Bài 13. Dòng điện trong kim loại

Chương III :
DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG
1. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT RẮN : KIM LOẠI VÀ BÁN DẪN
Chương III :
DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG
2. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT LỎNG : CHẤT ĐIỆN PHÂN
3. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ : KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ KÉM
4. DÒNG ĐIỆN TRONG CHÂN KHÔNG
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
Chương III :
DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG
I) Dòng điện trong kim loại :
Các ion kim loại được sắp xếp một cách đều đặn theo một trật tự nhất định trong không gian, tạo thành mạng tinh thể.
1) Cấu trúc tinh thể của kim loại :

Electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại dễ mất liên kết với hạt nhân để trở thành electron tự do, các nguyên tử (nằm ở các nút mạng) trở thành những ion dương; giữa các ion dương đó và các electron tự do có lực hút tĩnh điện.
Tổng điện tích âm của các electron tự do có trị số tuyệt đối đúng bằng điện tích dương của các ion, nên bình thường, kim loại trung hòa về điện.
Ở nhiệt độ bình thường, các ion chỉ dao động nhiệt quanh các vị trí cân bằng của chúng, còn các electron thì có thể chuyển động tự do trong khoảng không gian giữa các ion bên trong vật thể kim loại.
Do đó, kim loại là chất dẫn điện tốt.
2) Bản chất dòng điện trong kim loại :
a) Khi không có điện trường ngoài :
Các electron tự do chỉ chuyển động nhiệt hỗn loạn, nên tính trung bình, trong cùng một thời gian, lượng electron chuyển động theo một phương bất kỳ nào đó luôn bằng lượng electron chuyển động theo chiều ngược lại; nghĩa là trong kim loại không có dòng điện.
Chuyển động nhiệt hỗn độn của một electron
Khi không có điện trường ngoài, trong kim loại không có dòng điện
Chuyển động nhiệt hỗn độn của một electron
Khi không có điện trường ngoài, trong kim loại không có dòng điện
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 một chuyển động phụ theo một chiều xác định ngược chiều điện trường; đó là chuyển động có hướng của các electron; nghĩa là trong kim loại xuất hiện dòng điện.
Khi có điện trường ngoài, trong kim loại sẽ xuất hiện dòng điện
Chuyển động phụ (có hướng)
CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON
Chuyển động nhiệt hỗn loạn
Chuyển động thực
Khi có điện trường ngoài, trong kim loại sẽ xuất hiện dòng điện
Chuyển động phụ (có hướng)
CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON
Chuyển động nhiệt hỗn loạn
Chuyển động thực
Vậy : Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường ngoài.

3) Nguyên nhân gây ra điện trở của dây dẫn kim loại và hiện tượng tỏa nhiệt của dây dẫn kim loại :
* Nguyên nhân gây ra điện trở : là sự “va chạm” của các electron tự do (trong quá trình chuyển động có hướng) với các ion dương nằm mất trật tự trong mạng tinh thể kim loại.
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
E
* Giữa hai “va chạm” liên tiếp, các electron chuyển động có gia tốc dưới tác dụng của lực điện trường và thu được một năng lượng xác định (ngoài năng lượng chuyển động nhiệt hỗn loạn); năng lượng này được truyền một phần (hay hoàn toàn) cho các ion dương khi “va chạm” và biến thành năng lượng dao động của các ion quanh vị trí cân bằng, tức là biến thành nhiệt.
Do đó, khi có dòng điện chạy qua, dây dẫn kim loại nóng lên.
Vài ứng dụng tác dụng nhiệt của dòng điện đối với kim loại
* Khi nhiệt độ tăng, các ion dương dao động mạnh hơn, vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt của các electron cũng tăng, vì vậy khả năng “va chạm” giữa electron và ion dương trong quá trình chuyển động có hướng của electron sẽ tăng lên; tức là :
* Các kim loại khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau và mật độ electron tự do khác nhau nên điện trở suất của các kim loại khác nhau là khác nhau.
Rt = Ro(1 + t) và R2 = R1(1 + t)
Hệ số nhiệt điện trở  > 0
Điện trở của kim loại sẽ tăng khi nhiệt độ tăng.
+
-
-
-
+
+
+
+
+
+
E
4) Thiết lập định luật Ohm nhờ thuyết điện tử :
Giả thiết rằng :
+ Giữa hai “va chạm” kế tiếp, electron đi được những quãng như nhau, bằng quãng đường tự do trung bình của electron.
+ Trong mỗi “va chạm” electron truyền hoàn toàn cho mạng tinh thể năng lượng mà nó thu được trong chuyển động có hướng, dưới tác dụng của lực điện; nghĩa là sau mỗi “va chạm”, electron lại bắt đầu chuyển động có hướng không vận tốc đầu.
Gọi U là hiệu điện thế giữa hai đầu hình trụ; E là cường độ điện trường bên trong vật dẫn, ta có :
Xét một phần của đoạn mạch điện là một vật dẫn kim loại hình trụ, chiều dài L, tiết diện S.
Gia tốc của chuyển động có hướng của các electron dưới tác dụng của lực điện trường F = eE là :
Gọi to là khoảng thời gian trung bình giữa hai lần “va chạm”, ta có vận tốc của electron ở cuối quãng đường tự do trung bình
Vận tốc trung bình của chuyển động có hướng của các
electron :
Mật độ dòng điện trong kim loại :
trong đó n :là nồng độ electron tự do trong kim loại.
Cường độ dòng điện trong vật dẫn :
Công thức (*) cho thấy dòng điện I tỉ lệ thuận với hiệu
điện thế U hai đầu vật dẫn, phù hợp với kết quả thực nghiệm
về định luật Ohm; từ đó ta có biểu thức cho điện trở của vật
dẫn kim loại hình trụ :
m, e và n không phụ thuộc vào nhiệt độ
phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách giữa các ion trong mạng tinh thể và do đó phụ thuộc rất ít vào nhiệt độ.

