Bài tập tiểu luận Huỳnh Trọng Dương
SVTH: Phạm Thị Tiên
1
DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI - ỨNG DỤNG VÀ
MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG
MỤC LỤC:
A- MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
2. Mục đích nghiên cứu
3. Phạm vi nghiên cứu
4. Tình hình nghiên cứu
5. Phương pháp nghiên cứu
B- NỘI DUNG
Chương I: Cơ sở lý thuyết
1.1. Khái niệm
1.2. Bản chất của các hạt mang điện trong kim loại
1.3. Cơ sở lý thuyết cổ điển về kim loại
1.3.1. Khái niệm cơ bản
1.3.2. Định luật Ohm
1.3.3. Định luật Joule - Lenz
1.3.4. Định luật Wiedeman - Franz
1.3.5. Những nhược điểm của lý thuyết điện tử cổ điển về sự dẫn điện của
kim loại
1.4. Sơ lược về lý thuyết hiện đại về tính dẫn điện của vật rắn
1.5. Giải thích tính chất điện của kim loại
1.5.1. Bằng thuyết electron
1.5.2. Bằng lý thuyết dải năng lượng của thuyết lượng tử
1.6. Hiện tượng ở chổ tiếp xúc giữa các kim loại
Chương II: Ứng dụng của kim loại
2.1. Ứng dụng của hiện tượng nhiệt điện
2.1.1. Nhiệt kế nhiệt điện
2.1.2. Pin nhiệt điện
2.1.3. Máy lạnh sử dụng hiệu ứng nhiệt điện
2.2. Ứng dụng của siêu dẫn để tạo tàu chạy trên đệm từ
Chương III: Một số bài tập áp dụng
C- KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Bài tập tiểu luận Huỳnh Trọng Dương
SVTH: Phạm Thị Tiên
2
A- MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Như chúng ta đã biết, đa số các ứng dụng của điện đều liên quan đến dòng điện.
Trong mỗi môi trường khác nhau chúng ta lại có những dòng điện với những ứng
dụng khác nhau. Trong đó, dòng điện chạy trong dây dẫn kim loại là một trong
những dòng điện có ứng dụng rất quan trọng trong đời sống con người, nó cung cấp
năng lượng điện cho các dụng cụ điện trong gia đình như đèn chiếu sáng, bàn là, tủ
lạnh… Nói đến kim loại có lẽ không ai là không biết và mọi người cũng biết rõ kim
loại dẫn điện rất tốt. Vì tính dẫn điện rất tốt này với việc nhiều kim loại có giá rẽ và
nhiều nên chưa có một vật liệu nào hoàn toàn thay thế được vai trò của nó. Tuy
nhiên, việc hiểu rõ bản chất, cấu trúc của kim loại cũng như nguyên lý hoạt động của
dòng điện trong kim loại – dòng chuyển động của các điện tích thì không phải ai
cũng biết và đó cũng là bí ẩn của nhiều người. Đa số mọi người biết về kim loại
cũng như dòng điện trong kim loại với những ứng dụng khác nhau như pin nhiệt
điện, máy lạnh sử dụng hiệu ứng nhiệt điện hay tàu chạy trên đệm từ,…nhưng lại
không biết làm cách nào để có thể có những ứng dụng đó. Rất nhiều thắc mắc được
đặt ra trong tôi như hoạt động của dòng điện trong kim loại dựa vào đâu? Tính dẫn
điện của nó dựa vào cái gì? Hay ứng dụng đó được dựa vào tính chất nào? … Từ đó
tôi quyết định đi nghiên cứu về đề tài “ Dòng điện trong kim loại - ứng dụng và một
số bài tập áp dụng” để có thể làm sáng tỏ những thắc mắc đó. Bên cạnh việc giải
thích bản chất, tính chất dẫn điện của kim loại, nói đến ứng dụng tôi còn tiến hành
tìm kiếm, sưu tầm bài tập áp dụng cho phần này để tôi cũng như các bạn hiểu rõ
hơn.
