Bài 13. Dòng điện trong kim loại

CHƯƠNG III:
DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG
Dòng điện trong: kim loại, chất điện phân, chất khí, chân không và trong chất bán dẫn
Mục tiêu.
1. Kiến thức:
- Nêu được tính chất điện của kim loại, trỡnh b�y được sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ.
- Hiểu được sự có mặt của các electron tự do trong kim loại. Vận dụng thuyết electron tự do trong kim loại để gi?i thích một cách định tính các tính chất điện của kim loại.
2. Kĩ nang:
- Gi?i thích được tính chất điện của kim loại trên cơ sở thuyết electron tự do trong kim loại.
BÀI 13: Tiết 25
DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
Em hãy cho biết bản chất dòng điện trong kim loại ?
Kiểm tra bài cũ :
THCS: Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các êlectron tự do
Dòng điện là gì? Chiều của dòng điện?
Điều kiện để có dòng điện trong một môi trường bất kì?
DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
1 . Bản chất của dòng điện kim loại
2. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
3. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn.
4. Hiện tượng nhiệt điện.
N?I DUNG CH�NH
I. Bản chất của dòng điện trong kim loại
Electron tự do
Cấu trúc tinh thể của kim loại
Bản chất dòng điện trong kim loại
Thuyết electron về tính chất điện của kim loại
Nguyên tử kim loại
Các nguyên tử kim loại chỉ dao động quanh vị trí nhất định và không mang điện,vậy thì điện tích tự do trong kim loại lấy đâu ra?
Cấu trúc m?ng tinh th? kim loại
* Ion duong sẵp xếp một cách tuần ho�n có trật tự ta? thành cỏc nỳt m?ng
* Khoảng không gian giữa các nút mạng có các ờlectron tự do.
Kim loại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể. Các nguyên tử kim loại được sắp xếp một cách đều đặn theo một trật tự nhất định trong không gian.
Trong tinh thể kim loại, ở các nút mạng là các ion dương, xung quanh là các electron tự do.
Trong điều kiện bình thường, do điện tích âm của các electron tự do có trị số tuyệt đối đúng bằng điện tích dương của các ion cho nên vật thể bằng kim loại trung hòa về điện.
Mô hình chuyển động của các hạt điện trong kim loại
Ion
Electron trong nguyên tử
Proton
Các electron ngoài cùng liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng tách ra khỏi quỹ đạo chuyển động quanh hạt nhân và trở thành electron tự do chuyển động trong kim loại.
Các ng.tử mất đi e– Ion dao động nhiệt tại nút mạng.
Ion
Các electron ngoài cùng liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng tách ra khỏi quỹ đạo chuyển.động quanh hạt nhân và trở thành electron tự do chuyển động trong kim loại.
Các ng.tử mất đi e– Ion dao động nhiệt tại nút mạng.
BẢN CHẤT DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
1.Trong kim loại, nguyên tử mất e hóa trị  ion dương. Các ion dương liên kết một cách trật tự  mạng tinh thể. Chuyển động nhiệt của các ion có thể phá vở trật tự này, nhiệt độ càng cao, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự
Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
1.Trong kim loại, nguyên tử mất e hóa trị  ion dương. Các ion dương liên kết một cách trật tự  mạng tinh thể. Chuyển động nhiệt của các ion có thể phá vở trật tự này, nhiệt độ càng cao, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự
2. Các e hóa trị tách khỏi nguyên tử trở thành e tự do. với mật độ n không đổi, các e tự do chuyển động nhiệt hỗn loạn tạo thành khí electron tự do.
Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
Điện tích tự do trong kim loại là những hạt nào?
Điện tích tự do trong kim loại là các electron tự do tách ra từ các nguyên tử kim loại ở nút mạng
Chú ý: Mật độ electron tự do trong kim loại rất lớn nên kim loại dẫn điện rất tốt
Trong kim loại có c�c electron ho� tr� t�ch kh�i nguy�n tư th�nh electron t� do.
- Các electron tự do chuyển động nhiệt hỗn loạn
- C�c kim lo�i kh�c nhau th� m�t �� electron t� do cịng kh�c nhau.
DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
Khi chưa đặt trong điện trường các electron tự do trong kim loại chuyển động như thế nào?
Trường hợp kim loại đặt trong điện trường thì sao?
Hướng của electron như thế nào so với hướng của điện trường?
Khi không có điện trường (chưa đặt vào hai đầu vật dẫn kim loại một
hiệu điện thế) các electron tự do chỉ chuyển động hỗn loạn. Chuyển
động của electron tự do giống như chuyển động nhiệt của các phần tử
trong một khối khí, do đó, tính trung bình, lượng electron chuyển động
theo một chiều nào đó luôn bằng lượng electron chuyển động theo chiều
ngược lại. Vì vậy, khi không có điện trường , trong kim loại không có
dòng điện
Khi chưa có điện trường
Khi không có điện trường các electron chuyển động nhiệt hỗn loạn. Trong m?ch chua cĩ dịng di?n.
Khi có điện trường trong kim loại (đặt vào hai đầu vật dẫn kim loại một
hiệu điện thế) các electron tự do chịu tác dụng của lực điện trường và
chúng có thêm chuyển động theo một chiều xác định, ngược với chiều
điện trường, ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn. Đó là chuyển động có
hướng của electron. Kết quả là xuất hiện sự chuyển dời có hướng của các
hạt mang điện, nghĩa là xuất hiện dòng điện
I
Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do trong kim loại
Ở nhiệt độ bình thường, các ion dương trong mạng tinh thể dao động xung quanh vị trí cân bằng, các electron tự do thì chuyển động tự do bên trong vật thể kim loại.
Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
3. Khi kim loại �Ỉt trong điện trường, các electron tự do ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn còn chịu tác dụng của lực điên trường nên dịch chuyển có hướng ngược chiều điện trường, t?o n�n dịng di?n.
1.Trong kim loại, nguyên tử mất e hóa trị  ion dương. Các ion dương liên kết một cách trật tự  mạng tinh thể. Chuyển động nhiệt của các ion có thể phá vở trật tự này, nhiệt độ càng cao, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự
2. Các e hóa trị tách khỏi nguyên tử trở thành e tự do. với mật độ n không đổi, các e tự do chuyển động nhiệt hỗn loạn tạo thành khí electron tự do.
DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
Như vậy bản chất dòng điện trong kimloại là gì ?
Dòng điện trong kim loại là dòng electron tự do chuyển động có hướng d�íi t�c dơng cđa �iƯn tr��ng
Tại sao kim loại dẫn điện tốt ?
Tại sao các kim loại khác nhau độ dẫn điện cũng khác nhau?

