng của điện trường khá lớn trên suốt quãng đường tự do trung bình, nên đã tích[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ

-TIỂU LUẬN HỌC PHẦN

NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THƠNG 1 Đề tài:

Nghiên cứu chương trình chương Dịng điện trong môi trường

Giảng viên hướng dẫn:

Học viên thực hiện:

PGS.TS Lê Công Triêm Quách Nguyễn Bảo Nguyên

Lớp: LL & PP dạy học Vật lí - K18

MỞ ĐẦU

Đổi phương pháp dạy học theo tinh thần phát huy tính tích cực, chủ động học sinh vấn đề cấp, ngành quan tâm Ngành giáo dục đào tạo hồn tất cơng việc biên soạn chương trình, nội dung sách giáo khoa nhằm mục đích nâng cao chất lượng giáo dục cho phù hợp với phát triển xã hội Vì để đáp ứng mục tiêu chung, người giáo viên phải tự bồi dưỡng phương pháp hình thức tổ chức dạy học Muốn làm điều đó, cần phải nghiên cứu kĩ cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức sách giáo khoa Do đó, việc nghiên cứu chương trình vật lí phổ thơng việc làm quan trọng, cần thiết giáo viên

“Dòng điện môi trường” phần quan trọng chương trình vật lí phổ thơng Phần trình bày tượng vĩ mơ liên quan đến dịng điện môi trường tượng tỏa nhiệt dây dẫn, tượng điện phân, tượng phóng điện chất khí ứng dụng tác hại tượng kĩ thuật thiên nhiên Phần đề cập đến chất dịng điện mơi trường: kim loại, chất điện phân, chất khí, chân khơng, chất bán dẫn Trong ý đến chất hạt tải điện phương thức chuyển dời có hướng chúng tạo thành dòng điện Đặc biệt cho thấy rõ phụ thuộc cường độ dòng điện môi trường vào hiệu điện cho biết áp dụng định luật Ơm

Tiểu luận giới hạn trình bày kiến thức phần “Dịng điện mơi trường” làm rõ nội dung kiến thức

NỘI DUNG

- Nêu tính chất điện kim loại

- Nêu điện trở suất kim loại tăng theo nhiệt độ - Mơ tả tượng nhiệt điện

- Nêu tượng siêu dẫn ứng dụng tượng - Nêu chất dòng điện chất điện phân

- Mô tả tượng dương cực tan

- Phát biểu định luật Fa-ra-đây điện phân viết hệ thức định luật

- Nêu số ứng dụng tượng điện phân - Nêu chất dịng điện chất khí - Mơ tả cách tạo tia lửa điện

- Mô tả cách tạo hồ quang điện, nêu đặc điểm ứng dụng hồ quang điện

- Nêu cách tạo dòng điện chân khơng, chất dịng điện chân khơng đặc điểm chiều dòng điện

- Nêu tia catơt

- Nêu nguyên tắc cấu tạo hoạt động ống phóng điện tử - Nêu đặc điểm tính dẫn điện chất bán dẫn

- Nêu chất dòng điện bán dẫn loại p loại n

- Mô tả cấu tạo tính chất chỉnh lưu lớp chuyển tiếp p – n

- Mô tả nguyên tắc cấu tạo công dụng điôt bán dẫn tranzito - Vẽ sơ đồ mạch chỉnh lưu dòng điện dùng điơt giải thích tác dụng chỉnh lưu mạch

Kĩ

- Vận dụng thuyết êlectron tự kim loại để giải thích kim loại chất dẫn điện tốt, dịng điện chạy qua dây dẫn kim loại gây tác dụng nhiệt điện trở suất kim loại tăng nhiệt độ tăng

- Vận dụng định luật Fa-ra-đây để giải tập tượng điện phân

- Giải thích tính chất chỉnh lưu lớp tiếp xúc p-n

 Khái niệm:

 Các khái niệm:

+ Tính dẫn điện chất khí

+ Sự phóng điện thành miền, phóng điện hình tia, phóng điện hồ quang + Chất bán dẫn

 Các tượng:

+ Hiện tượng điện chỗ tiếp xúc hai kim loại + Hiện tượng nhiệt điện

+ Hiện tượng siêu dẫn

+ Hiện tượng phát xạ nhiệt electron  Thuyết:

+ Thuyết electron

+ Thuyết electron cổ điển kim loại + Thuyết điện li

+ Thuyết vùng lượng vật rắn  Định luật:

+ Định luật Ôm chất điện phân + Định luật Faraday

 Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát đặc tuyến Vôn – Ampe môi

trường

 Một số ứng dụng dòng điện mơi trường [2],[3],[4],[6]

3 Phân tích nội dung kiến thức bản 3.1 Các khái niệm

3.1.1 Tính dẫn điện chất khí * Tính dẫn điện tự lực khơng tự lực chất khí

cũng kèm theo sự ion hóa chất khí sự tái hợp khơng ngừng phần tử tải điện khối khí mặt điện cực thành bình

Sự ion hóa xảy kết tác dụng bên ngồi khơng liên quan đến có mặt điện trường chất khí Trong trường hợp này, người ta nói đến tính dẫn điện khơng tự lực chất khí Để làm ion hóa chất khí, người ta dùng tác dụng bên ngồi nhiệt (ngọn lửa đèn cồn), xạ (tia Rownghen, tia tử ngoại…) nghĩa dùng tác nhân ion hóa

Cịn ion hóa xảy kết q trình bên chất khí tác dụng điện trường người ta nói tính dẫn điện tự lực chất khí.

* Sự ion hóa

Muốn ion hóa chất khí cần truyền cho phân tử khí lượng cần thiết để thực công chống lại lực tương tác electron bứt với phần lại phân tử (gồm hạt nhân electron lại) Năng lượng gọi năng lượng ion hóa Chẳng hạn, lượng ion hóa phân tử khí Nitơ 14,5eV

Ngồi ion hóa tác dụng tác nhân ion hóa, chất khí cịn có sự ion hóado va chạm electron (thu lượng lớn từ điện trường) với phân tử khí Sự va chạm va chạm không đàn hồi, electron truyền hầu hết lượng cho phân tử, làm cho phân tử chuyển động sang trạng thái kích thích bị ion hóa, nghĩa làm cho electron bứt hẳn khỏi phân tử Điều kiện để ion hóa phân tử là: động mà electron thu quãng đường tự trung bình phải lớn (hay bằng) lượng ion hóa

* Sự tái hợp ion

tử) cần phải cung cấp lượng cho (năng lượng ion hóa) ngược lại tái hợp ion dương với electron, lượng dư giải phóng, nói chung dạng ánh sáng

3.1.2 Sự phóng điện thành miền, phóng điện hình tia, phóng điện hồ quang

Sự phóng điện thành miền

Sự phóng điện thành miền cịn gọi phóng điện tách miền thường quan sát chất khí áp suất thấp Lấy ống thủy tinh dài 0,3 0,5 m có

đựng chất khí áp suất thấp, khoảng 0,1 0,01 mmHg Khi hiệu điện đặt vào hai cực

A K đạt giá trị điện “cháy” (khoảng vài trăm vơn) ảnh hưởng dòng điện qua ống, chất khí phát sáng ta phân biệt miền sáng chủ yếu hình Ngay catơt K có lớp sáng mỏng gọi lớp sáng catôt (thứ nhất) Sau lớp sáng miền tối gọi miền tối Crookes (2) (miền tối thứ nhất) Tiếp đến miền sáng (3), gọi miền sáng catôt, miền sáng cường độ sáng tập trung phía catơt K giảm dần phía anơt A Tiếp theo miền sáng catôt miền tối (4), gọi miền tối Faraday (miền tối thứ hai) Sau miền sáng (5) kéo dài tới anơt A, gọi cột sáng anơt (cịn gọi cột sáng dương cực) Trong nhiều trường hợp, cột sáng anôt có lớp vằn Trong phóng điện thành miền có hai miền quan trọng đặc biệt miền tối Crookes miền sáng catơt miền có xảy q trình để trì dịng điện

Nếu đưa anơt lại gần catơt tất miền gần âm cực khơng có thay đổi mà có cột sáng anôt ngắn lại mà Nếu tiếp tục làm ngắn khoảng lại,

