intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Giáo án môn Lý 11: CHƯƠNG III. DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG

Chia sẻ: Camthudanvip Camthudanvip | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:48

Thêm vào BST
Báo xấu
272
lượt xem 32
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đây là chương 3 trong số 7 chương đề cập đến kiến thức và kỹ năng thiết kế bài dạy học 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 điện trong các môi trường theo tinh thần của Vật lí học phổ thông có trong chương. Những kiến thức này, phần lớn được khai thác từ Internet....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo án môn Lý 11: CHƯƠNG III. DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG

  1. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) CHƯƠNG III: DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG I. MỤC TIÊU - HV hiểu rõ và sâu sắc những kiến thức Vật lí được trình bày trong chương theo tinh thần của vật lí học phổ thông - HV có được những kỹ năng về thiết kế bài dạy và tổ chức dạy học theo tinh thần đổi mới hiện nay. 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 dạy học 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 điện trong các môi trường theo tinh thần của Vật lí học phổ thông có trong chương. Những kiến thức 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, cùng nhau 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: Phụ lục Hoạt động 2: Thiết kế bài dạy học  Nhiệm vụ: - GgV giới thiệu một phương án cụ thể về thiết kế bài dạy học trong chương được trình bày trong Phụ lục 5b. - Mỗi nhóm HV chọn một bài bất kỳ trong chương rồi cùng nhau thiết kế  Thông tin cho hoạt động : - Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11, Hoạt động 3: Các nhóm trình bày bản thiết kế của nhóm mình  Nhiệm vụ: - Mỗi nhóm cử đại diện lên trình bày bản thiết kế của nhóm mình - Các nhóm khác góp ý, bổ sung  Thông tin cho hoạt động : - Bản thiết kế có được từ các nhóm V. ĐÁNH GIÁ 56
  2. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) - GgV đánh giá tinh thần và thái độ làm việc của các nhóm cũng như sản phẩm mà các nhóm có được. - Thông tin phản hồi của đánh giá môđun: Ý kiến thảo luận và các bản thiết kế bài dạy học. V. PHỤ LỤC 5a: 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 th ích tính dẫn điện của kim loại, Droude và Lorentz đã đề ra thuyết electron về kim loại có nội dung sau: Một ô mạng tinh thể đồng (hình tròn màu -Trong kim loại có các electron tự do. Mật độ đỏ là các ion đồng ) electron xấp xỉ bằng mật độ của nguyên tử kim loại (n0=1028/m3) -Chuyển động của các electron tự do trong kim loại tuân theo các định luật cơ học cổ điển. -Tập hợp các electron tự do trong kim loại được coi như một khí electron giống như khí lí tưởng. Tương tác giữa các electron với các ion dương mạng tinh thể kim loại chỉ biểu hiện ở các va chạm của chúng; các va chạm này dẫn đến sự cân bằng nhiệt giữa các khí electron và mạng tinh thể 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 củ a kim loại Kim loại là chất dẫn điện tốt. Khi không có tác dụng của điện trường ngoài, các electron 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 luôn bằng số electron dịch chuyển theo chiều ngược lại. Vì vậy lượng điện tích tổng cộng mang bởi các electron qua một mặt bất kì nào đó là bằng không, trong vật dẫn kim loại không có dòng điện. Khi có điện trường ngoài, các electron tự do có thêm chu yển động phụ theo một chiều xác định, ngược chiều với điện trường. Khi đó số electron chuyển động ngược chiều điện trường sẽ lớn hơn số electron chuyển động cùng chiều điện trường, nghĩa là có xuất hiện 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 10 28/m3 nên kim loại dẫn điện rất tốt. Cần lưu ý rằng, vận tốc trung bình của chuyển động có hướng của các electron i 8kT (v  ) là rất nhỏ so với vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt ( vT  ) của nó. n0 e m 57
