CHƯƠNG III: DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG ppt

“ 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)
56
CHƯƠNG III: DÒNG ĐI
ỆN
TRONG CÁC MÔI TRƯ
ỜNG
I. M
ỤC TIÊU
- HV hiểu rõ và sâu sắc những kiến thức Vật lí đư
ợc
trình bày trong chương theo tinh
thần của vật lí học phổ thông
- HV có đư
ợc
những kỹ năng về thi
ết kế bài dạy
và tổ chức dạy học theo tinh thần
đ
ổi
mới hiện nay.
II. GI
ỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ
ĐUN
Đây là chương 3 trong số 7 chương đ
ề
cập đ
ến
kiến thức và kỹ năng thiết kế bài dạy
học cũng như tổ chức dạy học theo tinh thần đ
ổi

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 đ
ế
n Dòng điện
trong các môi trư
ờng
theo tinh thần của Vật lí học phổ thông có trong chương. Những kiến
thức này, phần lớn đư
ợc
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 đ
ổi
đ
ể
tìm đư
ợc
phương án thiết kế tối ưu nhất.
Th
ời gian cho mô
đun này là 1 bu
ổi (4 tiết)
III. TÀI LI
ỆU VÀ THIẾT BỊ ĐỂ THỰC HIỆN MÔĐUN
Sách V
ật
lí 11, Sách giáo viên V
ật
lí 11, Tài li
ệu bồi d

ưỡng thay sách giáo khoa Vật
lí 11, Ph
ụ lục
5
IV. HO
ẠT ĐỘNG
Ho
ạt động 1:
Phân tích kiến thức có trong chương
 Nhiệm vụ:
- HV làm việc theo nhóm bằng cách đ
ọc
tài liệu có trong phần phụ lục và thảo luận
 Thông tin cho hoạt đ
ộng
:
Phụ lục
Ho
ạt 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 đư
ợc
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 đ
ộng
:
- Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11,
Ho

ạt động
3: Các nhóm trình bày bản thiết kế của nhóm mình
 Nhiệm vụ:
- Mỗi nhóm cử đ
ại
diện lên trình bày bản thiết kế của nhóm mình
- Các nhóm khác góp ý, bổ sung
 Thông tin cho hoạt đ
ộng
:
- Bản thiết kế có đư
ợc
từ các nhóm
V. ĐÁNH GIÁ
“ 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)
57
- GgV đánh giá tinh thần và thái đ
ộ
làm việc của các nhóm cũng như sản phẩm mà
các nhóm có đư
ợc
.
- 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
đi
ện trong kim loại
(Direct electric current in metals)

1.1. B
ản chất của dòng điện trong kim loại
Các kim lo
ại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể. Trong
kim lo
ại, các nguyên tử bị mất electron hoá trị trở
thành các ion dương, các ion dương sắp xếp một cách
tu
ần hoàn, trật tự tạo nên mạng tinh thể. Trong
kho
ảng
không gian gi
ữa mạng tinh thể là các electron chuyển
đ
ộng nhiệt hỗn loạn, các electron này gọi là các
electron t
ự do
. Dư
ới tác dụng của điện trường ngoài
các electron tự do này chuyển động có hướng để tạo
thành dòng
điện trong kim loại.
Đ
ể giải th
ích tính d
ẫn
điện của kim loại, Droude
và Lorentz đ
ã đề ra thuyết electron về kim loại có nội
dung sau:

-Trong kim lo
ại có các electron tự do. Mật
độ
electron x
ấp xỉ bằng mật độ của nguyên tử kim loại
(n
0
=10
28
/m
3
)
-Chuyển động của các electron tự do trong kim loại tuân theo các định luật cơ học cổ
đi
ển.
-T
ập hợp các electron tự do trong kim loại được coi như một khí electron giống như
khí lí tư
ởng.
Tương tác gi
ữa các electron với các ion d
ương mạng tinh thể kim loại chỉ biểu
hi
ện ở các va chạm của chúng; c
ác va ch
ạm này dẫn đến sự cân bằng nhiệt giữa các khí
electron và mạng tinh thể kim loại.
D
ựa vào thuyết electron cổ điển có thể giải thích được t
ính d

ẫn điện của kim loại,
nguyên nhân gây ra đi
ện trở và
gi
ải thích
đ
ịnh luật Ôm
.
 Gi
ải thích tính dẫn
điện củ
a kim lo
ại
Kim lo
ại là chất dẫn điện tốt.
Khi không có tác d
ụng của điện trường ngoài, các
electron t
ự do chỉ chuyển
động nhiệt hỗn loạn giống như chuyển động nhiệt của các phân
t
ử khí. Khi đó số electron chuyển động theo một chiều nào đó, về trung bình,
luôn luôn
b
ằng số electron dịch chuyển theo chiều ngược lại. Vì vậy lượng điện tích tổng cộng mang
b
ởi các electron qua một mặt bất kì nào
đó là bằng không, trong vật dẫn kim loại không có
dòng
điện.

Khi có đi
ện trường ngoài, các electron tự do có thêm chu
y
ển động phụ theo một
chi
ều xác định, ngược chiều với điện trường. Khi đó số electron chuyển động ngược chiều
đi
ện tr
ường sẽ lớn hơn số electron chuyển động cùng chiều điện trường, nghĩa là có xuất
hi
ện chuyển dời có hướng của điện tích, trong vật dẫn kim
lo
ại có xuất hiện dòng điện.
M
ật
độ hạt tải điện (electron tự do) rất lớn cỡ 10
28
/m
3
nên kim loại dẫn điện rất tốt.
C
ần lưu ý rằng, vận tốc trung bình của chuyển động có hướng của các electron
(
en
i
v
0

) là r
ất nhỏ so với vận tốc trung bình của

chuy
ển động nhiệt (
m
kT
v
T

8

) c
ủa nó.
M
ột ô mạng tinh thể đồng
(hình tròn màu
đỏ là các ion đ
ồng
)
“ 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)
58
C
ũng cần phân biệt vận tốc trung bình của chuyển động có hướng của electron với vận tốc
lan truy
ền 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 v
ới vận tốc rất lớn, khoảng 3.10
8
m/s.

