Bản chất dòng điện trong kim loại

Nội dung trình bày: DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI - BẢN CHẤT DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI - Cấu tạo của kim loại: Như nhóm 1 đã trình bày, cấu tạo của kim loại được khái quát lại như sau: Kim loại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể. Các nguyên tử kim loại được sắp xếp một cách đều đặn theo một trật tự nhất định trong không gian. Trong tinh thể kim loại, ở các nút mạng là các ion dương, xung quanh là các electron tự do. Trong điều kiện bình thường, do điện tích âm của các electron tự do có trị số tuyệt đối đúng bằng điện tích dương của các ion cho nên vật thể bằng kim loại trung hòa về điện. Vậy cấu trúc của kim loại có ảnh hưởng gì tới việc truyền dẫn điện năng? Nhóm 2 xin phép được trình bày phần tìm hiểu của mình: Bản chất của dòng điện trong kim loại: Ở nhiệt độ bình thường, các ion dương trong mạng tinh thể dao động xung quanh vị trí cân bằng, các electron tự do thì chuyển động tự do bên trong vật thể kim loại. Khi không có điện trường (chưa đặt vào hai đầu vật dẫn kim loại một hiệu điện thế) các electron tự do chỉ chuyển động hỗn loạn. chuyển động của electron tự do giống như chuyển động nhiệt của các phần tử trong một khối khí, do đó, tính trung bình, lượng electron chuyển động theo một chiều nào đó luôn bằng lượng electron chuyển động theo chiều ngược lại. Vì vậy, khi không có điện trường , trong kim loại không có dòng điện (Giải thích thêm: Như các bạn có thể thấy, khi không có điện trường, các electron chuyển động hỗn loạn, không theo một trật tự, một hướng, mà theo định nghĩa về dòng điện thì không thoả mãn, nên trong kim loại không có dòng điện. Mặt khác, dựa vào hình vẽ trên, bằng phép tổng hợp vectơ chuyển động của các electron, ta sẽ thu được vectơ tổng hợp bằng 0, tức các vectơ chuyển động không theo 1 hướng nhất định) Khi có điện trường trong kim loại (đặt vào hai đầu vật dẫn kim loại một hiệu điện thế) các electron tự do chịu tác dụng của lực điện trường và chúng có thêm chuyển động theo một chiều xác định, ngược với chiều điện trường, ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn. Đó là chuyển động có hướng của electron. Kết quả là xuất hiện sự chuyển dời có hướng của các hạt mang điện, nghĩa là xuất hiện dòng điện (Theo dõi hình vẽ) Vậy: Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng electron tự do dịch chuyển có hướng ngược chiều điện trường Mật độ hạt tải điện (electron tự do) trong kim loại rất lớn, vào cỡ mật độ nguyên tử kim loại (1028/m3) , vì thế kim loại dẫn điện tốt Chú ý: Vận tốc của chuyển động có hướng này rất nhỏ, bé hơn 0,2 mm/s; không nên lẫn lộn vận tốc này với vận tốc lan truyền của điện trường (300 000 km/s); vận tốc lan truyền của điện trường rất lớn nên khi đóng mạch điện thì ngọn đèn điện dù có rất xa cũng hầu như lập tức phát sáng Từ đây chúng ta lại nảy sinh thêm các khái niệm: Chuyển động nhiệt của các electron là như thế nào? Thế nào là vận tốc chuyển động có hướng của electron? Thế nào là vận tốc lan truyền của điện trường? Các khái niệm trên có thể được giải quyết như sau: Chuyển động nhiệt: Giống như các phân tử khí, electron trong vật dẫn có vận tốc chuyển động nhiệt lung tung theo mọi hướng. Vận tốc này cỡ 104-105m/s nhưng vì là chuyển động hỗn loạn nên không đóng góp gì vào quá trình dẫn điện. Tính trung bình trong một đơn vị thời gian thì điện lượng qua một tiết diện bất kỳ luôn bằng 0, nên dòng điện bằng 0. Vận tốc dịch dưới tác dụng của điện trường. Đây là vận tốc chuyển động có hướng (sinh ra dòng điện) của electron. Các electron vẫn có chuyển động nhiệt, nhưng tính trung bình theo thời gian, vận tốc này không bằng 0 mà bằng vận tốc dịch. Trong điện cổ điển, để đơn giản, người ta thường không chú ý đển chuyển động nhiệt, coi là hạt electron chỉ có chuyển động dịch. Vận tốc chuyển động dịch có giá