4

K A

5

Hình 1:Sự phóng điện thành miền

K A

1

miền tối Faraday khơng cịn nữa, nhiên phóng điện tiếp tục thường Cho đến anôt tiến đến giới hạn miền sáng catôt miền tối Crookes phóng điện tắt

Sự phóng điện hình tia

Trong phóng điện thành miền ta thấy: với hiệu điện không lớn phóng điện bắt đầu xảy giảm áp suất khí hai điện cực đến giá trị Bây giờ, áp suất chất khí hai điện cực áp suất khí quyển, ta tăng dần hiệu điện hai cực giả sử điện trường hai cực (hoặc gần đều) Khi hiệu điện hai cực đạt đến giá trị ta thấy xuất tia lửa điện Tia lửa điện xuyên qua khoảng không gian phóng điện nhanh tắt, xong

lại xuất tia lửa khác Ta thấy mạch lửa nhỏ sáng nối liền hai điện cực, thường có dạng dích dắc có nhiều nhánh

Do có hình dạng nên ta gọi phóng điện hình tia Ánh sáng tia lửa điện kết trình ion hóa Kèm theo tia lửa có tiếng nổ gây tăng áp suất (đến hàng trăm atmôtphe) đốt nóng chất khí (đến 100000C) ở chỗ xảy phóng điện Tia lửa điện phát sinh trường hợp điện trường chất khí đạt đến giá trị giới hạn Ek gọi điện trường nổ Độ lớn điện trường nổ phụ thuộc vào chất khí trạng thái Đối với khơng khí điều kiện thường E ≈ 3.105V/m

Điện trường nổ tăng lên áp suất chất khí tăng lên * Sét tia lửa điện khổng lồ

Tia lửa – sét phóng điện đám mây với đất đám mây, điện trường chúng đủ mạnh Cường độ dòng điện sét lớn tới 10000 50000 A hiệu điện đám mây đất trước lúc phát sinh sét đạt tới 108 109V

 Sét tia

lửa hẹp độ 20 30 cm; cịn chiều dài tới hàng

HVTH: Qch Nguyễn Bảo Nguyên Trang

chục km Trong giải hẹp áp suất cao chất khí tạo thành, gây nổ, sinh sấm

Tia lửa – sét, nói chung tương tự tia lửa điện tạo phịng thí nghiệm Tuy nhiên có đặc điểm riêng Chẳng hạn tia lửa điện điều kiện thường bắt đầu xảy cường độ điện trường Ek ≈ 3.106V/m, cường độ điện trường để xảy sét mưa giơng thấp nhiều nói chung khơng vượt 2 4.105V m/

 Sự giảm thấp cường độ điện trường nổ

cũng quan sát phóng điện hình tia thực phịng thí nghiệm khoảng phóng điện dài (khoảng 10m)

Bản chất sét khảo sát thí nghiệm Franklin, Lơmơnơxơp Richman Lơmơnơxơp nhận thấy lớp khí gần mặt đất luôn tồn điện trường điện trường tăng lên mạnh trước giơng Khi khơng có giơng, điện trường lớp khí thấp hướng từ xuống (mặt đất điện âm) cường độ điện trường vào khoảng 100V/m

Sét gây thiệt hại cho nhà cửa, cơng trình kiến trúc có nguy hại đến tính mạng người Vì cần có thiết bị chống sét cho cơng trình, đường dây cao thế, đường dây thông tin liên lạc… Một thiết bị chống sét cột chống sét (cột thu lơi) Đó cột kim loại nhọn, nối cẩn thận với đất gắn chặt bên chỗ cao cơng trình cần bảo vệ Cột chống sét bảo vệ cho diện tích rộng xung quanh cột theo phép tính, cột chống sét bảo vệ cho khoảng có đường kính gấp chừng hai lần chiều cao cột Tác dụng chống sét cột chống sét dựa tượng rò điện từ mũi nhọn

* Sét

Sét tượng tự nhiên thường kèm với tượng sấm chớp có mưa to Nó tồn dạng vật thể bay cháy sáng thời gian dài, ngược lại với tượng hồ quang tồn thời gian ngắn hai điểm kèm theo tượng sét

Sét cho tượng hiếm, nghiên cứu gần

số phần trăm dân chúng Mỹ chứng kiến Các ảnh sét lại chi tiết nhân chứng cung cấp có nhiều điểm khác biệt Nhiều quan sát lại mâu thuẫn với nhau, nhiều tượng khác Sự phóng điện xuất lúc suốt mưa bão lớn, xuất phát từ tia sét, phần lớn chúng xuất thời tiết đẹp khơng có bão Sét hịn thường trơi lơ lửng, bay lượn khơng trung có dạng hình cầu Hình dạng hình cầu, hình trứng, hình giọt nước hình que với kích thước lớn nhiều so với kích thước tia chớp Kích thước lớn quan sát từ 40 đến 50 cm Rất nhiều số chúng có màu từ đỏ tới vàng, đơi suốt vài cịn có tia phát xung quanh

Sét nhiều máy bay ném bom nhìn thấy nhiều nơi Thế chiến thứ hai, bay dọc cánh máy bay phi công Trong suốt thời kỳ đó, thực tượng thiên nhiên bí ẩn, tượng gọi chung "foo fighter" Một số báo cáo từ vài nơi cho biết sét bay vào nhà, lượn lờ lị nướng bếp có bay lang thang dọc lối dãy ghế máy bay dân dụng Một báo cáo miêu tả sét hịn đuổi theo tơ, làm cho hệ thống điện bị tải hỏng Ghi nhận sớm có tính hủy diệt kinh khủng nhất, xảy cuồng phong Widecombe-in-the-Moor, Devon, nước Anh vào ngày 12 tháng 10 năm 1638 Bốn người thiết mạng khoảng 60 người bị thương xuất sét đánh

vào nhà thờ

Các nhà nghiên cứu viện Max

Planck Đại học Humboldt Berlin lợi dụng tượng phóng

điện nước để tạo đám mây plasma sáng chói tương tự

như sét hòn, tồn gần nửa giây có đường kính tới 20

centimét

Họ hy vọng thực thể nhân tạo giúp hiểu biết

tượng kỳ lạ có lẽ cịn mở ánh sáng việc sử dụng plasma nóng cho nhà máy điện nhiệt hạch

Sự phóng điện hồ quang

Nếu sau có phóng điện hình tia, ta giảm dần điện trở mạch cường độ dịng điện tăng lên Khi điện trở nhỏ đến mức phóng điện chuyển từ khơng liên tục sang liên tục Khi ta có dạng khác phóng điện chất

khí gọi hồ quang điện Sự phóng điện hình tia chuyển sang giai đoạn phóng điện hồ quang dịng điện tăng đột ngột (có thể đến hàng trăm ampe) cịn hiệu điện khoảng khơng gian phóng điện giảm xuống cịn chục vơn Điều chứng tỏ phóng điện có phát sinh q trình mới, tạo cho chất khí khoảng phóng điện có độ dẫn điện lớn Có thể tạo hồ quang điện với hiệu điện thấp mà không cần qua giai đoạn phóng điện hình tia Muốn vậy, ta cho hai điện cực tiếp xúc với chỗ tiếp xúc nóng lên (do hiệu ứng Joule - Lentz) ta tách hai điện cực xa chút, ta hồ quang điện

Năm 1802, Petrov (Peetrôp) cách với hai than pin mạnh, lần phát hồ quang điện Giữa hai than có cột khí sáng chói, đầu than nóng đỏ phát ánh sáng chói

Hình : Bức tranh kỷ 19 miêu tả tượng sét hịn

Hình : Sét hịn đuổi

Hồ quang hoạt động lâu than cực âm nhọn dần miệng than làm cực dương lõm vào tạo thành hố gọi miệng hồ quang Trong hồ quang điện có điện cực kim loại, bay kim loại nhanh làm tỏa nhiều nhiệt lượng Vì hồ quang đó, nhiệt độ thấp hồ quang với cực than

 0 

2000 C2500 C .

3.1.3 Chất bán dẫn

Chất bán dẫn (Semiconductor) vật liệu trung gian chất dẫn điện và chất cách điện Chất bán dẫn hoạt động chất cách điện nhiệt độ thấp có tính dẫn điện nhiệt độ phòng Gọi "bán dẫn" (chữ "bán" theo nghĩa Hán Việt có nghĩa nửa), có nghĩa dẫn điện điều kiện đó, điều kiện khác không dẫn điện

