Bài 13. Dòng điện trong kim loại

1
CHƯƠNG III
DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG
2
BÀI 13
DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
3
I. BẢN CHẤT DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI


I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại.


4
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
Trong kim loại, các ion dương liên kết với nhau và sắp xếp 1 cách có trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại.

Các ion dao động quanh các vị trí cân bằng xác định, xung quanh có các electron tự do chuyển động hỗn loạn.

Hạt mang điện trong kim loại là electron mang điện âm và ion dương.


5
Nguyên tử đồng mất e hóa trị trở thành ion dương
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
Sự tạo thành các hạt mang điện
6
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
Sự tạo thành các hạt mang điện.

Nguyên tử → ion dương + electron tự do.

Nguyên tử bị mất electron hóa trị trở thành ion dương, các ion dương liên kết với nhau một cách có trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại.

Các electron hóa trị tách khỏi nguyên tử tạo thành các electron tự do với mật độ không đổi.

7
Khi chưa có điện trường ngoài, các electron tự do chuyển động hỗn loạn, chưa tạo thành dòng điện.


I. Bản chất dòng điện trong kim loại
Chuyển động của electron khi chưa có điện trường ngoài.

Khi chưa có điện trường ngoài, các electron chuyển động như thế nào?

8
Khi đặt kim loại vào điện trường ngoài, dưới tác dụng của điện trường ngoài các electron tự do chuyển động ngược chiều điện trường tạo thành dòng điện.


I. Bản chất dòng điện trong kim loại
Hiện tượng gì xảy ra khi đặt kim loại vào điện trường ngoài?

9
Trong quá trình chuyển động có hướng dưới tác dụng của điện trường ngoài, các electron sẽ va chạm với ion ở nút mạng, làm cản trở chuyển động có hướng của chúng.
Va chạm giữa các ion dương ở nút mạng và electron chuyển động có hướng là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại.
Sự va chạm giữa các electron và ion dương khi có điện trường
+
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
10


→ Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại.

I. Bản chất dòng điện trong kim loại
Ngoài ra, các yếu tố sau cũng là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại:

+ Chuyển động nhiệt của các ion trong mạng tinh thể.
+ Sự méo mạng tinh thể do biến dạng cơ của khối kim loại.
+ Sự tồn tại của các nguyên tử lạ trong khối kim loại.


Các yếu tố trên đều tạo nên sự mất trật tự của mạng tinh thể.

11
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại.


Trong kim loại các nguyên tử mất electron hóa trị và trở thành ion dương. Các ion dương liên kết với nhau một cách trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại. Nhiệt độ càng cao, dao động nhiệt của các ion càng mạnh, tinh thể càng trở nên mất trật tự.

Các electron hóa trị tách khỏi nguyên tử trở thành các electron tự do với mật độ không đổi, chúng chuyển động hỗn loạn trở thành khí e- tự do chiếm toàn bộ thể tích kim loại, nhưng chưa tạo thành dòng điện.

Lực điện trường sẽ tác dụng làm các electron tự do chuyển động ngược chiều điện trường tạo ra dòng điện trong kim loại.

Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại.

12

Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường ngoài.


I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại.


13
II. SỰ PHỤ THUỘC CỦA ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA KIM LOẠI THEO NHIỆT ĐỘ.


I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại vào nhiệt độ
Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm.
14
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
Thực nghiệm đã chứng tỏ điện trở suất (ρ) của kim loại biến thiên theo nhiệt độ gần đúng với hàm bậc nhất:
Trong đó 0 là điện trở suất ở t0oC (thường lấy 20oC), α là hệ số nhiệt điện trở có đơn vị đo là K- 1 (hệ số nhiệt điện trở của mỗi kim loại không những phụ thuộc vào nhiệt độ, mà còn cả độ sạch và chế độ gia công vật liệu).
→ Điện trở suất của kim loại biến thiên tỉ lệ thuận với nhiệt độ.
15
Điện trở suất và hệ số nhiệt điện trở của một số kim loại.

Kim loại
0 (Ωm)
α(K-1 )
Bạc
Đồng
Bạch kim
Nhôm
Sắt
1,62.10-8
10,6.10-8
1,69.10-8
2,75.10-8
9,68.10-8
Vonfram
5,25.10-8
4,1.10-3
4,3.10-3
3,9.10-3
4,4.10-3
6,5.10-3
4,5.10-3
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
16
III. ĐIỆN TRỞ CỦA KIM LOẠI Ở NHIỆT ĐỘ THẤP VÀ HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN.


I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp.


Khi nhiệt độ càng giảm, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự nên sự cản trở của nó đến các electron càng ít, điện trở suất của kim loại giảm liên tục.
Khi nhiệt độ đến gần giá trị 0K điện trở của các kim loại sạch đều rất bé.

Các kim loại khác nhau thì có điện trở khác nhau.
17
2. Hiện tượng siêu dẫn.


I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
a. Kết quả thu được từ thực nghiệm.

18
Quan sát đồ thị thu được hãy cho biết sự phụ thuộc của diên trở của cột thủy ngân vào nhiệt độ? Nhận xét sự thay đổi điện trở của cột thủy ngân ở nhiệt độ 4K?
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
19
Hiện tượng khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ Tc nào đó, điện trở của kim loại (hay hợp kim) giảm đột ngột đến giá trị bằng không được gọi là hiện tượng siêu dẫn.

I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
b. Hiện tượng siêu dẫn.
20
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
- Chế tạo ra những nam châm điện có cuộn dây làm bằng vật liệu siêu dẫn.

