Trong môn Vật lý, dòng điện trong các môi trường như trong kim loại, chất khí, chất điện phân và chất bán dẫn là phần kiến thức thú vị và khó đối với nhiều học sinh. Vậy dòng điện là gì. Đó là sự dịch chuyển có hướng của các hạt mang điện trong môi trường nào đó như kim loại, chất điện phân, chất khí và chất bán dẫn. Ở những môi trường khác nhau, các hạt mang điện sẽ có cấu tạo tương ứng, không môi trường nào giống môi trường nào từ đó tạo nên bản chất riêng của dòng điện trong các môi trường mà chúng ta sẽ lần lượt đi tìm hiểu chi tiết dưới đây.
MỤC LỤC
Kim loại là chất có cấu trúc mạng tinh thể là những ion dương dao động tại các nút mạng, các electron tự do sẽ chuyển động hỗn loạn theo nhiều hướng khác nhau. Khi ta đặt nguồn điện vào hai đầu của kim loại sẽ làm điện thế chênh lệch khiến các electron tự do di chuyển thành dòng bên trong kim loại đó, sẽ di chuyển từ cực âm đến cực dương. Tóm lại, ta có thể phát biểu như sau: Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường.
Điện trở của dây dẫn kim loại: Điện trở chính là các ion dương trong cấu trúc mạng tinh thể của kim loại luôn di chuyển xung quanh nút mạng, cản trở sự di chuyển của dòng electron.
R= ρlS
Ghi chú:
+ Điện trở của dây dẫn kim loại là R (đơn vị là Ω)
+ Chiều dài của đoạn dây là l (đơn vị là m)
+ Tiết diện ngang của dây dẫn là S (đơn vị là m2)
+ Điện trở suất của dây dẫn là p (đơn vị là Ωm)
Bên cạnh đó, nhiệt độ có tác động tới điện trở suất của dây dẫn theo công thức:
ρ=ρ0(1+α.∆t)
Trong công thức trên ta có:
+ Điện trở suất của dây dẫn là p
+ Điện trở suất của kim loại sau khi thay đổi nhiệt độ là p0
+ Độ biến thiên nhiệt độ là ∆t
+ Hằng số nhiệt điện trở là α
* Các electron tự do chính là các hạt tải điện. Kim loại là chất có mật độ các electron tự do rất cao tạo nên tính dẫn điện rất tốt của kim loại.
* Dòng dịch chuyển có hướng của các electron dưới tác dụng của điện trường chính là bản chất của dòng điện trong kim loại.
* Tính phụ thuộc vào nhiệt độ của kim loại là do mạng tinh thể chuyển động nhiệt làm cản trở chuyển động của hạt tải điện. Đến gần 00K, kim loại có điện trở rất nhỏ.
* Sự phụ thuộc về nhiệt độ của điện trở suất của kim loại
* Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất của kim loại cũng tăng theo đúng với hàm bậc nhất: ρ = ρo[1 + α(t - to)]
* Khi nhiệt độ ≤ nhiệt độ tới hạn (T ≤ TC), vật liệu siêu dẫn sẽ có điện trở giảm đột ngột xuống bằng 0.
* Khi hai dây kim loại khác bản chất gắn hai đầu hàn vào nhau sẽ tạo thành cặp nhiệt điện. Khi nhiệt độ hai mối hàn T1, T2 khác nhau, suất điện động nhiệt điện trong mạch là ξ = αT(T1 - T2), hệ số nhiệt điện động là αT.
Hiện tượng dòng ion âm và ion dương cùng chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau được gọi là dòng điện trong chất điện phân. Về kiến thức dòng điện trong môi trường này, bạn cần chú ý các nội dung dưới đây.
Các hợp chất hóa học như bazơ, axit, muối sẽ bị phân li thành các nguyên tử tích điện trong môi trường dung dịch. Đó chính là ion, hạt tải điện trong dung dịch khi chúng chuyển động tự do.
* Trong điện trường chính, dòng các ion chuyển dời có hướng chính là bản chất của dòng điện trong chất điện phân.
* So với kim loại, chất điện phân không dẫn điện tốt bằng.
