CHƯƠNG 6 CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG
c. Pin nhiên liệu
6.3. Năng lượng sinh học
6.3.5. Pin sinh học (Biofuel cell)
Thí nghiệm về pin sinh học được thực hiện đầu tiên vào năm 1910 bởi Potter: nhúng điện cực platin và dịch ni cấy yếm khí có H2 và nấm men hoặc E-coli, thấy xuất hiện điện thế âm so với điện thế dương của điện cực Pt đặt trong môi trường vô trùng có O2 đạt hiệu điện thế 0,3 – 0,5V, cường độ dòng điện 0,2mA.
Ngày nay pin sinh học được phát triển và có nhiều ứng dụng. Pin sinh học đơn giản sử dụng các chất khơng tích điện.
151
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1/ 2/ 3/ 4/ 5/
6/ Nhập môn công nghệ sinh học – phạm thành hổ - nhà xuất bản giáo dục việt nam – 2013
152
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỪ TRƯỜNG VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ .......................................... 1
1.1. Từ trường .................................................................................................................. 1
1.1.1. Khái niệm từ trường ............................................................................................. 1
1.1.2. Các đại lượng đặc trưng cho từ trường ................................................................. 1
a. Vectơ cảm ứng từ ................................................................................................... 1
b. Vectơ cường độ từ trường ....................................................................................... 2
1.1.3. Từ trường của một số dòng điện đặc biệt .............................................................. 3
a. Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng dài ........................................... 3
b. Từ trường của dịng điện trịn.................................................................................. 5
1.2. Từ thơng. Định lý Oxtrogratxki – Gaux đối với từ trường ..................................... 6
1.2.1. Từ thông .............................................................................................................. 6
1.2.2. Định lý Oxtrogratxki đối với từ trường ................................................................. 7
1.3. Lực từ. Công của lực từ ............................................................................................ 8
1.3.1. Lực từ .................................................................................................................. 8
a. Định luật Ampe ...................................................................................................... 8
b. Tác dụng của từ trường lên một phần tử dòng điện ................................................. 9
1.3.2. Công của lực từ .................................................................................................. 10
1.3.3. Định lý Ampe về lưu số của vectơ cường độ từ trường: ...................................... 11
a. Lưu số của vectơ cường độ từ trường .................................................................... 11
b. Định lý Ampe về dịng điện tồn phần .................................................................. 11
1.4. Hiện tượng cảm ứng điện từ ................................................................................... 12
1.4.1. Thí nghiệm và định nghĩa hiện tượng cảm ứng điện từ ....................................... 12
1.4.2. Các định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ ......................................... 13
1.4.3. Hiện tượng tự cảm ............................................................................................. 14
a. Thí nghiệm về hiện tượng tự cảm .......................................................................... 14
b. Suất điện động tự cảm .......................................................................................... 15
1.4.4. Hiện tượng hỗ cảm ............................................................................................. 16
a. Hiện tượng ............................................................................................................ 16
b. Suất điện động hỗ cảm. Độ hỗ cảm ....................................................................... 16
1.5. Năng lượng từ trường ............................................................................................. 17
1.5.1. Năng lượng của từ trường của ống dây điện ....................................................... 17
1.5.2. Năng lượng của từ trường bất kỳ ........................................................................ 19
CHƯƠNG 2: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ ..................................... 25
2.1. Trường điện từ ........................................................................................................ 25
2.1.1. Luận điểm thứ nhất của Măcxoen ....................................................................... 25
2.1.2. Luận điểm thứ hai của Măcxoen......................................................................... 27
2.1.3. Trường điện từ ................................................................................................... 30
2.1.4. Hệ thống các phương trình Măcxoen .................................................................. 31
a. Phương trình Măcxoen – Farađây ......................................................................... 31
b. Phương trình Măcxoen – Ampe ............................................................................ 31
c. Định lý Oxtrogratxki – Gaox đối với điện trường .................................................. 33
d. Định lý Oxtragratxki - Gaox đối với từ trường ...................................................... 33
2.2. Dao động điện từ ..................................................................................................... 33
2.2.1. Dao động điện từ điều hòa.................................................................................. 34
a. Hiện tượng ............................................................................................................ 34
b. Phương trình dao động điện từ điều hịa ................................................................ 35
2.2.2. Dao động điện từ tắt dần .................................................................................... 37