Lịch sử phát minh chất bán dẫn

Năm 1833, M.Faraday nhận thấy bạc sunfua có tính chất điện khơng giống kim loại lẫn điện mơi Nó có hệ số nhiệt điện trở âm, tức nhiệt độ tăng điện trở giảm Nguyên nhân mật độ hạt tải tăng theo nhiệt độ Nhiệt độ có khả biến electron liên kết thành hạt tải điện

Năm 1873, W.Smit quan sát tượng giảm mạnh điện trở seelen chiếu sáng ánh sáng mặt trời Ánh sáng thích hợp biến electron liên kết thành hạt tải điện

Năm 1874, F.Brao nhận thấy galen (chì sunfua) pirit (sắt sunfua) có tính chỉnh lưu

Chẳng sau người ta phát họ chất có tính chất gọi chúng chất bán dẫn

Năm 1879, phát hiệu ứng Hôn Lấy mẫu dạng hình hộp chữ nhật, ba cạnh trùng với phương x, y, z Khi cho dòng điện chạy qua theo phương x, từ trường tác dụng theo phương y hai cực đối diện phương z xuất hiệu điện gọi hiệu điện Hơn Nhờ hiệu ứng ta đo mật độ dấu điện tích hạt tải điện

Năm 1909, K.Ba-đê-ke dùng hiệu ứng Hơn nghiên cứu đồng iơdua cách có hệ thống

Năm 1914, J.Kô-nic-bec-ghe dùng hiệu ứng Hôn để nghiên cứu hàng loạt chất bán dẫn kim loại khác Kết cho thấy mật độ hạt tải bán dẫn nhỏ kim loại đáng kể, độ linh động lại lớn Nhiệt độ tăng, mật độ hạt tải tăng nhanh Dấu điện tích hạt tải bán dẫn dương âm, hạt tải lại ion: Hạt tải điện bán dẫn phải có chất electron, câu hỏi đặt xử hạt tích điện dương?

Năm 1927, L.O.Grôn-đal P.H.Gây-ghe làm chỉnh lưu đồng oxit Và từ người ta bắt đầu quan tâm mạnh đến nghiên cứu chất bán dẫn để áp dụng công nghiệp

Năm 1928, Blốc đề thuyết vùng lượng Thuyết vùng lượng xem bước đột phá quan trọng giúp ta mơ tả đầy đủ tính chất điện chất bán dẫn mở đường cho chất bán dẫn trở thành vật liệu quan trọng cho công nghiệp sau

Năm 1931, Vác-ne nghiên cứu liên kết hóa học chất bán dẫn phát bán dẫn “dư” (nay gọi bán dẫn loại n) bán dẫn “khuyết” (nay gọi bán dẫn loại p)

Năm 1949, J.Bác-đin W.H.Brát-ten phát minh tranzito

Cuối năm 1958, J.Kil-bai đầu năm 1959, R.Nao-sơ độc lập với làm mạch tổ hợp

Năm 1962, R.N.Hôn tập thể tác giả làm laze bán dẫn

trở suất điện môi giảm nhiệt độ tăng Tuy nhiên với điện môi, cần phải nâng nhiệt độ lên cao nhận thấy giảm điện trở

Cũng nên lưu ý rằng, bán dẫn pha tạp xảy phạm vi nhiệt độ không rộng lắm, điện trở suất tăng nhiệt độ tăng

[1],[2],[4],[5],[8]

3.2 Các tượng

3.2.1 Hiện tượng điện chỗ tiếp xúc hai kim loại 3.2.1.1 Cơng electron khỏi kim loại

Ta biết rằng, electron tự kim loại chuyển động nhiệt hỗn loạn giữ lại bên kim loại Điều có nghĩa gần mặt kim loại phải có lực liên kết tác dụng lên electron hướng vào phía kim loại Muốn vượt khỏi mặt giới hạn vật dẫn kim loại, electron phải thực công xác định A chống lại lực Cơng gọi cơng thốt electron khỏi kim loại

Để đo cơng người ta thường dùng đơn vị electron-Vơn, kí hiệu eV, 1eV = 1,6.10-19J.

Cơng A có độ lớn vào khoảng vài eV (do φ có độ lớn khoảng vài vơn) Trong động trung bình chuyển động nhiệt electron nhiệt độ

phòng 6, 23.10 21 0,039

2kT J eV



  nghĩa nhỏ A nhiều Vì vậy, nhiệt

độ phòng, đại phận electron tự bên kim loại 3.2.1.2 Hiệu điện tiếp xúc

Hiệu điện xuất chỗ tiếp xúc hai kim loại khác nhau, gọi hiệu điện tiếp xúc Chỗ tiếp xúc hai kim loại thường gọi mối hàn Hiệu điện tiếp xúc thay đổi tùy theo cặp kim loại thường có giá trị từ vài phần trăm vơn đến vài chục vơn Nó phụ thuộc rõ vào độ tinh khiết kim loại đặc biệt phụ thuộc vào độ tinh khiết mặt kim loại tiếp xúc với chất khí

Xét hai kim loại khác có nhiệt độ, tiếp xúc với (Hình 9) Do chuyển động nhiệt hỗn loạn, electron tự khuếch tán từ kim loại sang

_ +

2

kim loại ngược lại Bởi mật độ n1 n2 electron tự hai kim loại khác nên dịng electron khuếch tán khác Giả sử n1>n2, dòng electron khuếch tán từ kim loại lớn dòng khuếch tán ngược lại từ kim loại 2, kết kim loại tích điện dương cịn kim loại tích điện âm Như hai kim loại, lớp mỏng chỗ tiếp xúc có xuất điện trường tức có hiệu điện thế, điện trường cản trở chuyển động electron từ kim loại sang kim loại thúc đẩy chuyển động electron từ kim loại sang kim loại Do đó, số lượng tổng cộng electron tự từ kim loại sang kim loại giảm dần, số lượng electron tự từ kim loại sang kim loại tăng dần Cho đến hiệu điện hai kim loại đạt đến giá trị Ui có cân hai dịng electron đó, hiệu điện Ui hiệu điện tiếp xúc hai kim loại, có giá trị vào khoảng 102 103V



3.2.2 Các tượng nhiệt điện

3.2.2.1 Hiện tượng Peltier (Penchiê)

Do có tồn hiệu điện tiếp xúc, nên nhiệt lượng Jun - Lenxơ toả thể tích vật dẫn điện cịn có tượng nhiệt phụ xảy chỗ tiếp xúc hai kim loại khác Peltier phát năm 1834, gọi hiện tượng Peltier Khi cho dòng điện qua chỗ tiếp xúc hai kim loại có toả nhiệt hay hấp thu lượng nhiệt Q tuỳ theo chiều dịng điện qua Kết chỗ tiếp xúc nóng lên hay lạnh

Nhiệt lượng Peltier Q tỏa hay hấp thụ chỗ tiếp xúc tỉ lệ thuận với điện tích toàn phần q đi qua mối hàn: QpqpIt (p: Hệ số Peltier)

Ta cần lưu ý tượng Peltier toả nhiệt Jun - Lenxơ có khác Nhiệt lượng Jun - Lenxơ tỉ lệ với bình phương cường độ dịng điện khơng phụ thuộc chiều dòng điện Còn tượng Peltier tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện thay đổi dấu có thay đổi chiều dịng điện Hơn nhiệt lượng Jun -Lenxơ phụ thuộc điện trở vật dẫn cịn nhiệt lượng Peltier khơng phụ thuộc vào điện trở vật dẫn

Khi khảo sát tuợng nhiệt điện Thomson đến kết luận là: Ngay vật dẫn đồng chất, nhiệt độ phần khác vật khác có lượng nhiệt phụ toả hay hấp thụ Lượng nhiệt bổ sung thêm vào nhiệt Jun - Lenxơ làm giảm nhiệt lượng Hiện tượng gọi tượng Thomson

Nói cho thật tượng không liên quan trực tiếp đến tượng tiếp xúc Tuy nhiên nguồn gốc tượng lại liên quan chặt chẽ với nguyên nhân làm xuất hiện tượng chỗ tiếp xúc

