bai giang

2 Bản chất dòng điện trong kim loại : b Khi có điện trường ngoài tức là đặt vào hai đầu vật dẫn một hiệu điện thế : Các electron tự do chịu tác dụng của lực điện trường, chúng có thêm mộ[r]

Chương III : DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG Chương III : DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT RẮN : KIM LOẠI VÀ BÁN DẪN DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT LỎNG : CHẤT ĐIỆN PHÂN DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ : KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ KÉM DÒNG ĐIỆN TRONG CHÂN KHÔNG Chương III : DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG Bài 12 : DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI DÒNG NHIỆT ĐIỆN – HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Chương III : DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG Bài 12 : DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI DÒNG NHIỆT ĐIỆN – HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN I) Dòng điện kim loại : 1) Cấu trúc tinh thể kim loại : Các ion kim loại xếp cách đặn theo trật tự định không gian, tạo thành mạng tinh thể thể Electron lớp ngoài cùng nguyên tử kim loại dễ liên kết với hạt nhân để trở thành electron tự do, các nguyên tử (nằm các nút mạng) trở thành ion dương; các ion dương đó và các electron tự có lực hút tĩnh điện Tổng điện tích âm các electron tự có trị số tuyệt đối đúng điện tích dương các ion, nên bình thường, kim loại trung hòa điện Ở nhiệt độ bình thường, các ion dao động nhiệt quanh các vị trí cân chúng, còn các electron thì có thể chuyển động tự khoảng không gian các ion bên vật thể kim loại Do đó, kim loại là chất dẫn điện tốt tốt 2) Bản chất dòng điện kim loại : a) Khi không có điện trường ngoài : Các electron tự chuyển động nhiệt hỗn loạn, nên tính trung bình, cùng thời gian, lượng electron chuyển động theo phương nào đó luôn lượng electron chuyển động theo chiều ngược lại; nghĩa là kim loại không có dòng điện Chuyển động nhiệt hỗn độn electron Khi không có điện trường ngoài, kim loại không có dòng điện Chuyển động nhiệt hỗn độn electron Khi không có điện trường ngoài, kim loại không có dòng điện 2) Bản chất dòng điện kim loại : b) Khi có điện trường ngoài (tức là đặt vào hai đầu vật dẫn hiệu điện thế) : Các electron tự chịu tác dụng lực điện trường, chúng có thêm chuyển động phụ theo chiều xác định ngược chiều điện trường; đó là chuyển động có hướng các electron; nghĩa là kim loại xuất dòng điện CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON Chuyển động phụ (có hướng) Chuyển động nhiệt hỗn loạn Chuyển động thực Khi có điện trường ngoài, kim loại xuất dòng điện CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON Chuyển động phụ (có hướng) Chuyển động nhiệt hỗn loạn Chuyển động thực Khi có điện trường ngoài, kim loại xuất dòng điện Vậy : Dòng điện kim loại là dòng chuyển dời có hướng các electron tự tác dụng điện trường ngoài ngoài E E 3) Nguyên nhân gây điện trở dây dẫn kim loại và tượng tỏa nhiệt dây dẫn kim loại : * Nguyên nhân gây điện trở : là “va chạm” các electron tự (trong quá trình chuyển động có hướng) với các ion dương nằm trật tự mạng tinh thể kim loại E + - - + + - + + + + * Giữa hai “va chạm” liên tiếp, các electron chuyển động có gia tốc tác dụng lực điện trường và thu lượng xác định (ngoài lượng chuyển động nhiệt hỗn loạn); lượng này truyền phần (hay hoàn toàn) cho các ion dương “va chạm” và biến thành lượng dao động các ion quanh vị trí cân bằng, tức là biến thành nhiệt Do đó, có dòng điện chạy qua, dây dẫn kim loại nóng lên Vài ứng dụng tác dụng nhiệt dòng điện kim loại * Các kim loại khác có cấu trúc mạng tinh thể khác và mật độ electron tự khác nên điện trở suất các kim loại khác là khác * Khi nhiệt độ tăng, các ion dương dao động mạnh hơn, vận tốc trung bình chuyển động nhiệt các electron tăng, vì khả “va chạm” electron và ion dương quá trình chuyển động có hướng electron tăng lên; tức là : Điện trở kim loại tăng nhiệt độ tăng tăng Rt = Ro(1 + t) và R2 = R1(1 + t) Hệ số nhiệt điện trở  > E + - - + + + + + + 4) Thiết lập định luật Ohm nhờ thuyết điện tử : Giả thiết : + Giữa hai “va chạm” kế tiếp, electron quãng nhau, quãng đường tự trung bình electron + Trong “va chạm” electron truyền hoàn toàn cho mạng tinh thể lượng mà nó thu chuyển động có hướng, tác dụng lực điện; nghĩa là sau “va chạm”, electron lại bắt đầu chuyển động có hướng không vận tốc đầu Xét phần đoạn mạch điện là vật dẫn kim loại hình trụ, chiều dài L, tiết diện S L S Gọi U là hiệu điện hai đầu hình trụ; E là cường độ U điện trường bên vật dẫn, ta có : E L Gia tốc chuyển động có hướng các electron tác dụng lực điện trường F = eE là : F e.E e.U a   m m m.L Gọi to là khoảng thời gian trung bình hai lần “va chạm”, ta có vận tốc electron cuối quãng đường tự e.U trung bình  v ' a.t  t o m.L o Vận tốc trung bình chuyển động có hướng các electron : v ' e.U v  t o 2.m.L e n.U t o Mật độ dòng điện kim loại : i e.n.v  2m.L đó n :là nồng độ electron tự kim loại Cường độ dòng điện vật dẫn : e2 n.t o S I i.S   U (*) 2m L Công thức (*) cho thấy dòng điện I tỉ lệ thuận với hiệu điện U hai đầu vật dẫn, phù hợp với kết thực nghiệm định luật Ohm; từ đó ta có biểu thức cho điện trở vật dẫn kim loại hình trụ : R Vì 2.m.L e n.t o S L R  nên điện trở suất kim loại là : S  2.m e n.t o m, e và n không phụ thuộc vào nhiệt độ Thời gian to : phụ thuộc vào  và vận tốc chuyển động nhiệt electron Mà  phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách các ion mạng tinh thể và đó phụ thuộc ít vào nhiệt độ Vận tốc trung bình chuyển động nhiệt electron thì tỉ lệ với T (T là nhiệt độ tuyệt đối)  2.m e n.t o Vận tốc chuyển động nhiệt càng lớn thì va chạm xảy càng nhiều và thời gian to càng ngắn nên : to ~ T Vậy : điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ thông qua vận tốc chuyển động nhiệt và  ~ T ; tức là điện trở tăng nhiệt độ tăng (phù hợp với kết thực nghiệm) Điện trở suất (ở 20oC) và hệ số nhiệt điện trở số kim loại tiêu biểu : Kim loại  (m)  (K-1) Bạc 1,62.10-8 4,1.10-3 Đồng 1,69.10-8 4,3.10-3 Nhôm 2,75.10-8 4,4.10-3 Sắt 9,68.10-8 6,5.10-3 Vonfram 