Vận tốc của chuyển động có hướng này rất nhỏ, < 0,2mm/s. không nên lẫn lộn vận tốc này với vận tốc lan truyền của điện trường (300 000 km/s); vận tốc lan truyền của điện trường rất lớn nên khi đóng mạch điện thì ngọn đèn điện dù có rất xa cũng hầu như lập tức phát sáng
Mật độ hạt tải điện (electron tự do) trong kim loại rất lớn, vào cỡ mật độ nguyên tử kim loại (1028/m3), vì thế kim loại dẫn điện tốt
Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng electron tự do dịch chuyển có hướng ngược chiều điện trường
Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại
4. Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của e tự do  gây ra điện trở của kim loại
3. Khi kim loại �Ỉt trong điện trường, các electron tự do ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn còn chịu tác dụng của lực điên trường nên dịch chuyển có hướng ngược chiều điện trường, t?o n�n dịng di?n.
1.Trong kim loại, nguyên tử mất e hóa trị  ion dương. Các ion dương liên kết một cách trật tự  mạng tinh thể. Chuyển động nhiệt của các ion có thể phá vở trật tự này, nhiệt độ càng cao, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự
2. Các e hóa trị tách khỏi nguyên tử trở thành e tự do. với mật độ n không đổi, các e tự do chuyển động nhiệt hỗn loạn tạo thành khí electron tự do.
Nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại:
+
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
E
Sự va chạm của các Ion dương kim loại vào các electron chuyển động có hướng là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất kim loại vào nhiệt độ
Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ
 = 0 (1 + αt)
Trong ®ã: 0: ®iÖn trë suÊt ë t00C (nhiệt độ ban đầu, 200C)
 : ®iÖn trë suÊt ë t0C
α: hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë (K-1) (α >0)
t = t – t0
Sự biến thiên điện trở suất của đồng theo nhiệt độ
Theo bảng 13.1 Muốn làm một vật dẫn có điện trở hầu như không thay đổi thì nên dùng vật liệu nào ?
Ta thấy Constantan có hệ số nhiệt ? nhỏ. Vì vậy nên dùng Constantan
Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại vào nhiệt độ
1
2
3
4
5
8 chữ
10 chữ
8 chữ
3 chữ
9 chữ
I
N
U
Chìa Khoá
Ê L E C T R O N
D Ẫ N Đ I Ệ N T Ố T
C Ô N G S U Ấ T
J U N
T Á C D Ụ N G T Ừ
6
S
Ê
D
Â
1
2
3
4
5
8 chữ
10 chữ
8 chữ
3 chữ
9 chữ
I
N
U
Chìa Khoá
Ê L E C T R O N
D Ẫ N Đ I Ệ N T Ố T
C Ô N G S U Ấ T
J U N
T Á C D Ụ N G T Ừ
Hạt mang điện tự do trong kim loại.
Tính chất điện đặc trưng của kim loại.
Đại lượng đặc trưng cho tốc độ
sinh công của dòng điện
Tên nhà vật lý người Anh dùng thực nghiệm tìm
ra định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng
Tác dụng đặc trưng của dòng điện.
6
Hiện tượng điện được phát hiện năm
1911 do nhà vật lý người Hà Lan
S
Ê
D
Â
S I Ê U D Ẫ N
III. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp. Hiện tượng siêu dẫn
Điện trở suất của kim loại giảm khi nhiệt độ giảm
 = 0 (1 + αt)
Ở t0 thấp, sự mất trật tự của mạng càng ít, sự cản trở CĐ của e càng ít  giảm liên tục
Một số KL, hợp kim, ôxit kl khi t < TC:  0
Tc: nhiệt độ tới hạn
Các vật liệu chuyển sang trạng thái siêu dẫn