3.2.2.3 Hiện tượng Seebeck (Dibec)

Ta biết mạch điện kín có nhiều vật dẫn loại tiếp xúc với nhiệt độ khơng có hiệu điện xuất Nếu ta cho nhiệt độ chỗ tiếp xúc khác mạch xuất suất điện động nghĩa có dịng điện Đó tượng nhiệt Seebeck tìm năm 1821 suất điện động gọi suất nhiệt điện động và dòng điện tồn mạch gọi dòng nhiệt điện

Suất nhiệt điện động  tăng không tỉ lệ với hiệu nhiệt độ mối hàn Vì

vậy, để đặc trưng cho tính chất nhiệt điện cặp vật dẫn người ta đưa vào đại lượng gọi suất nhiệt điện động vi phân α, đo suất nhiệt điện động xuất

hiện hiệu nhiệt độ mối hàn 10C: d

dT



  , α phụ thuộc vào

bản chất cặp kim loại mà phụ thuộc vào trạng thái chúng, đặc biệt vào nhiệt độ

Nếu nhiệt độ (T1 – T2) hai mối hàn không lớn ta có:  T T1 2

* Ngun nhân gây suất nhiệt điện động cặp nhiệt điện

Suất nhiệt điện động cặp nhiệt điện vật liệu rắn thường cho hình thành từ ba nguồn gốc:

- Sự phụ thuộc cơng vật liệu theo nhiệt độ; - Sự dịch chuyển hạt tải điện thỏi vật liệu từ đầu nóng đến đầu lạnh;

Các electron chất rắn tự bay khơng gian bên ngồi Muốn vượt khỏi mặt giới hạn chất rắn, ta phải cung cấp cho electron lượng trung bình  gọi cơng electron chất rắn Cơng electron phụ

thuộc vào nhiệt độ,

 = (T) Hai chất rắn A B khác nhau, có cơng thoát electron khác nhau: A(T) 

B(T) Khi chúng tiếp xúc nhau, chúng xuất hiệu điện tiếp xúc

A

1

( ) [ ( ) ( )]

tx B

U T T T

e  

 

  

  Với cặp nhiệt điện chất rắn, nhiệt độ hai đầu

bằng tổng hiệu điện tiếp xúc hai mối hàn không, giữ hai đầu hai nhiệt độ T1 T2 khác nhau, khác hiệu điện tiếp xúc hai

đầu tạo mạch suất nhiệt điện động nhiệt điện  tx U Ttx( )1 U Ttx( )2

Sự dịch chuyển hạt tải điện thỏi vật liệu từ đầu nóng qua đầu lạnh lại diễn theo hai chế: Chuyển động nhiệt mạng tinh thể hạt tải điện đầu nóng mạnh đầu lạnh, nên có xu hướng đẩy hạt tải điện từ đầu nóng đầu lạnh Trong vật lí chất rắn, người ta coi dao động mạng tinh thể hạt phonon, nên tượng gọi hạt tải điện bị phonon Mặt khác, số chất rắn (ví dụ bán dẫn), mật độ hạt tải tăng theo nhiệt độ Khi hạt tải khuếch tán từ đầu nóng qua đầu lạnh, làm hai đầu tích điện trái dấu Hiện tượng gọi hiệu ứng Seebeck Chênh lệch hiệu điện đầu nóng đầu lạnh hiệu ứng gây US = S(T1 – T2) Trong cặp nhiệt điện, hiệu ứng Seebeck hai vật rắn A B

không giống nhau, tạo suất điện động  S (SA SB)(T T1 2) Do suất điện động

nhiệt điện cặp nhiệt điện là:  S tx (SA SB)(T T1 2)U Ttx( )1 U Ttx( )2

Với kim loại, hạt tải điện electron, có mật độ cao khơng phụ thuộc nhiệt độ Hiệu điện tiếp xúc Utx xuất hai lớp kim loại mỏng sát chỗ tiếp

xúc Electron qua lại dễ dàng lớp hiệu ứng đường hầm nên mật độ electron hai bên lớp tiếp xúc gần hiệu điện tiếp xúc gần khơng,  tx 0 Trong  có thành phần theo phonon gây ra, thế

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

thấy 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 Đồ thị biểu diễn kết đo hình vẽ

Sau ơng cịn phát thấy tượng điện trở nhiệt độ xác định xảy hai kim loại khác thiếc chì Hiện tượng gọi tượng siêu dẫn Nhiệt độ mà điện trở giảm đột ngột xuống zero gọi nhiệt độ tới hạn TC vật trở thành vật siêu dẫn điện

Vật nhiệt độ TC có điện trở không gọi vật siêu dẫn Trạng thái

vật vùng nhiệt độ T  TC có điện trở khơng gọi trạng thái siêu dẫn trạng

thái vật vùng nhiệt độ TTC có điện trở khác khơng gọi trạng thái dẫn thường

hay trạng thái thường

*Một số đặc tính chất siêu dẫn

- Khi vật trạng thái siêu dẫn điện trở khơng

- Khi hạ nhiệt độ mẫu chất siêu dẫn đặt từ trường, người ta thấy rằng, thời điểm mẫu chuyển sang trạng thái siêu dẫn đường sức từ bị đẩy khỏi mẫu, nghĩa chất siêu dẫn xem chất nghịch từ lí tưởng Hiện tượng gọi hiệu ứngMeissner - Ochsenfeld Vì vậy, nhà bác học đến kết luận rằng: Một vật dẫn có điện trở khơng thơi mà khơng có hiệu ứng M-O khơng phải chất siêu dẫn mà vật dẫn lí tưởng

- Bất kì vật liệu siêu dẫn đặc trưng ba thông số: nhiệt độ tới hạn TC, từ

trường tới hạn HC mật độ dòng tới hạn jC Cụ thể là:

+ Kim loại, hợp kim có tính siêu dẫn nhiệt độ nhỏ TC

+ Tính siêu dẫn vật liệu từ trường tác dụng lên có cường độ lớn giá trị HC

+ Khi dịng điện chạy qua mẩu siêu dẫn có mật độ lớn giá trị jC mẩu

khơng cịn trạng thái siêu dẫn * Giải thích tính siêu dẫn

Kể từ Kammerlingh Onnes phát minh tính siêu dẫn, nhà vật lí cố gắng xây dựng nhiều lí thuyết khác nhằm giải thích Năm 1972 nhà vật lí Bardeen, Cooper Schriffer tìm giải thích tương đối hợp lí tính siêu dẫn

Nội dung vắn tắt thuyết BCS sau:

Các hạt tải điện electron riêng rẽ mà cặp electron gọi cặp Cooper Bình thường electron đẩy nên cần phải có chế đặc biệt chúng tạo thành cặp Theo lí thuyết BCS, tương tác đặc biệt (tương tác electron - phonon), hai electron có spin ngược chiều điều kiện định hút thông qua ion mạng tinh thể tạo thành cặp Cooper, cặp tạo thành chất "siêu lỏng" chảy qua số kim loại hợp kim mà khơng bị ma sát, có nghĩa dịng điện tạo cặp khơng bị cản trở, không tắt dần chạy qua vật liệu siêu dẫn Ta hình dung, điện tử chuyển động, tương tác với mạng tinh thể làm biến dạng mạng tinh thể điện tử theo sau dễ dàng chuyển động tinh thể Từ tương tác điện tử với phonon người ta suy lực tương tác hút hiệu dụng hai điện tử

Tuy nhiên lí thuyết BCS áp dụng cho chất siêu dẫn có nhiệt độ trạng thái siêu dẫn thấp (dưới 30 K) Trong người ta chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Vì việc xây dựng lí thuyết hồn chỉnh để giải thích đầy đủ đặc tính chất siêu dẫn vấn đề nhà khoa học quan tâm

* Khả ứng dụng chất siêu dẫn

Hình12

Các vật liệu siêu dẫn đưa đến thay đổi lớn lao kĩ thuật, công nghệ, kể kinh tế đời sống xã hội Dưới nêu lên số ứng dụng siêu dẫn

Các đường dây cáp siêu dẫn có khả truyền tải điện xa mà khơng bị tổn thất điện đường dây khơng có điện trở; mặt khác dây cáp tải điện siêu dẫn không cần làm to dây cáp thông thường tiết kiệm vật liệu (mật độ dịng điện dây siêu đạt tới 105A/cm2).