5,25.10-8 4,5.10-3 Constantan 5,21.10-8 0,01.10-3 II) Dòng nhiệt điện : 1) Cặp nhiệt điện - Suất nhiệt điện động : Cho hai dây dẫn kim loại khác tiếp xúc với hai đầu thành mạch kín (có thể hàn hai đầu chúng với nhau) Khi cho hai chỗ tiếp xúc hai nhiệt độ khác thì thí nghiệm A chứng tỏ mạch xuất t1 t2 dòng điện gọi là dòng nhiệt điện; B tức là mạch xuất suất điện động để gây dòng nhiệt điện gọi là suất nhiệt điện động (suất điện động nhiệt điện) điện) Dụng cụ có cấu tạo vừa nói trên gọi là cặp nhiệt điện (hay pin nhiệt điện) điện Cặp nhiệt điện dùng nhiệt kế điện tử đo nhiệt độ cao với độ chính xác lớn xét thí nghiệm sau: oo Cu mA Cu contantan t1 t2 H2O Khi t1= t2 Kim không lệch Khi t1 ≠ t2 → kim bị lệch 2) Giải thích xuất suất nhiệt điện động : Xét hai kim loại khác A và B (có mật độ electron tự nA  nB, chẳng hạn nA > nB) tiếp xúc với đầu Do chuyển động nhiệt, các electron tự khuếch tán qua lại hai dòng khuếch tán từ A sang B lớn dòng khuếch tán từ B sang A A B 2) Giải thích xuất suất nhiệt điện động : Xét hai kim loại khác A và B (có mật độ electron tự nA  nB, chẳng hạn nA > nB) tiếp xúc với đầu Do chuyển động nhiệt, các electron tự khuếch tán qua lại hai dòng khuếch tán từ A sang B lớn dòng khuếch tán từ B sang A Kết : B nhiễm điện âm và A nhiễm điện dương A B 2) Giải thích xuất suất nhiệt điện động : Xét hai kim loại khác A và B (có mật độ electron tự nA  nB, chẳng hạn nA > nB) tiếp xúc với đầu Do chuyển động nhiệt, các electron tự khuếch tán qua lại hai dòng khuếch tán từ A sang B lớn dòng khuếch tán từ B sang A Kết : B nhiễm điện âm và A nhiễm điện dương A B 2) Giải thích xuất suất nhiệt điện động : Tại chỗ tiếp xúc xuất điện trường hướng từ A sang B có tác dụng ngăn cản khuếch tán electron từ A sang B và khuyến khích khuếch tán electron từ B sang A Điện trường này tăng dần khi, đơn vị thời gian electron khuếch tán từ A sang B số electron khuếch tán từ B sang A, thì điện trường nói trên đạt giá trị xác định, hai kim loại có hiệu điện xác định gọi là hiệu điện tiếp xúc Hiệu điện tiếp xúc phụ thuộc vào chất hai kim loại và nhiệt độ nơi tiếp xúc xúc  E A B A + t - t2 + - B Cho hai đầu còn lại hai tiếp xúc với tạo thành mạch kín : + Nhiệt độ hai chỗ tiếp xúc (t1 = t2) : hiệu điện tiếp xúc hai mối hàn có trị số  không có dòng nhiệt điện + Nhiệt độ hai chỗ tiếp xúc khác (t1  t2) : hiệu điện tiếp xúc hai mối hàn khác  mạch có suất điện động có trị số hiệu hai hiệu điện tiếp xúc đó và xuất dòng nhiệt điện Độ chênh lệch nhiệt độ hai chỗ tiếp xúc càng lớn, hai hiệu điện tiếp xúc càng khác và đó suất nhiệt điện động càng lớn lớn Phép tính chứng tỏ suất nhiệt điện động mạch tính theo công thức : k.