III. Nhiệt độ tới hạn của các chất siêu dẫn
Tc: nhiệt độ tới hạn
HIỆN TƯỢNG NHIỆT ĐIỆN.
1. Hiện tượng nhiệt điện.
a. Cặp nhiệt điện. Dòng nhiệt điện.
- Dụng cụ thí nghiệm:
Hiện tượng nhiệt điện
* Tiến hành thí nghiệm:
- Tiến hành thí nghiệm:
HIỆN TƯỢNG NHIỆT ĐIỆN.
1. Hiện tượng nhiệt điện.
a. Cặp nhiệt điện. Dòng nhiệt điện.
- Dụng cụ thí nghiệm:
Khi nhiệt độ hai mối hàn như nhau có dòng điện hay không?
Khi đốt nóng một mối hàn thì kết quả như thế nào?
Tăng nhiệt độ của mối hàn thì kết quả như thế nào?
Năng lượng nào đã chuyển hóa thành điện năng?
?
HIỆN TƯỢNG NHIỆT ĐIỆN.
- Kết quả thí nghiệm:
1. Hiện tượng nhiệt điện.
a. Cặp nhiệt điện. Dòng nhiệt điện.
(Dụng cụ này gọi là cặp nhiệt điện)
* Kết luận: Hiện tượng tạo thành suất điện động nhiệt điện trong một mạch điện kín gồm hai vật dẫn khác nhau khi giữ hai mối hàn ở hai nhiệt độ khác nhau  hiện tượng nhiệt điện.
trong mạch có dòng điện, gọi là dòng nhiệt điện.
Suất điện động tạo nên dòng nhiệt điện gọi là suất điện động nhiệt điện
Độ chênh lệch nhiệt độ tăng thì dòng nhiệt điện tăng
kim loại A
kim koại B
Mặt tiếp xúc
- Số electron từ A khuếch tán sang B qua mặt tiếp xúc nhiều hơn số electron khuếch tán từ B sang A.
Kết quả: Thanh kim loại A tích điện dương, thanh kim loại B tích điện âm và tại chỗ tiếp xúc xuất hiện một điện trường hướng từ A sang B.
* Giải thích hoạt động của cặp nhiệt điện.
. Hiện tượng nhiệt điện.
* Hiện tượng nhiệt di?n là hiện tượng tạo thành suất điện động nhiệt điện trong một mạch điện kín gồm hai vật dẫn khác nhau khi giữ hai đầu mối hàn ở hai nhiệt độ khác nhau.
Giải thích sự tạo thành suất điện động nhiệt điện?
b. Biểu thức của suất điện động nhiệt điện.
Khi hiệu nhiệt độ của hai đầu mối hàn không quá lớn thì ta có biểu thức:
?T là gì? Xác định đơn vị của nó ?
Nó phụ thuộc vào yếu tố nào?
E = ?T (T1 - T2)
1. Hiện tượng nhiệt điện.
b. Biểu thức của suất điện động nhiệt điện.
E = ?T (T1 - T2)
αT phụ thuộc vật liệu cặp nhiệt điện
?T l� h? s? nhi?t di?n d?ng, don v? do: ?V/K
c. ứng dụng của cặp nhiệt điện.
Tìm hiểu về ứng dụng của cặp nhiệt điện?
* Nhiệt kế nhiệt điện.
* Pin nhiệt điện.
Hiện tượng nhiệt điện.
Hai dây KL a, b đặt trong ống sứ C để bảo vệ mối hàn 1. Trên mili vônkế ghi sẵn nhiệt độ tương ứng.
Bài tập củng cố 1: Hãy chỉ rõ chiều dòng điện trong dây đồng dưới đây
A
B
Bài tập củng cố 2: Theo bảng 13.1 SGK, hãy tìm điện trở suất của đồng tại nhiệt độ 0 độ C
TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA KIM LOẠI
PHIếU HọC TậP 1
Em hãy chọn phương án đúng , phương án sai?
Kim loại là chất dẫn điện tốt
2. Sắt dẫn điện tốt hon đồng
3. Vận tốc trung bỡnh của chuyển động nhiệt của các hạt c? 10-1 m/s
4. điện trở suất của kim loại tang theo hàm bậc nhất đối với nhiệt độ
5. Nguyên tử mất ờlectron trở thành ion (+)
6. Cường độ dòng điện trong kim loại tuân theo đúng định luật ôm nếu nhiệt độ của dây kim loại không thay đổi
7. định luật ôm cho đoạn mạch U = I/R
8. Dây kim loại đồng chất hỡnh trụ:
9 .Khi có dòng điện chạy qua thỡ dây dẫn kim loại nóng lên
10. đường đặc trưng Vôn -ampe của một đoạn mạch thu?n R là một đu?ng cong


