dòng điện trong các môi trường

Nguyên t tr thành ion âm.. Khí electron tuân theo... Ngoài nguyên nhân trên còn m t nguyên nhân khác.

GIÁO VIÊN H NG D N: Th y LÊ V N HOÀNG

SINH VIÊN TH C HI N : NGUY N TH Y N NHI NGUY N TH SANG

NGUY N TH KI U THU

NGUY N THANH NG C TH Y

NG NG C THANH VÂN NGUY N TH Y N

MUC LUC

MUC LUC - 1 -

L I M U - 4 -

1 Ch ng 1:Dòng i n Trong Kim Lo i - 5 -

1.1 C u trúc c a kim lo i - 5 -

1.2 N i dung thuy t electron v kim lo i - 6 -

1.3 Gi i thích tính ch t đi n c a kim lo i - 8 -

1.3.1 Gi i thích tính d n đi n t t c a kim lo i - 8 -

1.3.2 Gi i thích nguyên nhân gây ra đi n tr - 10 -

1.3.3 Gi i thích tính ph thu c nhi t đ c a đi n tr - 10 -

1.4 Các hi n t ng nhi t đi n - 10 -

1.4.1 Hi n t ng Seebeck - 11 -

1.4.2 Hi n t ng Peltier - 13 -

1.4.3 Hi n t ng Thomson - 15 -

1.5 Siêu d n - 17 -

2 Ch ng 2:DÒNG I N TRONG CH T BÁN D N - 21 -

2.1 TÍNH CH T I N C A BÁN D N - 21 -

2.2 TÍNH D N I N C A BÁN D N - 22 -

2.2.1 LÍ THUY T L NG T - 22 -

2.2.2 LIÊN K T C NG HÓA TR , C U T O VÀ TÍNH D N I N C A CH T BÁN D N - 23 -

2.3 BÁN D N PHA T P CH T - 25 -

2.3.1 Bán d n lo i n - 25 -

2.3.2 Bán d n lo i p - 26 -

2.4 BÁN D N SUY BI N - 27 -

2.5 CÁC HI N T NG L P CHUY N TI P p-n - 27 -

2.6 Các ng d ng c a ch t bán d n: - 31 -

2.6.1 Nhi t đi n tr : - 31 -

2.6.2 Quang đi n tr - 32 -

2.6.3 Pin nhi t đi n bán d n - 32 -

2.6.4 Diod ch nh l u (thông d ng nh t) - 33 -

2.6.5 Diod tách sóng - 34 -

2.6.6 Diod phát quang (Led) - 34 -

2.6.7 Diod bi n dung - 35 -

2.6.8 Diod n đ nh (diod Zener) - 36 -

2.6.9 Diod tunnel ( diod đu ng ng m) - 38 -

2.7 Transitor có l p chuy n ti p, transitor tr ng - 40 -

2.7.1 Transitor có l p chuy n ti p - 40 -

2.7.2 Transitor hi u ng tr ng(FET) - 43 -

2.7.3 Transitor hi u ng tr ng có l p chuy n ti p - 44 -

2.7.4 Transitor hi u ng tr ng c a cách li - 45 -

3 Ch ng 3: DÒNG I N TRONG CH T KHÍ - 47 -

3.1 B N CH T DÒNG I N TRONG CH T KHÍ - 47 -

3.1.1 Thí nghi m - 47 -

3.1.2 Quãng đ ng t do trung bình c a electron trong ch t khí - 49 -

3.1.3 S ion hóa ch t khí, n ng l ng ion hóa và đi n th ion hóa - 49 -

3.2 S PHÓNG I N TRONG CH T KHÍ ÁP SU T BÌNH TH NG - 50 -

3.2.1 S phóng đi n không t l c c a ch t khí .- 50 -

3.3 CÁC D NG PHÓNG I N ÁP SU T TH NG - 53 -

3.3.1 S phóng đi n hình tia : - 53 -

3.3.2 Sét - 54 -

3.3.3 H quang đi n - 54 -

3.3.4 NG D NG - 55 -

3.4 S PHÓNG I N ÁP SU T TH P - 57 -

3.4.1 S phóng đi n thành mi n - 57 -

3.4.2 Tia catod và tia Rontgen, tia d ng - 57 -

4 Ch ng 4 : Dòng đi n trong chân không - 61 -

4.1 Các lo i phát x electron - 61 -

4.1.1 Phát x nhi t electron - 61 -

4.1.2 Phát x quang electron - 61 -

4.1.3 Phát x electron th c p - 62 -

4.1.4 T phát x electron - 63 -

4.2 Dòng đi n trong chân không - 65 -

4.2.1 Thí nghi m dòng đi n trong chân không - 65 -

4.2.2 B n ch t dòng đi n trong chân không - 66 -

4.2.3 S ph thu c c a c ng đ dòng đi n trong chân không vào hi u đi n th - 66 - 4.3 ng d ng c a dòng đi n trong chân không - 67 -

4.3.1 Các tính ch t c a tia catod - 67 -

4.3.2 Các ng d ng c a dòng đi n trong chân không - 68 -

5 Ch ng 5: Dòng đi n trong ch t đi n phân - 74 -

5.1 S t o thành các ion trong dung d ch l ng v n - 74 -

5.1.1 Hi n t ng đi n phân - 74 -

5.1.2 S t o thành các ion trong dung d ch - 75 -

5.2 Dòng đi n trong ch t đi n phân – nh lu t Faraday - 76 -

5.2.1 Ph n ng ph trong hi n t ng đi n phân - 77 -

5.2.2 D ng c c tan - 78 -

5.2.3 nh lu t Farađây - 79 -

5.3 Các ng d ng c a hi n t ng đi n phân: - 82 -

5.3.1 Công ngh đi n phân đi u ch xút- clo- hiđro - 82 -

5.3.2 Luy n kim - 82 -

5.3.3 M đi n - 83 -

5.3.4 úc đi n - 83 -

5.4 HI N T NG I N HÓA – CÁC NGU N PIN - 84 -

5.4.1 Hi n t ng đi n hóa - 84 -

5.4.2 Các ngu n pin - 84 -

5.5 Hi n t ng phân c c trong đi n phân - 89 -

5.5.1 S phân c c khi đi n phân - 89 -

5.5.2 Acquy - 90 -

K T LU N - 96 -

TÀI LI U THAM KH O - 98 -

L I M U

đ n dòng chuy n d i c a các đi n tích, chúng ta có th quan sát dòng đi n m i môi

Các ng d ng d a trên c s lý thuy t dòng đi n trong các môi tr ng đã

Chân thành c m n Nhóm th c hi n

1 Ch ng 1:Dòng i n Trong Kim Lo i

1.1 C u trúc c a kim lo i

dung nh hàng rào th n ng giam gi các electron trong nguyên t Khi các nguyên t

s p x p tr t t tu n hoàn, chi m v trí các

nút m ng tinh th Các electron hóa tr tách

các nguyên t trong kim lo i

kh i nguyên t , di chuy n t do trong toàn b m ng tinh th tr thành electron

t do và đ c dùng chung cho c m ng tinh th

nút m ng mang đi n tích d ng chính là l c liên k t t o nên tinh th kim lo i b n

v ng

Hình 1.2: s t p th hóa các electron t dol p 3s c a các nguyên t Natri

r t linh đ ng, d dàng chuy n đ ng t do trong toàn b m ng tinh th nên các v t d n

kéo cao

1.2 N i dung thuy t electron v kim lo i

nguyên t Các electron mang đi n tích âm (-e) chuy n đ ng xung quanh h t nhân, e là

