CHƯƠNG III: DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG ppt

Khi đó số electron chuyển động ngược chiềuđiện trường sẽ lớn hơn số electron chuyển động cùng chiều điện trường, nghĩa là có xuấthiện chuyển dời có hướng của điện tích, trong vật dẫn kim

CHƯƠNG III: DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG

II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔĐUN

Đây là chương 3 trong số 7 chương đề cập đến kiến thức và kỹ năng thiết kế bài dạyhọc cũng như tổ chức dạy học theo tinh thần đổi mới hiện nay Ở chươngy, giáo viên HV

có điều kiện tìm hiểu và làm sâu sắc thêm những kiến thức vật lí liên quan đến Dòng điệntrong các môi trường theo tinh thần của Vật lí học phổ thông có trong chương Những kiếnthức này, phần lớn được khai thác từ Internet

Công việc quan trọng là học viên thiết kế các bài dạy học cụ thể trong chương, cùngnhau thảo luận, trao đổi để tìm được phương án thiết kế tối ưu nhất

Thời gian cho môđun này là 1 buổi (4 tiết)

III TÀI LIỆU VÀ THIẾT BỊ ĐỂ THỰC HIỆN MÔĐUN

Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11, Tài liệu bồi dưỡng thay sách giáo khoa Vật

lí 11, Phụ lục 5

IV HOẠT ĐỘNG

Hoạt động 1: Phân tích kiến thức có trong chương

 Nhiệm vụ:

- HV làm việc theo nhóm bằng cách đọc tài liệu có trong phần phụ lục và thảo luận

 Thông tin cho hoạt động:

- Mỗi nhóm HV chọn một bài bất kỳ trong chương rồi cùng nhau thiết kế

 Thông tin cho hoạt động:

1 Dòng điện trong kim loại (Direct electric current in metals)

1.1 Bản chất của dòng điện trong kim loại

Các kim loại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể Trong

kim loại, các nguyên tử bị mất electron hoá trị trở

thành các ion dương, các ion dương sắp xếp một cách

tuần hoàn, trật tự tạo nên mạng tinh thể Trong khoảng

không gian giữa mạng tinh thể là các electron chuyển

động nhiệt hỗn loạn, các electron này gọi là các

electron tự do Dưới tác dụng của điện trường ngoài

các electron tự do này chuyển động có hướng để tạo

thành dòng điện trong kim loại

Để giải thích tính dẫn điện của kim loại, Droude

và Lorentz đã đề ra thuyết electron về kim loại có nội

dung sau:

-Trong kim loại có các electron tự do Mật độ

electron xấp xỉ bằng mật độ của nguyên tử kim loại

Dựa vào thuyết electron cổ điển có thể giải thích được t ính dẫn điện của kim loại,nguyên nhân gây ra điện trở và giải thích định luật Ôm

 Giải thích tính dẫn điện của kim loại

Kim loại là chất dẫn điện tốt Khi không có tác dụng của điện trường ngoài, cácelectron tự do chỉ chuyển động nhiệt hỗn loạn giống như chuyển động nhiệt của các phân

tử khí Khi đó số electron chuyển động theo một chiều nào đó, về trung bình, luôn luônbằng số electron dịch chuyển theo chiều ngược lại Vì vậy lượng điện tích tổng cộng mangbởi các electron qua một mặt bất kì nào đó là bằng không, trong vật dẫn kim loại không códòng điện

Khi có điện trường ngoài, các electron tự do có thêm chu yển động phụ theo mộtchiều xác định, ngược chiều với điện trường Khi đó số electron chuyển động ngược chiềuđiện trường sẽ lớn hơn số electron chuyển động cùng chiều điện trường, nghĩa là có xuấthiện chuyển dời có hướng của điện tích, trong vật dẫn kim loại có xuất hiện dòng điện Mật

độ hạt tải điện (electron tự do) rất lớn cỡ 1028/m3nên kim loại dẫn điện rất tốt

Cần lưu ý rằng, vận tốc trung bình của chuyển động có hướng của các electron(

Cũng cần phân biệt vận tốc trung bình của chuyển động có hướng của electron với vận tốclan truyền của dòng điện, tức là vận tốc lan truyền tác dụng của điện trường lên cácelectron Sự lan truyền tác dụng đó của điện trường từ electron này đến electron khác xảy

ra với vận tốc rất lớn, khoảng 3.108m/s

 Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại

Trong chuyển động có hướng các electron tự do luôn tương tác với các ion dao độngquanh vị trí cân bằng ở các nút mạng tinh thể, nghĩa là bị cản trở Hiện tượng này là

nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại Các kim loại khác nhau có cấu tạo mạng tinh

thể khác nhau nên điện trở suất của các kim loại khác nhau là khác nhau

Điện trở của kim loại còn phụ thuộc vào nhiệt độ

http://www.youtube.com/watch?v=XxBn_Wzm0aI&feature=mfu_in_order&list=UL

Khi nhiệt độ tăng lên, các ion kim loại nằm ở các nút mạng tinh thể cũng dao độngmạnh lên và do đó, xác suất va chạm của electron với ion càng lớn lên Vì vậy điện trở kimloại tăng khi nhiệt độ tăng

Điện trở suất của kim loại cũng tăng theo nhiệt độ và được biểu diễn qua công thức:

 là điện trở suất ở nhiệt độ đó Thông thường ta chọn t = 200.0

Giữa hai va chạm kế tiếp với ion, các electron được tăng gia tốc dưới tác dụng củađiện trường và chúng nhận thêm năng lượng Năng lượng của chuyển động có hướng nàyđược truyền hoàn toàn hay một phần cho các ion dương khi va chạm, làm cho nội năng củavật dẫn tăng lên Vì vậy khi có dòng điện chạy qua, kim loại nóng lên

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/heatresistance/index.html

 Giải thích định luật Ôm

Để đơn giản trong các phép toán, ta giả thiết rằng: giữa hai va chạm kế tiếp, tất cảcác electron tự do đều đi được những quãng đường như nhau, bằng quãng đường tự dotrung bình của các electron Hơn nữa, ta cũng coi rằng, trong mỗi va chạm với ion, electrontruyền hoàn toàn cho mạng tinh thể năng lượng mà nó nhận được Nghĩa là sau va chạmvận tốc ban đầu v0của electron bằng không

Xét một đoạn mạch gồm dây có chiều dài l và tiết diện động lực S, giữa hai đầu đoạnmạch đặt một hiệu điện thế U Cường độ điện trường trong đoạn mạch là:

l

U

EDưới tác dụng của điện trường, mỗi elect ron chịu tác dụng của một lực điện trườngF= eE và electron có gia tốc bằng a= eE/m (trong đó m là khối lượng của electron) Vì vậycuối quãng đường tự do trung bình, vận tốc có hướng của electron là:

Vmax= at =

ml eUt

trong đó t là khoảng thời gian trung bình giữa hai va chạm Vì giữa hai va chạm kếtiếp, electron chuyển động nhanh dần đều nên giá trị trung bình của vận tốc bằng:

ml

eUt V

v

2

12

v neS

I (n là mật độ dẫn điện) (2)

Thay (1) vào (2) ta có

T

v ml

SU ne I

s) gọi là thờigian hồi phục, vận tốc chuyển động có hướng của các electron dẫn sẽ đạt đến một trị sốgiới hạn không đổi, tạo nên dòng điện không đổi Thuyết lượng tử cho ta công thức tương

tự với (3)





n e

Fec-mi, E =7,0 eV) F

Tuy có nhiều thành công như đã nêu ở trên nhưng thuyết electron cổ điển không giảithích được:Ví dụ như: nhiệt dung của khí electron và vấn đề tán xạ electron trong kimloại Vì sao tinh thể kim loại sạch, kết tinh hoàn hảo, ở nhiệt độ thấp lại có điện trở rất

nhỏ? Sở dĩ có hạn chế này là vì một số nội dung cơ bản của thuyết electron cổ điển không

tưởng nữa, mà tuân theo các định luật của thống kê lượng tử : khí electron Fermi tự do

(vì electron có spin bán nguyên và tuân theo nguyên lí Pauli)

-Theo quan điểm của thuyết lượng tử , các electron tự do cần phải được xem như mộtsóng Do kim loại có cấu trúc tinh thể với các nguyên tử nằm trong mạng tuần hoàn nêncác sóng có thể truyền suốt cấu trúc tuần hoàn tinh thể mà không bị tán xạ vào hướng khác.Nói cách khác, sóng electron này đã lan truyền được trong môi trường tuần hoàn của mạngtinh thể nên không bị mạng tinh thể làm lệch đường, vì thế electron tự do không bị va

chạm với lõi nguyên tử nằm một cách trật tự ở mạng tinh thể mà chỉ bị va chạm ở nhữngchỗ không hoàn hảo của mạng đó, va chạm với điể m mất trật tự của mạng tinh thể mà thôi.