(T  T ) n E  e ln n2 với T1, T2 là nhiệt độ tuyệt đối hai mối hàn n1, n2 là mật độ electron hai kim loại e là điện tích electron k = 1,38.10-23J/K là số Bônxơman Hay : E = T(T1 – T2) T là hệ số nhiệt điện động, phụ thuộc vào vật liệu làm cặp nhiệt điện động, đơn vị là V/K Vậy : n1 k  T  ln e n2 Một số giá trị hệ số nhiệt điện động T với số cặp kim loại : Cặp kim loại T (V/K) Platin – Platin pharôđi 6,5 Sắt – Đồng 8,6 Sắt – Niken 32,4 Đồng – Constantan 40 Sắt - Constantan 50,4 3) Ứng dụng cặp nhiệt điện : * Dùng làm nguồn điện : + Cặp nhiệt điện kim loại có suất nhiệt điện động nhỏ nên để có suất điện động đủ lớn, người ta thường phải ghép nối tiếp nhiều cặp nhiệt điện lại thành + Cặp nhiệt điện bán dẫn có suất nhiệt điện động lớn kim loại nhiều lần 3) Ứng dụng cặp nhiệt điện : * Dùng để đo nhiệt độ : + Khi đo hiệu điện điểm tiếp xúc thì có thể xác định nhiệt độ mối hàn đó + Cặp nhiệt điện cho phép đo nhiệt độ khoảng rộng, với độ chính xác cao III) Hiện tượng siêu dẫn : Khi nhiệt độ giảm thì điện trở kim loại giảm Ở số kim loại (hay hợp kim), nhiệt độ hạ xuống nhiệt độ TC nào đó thì điện trở kim loại (hay hợp kim) đó giảm đột ngột đến giá trị không III) Hiện tượng siêu dẫn : Khi nhiệt độ giảm thì điện trở kim loại giảm R() Ở số kim loại (hay 0,16 hợp kim), nhiệt độ hạ xuống nhiệt độ TC nào đó thì điện trở kim loại (hay hợp kim) 0,08 đó giảm đột ngột đến giá trị không O T(K) III) Hiện tượng siêu dẫn : Khi nhiệt độ giảm thì điện trở kim loại giảm R() Ở số kim loại (hay 0,16 hợp kim), nhiệt độ hạ xuống nhiệt độ TC nào đó thì điện trở kim loại (hay hợp kim) 0,08 đó giảm đột ngột đến giá trị không Hiện tượng siêu dẫn Kim loại (hay hợp kim) O T(K) đó có tính siêu dẫn Hiện tượng siêu dẫn thủy ngân Giá trị TC(K) số vật liệu Vật liệu TC(K) Thủy ngân 4,15 Kẽm 0,85 Nhôm 1,19 Chì 7,19 Nb3Sn 18 Nb3Al 18,7 HgBa2Ca2Cu3O8 134 Khi vật dẫn trạng thái siêu dẫn, điện trở nó không Dòng điện chạy qua vòng dây siêu dẫn không tiêu hao lượng nên trì lâu sau bỏ nguồn điện Heike K Onnes (giải Nobel Vật lý 1913) Gần kỷ trước, nhà vật lý học người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes gây bất ngờ giới khoa học ông phát ông làm lạnh số kim loại đến nhiệt độ cực thấp thì dòng điện chạy qua chất đó mà không tổn hao tí lượng nào Ngày nay, các nhà khoa học đã ứng dụng phát vào lĩnh vực kỹ thuật dân dụng và kỹ thuật quân dụng Nó có thể làm tăng mạnh tính hiệu lĩnh vực, từ tàu khu trục đến hệ thống đường dây tải điện cho các hộ gia đình và doanh nghiệp Dây siêu dẫn nhiệt độ cao hệ (2G) có chiều rộng 4cm (công ty American Superconductor sản xuất) Ứng dụng thành công lớn chất siêu dẫn là hệ thống giao thông, cụ thể là các tàu có thể “lướt” trên nam châm siêu dẫn Vào tháng 12 năm 2003, tàu Yamanashi MLX01 đã thử nghiệm với vận tốc 581km/giờ TÓM LẠI : * Kim loại là chất dẫn điện tốt, hạt mang điện tự kim loại là electron * Dòng điện kim loại là dòng chuyển dời có hướng các electron tự tác dụng điện trường ngoài * Nguyên nhân gây điện trở kim loại : là “va chạm” các electron tự với các ion dương nằm trật tự mạng tinh thể kim loại Khi nhiệt độ tăng thì điện trở kim loại tăng : R2 = R1(1 + t) 2.m   * Điện trở suất kim loại là : e n.t o k.(T2  T1 ) n1 ln = T(T1 – T2) * Suất nhiệt điện động : E  e n2 Độ chênh lệch nhiệt độ hai chỗ tiếp xúc càng lớn thì suất nhiệt điện động càng lớn * Hiện tượng siêu dẫn là tượng số kim loại (hay hợp kim) có điện trở đột ngột giảm xuống không giảm nhiệt độ xuống giá trị TC nào đó