Hình 1.3:mô hình nguyên t Natri

Na

t ng đ i s các đi n tích trong nguyên t là m t s d ng Ng c l i nguyên t nh n thêm m t s electron, s electron trong nguyên t l n h n s proton Nguyên t tr thành ion âm

c a nguyên t trong kim lo i nên r t l n T p h p các electron t do trong kim lo i

đ c coi nh khí electron, có tính ch t gi ng nh khí lý t ng Khí electron tuân theo

1.3 Gi i thích tính ch t đi n c a kim lo i

1.3.1 Gi i thích tính d n đi n t t c a kim lo i

1.3.1.1 B ng thuy t electron

đi n c a kim lo i đ c gi i thích nh sau:

qua m t m t b t kì theo m t chi u nào đó là b ng không V y chuy n đ ng h n lo n

lo i

Dòng đi n trong kim lo i là dòng d ch chuy n có h ng c a các electron t do

1.3.1.2 B ng lí thuy t l ng t

tinh th th c luôn t n t i các khuy t t t do sai h ng m ng tinh th và t p ch t

m ng tinh th gây ra các khuy t t t c a m ng tinh th ho c do các tác nhân c h c gây

sai h ng do dao đ ng c a các ion ph thu c m nh vào nhi t đ Nhi t đ t ng lên, dao

đ ng nhi t c a các ion nút m ng t ng, d n đ n s tán x c a electron t ng, mà s electron t do không đ i Vì v y đi n tr su t c a kim lo i t ng tuy n tính theo nhi t

đ

1.3.2 Gi i thích nguyên nhân gây ra đi n tr

1.3.3 Gi i thích tính ph thu c nhi t đ c a đi n tr

1.4.1 Hi n t ng Seebeck

đi n càng l n Dòng đi n này đ c g i là dòng nhi t đi n, su t đi n đ ng t o nên dòng

kín g m hai kim lo i khác nhau A và B, hai m i hàn có nhi t đ b ng nhau thì t ng các

h n

khu ch tán đi t đ u nóng đ n đ u l nh l n h n dòng khu ch tán ng c l i K t qu là

đ u nóng tích đi n d ng còn đ u l nh tích đi n âm Trong kim lo i, các vùng đi n tích không gian xu t hi n t o nên đi n tr ng

1.4.1.1 Các ng d ng

1.4.1.1.1 Nhi t k nhi t đi n

đi n ph n ng nhanh v i nhi t đ bên ngoài, m i hàn nóng có th đ c ti p xúc v i

l p v kim lo i

1.4.1.1.2 Pin nhi t đi n

Hình 1.7: s đ các c p pin nhi t đi n

T 1

T 2

h n

1.4.2 Hi n t ng Peltier

x y ra ch ti p xúc gi a hai kim lo i khác nhau Khi có dòng đi n qua ch ti p xúc

do Jean Peltier phát minh n m 1834

Hình 1.8: s đ các c p pin nhi t đi n

T 2

T 1

A B

B I

đo nhi t l ng to ra hay h p th c a hi n t ng Peltier ng i ta dung m ch

c a các m i hàn đ c xác đ nh nh nhi t l ng k Sau kho ng th i gian t, m i hàn

Q   q It

và không ph thu c vào chi u c a dòng đi n Còn nhi t l ng Peltier t l thu n v i

ph thu c vào đi n tr v t d n trong khi nhi t l ng peltier không ph thu c vào đi n

-3

V

đ ng n ng d cho m ng tinh th K t qu là m i hàn đó nóng lên và to nhi t l ng

1.4.2.1 ng d ng: Máy l nh s d ng hi u ng nhi t đi n

kim lo i khác nhau b ng hai t m bán d n khác lo i, bán d n lo i p và bán d n lo i n

1.4.3 Hi n t ng Thomson

sung thêm ho c h p th b t đi làm cho nh êt l ng c a v t d n t ng lên hay gi m đi so

đó là nh nhau Th c nghi m cho th y, khi có dòng đi n trong m ch, nhi t đ t i hai

đi m đó là khác nhau i u đó ch ng t nhi t l ng Joule_lenz to ra trong m t v t

A i

dT dx a

b i

đi n tr ng ph làm t ng t c electron và trong dây d n to ra m t nhi t l ng ph N u electron đi t đ u nóng đ n đ u l nh, đi ng c chi u đi n tr ng thì đi n tr ng ph s

