I. Bản chất của dòng điện trong kim loại
- Hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do. Mật độ của các electron tự do trong kim loại rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt
- Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron dưới tác dụng của điện trường.
- Chuyển động nhiệt của mạng tinh thể cản trở chuyển động của hạt tải điện làm cho điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ. Đến gần 0oK, điện trở của kim loại rất nhỏ.
II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
Thí nghiệm chứng tỏ điện trở suất p của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất:
\[\rho = {\rho _0}\left[ {1 + \alpha \left[ {t - {t_0}} \right]} \right]\]
Trong đó:
+ ρ0 là điện trở suất ở nhiệt độ t0oC [thường ở 20oC]
+ ρ là điện trở suất ở nhiệt độ toC
+ α là hệ số nhiệt điện trở [K-1]
- Hệ số nhiệt điện trở không những phụ thuộc vào nhiệt độ mà vào cả độ sạch và chế độ gia công của vật liệu đó.
III. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp
- Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 0oK điện trở của kim loại sạch đều rất bé.
- Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn Tc thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn.
- Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn:
+ Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh.
+ Dự kiến dùng dây siêu dẫn để tải điện và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa.
IV. Hiện tượng nhiệt điện
- Thuyết êlectron về tính dẫn điện của kim loại còn cho thấy, nếu sợi dây kim loại có một đầu nóng và một đầu lạnh, thì chuyển động nhiệt của êlectron sẽ làm cho một phần êlectron tự do ở đầu nóng dồn về đầu lạnh. Đầu nóng sẽ tích điện dương, đầu lạnh tích điện âm.
- Giữa đầu nóng và đầu lạnh có một hiệu điện thế nào đấy. Nếu lấy hai dây kim loại khác loại nhau và hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữa ở nhiệt độ cao, một mối hàn ở nhiệt độ thấp, thì hiệu điện thế ở đầu nóng và đầu lạnh của từng dây không giống nhau, khiến trong mạch có một suất điện động ξ. ξ được gọi là suất điện động nhiệt điện, và bộ hai dây dẫn hàn hai đầu và nhau gọi là cặp nhiệt điện:
ξ = αt[T1 – T2]
Trong đó:
+ T1 – T2 là hiệu nhiệt điện ở đầu nóng và đầu lạnh
+ αt là hệ số nhiệt điện động, phụ thuộc vào bản chất của hai loại vật liệu dùng làm cặp nhiệt điện.
- Suất điện động nhiệt điện tuy nhỏ nhưng rất ổn định theo thời gian và điều kiện thí nghiệm, nên cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ.
Sơ đồ tư duy về dòng điện trong kim loại
I. Chất khí là môi trường cách điện
Chất khí không dẫn điện vì các phân tử khí đều ở trạng thái trung hoà điện, do đó trong chất khí không có hạt tải điện.
II. Sự dẫn điện của chất khí trong điều kiện thường
Qua thí nghiệm nhận thấy:
- Bình thường chất khí hầu như không dẫn điện, trong chất khí có sẵn rất ít hạt tải điện.
- Ngọn lửa ga và bức xạ của đèn thuỷ ngân đã làm tăng mật độ hạt tải điện trong chất khí.
III. Bản chất dòng điện trong chất khí
1. Sự ion hoá chất khí và tác nhân ion hoá
- Ngọn lửa ga [nhiệt độ rất cao], tia tử ngoại của đèn thuỷ ngân trong thí nghiệm trên được gọi là các tác nhân ion hoá. Nhờ có năng lượng cao, chúng ion hoá chất khí, tách phân tử khí trung hoà thành ion dương và êlectron tự do. Êlectron tự do lại có thể kết hợp với phân tử khí trung hoà thành ion âm. Các hạt tích điện này là hạt tải điện trong chất khí.
- Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm, các êlectron ngược chiều điện trường. Các hạt tải điện này do chất khí bị ion hoá sinh ra.
2. Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí
Quá trình dẫn điện của chất khí mà ta vừa mô tả gọi là quá trình dẫn điện [phóng điện] không tự lực.
Nó chỉ tồn tại khi ta tạo ra hạt tải điện trong khối khí ở giữa hai bản cực và biến mất khi ta ngừng việc tạo ra hạt tải điện.
Thay đổi hiệu điện thế U giữa hai bản cực và ghi lại dòng điện I chạy qua chất khí, ta thấy quá trình dẫn điện không tự lực không tuân theo định luật Ôm.