  3. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) Cũng cần phân biệt vận tốc trung bình của chuyển động có hướng của electron với vận tốc lan truyền của dòng điện, tức là vận tốc lan truyền tác dụng của điện trường lên các electron. Sự lan truyền tác dụng đó của điện trường từ electron này đến electron khác xảy ra với vận tốc rất lớn, khoảng 3.10 8m/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 động quanh 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 động mạnh lên và do đó, xác suất va chạm của electron với ion càng lớn lên. Vì vậy điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng. Điện trở suất của kim loại cũng tăng theo nhiệt độ và được biểu diễn qua công thức:    0 1   t  t 0  Ở đây  là hệ số nhiệt đi ện trở có đơn vị K-1, t0 là nhiệt độ được chọn làm mốc và  0 là điện trở suất ở nhiệt độ đó. Thông thường ta chọn t 0 = 200. Giữa hai va chạm kế tiếp với ion, các electron được tăng gia tốc dưới tác dụng của điện trường và chúng nhận thêm năng lượng. Năng lượng của chuyển động có hướng này được truyền hoàn toàn hay một phần cho các ion dương khi va chạm, làm cho nội năng của vật 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 cả các electron tự do đều đi được những quãng đường như nhau, bằng quãng đường tự do trung bình của các electron. Hơn nữa, ta cũng coi rằng, trong mỗi va chạm với ion, electron truyền hoàn toàn cho mạng tinh thể năng lượng mà nó nhận được. Nghĩa là sau va chạm vận tốc ban đầu v 0 của electron bằng không. Xét một đoạn mạch gồm dây có chiều dài l và tiết diện động lực S, giữa hai đầu đoạn mạch đặt một hiệu điện thế U. Cường độ điện trường trong đoạn mạch là: U E l Dưới tác dụng của điện trường, mỗi elect ron chịu tác dụng của một lực điện trường F= eE và electron có gia tốc bằng a= eE/m (trong đó m là khối lượng của electron). Vì vậy cuối quãng đường tự do trung bình, vận tốc có hướng của electron là: eUt Vmax = at = ml trong đó t là khoảng thời gian trung bình giữa hai va chạm. Vì giữa hai va chạm kế tiếp, electron chuyển động nhanh dần đều nên giá trị trung bình của vận tốc bằng: V 1 eUt v  max  2 2 ml  Thời gian trung bình giữa hai va chạm kế tiếp của electron với ion là: t = vT 58
  4. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 3kT ( vì vT = là vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt, ở nhiệt độ phòng m (T=300K thì vT  105m/s lớn hơn nhiều lần so với V (có giá trị cỡ 0,06m/s) nên trong công thức này ta không kể đến vận tốc của chuyển động có hướng của các electron) 1 eU  v Do đó ta có: 2 ml v T (1) Cường độ dòng điện I trong đoạn mạch là I  neSv (n là mật độ dẫn điện) (2) ne2 SU Thay (1) vào (2) ta có I (3) 2mlvT 2mvT l Đặt   (3) và gọi  là điện trở suất cuả dây dẫn. Đại lượng  phụ thuộc e n 2 S vào cấu tạo của dây dẫn, được gọi là điện trở R của dây dẫn. Từ đây ta có thể giải thích sự tăng của  khi nhiệt độ tăng (và sự tăng tương ứng của R). U Cuối cùng ta có: I = (biểu thức của định luật Ôm). Như vậy dòng điện trong kim R loại tuân theo định luật Ôm . Cần lưu ý rằng, tuy có tác dụng của điện trường đặt vào kim loại, vận tốc của các electron dẫn không ph ải tăng mãi, vì có sự va chạm gắn liền với dao động nhiệt của nút mạng tinh thể. Như vậy sau một thời gian  nhất định (có trị số cỡ 2,5x 10 -14s) gọi là thời gian hồi phục, vận tốc chuyển động có hướng của các electron dẫn sẽ đạt đến một trị số giới hạn không đổi, tạo nên dòng điện không đổi. Thuyết lượng tử cho ta công thức tương 2m  tự với (3)  với   trong đó vF = 2E F ( E F được gọi là mức năng lượng e n 2 vF m Fec-mi, E F =7,0 eV). Tuy có nhiều thành công như đã nêu ở trên nhưng thuyết electron cổ điển không giải thích được:Ví dụ như: nhiệt dung của khí electron và vấn đề tán xạ electron trong kim loại. Vì sao tinh thể kim loại sạch, kết tinh hoàn hả o, 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 còn đúng nữa , cụ thể là: -Chuyển động của các electron tự do trong kim loại không tuân theo các định luật của cơ học cổ điển mà là tuân theo các định luật phức tạp hơn của vật lý lượng tử; -Tương tác giữa các electron và ion không phải chỉ biểu hiện ở các va chạm giữa chúng. Thực tế các electron chuyển động trong điện trường tuần hoàn của mạng tinh thể . -Các electron không tuân theo định luật phân bố Maxwell - Boltzmann như khí kí 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 một sóng. Do kim loại có cấu trúc tinh thể với các nguyên tử nằm trong mạng tuần hoàn nên các 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 mạng tinh thể nên không bị mạng tinh thể làm lệch đường, vì thế electron tự do không bị va 59
  5. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) chạm với lõi nguyên tử nằm một cách trật tự ở mạng tinh thể mà chỉ bị va chạm ở những chỗ 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: nguyên nhân làm điện trở giảm khi kim loại hoặc hợp kim bị làm lạnh là: khi hạ nhiệt độ, các dao động 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). Ở dưới nhiệt độ này điện trở giảm từ từ và gần như không đổi khi T  0K. Đối với kim loại hoàn 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 "kim loại 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 và được giữ lại ở bên trong kim loại. Điều đó có nghĩa là ở gần mặt kim loại phải có những 60
  6. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) lực liên kết tác dụng lên các electron và hướng vào phía tro ng kim loại. Muốn vượt ra khỏi mặt giới hạn của vật dẫn kim loại, electron phải thực hiện một công xác định A chống lại các 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 độ lớn vào khoảng vài eV (do đó φ có độ lớn khoảng vài vôn). Trong khi đó động năng trung bình của chuyển động nhiệt của electron ở nhiệt độ phòng bằng 3 k T  6 , 2 3 . 1 02 1  J0 , 0 3 9 e V 2 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 trăm vôn đến vài chục vôn. Nó phụ thuộc rất rõ vào độ tinh khiết của kim loại đặc biệt là phụ thuộc vào độ tinh khiết của mặt kim loại tiếp xúc với chấ t khí. + _ 1 2 Hình 9 Xét hai thanh kim loại khác nhau có cùng nhiệt độ, tiếp xúc với nhau (Hình 9). Do chuyển 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 n 1 và n2 của electron tự do trong hai kim loại đó khác nhau nên các dòng electron khuếch tán sẽ khác nhau. Giả sử n 1>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 sẽ tích 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 này cản trở chuyển động của các electron từ kim loại 1 sang kim loại 2 và thúc đẩy chuyển động của các electron từ kim loại 2 sang kim l oại 1. Do đó, số lượng tổng cộng các electron tự do từ kim loại 1 sang kim loại 2 giảm dần, còn số lượng các electron tự do từ kim loại 2 sang kim loại 1 tăng dần. Cho đến khi hiệu điện thế giữa hai kim loại đó đạt đến một giá trị Ui thì có sự cân bằng giữa hai dòng electron đó, và hiệu điện thế U i đó chính là 2 3 hiệu điện thế tiếp xúc trong của hai kim loại, nó có giá trị vào khoảng 10 10 V . 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 J oule - Lenz toả ra trong thể tích vật dẫn điện còn có một hiện tượng nhiệt phụ nữa xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau do Peltier phát hiện ra năm 1834, gọi là hiện tượng Peltier. Khi cho dòng điện đi qua chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại thì ở đó sẽ có sự toả nhiệt hay hấp thu một lượng nhiệt Q tuỳ theo chiều của dòng điện đi qua đó. Kết quả là chỗ tiếp xúc nóng lên hay lạnh đi. Nhiệt lượng Peltier Q tỏa ra hay hấp thụ ở chỗ tiếp xúc tỉ lệ thuận với điện tích Q   p q   p It  p toàn phần q đi qua mối hàn: ( : Hệ số Peltier). Ta cần lưu ý rằng hiện tượng Peltier và sự toả nhiệt Jun - Lenxơ có sự khác nhau căn bản. Nhiệt lượng Jun - Lenxơ tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện và không phụ thuộc và chiều dòng điện. Còn hiện tượng Peltier tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và thay 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) 61