 Gi
ải thích nguyên
nhân gây ra đi
ện trở của kim loại
Trong chuy
ển động có hướng các electron tự do luôn tương tác với các ion dao động
quanh v
ị trí cân bằng
ở các nút mạng tinh thể, nghĩa là bị cản trở. Hiện t
ượng này là
nguyên nhân gây ra đi
ện trở của kim loại
. Các kim lo
ại khác nhau có cấu tạo mạng tinh
th
ể khác nhau nên điện trở suất của các kim loại khác nhau là khác nhau.
Đi
ện trở của kim loại còn phụ thu
ộc vào nhiệt
độ.
/>Khi nhi
ệt độ tăng lên, các ion kim loại nằm ở các nút mạng tinh thể cũng dao
đ
ộng
m
ạnh lên và do đó, xác suất va chạm của electron với ion càng lớn lên. Vì vậy điện trở kim
lo
ại t
ăng khi nhiệt độ tăng.
Đi

ện trở suất của kim loại cũng tăng theo nhiệt độ và được biểu diễn qua công thức:
  
00
1 tt  
Ở đây  là hệ số nhiệt điện trở có đơn vị K
-1
, t
0
là nhiệt độ được chọn làm mốc và
0

là đi
ện trở suất ở nhiệt độ đó. Thông thường ta chọn
0
t
= 200.
Gi
ữa hai va chạm kế tiếp với ion, các electron được tăng gia tốc dưới tác dụng của
đi
ện trường và
chúng nh
ận thêm năng lượng. Năng lượng của chuyển động có hướng này
đư
ợc truyền hoàn toàn hay một phần cho các ion d
ương khi va chạm, làm cho nội năng của
v
ật dẫn tăng lên. Vì vậy khi có dòng điện chạy qua, kim loại nóng lên.
/> Gi
ải thích định luật Ôm
Đ

ể đơn giản trong các phép toán, ta giả thiết rằng: giữa hai va chạm kế tiếp, tất cả
các electron t
ự 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
truy
ền hoàn toàn cho mạng tinh thể n
ăng lượng mà nó nhận được. Nghĩa là sau va chạm
v
ận
t
ốc ban đầu v
0
c
ủa electron bằng không.
Xét m
ột
đoạn mạch gồm dây có chiều dài l và tiết diện động lực S, giữa hai đầu đoạn
m
ạch đặt một hiệu điện thế U. Cường độ điện trường trong đoạn mạch là:
l
U
E 
Dư
ới tác dụng của điện trường, mỗi elect
ron ch
ịu tác dụng của một lực điện trường
F= eE và electron có gia t
ốc bằng
a= eE/m (trong đó m là kh

ối lượng của electron). Vì vậy
cu
ối quãng
đường tự do trung bình, vận tốc có hướng của electron là:
V
max
= at =
ml
eUt
trong đó t là kho
ảng t
h
ời gian trung bình giữa hai va chạm. Vì giữa hai va chạm kế
ti
ếp, electron chuyển
động nhanh dần đều nên giá trị trung bình của vận tốc bằng:
ml
eUt
V
v
2
1
2
max

Th
ời gian trung bình giữa hai va chạm kế tiếp của electron với ion là:
t =
T
v


“ 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)
59
( vì
T
v
=
m
kT3
là v
ận tốc trung bình của chuyển
động nhiệt,
ở nhiệt
đ
ộ phòng
(T=300K thì
T
v

10
5
m/s l
ớn hơn nhiều lần so với
V (có giá tr
ị cỡ 0,06m/s)
nên trong công
th
ức này ta
không k

ể đến vận tốc của chuyển động có
hư
ớng
c
ủa các electron)
Do đó ta có:
T
vml
eU
v

2
1

(1)
Cư
ờng độ dòng điện
I trong đo
ạn mạch
là
vneSI 
(n là m
ật độ dẫn điện) (2)
Thay (1) vào (2) ta có
T
vml
SUne
I
2
2



(3)
Đặt


ne
vm
T
2
2

(3) và gọi  là điện trở suất cuả dây dẫn. Đại lượng
S
l

phụ thuộc
vào c
ấu tạo của dây dẫn
, đư
ợc gọi
là đi
ện trở R của dây dẫn.
T
ừ đây ta có thể giải thích sự
tăng c
ủa
 khi nhi
ệt độ tăng
(và s

ự
tăng tương
ứng của R).
Cu
ối cùng
ta có: I =
R
U
(bi
ểu thức của định luật Ôm)
. Như v
ậy dòng điện trong kim
lo
ại tuân theo định luật Ôm
.
C
ần lưu ý rằng, tuy có tác dụng của điện trường đặt vào kim loại, vận tốc của các
electron d
ẫn không ph
ải t
ăng m
ãi, vì có sự va chạm gắn liền với dao động nhiệt của nút
m
ạng tinh thể. Nh
ư vậy sau một thời gian

nh
ất
định
(có tr

ị số cỡ 2,5x 10
-14
s) g
ọi là thời
gian hồi phục, vận tốc chuyển động có hướng của các electron dẫn sẽ đạt đến một trị số
gi
ới hạn không
đổi, tạo nên dòng điện không đổi. Thuyết lượng tử cho ta công thức tương
t
ự với (
3)


ne
m
2
2

v
ới
F
v

 
trong đó v
F
=
m
E
F

2
(
F
E
đư
ợc gọi là mức năng lượng
Fec-mi,
F
E
=7,0 eV).
Tuy có nhi
ều thành công như đã nêu ở trên nhưng thuyết electron cổ điển không giải
thích đư
ợc
:Ví d
ụ nh
ư: nhiệt dung của khí electron và vấn đề tán xạ electron trong kim
lo
ại.
Vì sao tinh th
ể kim loại sạch, kết tinh hoàn hả
o,
ở nhiệt độ thấp lại có điện trở rất
nh
ỏ
? S
ở dĩ có hạn chế này là vì một số nội dung cơ bản của thuyết
electron c
ổ điển không
còn

đúng n
ữa
, c
ụ thể là:
-Chuy
ển động của các electron tự do trong kim loại không tuân theo các định luật
c
ủa cơ học cổ điển mà
là tuân theo các đ
ịnh luật phức tạp hơn của
v
ật lý
lư
ợng tử;
-Tương tác gi
ữa các electron và ion không phải chỉ biểu hiện ở các va chạm giữa
chúng. Th
ực tế các electron chuyển động trong điện trường tuần hoàn của mạng tinh thể
.
-Các electron không tuân theo đ
ịnh luật phân bố Maxwell
- Boltzmann như khí kí
tư
ởng nữa, mà tuân theo các định luật của thống kê lượng tử
: khí electron Fermi t
ự do
(vì electron có spin bán nguyên và tuân theo nguyên lí Pauli).
-Theo quan đi
ểm của
thuy

ết lượng tử
, các electron t
ự do
c
ần phải được xem như một
sóng. Do kim lo
ại có cấu trúc tinh thể với các nguyên tử nằm trong mạng tuần hoàn nên
các sóng có th
ể truyền suốt cấu trúc tuần hoàn tinh thể mà không bị tán xạ vào hướng khác.
Nói cách khác, sóng electron này đ
ã lan truyền được
trong môi trư
ờng tuần hoàn của mạng
tinh th
ể nên không bị mạng tinh thể làm lệch đường, vì thế electron tự do không bị va
“ 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)
60
ch
ạm với lõi nguyên tử nằm một cách trật tự ở mạng tinh thể
mà ch
ỉ bị va chạm ở những
ch
ỗ không hoàn hảo của mạng
đó,
va ch
ạm với
điể
m m
ất 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 th
ể là:
-S
ự mất trật tự của các ion trong mạng tinh
th
ể do chuyển
động nhiệt (dao động) sinh ra: hệ quả
là đi
ện trở củ
a kim lo
ại tăng theo nhiệt độ.
-S
ự mất trật tự của mạng tinh thể do c
ó các
nguyên t
ử lạ: hệ quả là tạp chất làm tăng điện trở
c
ủa kim loại.
-S
ự mất trật tự của các ion trong mạng tinh
th
ể do tinh thể bị biến dạng: hệ quả là các quá trình
gia công như uốn, kéo dãn làm điện trở của kim
lo
ại t
ăng.
Như v
ậy,
nguyên nhân cơ b