Ta gọi chung là những sai hỏng của mạng (Dislocation in a crystal lattice) Các sai hỏng này

có thể là:

-Sự mất trật tự của các ion trong mạng tinh

thể do chuyển động nhiệt (dao động) sinh ra: hệ quả

là điện trở của kim loại tăng theo nhiệt độ

-Sự mất trật tự của mạng tinh thể do có các

nguyên tử lạ: hệ quả là tạp chất làm tăng điện trở

của kim loại

-Sự mất trật tự của các ion trong mạng tinh

thể do tinh thể bị biến dạng: hệ quả là các quá trình

gia công như uốn, kéo dãn làm điện trở của kim

loại tăng

Như vậy, nguyên nhân cơ bản gây ra điện

trở của kim loại là sự mất trật tự (sự sai hỏng) của mạng tinh thể Những sai hỏng này sẽ

làm tán xạ sóng điện từ và do đó điện trở được sinh ra Như vậy có thể hiểu rằng: ngu yênnhân làm điện trở giảm khi kim loại hoặc hợp kim bị làm lạnh là: khi hạ nhiệt độ, các daođộng nhiệt của nguyên tử giảm xuống, đồng thời các điện tử dẫn tán xạ với tần số nhỏ hơn

Do đó điện trở giảm tuyến tính theo nhiệt độ cho đến khi T(1/3)TD(nhiệt độ Debye) Ởdưới nhiệt độ này điện trở giảm từ từ và gần như không đổi khi T 0K Đối với kim loạihoàn toàn sạch, điện tử di động chỉ bị cản trở do dao động nhiệt của mạng, cho nên điện trở

có giá trị xấp xỉ bằng không khi nhiệt độ giảm về phía 0K Những kim loại thuộc mẫu "kimloại lí tưởng" mang tính hoàn toàn giả thiết Tuy nhiên, ngay cả khi được làm lạnh đến 0K

mà điện trở giảm tới không, nó cũng chưa hẵn là chất siêu dẫn

1.2 Hiện tượng điện ở chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại

1.2.1 Công thoát electron khỏi kim loại

Ta đã biết rằng, các electron tự do trong kim loại chuyển động nhiệt hỗn loạn vàđược giữ lại ở bên trong kim loại Điều đó có nghĩa là ở gần mặt kim loại phải có những

lực liên kết tác dụng lên các electron và hướng vào phía tro ng kim loại Muốn vượt ra khỏimặt giới hạn của vật dẫn kim loại, electron phải thực hiện một công xác định A chống lạicác lực đó Công A được gọi là công thoát của electron khỏi kim loại Để đo công A người

ta thường dùng đơn vị là electron -Vôn, kí hiệu eV, 1eV = 1,6.10-19J Công thoát A có độlớn vào khoảng vài eV (do đó φ có độ lớn khoảng vài vôn) Trong khi đó động năng trungbình của chuyển động nhiệt của electron ở nhiệt độ phòng bằng

2 1 3

6 , 2 3 1 0 0 , 0 3 9



nghĩa là nhỏ hơn A rất nhiều Vì vậy, ở nhiệt độ

phòng, đại bộ phận các electron tự do ở bên trong kim loại.

2.2.1.2 Hiệu điện thế tiếp xúc

Hiệu điện thế xuất hiện tại chỗ tiếp xúc hai kim loại khác nhau, được gọi là hiệu

điện thế tiếp xúc Chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại thường được gọi là mối hàn Hiệu điện

thế tiếp xúc được thay đổi tùy theo từng cặp kim loại và thường có giá trị từ vài phần trămvôn đến vài chục vôn Nó phụ thuộc rất rõ vào độ tinh khiết của kim loại đặc biệt là phụthuộc vào độ tinh khiết của mặt kim loại tiếp xúc với chấ t khí

Xét hai thanh kim loại khác nhau có cùng nhiệt độ, tiếp xúc với nhau (Hình 9) Dochuyển động nhiệt hỗn loạn, các electron tự do sẽ khuếch tán từ kim loại 1 sang kim loại 2

và ngược lại Bởi vì mật độ n1và n2của electron tự do trong hai kim loại đó khác nhau nêncác dòng electron khuếch tán sẽ khác nhau Giả sử n1>n2, khi đó dòng electron khuếch tán

từ kim loại 1 sẽ lớn hơn dòng khuếch tán ngược lại từ kim loại 2 Kết quả là kim loại 1 sẽtích điện dương còn kim loại 2 sẽ tích điện âm Như vậy là giữa hai kim loại, tại lớp mỏng

ở chỗ tiếp xúc có xuất hiện một điện trường tức là có một hiệu điện thế, điện trường nàycản trở chuyển động của các electron từ kim loại 1 sang kim loại 2 và thúc đẩy chuyểnđộng của các electron từ kim loại 2 sang kim loại 1 Do đó, số lượng tổng cộng cácelectron tự do từ kim loại 1 sang kim loại 2 giảm dần, còn số lượng các electron tự do từkim loại 2 sang kim loại 1 tăng dần Cho đến khi hiệu điện thế giữa hai kim loại đó đạt đếnmột giá trị Ui thì có sự cân bằng giữa hai dòng electron đó, và hiệu điện thế Uiđó chính làhiệu điện thế tiếp xúc trong của hai kim loại, nó có giá trị vào khoảng 10210 V3 .

1.2.2 Các hiện tượng nhiệt điện

1.2.2.1 Hiện tượng Peltier (Penchiê)

Do có tồn tại hiệu điện thế tiếp xúc, nên ngoài nhiệt lượng Joule - Lenz toả ra trongthể tích vật dẫn điện còn có một hiện tượng nhiệt phụ nữa xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa haikim loại khác nhau do Peltier phát hiện ra năm 1834, gọi là hiện tượng Peltier Khi chodòng điện đi qua chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại thì ở đó sẽ có sự toả nhiệt hay hấp thu mộtlượng nhiệt Q tuỳ theo chiều của dòng điện đi qua đó Kết quả là chỗ tiếp xúc nóng lên haylạnh đi Nhiệt lượng Peltier Q tỏa ra hay hấp thụ ở chỗ tiếp xúc tỉ lệ thuận với điện tíchtoàn phần q đi qua mối hàn: Q p q p It

( p: Hệ số Peltier).

Ta cần lưu ý rằng hiện tượng Peltier và sự toả nhiệt Jun - Lenxơ có sự khác nhaucăn bản Nhiệt lượng Jun - Lenxơ tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện và không phụthuộc và chiều dòng điện Còn hiện tượng Peltier tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện vàthay đổi dấu khi có thay đổi chiều dòng điện Hơn nữa nhiệt lượng J oule-Lenz phụ thuộc

và điện trở vật dẫn còn nhiệt lượng Peltier không phụ thuộc vào điện trở vật dẫn

1.2.2.2 Hiện tượng Thomson (Tômxơn)

_ +

2 1

Hình 9

Khi khảo sát các hiện tuợng nhiệt điện Thomson đã đi đến kết luận là: Ngay cả trongmột vật dẫn đồng chất, nếu nhiệt độ tại các phần khác nhau của vật là khác nhau thì có một

lượng nhiệt phụ được toả ra hay hấp thụ Lượng nhiệt này hoặc bổ sung thêm vào nhiệt

Joule-Lenz hoặc làm giảm nhiệt lượng đó Hiện tượng này gọi là hiện tượng Thomson.Nói cho thật đúng thì hiện tượng này không liên quan trực tiếp đến các hiện tượngtiếp xúc Tuy nhiên nguồn gốc của hiện tượng đó lại liên quan chặt chẽ với các nguyênnhân làm xuất hiện các hiện tượng ở chỗ tiếp xúc

1.2.2.3 Hiện tượng Seebeck (Dibec)

Ta biết rằng trong một mạch điện kín có nhiều vật dẫn cùng

loại tiếp xúc với nhau ở cùng một nhiệt độ thì không có một hi ệu

điện thế nào xuất hiện cả Nếu ta cho nhiệt độ ở những chỗ tiếp

xúc khác nhau thì trong mạch xuất hiện suất điện động nghĩa là có

dòng điện Đó là hiện tượng nhiệt do Seebeck tìm ra năm 1821 và

suất điện động này gọi là suất điện động nhiệt điện và dòng điện

tồn tại trong mạch gọi là dòng nhiệt điện

Suất nhiệt điện động  tăng không tỉ lệ với hiệu nhiệt độ

giữa các mối hàn Vì vậy, để đặc trưng cho tính chất nhiệt điện của một cặp vật dẫn bất kìngười ta đưa vào đại lượng gọi l à suất nhiệt điện động vi phân α, đo bằng suất nhiệt điệnđộng xuất hiện khi hiệu nhiệt độ giữa các mối hàn là 10C:

dT

d

  , α phụ thuộc khôngnhững vào bản chất của cặp kim loại mà còn phụ thuộc vào trạng thái của chúng, đặc biệt

là vào nhiệt độ

Nếu nhiệt độ (T1– T2) của hai mối hàn không lớn thì ta có:  T1T2

* Nguyên nhân gây ra suất nhiệt điện động trong cặp nhiệt điện

Suất nhiệt điện động trong cặp nhiệt điện bằng vật liệu rắn thường được cho là hìnhthành từ ba nguồn gốc:

