SGK Vật Lí 11 - Bài 13. Dòng điện trong kim loại
Dòng điện trong kim loại Trong các bài trước, ta đã nói dòng điện trong kim loại là dòng các electron chuyển động có hướng. Nhưng như tất cả các vật liệu khác, kim loại cũng do các nguyên tứ liên kết với nhau tạo nên. Nguyên tử lại gồm hạt nhân tích điện dưcrng và các electron mang điện âm quay xung quanh. Vậy các electron trong kim loại có đặc điếm gì và nó chi phối tính chất của dòng điện trong kim loại ra sao ? Đó chính là nội dung cúa bài học này. - BẢN CHẤT CỦA DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI ©y -© © © G© 1 Gr' © © ©^ ©1 © <? Ố >3 ©• © ' © ©A Hình 13.1 Mạng tinh thể tạo bởi các ion dương sắp xếp có trật tự và các electron tự do chuyển động hỗn loạn tròng mạng. Bản chất của dòng điện trong kim loại được nêu rõ trong một lí thuyết tổng quát gọi là thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại. Thuyết đó có nội dung như sau : Trong kim loại, các nguyên tử bị mất electron hoá trị trở thành các ion dương (Hình 13.1). Các ion dương liên kết với nhau một cách trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại. Chuyển động nhiệt của các ion (dao động của ion quanh vị trí cân bằng) có thể phá huỷ trật tự này. Nhiệt độ càng cao, dao động nhiệt càng mạnh, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự. Các electron hoá trị tách khỏi nguyên tử, trở thành các electron tự do với mật độ n không đổi (« = hằng số). Chúng chuyển động hỗn loạn tạo thành khí electron tự do choán toàn bộ thê tích của khối kim loại và không sinh ra dòng điện nào. Điện trường £ do nguồn điện ngoài sinh ra, đẩy khí electron trôi ngược chiều điện trường, tạo ra dòng điện. Sự mất trật tự của mạng tinh thể cấn trở chuyển động của electron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại. Các loại mất trật tự thường gặp là chuyển động nhiệt (dao động nhiệt) của các ion trong mạng tinh thể, sự méo mạng tinh thể do biến dạng cơ học và các nguyên tử lạ lẫn trong kim loại. Điện trở của kim loại rất nhạy cảm với các yếu tố trên. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại cho thấy hạt tải điện trong kim loại là electron tự do. Mật độ của chúng rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt (Bảng 13.1). Nhiều tính chất khác của dòng điện trong kim loại cũng có thể suy ra từ thuyết này. Vậy, dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng ’• của điện trường. - Sự PHỤ THUỘC CỦA ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA KIM LOẠI THEO NHIỆT ĐỘ Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt của các ion trong mạng tinh thể tăng, làm cho điện trở của kim loại tăng. Thí nghiệm chứng tỏ điện trở suất p của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất: p=p0[l + a(z-ío)] (13j) trong đó p0 là điện trở suất ở ro°c (thường lấy là 20°C) ; a là /?ệ số nhiệt điện trở, đơn vị đo là K_1. Giá trị của p0 và a của một số kim loại được ghi trên Bảng 13.1. Chất Pũ (Q.m) « (K-1) - Bạc 1,62.10-8 4,1.10-8 Platin 10,6.10-8 3,9.10-8 Đồng 1,69.10-8 4,3.10-8 Nhôm 2,75.10-8 4,4.10-8 Sắt 9,68.10-8 6,5.10-8 Silic 0.25.104 -70.10-8 Vonfam 5,25.10-8 4,5.10-8 Bảng 13.1 Trên bảng này có silic không phải kim loại. Điện trở suất của chúng lớn hơn điện trở suất của kim loại vài bậc. Sự biến thiên điện trỏ suất của đồng theo nhiệt độ ra Vì sao người ta chọn dây bạch kim để làm nhiệt kế điện trở dùng trong công nghiệp ? Tuy nhiên, nếu làm thí nghiệm một cách chính xác, ta thấy hệ số nhiệt điện trở của mỗi kim loại không những phụ thuộc vào nhiệt độ, mà vào cả độ sạch và chế độ gia công vật liệu đó. Ngày nay, hệ số nhiệt điện trở của bạch kim (platin) đã được nghiên cứu rất cẩn thận, vì người ta thường dùng dây bạch kim để làm nhiệt kế dùng trong công nghiệp. BD Tên vật liệu T’c(K) Nhôm 1,19 Thuỷ ngân 4,15 Chì 7,19 Thiếc 3,72 Kẽm 0,85 Nb3Sn 18 Nb3AI 18,7 Nb3Ge 23 DyBa2Cu3O7 92,5 HgBa2Ca2Cu30g 134 Bảng 13.2 Nhiệt độ tới hạn của một số chất siêu dẫn Vì sao dòng điện chạy trong cuộn dây siêu dẫn không có nguồn điện lại có thể duy trì lâu dài ? Có thể dùng dòng điện ấy làm cho động cơ chạy mãi được không ? T T > 72 7"2 Hình 13.3 Electron khuếch tán từ đầu nóng qua đầu lạnh làm đầu nóng tích điện dương. Ill - ĐIỆN TRỞ CỦA KIM LOẠI Ở NHIỆT ĐỘ THẤP VÀ HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Khi nhiệt độ càng giảm, mạng tinh thể càng bớt mất trật tự nên sự cản trở của nó đến chuyển động của electron càng ít, điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 0 K, điện trở của các kim loại sạch đều rất bé. Đồ thị biểu diễn điện trở suất của đồng theo nhiệt độ được vẽ trên Hình 13.2. Ớ một số kim loại như Hg, Pb..., hoặc một số hợp kim như Nb3Sn, Nb3Ge..., và cả một số gốm ôxit kim loại như DyBa-,Cu3O7, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn T thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Nhiệt độ tới hạn của một số chất được ghi trên Bảng' 13.2. Nhiều tính chất khác như từ tính, nhiệt dung cũng thay đổi đột ngột ở nhiệt độ này. Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Ngày nay các cuộn dây siêu dẫn được dùng đê tạo ra các từ trường rất mạnh mà các nam châm điện thường không thể tạo ra được. Cho dòng điện chạy qua các cuộn dây kim loại siêu dẫn rồi bỏ nguồn điện đi, dòng điện vẫn tiếp tục chạy trong nhiều năm mà không yếu đi. Trong tương lai, người ta dự kiến có thể dùng dây siêu dẫn để tải điện, và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa. - HIỆN TƯỢNG NHIỆT ĐIỆN Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại còn cho thấy, nếu sợi dây kim loại có một đầu nóng và một đầu lạnh, thì chuyển động nhiệt của electron sẽ làm cho một phần electron tự do ở đầu nóng dồn về đầu lạnh. Đầu nóng sẽ tích điện dương, đầu lạnh tích điện âm (Hình 13.3). Giữa đầu nóng và đầu lạnh có một hiệu điện thế nào đấy. Nếu lấy hai dây kim loại khác loại nhau và hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữ ở nhiệt độ cao, một mối hàn ở nhiệt độ thấp, thì hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh của từng dây không giống nhau, khiến trong mạch có một suất điện động C9 (Hình 13.4). % gọi là suất điện động nhiệt điện, và bộ hai dây dẫn hàn hai đầu vào nhau gọi là cặp nhiệt điện. Thí nghiệm chứng tỏ rang?1 = aT (Tỵ - T2), trong đó Tỵ - T1 là hiệu nhiệt độ ở đầu nóng và đầu lạnh ; 0^ là hệ số nhiệt điện động, phụ thuộc vào bản chất của hai loại vật liệu dùng làm cặp nhiệt điện, đơn vị đo là V.K-1. Suất điện động nhiệt điện tuy nhỏ nhưng rất ổn định theo thời gian và điều kiện thí nghiệm, nên cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ. Ba loại cặp nhiệt điện thường dùng là : Hình 13.4 Cặp nhiệt điện đổng - constantan : Nhiệt độ ngọn nén cháy Ty; Nhiệt độ nước đá đang tan Tị = 273 K •(tứcO°C). Cặp platin — platin pha rôđi có Op ~ 6,5 pV/K Cặp crômen - alumen có (Zp ~ 41 pV/K Cặp đồng - constantan có Op ~ 40 gV/K. Hạt tải điện trong kim loại lả electron tự do. Mật độ của chúng rất cao nên kim loại dẫn điện tốt. Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường. Chiiýển động nhiệt của mạng tinh thê’ cản trở chuyển động của hạt tải điện làm cho điện trờ của kim.loại phụ thuộc nhiệt độ. Đến gấn 0 K, điện trở của kim loại rất nhỏ. Vật liệu siêu dẫn có điện trở đột ngột giảm đến bằng 0 khi nhiệt độ T < Tt. Cặp nhiệt điện là hai dây kim loại khác bản chất, hai đầu hàn vào nhau. Khi nhiệt độ hai mối hàn Tv T2 khác nhau, trong mạch có suất điện động nhiệt điện <T= cỢT, -Tị), là hệ số nhiệt điện động. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 13 Hạt tải điện trong kim loại là loại electron nào ? Mật độ của chúng vào cỡ nào ? Vì sao điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng ? Điện trở của kim loại thường và siêu dẫn khác nhau thế nào ? Do đâu mà trong cặp nhiệt điện có suất điện động ? ở bài tập 5 và 6 dưới đây, phát biểu nào là chính xác ? Các kim loại đều dẫn điện tốt, có điện trở suất không thay đổi. dẫn điện tốt, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ. c. dẫn điện tốt như nhau, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ. D. dẫn điện tốt, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ giống nhau. Hạt tải điện trong kim loại là A. các electron của nguyên tử. B. electron ở lớp trong cùng của nguyên từ. c. các electron hoá trị đã bay tự do ra khỏi tinh thể. D. các electron hoá trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể. Một bóng đèn 220 V - 100 w khi sáng bình thường thì nhiệt độ của dây tóc đèn là 2 ooo°c. Xác định điện trở của đèn khi thắp sáng và khi không thắp sáng, biết rằng nhiệt độ môi truờng là 20°C và dây tóc đèn làm bằng vonfam. Khối luọng mol nguyên tử của đổng là 64.10“3 kg/mol. Khối luọng riêng của đồng là 8,9.1 o3 kg/m3. Biết ràng mỗi nguyên tử đồng đóng góp một electron dẫn. Tính mật độ electron tự do trong đồng. Một dây tải điện bằng đổng, tiết diện 10 mm2, mang dòng điện 10 A. Tính tốc độ trôi cùa electron dẫn trong dây dẫn đó. Để mắc đường dây tải điện từ địa điểm A đến địa điểm B, ta cần 1 000 kg dây đổng. Muốn thay dây đóng bằng dây nhôm mà vẫn đảm bảo chất lượng trúyén điện, ít nhất phải dùng bao nhiêu kilôgam dây nhỏm ? Cho biết khối lượng riêng của đổng là 8 900 kg/m3, của nhôm là 2 700 kg/m3.