* Dòng điện trong chất điện phân vừa tải cả vật chất đi theo vừa tải điện lượng đồng thời. Khi đi tới điện cực, lúc này chỉ còn lại các electron có thể đi tiếp, lượng vật chất đọng lại ở điện cực tạo ra hiện tượng điện phân.
+ ion dương (Cation) -> Catot
+ ion âm (Anion) -> Anot
* Dung dịch axit, dung dịch muối, bazơ hay các muối nóng chảy được gọi là chất điện phân.
* Các ion dương, ion âm bị phân li từ các phân tử axit, muối, bazơ chính là các hạt tải điện trong chất điện phân.
* Khi dòng ion dương, ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau trong điện trường chính là dòng điện trong chất điện phân.
* Do mật độ các ion trong chất điện phân nhỏ hơn mật độ các electron trong kim loại đồng thời khối lượng, kích thước của các ion lớn hơn khối lượng, kích thước của các electron nên tốc độ chuyển động có hướng của chúng nhỏ hơn. Do đó, kim loại sẽ dẫn điện tốt hơn chất điện phân.
* Dòng điện trong chất điện phân sẽ cùng lúc tải đi theo vật chất và cả điện lượng tới điện cực. Tại đây, ở điện cực còn lại lượng vật chất, trong khi các electron sẽ đi tiếp tạo ra hiện tượng điện phân.
* Hiện tượng điện phân thường áp dụng trong hóa chất, công nghệ luyện kim và mạ điện…
Có 2 định luật Fa-ra-đây mà bạn cần nhớ bao gồm:
a. Định luật Fa-ra-đây thứ nhất: Điện lượng chạy qua bình sẽ tỉ lệ thuận với khối lượng vật chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân. Ta có: m = kq
b. Định luật Fa-ra-đây thứ 2: Một nguyên tố có đương lượng điện hóa k tỉ lệ với đương lượng gam A/n của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là 1/F, với F gọi là số Faraday.
Khối lượng chất thoát ra ở cực của bình điện phân tính ra gam là m = 1/96500 x A/n x It
Trong đó, F = 96500 C/mol
+ Khối lượng chất được giải phóng ở điện cực là m (đơn vị tính bằng gam)
+ Khối lượng nguyên tử của chất là A (đơn vị là mol)
+ Cường độ dòng điện là l (đơn vị tính bằng đơn vị ampe(A)
+ Thời gian dòng điện chạy qua là t (đơn vị tính bằng đơn vị giây (s)
+ Hóa trị của nguyên tố tạo ra ion là n
Bình thường, chất khí không dẫn điện mà là một chất điện môi. Điều đó chỉ xảy ra khi chiếu bức xạ tử ngoại hay có ngọn lửa ga sẽ khiến chất khí trở thành chất dẫn điện. Dòng điện trong chất khí sẽ bao gồm những đặc điểm sau đây:
* Bình thường, chất khí không dẫn điện. Chỉ khi có các hạt tải điện là electron, ion hình thành do các tác nhân ion hóa sinh ra sẽ khiến chất khí dẫn điện. Dòng chuyển rời có hướng của electron và các ion trong điện trường chính là dòng điện trong chất khí.
* khi ta tác động từ bên ngoài tác nhân ion hóa, quá trình dẫn điện của chất khí không tự lực sẽ diễn ra. Điều này sẽ tạo ra trong chất khí các hạt tải điện.
* Hiện tượng nhân hạt tải điện xảy ra khi ta dùng nguồn điện áp lớn tạo ra sự phóng điện qua chất khí.
* Khi tác nhân ion hóa từ bên ngoài không còn tác động nhưng quá trình phóng điện sẽ vẫn tiếp tục giữ được, gọi là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí. Dòng điện tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí có 4 cách khác nhau:
* Phân tử khí bị ion hóa do dòng điện qua chất khí làm nhiệt độ khí tăng rất cao.
* Phân tử khí bị ion hóa ngay do điện trường trong chất khí rất lớn khi nhiệt độ thấp.