Dựa tính chất từ trường khơng thâm

nhập vào vật liệu siêu dẫn bị đẩy trở lại, người ta chế tạo đoàn tàu hoả với bánh xe có từ tính, cịn đường ray có đặt cuộn siêu dẫn Khi tàu chạy, tượng cảm ứng điện từ cuộn dây có dịng điện cảm ứng sinh từ trường Kết xuất lực đẩy khiến cho toa tàu bị nâng lên

Người ta chế tạo nam châm điện siêu dẫn tạo từ trường cực mạnh cần cho máy gia tốc, lò phản ứng nhiệt hạch nghiên cứu khác

3.2.4 Hiện tượng phát xạ nhiệt electron

Để nghiên cứu dịng điện chân khơng, người ta dùng bình chứa khí áp suất thấp có gắn điện cực Hiện người ta tạo khoảng chân không cao với áp suất 1012 1014mmHg

 Ở áp suất đó, phân tử khí

chuyển động từ thành sang thành ống mà không va chạm với phân tử khác, ta nói ống chân không Chân không môi trường cách điện tốt chân khơng khơng có hạt mang điện tự khơng có cách tạo hạt mang điện tự từ thân mơi trường

Muốn có dịng điện chạy qua chân khơng ta phải đưa vào mơi trường hạt mang điện từ nguồn Nguồn điện tích tự thường tạo nhờ tượng thoát electron khỏi mặt điện cực (bằng kim loại hay bán dẫn) Electron khỏi điện cực có động lớn cơng thoát, nghĩa là:

2

mv A



Ta xét chi tiết phát xạ nhiệt electron:

Khi nhiệt độ kim loại tăng, vận tốc chuyển động nhiệt electron tăng, có số electron nhận đủ lượng để thực cơng bứt khỏi mặt kim loại

Dựa vào thuyết electron cổ điển ta ước tính nhiệt độ T0 mà lượng trung bình chuyển động nhiệt electron tự có trị số cơng

thốt:

3

2kT A Hay A T k 

Với kim loại khác nhau, cơng có trị số khoảng 4,5 eV Lấy A = 2eV

ta có: 19 23 2.1,6.10 15000 3.1,38.10 T K  

  nghĩa lý thuyết phải nhiệt độ hàng vạn độ

electron có đủ lượng cần thiết để thoát khỏi mặt kim loại

Trên thực tế, nhiệt độ phòng có số electron phát xạ khỏi mặt kim loại nhiệt độ 1000 3000 K (nghĩa thấp T0 nhiều) có lượng đáng kể electron ngồi mặt kim loại Sở dĩ kim loại ln ln có số electron có lượng lớn lượng trung bình nhiều số electron ngồi mặt kim loại nhiệt độ không cao

Hiện tượng phát xạ nhiệt electron có vai trị đặc biệt quan trọng kĩ thuật điện vô tuyến điện

[1],[2],[5],[6]

3.2 Thuyết

3.2.1 Thuyết electron

Electron tham gia vào cấu tạo nguyên tử tất vật thể Vật lí học đại khẳng định rằng: Các vật thể cấu tạo nên từ phân tử, phân tử lại hợp thành từ nguyên tử

hòa điện Nếu nguyên tử bớt hay vài electron, mang điện dương trở thành ion dương Nếu ngun tử nhận thêm electron, tích điện âm trở thành ion âm Quá trình nhiễm điện vật thể q trình vật thể nhận thêm hay số electron hay ion Thuyết giải thích tính chất điện khác vật thể dựa việc nghiên cứu electron chuyển động chúng gọi thuyết electron

Như vậy, điện tích q vật mang điện số nguyên lần điện tích ngun tố e: |q| = Ne

Điều có nghĩa điện tích vật có giá trị rời rạc, gián đoạn, khơng thể có giá trị Vì lẽ người ta nói rằng, điện tích bị lượng tử hóa

Dựa vào thuyết electron, giải thích số tượng điện:

- Theo thuyết electron, vật dẫn điện tốt vật có hạt mang điện chuyển động tự Trong vật dẫn kim loại có số electron di chuyển tự từ chỗ đến chỗ khác, gây nên tính dẫn điện kim loại: electron gọi electron tự do hay electron dẫn Trong dung dịch điện phân có số ion (dương âm) di chuyển tự do, gây nên tính dẫn điện dung dịch

- Khi cọ xát thủy tinh vào miếng lụa số electron từ thủy tinh di chuyển sang lụa, kết thủy tinh nhiễm điện dương, miếng lụa nhiễm điện âm - Trong thí nghiệm tượng nhiễm điện hưởng ứng, cầu A tích điện dương tác dụng lực điện lên electron dẫn vật dẫn hình trụ, khiến cho số electron dẫn di chuyển phía A; kết đầu B gần A nhận thêm electron tích điện âm, cịn đầu C bị bớt electron tích điện dương

3.2.2 Thuyết electron cổ điển kim loại

Droude nêu lên sở thuyết electron cổ điển kim loại, sau Lorentz hồn chỉnh lí thuyết Nội dung thuyết cổ điển sau:

- Trong kim loại có electron tự Mật độ electron xấp xỉ mật độ nguyên tử kim loại

- Tập hợp electron tự kim loại coi khí electron giống khí lí tưởng Tương tác electron với ion dương mạng tinh thể kim loại biểu va chạm chúng; va chạm dẫn đến cân nhiệt khí electron mạng tinh thể kim loại

Dựa vào thuyết electron cổ điển giải thích tính dẫn điện kim loại, nguyên nhân gây điện trở, tìm lại định luật Ôm định luật Jun – Lenxơ

* Giải thích tính dẫn điện kim loại

Khi khơng có tác dụng điện trường ngồi, electron tự chuyển động nhiệt hỗn loạn giống chuyển động nhiệt phân tử khí Khi số electron chuyển động theo chiều đó, trung bình, ln ln số electron dịch chuyển theo chiều ngược lại Vì lượng điện tích tổng cộng mang electron qua mặt khơng: vật dẫn kim loại khơng có dịng điện

Khi có điện trường ngồi, electron tự có thêm chuyển động phụ theo chiều xác định, ngược chiều với điện trường Khi số electron chuyển động ngược chiều điện trường lớn số electron chuyển động chiều điện trường, nghĩa có xuất chuyển dời có hướng điện tích, vật dẫn kim loại có xuất dòng điện

Cần lưu ý rằng, vận tốc trung bình v chuyển động có hướng electron

(v nie

0

 ) nhỏ so với vận tốc trung bình vT chuyển động nhiệt (

m kT

vT



8

 )

của

Cũng cần phân biệt vận tốc trung bình chuyển động có hướng electron với vận tốc truyền tương tác điện từ (bằng 3.108 m/s) để hiểu rõ ta đặt một hiệu điện (dù nhỏ) vào hai đầu dây dẫn dây dẫn “lập tức” có dịng điện chạy qua

* Giải thích nguyên nhân gây điện trở kim loại

mạng tinh thể khác nhau, tác dụng “ngăn cản” chuyển động có hướng electron tự chúng khác Đó lí khiến điện trở suất kim loại khác khác

Điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng lên, ion kim loại nằm nút mạng tinh thể dao động mạnh lên đó, xác suất “va chạm” electron với ion lớn lên Vì điện trở kim loại tăng nhiệt độ tăng

Điện trở suất kim loại tăng theo nhiệt độ biểu diễn qua công thức:

 

 0 

0 1 t t   

Ở  hệ số nhiệt điện trở có đơn vị K-1, t0 nhiệt độ chọn làm mốc

0

 điện trở suất nhiệt độ Thơng thường ta chọn t0= 200C

Giữa hai va chạm với ion, electron chuyển động có gia tốc tác dụng điện trường chúng nhận thêm lượng xác định Năng lượng chuyển động có hướng truyền hoàn toàn hay phần cho ion dương va chạm biến thành lượng dao động hỗn loạn ion, làm cho nội vật dẫn tăng lên Vì có dịng điện chạy qua, kim loại nóng lên * Giải thích định luật Ơm

Để đơn giản phép toán, ta giả thiết rằng: hai “va chạm” kế tiếp, tất electron tự quãng đường nhau, quãng đường tự trung bình  electron Hơn nữa, ta coi rằng, va chạm với

ion, electron truyền hoàn toàn cho mạng tinh thể lượng mà nhận tác dụng điện trường Nghĩa sau va chạm electron lại chuyển động với vận tốc ban đầu không

Xét đoạn mạch gồm dây có chiều dài l và tiết diện động lực S, hai đầu đoạn mạch đặt hiệu điện U Cường độ điện trường đoạn mạch là:

l U E

Dưới tác dụng điện trường E, electron chịu tác dụng lực có độ

Vì cuối quãng đường tự trung bình, vận tốc có hướng electron là:

ax

m

eU V at t

ml

 

Trong t khoảng thời gian trung bình hai va chạm Vì hai va chạm kế tiếp, electron chuyển động nhanh dần nên giá trị trung bình vận tốc bằng:

max 2 V eU v t ml  

Thời gian trung bình hai “va chạm” electron với ion là:

T

t v



 .