  7. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) Khi khảo sát các hiện tuợng nhiệt điện Thomson đã đi đến kết luận là: Ngay cả trong một 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 tượng tiếp xúc. Tuy nhiên nguồn gốc của hiện tượng đó lại liên quan chặt chẽ với các nguyên nhân 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 Hình 10 giữa các mối hàn. Vì vậy, để đặc trưng cho tính chất nhiệt điện của một cặp vật dẫn bất kì người ta đưa vào đại lượng gọi l à suất nhiệt điện động vi phân α, đo bằng suất nhiệt điện d động xuất hiện khi hiệu nhiệt độ giữa các mối hàn là 1 0C:   , α phụ thuộc không dT những vào bản chất của cặp kim loại mà còn phụ thuộc vào trạng thái của chúng, đặc biệt là vào nhiệt độ.   T1  T2  Nếu nhiệt độ (T 1 – T2) của hai mối hàn không lớn thì ta có: . * 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 hình thành 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 trung bình  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 1 U tx (T )    [ A (T )   B (T )] e . Với một cặp nhiệt điện bằng chất rắn, khi nhiệt độ hai đầu bằng nhau thì tổng hiệu điện thế tiếp xúc trong ở hai mối hàn bằng không, khi giữ hai đầu ở hai nhiệt độ T 1 và T2 khác nhau, sự khác nhau của hiệu điện thế tiếp xúc ở hai đầu sẽ tạo ra trong mạch một suất nhiệt điện động nhiệt điện tx  U tx (T1 )  U tx (T2 ) . 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 62
  8. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) mạnh hơn đầu lạnh, nên có xu hướng đẩy hạt tải điện từ đầu nóng về đầu lạnh. Trong vật lí chất rắn, người ta coi dao động của mạng tinh thể như những hạt phonon, nên hiện tượng này gọi là hạt tải điện bị phonon cuốn đi. Mặt khác, trong một số chất rắn (ví dụ trong bán dẫn), mật độ hạt tải tăng theo nhiệt độ. Khi ấy hạt tải sẽ khuếch tán từ đầu nóng qua đầu lạnh, làm hai đầu tích điện trái dấu nhau. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Seebeck. Chênh lệch 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 suất   ( S A  S B )(T1  T2 ) điện động S . Do đó suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện là:    S  tx  ( S A  SB )(T1  T2 )  Utx (T1 )  Utx (T2 ) . V ới kim loại, hạt tải điện là electron, có mật độ rất cao và không phụ thuộc nhiệt độ. Hiệu điện thế tiếp xúc U tx xuất hiện giữa hai lớp kim loại rất mỏng ở sát chỗ tiếp xúc. Electron có thể qua lại dễ dàng lớp này bằng hiệu ứng đường hầm nên mật độ electron ở hai bên lớp tiếp xúc gần như bằng nhau và hiệu điện thế tiếp xúc gần như bằng không, tx  0 . 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 dễ dàng lớp này bằng hiệu ứng đường hầm nên mật độ e ở hai bên lớp tiếp xúc gần như bằng nhau và hiệu điện thế tiếp xúc gần như bằng không. Trong đó chỉ có thành phần cuốn theo phonon 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 rất thấp (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 nhiệt khá 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 T C có 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. T rong vùng nhiệt độ T < T C = 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. 63