- Sự phụ thuộc của công thoát của vật liệu theo nhiệt độ;

- Sự dịch chuyển của hạt tải điện trên thỏi vật liệu từ đầu nóng đến đầu lạnh;

- Sự thay đổi mật độ hạt tải điện theo nhiệt độ

Các electron trong chất rắn không thể tự do bay ra không gian bên ngoài Muốn vượt

ra khỏi mặt giới hạn của chất rắn, ta phải cung cấp cho mỗi electron một năng lượng trungbìnhgọi là công thoát của electron của chất rắn Công thoát electron phụ thuộc vào nhiệt

độ, = (T) Hai chất rắn A và B khác nhau, có công thoát electron khác nhau:A(T) 

B(T) Khi chúng tiếp xúc nhau, giữa chúng sẽ xuất hiện hiệu điện thế tiếp xúc

tx U T tx U T tx

Sự dịch chuyển của hạt tải điện trong thỏi vật l iệu từ đầu nóng qua đầu lạnh lại diễn

ra theo hai cơ chế: Chuyển động nhiệt của mạng tinh thể và của hạt tải điện ở đầu nóng

Hình 10

mạnh hơn đầu lạnh, nên có xu hướng đẩy hạt tải điện từ đầu nóng về đầu lạnh Trong vật líchất rắn, người ta coi dao động của mạng tinh thể như những hạt phonon, nên hiện tượngnày gọi là hạt tải điện bị phonon cuốn đi Mặt khác, trong một số chất rắn (ví dụ trong bándẫn), mật độ hạt tải tăng theo nhiệt độ Khi ấy hạt tải sẽ khuếch tán từ đầu nóng qua đầulạnh, làm hai đầu tích điện trái dấu nhau Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Seebeck Chênhlệch hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh do hiệu ứng này gây ra là US = S(T1 – T2).Trong cặp nhiệt điện, hiệu ứng Seebeck ở hai vật rắn A và B không giống nhau, tạo ra suấtđiện động  S (S AS B)(T1T2) Do đó suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện là:

tx

  Trong  chỉ có thành phần do sự cuốn theo phonon gây ra, vì thế suất điện động

nhiệt điện của cặp nhiệt điện kim loại thường rất nhỏ

Với kim loại, hạt tải điện là eletron,có mật độ rất cao và không phụ thuộc nhiệt độ.Hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai lớp kim loại r ất mỏng ở sát chổ tiếp xúc Các e qua lại dễdàng lớp này bằng hiệu ứng đường hầm nên mật độ e ở hai bên lớp tiếp xúc gần như bằngnhau và hiệu điện thế tiếp xúc gần như bằng không Trong đó chỉ có thành phần cuốn theophonon gây ra, vì thế suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện kim loại thường rất nhỏ

Ứng dụng của hiện tượng nhiệt điện

-Nhiệt kế nhiệt điện là cặp nhiệt điện có thể dùng để đo nhiệt độ rất cao cũng như rấtthấp (mà ta không thể đo được bằng nhiệt kế thông thường)

-Pin nhiệt điện : Những cặp nhiệt điện mắc nối tiếp nhau có thể tạo thành một bộ pin

có khả năng cho ta một thế hiệu vài vôn và dòng điện vài ampe Hiệu suất của pin nhiệtkhá thấp (1%)

1.3 Hiện tượng siêu dẫn

Trong tự nhiên tồn tại nhiều vật dẫn (kim loại,

hợp kim, ) mà khi hạ nhiệt độ của vật đến một nhiệt

độ TC nào đó thì điện trở của nó bằng không Vật ở

dưới nhiệt độ TCcó điện trở bằng không gọi là vật siêu

dẫn Trạng thái của vật ở vùng nhiệt độ T TC có điện

trở bằng không gọi là trạng thái siêu dẫn và trạng thái

của vật ở vùng nhiệt độ T TC có điện trở khác không

gọi là trạng thái dẫn thường hay là trạng thái thường

Trạng thái siêu dẫn được phát minh vào năm 1911 bởi

nhà vật lí Hà Lan, Kamerlingh Ones khi nghiên cứu sự

phụ thuộc của điện trở Hg vào nhiệt độ Trong vùng

nhiệt độ T < TC = 4,2K điện trở Hg hoàn toàn bằng

không Ở nhiệt độ Tc vật chuyển từ trạng thái dẫn

thường sang trạng thái siêu dẫn hay ngược lại gọi là nhiệt độ tới hạn

Một số đặc tính của chất siêu dẫn

a Khi vật ở trạng thái siêu dẫn điện trở củ a nó bằng không

b Khi hạ nhiệt độ một mẫu chất siêu dẫn đặt

trong từ trường, người ta thấy rằng, tại thời điểm mẫu

này chuyển sang trạng thái siêu dẫn thì các đường sức từ

lập tức bị đẩy ra khỏi mẫu, nghĩa là chất siêu dẫn được

xem là chất nghịch từ lí tưởng Hiện tượng đó gọi là

hiệu ứng Meissner – Ochsenfeld (M-O) Vật dẫn chỉ có

điện trở bằng không thôi mà không có hiệu M-O thì

không phải là chất siêu dẫn mà chỉ là vật dẫn lí tưởng

Hiệu ứng Meissner-Ochsenfeld là hiệu ứng từ thông bị

đẩy ra hoàn toàn khỏi bên trong của vật siêu dẫn Hiện

tượng này là hiện tượng nghịch từ hoàn hảo

(Superdiamagnetism) Từ thông bên trong vật siêu dẫn

bằng 0 Hiện tượng này được khám phá bởi

hai nhà vật lý người Áo Walther Meissner và

người Đức Robert Ochsenfeld vào năm

1933

c Bất kì vật liệu siêu dẫn nào cũng

đặc trưng bằng ba thông số: nhiệt độ tới hạn

TC, từ trường tới hạn HC và mật độ dòng

điện tới hạn JC Cụ thể là:

Khi đặt một mẫu siêu dẫn vào trong từ

trường, tính siêu dẫn của mẫu bị mất đi

(trạng thái siêu dẫn bị phá huỷ) khi cường độ từ trường lớn hơn một giá trị giới hạn nào đó,gọi là từ trường tới hạn Hc Các phép đo cho thấy từ trường tới hạn Hc không phải là nhưnhau đối với mọi chất siêu dẫn Đối với một chất siêu dẫn xác định thì HC phụ thuộc vàonhiệt độ và quy luật phụ thuộc này hầu như là như nhau đối với các chất siêu dẫn: ở gần độkhông tuyệt đối HCcó giá trị cực đại và giảm chậm dần theo nhiệt độ, càng gần tới TCthì

từ trường tới hạn càng giảm nhanh

Khi cho qua mẫu siêu dẫn một dòng điện vượt quá một mật độ nào đó, gọi là mật độdòng tới hạn jC, thì trạng thái siêu dẫn sẽ không còn nữa Nguyên nhân là vì: khi tăng dòngđiện thì từ trường riêng do nó gây ra tăng và sẽ đến thời điểm mà từ trường riêng này cócường độ giới hạn HClàm mất trạng thái siêu dẫn

Như vậy có thể nói: siêu dẫn là một trạng thái vật lí phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn,

nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt chất siêu dẫntrong từ trường, từ trường còn bị đẩy ra khỏi nó

Giải thích tính siêu dẫn

Kể từ khi Kammerlingh Onnes phát minh ra tính siêu dẫn, các nhà vật lí đã cố gắngxây dựng nhiều lí thuyết khác nhau nhằm giải thích nó Năm 1972 các nhà vật lí Bardeen,Cooper và Schriffer đã tìm ra sự giải thích tương đối hợp lí về tính siêu dẫn Nội dung vắntắt của thuyết BCS như sau:

Các hạt tải điện không phải là các

electron riêng rẽ mà là các cặp electron

gọi là cặp Cooper Bình thường các

electron đẩy nhau nên cần phải có cơ c hế

đặc biệt nào đó để cho chúng có thể tạo

thành cặp Theo lí thuyết BCS, do tương

tác đặc biệt (tương tác electron - phonon),

hai electron có spin ngược chiều nhau

trong những điều kiện nhất định có thể hút

nhau thông qua các ion của mạng tinh thể

và tạo thành cặp Cooper, các cặp này tạo

thành một chất "siêu lỏng" chảy qua một

số kim loại và hợp kim mà không bị ma

sát, có nghĩa là dòng điện tạo bởi các cặp

này không bị cản trở, không tắt dần khi chạy qua vật liệu siêu dẫn Ta có thể hình dung, khimột đ iện tử chuyển động, tương tác của nó với mạng tinh thể làm biến dạng mạng tinh thể

và điện tử đi theo sau đó sẽ dễ dàng chuyển động hơn trong tinh thể Từ tương tác điện tửvới các phonon người ta có thể suy ra lực tương tác hút hiệu dụng giữa hai điện tử