ản
gây ra đi
ện
tr
ở của kim loại là
s
ự mất trật tự
(s
ự sai hỏng
) c
ủa mạng tinh thể.
Nh
ững sai hỏng này sẽ
làm tán x
ạ sóng điện từ và do đó điện trở được sinh ra.
Như v
ậy có thể hiểu rằng: ngu
yên
nhân làm điện trở giảm khi kim loại hoặc hợp kim bị làm lạnh là: khi hạ nhiệt độ, các dao
đ
ộng nhiệt của nguyên tử giảm xuống, đồng thời các điện tử dẫn tán xạ với tần số nhỏ hơn.
Do đó đi
ện trở giảm tuyến tính theo nhiệt độ cho đến khi T
 (1/3)T
D
(nhi
ệt độ Debye). Ở
dư
ới nhiệt độ này điện trở giảm từ từ và gần như không đổi khi T
 0K. Đ

ối 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 tr
ị xấp xỉ bằng không khi nhiệt độ giảm về phía 0K.
Nh
ững kim loại thuộc mẫu "kim
lo
ại lí tưởng" mang tính hoàn toàn giả thiết. Tuy nhiên, ngay cả khi được làm lạnh đến 0K
mà đi
ện trở giảm tới không, nó cũng ch
ưa hẵn là chất siêu dẫn.
1.2. Hi
ện tượng điện ở chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại
1.2.1. Công thoát electron kh
ỏi kim loại
Ta đ
ã biết rằng, các electron tự do trong kim loại chuyển động nhiệt hỗn loạn và
đư
ợc giữ lại ở bên trong kim loại. Điều đó có nghĩa là ở gần mặt kim loại phải có những
“ 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)
61
l
ực liên kết tác dụng lên các electron và hướng vào phía tro
ng kim lo
ại. Muốn vượt ra khỏi
m
ặt 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 thư
ờng dùng
đơn vị là electron
-Vôn, kí hi
ệu
eV, 1eV = 1,6.10-19J. Công thoát A có đ
ộ
l
ớn vào khoảng vài eV (do đó φ có độ lớn khoảng vài vôn). Trong khi đó động năng trung
bình c
ủa chuyển động nhiệt của electron ở nhiệt độ phòng bằng
2 1
3
6 , 2 3 .1 0 0 , 0 3 9
2
kT J eV

 
ngh
ĩa là nhỏ hơn A rất nhiều. Vì vậy,
ở nhi
ệt độ
phòng,
đ
ại bộ phận các electron tự do ở bên trong kim loại.
2.2.1.2. Hi
ệu điện thế tiếp xúc
Hi
ệu 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

th
ế tiếp xúc được thay đổi tùy theo từng cặp kim loại và thường có giá trị từ vài phần trăm
vôn đ
ến vài chục vôn. Nó phụ thuộc rất rõ vào độ tinh khiết của kim loại đặc biệt là phụ
thu
ộc vào
độ tinh khiết của mặt kim loại tiếp xúc với chấ
t khí.
Xét hai thanh kim lo
ại khác nhau có cùng nhiệt
độ, tiếp xúc với nhau (Hình 9). Do
chuy
ển động nhiệt hỗn loạn, các electron tự do sẽ khuếch tán từ kim loại 1 sang kim loại 2
và ngư
ợc lại. Bởi vì mật độ n
1
và n
2
c
ủa electron tự do trong hai kim lo
ại
đó khác nhau nên
các dòng electron khu
ếch tán sẽ khác nhau. Giả sử n
1
>n
2
, khi đó d
òng electron khuếch tán
t

ừ kim loại 1 sẽ lớn hơn dòng khuếch tán ngược lại từ kim loại 2
. Kết quả là kim loại 1 sẽ
tích đi
ện d
ương còn kim loại 2 sẽ tích điện âm. Như vậy
là gi
ữa 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
c
ản trở chuyển động của các electron từ kim loại 1 sang kim loại 2 và thúc đẩy chuyển
đ
ộng của các electron từ kim loại 2 sang kim l
o
ại 1. Do đó, số lượng tổng cộng các
electron t
ự do từ kim loại 1 sang kim loại 2 giảm dần, còn số lượng các electron tự do từ
kim lo
ại 2 sang kim loại 1 t
ăng dần. Cho đến khi hiệu điện thế giữa hai kim loại đó đạt đến
m
ột giá trị Ui thì có sự cân bằng giữ
a hai dòng electron
đó, và hiệu điện thế U
i
đó chính là
hi
ệu
điện thế tiếp xúc trong của hai kim loại, nó có giá trị vào khoảng
2 3

10 10 V
 

.
1.2.2. Các hiện tượng nhiệt điện
1.2.2.1. Hiện tượng Peltier (Penchiê)
Do có t
ồn tại hiệu điện thế
ti
ếp xúc, nên ngoài nhiệt lượng J
oule - Lenz to
ả ra trong
th
ể tích vật dẫn điện còn có một hiện tượng nhiệt phụ nữa xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa hai
kim lo
ại khác nhau do Peltier phát hiện ra n
ăm 1834, gọi là hiện tượng Peltier. Khi cho
dòng
điện đi qua chỗ
ti
ếp xúc giữa hai kim loại thì ở đó sẽ có sự toả nhiệt hay hấp thu một
lư
ợng nhiệt Q tuỳ theo chiều của dòng điện đi qua đó. Kết quả là chỗ tiếp xúc nóng lên hay
l
ạnh đi.
Nhi
ệt lượng Peltier Q tỏa ra hay hấp thụ ở chỗ tiếp xúc tỉ lệ thuận với điện tích
toàn ph
ần q
đi qua mối hàn:

p p
Q q It  
(
p

: H
ệ số Peltier).
Ta cần lưu ý rằng hiện tượng Peltier và sự toả nhiệt Jun - Lenxơ có sự khác nhau
căn b
ản. Nhiệt lượng Jun
- Lenxơ t
ỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện và
không ph
ụ
thu
ộc và chiều dòng điện. Còn hiện tượng Peltier tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và
thay đ
ổi dấu khi có thay
đổi chiều dòng điện. Hơn nữa nhiệt lượng J
oule-Lenz ph
ụ thuộc
và đi
ện trở vật dẫn còn nhiệt lượng Peltier không phụ thuộc vào điện trở
v
ật dẫn.
1.2.2.2. Hiện tượng Thomson (Tômxơn)
_
+
2
1