(vT vận tốc trung bình chuyển động nhiệt, vT v nên công thức ta không kể đến vận tốc chuyển động có electron)

Do ta có:

2 T

eU v

mlv



 (1)

Cường độ dòng điện đoạn mạch: I neSv (n mật độ dẫn điện)

(2)

Thay (1) vào (2):

2 T ne SU I mlv   Đặt   n e v m T 2

 : điện trở suất dây dẫn

Đại lượng  Sl phụ thuộc vào cấu tạo dây dẫn, gọi điện trở R dây

dẫn

Cuối cùng: I U R

 (biểu thức định luật Ôm)

Như dòng điện kim loại tuân theo định luật Ôm * Giải thích định luật Jun – Lenxơ

Ở cuối quãng đường tự trung bình, tác dụng điện trường, electron nhận động năng:

2 2 2

2

2

2 m 2 T

e E t e E mv

m mv



Theo giả thiết nêu, toàn lượng truyền cho mạng tinh thể biến thành nhiệt

Trong đơn vị thời gian electron chịu vT

 “va chạm”

lượng mà electron truyền cho mạng tinh thể giây gấp lên nhiêu lần Biết đơn vị thể tích kim loại có n0 electron, lượng nhiệt Q tỏa đơn vị thể tích kim loại sau giây bằng:

2

2 0

2

m T

T

mv n e v

Q n E

mv

 

 

Hay Q E2 E2



  : Biểu thức định luật Joule dạng vi phân

Với 



 điện trở suất kim loại

Ngồi ra, thuyết electron cịn giải thích nhiều tính chất điện quang khác chất

Tuy có nhiều thành cơng nêu thuyết electron cổ điển khơng giải thích tinh thể kim loại sạch, kết tinh hồn hảo, nhiệt độ thấp lại có điện trở nhỏ Điện trở tất kim loại hợp kim giảm xuống bị làm lạnh Sở dĩ có hạn chế số nội dung thuyết electron cổ điển khơng cịn nữa, cụ thể là:

- Chuyển động electron tự kim loại không tuân theo định luật học cổ điển mà tuân theo định luật phức tạp học lượng tử;

- Tương tác electron ion biểu va chạm chúng Thực tế electron chuyển động điện trường tuần hoàn mạng tinh thể;

- Các electron không tuân theo định luật phân bố Maxwell - Boltzmann khí lí tưởng nữa, mà tuân theo định luật thống kê lượng tử

thể mà không bị tán xạ vào hướng khác Nói cách khác, sóng electron lan truyền mơi trường tuần hồn mạng tinh thể nên không bị mạng tinh thể làm lệch đường, electron tự khơng bị va chạm với lõi nguyên tử nằm cách trật tự mạng tinh thể, bị va chạm chỗ khơng hồn hảo mạng đó, ta gọi chung sai hỏng mạng Các sai hỏng là:

- Sự trật tự ion mạng tinh thể chuyển động nhiệt (dao động) sinh ra: hệ điện trở kim loại tăng theo nhiệt độ

- Sự trật tự mạng tinh thể co nguyên tử lạ: hệ tạp chất làm tăng điện trở kim loại

- Sự trật tự ion mạng tinh thể tinh thể bị biến dạng: hệ q trình gia cơng uốn, kéo dãn làm điện trở kim loại tăng

Những sai hỏng làm tán xạ sóng điện từ điện trở sinh Như hiểu rằng: nguyên nhân làm điện trở giảm kim loại hợp kim bị làm lạnh là: hạ nhiệt độ, dao động nhiệt nguyên tử giảm xuống, đồng thời điện tử dẫn tán xạ với tần số nhỏ Do điện trở giảm tuyến tính theo nhiệt độ T  (1/3)TD (nhiệt độ Debye) Ở nhiệt độ điện trở giảm từ từ gần không đổi

T  0K Đối với kim loại hoàn toàn sạch, điện tử di động bị cản trở dao động nhiệt mạng, điện trở có giá trị xấp xỉ khơng nhiệt độ giảm phía 00K Những kim loại thuộc mẫu "kim loại lí tưởng" mang tính hồn tồn giả thiết Tuy nhiên, làm lạnh đến 00K mà điện trở giảm tới khơng, chưa chất siêu dẫn

3.2.3 Thuyết điện li

Thuyết phân li phân tử chất hòa tan dung dịch gọi thuyết điện li, có nội dung sau:

- Mọi phân tử chứa electron tích điện âm hạt nhân tích điện dương + Nếu tâm điện tích dương trùng với tâm điện tích âm phân bố điện tích phân tử tồn phân tử thuộc loại phân tử khơng cực và ta có mối liên kết khơng cực

+ Nếu tâm điện tích xa rõ, phân tử thuộc loại ion (mối liên kết ion)

Đối với hợp chất ion, trình tạo thành ion dung dịch giải thích sau: Giả sử có hợp chất ion, NaCl chẳng hạn, hoà tan vào nước

Hình 14:Thí nghiệm điện phân với dung dịch NaCl nước

Các phân tử thuộc loại phân tử có cực, có momen lưỡng cực lớn (Hình 15) Trong điện trường xung quanh phân tử H2O xếp sau: đầu dương chúng hướng vào cực âm phân tử NaCl, tức hướng vào ion Cl- trong phân tử NaCl hút ion ấy, đồng thời đẩy Na+ phân tử NaCl Còn đầu âm của chúng lại hướng vào đầu dương phân tử NaCl tức vào ion Na+ và hút ion ấy, đồng thời đẩy ion Cl- NaCl (Hình 16) Như phân tử dung môi (ở đây H2O) bao quanh ion chất hoà tan (ở NaCl), tạo thành tập hợp gọi “solvat”

Hình 15 Hình 16

Song song với q trình phân li nói trên, cịn có q trình ngược lại hai ion trái dấu va chạm với chuyển động nhiệt, chúng kết hợp lại thành phân tử trung hồ Q trình gọi sự tái hợp Khi số ion sinh phân li số ion tái hợp đơn vị thời gian dung dịch có sự cân bằng động hai trình phân li tái hợp, mà số ion sinh thêm phân li đơn vị thời gian số ion tái hợp đơn vị thời gian

Khả phân li chất hòa tan dung môi khác khác Để đặc trưng định lượng độ phân li chất hòa tan dung dịch người ta đưa vào hệ số phân li (α)

Nếu đơn vị thể tích dung dịch có n0phân tử chất hịa tan mà số

0 '

n phân tử bị phân li thành ion thì:

' 0

(0 1)

n n

   Hệ số  phụ thuộc vào chất

của chất hồ tan dung mơi, vào nồng độ dung dịch nhiệt độ dung dịch 3.2.4 Thuyết vùng lượng vật rắn

Để giải thích cách đầy đủ tính chất điện, tính chất nhiệt tính chất khác kim loại, điện môi tinh thể bán dẫn, ta dùng thuyết electron cổ điển mà phải dùng Thuyết vùng năng

lượng vật rắn

Trước tiên xét chuyển động electron nguyên tử cô lập:

- Trong nguyên tử electron chuyển động quanh hạt nhân Chuyển động đặc trưng mơmen động lượng quỹ đạo Ngồi ta cịn có mơmen riêng hay ta cịn gọi mômen spin Trong học lượng tử, người ta chứng minh là:

+ Năng lượng electron nguyên tử lấy giá trị xác định, gián đoạn gọi mức lượng electron

+ Ở mức lượng có tối đa electron đối song (ngược chiều song song) + Các mức lượng lấy giá trị nhỏ tăng dần theo chiều mũi tên hướng lên Càng lên cao mức lượng sít lại E0 Cũng hệ vật lí

khác, electron có xu hướng chiếm giữ trạng thái có mức lượng thấp chuyển động electron bền vững Khi ta nói electron nằm mức lượng thấp Khi ta cung cấp thêm lượng cho electron (bằng cách đốt nóng ngun tử hay phương pháp khác) electron nhận đủ lượng cần thiết (bằng hiệu lượng hai mức), electron chuyển lên mức cao hơn, lượng cung cấp cho electron chưa đủ electron nằm mức lượng cũ