Có thể nói đề tài này không phải là một đề tài mới mẽ, nhưng ý nghĩa của nó thì
không bao giờ cũ, không bao giờ mất đi và luôn giữ một ý nghĩa hết sức quan trọng.
2. Mục đích nghiên cứu
Với lý do trên, tôi đã đi đến quyết định nghiên cứu đề tài này nhằm giúp tôi
cũng như mọi người – những người quan tâm đến vấn đề này hiểu rõ hơn về dòng
điện trong kim loại cả về bản chất, cấu trúc, tính chất dẫn điện của kim loại và ứng
dụng cũng như bài tập áp dụng. Và quan trọng hơn là tôi muốn giúp các bạn học
sinh trung học phổ thông, đặc biệt là các bạn lớp 11 hiểu rõ hơn về dòng điện trong
kim loại, biết cách vận dụng lý thuyết để giải các bài tập liên quan. Từ đó có hứng
thú học tập môn vật lý hơn, ham muốn học hỏi, sáng tạo, tìm tòi nghiên cứu sâu hơn
về các hiện tượng vật lý, góp phần vào việc phát triển đất nước.
3. Phạm vi nghiên cứu
Tôi đi sâu vào việc giải thích bản chất của dòng điện trong kin loại, tìm hiểu
những lý thuyết liên quan đến dòng điện trong kim loại, và một số bài tập áp dụng.
Nội dung bài này không rộng, tôi chỉ nêu lên về lý thuyết mà không đi vào thực
nghiệm nhưng lại chú trọng đến phần bài tập dành cho các bạn đang học tập, các
bạn thích nghiên cứu vấn đề này, đặc biệt là các bạn lớp 11.
4. Tình hình nghiên cứu
Bài tập tiểu luận Huỳnh Trọng Dương
SVTH: Phạm Thị Tiên
3
Vì đây không phải là đề tài mới nên việc tìm tài liệu cho đề tài này không khó
nhưng cũng vì được nhiều người nghiên cứu nên việc chọn lọc những kiến thức phù
hợp và có ý nghĩa cũng có phần khó khăn.
5. Phương pháp nghiên cứu
Tìm kiếm, thống kê, phân tích
Quy nạp diễn dịch
Lôgic tổng hợp
Nhận xét, đánh giá
Bài tập tiểu luận Huỳnh Trọng Dương
SVTH: Phạm Thị Tiên
4
B- NỘI DUNG
Chương I: Cơ sở lí thuyết
1.1. Khái niệm
Dòng điện trong kim loại là dòng các electron tự do chuyển dời có hướng dưới
tác dụng của điện trường ngoài (ngược chiều điện trường)
Đối với riêng một nguyên tử kim loại: Các electron ở lớp vỏ ngoài cùng dễ mất
liên kết với hạt nhân, trở thành các electron tự do. Lúc đó, nguyên tử trở thành ion
dương.
Đối với toàn khối kim loại:
– Các ion dương được sắp xếp một cách đều đặn theo một trật tự nhất định
trong không gian, tạo thành mạng tinh thể.
– Mỗi nút mạng là một ion dương dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng của
mình.
– Các electron bị mất liên kết với hạt nhân của nguyên tử kim loại, thì chuyển
động tự do trong khoảng không gian giữa các ion dương (nút mạng). Các electron
này được gọi là electron tự do; chúng có vai trò là hạt tải điện, nên gọi là electron
dẫn.
– Giữa ion dương và electron tự do có lực hút tĩnh điện.
– Tổng đại số điện tích âm của các electron tự do bằng tổng đại số điện tích
dương của các ion dương, nên toàn khối kim loại trung hòa về điện.