Hình 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)
62
Khi kh
ảo sát các hiện tuợng nhiệt điện Thomson đã đi đến kết luận là: Ngay cả trong
m
ột 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 ho
ặc làm giảm nhiệt l
ượng đó. Hiện tượng này gọi là hiện tượng Thomson.
Nói cho th
ật đúng thì hiện tượng này không liên quan trực tiếp đến các hiện tượng
ti
ếp xúc. Tuy nhiên nguồn gốc của hiện
tư
ợng
đó lại liên quan chặt chẽ với các nguyên
nhân làm xu
ất hiện các hiện tượng ở chỗ tiếp xúc.
1.2.2.3. Hiện tượng Seebeck (Dibec)
Ta bi
ết rằng trong một mạch
điện kín có nhiều vật dẫn cùng
lo
ại 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 m
ạch xuất hiện suất điện động nghĩa là có
dòng
điện. Đó là hiện tượng nhiệt do Seebeck tìm ra năm 1821 và
su
ất
điện động này gọi là suất điện động
nhi
ệt
điện
và dòng đi
ện
t
ồn tại trong mạch gọi là dòng nhiệt điện.
Su
ất nhiệt điện động

tăng không t
ỉ lệ với hiệu nhiệt độ
gi
ữa các mối hàn. Vì vậy,
để đặc trưng cho tính chất nhiệt điện của một cặp vật dẫn bất kì
ngư
ời ta đưa vào đại lượng gọi l
à su
ất nhiệt điện động vi phân α, đo bằng suất nhiệt điện
đ
ộng xuất hiện khi hiệu nhiệt
độ giữa các mối hàn là 1
0

C:
dT
d
 
, α ph
ụ thuộc không
nh
ững vào bản chất của cặp kim loại mà còn phụ thuộc vào trạng thái của chúng, đặc biệt
là vào nhi
ệt độ.
Nếu nhiệt độ (T
1
– T
2
) của hai mối hàn không lớn thì ta có:
 
1 2
T T  
.
* Nguyên nhân gây ra su
ất nhiệt
điện động trong cặp nhiệt điện
Su
ất nhiệt
điện động trong cặp nhiệt điện bằng vật liệu rắn thường được cho là hình
thành từ ba nguồn gốc:
- S
ự phụ thuộc của công thoát của vật liệu theo nhiệt độ;
- S
ự dịch chuyển của hạt tải

điện trên thỏi vật liệu từ đầu
nóng đ
ến
đầu lạnh;
- S
ự thay đổi mật độ hạt tải điện theo nhiệt độ.
Các electron trong ch
ất rắn không thể tự do bay ra không gi
an bên ngoài. Mu
ốn vượt
ra khỏi mặt giới hạn của chất rắn, ta phải cung cấp cho mỗi electron một năng lượng trung
bình  g
ọi là công thoát của electron của chất rắn. Công thoát electron phụ thuộc vào nhiệt
đ
ộ,
 =  (T). Hai ch
ất rắn A và B khác nhau, có cô
ng thoát electron khác nhau: A(T) 
B(T). Khi chúng ti
ếp xúc nhau, giữa chúng sẽ xuất hiện hiệu
điện thế tiếp xúc
A
1
( ) [ ( ) ( )]
tx B
U T T T
e
 
 
 

 
 
.
V
ới một cặp nhiệt
điện bằng chất rắn, khi nhiệt độ hai đầu bằng nhau thì tổng hiệu
đi
ện thế tiếp xúc trong ở hai
m
ối hàn bằng không, khi giữ hai đầu ở hai nhiệt độ T
1
và T
2
khác nhau, s
ự khác nhau của hiệu
điện thế tiếp xúc ở hai đầu sẽ tạo ra trong mạch một suất
nhi
ệt điện động nhiệt điện
1 2
( ) ( )
tx tx tx
U T U T  
.
S
ự dịch chuyển của hạt tải điện trong thỏi vật l
i
ệu 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
Hình 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)
63
m
ạnh hơn đầu lạnh, nên có xu hướng đẩy hạt tải điện từ đầu nóng về đầu lạnh. Trong vật lí
ch
ất rắn, ng
ười ta coi dao động của mạng
tinh th
ể nh
ư 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
d
ẫn), mật
độ hạt tải tăng theo nhiệt độ. Khi ấy hạt tải sẽ khuếch tán từ đầu nóng qua đầu
l
ạnh, làm hai đầu tích điện
trái d
ấu nhau. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Seebeck. Chênh
l
ệch hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh do hiệu ứng này gây ra là US = S(T1
– T2).
Trong c
ặp nhiệt
điện, hiệu ứng Seebeck ở hai vật rắn A và B không giống nhau, tạo ra suất
đi
ện động
1 2
( )( )
S A B
S S T T   

. Do đó su
ất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện là:
1 2 1 2
( )( ) ( ) ( )
S tx A B tx tx
S S T T U T U T        
.
V
ới kim loại, hạt tải
điện là electron, có mật độ rất cao và không phụ thuộc nhiệt độ.
Hi
ệu điện thế tiếp xúc U
tx
xu
ất hiện giữa hai lớp kim loại rất mỏ
ng
ở sát chỗ tiếp xúc.
Electron có th
ể qua lại dễ dàng lớp này bằng hiệu ứng đường hầm nên mật độ electron ở
hai bên l
ớp tiếp xúc gần như bằng nhau và hiệu điện thế tiếp xúc gần như bằng không,
0
tx
 
. Trong

ch
ỉ có thành phần do sự cuốn theo phonon gây ra, vì thế suất điện động
nhi
ệt điện của cặp nhiệt điện kim loại thường rất nhỏ

.
V
ới kim loại, hạt tải
điện là eletron,có mật độ rất cao và không phụ thuộc nhiệt độ.
Hi
ệu 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 hi
ệu điện thế tiếp xúc gần như bằng không. Trong đó chỉ có thành phần cuốn theo
phonon gây ra, vì th
ế suất điện động
nhi
ệt điện của cặp nhiệt điện kim loại thường rất nhỏ
Ứng dụng của hiện t
ư
ợng nhiệt điện
-Nhi
ệt 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 nhi
ệt điện
: Những cặp nhiệt
điện mắc nối tiếp nhau có thể tạo thành một bộ pin
có kh
ả n
ăng cho ta
m
ột thế hiệu vài vôn và dòng
điện vài ampe