3. Hiện tượng nhân số hạt tải điện trong chất khí trong quá trình dẫn điện không tự lực
Hiện tượng tăng mật độ hạt tải điện trong chất khí do dòng điện chạy qua gây ra gọi là hiện tượng nhân số hạt tải điện.
IV. Quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí và điều kiện để tạo ra quá trình dẫn điện tự lực
Quá trình dẫn điện của chất khí có thể tự duy trì, không cần ta chủ động tạo ra hạt tải điện, gọi là quá trình dẫn điện [phóng điện] tự lực.
Muốn có quá trình dẫn điện tự lực thì trong hệ gồm chất khí và các điện cực phải tự tạo ra các hạt tải điện mới để bù lại số hạt tải điện đã đi đến điện cực và biến mất.
Có bốn cách chính để dòng điện có thể tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí:
- Dòng điện chạy qua chất khí làm nhiệt độ khí tăng rất cao, khiến phân tử khí bị ion hoá.
- Điện trường trong chất khí rất lớn, khiến phân tử khí bị ion hoá ngay khi nhiệt độ thấp.
- Catôt bị dòng điện nung nóng đỏ, làm cho nó có khả năng phát ra êlectron gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt êlectron.
- Catôt không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào, làm bật êlectron ra khỏi catôt và trở thành hạt tải điện.
Tuỳ cơ chế sinh hạt tải điện mới trong chất khí mà ta có các kiểu phóng điện tự lực khác nhau, thường gặp nhất là tia lửa điện và hồ quang điện.
V. Tia lửa điện và điều kiện tạo ra tia lửa điện
1. Định nghĩa
Tia lửa điện là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí đặt giữa hai điện cực khi điện trường đủ mạnh để biến phân tử khí trung hoà thành ion dương và êletron tự do.
2. Điều kiện tạo ra tia lửa điện
Tia lửa điện có thể hình thành trong không khí ở điều kiện thường, khi điện trường đạt đến giá trị ngưỡng vào khoảng 3.106 V/m.
3. Ứng dụng
- Tia lửa điện được dùng phổ biến trong động cơ nổ để đốt hỗn hợp nổ [là hơi xăng lẫn không khí] trong xilanh gọi là bugi.
- Sét là tia lửa điện hình thành giữa đám mây mưa và mặt đất nên thường đánh vào các mô đất cao, ngọn cây.
VI. Hồ quang điện và điều kiện tạo ra hồ quang điện
1. Định nghĩa
Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp đặt giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn.
2. Điều kiện tạo ra hồ quang điện
Để mồi hồ quang điện, thoạt đầu người ta phải làm cho hai điện cực nóng đỏ đến mức có thể phát ra được một lượng lớn êlectron bằng sự phát xạ nhiệt êlectron. Sau đó, ta tạo ra một điện trường đủ mạnh giữa hai điện cực để ion hoá chất khí, tạo ra tia lửa điện giữa hai điện cực. Khi đã có tia lửa điện, quá trình phóng điện tự lực sẽ vẫn tiếp tục duy trì, mặc dù ta giảm hiệu điện thế giữa hai điện cực đến giá trị không lớn. Nó tạo hồ quang điện.
3. Ứng dụng
Hồ quang điện có nhiều ứng dụng như hàn điện, làm đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu,...
Page 2
SureLRN
Dòng điện trong kim loại là một bài tập vật lý học sinh lớp 11 thường gặp. Ta bắt gặp dòng điện trong kim loại được ứng dụng trực tiếp vào đời sống hàng ngày qua nhiệt kế, dây dẫn điện, tạo từ trường,... Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu sâu hơn về khái niệm này nhé!
Kim loại là một chất dẫn điện tốt và có điện trở suất rất nhỏ. Dòng điện trong kim loại thực chất là sự dịch chuyển của các electron tự do.
Bạn đang xem: Hạt tải điện trong kim loại là gì
Khái niệm dòng điện trong kim loại
Dòng điện trong kim loại chính là một dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới ảnh hưởng của điện trường. Hệ số của nhiệt điện trở không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà nó còn phụ thuộc vào cả độ tinh khiết và chế độ gia công của vật liệu đó. Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại sẽ giảm liên tục.