  9. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 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 H C 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 như nhau đối với mọi chất siêu dẫn. Đối với một chất siêu dẫn xác định thì H C phụ thuộc vào nhiệt độ và quy luật phụ thuộc này hầu như là như nhau đối với các chất siêu dẫn: ở gần độ không tuyệt đối H C có giá trị cực đại và giảm chậm dần theo nhiệt độ, càng gần tới T C thì 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 độ dòng tới hạn j C, thì trạng thái siêu dẫn sẽ không còn nữa. Nguyên nhân là vì: khi tăng dòng điện thì từ trường riêng do nó gây ra tăng và sẽ đến thời điểm mà từ trường riêng này có cường độ giới hạn H C làm 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 dẫn trong 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 gắng xây 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 vắn tắt của thuyết BCS như sau: 64
  10. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 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, khi một điện 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 tử với 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 có nhiệt độ của trạng thái siêu dẫn rất thấp (dưới 30K). Trong khi đó người ta đã chế tạo đư ợc vật 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 quan tâm 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 cả trong 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 thất điện năn g vì đường dây không có điện trở; mặt khác dây cáp tải điện siêu dẫn không cần làm to như dây cáp thông thường và như vậy tiết kiệm được vật liệu (mật độ dòng điện trong dây siêu có thể đạt tới 10 5A/cm2). Dựa trên tính chất từ trường không thâm nhập được vào vật liệu siêu dẫn và bị đẩy trở lại, người ta đã chế tạo những đoàn tàu hoả với bánh xe có từ tính, còn đường ray có đặt các cuộn siêu dẫn. Khi tàu chạy, do hiện tượng cảm ứng điện từ trong các cuộn dây có dòng điện cảm ứng và sinh ra từ trường. Kết quả là xuất hiện lực đẩy khiến cho các toa tàu bị nâng lên, bánh xe không tiếp xúc với đường ray . Từ trường do nam châm siêu dẫn tạo ra cực mạnh đủ để nâng con tầu lên 10 cm khỏi đường ray. Đường ray c ó mặt cắt h ình chữ U, trên có lắp 3 cuộn dây điện từ, đượ c cung cấp điện bởi các trạm nguồn đặt dưới đất dọc đường tầu. Nam châm siêu dẫn đặt trên tầu và đặt trong những b ình chứa Helium đ ể 65
  11. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) hóa lỏng, tạo ra nhiệt độ thấp là 269 độ dưới không độ, khi c ó dòng điện đi qua, sinh ra một 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 gia tốc, 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 Thí nghiệm điện phân với dung dịch NaCl và nước 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 H 2O được sắp xếp như 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 chuy ển 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 tử NaCl. 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) đang chuyển động khá nhanh, nó có thể phân li thành ion Na + và Cl-. 66
  12. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) Song song với quá trình phân li nói trên, còn có quá trình ngược lại đó là khi hai ion trái dấu va chạm với nhau trong chuyển động nhiệt, chúng có thể kết hợp lạ i thành các phân tử trung hoà. Quá trình đó gọi là sự tái hợp. Khi số ion sinh ra do sự phân li bằng số ion tái hợp trong cùng một đơn vị thời gian thì trong dung dịch có sự cân bằng động của hai quá trình phân li và tái hợp, khi mà số ion sinh thêm ra do sự phân li trong một đơn vị thời gian bằng số ion tái hợp trong cùng đơn vị thời gian đó. 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 n0 phân tử chất hòa tan mà trong số n' đó n '0 phân tử bị phân li thành ion thì:   0 (0    1) . Hệ số  phụ thuộc vào bản chất n0 của 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 tan càng 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 cực của 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 e- e- 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 A K mA 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.  K1 E Các phản ứng này gọi là phản ứng phụ hay SO42- Cu2+ là phản ứng thứ cấp. SO42- Cu2+ Trường hợp đặc biệt về phản ứng phụ Dd CuSO4 đó là hiện tượng dương cực tan. Hiện _ tượng d ương cực tan xảy ra khi điện phân + một dung dịch muối kim loại mà anôt làm Hình 22 67