a. Hiện tượng ............................................................................................................ 37
b. Phương trình dao động điện từ tắt dần .................................................................. 37
2.2.3. Dao động điện từ cưỡng bức .............................................................................. 37
153
2.3.1. Sự hình thành và khái niệm sóng điện từ ............................................................ 38
2.3.2. Các tính chất của sóng điện từ ............................................................................ 39
a. Hệ phương trình Măcxoen của sóng điện từ .......................................................... 39
b. Những tính chất tổng qt của sóng điện từ .......................................................... 40
c. Năng lượng và năng thơng sóng điện từ ................................................................ 41
2.3.3. Thang sóng điện từ ............................................................................................. 42
CHƯƠNG 3 : QUANG SÓNG – QUANG LƯỢNG TỬ ........................................ 44
3.1. Cơ sở của quang học sóng ....................................................................................... 45
3.1.1. Thuyết sóng điện từ về ánh sáng ........................................................................ 45
3.1.2. Nguyên lý Huyghen – Fresnel ............................................................................ 45
3.1.3. Khái niệm quang lộ ............................................................................................ 46
3.1.4. Các đại lượng trắc quang .................................................................................... 47
a. Quang thông ......................................................................................................... 47
b. Độ sáng ................................................................................................................ 47
c. Độ rọi ................................................................................................................... 48
3.2. Giao thoa ánh sáng .................................................................................................. 49
3.2.1. Giao thoa ánh sáng cho bởi hai nguồn kết hợp.................................................... 49
a. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp ................................................................... 50
b. Hiện tượng giao thoa ............................................................................................ 50
3.2.2. Giao thoa bản mỏng - Bản mỏng có bề dày thay đổi ........................................... 52
a. Vân cùng độ dày .................................................................................................. 52
b. Vân của nêm khơng khí ........................................................................................ 54
c. Vân trịn Niutơn .................................................................................................... 55
3.2.3. Bản mỏng có bề dày khơng đổi – Vân cùng độ nghiêng ..................................... 56
3.3. Nhiễu xạ ánh sáng ................................................................................................... 57
3.3.1. Nhiễu xạ sóng cầu .............................................................................................. 57
a. Biểu thức của dao động sáng tại M ....................................................................... 57
b. Phương pháp đới cầu Frenen................................................................................. 58
3.3.2. Nhiễu xạ sóng phẳng qua một khe hẹp ............................................................... 61
3.4. Phân cực ánh sáng ................................................................................................... 63
3.4.1. Hiện tượng phân cực ánh sáng ........................................................................... 63
a. Ánh sáng tự nhiên ................................................................................................. 63
b. Ánh sáng phân cực ............................................................................................... 63
c. Phân cực ánh sáng do phản xạ và khúc xạ ............................................................. 64
d. Phân cực do lưỡng chiết........................................................................................ 64
3.4.2. Định luật Maluyt ................................................................................................ 66
3.5. Cơ sở của quang học lượng tử ................................................................................ 67
3.5.1. Thuyết lượng tử Planck ...................................................................................... 67
a. Sự thất bại của thuyết sóng ánh sáng trong việc giải thích hiện tượng bức xạ nhiệt 67 b. Thuyết lượng tử của Plăng .................................................................................... 67
3.5.2. Thuyết phôtôn Anhxtanh .................................................................................... 68
3.6. Hiện tượng quang điện............................................................................................ 69
3.6.1. Hiện tượng quang điện ngoài và ứng dụng ......................................................... 69
3.6.2. Hiện tượng quang điện trong và ứng dụng .......................................................... 70
a. Hiện tượng quang điện trong ................................................................................. 70
b. Ứng dụng ............................................................................................................. 70
CHƯƠNG 4. CƠ SỞ CỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ - VẬT LÝ LƯỢNG TỬ VÀ HẠT NHÂN.............................................................................................................. 78
4.1. Cơ sở của cơ học lượng tử ....................................................................................... 78
4.1.1. Tính chất sóng hạt của vi hạt .............................................................................. 78
4.1.2. Hàm sóng và ý nghĩa thống kê của hàm sóng ..................................................... 80
a. Hàm sóng ............................................................................................................. 80