Ngoài nguyên nhân trên còn m t nguyên nhân khác Electron đ u nóng có

c a đi n tr ng đi t đ u nóng đ n đ u l nh, chúng s truy n ph n n ng l ng còn d

th , t c là h p th nhi t

1.5 Siêu d n

ch m v i các v trí m t tr t t c a m ng tinh th Trong các nguyên nhân làm c n tr

đi n tr su t c a kim lo i, khi nhi t đ gi m đ u thì đi n tr su t c a kim lo i c ng

đ chuy n pha, thu ngân tr ng thái th ng, d i nhi t đ chuy n pha, thu ngân

đã nh n gi i th ng Nobel

riêng l mà là c p các electron Các c p Cooper nh v y đ c xem là các h t t i đi n

v i tính ch t r t khác v i các electron riêng bi t

m ng tinh th làm m ng b bi n d ng, khi n cho m t đ đi n tích d ng quanh electron

đ n d i này, nó s b hút vào trong d i b i m t đ đi n tích d ng l n h n d i khác và

Ngoài đ c tính không b t n hao n ng l ng, ch t siêu d n còn bi u hi n tính

nhi t đ cao h n xu ng nhi t đ th p h n nhi t đ chuy n pha, thì v t siêu d n tr

1.5.1.1 ng d ng: tàu ch y trên đ m t

ph ng v t d n có hai thành ph n ó là l c nâng vuông góc v i m t ph ng d n và l c

l c c n l n

Trong h nâng b ng t , t s l c nâng - l c c n r t quan tr ng Nó t l v i t c

đ nam châm và đ d n đi n c a đ ng d n mà trên đó h chuy n đ ng V i tàu nâng

dáng thon g n theo mô hình khí đ ng h c

2 Ch ng 2:DÒNG I N TRONG CH T BÁN D N

2.1 TÍNH CH T I N C A BÁN D N

đi n tr su t trung gian gi a kim lo i và đi n môi i n tr su t c a kim lo i n m trong

đ c coi là đi n môi

su t theo nhi t đ nhi u kim lo i, đi n tr su t có th coi g n đúng nh t l v i

2.2 TÍNH D N I N C A BÁN D N

2.2.1 LÍ THUY T L NG T

nh không có electron t do

Gi i thích s cách đi n : Theo v t lý c đi n, khi đ t ch t cách di n vào m t

đi n tr ng E, đi n tr ng s tác d ng m t l c đi n –eE lên m i electron L c đi n này

chi m b i các electron khác, electron hoàn toàn không có kh n ng di chuy n trong

2.2.2 LIÊN K T C NG HÓA TR , C U T O VÀ TÍNH

D N I N C A CH T BÁN D N

Liên k t c ng hóa tr là liên k t đ c t o thành b i các c p electron có spin

liên k t m nh

các nguyên t này l i có th hút nhau do s ph c a các l p v electron hóa tr làm l p

v electron này đ c đi n đ y L c t ng tác ng v i liên k t c ng hóa tr là l c liên

Hình 2.2: mô hình nguyên t Silic

Si

Tòan b tinh th v n trung hòa v đi n Trong tinh th đã có các h t mang đi n

2.3 BÁN D N PHA T P CH T

2.3.1 Bán d n lo i n

electron v i 4 nguyên t Si xung quanh thì còn th a l i 1 electron hóa tr liên k t y u

v i các ion ph tpho Electron này khi b kích thích nhi t d dàng tr thành electron t