(T là nhiệt độ tuyệt đối)
Vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt của electron thì tỉ lệ với

Thời gian to : phụ thuộc vào
và vận tốc chuyển động nhiệt của electron
Mà

Vậy : điện trở suất chỉ phụ thuộc nhiệt độ thông qua vận tốc
của chuyển động nhiệt và
; tức là điện trở tăng khi
nhiệt độ tăng (phù hợp với kết quả thực nghiệm)
Vận tốc của chuyển động nhiệt càng lớn thì va chạm xảy ra càng nhiều và thời gian to càng ngắn nên :
Điện trở suất (ở 20oC) và hệ số nhiệt điện trở
của một số kim loại tiêu biểu :
II) Dòng nhiệt điện :
Cho hai dây dẫn kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau ở hai đầu thành một mạch kín (có thể hàn hai đầu của chúng với nhau).
1) Cặp nhiệt điện - Suất nhiệt điện động :
Khi cho hai chỗ tiếp xúc ở hai nhiệt độ khác nhau thì thí nghiệm chứng tỏ trong mạch xuất hiện một dòng điện gọi là dòng nhiệt điện; tức là trong mạch xuất hiện một suất điện động để gây ra dòng nhiệt điện gọi là suất nhiệt điện động (suất điện động nhiệt điện).
Dụng cụ có cấu tạo như vừa nói trên được gọi là cặp nhiệt điện (hay pin nhiệt điện).
Cặp nhiệt điện được dùng trong nhiệt kế điện tử đo được nhiệt độ cao với độ chính xác lớn
Khi t1= t2
Kim không lệch.
Khi t1 ≠ t2
→ kim bị lệch.
xét thí nghiệm sau:
2) Giải thích sự xuất hiện của suất nhiệt điện động :

Xét hai thanh kim loại khác nhau A và B (có mật độ electron tự do nA  nB, chẳng hạn nA > nB) tiếp xúc với nhau ở một đầu.
Do chuyển động nhiệt, các electron tự do sẽ khuếch tán qua lại giữa hai thanh nhưng dòng khuếch tán từ A sang B lớn hơn dòng khuếch tán từ B sang A.
A
B
2) Giải thích sự xuất hiện của suất nhiệt điện động :

Xét hai thanh kim loại khác nhau A và B (có mật độ electron tự do nA  nB, chẳng hạn nA > nB) tiếp xúc với nhau ở một đầu.
Do chuyển động nhiệt, các electron tự do sẽ khuếch tán qua lại giữa hai thanh nhưng dòng khuếch tán từ A sang B lớn hơn dòng khuếch tán từ B sang A.
Kết quả : B nhiễm điện âm và A nhiễm điện dương.
A
B
2) Giải thích sự xuất hiện của suất nhiệt điện động :

Xét hai thanh kim loại khác nhau A và B (có mật độ electron tự do nA  nB, chẳng hạn nA > nB) tiếp xúc với nhau ở một đầu.
Do chuyển động nhiệt, các electron tự do sẽ khuếch tán qua lại giữa hai thanh nhưng dòng khuếch tán từ A sang B lớn hơn dòng khuếch tán từ B sang A.
Kết quả : B nhiễm điện âm và A nhiễm điện dương.
A
B
2) Giải thích sự xuất hiện của suất nhiệt điện động :