John Bardeen, Leon Cooper và R.Schriffer đã nhận giải thưởng Nobel về vật lí năm

1972 nhờ công trình này Tuy nhiên lí thuyết BCS chỉ áp dụng cho các chất siêu dẫn cónhiệt độ của trạng thái siêu dẫn rất thấp (dưới 30K) Trong khi đó người ta đã chế tạo đư ợcvật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn Vì vậy việc xây dựng được một lí thuyết hoàn chỉnh

để giải thích được đầy đủ đặc tính của chất siêu dẫn là vấn đề được các nhà khoa học quantâm hiện nay

http://www.youtube.com/watch?v=pPBsxylW2Z0&feature=relmfu

http://www.physics.uiowa.edu/~umallik/adventure/nov_13-04.html

Khả năng ứng dụng của chất siêu dẫn

Các vật liệu siêu dẫn đã đưa đến sự thay đổi lớn lao về kĩ thuật, công nghệ, và kể cảtrong kinh tế và đời sống xã hội Dưới đây chỉ nêu lên một số ứng dụng của siêu dẫn

Các đường dây cáp siêu dẫn có khả năng truyền tải điện đi xa mà không bị tổn thấtđiện năng vì đường dây không có điện trở; mặt khác dây cáp tải điện siêu dẫn không cầnlàm to như dây cáp thông thường và như vậy tiết kiệm được vật liệu (mật độ dòng điệntrong dây siêu có thể đạt tới 105A/cm2)

Dựa trên tính chất từ trường không thâmnhập được vào vật liệu siêu dẫn và bị đẩy trởlại, người ta đã chế tạo những đoàn tàu hoảvới bánh xe có từ tính, còn đường ray có đặtcác cuộn siêu dẫn Khi tàu chạy, do hiệntượng cảm ứng điện từ trong các cuộn dây códòng điện cảm ứng và sinh ra từ trường Kếtquả là xuất hiện lực đẩy khiến cho các toa tàu

bị nâng lên, bánh xe không tiếp xúc vớiđường ray Từ trường do nam châm siêu dẫntạo ra cực mạnh đủ để nâng con tầu lên 10 cmkhỏi đường ray Đường ray c ó mặt cắt hìnhchữ U, trên có lắp 3 cuộn dây điện từ, đượ ccung cấp điện bởi các trạm nguồn đặt dưới đấtdọc đường tầu Nam châm siêu dẫn đặt trên tầu và đặt trong những b ình chứa Helium để

hóa lỏng, tạo ra nhiệt độ thấp là 269 độ dưới không độ, khi c ó dòng điện đi qua, sinh ramột từ trường khoảng 4,23 tesla nâ ng tầu bổng lên trong khung đường ray chữ U Người ta

có thể chế tạo được nam châm điện siêu dẫn tạo ra từ trường cực mạnh cần cho máy giatốc, lò phản ứng nhiệt hạch và các nghiên cứu khác

2 Dòng điện trong chất điện phân (Direct electric current Electrolyte)

2.1 Thuyết điện li

-Thí nghiệm:

video\Conduction in Liquids_salt_water_bulb.mpeg

http://www.youtube.com/watch?v=1XWnovm6JLs

Thuyết về sự phân li (dissociation)

các phân tử chất hòa tan trong dung

dịch gọi là thuyết điện li, có nội dung cơ

bản như sau:

- Mọi phân tử đều chứa các

electron tích điện âm và các hạt nhân

tích điện dương

+ Nếu tâm của các điện tích

dương trùng với tâm của các điện tích

âm thì sự phân bố điện tích của phân tử

đó về toàn bộ là đều và phân tử thuộc

loại phân tử không cực và khi đó ta có

mối liên kết không cực

+ Nếu tâm của các điện tích dương và tâm của các

điện tích âm không trùng nhau thì ta có phân tử có cực

và khi đó ta có mối liên kết có cực.

+ Nếu tâm của các điện tích xa nhau rất rõ, phân tử

sẽ thuộc loại ion (liên kết ion).

Đối với các hợp chất ion, quá trình tạo thành các

ion trong dung dịch được giải thích như sau

Giả sử có một hợp chất ion, như NaCl chẳng hạn,

hoà tan vào nước Các phân tử thuộc loại phân tử có cực,

có momen lưỡng cực lớn Trong điện trường ở xung quanh mỗi phân tử H2O được sắp xếpnhư sau: các đầu dương của chúng hướng vào cực âm

của phân tử NaCl, tức là hướng vào ion Cl- trong

phân tử NaCl và hút ion ấy, đồng thời đẩy Na+ của

phân tử NaCl Còn các đầu âm của chúng lại hướng

vào đầu dương của phân tử NaCl tức là vào ion Na+

và hút ion ấy, đồng thời đẩy ion Cl- của NaCl Như

vậy là các phân tử của dung môi (ở đây là H2O) bao

quanh các ion của chất hoà tan (ở đây là NaCl), tạo

thành một tập hợp gọi là “solvat ”.

http://www.youtube.com/watch?v=EBfGcTAJF4o&NR=1

Khi ion chuyển động, toàn bộ solvat cũng chuyển động Hiện tượng đó được gọi là

solvat hoá Sự solvat hóa đã làm yếu mối liên kết giữa các ion Na+ và Cl- trong phân tửNaCl Do chuyển động nhiệt, các phân tử luôn luôn va chạm với nhau Khi phân tử NaCl

va chạm với một phân tử nào đó có dung môi (hay với một phân tử NaCl khác) đangchuyển động khá nhanh, nó có thể phân li thành ion Na+và Cl-

+ -

+

+ -

+

-Thí nghiệm điện phân với dung dịch NaCl và nước

Khả năng phân li của chất hòa tan ở các dung môi khác nhau là rất khác nhau Để đặc

trưng định lượng độ phân li của một chất hòa tan trong dung dịch người ta đưa vào hệ số

phân li (α) Nếu trong một đơn vị thể tích dung dịch có n 0phân tử chất hòa tan mà trong số

đó n'0 phân tử bị phân li thành ion thì:

' 0

0

n n

   Hệ số phụ thuộc vào bản chấtcủa chất hoà tan của dung môi, vào nồng độ dung dịch và nhiệt độ dung dịch Như vậy,hằng số điện môi của dung môi càng lớn thì mối liên kết của các phân tử của chất hòa tancàng yếu đi

Hiện tượng điện li xảy ra là do hai nguyên nhân:

 Chuyển động nhiệt hỗn độn của các nguyên tử, phân tử

 Tương tác giữa các phân tử có cực của chất hoà tan với phân tử tự phân cựccủa dung môi (nước chẳng hạn)

-Mô phỏng:

http://www.youtube.com/watch?v=aELPrWzixeU&feature=related

2.2 Bản chất của dòng điện trong chất điện phân

Khi không có điện trường ngoài, các ion

trong chất điện phân chuyển động nhiệt hỗn

loạn do đó không có dòng điện tích chuyển dời

có hướng, nghĩa là không có dòng điện Khi có

tác dụng của điện trường ngoài, c ác ion dương

dịch chuyển có hướng theo chiều điện trường

và các ion âm dịch chuyển ngược chiều điện

trường, nghĩa là có dòng điện

Như vậy, bản chất dòng điện trong chất

điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các

ion dương cùng chiều điện trường và các ion

âm ngược chiều điện trường

Khi các ion (+) và các ion (-) chạy về các

điện cực chúng nhường và thu electron cho

các điện cực còn chúng trở thành các nguyên

tử hay phân tử trung hoà Các nguyên tử hay

phân tử trung hoà này có thể bám vào các

điện cực hay bay lên khỏi dung dịch điện

phân hoặc tác dụng với các điện cực hay

dung môi, gây nên phản ứng hoá học khác

Các phản ứng này gọi là phản ứng phụ hay

là phản ứng thứ cấp.

Trường hợp đặc biệt về phản ứng phụ

đó là hiện tượng dương cực tan Hiện

tượng dương cực tan xảy ra khi điện phân

một dung dịch muối kim loại mà anôt làm

mA

Hình 22

bằng chính kim loại ấy Ví dụ khi điện phân dung dịch sunfat đồng (CuSO4) với anode(A) bằng đồng Các ion Cu2+ dịch chuyển tới catôt, nhận hai electron từ nguồn điện đi tớitrở thành nguyên tử đồng bám vào catôt: Cu2+ + 2e-= Cu Ở anôt, electron bị kéo về cựcdương của nguồn điện, tạo điều kiện ion Cu2+ trên bề mặt tiếp xúc với dung dịch Khi(SO4)2-chạy về anôt, nó kéo Cu2+vào dung dịch Đồng sẽ tan vào trong dung dịch gây rahiện tượng dương cực tan.