trị cỡ mm/s, tùy thuộc độ lớn của điện trường và độ lưu động của chất dẫn điện Vận tốc truyền tương tác (hay vận tốc lan truyền của điện trường) bằng vận tốc truyền ánh sáng: Đây không phải là vận tốc dịch chuyển của một thực thể vật lý, mà là vận tốc mà các electron giao tiếp với nhau. Giả sử 1 electron bị kích thích, điện trường do electron đấy gây nên thay đổi, sau thời gian t thì thông tin "electron bị kích thích" sẽ được truyền đi tới khoảng cách c.t. Vì thế nên khi nhà máy Thủy Điện Hòa Bình đóng mạch điện, electron ở đầu dây Hòa Bình còn đang nhởn nhơ, chưa kịp chạy quá thị xã Hòa Bình thì ở đầu dây kia ở Hà Nội đã thấy có điện rồi. Chính xác hơn mà nói thì đây là vận tốc truyền điện trường. Khi đóng mạch điện, điện trừong được truyền trong dây với vận tốc của sóng điện từ, nên gần như ngay lập tức, các electron ở xa tít mù tắp cũng nhận được tác động của điện trường và đóng góp vào dòng điện. Lấy ví dụ vĩ mô để các bạn hình dung rõ hơn 3 cái vận tốc này: Trong giờ ra chơi, ở sân trường có rất nhiều học sinh. Các bạn học sinh chơi đùa chạy theo đủ mọi hướng, nên trung bình, không có "dòng " người nào cả. Vận tốc chạy của học sinh giống như vận tốc chuyển động nhiệt của electron. Tại một thời điểm nào đó, cổng trường được mở ra, và học sinh có thể đi ra ngoài mua quà. Chỉ có những học sinh đứng ngay ở cổng trường mới biết được chuyện này, nên chỉ có những học sinh đứng ngay sát cổng trường mới chạy ra khỏi cổng được. Nhưng sự kiện này được các học sinh nói với nhau, người gần cổng trường nói cho người đứng xa hơn, nên tin truyền rất nhanh. Gần như ngay lập tức, học sinh ở đầu kia của sân trường cũng biết được tin này, và bắt đầu chạy hướng về phía cổng trường. Vận tốc truyền tin này giống như vận tốc truyền tương tác của điện trường trong mạch điện. Tuy tất cả các học sinh đều biết tin cổng trường mở, nhưng vì sân trường đông, nên học sinh không thể chạy thẳng đến cổng trường ngay được, mà phải đi rất chậm. Vận tốc chuyển động này giống như vận tốc dịch của electron trong vật dẫn. Vận tốc này phụ thuộc độ rộng của cổng trường (giống như tiết diện dây dẫn), sưc hấp dẫn của hàng ăn đối với mỗi học sinh (giống như hiệu điện thế) và cả "những chướng ngại vật" mà học sinh gặp phải khi đi về phía cổng trường: cây cối trong sân trường, mật độ học sinh... (giống như mạng tinh thể trong vật dẫn) Chúng ta hãy cùng tìm hiểu một số hiện tượng liên quan: Điện trở của kim loại và hiện tượng dây dẫn nóng lên khi có dòng điện chạy qua: Trong một số bài tập vật lý thông thường, chúng ta thường thấy đề bài cho “bỏ qua điện trở của dây dẫn”, chính vì thế mà bài toán trở nên đơn giản hơn. Tuy nhiên trong thực tế, bản thân kim loại làm dây dẫn vẫn có điện trở, cùng với các yếu tố môi trường khác, đã làm cho kết quả thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết có sự chênh lệch. Vậy nguyên nhân nào gây ra điện trở của dây dẫn? Trong khi chuyển động có hướng, các electron tự do luôn bị ngăn cản do va chạm với các ion dương nằm ở các nút mạng. Do sự mất trật tự của mạng tinh thể (chuyển động nhiệt của các ion, sự méo mạng tinh thể, có các nguyên tử lạ) gây cản trở sự chuyển động có hướng của e tự do Làm giảm tốc độ chuyển động Gây ra điện trở của kim loại (Giải thích thêm: vì khi tốc độ chuyển động giảm thì tốc độ truyền tải điện cũng giảm, làm suy yếu cường độ dòng điện, hay nói một cách đơn giản là cản trở dòng điện) Ngoài ra, khi sờ vào dây dẫn ở nhà, ta cũng cảm nhận được dây dẫn nóng lên, nguyên nhân nào gây ra hiện tuợng này? Các e trong quá trình chuyên động tương tác với các nút mạng, truyền động năng cho nút mạng, làm dao động của mạng tinh thể càng mạnh gây hiện tượng tỏa nhiệt Dây dẫn kim loại nóng lên khi có dòng điện chạy qua Để giải thích rõ hơn 2 vấn đề này, mới cô và các bạn tiếp tục theo dõi phần trình bày của nhóm 3, giải thích về tính chất điện của kim loại. HẾT