Tại chỗ tiếp xúc xuất hiện một điện trường hướng từ A sang B có tác dụng ngăn cản sự khuếch tán của electron từ A sang B và khuyến khích sự khuếch tán electron từ B sang A.
Điện trường này tăng dần cho đến khi, trong một đơn vị thời gian electron khuếch tán từ A sang B bằng số electron khuếch tán từ B sang A, thì điện trường nói trên đạt một giá trị xác định, giữa hai thanh kim loại có một hiệu điện thế xác định gọi là hiệu điện thế tiếp xúc.
Hiệu điện thế tiếp xúc phụ thuộc vào bản chất của hai kim loại và nhiệt độ tại nơi tiếp xúc.
Cho hai đầu còn lại của hai thanh tiếp xúc với nhau tạo thành mạch kín :
+ Nhiệt độ ở hai chỗ tiếp xúc như nhau (t1 = t2) : hiệu điện thế tiếp xúc ở hai mối hàn có trị số bằng nhau  không có dòng nhiệt điện.
+ Nhiệt độ ở hai chỗ tiếp xúc khác nhau (t1  t2) : hiệu điện thế tiếp xúc ở hai mối hàn khác nhau  trong mạch có suất điện động có trị số bằng hiệu hai hiệu điện thế tiếp xúc đó và xuất hiện dòng nhiệt điện.
Độ chênh lệch nhiệt độ ở hai chỗ tiếp xúc càng lớn, hai hiệu điện thế tiếp xúc càng khác nhau và do đó suất nhiệt điện động càng lớn.
A
+
t1
-
B
+
-
t2
Phép tính chứng tỏ suất nhiệt điện động trong mạch được tính theo công thức :
với T1, T2 là nhiệt độ tuyệt đối của hai mối hàn
n1, n2 là mật độ electron của hai kim loại
e là điện tích của electron
k = 1,38.10-23J/K là hằng 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
Một số giá trị của hệ số nhiệt điện động T với một số cặp kim loại :
3) Ứng dụng của cặp nhiệt điện :
* Dùng làm nguồn điện :
+ Cặp nhiệt điện kim loại có suất nhiệt điện động rất nhỏ
nên để có suất điện động đủ lớn, người ta thường phải ghép
nối tiếp nhiều cặp nhiệt điện lại thành bộ.
+ Cặp nhiệt điện bán dẫn có suất nhiệt điện động lớn hơn
của kim loại nhiều lần.
3) Ứng dụng của cặp nhiệt điện :
* Dùng để đo nhiệt độ :
+ Khi đo được hiệu điện thế tại điểm tiếp xúc thì có thể
xác định được nhiệt độ của mối hàn đó.
+ Cặp nhiệt điện cho phép đo nhiệt độ trong những khoảng rất rộng, với độ chính xác cao.
III) Hiện tượng siêu dẫn :
Khi nhiệt độ giảm đều thì điện trở của kim loại cũng giảm đều.
Ở một số kim loại (hay hợp kim), khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ TC nào đó thì điện trở của kim loại (hay hợp kim) đó giảm đột ngột đến giá trị bằng không.
III) Hiện tượng siêu dẫn :
Khi nhiệt độ giảm đều thì điện trở của kim loại cũng giảm đều.
Ở một số kim loại (hay hợp kim), khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ TC nào đó thì điện trở của kim loại (hay hợp kim) đó giảm đột ngột đến giá trị bằng không.
III) Hiện tượng siêu dẫn :
Khi nhiệt độ giảm đều thì điện trở của kim loại cũng giảm đều.
Ở một số kim loại (hay hợp kim), khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ TC nào đó thì điện trở của kim loại (hay hợp kim) đó giảm đột ngột đến giá trị bằng không.
Hiện tượng siêu dẫn đối với thủy ngân
Kim loại (hay hợp kim) đó có tính siêu dẫn
Giá trị TC(K) của một số vật liệu
Khi vật dẫn ở trạng thái siêu dẫn, điện trở của nó bằng không.
Dòng điện chạy qua vòng dây siêu dẫn sẽ không tiêu hao năng lượng nên sẽ duy trì rất lâu sau khi bỏ nguồn điện đi.
Gần một thế kỷ trước, nhà vật lý học người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes gây bất ngờ cả thế giới khoa học khi ông phát hiện ra rằng nếu ông làm lạnh 1 số kim loại đến 1 nhiệt độ cực thấp thì dòng điện sẽ chạy qua chất đó mà không tổn hao tí năng lượng nào.
Heike K. Onnes (giải Nobel Vật lý 1913)
Ngày nay, các nhà khoa học đã ứng dụng những phát hiện mới vào lĩnh vực kỹ thuật dân dụng và kỹ thuật quân dụng. Nó có thể làm tăng mạnh tính hiệu quả trong mọi lĩnh vực, từ tàu khu trục đến hệ thống đường dây tải điện cho các hộ gia đình và doanh nghiệp.
TÓM LẠI :
* Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường ngoài.
* Nguyên nhân gây ra điện trở trong kim loại : là sự “va chạm” của các electron tự do với các ion dương nằm mất trật tự trong mạng tinh thể kim loại.
Khi nhiệt độ tăng thì điện trở của kim loại tăng : R2 = R1(1 + t)
* Kim loại là một chất dẫn điện tốt, hạt mang điện tự do trong kim loại là electron
Độ chênh lệch nhiệt độ ở hai chỗ tiếp xúc càng lớn thì suất nhiệt điện động càng lớn.
* Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng một số kim loại (hay hợp kim) có điện trở đột ngột giảm xuống không khi giảm nhiệt độ xuống một giá trị TC nào đó.