. Hi
ệu suất của pin nhiệt
khá th
ấp (1%)
1.3. Hi
ện t
ượng siêu dẫn
Trong tự nhiên tồn tại nhiều vật dẫn (kim loại,
h
ợp kim, ) mà
khi h
ạ nhiệt độ của vật đến một nhiệt
đ
ộ T
C
nào đó th
ì điện trở của nó bằng không. Vật ở
dư
ới nhiệt
độ T
C
có đi
ện trở bằng không gọi là vật siêu
d
ẫn. Trạng thái của vật ở vùng nhiệt
độ T
 T
C
có đi
ện

tr
ở bằng không gọi là trạng thái siêu dẫn và trạng thái
c
ủa vật ở vùng nhiệt độ T
 T
C
có đi
ện trở khác không
g
ọi là trạng thái dẫn th
ường hay là trạng thái thường.
Tr
ạng thái siêu dẫn được phát minh vào năm 1911 bởi
nhà vật lí Hà Lan, Kamerlingh Ones khi nghiên cứu sự
ph
ụ thuộc của điện trở Hg vào nhiệt độ. T
rong vùng
nhi
ệt độ T < T
C
= 4,2K đi
ện trở Hg hoàn toàn bằng
không.
Ở nhiệt
độ Tc vật chuyển từ trạng thái dẫn
thư
ờng sang trạng thái siêu dẫn hay ngược lại gọi là nhiệt độ tới hạn.
Một số đặc tính của chất siêu dẫn
a. Khi v
ật ở trạng thái siêu dẫn điện trở củ

a nó b
ằng không.
“ 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)
64
b. Khi h
ạ nhiệt độ một mẫu chất siêu dẫn đặt
trong t
ừ tr
ường, người ta thấy rằng, tại thời điểm mẫu
này chuyển sang trạng thái siêu dẫn thì các đường sức từ
l
ập tức bị
đẩy ra khỏi mẫu, nghĩa là chất siêu dẫn được
xem là ch
ất nghịch từ
lí tư
ởng
. Hi
ện tượng đó gọi là
hi
ệu ứng
Meissner – Ochsenfeld (M-O). V
ật dẫn chỉ có
đi
ện trở bằng không thôi mà không có hiệu M
-O thì
không phải là chất siêu dẫn mà chỉ là vật dẫn lí tưởng.
Hi
ệu ứng Meissner

-Ochsenfeld là hi
ệu ứng
t
ừ thông
b
ị
đ
ẩy ra hoàn toàn khỏi bên trong của vật
siêu d
ẫn
. Hi
ện
tư
ợng này là hiện tượng
ngh
ịch từ hoàn hảo
(Superdiamagnetism). Từ thông bên trong vật siêu dẫn
bằng 0. Hiện tượng này được khám phá bởi
hai nhà v
ật lý
ngư
ời Áo
Walther Meissner và
ngư
ời Đức
Robert Ochsenfeld vào năm
1933.
c. B
ất kì vật liệu siêu dẫn nào cũng
đặc trưng bằng ba thông số: nhiệt độ tới hạn

T
C
, t
ừ trường tới hạn H
C
và m
ật độ dòng
đi
ện tới hạn
J
C
. C
ụ thể là:
Khi đ
ặt một mẫu siêu dẫn vào tr
ong t
ừ
trư
ờng, tính siêu dẫn của mẫu bị mất đi
(tr
ạng thái siêu dẫn bị phá huỷ) khi c
ường độ từ trường lớn hơn một giá trị giới hạn nào đó,
g
ọi là từ trường tới hạn
H
c
. Các phép đo cho th
ấy từ trường tới hạn
H
c

không ph
ải là như
nhau đ
ối với mọi chất siêu
d
ẫn.
Đ
ối với một chất siêu dẫn xác
định thì H
C
ph
ụ thuộc vào
nhi
ệt độ và quy luật phụ thuộc này hầu như là như nhau đối với các chất siêu dẫn: ở gần độ
không tuy
ệt đối H
C
có giá tr
ị cực đại và giảm chậm dần theo nhiệt độ, càng gần tới T
C
thì
t
ừ trường tới
h
ạn càng giảm nhanh.
Khi cho qua m
ẫu siêu dẫn một dòng
điện vượt quá một mật độ nào đó, gọi là mật độ
dòng t
ới hạn j

C
, thì tr
ạng thái siêu dẫn sẽ không còn nữa. Nguyên nhân là vì: khi tăng dòng
đi
ện thì từ trường riêng do nó gây ra tăng và sẽ đến thời điểm
mà t
ừ trường riêng này có
cư
ờng
độ giới hạn H
C
làm m
ất 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 t
ừ trường, từ trường còn bị đẩy ra khỏi nó.
Gi
ải thích tính siêu dẫn
K
ể 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 đ
ã tìm ra s
ự giải thích tương đối hợp lí về tính siêu dẫn. Nội dung vắn
t
ắt của thuyết BCS như sau:
“ 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)
65
Các h
ạt tải điện không phải là các
electron riêng r
ẽ mà là các cặp electron
gọi là cặp Cooper. Bình thường các
electron đ
ẩy nhau nên cần phải có c
ơ c
h
ế
đ
ặc biệt nào đó để cho chúng có thể tạo
thành c
ặp. Theo
lí thuy
ết BCS, do tương
tác đ
ặc biệt (t
ương tác electron
- phonon),
hai electron có spin ngược chiều nhau
trong nh
ững
điều kiện nhất định có thể hút
nhau thông qua các ion c
ủa mạng tinh thể
và t
ạ

o thành c
ặp Cooper, các cặp này tạo
thành m
ột chất "siêu lỏng" chảy qua một
số kim loại và hợp kim mà không bị ma
sát, có ngh
ĩa là
dòng
đi
ện tạo bởi các cặp
này không b
ị cản trở, không tắt dần khi chạy qua vật liệu siêu dẫn. Ta có thể hình dung, khi
m
ột đ
i
ện tử chuyển động, tương tác của nó với mạng tinh thể làm biến dạng mạng tinh thể
và đi
ện 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 đ
ã nhận giải thưởng Nobel về vật lí năm
1972 nh
ờ công trình này. Tuy nhiên
lí thuy
ết BCS chỉ áp dụng cho các chất siêu dẫn có
nhi
ệt
độ của trạng thái siêu dẫn rất thấp (dưới 30K). Trong khi đó người ta đã chế tạo đư
ợc

v
ật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn. Vì vậy việc xây dựng được một
lí thuy
ết hoàn chỉnh
để giải thích được đầy đủ đặc tính của chất siêu dẫn là vấn đề được các nhà khoa học quan
tâm hi
ện nay
/> />Kh
ả n
ăng 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 t
ế và
đời sống xã hội. Dưới đây chỉ nêu lên một số ứng dụng của siêu dẫn.
Các đư
ờng dây cáp siêu dẫn có khả năng truyền tải điện đi xa mà không bị tổn thất
đi
ện n
ăn
g vì
đư
ờng dây không có điện trở; mặt khác dây cáp tải điện siêu dẫn không cần
làm to như dây cáp thông thư
ờng và như vậy tiết kiệm được vật liệu (mật độ dòng điện
trong dây siêu có thể đạt tới 10
5
A/cm2).
D
ựa trên tính chất từ trường không thâm
nh