2.2 Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện theo hiệu điện thế trong chất điện phân

Sự phụ thuộc của dòng điện theo hiệu điện thế trong chất điện phân phụ thuộc đượckhảo sát theo biểu thức của định luật Ôm cho đoạn mạch rút ra từ thuy ết electron:

u u E

n

q

I  0 0 0

Trong đó: E là cường độ điện trường ngoài,

u+0, u-0là độ linh động của ion dương và ion âm

q là điện tích của mỗi ion

Sự tạo thành ion và mật độ của chúng trong trường hợp cực dương tan không phụthuộc vào điện trường, độ linh động của mỗi ion cũng không đổi ở nhiệt độ không đổi Do

đó, với một dung dịch điện phân cho trước thì lượng  0 0

0 uu

n q là không đổi Vậy, khi

có hiện tượng dương cực tan dòng điện trong chất điện phân tuân theo định luật Ôm, giống như đối với đoạn mạch chỉ có điện trở thuần

Nếu bình điện phân chứa dung dịch muối kim loại mà anode không làm bằng chính

kim loại đó thì bình điện phân là máy thu điện và dòng điện chạy qua bình điện phân sẽ

tuân theo công thức

p

p AB p

AB AB

r

U U

Khối lượng của chất được giải phóng ra ở điện cực tỉ lệ với

điện lượng q đã đi qua chất điện phân

m = kq (1)

Hệ số tỉ lệ k (kg/C) được gọi là đương lượng điện hoá , phụ

thuộc vào bản chất hoá học của chất được giải phóng ra ở điện cực

+Định luật II Faraday (thứ hai)

Đương lượng điện hoá của một chất tỉ lệ thuận với với đương

1,5 0,5

0

0,06 0,02 0,04

1,0 2,0 2,5 3,0 U(V) I(A)

điện phân đựng dung dịch CuSO4với anốt bằng đồng

0,14 0,12 0,10 0,08 0,18 0,16

A F

q n

A F

m 1  1Với I là cường độ dòng điện không đổi chạy qua bình điện phân

+Giải thích các định luật Faraday

Dựa vào sự dẫn điện của chất điện phân và vào thuyết điện li, ta có thể giải thích cácđịnh luật Faraday như sau:

Giả sử có N ion di chuyển tới điện cực Nếu khối lượng mỗi ion là m0, thì khi N ion

đó được trung hoà ở điện cực, khối lượng của chất được giải phóng ra là: m = Nm0

Điện tích mỗi ion là q = ne (với e là điện tích nguyên tố, n là hoá trị của nguyên tố).Khi có N ion tới điện cực thì điện lượng đã chuyển qua du ng dịch điện phân là

Đó chính là biểu thức của định luật I Faraday, với k = m0/ne

Mặt khác khối lượng nguyên tử của chất được giải phóng ra ở điện cực:

A = N0m (N0là số Avogadro)

và đương lượng hoá học của chất đó bằng:

n

m N n

A 0

Từ đó: k =

n

A F e N n

A ne

3 Dòng điện trong chân không

3.1 Bản chất dòng điện trong chân không

Chân không lí tưởng là một môi trường trong đó không có một phân tử khí nào Chânkhông là môi trường cách điện tốt, vì trong chân không không có hạt mang điện tự do vàcũng không có cách nào tạo ra hạt mang điện tự do từ bản thân môi trường đó

Muốn cho dòng điện chạy qua chân không thì môi trường đó phải có hạt mang điện

tự do được tạo ra từ một nguồn nào đó Nguồn điện tích tự do này thường được tạo ra nhờhiện tượng electron thoát ra khỏi mặt điện cực

Trong vật rắn (kim loại), các electron tư do chuyển động trong một giếng thế năng.Muốn thoát ra, electron phải có động năng lớn hơn công thoát A, nghĩa là:

A mv

Để khảo sát dòng điện trong chân không ta có thể sử dụng sơ đồ thí nghiệm gồm điôtđiện tử, nguồn điện và mili -ampekế

Điôt là một bóng thuỷ tinh đã hút hết khí trong

đó có hai cực: catốt (K) là một vật liệu khó nóng

chảy (như vônfram chẳng hạn) trên bề mặt có phủ

một lớp chất có công thoát nhỏ Khi K chưa được

đốt nóng thì trong mạch không có dòng điện dù đặt

vào hai cực hiệu điện thế khá lớn Khi đốt nóng K

(nhờ nguồn điện phụ) thì xảy ra hiện tượng phát xạ

nhiệt electron, trong mạch có dòng điện Dòng điện

đó chỉ xuất hiện trong trường hợp cực dương của

nguồn nối với Anôt (A) và cực âm nối với K Nghĩa

là dòng điện chỉ chạy theo một chiều từ A sang K

Như vậy, dòng điện trong điôt chân không là dòng dịch chuyển có hướng của cácelectron bứt ra từ catôt bị nung nóng dưới tác dụng của điện trường

Cường độ dòng điện I qua điôt chân không phụ

thuộc hiệu điện thế giữa A và K Đường đặc trưng vôn

-ampe có dạng

Đặc tuyến vôn - ampe không phải là đường thẳng

nên dòng điện trong chân không không tuân theo định

luật Ôm

Khi U < 0 với U nhỏ thì vẫn có dòng điện có

0



I , electron bứt ra từ catôt có động năng ban đầu,

trong số đó có một số electron có động năng ban đầu

lớn, nên chúng vẫn có thể đi tới anôt (tuy bị lực hãm của điện trư ờng khi đó có hướng từ

A đến K)

Khi tăng điện áp ở A tăng từ nhỏ đến lớn, dòng điện tăng dần Đến khi số electronphát xạ nhiệt từ K trong một giây bằng số electron đến A trong một giây thì dòng điện đạtgiá trị bão hoà Mật độ dòng điện bão hoà Ibh đặc trưng cho khẳ năng phát xạ của K Khảnăng phát xạ này lại phụ thuộc vào chất làm K và nhiệt độ

3.2.Tia cathode

Làm thí nghiệm với diode chân không

vơi anode có một lỗ nhỏ Khi đèn hoạt động thì

phía sau lỗ có dòng các electron do cathode

phát ra và bay trong chân không Đó là tia

cathode Tia cathode có tính chất: truyền thẳng,

bị lệch trong điện trường và từ trường, khi phát

ra vuông góc với mặt cathode, mang năng

lượng có thể đâm xuyên và làm phát quang một

số chất

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/cathoderaytube/index.htmlMột ứng dụng quan trọng của tia cathode (dòng các electron do catôt phát ra và bay

Chất khí nói chung là những chất cách điện tốt và

bản thân nó gồm các nguyên tử và phân tử trung hoà về

điện Nhưng bằng cách nào đó ta làm xuất hiện các điện

tích tự do thì chất khí trở nên dẫn điện Sự truyền dòng

điện qua chất khí gọi là sự phóng điện trong chất khí Sự

phóng điện trong chất khí luôn luôn kèm theo sự ion hoá

và sự tái hợp không ngừng các phân tử tải điện (electron

và các ion) trong khối khí, trên mặt các điện cực cũng

như cả ở thành bình

* Sự ion hóa

Sự ion hoá chất khí là điều kiện cần thiết để chất khí trở nên dẫn điện Muốn ion

hoá chất khí, cần truyền cho phân tử chất khí năng lượng để thực hiện công chống lại lựctương tác giữa electron được bứt ra với phần còn lại của phân tử (gồm hạt nhân và các

electron còn lại) Năng lượng này được gọi là năng lượng ion hoá Chẳng hạn, năng lượng

ion hóa phân tử khí Nitơ bằng 14,5eV Sự ion hoá có thể xảy ra do kết quả của các tácđộng bên ngoài không có liên quan đến sự có mặt của các điện trường trong chất khí (ngọnlửa đèn cồn, tia Rơnghen …) Trong trường hợp này người ta n ói đến tính dẫn điện không

tự lực của chất khí

Ngoài sự ion hóa do tác dụng của tác nhân ion hóa, trong chất khí còn có sự ion hóa

do va chạm của electron (thu được năng lượng lớn từ điện trường) với phân tử khí Sự vachạm này là va chạm không đàn hồi, khi đó electron truyền hầu hết năng lượng của nó chophân tử, làm cho phân tử hoặc là chuyển động sang trạng thái kích thích hoặc là bị ion hóa,nghĩa là làm cho electron bứt hẳn ra khỏi phân tử Điều kiện để ion hóa phân tử là: độngnăng mà electron thu được trên quãng đường tự do trung bình phải lớn hơn (hay ít nhất làbằng) năng lượng ion hóa

* Sự tái hợp ion

Đồng thời với sự ion hóa chất khí còn có quá trình tái hợp các hạt mang điện tráidấu để thành phân tử trung hòa Sau khi tác nhân ion hóa ngừng tác dụng thì các ion đượctạo ra chỉ tồn tại được một thời gian nào đó rồi biến mất hoàn toàn Có thể giải thích sựbiến mất của các ion như sau: Do chuyển động nhiệt hỗn loạn, ion dương va chạm vớielectron và kết hợp với nó thành phân tử (hay nguyên tử) trung hòa Các ion dương và ion