Ưu điểm:
- Không tổn hao năng lượng do không có điện trở.
- Tiết kiệm vật liệu chế tạo.

c. Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn.

21
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
- Chế tạo ra đường dây cáp siêu dẫn trong việc truyền tải điện năng đi xa.

Ưu điểm:
- Tạo ra từ trường mạnh trong thời gian dài.
- Không hao phi năng lượng và không tỏa nhiệt.

c. Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn.

22
Nam châm điện có cuộn dây siêu dẫn lớn nhất thế giới.
Dây cáp siêu dẫn
23
IV. HIỆN TƯỢNG NHIỆT ĐIỆN.



dây constantan
dây đồng
Hiện tượng gì xảy ra khi dùng đèn cồn tăng độ chênh lệch của 2 mối hàn A và B bằng cách làm nóng một mối hàn?

I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
IV. Hiện tượng nhiệt điện
1. Thí nghiệm
1. Thí nghiệm.

24
Trong mạch xuất hiện dòng điện (dòng nhiệt điện), chứng tỏ có tồn tại suất điện động trong mạch.

I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
IV. Hiện tượng nhiệt điện
1. Thí nghiệm
2. Kết quả
2. Kết quả thí nghiệm.


Suất điện động xuất hiện trong mạch được gọi là suất điện động nhiệt điện.
(Suất điện động này tuy nhỏ nhưng ổn định theo thời gian và điều kiện làm thí nghiệm).
25
Giải thích:


I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
IV. Hiện tượng nhiệt điện
1. Thí nghiệm
2. Kết quả
A
B
nA > nB
+
+
_
_
G
+
+
_
_
+
+
_
_
A
A
B
Utx
E
1
2
26
Giải thích:

I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
IV. Hiện tượng nhiệt điện
1. Thí nghiệm
2. Kết quả
T1 = T2 → Utx1 = Utx2 → không xuất hiện suất điện động nhiệt điện.
T1 ≠ T2 → Utx1 ≠ Utx2 → trong mạch xuất hiện suất điện động nhiệt điện có trị số bằng hiệu điện thế tiếp xúc.
27
Thí nghiệm đã chứng tỏ:
Trong đó (T1 – T2 ) là hiệu nhiệt độ ở hai đầu nóng và lạnh, αt là hệ số nhiệt điện động, phụ thuộc vào bản chất kim loại và vật liệu dùng làm cặp nhiệt điện.
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
IV. Hiện tượng nhiệt điện
1. Thí nghiệm
2. Kết quả
28
Hiện tượng nhiệt điện.
Hiện tượng tạo thành dòng điện trong một mạch kín tạo bởi 2 kim loại khác nhau khi giữ nhiệt độ ở 2 đầu mối hàn khác nhau được gọi là hiện tượng nhiệt điện.
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
IV. Hiện tượng nhiệt điện
1. Thí nghiệm
2. Kết quả
29
Một số giá trị của hệ số nhiệt điện động của một số kim loại.

Sắt - constantan
Cặp kim loại
αt (µV/K)
Platin – platin pharôđi
Sắt - đồng
Sắt - niken
Đồng - constantan
6,5
8,6
32,4
40
50,4
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
IV. Hiện tượng nhiệt điện
1. Thí nghiệm
2. Kết quả
30
3. Ứng dụng của cặp nhiệt điện.


mV
a
b
Hai dây a, b được đặt trong ống sứ c để bảo vệ cho mối hàn 1 tránh tác dụng hoá học.
1
Nhiệt điện kế
I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
IV. Hiện tượng nhiệt điện
1. Thí nghiệm
2. Kết quả
3.Ứng dụng
Pin nhiệt điện.

Nhiệt kế nhiệt điện.

31
Pin nhiệt điện.


I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
IV. Hiện tượng nhiệt điện
1. Thí nghiệm
2. Kết quả
3.Ứng dụng
Mắc nối tiếp nhiều pin nhiệt điện ta được pin nhiệt điện có suất điện động vài vôn và cường độ dòng điện đến vài ampe.

Hiệu suất của pin nhiệt điện rất thấp ( khoảng 0,1%) nên chỉ được dùng trong những trường hợp thật cần thiết.

32
Nhiệt kế nhiệt điện:


I. Bản chất dòng điện trong kim loại
1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
2. Bản chất dòng điện trong kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
III.Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
1. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng siêu dẫn
IV. Hiện tượng nhiệt điện
1. Thí nghiệm
2. Kết quả
3.Ứng dụng
Cặp nhiệt điện có rất nhiều ưu điểm trong việc độ: độ nhạy cao, quán tính nhỏ, sử dụng trong những khoảng nhiệt độ rộng, đo được nhiệt độ của những thể tích nhỏ, đo từ xa… và ưu điểm căn bản là không cần dùng nguồn điện.

33
1. Thuyết e- về tính dẫn điện của kim loại.

2. Bản chất dòng điện trong kim loại.

3. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ.

4. Hiện tượng siêu dẫn và ứng dụng.

5. Cặp nhiệt điện và ứng dụng.

KIẾN THỨC TRỌNG TÂM CỦA BÀI HỌC
34
BÀI TẬP VẬN DỤNG:


Bài 1: Ở 200C điện trở suất của bạc là 1,62.10-6Ωm. Biết hệ số nhiệt điện trở của bạc là 4,1.10-3K-1. Hỏi ở 330K thì điện trở suất của bạc là bao nhiêu.


Bài 2: Một mối hàn của cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động αT = 65μV/K, được đặt trong không khí ở 200C, mối hàn kia đun nóng ở 2320C. Tính suất điện động của cặp nhiệt điện.