ập
được
vào v
ật liệu siêu dẫn và bị
đẩy trở
l
ại, người ta đã chế tạo những đoàn tàu hoả
v
ới bánh xe có từ tính, còn đường ray có đặt
các cu
ộn siêu dẫn. Khi tàu chạy, do hiện
tư
ợng cảm ứng điện từ trong các cuộn dây có
dòng
đi
ện cảm ứng và sinh ra từ trường. Kết
quả là xuất hiện lực
đẩy khiến cho các toa tàu
b
ị nâng lên
, bánh xe không ti
ếp xúc với
đư
ờng ray
. T
ừ trường do nam châm siêu dẫn
t
ạo ra cực mạnh đủ để nâng con tầu lên 10 cm
kh
ỏi

đường ray. Đường ray c
ó m
ặt cắt h
ình
ch
ữ U, tr
ên có l
ắp 3 cuộn d
ây đi
ện
t
ừ, đượ
c
cung c
ấp điện bởi các trạm nguồn đặt dưới đất
d
ọc đường tầu. Nam châm siêu dẫn đặt trên tầu và đặt trong những b
ình ch
ứa Helium đ
ể
“ 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)
66
hóa l
ỏng, tạo ra nhiệt độ thấp là 269 độ dưới không độ, khi c
ó dòng đi
ện đi qua, sinh ra
m
ột từ tr
ường khoảng 4,23 tesla nâ

ng t
ầu bổng lên trong khung
đường ray chữ U.
Ngư
ời ta
có thể chế tạo được nam châm điện siêu dẫn tạo ra từ trường cực mạnh cần cho máy gia
t
ốc, lò phản ứng nhiệt hạch và các nghiên cứu khác.
2. Dòng
đi
ện trong chất điện phân
(Direct electric current Electrolyte)
2.1. Thuy
ết điện li
-Thí nghi
ệm:
video\Conduction in Liquids_salt_water_bulb.mpeg
/>Thuy
ết về sự phân li
(dissociation)
các phân t
ử chất hòa tan trong dung
d
ịch gọi là thuyết
điện li, có nội dung cơ
bản như sau:
- M
ọi phân tử đều chứa các
electron tích đi
ện âm và các hạt nhân

tích đi
ện d
ương.
+ N
ếu tâm của các điện tích
dương trùng v
ới tâm của các điện tích
âm thì s
ự phân bố điện tích của phân tử
đó v
ề toàn bộ là
đều và phân tử thuộc
lo
ại phân tử không cực và khi đó ta có
m
ối liên kết không cực.
+ N
ếu tâm của các
điện tích dương và tâm của các
đi
ện tích âm không trùng nhau thì t
a có phân t
ử có cực
và khi đó ta có mối liên kết có cực.
+ N
ếu tâm của các điện tích xa nhau rất rõ, phân tử
s
ẽ thuộc loại ion (
liên k
ết ion

).
Đ
ối với các hợp chất ion, quá trình tạo thành các
ion trong dung d
ịch
được giải thích như sau
Gi
ả sử có một hợp
ch
ất ion, như NaCl chẳng hạn,
hoà tan vào nư
ớc.
Các phân t
ử thuộc loại phân tử có cực,
có momen lư
ỡng cực lớn. Trong điện trường ở xung quanh mỗi phân tử H
2
O đư
ợc sắp xếp
như sau: các đ
ầu dương của chúng hướng vào cực âm
c
ủa phân tử NaCl, tức là h
ướng vào
ion Cl
-
trong
phân t
ử NaCl và hút ion ấy, đồng thời đẩy Na
+

c
ủa
phân t
ử NaCl. Còn các
đầu âm của chúng lại hướng
vào đ
ầu dương của phân tử NaCl tức là vào ion Na
+
và hút ion
ấy, đồng thời đẩy ion Cl
-
c
ủa NaCl. Như
v
ậy là các phân tử của dung môi (ở
đây là
H
2
O) bao
quanh các ion c
ủa chất hoà tan (ở đây là NaCl), tạo
thành m
ột tập hợp gọi là
“solvat”.
/>Khi ion chuy
ển
động, toàn bộ solvat cũng chuy
ển
đ
ộng. Hiện tượng đó được gọi là

solvat hoá. S
ự solvat hóa đã làm yếu mối liên kết giữa các ion Na
+
và Cl
-
trong phân t
ử
NaCl. Do chuy
ển
động nhiệt, các phân tử luôn luôn va chạm với nhau. Khi phân tử NaCl
va ch
ạm với một phân tử nào đó có dung môi (hay
v
ới một phân tử NaCl khác) đang
chuy
ển động khá nhanh, nó có thể phân li thành ion Na
+
và Cl
-
.
+ -
+ -
- +
-
+
-
+
- +
-
+

-
+
- +
- +
- +
+ -
+ -
- +
-
+
-
+
- +
-
+
-
+
- +
- +
- +
Thí nghi
ệm điện phân với dung dịch NaCl và nước
“ 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)
67
Song song v
ới quá trình phân li nói trên, còn có quá trình ngược lại đó là khi hai ion
trái d
ấu 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 h
ợp trong cùng một
đơn vị thời gian thì trong dung dịch có
s
ự cân bằng
động
c
ủa
hai quá trình phân li và tái h
ợp, khi mà số ion sinh thêm ra do
s
ự phân li trong một đơn vị
th
ời gian bằng số ion tái hợp trong cùng đơn vị thời gian đó.
Kh
ả n
ăng 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)
. N
ếu trong một
đơn vị thể tích dung dịch có
n
0
phân t
ử chất hòa tan mà trong số
đó

0
'n
phân tử bị phân li thành ion thì:
'
0
0
(0 1)
n
n
   
. Hệ số  phụ thuộc vào bản chất
c
ủa chất hoà tan của dung môi, vào
n
ồng độ dung dịch và nhiệt độ dung dịch.
Như v
ậy,
h
ằng số điện môi của dung môi càng lớn thì mối liên kết của các phân tử của chất hòa tan
càng y
ếu
đi .
Hi
ện tượng điện li xảy ra là do hai nguyên nhân:
 Chuy
ển
động nhiệt hỗn độn của các nguyên tử, phân tử
 Tương tác gi
ữa các phân tử có cực của chất hoà tan với phân tử tự phân cực
c

ủa dung môi (nước chẳng hạn).
-Mô ph
ỏng
:
/>2.2. B
ản chất của dòng điện trong chất điện phân
Khi không có đi
ện tr
ường ngoài, các ion
trong ch
ất điện
phân chuy
ển động nhiệt hỗn
lo
ạn
do đó không có d
òng điện tích chuyển dời
có hư
ớng, nghĩa là không có dòng
điện. Khi có
tác d
ụng của điện trường ngoài, c
ác ion dương
d
ịch chuyển có h
ướng theo chiều điện trường
và các ion âm d
ịch chuyển ngược chiều điện
trư
ờng, nghĩa là có dòng điện.