Thứ hai: Xét chuyển động electron bên kim loại (với giả thiết điện trường ion dương mạng tinh thể không ảnh hưởng đến chuyển động electron)

Ta xem electron kim loại chất khí electron, trường hợp giá trị electron có giá trị gián đoạn xác định Theo quan niệm thông thường, xem khí electron giống khí lí tưởng nhiệt độ T = 00K tất electron nằm mức lượng thấp vận tốc không Thế thật vậy, electron phân bố từ mức lượng thấp trở lên phân bố đủ hai electron mức lại tiếp tục phân bố sang mức cao (theo nguyên lý Pauli) Vì số electron nguyên tử giới hạn nên mức lượng thấp bị chiếm đầy mức lượng cao có electron bỏ trống hoàn toàn

Thứ ba: Xét chuyển động electron bên kim loại có kể đến tác dụng ion nút mạng tinh thể Do ion mang điện dương nằm nút mạng xác định bên tinh thể kim loại nên điện trường chúng tạo ảnh hưởng đến chuyển động electron điện trường điện trường tuần hoàn (Do điện trường ion dương nút mạng tạo hàm số tuần hoàn toạ độ Do electron kim loại không thay đổi mà phụ thuộc cách tuần hoàn vào toạ độ)

Điện trường tuần hoàn bên tinh thể cho trạng thái lượng electron vật rắn thay đổi cách so với trạng thái chúng nguyên tử cô lập Trong vật rắn, trạng thái lượng

của chúng với hạt nhân nguyên tử mà điện truờng mạng tinh thể (tức tương tác với nguyên tử

khác)

Kết tương tác là: thay cho ngun tử lập xuất mức lượng vật rắn có N nguyên tử tương tác xuất N mức lượng phân bố gần nhau, mức tạo thành giải lượng phép hay miền năng lượng phép (nghĩa miền biểu diễn trạng thái mà nguyên tử phép nằm đó)

[2],[5],[7]

3.3 Các định luật

3.3.1 Định luật Ôm chất điện phân * Độ linh động ion

Khi khơng có điện trường ngoài, ion chất điện phân chuyển động nhiệt hỗn loạn khơng có dịng điện tích chuyển động có hướng, nghĩa khơng có dịng điện Khi có tác dụng điện trường ngồi, ion dương thu thêm vận tốc phụ u+ hướng theo chiều điện trường, ion âm thu vận tốc phụ u

-hướng ngược chiều điện trường Phép tính chứng tỏ, chế độ ổn định vĩnh cửu thiết lập vận tốc chuyển động có hướng u+ u- tỉ lệ với cường độ điện trường

E: u u E0

0

u u E

Như chuyển động nhiệt hỗn loạn, dung dịch điện phân có chuyển dời có hướng điện tích, nghĩa có dịng điện

* Định luật Ơm chất điện phân

Dòng điện chất điện phân tạo nên di chuyển có hướng ion khác dấu tác dụng điện trường ngồi Mật độ dịng điện tổng số mật độ dòng điện tạo di chuyển ion dương theo chiều điện trường ion âm ngược chiều điện trường

Gọi n+ n- tương ứng mật độ ion dương ion âm, q điện tích

mỗi ion (q+ = q- = q) ta có:

j+ = n+q u+ Và j- = n-qu

-Mật độ dòng điện toàn phần: j = j+ + j-= n+qu+ + n-qu

Đối với chất điện phân nhị phân (mỗi phân tử phân li thành hai ion khác dấu) ta có: n+ = n- = αn0

Vậy j = qαn0(u+ + u+) = qαn0(u0+ + u0-)E

Với dung dịch cho trước, lượng qαn0(u0+ + u0-) không đổi Vậy:

Trong chất điện phân mật độ dòng điện tỉ lệ thuận với cường độ điện trường. Như vậy, định luật Ôm với chất điện phân Dựa vào dạng vi phân định luật Ôm jE, ta tìm điện dẫn suất của chất điện phân:

0

0( )

q n u u

    

3.3.2 Định luật Faraday

* Định luật Faraday thứ nhất:Được xây dựng theo thực nghiệm Đó định luật cho ta mối liên hệ khối lượng chất giải phóng điện cực điện lượng qua dung dịch điện phân - Phát biểu: Khối lượng M chất giải phóng điện cực tỉ lệ với điện lượng q đi qua dung dịch điện phân

- Biểu thức: M = kq = kIt

Trong : I cường độ dòng điện (A)

t thời gian dòng điện di qau dung dịch điện phân k gọi đuơng lượng điện hoá (kg/C), phụ thuộc vào chất hóa học chất giải phóng cực

* Định luật Faraday thứ hai: Được xây dựng mối quan hệ đương lượng hoá học đương lượng điện hoá chất

Định luật cho ta biết, đương lượng điện hoá phụ thuộc vào chất chất giải phóng điện cực

- Phát biểu: Đương lượng điện hố chất giải phóng điện cực tỉ lệ với đương lượng hóa học chúng

- Biểu thức : k c A n



Trong : A nguyên tử lượng chất thoát điện cực n hoá trị chất thoát điện cực

c số với tất chất,

F

c 1 với F = 96500 nguyên

tử lượng A tính gam

* Giải thích định luật Faraday

Dựa vào dẫn điện chất điện phân vào thuyết điện li, ta giải thích định luật Faraday

Giả sử có N ion di chuyển tới điện cực Nếu khối lượng ion m, N ion trung hồ điện cực, khối lượng chất giải phóng là: M = Nm.

Điện tích ion q = ne (với e điện tích ngun tố, n hố trị ngun tố) Khi có N ion tới điện cực điện lượng chuyển qua dung dịch điện phân là: Q = Nq = Nne

Từ đó: M N m m Q

ne

 

Đó biểu thức định luật Faraday 1, với k = m/ne

Mặt khác khối lượng nguyên tử chất giải phóng điện cực: A = N0m

(N0 số Avogadro) đương lượng hố học chất bằng:

N m A

n  n

Từ đó:

0

1

m A A

k

ne n N e F n

  

Đó nội dung định luật Faraday

Từ ta tìm số Faraday: F = N0e = 9,65.107 C/kmol

Thống hai định luật:

Phát biểu: Khối lượng M chất giải phóng điện cực tỉ lệ với đương lượng hố học A/n chất điện lượng q qua dung dịch điện phân

Biểu thức: M k Aq n

 hay M k AIt

n

 Tính gam (g)

Trong đó: I tính theo ampe (A) t tính theo giây (s) [2],[4],[6]

3.4 Khảo sát đặc tuyến Vôn – Ampe môi trường

+ Đối với dây dẫn kim loại, nhiệt độ định, đặc tuyến Vơn – 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 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

* Trong chất điện phân

- Thí nghiệm gồm bình thủy tinh đựng dung dịch CuSO4 Hai điện cực: anốt đồng, catốt than chì kim loại khác Đóng khóa K1 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 dịng điện I qua bình thay đổi hiệu điện U đặt vào bình, ta vẽ đặc tuyến Vơn – Ampe bình điện phân đựng dung dịch CuSO4 với anốt đồng (Hình 23)

HVTH: Quách Nguyễn Bảo Nguyên Trang 33

K1

E Cu2+

SO4

2-SO

4

2-Cu2+

Dd CuSO4

e- e

-K A mA + _ U(V) I(A)

Hình 20 : Đặc tuyến Vôn – Ampe đoạn dây dẫn nhiệt độ không đổi

1,5 0,5 0,06 0,02 0,04

1,0 2,0 2,5 3,0 U(V)

I(A) 0,14 0,12 0,10 0,08 0,18 0,16 0,3 0,2 0,1

3 U(V)

I(A)

* Trong chân không

Để khảo sát dịng điện chân khơng, người ta dùng sơ đồ thí nghiệm hình 24, gồm: điơt điện tử, nguồn điện miliampe kế

Điôt bóng thuỷ tinh hút hết khí có hai cực: catốt (K) vật liệu khó nóng chảy (như vơnfram chẳng hạn) bề mặt có phủ lớp chất có cơng nhỏ, cịn anốt thường có dạng hình trụ bao quanh catốt