b. Ý nghĩa thống kê của hàm sóng ............................................................................ 80
154
4.1.3. Hệ thức bất định Haidenbec (Haisenberg) .......................................................... 81
a. Hệ thức bất định ................................................................................................... 81
b. Ý nghĩa triết học của hệ thức Haidenbec ............................................................... 84
4.1.4. Phương trình sóng Srơ- đing- gơ ........................................................................ 84
4.1.5. Hạt trong hố thế một chiều ................................................................................. 85
4.2. Nguyên tử Hiđrô – Nguyên tử kim loại kiềm ......................................................... 86
4.2.1. Nguyên tử Hiđrô ................................................................................................ 86
a. Chuyển động của electron trong nguyên tử Hiđrô ................................................. 86
b. Các kết luận .......................................................................................................... 89
4.2.2. Nguyên tử kim loại kiềm .................................................................................... 92
a. Năng lượng của electron hóa trị trong nguyên tử kim loại kiềm ............................ 92
b. Quang phổ của nguyên tử kim loại kiềm ............................................................... 93
4.3. Mômen động lượng – Mômen từ - Spin của điện tử .............................................. 94
4.3.1. Mômen động lượng ............................................................................................ 94
4.3.2. Mômen từ .......................................................................................................... 94
4.3.3. Spin của điện tử ................................................................................................. 95
4.4. Cấu tạo và tính chất của hạt nhân .......................................................................... 97
4.4.1. Cấu tạo hạt nhân ................................................................................................ 97
4.4.2. Lực hạt nhân ...................................................................................................... 98
4.4.3. Độ hụt khối và năng lượng liên kết .................................................................... 98
4.5. Tương tác hạt nhân ............................................................................................... 100
4.5.1. Tương tác và phản ứng hạt nhân ....................................................................... 100
4.5.2. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân .............................................. 100
4.5.3. Hiện tượng phóng xạ ........................................................................................ 101
a. Định luật phân rã ................................................................................................ 101
b. Quy tắc di chuyển. Họ phóng xạ tự nhiên ........................................................... 103
c. Cân bằng phóng xạ ............................................................................................. 103 d. Phóng xạ nhân tạo .............................................................................................. 104 4.5.4. Phân hạch, nhiệt hạch và ứng dụng................................................................... 104 a. Phân hạch ........................................................................................................... 104 b. Nhiệt hạch .......................................................................................................... 105 CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU ....................................................................................... 110
5.1. Vật liệu điện và một số các hiện tượng điển hình ................................................ 110
5.1.1. Vật liệu dẫn điện .............................................................................................. 110
5.1.2. Hiện tượng tiếp xúc và hiệu điện thế tiếp xúc ................................................... 111
a. Cơng thốt electron ............................................................................................. 111
b. Hiệu điện thế tiếp xúc ......................................................................................... 111
5.1.3. Hiệu ứng nhiệt điện .......................................................................................... 112
5.1.4. Hiệu ứng Hall .................................................................................................. 112
5.1.5. Vật liệu cách điện và hiện tượng phân cực điện môi ......................................... 113
a. Hiện tượng phân cực điện mơi ............................................................................ 113
b. Giải thích hiện tượng phân cực điện mơi đối với điện môi đồng chất .................. 113
5.2. Vật liệu từ .............................................................................................................. 114 5.2.1. Sự từ hóa vật liệu ............................................................................................. 114 5.2.2. Mơmen từ ngun tử ........................................................................................ 115 5.2.3. Nghịch từ, thuận từ và sắt từ ............................................................................ 117 a. Nghịch từ ............................................................................................................ 117 b. Thuận từ ............................................................................................................. 118 c. Sắt từ .................................................................................................................. 118 5.3. Vật liệu bán dẫn .................................................................................................... 119
5.3.1. Lý thuyết vùng năng lượng .............................................................................. 119
a. Khái niệm vùng năng lượng ................................................................................ 119