Như vậy, bản chất dòng điện trong chất
đi
ện phân là dòng chuyển dời có h
ướng của các
ion dương cùng chi
ều điện trường và các
ion
âm ngư
ợc chiều điện trường.
Khi các ion (+) và các ion (-) ch
ạy về các
điện cực chúng nhường và thu electron cho
các đi
ện cực còn chúng trở thành các nguyên
t
ử hay phân tử trung hoà. Các nguyên tử hay
phân t
ử trung hoà này có thể bám vào các
đi
ện cực
hay bay lên kh
ỏi dung dịch điện
phân hoặc tác dụng với các điện cực hay
dung môi, gây nên ph
ản ứng hoá học khác.
Các ph
ản ứng này gọi là
ph
ản ứng phụ
hay

là ph
ản ứng thứ cấp
.
Trư
ờng hợp đặc biệt về phản ứng phụ
đó là hi
ện tượng dương
c
ực
tan. Hi
ện
tư
ợng d
ương c
ực
tan x
ảy ra khi điện phân
m
ột dung dịch
mu
ối kim loại mà anôt làm
K
1
E

Cu
2+
SO
4
2-

SO
4
2-
Cu
2+
Dd CuSO
4
e
-
e
-
K
A
mA
+
_
Hình 22
“ 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)
68
b
ằng chính kim loại ấy
. Ví d
ụ khi điện phân dung dịch sunfat đồng (CuSO
4
) v
ới an
ode
(A) b
ằng

đồng. Các ion Cu
2+
d
ịch 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 c
ủa nguồn
điện, tạo điều kiện ion Cu
2+
trên b
ề mặt tiếp xúc với dung dịch. Khi
(SO
4
)
2-
ch
ạy về anôt, nó kéo Cu
2+
vào dung d
ịch. Đồng sẽ tan vào trong dung dịch gây ra
hi
ệ
n tư
ợng dương
c

ực
tan.
2.2. S
ự phụ thuộc của cường độ dòng điện theo hiệu điện thế trong chất điện phân
S
ự phụ thuộc của dòng
điện theo hiệu điện thế trong chất điện phân phụ thuộc được
kh
ảo sát theo biểu thức của định luật Ôm cho đoạn mạch rút ra từ thuy
ết electron:
 
EuunqI
00
0 
 
Trong đó: E là cư
ờng
độ điện trường ngoài,
u
+
0
, u
-
0
là đ
ộ linh động của ion dương và ion âm
q là đi
ện tích của mỗi ion
S
ự tạo thành ion và mật

độ của chúng trong trường hợp cực dương tan không phụ
thu
ộc vào điện trường, độ linh động của mỗi ion cũng không đổi ở nhiệt độ không đổi. Do
đó, v
ới một dung dịch điện phân cho trước thì lượng
 
00
0 
uunq
là không đ
ổi.
V
ậy,
khi
có hi
ện tượng dương cực tan
dòng
điện trong chất điện phân tuân theo định
lu
ật Ôm
,
gi
ống nh
ư đối với đoạn mạch chỉ có điện trở thuần
.
N
ếu bình điện phân chứa dung dịch muối kim loại mà
anode không làm b
ằng chính
kim lo

ại
đó th
ì bình
điện phân là máy thu điện và dòng điện chạy qua bình điện phân sẽ
tuân theo công th
ứ
c
p
pABpAB
AB
r
UU
I
 



AB
R
2.3. Các đ
ịnh luật về chất
điện phân
+Đ
ịnh luật
I Faraday (th
ứ nhất)
Kh
ối lượng của chất được giải phóng ra ở điện cực tỉ lệ với
đi
ện l

ượng 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
thu
ộc vào bản chất hoá học của chất
được giải phóng ra ở điện cực.
+Đ
ịnh luật
II Faraday (th
ứ hai)
Đương lư
ợng điện hoá của một chất tỉ lệ thuận với với đương
1,5
0,5
0
0,06
0,02
0,04
1,0
2,5
3,0
2,0
U(V)
I(A)
Hình 23 : Đ
ặc tuyến Vôn
– Ampe c
ủa bình
đi
ện phân đựng dung dịch CuSO

4
v
ới anốt bằng đồng
0,14
0,12
0,10
0,08
0,18
0,16
“ 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)
69
lư
ợng hoá học của nó:
k = cA/n (2)
H
ệ số c có cùng m
ột trị số
đ
ối với tất cả các chất. Kí hiệu 1/c = F, trong đó F cũng là
m
ột hằng số đối với mọi chất và gọi là hằng số Faraday, F = 9,65.10
7
C/kmol.
T
ừ (1) và (2) ta rút ra
công th
ức
chung bi
ểu thị cho cả hai định luật Faraday:

It
n
A
F
q
n
A
F
m
11

V
ới I là
cư
ờng
độ dòng điện không đổi chạy qua bình điện phân.
+Gi
ải 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
đ
ịnh luật Faraday
như sau:
Gi
ả sử có N ion di chuyển tới
điện cực. Nếu khối lượng
m
ỗi ion là m
0
, thì khi N ion
đó đư

ợc trung hoà ở điện cực, khối lượng của chất được giải phóng ra là: m = Nm
0
Đi
ện 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 = Nne
ne
q
N 
T
ừ đó:
m = Nm
0
0
m
ne
q

=kq
Đó chính là bi
ểu thức của
định luật
I Faraday, v
ới k = m
0
/ne.
M
ặt khác khối lượng nguyên tử của chất được giải phóng ra ở điện cực:
A = N

0
m (N
0
là s
ố Avogadro)
và đương lư
ợng hoá học của chất
đó bằng:
n
mN
n
A
0

T
ừ
đó: k =
n
A
FeNn
A
ne
m 11
0

Đó chính là nội dung của định luật II Faraday.
T
ừ đó ta tìm được số Faraday: F = N
0
e = 9,65.10

7
C/kg
Hi
ện tượng điện phân được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật nh
ư đi
ều chế hoá chất
,
luy
ện kim, mạ điện,
3. Dòng
đi
ện trong chân không
3.1. B
ản chất dòng
điện trong chân không
Chân không lí tư
ởng là một môi trường trong đó không có một phân tử khí nào. Chân
không là môi trư
ờng cách điện tốt, vì trong chân không khôn
g có h
ạt mang điện tự do và
c
ũng không có cách nào tạo ra hạt mang điện tự do từ bản thân môi trường đó.
Mu
ốn cho dòng điện chạy qua chân không thì môi trường đó phải có hạt mang điện
t
ự do được tạo ra từ một nguồn nào đó. Nguồn điện tích tự do này thường
đư
ợc tạo ra nhờ
hi