Như vậy bản chất dòng điện trong kim loại là gì ?
Bản chất dòng điện trong kimloại
Doứng ủieọn trong kim loaùi laứ doứng electron tửù do chuyeồn ủoọng coự hửụựng dưới tác dụng của điện trường

Tại sao kim loại dẫn điện tốt ? Tại sao các kim loại khác nhau độ dẫn điện cũng khác nhau?
Giải thích tính chất điện của kim loại
Tại sao kim loại có điện trở? (Hay nguyên nhân nào gây cản trở chuyển động của elec tron?)
Tại sao khi nhiệt độ tăng thì điện trở kim loại tăng?
Tại sao dây dẫn kim loại nóng lên khi có dòng điện chạy qua?
b.giải thích tính chất điện của kim loại
TL:Sự mất trật tự của mạng tinh thể đã cản trở chuyển động có hướng của các elec tron tự do khi chúng "va chạm "với nút mạng. Sự mất trật tự của mạng tinh thể do các nguyên nhân sau
+ Méo mạng tinh thể do biến dạng cơ
+ Có nguyên tử lạ trong khối kim loại
+ Chuyển động nhiệt của các ion trong mạng tinh thể
Tại sao kim loại có điện trở? (nguyên nhân nào gây cản trở chuyển động của elec tron?)
Như vậy :
Khi nhiệt độ tăng thì các ion ở nút mạng dao động càng mạnh, độ mất trật tự của mạng tinh thể càng cao, càng cản trở chuyển động có hướng của các e tự do vì vậy khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất kim loại tăng
Kim loại dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao hay thấp? Khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất kim loại thay đổi như thế nào?Giải thích?
Khi va chạm thì động năng của e tự do tăng hay giảm?
Vậy động năng chuyển thành dạng năng lượng nào?
Như vậy tại sao dây dẫn kim loại nóng lên khi có dòng điện chạy qua?
TL: Do tác dụng của điện trường các electron chuyển động có gia tốc và thu được một năng lương xác định. Năng lượng của chuyển động có hướng của các electron tự do được chuyền một phần (hoặc hoàn toàn) cho các ion ở nút mạng khi va chạm. Vì vậy dây dẫn kim loại nóng lên khi có dòng điện chạy qua
Dây dẫn kim loại nóng lên khi có dòng điện chạy qua

Khi bật công tắc đèn điện ta thấy ngay lập tức đền sáng phải chăng các elec tron chuyển động với vận tốc rất lớn từ nguồn điện tới đèn ?
Ta biết vận tốc của chuyển động có hướng của electron chỉ cỡ 0,2mm/s. Nhưng khi bật công tắc bóng đèn dù ở rất xa cũng sáng ngay chỉ có thể do tác dụng của điện trường. Thật vậy tốc độ lan truyền của điện trường tác dụng vào các electron rất lớn cỡ 300.000km/s
Vận dụng củng cố:
Câu 1:Chọn câu sai:
Hạt tải điện trong kim loại là electron tự do.
Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm nếu nhiệt độ trong kim loại được giữ không đổi.
Hạt tải điện trong kim loại là ion âm
Dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại gây ra tác dụng nhiệt.
DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
I. Tính chất điện của kim loại

1. Kim loại dẫn điện tốt ( §é dÉn suÊt lín )
2. Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ
 = 0 (1 + αt)
Trong ®ã: 0: ®iÖn trë suÊt ë t0 – (nhiệt độ ban đầu)
 : ®iÖn trë suÊt ë t
α: hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë (K-1) (α >0)
t = t – t0
3. Dòng điện trong kim tuân theo ĐL Ôm khi nhiÖt ®é kh«ng ®æi

4. Dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại có tác dụng nhiệt