1.2. Bản chất của các hạt mang điện trong kim loại.
Người ta đã tiến hành nhiều thí nghiệm để khám phá bản chất các hạt mang
điện trong kim loại. Trước hết ta hãy kể đến thí nghiệm do nhà vật lý người Đức
Carl Riecke (1845- 915) tiến hành vào năm 1912. Ông đã dùng ba vật dẫn hình trụ,
hai bằng đồng và một bằng nhôm với các đầu được đánh bóng kỹ càng. Sau khi cân
các thanh hình trụ được đặt kế tiếp nhau theo thứ tự đồng - nhôm - đồng và cho dòng
điện chạy qua tổ hợp ba hình trụ dẫn đố trong thời gian một năm. Như vậy, trong
thời gian này đã có 3,5.10 C
6 chạy qua. Sau đó người ta đem các thanh hình trụ này
ra cân lại thì thấy trọng lượng của chúng không hề thay đổi. Soi bằng kính hiển vi
các đầu của các hình trụ ta cũng không thấy có sự xâm nhập vật chất từ các thanh
dẫn khác. Kết quả thực nghiệm này chứng tỏ rằng các hạt mang điện không phải là
nguyên tử mà là các hạt có trong tất cả các kim loại. Các điện tử mà J.J Thomson
phát hiện ra trong năm 1897 có thể là các hạt mang điện đó.
Để khẳng định được các hạt mang điện trong kim loại là các hạt điện tử ta cần
phải xác định được dấu cũng như độ lớn điện tích của các hạt mang điện trong kim
loại. Ý tưởng như sau: Nếu kim loại chứa các hạt mang điện có thể chuyển động thì
nếu khi vật dẫn kim loại bị giảm tốc thì các hạt đó thao quán tính vẫn tiếp tục
chuyển động trong một khoảng thời gian nào đó và làm xuất hiện một dòng điện đảy
đồng thời có mọt số hạt sẽ thoát ra khỏi kim loại.
Bài tập tiểu luận Huỳnh Trọng Dương
SVTH: Phạm Thị Tiên
5
a
0
v
i
Hình 1: Hạt mang điện trong kim loại
Giả sử lúc đầu dây dẫn được chuyển động với vận tốc
0
v.
Ta tiến hành giảm tốc với giá trị của gia tốc bằng
a. Do quán tính các hạt mang
điện sẽ tiếp tục chuyển động với gia tốc -
a so với vật dẫn. Mỗi gia tốc như vậy sẽ
chuyển cho các hạt mang điện đứng yên trong vật dẫn và tạo trong đó một điện
trường bằng 1
e
am
. Điều này có nghĩa là tạo nên hai đầu vật dẫn một hiệu điện
thế bằng:
'
2
1
'
2
1
21 e
mal
dl
e
am
dlVV
trong đó: m, e' là khối lượng và điện tích của hạt tải điện, l là độ dài của dây
dẫn.
Trong trường hợp này sẽ có dòng điện I =
R
VV 21 , với R là điện trở của dây
dẫn, chạy dọc theo hướng chuyển động của dây dẫn. Như vậy sẽ có dòng điện tích
dq chạy qua các tiết diện trong thời gian dt với:
dv
R
e
ml
dt
R
e
mal
dtdq ''
Số điện tích chạy qua các tiết diện trong suốt thời gian giảm tốc sẽ là:
R
lv
e
m
dv
Re
ml
dqq
v
t
0
'
0
'
00
(1)
Điện tích q dương nếu như nó được chuyển theo hướng chuyển động của dây
dẫn.
Như vậy nếu đo được l, 0
v, r cũng như lượng điện tích q chuyển qua dây dẫn
trong thời gian giảm tốc ta có thể xác định được tỷ số
m
e' của hạt mang điện trong
dây dẫn. Hướng của xung dòng sẽ cho biết dấu của điện tích của hạt mang điện.
Theo hướng này hai nhà bác học người Nga là Leonid Mandenshtam(1879 -
1944) và Nikolai Papaleksi (1880 - 1947) đã tiến hành thí nghiệm vào năm 1913.
Các ông đã thu được các kết quả có tính chất định tính.
Năm 1916 hai nhà vật lý người Mỹ là R. Tolman và T. Stewart đã thu được các
kết quả định lượng. Một cuộn dây dài 500m được quay với vận tốc dài bằng sm300 .
Dây được hãm lại đồng thời người ta dùng một điện kế xung kích để đo lượng điện
e '
a
0