  13. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) bằng chính kim loại ấy. Ví dụ khi điện phân dung dịch sunfat đồng (CuSO 4) với anode (A) bằng đồng. Các ion Cu 2+ dịch chuyển tới catôt, nhận hai electron từ nguồn điện đi tới trở thành nguyên tử đồng bám vào catôt: Cu 2+ + 2e- = Cu. Ở anôt, electron bị kéo về cực dương của nguồn điện, tạo điều kiện ion Cu 2+ 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 ra hiện 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 được khảo sát theo biểu thức của định luật Ôm cho đoạn mạch rút ra từ thuy ết electron:   I  qn0 u   u  E 0 0 Trong đó: E là cường độ điện trường ngoài, u+0, u-0 là 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 phụ thuộc 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 qn0 u   u   là không đổi. Vậy, khi 0 0 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 . I(A) 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 U(V) Hình 23 : Đặc tuyến Vôn – Ampe của bình điện phân đựng dung dịch CuSO 4 với anốt bằng đồng 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 U   p U AB   p I AB  AB  R AB rp 2.3. Các định luật về chất điện phân +Định luật I Faraday (thứ nhất) 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 68
  14. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) lượng hoá học của nó: k = cA/n (2) Hệ số c có cùng một trị số đối với tất cả các chất. Kí hiệu 1/c = F, trong đó F cũng là một hằng số đối với mọi chất và gọi là hằng số Faraday, F = 9,65.10 7C/kmol. Từ (1) và (2) ta rút ra công thức chung biểu thị cho cả hai định luật Faraday: 1 A 1 A m q It F n F n Với 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 các định luật Faraday như sau: Giả sử có N ion di chuyển tới điện cực. Nếu khối lượng mỗi ion là m 0, thì khi N ion đó được trung hoà ở điện cực, khối lượng của chất được giải phóng ra là: m = Nm 0 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 q q = Nne  N  ne q Từ đó: m = Nm0  m0 =kq ne Đó chính là biểu thức của định luật I Faraday, với k = m 0/ne. Mặt khác khối lượng nguyên tử của chất được giải phóng ra ở điện cực: A = N0m (N0 là số Avogadro) và đương lượng hoá học của chất đó bằng: A N0m  n n m A 1 1 A Từ đó: k =   ne n N 0 e F n Đó chính là nội dung của định luật II Faraday. Từ đó ta tìm được số Faraday: F = N 0e = 9,65.107C/kg Hiện tượng điện phân được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật nh ư điều chế hoá chất , luyện kim, mạ điện,... 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. Chân không là môi trường cách điện tốt, vì trong chân không khôn g có hạt mang điện tự do và cũng 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 nhờ hiện tượng electron thoát ra khỏi mặt điện cực. Trong vật rắn (kim loại), các electron tư do chuyển động trong một giếng thế năng. Mu ốn thoát ra, electron phải có động năng lớn hơn công thoát A, nghĩa là: 69
  15. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) mv 2 A 2 Khi nhiệt đ ộ tăng, vận tốc chuyển động nhiệt của electron tăng, và có một electron nhận được năng lượng đủ lớn để thực hiện công thoát và bứt ra khỏi mặt kim loại. Quá trình phát xạ electron nhờ đốt nóng kim loại như vậy được gọi là sự phát xạ nhiệt electron. Để khả o sát dòng điện trong chân không ta có thể sử dụng sơ đồ thí nghiệm gồm điôt đi ện 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 các electron 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 luậ t Ôm. Khi U < 0 với U nhỏ thì vẫn có dòng điện có I  0 , 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 electron phát xạ nhiệt từ K trong một giây bằng số electron đến A trong một giây thì dòng điện đạt giá trị bão hoà. Mật độ dòng điện bão hoà Ibh đặc trưng cho khẳ năng phát xạ của K. Khả năng 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.html Một ứng dụng quan trọng của tia cathode (dòng các electron do catôt phát ra và bay 70