âm cũng có thể va chạm với nhau, khi đó ion âm trả lại electron dư cho ion dương và cảhai đều trở thành phân tử trung hòa Quá trình trung hòa các ion như thế được gọi là sự táihợp ion Nếu như khi bứt electron ra khỏi ph ân tử (hay nguyên tử) cần phải cung cấp nănglượng cho nó (năng lượng ion hóa) thì ngược lại khi tái hợp ion dương với electron, nănglượng dư này sẽ được giải phóng, nói chung là dưới dạng ánh sáng

4.2 Sự phóng điện không tự lực của chất khí

Để khảo sát sự phóng điện trong chất khí người ta có thể tiến hành thí nghiệm theo

sơ đồ ở hình bên

Khi đốt nóng chất khí, hoặc dùng các loại bức xạ tác động

vào môi trường khí, thì một số nguyên tử hoặc phân tử khí mất

bớt electron và trở thành ion dương Trong số các electron mới

tạo thành, một số chuyển động tự do, một số khác kết hợp với

nguyên tử hay phân tử trung hoà tạo thành ion âm Trong khi

chuyển động nhiệt hỗn loạn, một số electron có thể kết hợp lại

với ion dương khi va chạm để trở thành phân tử trung h oà Quá

trình này gọi là sự tái hợp

Khi chưa có điện trường ngoài các điện tích này chuyển

động hỗn loạn như phân tử khí Khi có điện trường chúng

chuyển động chúng chuyển động theo một hướng và tạo thành dòng điện Như vậy, dòngđiện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường

và các ion âm, electron ngược chiều điện trường

Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chất khí vào hiệu điện thế

Dòng điện trong chất khí không tuân theo định luật Ôm Sự phụ thuộc của cường

độ dòng điện trong chất khí vào hiệu điện thế được biểu diễn bằng đặc tuyến vôn - ampe códạng như hình vẽ Đặc tuyến V - A không phải là đường thẳng Đặc điểm này dược giảithích như sau:

Khi tăng U, cường độ điện trường tăng làm lực điện trường tác dụng lên các điện tíchtăng vì thế số điện tích đi đến các điện cực tăng theo, làm cho cường độ dòng điện tăng (I

tỷ lệ với U)

Tuy nhiên, dưới tác dụng của điện trường, khi phần lớn các điện tích được tạo thànhsau mỗi giây đã tới được các cực thì dòng đ iện không tăng nữa, nó đ ạt giá trị bão hoà

(đoạn ab) Sự tăng dòng điện trong đoạn bc là do các electron do tác nhân ion hoá tạo ra

được gia tốc mạnh dưới tác dụng của điện trường khá lớn trên suốt quãng đường tự dotrung bình, nên đã tích luỹ năng lượng đ ủ lớn đủ để ion hoá các phân tử khi va chạm vớichúng Các electron vừa mới bứt ra từ các phân tử được gia tốc trong điện trường, lại vachạm với các phân tử khác và gây ra sự ion hoá Số lượng electron và ion sẽ được tăng rấtnhanh và lớn gấp nhiều lần số điện tích tự do được tạo bởi tác nhân ion hoá Số electrontạo ra rất nhanh gây thành thác electron

Do đó, khi U > UC thì I tăng nhưng vẫn phụ thuộc số hạt tải điện mà tác nhân ionhoá bên ngoài sinh ra

Quá trình dẫn điện của chất khí nói trên được gọi là quá trình dẫn điện không tự lực

4.3 Sự phóng điện tự lực trong chất khí

Sự phát sinh thác electron trong chất khí nói trên vẫn chưa đủ để tạo ra được sự

phóng điện tự lực Bởi vì khi ngắt tác nhân ion hoá thì dòng điện cũng tắt Muốn sự

phóng điện trở thành tự lực thì phải làm sao để trong chất khí xảy ra những quá trình khác

liên tục tạo ra các electron mới thay thế cho các electron đi về anôt Sự phát xạ nhiệtelectron thứ cấp từ catôt dưới tác dụng bắn phá của các ion dương là một trong các quátrình quan trọng để duy trì thác electron

Khi tăng điện trường lên tới mức mà trong thời gian chuyển động tự do các electronthu được năng lượng đủ để bứt các electron khác ra khỏi nguyên tử khi va chạm vàochúng Lúc đó cường độ dòng điện tăng vọt và kèm theo sự phát sáng trong chất khí.Như vậy, điều kiện để có sự dẫn điện tự lực là hiệu điện thế đủ mạnh để các electrongây ra dòng thác điện tích và các ion gây ra sự phát xạ electron từ catôt

4.3.Các dạng phóng điện tự lực thường gặp

Sự phóng điện tự lự c trong khí kém

Chất khí ở áp suất thấp được hiểu là khí kém

Để quan sát sự phóng điện trong khí kém người ta có thể làm thí nghiệm, bằng cáchdùng ống thuỷ tinh có hai điện cực bằng kim loại Khi chất khí trong ống có áp suất thấp(khoảng từ 1 đến 0,01mmHg) và hiệu điện thế đặt vào giữa hai điện cực khoảng vài trămvôn, do ảnh hưởng của dòng điện đi qua ống, chất khí phát sáng, và ta thấy có hai miềnchính: ngay ở gần catôt (K) có miền tối gọi là miền tối

K, phần còn lại của ống cho đến anôt (A) là miền sáng,

thường được gọi là miền sáng A Sự phóng điện này

được gọi là sự phóng điện thành miền

Đặc trưng cơ bản của sự phóng điện thành miền là

sự phân bố đặc biệt của điện thế dọc theo chiều dài của

ống phóng điện

Sự hình thành miền tối K và cột sáng A có thể

được giải thích như sau:

Lúc đầu, do nhiều nguyên nhân khác nhau (do tác dụng của tia tử ngoại trong ánhsáng mặt trời, tia vũ trụ ) không khí luôn luôn bị ion hoá và bên trong ống đã có sẵn một

số ion Nhờ có hiệu điện thế đủ lớn giữa hai cực, các ion và electron tự do có sẵn trongchất khí được tăng tốc trên quãng đường tự do trung bình khá dài của nó, và nhận đượcnăng lượng đủ lớn để làm ion hoá chất khí khi va chạm, tạo ra những ion mới; do đó bắtđầu có dòng điện truyền qua ống

Miền tối K được hình thành là do các electron từ K đi ra không phải là đã va chạmngay lập tức với các phân tử khí mà chúng chỉ bắt đầu va chạm từ một khoảng cách nào đóđối với âm cực Chiều rộng của miền K xấp xỉ bằng quãng đường tự do trung bình củaelectron, quãng đường này tăng khi áp suất chất khí giảm

Miền sáng A là miền trong đó xảy ra những va chạm mạnh nhất của electron vớiphân tử khí Năng lượng mà electron truyền cho phân tử khí trong miền này khi va chạm sẽgây ra sự ion hoá hay sự kích thích phân tử khí, ánh sáng xuất hiện trong miền này là kếtquả của sự kích thích ấy Sự ion hóa chất khí trong miền này tạo ra những ion dương cầnthiết để duy trì sự phóng điện Vì vậy khi ta rút ngắn khoảng cách giữa A va K cho đến khikhông còn miền sáng này nữa thì sự phóng điện sẽ ngừng lại

Như vậy, bản chất hiện tượng phóng điện trong khí kém là sự ion hoá do va chạm và

sự bứt electron từ catôt ra khi cực này bị các ion dương đập vào

Các dạng phóng điện tự lực trong chất khí ở áp suất thường

Tia lửa điện

Trong sự phóng điện thành

miền, với hiệu điện thế không lớn,

sự phóng điện bắt đầu xảy ra khi

giảm áp suất giữa hai điện cực đến

một giá trị nào đó Nếu áp suất chất

khí bằng áp suất khí quyển, ta tăng

dần hiệu điện thế giữa hai điện cực

đến một giá trị nào đó ta thấy xuất

hiện tia lửa điện Tia đó xuyên qua

khoảng không gian phóng điện rất

nhanh rồi tắt, song lại xuất hiện tia

lửa khác, hình dạng của chúng

thường có dạng dích dắc và có

nhiều nhánh Tia lửa điện thường

kèm theo tiếng nổ; trong không khí

có mùi khét

Tia lửa điện là quá trình phóng

điện tự lực xảy ra trong chất khí khi

có tác dụng của điện trường đủ

mạnh (khoảng 3.106V/m) để làm ion

hoá chất khí

Sự ion hoá do va chạm của

electron trong thể tích chất khí và sự

ion hoá do bức xạ phát ra trong tia

lửa điện là nguyên nhân hình thành

tia lửa điện Tia lửa điện được ứng

dụng phổ biến trong động cơ đốt

trong để đốt hỗn hợp nhiên liệu Bộ

phận tạo ra tia lửa điện trong xe máy

là bugi (spark)