Khi catốt chưa đốt nóng mạch khơng có 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 dịng điện Dịng điện xuất trường hợp cực dương nguồn nối với Anôt cực âm nối với Catốt Nghĩa dịng điện chạy theo chiều từ Anơt sang Catốt

Cường độ dịng điện I qua điơt chân không phụ thuộc hiệu điện Anốt Catốt

Đường đặc trưng vơn - ampe có dạng hình 25 + Khi điện anốt khơng, cường độ dịng điện qua điơt nhỏ

+ Khi tăng điện dương anốt (U>0) cường độ dòng điện tăng + Tiếp tục tăng điện anốt cường độ dịng điện

đạt tới giá trị cực đại gọi dịng điện bão hịa Ibh điốt, dịng điện không phụ thuộc

vào tăng điện anốt

+ Khi tăng nhiệt độ catốt, đường đặc tuyến Vôn – Ampe đường cong Với giá trị dòng điện nhỏ Ibh, phụ thuộc I và U với

những nhiệt độ khác biểu diễn đường cong

Đường đặc tuyến Vôn – Ampe điơt điện tử phi tuyến tính Vì vậy, đèn điôt điện tử vật dẫn không tuân theo định luật Ơm

Hình 24

mA

* Trong chất khí

Khảo sát phụ thuộc cường độ dịng điện chất khí áp suất bình thường vào hiệu điện có tác nhân ion hóa, ta thu đặc tuyến Vơn – Ampe hình 26

Đặc tuyến Vơn – Ampe khơng phải đường thẳng Vì vậy, dịng điện chất khí khơng tn theo định luật Ơm 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)

Tuy nhiên, tác dụng điện trường, phần lớn điện tích tạo thành sau giây tới cực dịng

điện khơng tăng nữa, đạt giá trị bão hồ (đoạn ab) Sự tăng dịng 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 nhanh lớn gấp nhiều lần số điện tích tự tạo tác nhân ion hoá Số electron tạo nhanh gây thành thác electron

Hình 27

Do đó, U > UC I tăng phụ thuộc số hạt tải điện mà tác nhân ion

hố bên ngồi sinh

Quá trình dẫn điện chất khí nói gọi q 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:

Hình 28: Dịng điện thuận qua điơt bán dẫn Hình 29: Dịng điện ngược qua điơt bán dẫn

Dùng biến trở R để thay đổi hiệu điện U đặt vào hai cực điốt Ta vẽ đặc tuyến Vơn – Ampe sau (Hình 30, 31 ):

+ Nhánh thuận: Khi hiệu điện thuận tăng dịng 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 vơn 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 Et



lớp chuyển tiếp lớn xảy tượng đánh thủng lớp chuyển tiếp dòng Ing tăng mạnh

[2],[4],[6],[8]

3.5 Một số ứng dụng dịng điện mơi trường.

* Ứng dụng cặp nhiệt điện

+ Nhiệt kế nhiệt điện: Cặp nhiệt điện dùng để đo nhiệt độ cao nhiệt độ thấp mà đo nhiệt kế thông thường

+ Pin nhiệt điện: Ghép nhiều cặp nhiệt điện ta nguồn điện gọi pin nhiệt điện

* Ứng dụng tượng điện phân

+ Luyện kim: Dựa vào tượng cực dương tan để tinh chế kim loại

+ Mạ điện: Dùng phương pháp điện phân để phủ lớp kim loại không gỉ lên đồ vật kim khác

+ Đúc điện

+ Trong hoá học: Ứng dụng để điều chế số khí Cl2 , H2 , O2…, điều chế nước javen

VD: Na + H2O  NaOH + 1/2H2

Cl2 + 2NaOH  ClONa + NaCl + H2O + Nạp điện acquy

Hình 33: Nạp điện acquy Hình 34: Luyện kim * Ứng dụng tia Catôt

Một ứng dụng quan trọng tia catơt ống phóng điện tử (cịn gọi ống catơt) Đó phận thiết yếu máy thu hình, dao động kí điện tử, máy tính điện tử…

Hình 35: Ống phóng điện tử Hình 36: Kính hiển vi điện tử Kính hiển vi điện tử ứng dụng quan trọng tia catơt Có hai loại kính hiển vi điện tử kính hiển vi điện tử truyền qua kính hiển vi điện tử quét

* Ứng dụng tia lửa điện: Khoan cắt kim loại

Hình 37: Khoan cắt kim loại * Ứng dụng hồ quang điện

C a p b a n

th a n g d u n g C a p b a n n a m n g a n g

M a n h u y n h q u a n g C u c d ie u k h ie n

D a y d o t C a to t

+ Hàn điện

+ Nấu chảy kim loại

Hình 39: Hàn điện Hình 40: Nấu chảy kim loại + Làm nguồn sáng mạnh cho đèn chiếu, đèn biển, máy chiếu phim…

Hình 41: Máy quay phim Hình 42: Đèn hải đăng

Hình 45:Sơ đồ mắc đèn ống

+ Thực phản ứng hóa học nhiệt độ cao

Hình 43: Làm nguồn đốt nóng cho phản ứng hóa học

+ Nhiều nguồn sáng dùng chiếu sáng công cộng hồ quang điện khối natri, thủy ngân… chứa bóng thủy tinh kín

Hình 44: Đèn hồ quang

* Một số linh kiện bán dẫn

- Điôt: linh kiện bán dẫn hai cực, có lớp chuyển tiếp p-n

Hình 46: Điơt bán dẫn

Hình 47: Một số điơt bán dẫn thực tế

+ Điôt chỉnh lưu: Dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, hoạt động dựa sở tính chất chỉnh lưu lớp chuyển tiếp p-n

Hình 48: Chỉnh lưu nửa chu kì Hình 49: Chỉnh lưu chu kì

Hình 50: Điơt chỉnh lưu thực tế + Phôtôđiôt

+ Pin mặt trời: Là phôtôđiôt sử dụng làm nguồn điện, hoạt động cách biến đổi lượng ánh sáng mặt trời thành lượng điện

Hình 52: Một số pin mặt trời

+ Điôt phát quang (LED): Được dùng làm hiển thị, đèn báo, làm hình quảng cáo làm nguồn sáng

+ Pin nhiệt điện bán dẫn: gồm dãy cặp nhiệt điện làm từ bán dẫn loại n loại p xen kẽ Ứng dụng để chế tạo thiết bị làm lạnh gọn, nhẹ, hiệu cao dùng khoa học, y học…

Hình 54: Một số pin nhiệt điện bán dẫn - Tranzito: Là dụng cụ bán dẫn có hai lớp chuyển tiếp p-n

Hình 55: Hình ảnh số Tranzito

KẾT LUẬN

Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thơng việc làm quan trọng, cần thiết giáo viên Qua việc xác định phân tích kiến thức phần “Dịng điện mơi trường” giúp thân nắm rõ kiến thức Qua đó, giúp học sinh nắm vững kiến thức phần này, giải thích số tượng sống, hiểu ứng dụng tác hại tượng kĩ thuật đời sống

Tiểu luận làm việc sau:

- Trình bày tượng nhiệt điện tượng siêu dẫn

- Trình bày thuyết liên quan đến nội dung kiến thức phần “Dịng điện mơi trường”

- Trình bày định luật Faraday

- Khảo sát đặc tuyến Vôn – Ampe số môi trường

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. David Halliday (1999), Cơ sở vật lí, tập 4, Nhà xuất Giáo dục

2. Vũ Thanh Khiết (2001), Điện học, Nhà xuất Giáo dục

3. Lê Cơng Triêm (2004), Nghiên cứu chương trình Vật lý phổ thông, Bài giảng lớp, ĐHSP Huế

4. Nguyễn Thế Khơi (Tổng chủ biên) (2007), Vật lí 11 Nâng cao, Nhà xuất Giáo dục

5. Nguyễn Thế Khơi (Tổng chủ biên) (2007), SGV Vật lí 11 Nâng cao, Nhà xuất Giáo dục

6. Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2007), Vật lí 11, Nhà xuất Giáo dục

7. Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2007), SGV Vật lí 11, Nhà xuất Giáo dục

đỏ vàng, Thế chiếnthứ hai, " Anh 12 tháng 10 1638. nhiệt độ nhiệt độ phòng. Hán Việt