  16. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) trong chân không) là ống phóng điện tử, đó là bộ phận thiết yếu của máy thu hình, dao động kí điện tử... video\VatLy_2.mpg 4. Dòng điện trong chất khí (Direct electric current in gases) 4.1. Đặc tính dẫn điện của chất khí 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 tron g 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 đ iện. Muốn ion hoá chất khí, cần truyền cho phân tử chất khí năng lượng để thực hiện công chống lại lực tương 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 tác động bên ngoài không có liên quan đến sự có mặt của các điện trường trong chất khí (ngọn lửa 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 va chạm này là va chạm không đàn hồi, khi đó electron truyền hầu hết năng lượng của nó cho phân 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: động năng mà electron thu được trên quãng đường tự do trung bình phải lớn hơn (hay ít nhất là bằng) 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 trái dấu để thành phân tử trung hòa. Sau khi tác nhân ion hóa ngừng tác dụng thì các ion được tạo ra chỉ tồn tại được một thời gian nào đó rồi biến mất hoàn toàn. Có thể giải thích sự biến mất của các ion như sau: Do chuyển động nhiệt hỗn loạn, ion dương va chạm với electron 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 cả hai đều trở thành phân tử trung hòa. Quá trình trung hòa các ion như thế được gọi là sự tái hợp ion. Nếu như khi bứt electron ra khỏi ph ân tử (hay nguyên tử) cần phải cung cấp năng lượng cho nó (năng lượng ion hóa) thì ngược lại khi tái hợp ion dương với electron, năng lượng 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. 71
  17. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 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, dòng điện 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 c ường độ dòng điện trong chất khí vào hiệu điện thế được biểu diễn bằng đặc tuyến vôn - ampe có dạng như hình vẽ. Đặc tuyến V - A không phải là đường thẳng. Đặc điểm này dược giải thích như sau: Khi tăng U, cường độ điện trường tăng làm lực điện trường tác dụng lên các điện tích tăng 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 thành sau 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 do trung bình, nên đã tích luỹ năng lượng đ ủ lớn đủ để ion hoá các phân tử khi va chạm với chúng. Các electron vừa mới bứt ra từ các phân tử được gia tốc trong điện trường, lại va chạm với các phân tử khác và gây ra sự ion hoá. Số lượng electron và ion sẽ được tăng rất nhanh và lớn gấp nhiều lần số điện tích tự do được tạo bởi tác nhân ion hoá. Số electron tạo 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 ion hoá 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 72
  18. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) liên tục tạo ra các electron mới thay thế cho các electron đi về anôt. Sự phát xạ nhiệt electron thứ cấp từ catôt dưới tác dụng bắn phá của các ion dương là một trong các quá trình quan trọng để duy trì thác electron. Khi tăng điện trường lên tới mức mà trong thời gian chuyển động tự do các electron thu được năng lượng đủ để bứt các electron khác ra khỏi nguyên tử khi va chạm vào chúng. 