* Khi bị dòng điện nung nóng đỏ, catot sẽ phát ra electron, gọi là phát xạ nhiệt electron.
* Các electron sẽ bật khỏi catot tạo thành hạt tải điện khi các catot bị các ion duonwng có năng lượng lớn đập vào.
* Để làm ion hóa chất khí cần có quá trình phóng điện tự lực trong chất khí trong điều kiện điện trưởng đủ mạnh, gọi là tia lửa điện. Ứng dụng này được áp dụng để đốt hỗn hợp xăng không khí trong động cơ xăng cũng như giải thích được hiện tượng sét trong tự nhiên.
* Quá trình phóng điện tự lực tạo ra khi dòng điện qua chất khí ở áp suất thường hay áp suất thấp đặt giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn giữa các catot trong điều kiện nhiệt độ cao để phát ra electron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt electron. Quá trình này gọi là hồ quang điện.
* Hiện tượng tỏa nhiệt và tỏa sáng rất mạnh có thể xảy ra ở hồ quang điện.
* Nhiều ứng dụng như đun chảy vật liệu, hàn điện, làm đèn chiếu sáng, … có thể dùng hồ quang điện.
>> Nhiều học sinh khi đến lớp thường cảm thấy bị áp lực với các môn học nhưng mọi chuyện sẽ trở nên đơn giản hơn khi tìm gia sư, các sinh viên và giáo viên sư phạm có thể tìm việc dạy kèm để lựa chọn những phụ huynh có nhu cầu 2 bên sẽ liên lạc và thỏa thuận để sắp xếp lịch dạy và học để mang lại hiệu quả cao nhất.
Chất bán dẫn không phải là kim loại hay điện môi nhưng có khả năng dẫn điện. Điện trở suất của chất bán dẫn nằm giữa kim loại và điện môi. Trong điều kiện nhiệt độ thấp, chất bán dẫn không dẫn điện vì điện trở suất của chất bán dẫn rất lớn. Trong điều kiện nhiệt độ cao, điện trở suất giảm nhanh nên hệ số nhiệt điện có giá trị âm.
Đặc điểm của dòng điện trong chất bán dẫn
* Nhóm vật liệu thuộc chất bán dẫn như gecmani và sillic. Phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và tạp chất, chất bán dẫn có giá trị điện trở suất nằm giữa kim loại và điện môi. Cụ thể:
+ Khi nhiệt độ thấp, chất bán dẫn siêu tinh khiết có điện trở suất rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, hệ số nhiệt điện trở sẽ có giá trị âm còn điện trở suất giảm nhanh.
+ Khi pha một ít tạp chất, điện trở suất của chất bán dẫn giảm rất mạnh.
+ Khi bị chiếu sáng hay bị tác dụng của các tác nhân ion hóa khác, điện trở của chất bán dẫn giảm đáng kể.
* Có 2 loại hạt tải điện trong chất bán dẫn là electron và lỗ trống. Dòng điện trong chất bán dẫn chính là sự chuyển động của các lỗ trống cùng chiều điện trường và chuyển động của các dòng các electron ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường chính là dòng điện trong chất bán dẫn.
* Tạp chất cho hay chất bán dẫn chứa đôno là loại n sẽ có mật độ electron rất lớn so với lỗ trống. Bán dẫn chứa axepto là tạp chất nhận là loại p, có mật độ lỗ trống rất lớn so với mật độ electron.
* Chỗ tiếp xúc giữa 2 miền mang tính dẫn điện p và n trên một tinh thể bán dẫn là lớp chuyển tiếp p-n. Dòng điện chỉ chạy qua được lớp chuyển tiếp p-n theo chiều từ p sang n nên lớp chuyển tiếp p-n được dùng làm diot bán dẫn giúp chỉnh lưu dòng điện xoay chiều.
Tổng hợp dòng điện trong các môi trường ở trên đã cung cấp cho bạn những thông tin cần thiết để hiểu về tính chất, đặc điểm khác nhau của từng dòng điện trong các môi trường cụ thể.
>> Tham khảo thêm:
MỤC LỤC
15/07/2022
13/07/2022
14/06/2022
03/06/2022