Sét (lightning) là tia lửa điện thường thấy trong tự nhiên, đó là một tia lửa điện khổng

lồ được phát sinh do sự phóng điện giữa các đám mây tích điện hoặc giữa một đám mâytích điện và mặt đất Cường độ dòng điện sét rất lớn có thể tới 10000 50000 A và hiệuđiện thế giữa đám mây và đất trước lúc phát si nh ra sét đạt tới 10810 V9 Sét là tia lửa

hẹp độ 20 30cm ; còn chiều dài có thể tới hàng chục km Trong giải hẹp đó một áp suấtrất cao của chất khí được tạo thành, gây ra sự nổ gọi là tiếng sấm

Tia lửa – sét, nói chung tương tự như những tia lửa điện tạo ra trong các phòng thínghiệm Tuy nhiên nó có những đặc điểm riêng Chẳng hạn các tia lửa điện trong các điềukiện thường bắt đầu xảy ra khi cường độ điện trường E k≈ 3.106V/m, còn cường độ điệntrường để xảy ra và s ét trong các cơn mưa giông thấp hơn nhiều và nói chung không vượtquá 2 4.10 5V m/ Sự giảm thấp cường độ điện trường như vậy cũng quan sát được trong

sự phóng điện hình tia thực hiện trong phòng thí nghiệm trên khoảng phóng điện dài(khoảng 10m)

Bản chất của sét đã được khảo sát trong các thí nghiệm của Franklin, Lômônôxôp vàRichman Lômônôxôp đã nhận thấy rằng ở lớp khí quyển gần mặt đất luôn luôn tồn tại mộtđiện trường và điện trường đó tăng lên rất mạnh trước mỗi cơn giông Khi không có cơngiông, điện trường trong lớp khí quyển thấp hướng từ trên xuống dưới (mặt đất điện âm) vàcường độ điện trường vào khoảng 100V/m

Sét có thể gây ra những thiệt hại cho nhà cửa, công trình kiến trúc và có khi nguy hạiđến tính mạng con người Vì vậy cần có thiết bị chống sét cho các công trình, các đườngdây cao thế, các đường dây thông tin liên lạc… Một trong các thiết bị chống sét là cộtchống sét (cột thu lôi) Đó là cột kim loại nhọn, nối cẩn thận với đất và được gắn chặt bênchỗ cao nhất của các công trình cần được bảo vệ Cột chống sét có thể bảo vệ cho một diệntích rộng xung quanh cột và theo phép tính, cột chống sét có thể bảo vệ cho một khoảng cóđường kính gấp chừng hai lần chiều cao của cột Tác dụng chống sét của cột chống sét dựatrên hiện tượng rò điện từ mũi nhọn

* Sét hòn

Sét hòn là một hiện tượng tự nhiên thường đi kèm với

hiện tượng sấm chớp khi có mưa to Nó tồn tại dưới dạng

một vật thể bay cháy sáng trong một thời gian dài, ngược lại

với hiện tượng hồ quang ch ỉ tồn tại trong thời gian ngắn

giữa hai điểm đi kèm theo hiện tượng sét

Sét hòn từng được cho là một hiện tượng hiếm, nhưng

những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng chỉ một số ít phần

trăm dân chúng Mỹ đã từng chứng kiến Các bức ảnh về sét

hòn lại càng hiếm và chi tiết do các nhân chứng cung cấp có

rất nhiều điểm khác biệt Nhiều quan sát lại mâu thuẫn với

nhau, và có thể nhiều hiện tượng khác Sự phóng điện có thể

xuất hiện bất cứ lúc nào trong suốt cơn mưa bão lớn, thỉnh thoảng xuất phát từ một tia sét,nhưng phần lớn chúng xuất hiện bất thình lình trong khi thời tiết đẹp không có bão Séthòn thường trôi lơ lửng, bay lượn trong không trung và có dạng hình cầu Hình dạng củ a

nó có thể là hình cầu, hình trứng, hình giọt nước hoặc hình que với một kích thước lớn hơnnhiều so với kích thước tia chớp Kích thước lớn nhất quan sát được từ 40 đến 50 cm Rấtnhiều trong số chúng có màu từ đỏ tới vàng, đôi khi trong suốt và một vài còn có tia phát

ra xung quanh

Ghi nhận sớm nhất và có tính hủy diệt kinh khủng nhất, xảy ra trong cơn cuồngphong ở Widecombe-in-the-Moor, Devon, nước Anh vào ngày 12 tháng 10 năm 1638 Bốnngười đã thiết mạng và khoảng 60 người bị thương khi xuất hiện một quả sét hòn đánh vàomột nhà thờ

Các nhà nghiên cứu của viện Max Planck và Đại học

Humboldt ở Berlin đã lợi dụng hiện tượng phóng điện dưới nước

để tạo ra những đám mây plasma sáng chói tương tự như sét hòn,

tồn tại gần nửa giây và có đường kính tới 20 centimét

Họ hy vọng những thực thể nhân tạo này sẽ giúp hiểu biết về hiện

tượng kỳ lạ trên và có lẽ c òn mở ra ánh sáng mới về việc sử dụng

các plasma nóng cho những nhà máy điện nhiệt hạch

Hồ quang điện (Electric arc)

Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thườnghoặc áp suất thấp giữa hai điện cực có hiệu điện thế k hông lớn

Nếu như, sau khi có sự phóng điện hình tia, ta giảm dần điện trở của mạch thì cường

độ dòng điện tăng lên Khi điện trở này có trị số nhỏ đến một mức nào đó, thì sự phóngđiện sẽ chuyển từ không liên tục sang liên tục Khi đó sự phóng điện trong chất khí đó gọi

là hồ quang điện Có thể tạo hồ quang điện với hiệu điện thế thấp mà không cần qua giaiđoạn phóng điện hình tia Muốn vậy, ta cho hai điện cực tiếp xúc với nhau và khi chỗ tiếpxúc đã nóng lên (do hiệu ứng Joule), ta tách hai điện cực ra xa nhau một khoảng nhỏ, khi

đó ta sẽ được hồ quang Năm 1802, bằng cách này với hai thanh than và một bộ pin mạnh,

Pê - trốp lần đầu tiên đã phát hiện ra hồ quang điện Giữa hai thanh than có một cột khísáng chói, các đầu than nóng đỏ và phát ra ánh sáng c hói loà Dòng điện chạy qua chất khígiữa hai cực chủ yếu là dòng electron (và cả ion âm) đi từ K đến A, nhưng cũng có mộtphần là ion dương đi từ A đến K Các ion dương và electron đến đập vào A, làm nó nónglên, nhiệt độ có thể lên tới 35000C Do đó, A phát sáng mạnh, tại đó hầu hết vật liệu bịnóng chảy hoặc bay hơi, nên A bị lõm vào Còn các ion dương khi đập vào K thì cũng làmcho K duy trì trạng thái nóng đỏ và phát xạ nhiệt electron Chất khí giữa hai cực ở nhiệt độcao nên bị ion hoá và dẫn điện tốt

Hồ quang điện xuất hiện trong mọi trường hợp khi sự phát xạ nhiệt electron trở thànhnguyên nhân chính của sự ion hoá chất khí chẳng hạn trong sự phóng điện thành miền, cácion dương bắn phá K không phải chỉ sinh ra sự phát xạ electron thứ cấp mà còn đố t nóng

K Vì vậy, nếu tăng cường độ dòng điện trong sự phóng điện thành miền thì nhiệt độ tănglên và khi nhiệt độ ấy đat đến một giá trị nào đó khiến cho bắt đầu có sự phát xạ nhiệtelectron đáng kể thì sự phóng điện thành miền biến thành hồ quang Khi đo , độ giảm thế K

bị biến mất Nếu K trong ống phóng điện thành miền là một dây xoắn được đốt nóng bằngmột nguồn điện phụ, thì sự phóng điện thành miền cũng biến thành sự phóng điện hồquang.Như vậy, hồ quang điện cũng có thể xảy ra ở áp suất thấp

Hồ quang điện có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật như: hàn điện, làm đèn chiếu sáng,luyện kim,

http://www.youtube.com/watch?v=TeBX6cKKHWY&feature=related

4.4 Ứng dụng

Đèn huỳnh quang (đèn ống, đèn túp):Từ khi được kỹ sư người Mỹ Peter Cooper Hewitt

sáng chế vào năm 1902 và được phổ biến từ 1939 đến nay, đèn huỳnh quang được cải tiến

để sử dụng rộng rãi trong đời sống với vô số kiểu dáng, màu sắc, kích thước và công suất