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 electron gây 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 cách dùng ống thuỷ tinh có hai điện cực bằng kim loại. Khi chất khí trong ống có áp suất thấp (khoảng từ 1 đến 0,01mm Hg) và hiệu điện thế đặt vào giữa hai điện cực khoảng vài trăm vôn, do ảnh hưởng của dòng điện đi qua ống, chất khí phát sáng, và ta thấy có hai miền chính: ngay ở gần catôt (K) có miền tối gọi là miền tối K, phần còn lại của ống cho đến anôt (A) là miền s áng, 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 ánh sáng 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 trong chất khí được tăng tốc trên quãng đường tự do trung bình khá dài của nó, và nhận được năng lượng đủ lớn để làm ion hoá chất khí khi va chạm, tạo ra những ion mới; do đó bắt đầu có dòng điện truyền qua ống. Miền tối K đượ c hình thành là do các electron từ K đi ra không phải là đã va chạm ngay lập tức với các phân tử khí mà chúng chỉ bắt đầu va chạm từ một khoảng cách nào đó đối với âm cực. Chiều rộng của miền K xấp xỉ bằng quãng đường tự do trung bình của electron, quãng đ ường này tăng khi áp suất chất khí giảm. Miền sáng A là miền trong đó xảy ra những va chạm mạnh nhất của electron với phân tử khí. Năng lượng mà electron truyền cho phân tử khí trong miền này khi va chạm sẽ gây ra sự ion hoá hay sự kích thích phân tử khí, ánh sáng xuất hiện trong miền này là kết quả của sự kích thích ấy. Sự ion hóa chất khí trong miền này tạo ra những ion dương cần thiết để duy trì sự phóng điện. Vì vậy khi ta rút ngắn khoảng cách giữa A va K cho đến khi không 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 73
  19. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 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 3.10 6V/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 li ệu. 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 mây tích điện và mặt đất. Cường độ dòng điện sét rất lớn có thể tới 10000  50000A và hiệu điện thế giữa đám mây và đất trước lúc phát si nh ra sét đạt tới 10 10 V . Sét là tia lửa 8 9 hẹp độ 20  30cm ; còn chiều dài có thể tới hàng chục km. Trong giải hẹp đó một áp suất rất 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 thí nghiệm. Tuy nhiên nó có những đặc điểm riêng. Chẳng hạn các tia lửa điện trong các điều kiện thường bắt đầu xảy ra khi cường độ điện trường E k ≈ 3.106V/m, còn cường độ điện trường để xảy ra và s ét trong các cơn mưa giông thấp hơn nhiều và nói chung không vượt quá 2  4.10 V / m . Sự giảm thấp cường độ điện trường như vậy cũng quan sát được trong 5 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 và Richman. Lômônôxôp đã nhận thấy rằng ở lớp khí quyển gần mặt đất luôn luôn tồn tại một điện trường và điện trường đó tăng lên rất mạnh trước mỗi cơn giông. Khi không có cơn giông, điện trường trong lớp khí quyển thấp hướng từ trên xuống dưới (mặt đất điện âm) và cường độ điện trường vào khoảng 100V/m. 74
  20. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) Sét có thể gây ra những thiệt hại cho nhà cửa, công trình kiến trúc và có khi nguy hại đến tính mạng con người. Vì vậy c ần có thiết bị chống sét cho các công trình, các đường dây cao thế, các đường dây thông tin liên lạc… Một trong các thiết bị chống sét là cột chống sét (cột thu lôi). Đó là cột kim loại nhọn, nối cẩn thận với đất và được gắn chặt bên chỗ cao nhất của các c ông trình cần được bảo vệ. Cột chống sét có thể bảo vệ cho một diện tích rộng xung quanh cột và theo phép tính, cột chống sét có thể bảo vệ cho một khoảng có đường kính gấp chừng hai lần chiều cao của cột. Tác dụng chống sét của cột chống sét dựa trên 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 Hình 5 : Sét hòn 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. Sét hòn 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 hơn nhiều so với kích thước tia chớp. Kích thước lớn nhất quan sát được từ 40 đến 50 cm. Rất nhiều 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 cuồng phong ở Widecombe-in-the-Moor, Devon, nước Anh vào ngày 12 tháng 10 năm 1638. Bốn người đã thiết mạng và khoảng 60 người bị thương khi xuất hiện một quả sét hòn đánh vào một nhà thờ. 75
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
3=>0