Bản chất của dòng điện trong kim loại
Các nguyên tử trong khối kim loại khi bị mất electron hoá trị sẽ trở thành các ion dương. Các ion dương này sẽ tự liên kết với nhau một cách trật tự, tạo thành một mạng tinh thể trong kim loại. Khi mạng tinh thể này càng trở nên mất trật tự thì sự chuyển động của các ion sẽ càng mạnh.
Các electron hoá trị sau khi tách khỏi nguyên tử sẽ trở thành các electron tự do với mật độ n không đổi [n là hằng số]. Chúng chuyển động một cách hỗn loạn tạo ra khí electron tự do.
Dòng điện được sinh ra khi điện trường được sinh ra bởi nguồn điện đẩy khí Electron trôi ngược chiều điện trường.
Trong kim loại sự đảo lộn trật tự của các tinh thể sẽ cản trở đến chuyển động của electron tự do. Đây là nguyên nhân tạo nên điện trở kim loại. Hay nói cách khác dòng điện trong kim loại được sinh ra trong điều kiện có sự va chạm của các electron tự do với các ion dương của mạng tinh thể. Sự biến dạng tinh thể do biến dạng cơ học và các nguyên tử lạ lẫn bên trong kim loại sẽ khiến điện trở của kim loại thay đổi.
Từ thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại cho chúng ta thấy tất cả hạt tải điện trong kim loại đều là electron tự do. Kim loại dẫn điện rất tốt vì mật độ của chúng rất cao. Rất nhiều tính chất khác của dòng điện ở trong kim loại cũng có thể suy ra từ thuyết electron này. Tóm lại, dòng điện trong kim loại là sự chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của môi trường điện trường.
Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại
Điện trở suất [ρ] của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất:
ρ = ρ0
Trong đó:
+ ρ0 là điện trở suất tại nhiệt độ t0oC [ Khoảng 20oC]
+ ρ là điện trở suất tại nhiệt độ toC
+ α là hệ số nhiệt điện trở [K-1]
Hệ số nhiệt điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ, độ sạch và chế độ gia công của chính vật liệu đó.
Xem thêm: Độ Chia Nhỏ Nhất Là Gì - Thế Nào Là Giới Hạn Đo Và Độ Chia Nhỏ Nhất
Hiện tượng siêu dẫn
Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại sẽ giảm liên tục. Đến gần 0oK, điện trở của kim loại sạch sẽ rất nhỏ. Ở một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn tc thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói rằng các vật liệu này đang chuyển sang trạng thái siêu dẫn.
Một số ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn:
+ Các từ trường mạnh được tạo ra từ các cuộn dây siêu dẫn
+ Khi dùng dây siêu dẫn để tải điện thì khấu hao năng lượng trên đường dây không còn nữa
Hiện tượng nhiệt dẫn
Nếu bạn lấy hai dây kim loại khác nhau, sau đó hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữ ở nhiệt độ cao, một mối hàn giữ ở nhiệt độ thấp, thì hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh của từng dây sẽ không giống nhau, trong mạch sẽ xuất hiện một suất điện động.
Suất điện động nhiệt điện: E = αT[ t1 − t2 ]
Trong đó:
+ t1 là nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ cao hơn [K]
+ t2 là nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ thấp hơn [K]
+ αT là hệ số nhiệt điện động [V/K]
Ứng dụng của hiện tượng nhiệt dẫn: Sản xuất cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ
Các dạng bài tập về dòng điện trong kim loại
Dạng 1: Dây tóc bóng đèn 220V – 100W chế tạo bằng bạch kim khi sáng bình thường ở 25000C, điện trở của nó 250C bằng 40,3. Tính hệ số nhiệt điện trở α? Giả sử điện trở suất của bạch kim trong khoảng nhiệt độ này tăng tỉ lệ bậc nhất theo nhiệt độ.
Điện trở của dây tóc đèn ở nhiệt độ t = 25000 C khi đã sáng bình thường là:
R = U2/P = 2202/100 = 484Ω
Vì điện trở suất [ R] của bạch kim trong khoảng nhiệt độ này tăng tỉ lệ bậc nhất nên:
ρ = ρ0 ⇒ R = R0
484 = 40,3 ⇒ α = 4,45.10-3[k-1]
Vậy hệ số nhiệt điện trở của bạch kim là α = 4,45.10-3[k-1]
Dạng 2: Tính cường độ dòng điện do electron quay tròn quanh hạt nhân nguyên tử Hiđrô? Electron có điện tích e = -1,6.10-19 C, khối lượng m = 9,1.10-31 [kg] và bán kính quỹ đạo tròn r = 5,3.10-11[m].
