[Lý 11]Dòng điện trong kim loại.

[Thandieu2]

Dòng điện trong kim loại.​

1. Cấu trúc tinh thể của kim loại

Trong 2 phần “Vật lí phân tử và nhiệt học” ta đã biết rằng các kim loại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể, nghĩa là các iôn kim loại được sắp xếp một cách đều đặn theo một trật tự nhất định trong không gian, tạo thành mạng tinh thể. Trên hình 36.1 vẽ manh tinh thể của đồng (các hình cầu tô đen trong hình vẽ là các iôn đồng).

Êlectrôn ở lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại dễ mất liên kết với hạt nhân của nguyên tử và trở thành êlêctrôn tự do trong kim loại. Do bị mất êlêctrôn nên các nguyên tử trong mạng tinh thể trở thành những iôndương. Như vậy, trong tinh thể kim loại, ở các nút mạng là các iôndương, xung quanh iôndương là các . Giữa các iôndương kim loại và êlectron có lực hút tĩnh điện.

Điện tích âm của tất cả các êlêctrôn tự do có trị số tuyệt đối đúng bằng iôndươngdương của các iôn cho nên vật thể bằng kim loại trung hoà về điện. ở nhiệt độ bình thường, các iôn trong mạng tinh thể chỉ dao động quang các vị trí cân bằng của chúng, nói chung trật tự sắp xếp các iôn không thay đổi, còn các êlêctrôn tự do thì có thể chuyển động tự do trong khoảng không gian giữa các iôn bên trong vật thể kim loại. Chính vì vậy kim loại là vật thể dẫn điện tốt.

2. Bản chất dòng điện trong kim loại

Bằng nhiều thí nghiệm người ta đã xác nhận rằng tính dẫn điện của kim loại được gây nên bởi chuyển động của các êlêctrôn tự do.

Khi không có điện trường (chưa đặt vào hai đầu vật dẫn kim loại một hiệu điện thế) các êlêctrôn tự do chỉ chuyển động hỗn loạn. Chuyển động của êlêctrôn tự do giống như chuyển động nhiệt của các phần tử trong một khối khí, do đó, tính trung bình, lượng êlêctrôn chuyển động theo một chiều nào đó luôn bằng lượng êlêctrôn chuyển động theo một chiều nào đó luôn bằng lượng êlêctrôn chuyển động theo chiều ngược lại. Vì vậy, khi không có điện trường , trong kim loại không có dòng điện.

Khi có điện trường trong kim loại (đặt vào hai đầu vật dẫn kim loại một hiệu điện thế) các êlêctrôn 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 êlêctrôn. Kết quả là xuất hiện sự chuyển dời có hướng của các hạt mang điện, nghĩa là xuất hiện dòng điện. Vậy

Dòng điên trong kim loại là dòng êlectrôn tự do chuyển dời có hướng.

Vận tốc của 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 (300 000 km/s); vận tốc này rất lớn nên khi đóng mạch điện thì ngọn đèn điện dù có rất xa cũng hầu như lập tức phát sáng.

3. Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở của dây kim loại và hiện tượng toả nhiệt của dây dẫn kim loại

a) Trong khi chuyển động có hướng các êlêctrôn tự do luôn luôn bị “ngăn cản” do va chạm với các iôn kim loại nằm ở nút mạng tinh thể. Như vậy nguyên nhân gây ra điện trở là sự va chạm của các êlêctrôn tự do với các iôn dương của mạng tinh thể kim loại.

Hơn nữa, giữa hai va chạm kế tiếp, các êlectrôn chuyển động có gia tốc dưới tác dụng của lực điện trường và thu được một năng lượng xác định (ngoài năng lượng của chuyển động nhiệt hỗn loạn). Năng lương của chuyển động có hướng được truyền một phần (hay toàn phần) cho các iôn kim loại khi va chạm và biến thành năng lượng dao động của các iôn quanh vị trí cân bằng của chúng, tức là biến thành nhiệt. Vì vậy khi có dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại nóng lên.

b) Các kim loại khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau và mật độ êlêctrôn tự do (số êlêctrôn tự do trong một đơn vị thể tích) khác nhau. Do đó tác dụng “ngăn cản” chuyển động có hướng của các êlêctrôn tự do trong mỗi kim loại cũng khác nhau. Đó là lí do khiến cho điện trở suấtcủa các kim loại khác nhau thì khác nhau.

c) Điện trở của dây dẫn kim loại còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, các iôn kim loại nằm ở các nút mạng tinh thể dao động mạnh hơn, vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt của các êlectrôn cũng tăng, vì các êlêctrôn tự do càng có khả năng va chạm nhiều hơn với các iôn kim loại. Kết quả là điện trở của dây dẫn kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng lên.