Tinh th v n

qu là s electron d n nhi u h n s l tr ng H t t i đa s là electron, h t t i thi u s là

bán d n lo i n

Bi u đ n ng l ng c a bán d n lo i n, có m c n ng l ng đôno (Ed) c a

2.3.2 Bán d n lo i p

v i 4 nguyên t Si xung quanh, nguyên t t p ch t B còn thi u 1 electron Khi nh n

đ c n ng l ng nh , 1 electron liên k t c a Si b t ra kh i m i liên k t đ tái h p v i

l tr ng này làm xu t hi n l tr ng v trí khác L tr ng có tính ch t nh h t mang

đi n d ng (+) chuy n đ ng trong tinh th Nguyên t t p ch t nh n thêm electron tr

d n pha t p ch t axepo, vi c t o thành l tr ng là do s có m t c a t p ch t không kèm theo s t o thành ion d n

đi n riêng K t qu là s l tr ng l n h n s electron t do H t t i đa s là l tr ng, h t

t i thi u s là electron Bán d n d n đi n ch y u b ng l tr ng mang đi n tích d ng,

đ c g i là bán d n lo i p

Bi u đ n ng l ng c a bán d n lo i p, có m c n ng l ng axepto cách đ nh d i

2.4 BÁN D N SUY BI N

Bán d n suy bi n là bán d n có m c Fermi n m trong d i cho phép N u bán

bán d n suy bi n

2.5 CÁC HI N T NG L P CHUY N TI P p-n

bán d n

Khi cho hai m u bán d n lo i n và lo i p ti p xúc nhau , chúng t o thành m t

trong ph n bán d n lo i n l n, trong ph n bán d n lo i p nh , nên có dòng khu ch tán

lo i p l n h n bán d n lo i n nên t o ra dòng khu ch tán l tr ng t bán d n lo i p sang bán d n lo i n Bên bán d n lo i p, g n m t phân cách, nh ng electron t bán

d n lo i n khu ch tán sang tái h p v i l tr ng vùng này ch còn l i ch y u là các

đi n tích không gian d ng Mi n đi n tích không gian l p chuy n ti p có r t ít h t

mang đi n t do nên l p này d n đi n r t kém, hay còn g i là vùng nghèo Mi n đi n

C TÍNH CH NH L U C A L P CHUY N TI P p-n

Trong l p ti p xúc p-n có đi n tr ng ti p xúc trong, đi n tr ng này sinh ra

ti p

Hình 2.7: m i quan h gi a hàng rào th c a l tr ng trong l p chuy n ti p p-n

ti p xúc t ng lên Các h t d n đa s b đ y ra xa vùng chuy n ti p p-n Ch còn h t d n

p-n có tính ch nh l u

Trên c s tính m t đ dòng electron và dòng l tr ng qua l p chuy n ti p p-n

thu c đi n th ngoài có d ng :

I

V

đ c bi t c a l p chuy n ti p p-n là c s ho t đ ng c a các linh ki n bán d n Linh

đóng, m kênh

làm d ng c đo nhi t đ , g i là nhi t đi n tr

qua Khi nhi t đ trên bi n tr thay đ i, c u không cân b ng, có dòng đi n qua đi n k

đ ng h đo nhi t đ ,thì giá tr nhi t đ đ c xác đ nh tr c ti p

đ c đ t trong t s y và m c n i ti p v i m t r le ng t đóng dòng đi n đ t nóng t

ng t Khi nhi t đ t s y gi m, đi n tr c a nhi t đi n tr t ng làm dòng qua r le gi m,

đi u ch nh m c n i ti p v i nhi t đi n tr , ng i ta có th thay đ i giá tr nhi t đ c n