Lực tĩnh điện đóng vai trò là lực hướng tâm:
F = ke2/r2 = m.v2/r ⇒ v = √ke2/m.r
Thay số vào công thức ta được v = 2,19.106 [m/s]
Chu kỳ quay của electron: T = 2π.r.v = 1,52.10-16 [s]
Cường độ dòng điện do electron quay tròn quanh hạt nhân nguyên tử Hiđrô:
I = e/T =1,05 [mA]
Dạng 3: Ở nhiệt độ t1 = 25oC, hiệu điện thế giữa hai cực của bóng đèn là U1 = 10 [mV] và cường độ dòng điện chạy qua đèn là I1 = 4 [mA]. Khi sáng bình thường, hiệu điện thế giữa hai cực của đèn là U2 = 120V và cường độ dòng điện chạy qua đèn là I2 = 4 [A]. Hãy tính nhiệt độ [t] của dây tóc đèn khi sáng bình thường? Giả sử điện trở suất của bạch kim trong khoảng nhiệt độ này tỉ lệ bậc nhất theo nhiệt độ với hệ số nhiệt điện trở α = 4,2.10-3 [k-1].
Điện trở của dây tóc bóng đèn ở t = 25oC khi đã sáng bình thường ở nhiệt độ t1 = 25oC:
R0 = U1/I1 =0,01/0,004 = 2,5Ω
Điện trở của dây tóc đèn ở toC khi đã sáng bình thường:
R = U2/I2 = 12/4 = 30Ω
Do điện trở suất của bạch kim trong khoảng nhiệt độ này tăng tỉ lệ bậc nhất nên:
ρ = ρ0 ⇒ R = R0
30 = 2,5 ⇒ t = 2644oC
Dạng 4: Một dòng điện có cường độ đo được 1,2.10-4 [A] tồn tại trong một dây đồng có đường kính 2,5 [mm]. Cho nguyên tử lượng của đồng là M = 63.10-3 [kg/mol], khối lượng riêng là D = 9000 [kg/m3]. Hãy tính:
a] Mật độ dòng?
b] Vận tốc trôi của electron?
a] Ta có diện tích tiết diện thẳng của dây đồng :
S= π.r 2 = πd 2/4 = [2,5.10 -3] 2.3,14/4 = 4,9.10 -6 [m2].
Mật độ dòng điện: j = I/S = 1,2.10 -4/4,9.10 -6 = 24,5[A/m2]
b] Ta có vận tốc trôi trung bình của electron:
Mật độ electron tự do trong đồng: n = NA.D/M=0,85.10 29 [ electron / m3].
v = j/ [n.e] = 24,5/[ 0,85.10 29.1,6.10 -19 ] = 1,8.10 -9 [m/s]
Dạng 5: Dòng điện chạy qua sợi dây sắt tiết diện S = 0,64 [mm2] có cường độ I = 24 [A]. Sắt có nguyên tử lượng A = 56.10-3 [kg/mol], khối lượng riêng D = 7,8.103 [kg/m3] và điện trở suất ρ = 9,68.10-8 [Ωm]. Electron có điện tích e = - 1,6.10-19 C, khối lượng m = 9,1.10-31 [kg]. Tính:
a] Mật độ electron n và cường độ điện trường e trong dây sắt?
b] Độ linh động μ0 của các electron?
c] Vận tốc trôi trung bình của các electron?
a] Mật độ dòng điện:
j = I/S = 24/0,64.10 -6 = 37,5 [A/m 2]
Mật độ electron tự do trong dây sắt: n = NA.D/M = 0,84.10 29 [electron / m3]
Cường độ điện trường: E = ρ.j = 3,63 [V/m]
b] Độ linh động của electron
μ = 1/ [ρ.n.e] = 7,69.10 -4 [ m2/ Vs]
c] Vận tốc trôi trung bình
n = j/ [n.e] = 2,93.10-3 [m/s]
Trên đây là khái niệm, bản chất, ứng dụng cũng như các bài tập kèm lời giải về dòng điện trong kim loại. Hy vọng giúp các bạn có cái nhìn tổng quát về dạng bài tập này.