Nguồn: Đinh Hữu Trường
htruong.violet.vn​

 

[Thandieu2]

Dòng điện và các tác dụng của nó.

Dòng điện và các tác dụng của nó .​

1. Dòng điện. Các tác dụng của dòng điện

a) Định nghĩa. Dòng chuyển rời có hướng của các hạt mang điện gọi là dòng điện. Chẳng hạn dòng điện xuất hiện khi có sự chuyển dời có hướng của các êlectrôn tự do trong kim loại hoặc sự chuyển rời có hướng của các iôn (dương và âm) trong dung dịch điện phân.

Người ta quy ước chiều dòng điện là chiều chuyển động của các điện tích dương. Như vậy trong dây dẫn kim loại chiều của ngược với chiều của các êlectrôn.

b) Tác dụng của dòng điện: Ta có thể nhận biết dòng điện chạy trong một môi trường nào đó nhờ các tác dụng và hiện tượng mà nó gây ra.

dòng điện chạy trong vật dẫn làm cho vật dẫn nóng lên. Đó là tác dụng nhiệt của dòng điện. Bàn là, bếp điện là những dụng cụ được chế tạo dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện.

dòng điện chạy qua một số dung dịch (dung dịch điện phân) làm thoát ra ở điện cực những chất tạo thành dung dịch đó. Đó là tác dụng hoá học của dòng điện.

Xung quanh dòng điện có một từ trường. Đó là tác dụng từ của dòng điện. Thí nghiệm chứng tỏ rằng tác dụng của từ là dấu hiệu tổng quát nhất để nhận biết dòng điện. Còn tác dụng hoá học chỉ có khi dòng điện chạy qua các dung dịch điện phân. Khi dòng điện chạy qua vật siêu dẫn chẳng hạn nó không gây ra tác dụng nhiệt. Các tác dụng trên đây dẫn tới tác dụng cơ học và tác dụng sinh lí của dòng điện.

2. Cường độ dòng điện

a) Khi có dòng điện chạy qua một vật dẫn thì trong khoảng thời gian nhỏ có một lượng điện tích (điện lượng) di chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn đó. Điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong một đơn vị thời gian được dùng để đặc trưng cho tác dụng của dòng điện một cách định lượng và được gọi là cường độ dòng điện , có độ lớn bằng

Vậy cường độ dòng điện được đo bằng thương số của điện lượng di chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian nhỏ và khoảng thời gian đó.

Nói chung giá trị của cường độ dòng điện có thể thay đổi theo thời gian và công thức trên chỉ cho ta biết giá trị trung bình của cường độ dòng điện trong khoảng thời gian .

dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi theo thời gian gọi là dòng điện không đổi. Đối với dòng điện không đổi công thức (23.1) trở thành


Trong đó là điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian .

Trong thực tế có khi người ta gọi dòng điện không đổi là dòng điện một chiều. Nhưng cần lưu ý rằng có những dòng điện không đổi chiều nhưng lại có cường độ thay đổi như dòng chỉnh lưu, dòng xung điện một chiều.

b) Trong hệ SI đơn vị cường độ dòng điện có tên gọi là ampe, khí hiệu , được chọn là một trong bảy đơn vị cơ bản và được định nghĩa theo tương tác từ của dòng điện.

Người ta cũng hay dùng các ước của ampe
1miliampe ( ampe
1micrôampe ampe
c) Để đo cường độ dòng điện người ta dùng ampe kế.

Khi mắc ampe kế vào bất kì điểm nào của mạch điện gồm nhiều nguồn điện và vật dẫn mắch nối tiếp ta cũng thấy ampe kế chỉ cùng một trị số. Điều đó chứng tỏ cường độ dòng điện

d) Từ công thức (23.2) ta suy ra công thức tính điện lượng theo cường độ dòng điện chạy trong vật dẫn

Trong công thức trên nếu đạt thì đơn vị điện lượng, trong hệ SI có tên gọi là culông, kí hiệu là :


Culông là điện lượng của một dòng điện không đổi có cường độ 1 chảy qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong thời gian một .

3. Điều kiện để có dòng điện.

Từ định nghĩa của dòng điện nêu ở mục 1 ta thấy rằng muốn có dòng điện cần phải có các hạt mang điện có thể tự do chuyển động và điện trường gây ra lực làm cho các hạt mang điện này chuyển động có hướng. Như vậy điều kiện cần thiết để tạo ra dòng điện trong các vật dẫn là phải một điện trường, hay nói cách khác là: giữa hai đầu vật dẫn phải có một hiệu điện thế.

Nguồn: Đinh Hữu Trường
htruong.violet.vn​