Sơ đồ mắc đèn ống

Hiện có nhiều loại bóng đèn ống huỳnh quang, chẳng hạn như bóng T10, T8, T5, T3 T10

là bóng đèn ống huỳnh quang thế hệ cũ, đường kính 40mm, tiêu tốn điện năng 40W, chưa

kể chấn lưu sắt từ tiêu thụ khoảng 12W và tuổi thọ chỉ có 6.000 giờ Trong khi bóng T8đường kính 26mm, tiêu thụ điện 36W, hiệu suất phát quang tăng 20% và tuổi thọ của T8 là16.000 giờ Bóng huỳnh quang compact là bóng đèn ống huỳnh quang T3 cuộn loại thànhhình chữ U nối tiếp Đèn huỳnh quang compact có nguyên lý hoạt động tương tự đèn ống,chỉ có điều n hỏ gọn hơn Đèn phát sáng là nhờ sự phóng điện trong hơi thủy ngân tạo ra tiacực tím, các tia này kích thích bột huỳnh quang ở bên trong vỏ đèn phát sáng Đèn compactkhác đèn tuýp ở chỗ chất lượng bột huỳnh quang cao, hiệu suất phát sáng lớn hơn

Nguyên tắc hoạt động bóng đèn ống huỳnh quang là phóng điện trong khí kém và

huỳnh quang thứ cấp Khi dây tóc bị đốt nóng, các điện tử bật ra ngoài, chuyển động vềcực đối diện cũng là dây tóc nóng sáng được phủ bột điện tử Nửa chu kỳ sau, chúngchuyển động the o chiều ngược lại Nếu trong ống có hơi (khí) thuỷ ngân hoặc khíkrypton thì điện tử va phải phân tử khí làm thuỷ ngân hoặc crypton phát sáng, bức xạphát ra lúc đó là tử ngoại

hoặc cực tím có năng

lượng lớn Hiện tượng này

gọi là điện huỳnh quang

- Chấn lưu: Chấn lưu được mắc nối tiếp với hai đầu điện cực, có tác dụng điều chỉnh và

ổn định tần số của dòng điện Nó là một cuộn dây cảm kháng có tác dụng duy trì độ tựcảm tức là điện áp rơi trên nó để điện áp trên bón g luôn khoảng từ 80 -140V.-Tắc te: Tắc te được mắc song song với hai đầu điện cực Bản chất của nó là một tụ điệndùng rơle nhiệt lưỡng kim, bên trong chứa khí neon Khi có dòng điện đi qua, hai cựccủa nó tích điện đến một mức nào đó thì phóng điện Nó c ó tác dụng khởi động đèn banđầu Khi bật công tắc, lúc này điện áp giữa hai đầu cực là 220V chưa đủ lớn để phóngđiện Khi đó, tắc te mắc song song với bóng đèn nên nó cũng có điện áp là 220V và đóngvai trò như con mồi sẽ phóng điện khiến hai mạch của nó nóng lên chạm vào nhau khépkín mạch điện Tuy nhiên, sau một lúc nó sẽ bị nguội đi và co lại gây hở mạch đột ngột.Khi đó cuộn chấn lưu sẽ bị mất điện áp và sẽ sinh ra một suất điện động chống lại sựbiến đổi của dòng điện Lúc này trên hai điện cực của đèn có điện áp bằng tổng điện áptrên chấn lưu cộng với điện áp đầu vào là 220V gây ra một tổng điện áp khoảng 350Vđến 400V giữa hai điện cực bóng đèn (tùy vào đèn bị lão hóa, đen đầu nhiều hay ít) Khi

đó, nó sẽ tạo thành một nguồn điện cao nung nóng dây tóc bóng đèn, hiện tượng hồquang điện như đã giải thích ở trên sẽ xảy ra và đèn phát sáng Nếu đèn chưa cháy thì tắc

te sẽ phải khởi động vài lần gây nên hiện tượng “chớp tắt” mà chúng ta thường thấy.Đồng thời, khi đèn đã sáng lên, chấn lưu lại có nhiệm vụ giảm điện áp lên bóng, duy trì ởmức 80 - 140V tùy theo từng loại Tắc te lúc này không còn tác dụng vì điện áp đặt lênhai đầu tắc te nhỏ hơn điện áp hoạt động Sử dụng chấn lưu điện từ có ưu điểm là rẻ tiền,

dễ lắp ráp sửa chữa, tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là khởi động chậm, hay khó khởiđộng khi lưới điện giảm áp Do vậy, người ta có thể thay thế bằng loại chấn lưu điện tửkhông cần tắc te có thể khởi động ngay lập tức do đó tiết kiệm hơn nhưng cũng đắt hơn

5 Dòng điện trong chất bán dẫn (Electric current in semiconductors)

với nhiều mẫu đo này có thể lớn hơn, mẫu đo khác

lại nhỏ Người ta gọi mẫu bán dẫn có hệ số nhiệt

điện trở âm lớn là bán dẫn riêng

5.2 Thuyết vùng năng lượng

Theo lý thuyết hiện đại về chất rắn thì điện

môi và bán dẫn có có cấu trúc các giải năng lượng

giống nhau Ở nhiệt độ rất thấp 0K, vùng năng

lượng cao nhất bị chiếm bởi electron là một dải

đầy, gọi là vùng hóa trị Vùng năng lượng cao hơn

là một dải trống, không có electron, gọi là vùng

dẫn Giữa vùng hóa trị và vùng dẫn là vùng cấm,

trong đó không thể có electron Ở nhiệt độ cao hơn

0K, một số electron thu được năng lượng cần thiết,

sẽ vượt qua vùng cấm và nhảy lên chiếm phần đáy của vùng dẫn Những electron này cóthể nhận các giá trị năng lượng khác nhau bên trong vùng dẫn khi có điện trường ngoài đặt

3 mẫu transistor thuộc thế kỷ 20 - Mẫu transistor đầu tiên : Ảnh Bell Labs

vào bán dẫn, chúng là những electron dẫn Các trạng thái ở đỉnh vùng hóa trị bị thiếuêlectron là các lỗ trống Các lỗ trống có thể thay đổi năng lượng của mình trong vùng hóatrị và vì thế cũng tham giavào dẫn điện Nhiệt độ càng cao thì số cặp electron -lỗ trốngcàng lớn và điện trở suất của bán dẫn càng nhỏ

5.2.1 Nội dung của thuyết

- Khi N nguyên tử kết hợp với nhau tạo thành tinh thể, các mức năng lượng củaelectron trong chất rắn có giá trị nằm trong một số khoảng năng lượng nhất định gọi làvùng năng lượng Mỗi vùng năng lượng có N mức năng lượng nằm rất gần nhau, N là sốnguyên tử trong tinh thể Mỗi mức năng lượng có khả năng chứa tối đa là hai electron cóspin đối song Mức năng lượng của electron hóa trị rã thành vùng hóa trị, mức kích thíchđầu tiên rã thành vùng kích thích

-Vùng năng lượng cao nhất còn chứa đầy electron khi nhiệt độ bằng 0 K gọi là vùnghoá trị Vùng nằm ngay trên vùng hoá trị gọi là vùng kích thích Giữa vùng kích thích vàvùng hoá trị gọi là vùng cấm Bán dẫn là vật liệu mà vùng hoá trị đã ch ứa đầy electron vàkhe năng lượng không quá rộng để một số electron ở vùng hoá trị có thể nhờ năng lượngcủa chuyển động nhiệt mà nhảy lên được vùng kích thích (vùng dẫn)

- Giữa hai vùng năng lượng kề nhau có một khoảng năng lượng E hoặc Eg có mứcnăng lượng, gọi là khe năng lượng hoặc vùng cấm Eg có thể có các giá trị khác nhau tùytheo loại vật liệu, thậm chí có cả giá trị âm (khi ấy ta bảo là hai vùng đè lên nhau)

- Electron trong tinh thể xếp vào các mức năng lượng trong các vùng từ thấp đến cao,

vì thế vùng kích thích thường là rỗng Dưới tác dụng của điện trường ngoài, electron chỉ cóthể nhận năng lượng của điện trường để nhảy lên mức năng lượng cao hơn trong vùng nếutrong vùng còn có mức trống Độ rộng năng lượng của v ùng năng lượng ở miền nănglượng thấp thì nhỏ, và tăng đáng kể ở miền năng lượng cao

5.2.2 Điện trở suất

Theo lý thuyết vùng năng lượng ta thấy

rằng độ rộng vùng năng lượng cấm mà người ta

phân biệt được kim loại, bán dẫn, điện môi Ta

biết rằng kim loại thì dẫn điện tốt hơn nhiều so

với bán dẫn, còn đối với điện môi thì lại không

dẫn điện Xét ở nhiệt độ phòng đối với kim loại

thì điện trở suất vào cỡ từ 1 0  8  m đến

điện trở suất vào cỡ 5 1 0 5mđến Đối với

điện môi thì điện trở suất vào cỡ 1 01 0m.

Ví dụ đối với một số chất điện môi như mica có

điện trở suất vào cỡ từ 1 0 1 1mđến

Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung

gian giữa kim loại và điện môi Các chất bán

dẫn rất phổ biến trong tự nhiên Trong số các

Hình 3 Bán dẫn thuần Si