5.3.2. Bán dẫn tinh khiết và bán dẫn pha tạp .............................................................. 120
155 b. Bán dẫn tạp chất ................................................................................................. 120 5.3.3. Ứng dụng của chất bán dẫn .............................................................................. 121 a. Triôt bán dẫn ...................................................................................................... 122 b. Vài nét về vi điện tử ........................................................................................... 122 5.4. Máy phát lượng tử ................................................................................................ 123
5.4.1. Nguyên lý chung của máy phát lượng tử .......................................................... 123
5.4.2. Các tính chất đặc trưng của laser ...................................................................... 124
5.4.3. Ứng dụng của tia laser ...................................................................................... 125
b. Trong kỹ thuật in chụp và tạo ảnh ba chiều ......................................................... 125
c. Trong công nghệ thông tin .................................................................................. 125
d. Trong kỹ thuật cắt, phẫu thuật, gia công vật liệu ................................................. 126
5.5. Vật liệu mới và xu hướng phát triển của công nghệ vật liệu hiện nay ................ 126
5.5.1. Siêu dẫn và ứng dụng ....................................................................................... 126
a. Tính chất siêu dẫn và nhiệt độ tới hạn ................................................................. 126
b. Ứng dụng ........................................................................................................... 127
5.5.2. Nanô và ứng dụng ............................................................................................ 128
a. Vật liệu nano ...................................................................................................... 128
b. Chế tạo vật liệu nano .......................................................................................... 129
c. Ứng dụng vật liệu nano ....................................................................................... 130
CHƯƠNG 6. CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ...................................................... 132
6.1. Các nguồn năng lượng truyền thống không tái tạo ............................................. 132
6.1.1. Than đá, củi ..................................................................................................... 132
6.1.2. Dầu mỏ ............................................................................................................ 132
6.1.3. Năng lượng hạt nhân ........................................................................................ 133
6.2. Các nguồn năng lượng tái tạo ............................................................................... 133
6.2.1. Năng lượng mặt trời ......................................................................................... 133
a. Sử dụng năng lượng Mặt trời .............................................................................. 134
b. Nguyên lý biến đổi quang – nhiệt ....................................................................... 134
c. Nhiệt độ cao ....................................................................................................... 135
d. Hiệu ứng quang điện. Pin mặt trời ...................................................................... 136
6.2.2. Thủy điện ......................................................................................................... 137
a. Tuabin thủy lực ................................................................................................... 137
b. Công suất tổ máy thủy điện................................................................................. 137
c. Sử dụng thủy điện ............................................................................................... 138
6.2.3. Năng lượng gió ................................................................................................ 138
a. Nguyên lý làm việc của động cơ gió trục ngang .................................................. 138
b. Chọn số cánh và hệ thống tự điều chỉnh hướng gió ............................................. 138
6.2.4. Năng lượng địa nhiệt ........................................................................................ 139
a. Cấu tạo ............................................................................................................... 139
b. Tiềm năng các nguồn địa nhiệt ở Việt Nam ........................................................ 142
6.2.5. Năng lượng thủy triều ...................................................................................... 142
a. Nguồn gốc của thủy triều .................................................................................... 142
b. Ứng dụng năng lượng thủy triều ......................................................................... 143
6.2.6. Nhiên liệu hiđrô ............................................................................................... 143
a. Những điểm ưu việt của nhiên liệu hiđrô (H2) ..................................................... 143
b. Sản xuất hiđrô .................................................................................................... 144
c. Pin nhiên liệu ...................................................................................................... 145
6.3. Năng lượng sinh học .............................................................................................. 147
6.3.1. Chiến lược sử dụng sinh khối thực vật .............................................................. 147
6.3.2. Sự phát triển sản xuất ethanol nhiên liệu .......................................................... 148
6.3.3. Lên men methane ............................................................................................. 149
6.3.4. Biohydrogen – nguồn năng lượng lý tưởng ...................................................... 149
6.3.5. Pin sinh học (Biofuel cell) ................................................................................ 150