CHƯƠNG III – BÀI 1: DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI

I- Cấu trúc tinh thể của kim loại

Xét kim loại đang ở trạng thái rắn, ở nhiệt độ bình thường, ta thấy:

1/ Đối với riêng một nguyên tử kim loại

- Các electron ở lớp vỏ ngoài cùng dễ mất liên kết với hạt nhân, trở thành các electron tự do, lúc đó, nguyên tử trở thành ion dương.

2/ Đối với toàn khối kim loại

– Các ion dương được sắp xếp một cách đều đặn theo một trật tự nhất định trong không gian, tạo thành mạng tinh thể.
– Mỗi nút mạng là một ion dương dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng của mình.
– Các electron bị mất liên kết với hạt nhân của nguyên tử kim loại, thì chuyển động tự do trong khoảng không gian giữa các ion dương (nút mạng). Các electron này được gọi là electron tự do; chúng có vai trò là hạt tải điện, nên gọi là electron dẫn.
– Giữa ion dương và electron tự do có lực hút tĩnh điện.
– Tổng đại số điện tích âm của các electron tự do bằng tổng đại số điện tích dương của các ion dương, nên toàn khối kim loại trung hòa về điện.

II- Bản chất dòng điện trong kim loại

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

Chú ý: Phép tính chứng tỏ vận tốc chuyển động có hướng này rất nhỏ (bé hơn 0,2 mm/s). Không nên lẫn lộn vận tốc này với vận tốc lan truyền của điện trường tác dụng lên các electron tự do (300 000 km/s).

III- Các tính chất điện của kim loại

  • Kim loại là chất dẫn điện tốt.
    – Độ lớn điện trở suất ρ của kim loại rất nhỏ nên điện dẫn suất của chúng rất lớn.
  • Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ohm (nếu nhiệt độ của kim loại được giữ không đổi).
  • Dòng điện chạy trong dây dẫn kim loại gây ra tác dụng nhiệt.
  • Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ.

IV- Giải thích các tính chất dẫn điện của kim loại

1/ Giải thích nguyên nhân kim loại là chất dẫn điện tốt

– 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.

2/ Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại

– Trong quá trình chuyển động có hướng của mình, các electron tự do liên tục bị cản trở do va chạm với các ion dương nằm ở nút mạng tinh thể.
Do vậy, dòng điện bị cản trở, hay nói cách khác, kim loại có điện trở.

3/ Giải thích hiện tượng tỏa nhiệt khi có dòng điện chạy qua

– Các electron tự do khi va chạm thì sẽ truyền một phần hoặc hoàn toàn động năng của mình cho các ion dương, kết quả là các ion dương tăng năng lượng dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng của mình.
Do vậy, kim loại sẽ tỏa nhiệt khi có dòng điện chạy qua.

4/ Giải thích sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ

– Khi nhiệt độ kim loại tăng, thì các ion dương tại các nút mạng tinh thể dao động mạnh, đồng thời, vận tốc chuyển động của các electron tự do cũng tăng, nên số va chạm giữa chúng sẽ xảy ra nhiều hơn.
Do vậy, khi nhiệt độ tăng thì điện trở kim loại tăng.
- Chú ý: Sự phụ thuộc của điện trở vật dẫn kim loại vào nhiệt độ được ứng dụng để chế tạo các nhiệt kế điện trở dùng để đo nhiệt độ.

5/ Giải thích sự khác nhau về điện trở suất của kim loại

– Các kim loại khác nhau sẽ khác nhau về cấu trúc mạng tinh thể và mật độ electron tự do, đưa đến sẽ khác nhau về sự cản trở do va chạm.
Do vậy, mỗi kim loại sẽ có một điện trở suất riêng của mình.

V- Hiện tượng nhiệt điện

1/ Cặp nhiệt điện a. Cấu tạo

Gồm hai dây dẫn kim loại có bản chất khác nhau, hai đầu mỗi dây tiếp xúc nhau, tạo thành một mạch kín có 2 mối tiếp xúc.

b. Hoạt động

Khi tạo sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối tiếp xúc, thì trong mạch kín xuất hiện dòng điện, gọi là dòng nhiệt điện.

2/ Suất nhiệt điện động a. Khái niệm

Suất điện động gây nên dòng nhiệt điện gọi là suất nhiệt điện động.

b. Tính chất

Độ lớn của suất nhiệt điện động phụ thuộc vào:


- Bản chất hai kim loại cấu tạo cặp nhiệt điện.
- Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn. c. Biểu thức suất nhiệt điện động 3/ Hiện tượng nhiệt điện

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 là hiện tượng nhiệt điện.

4/ Ứng dụng

- Dùng làm nguồn điện: Thường phải ghép nhiều cặp nhiệt điện thành bộ.
- Dùng làm nhiệt kế: Khi ta biết hiệu điện thế tiếp xúc, suy ra được nhiệt độ tương ứng ở mối tiếp xúc.

VI- Hiện tượng siêu dẫn

1/ Khái niệm

Khi nhiệt độ hạ xuống dưới một nhiệt độ Tc nào đó, điện trở của kim loại (hay hợp kim) đó giảm đột ngột đến giá trị bằng không. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng siêu dẫn. Khi đó, kim loại hoặc hợp kim có tính siêu dẫn.

2/ Đặc điểm

- Khi vật dẫn ở trạng thái siêu dẫn, điện trở của nó bằng 0.
- Nếu một vòng dây siêu dẫn có dòng điện chạy, thì dòng điện này có thể duy trì rất lâu, sau khi bỏ nguồn điện đi.

3/ Ứng dụng

- Chế tạo những nam châm điện có cuộn dây làm bằng vật liệu siêu dẫn, có thể tạo ra từ trường mạnh trong một thời gian dài mà không hao phí năng lượng vì tỏa nhiệt.
- Trong tương lai, người ta dự kiến có thể dùng dây siêu dẫn để tải điện, và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa.

Trả lời Mai Le , 16:48 ngày 29/11/2016 Xem thêm