2.6.2 Quang đi n tr

đi n tr Quang đi n tr đ c s d ng trong các m ch đo c ng đ sáng, đóng ng t

đi n tr qua r le gi m, ti p đi m đ c đóng l i , đèn sáng Nh v y quangđi n tr

đi n ph thu c vào đ sáng c a môi tr ng chi u sáng

2.6.3 Pin nhi t đi n bán d n

Linh ki n nhi t đi n thông th ng g m hai t m bán d n lo i n và p n i v i nhau

Hình 2.9: thi t b làm l nh và máy phát theo nguyên lý hi n t ng nhi t đi n

2.6.4 Diod ch nh l u (thông d ng nh t)

g i là điôt ti p m t Nó đu c s d ng ch y u đ chuy n đ i dòng đi n xoay chi u v

thu n

Khi l p ti p xúc p-n đ t trong m t đi n tr ng ngoài, nó có tích ch t nh m t

p-n; phân c c thu n dòng có giá tr l n do dòng h t đa s phun qua ti p xúc p-n m ,

ng d ng đi n hình c a diod trong các m ch ch nh l u là m ch ch nh l u c u

2.6.5 Diod tách sóng

tách sóng Do v y, diod tách sóng có c u t o b m t ti p giáp c a hai l p bán d n r t

đi n bé phù h p v i tín hi u cao t n đi qua, không thích h p vi c ch nh l u dòng đi n xoay chi u làm ngu n nuôi

2.6.6 Diod phát quang (Led)

đ c trình bày nh sau: Khi m t êlectron đáy d i d n chuy n xu ng đ tái h p v i l

giá tr b ng đ r ng khe c m Eg N ng l ng này có th chuy n hóa thành n ng l ng

đi u này, ta m c đi n áp thu n đ hi u đi n th bên ngoài tác d ng làm cho các h t t i

đi n đa s phun qua l p chuy n ti p p-n khi l p này m

2.6.7 Diod bi n dung

có th thay đ i trong ph m vi nh t đ nh ,khi thay đ i đi n áp phân c c ng c

E

R

D C C

L

Hình 2.11: điôt bi n dung DC dùng trong m ch ch n t n s

Nguyên lý làm vi c : electron t bán d n lo i n khu ch tán sang vùng bán d n

lo i p có nhi u l tr ng khi m t electron tái h p v i l tr ng thì hai h t t do đã bi n

đi n ph ng :đi n môi là vùng nghèo n m gi a ,hai b n t là hai mi n bán d n p và n

đi n áp phân c c ng c

c đi m c a diod bi n dung là đi n dung thay đ i g n nh đ ng th i và có s

đ ng M t s bi n thiên đi n áp đ t vào diod làm đi n dung bi n đ i theo, do đó t n s

đ ng đi u ch nh

2.6.8 Diod n đ nh (diod Zener)

V/ cm v i nguyên t c a ch t

chuy n ti p p-n r ng (hi u ng Zener) Th hai là hi u ng xuyên h m (tunnel) x y ra các chuy n ti p p-n h p do pha t p ch t v i n ng đ cao M t đ ion t p ch t l n d n

t i đi n tr ng trong có giá tr r t cao, các m c n ng l ng b u n cong m nh N ng

xuyên qua rào th ti p xúc tr c ti p

nguyên t ch t bán d n

v i m t đi n tr h n ch dòng R b o đ m an tòan cho diod iôt Zener đ c dùng ch

2.6.9 Diod tunnel ( diod đu ng ng m)

n m 1973)

Hi u ng tunnel trong chuy n ti p p-n

t ng c ng qau p-n b ng không

Khi ti n hành phân c c cho l p chuy n ti p p-n, tr ng thái cân b ng b phá v Dòng cu n các h t

Hình 2.13: đ ng đ c tr ng vôn- ampe c a điôt tunnel

thi u s gây ra, nên đu c g i là dòng đi n ng c Dòng đi n ng c c a điôt tunnel

rào th n ng gi m xu ng , s êlectron t bán d n lo i n khu ch tán sang bán d n lo i p

electron t d i d n c a bán d n lo i n d dàng xuyên h m qua vùng ti p xúc chi m các

đ y bên n đ i đi n v i s m c n ng l ng bên p là l n nh t

đo n đi n tr vi phân âm, dòng đi n gi m khi đi n áp t ng i n áp t ng, dòng đi n

đ nh d i hóa tr bên p Ti p t c t ng đi n áp, đáy d i d n bên n ti p t c dâng cao