ện t
ượng electron thoát ra khỏi mặt điện cực.
Trong v
ật rắn (kim loại), các electron t
ư do chuyển động trong một giếng thế năng.
Mu
ốn thoát ra, electron phải có động năng lớn hơn công thoát A, nghĩa là:
“ 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)
70
A
mv

2
2
Khi nhi
ệt
đ
ộ t
ăng, v
ận tốc chuyển động nhiệt của electron tăng, và có một electron
nh
ận 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.
Đ
ể 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
-ampek
ế.
Điôt là m
ột bóng thuỷ tinh đã hút hết khí trong
đó có hai c
ực: catốt (K) là một vật liệu khó nóng
chảy (như vônfram chẳng hạn) trên bề mặt có phủ
m
ột lớp chất có công thoát nhỏ. Khi K ch
ưa được
đ
ốt nóng thì trong mạch không có dòng điện dù đặt
vào hai c
ực hiệu điện thế khá lớn. Khi đốt nóng K
(nh
ờ nguồn
điện phụ) thì xảy ra hiện tượng phát xạ
nhiệt electron, trong mạch có dòng điện. Dòng điện
đó ch
ỉ xuất hiện trong tr
ường hợp cực dương của
ngu
ồn nối với Anôt (A) và cực âm nối với K. Nghĩa
là dòng
điện chỉ chạy theo một chiều từ A sang K.
Như v
ậy, 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.
Cư

ờng độ dòng điện I qua điôt chân không phụ
thu
ộc hiệu
điện thế giữa A và K. Đường đặc trưng vôn
-
ampe có d
ạng.
Đ
ặc tuyến vôn
- ampe không ph
ải là
đường thẳng
nên dòng điện trong chân không không tuân theo định
lu
ậ
t Ôm.
Khi U < 0 v
ới
U
nh
ỏ thì vẫn có dòng
điện có
0I
, electron b
ứt ra từ catôt có
động năng ban đầu,
trong s
ố đó có một số electron có động năng ban đầu
l
ớn, nên chúng vẫn có thể

đi tới anôt (tuy bị lực hãm của điện trư
ờng khi
đó có hư
ớng từ
A đ
ến K).
Khi tăng đi
ện áp ở A t
ăng 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 tr
ị bão hoà. Mật
độ dòng điện bão hoà Ibh đặc
trưng cho kh
ẳ n
ăng phát xạ của K. Khả
năng phát x
ạ này lại phụ thuộc vào chất làm K và nhiệt độ.
3.2.Tia cathode
Làm thí nghi
ệm với diode chân không
vơi anode có một lỗ nhỏ. Khi đèn hoạt động thì
phía sau l
ỗ có dòng các electron do cathode
phát ra và bay trong chân không. Đó là tia
cathode. Tia cathode có tính ch
ất:
truy
ền thẳng,
b

ị lệch trong điện trường và từ trường, khi phát
ra vuông góc với mặt cathode, mang năng
lư
ợng có thể đâm xuyên và làm phát quang một
s
ố chất
.
/>M
ột ứng dụng quan trọng của tia cat
hode (dòng các electron do catôt phát ra và bay
“ 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)
71
trong chân không) là
ống phóng điện t
ử,
đó là bộ phận thiết yếu của máy thu hình, dao
đ
ộng kí
điện tử
video\VatLy_2.mpg
4. Dòng
điện trong chất khí
(Direct electric current in gases)
4.1. Đ
ặc tính dẫn
điện của chất khí
Chất khí nói chung là những chất cách điện tốt và
b
ản thân nó gồm các nguyên tử và phân tử trung hoà về

đi
ện. Nhưng bằng cách nào đó ta làm xuất hiện các điện
tích t
ự do thì chất khí trở nên dẫn
điện. Sự truyền dòng
đi
ện qua chất khí gọi là sự phóng điện trong chất khí. Sự
phóng đi
ện tron
g ch
ất khí luôn luôn kèm theo sự ion hoá
và s
ự tái hợp không ngừng các phân tử tải điện (electron
và các ion) trong kh
ối khí, trên mặt các điện cực cũng
như c
ả ở thành bình.
* S
ự ion hóa
S
ự ion hoá chất khí là
đi
ều kiện cần thiết
đ
ể chất khí trở nên dẫn đ
i
ện. Muốn ion
hoá ch
ất khí, cần truyền cho phân tử chất khí n
ăng lượng để thực hiện công chống lại lực

tương tác gi
ữa electron được bứt ra với phần còn lại của phân tử
(g
ồm hạt nhân và các
electron còn l
ại). Năng lượng này được gọi là
năng lư
ợng ion hoá.
Ch
ẳng hạn, năng lượng
ion hóa phân t
ử khí Nit
ơ bằng 14,5eV
. S
ự ion hoá có thể xảy ra do kết quả của các tác
đ
ộng bên ngoài không có liên quan đến sự có mặt của các điện trường trong chất khí
(ng
ọn
l
ửa
đèn cồn, tia Rơnghen
…). Trong trư
ờng hợp này ng
ười ta n
ói đ
ến
tính d
ẫn
điện không

t
ự lực
c
ủa chất khí.
Ngoài s
ự ion hóa do tác dụng của tác nhân ion hóa, trong chất khí còn có sự ion hóa
do va ch
ạm của electron (thu được năng lượng lớn từ điện trường) với phân tử khí. Sự va
ch
ạm này là va chạm
không đàn h
ồi
, khi đó electron truy
ền hầu hết n
ăng lượng của nó cho
phân t
ử, làm cho phân tử hoặc là chuyển động sang trạng thái kích thích hoặc là bị ion hóa,
ngh
ĩa là làm cho electron bứt hẳn ra khỏi phân tử. Điều kiện để ion hóa phân tử là: động
năng mà electron thu đư
ợc trên quãng
đường tự do trung bình phải lớn hơn (hay ít nhất là
b
ằng) năng lượng ion hóa.
* S
ự tái hợp ion
Đ
ồng thời với sự ion hóa chất khí còn có quá trình tái hợp các hạt mang
điện trái
d

ấu để thành phân tử trung hòa. Sau khi tác nhân ion hóa ngừng
tác d
ụng thì các ion được
t
ạo ra chỉ tồn tại được một thời gian nào đó rồi biến mất hoàn toàn. Có thể giải thích sự
bi
ến mất của các ion nh
ư sau: Do chuyển động nhiệt hỗn loạn, ion dương va chạm với
electron và k
ết hợp với nó thành phân tử (hay nguyên tử)
trung hòa. Các ion d
ương và ion
âm c
ũng có thể va chạm với nhau, khi
đó ion âm trả lại electron dư cho ion dương và cả
hai đ
ều trở thành phân tử trung hòa. Quá trình trung hòa các ion như thế được gọi là sự tái
h
ợp ion. Nếu như khi bứt electron ra khỏi ph
ân t
ử (hay nguyên tử) cần phải cung cấp năng
lư
ợng cho nó (n
ăng lượng ion hóa) thì ngược lại khi tái hợp ion dương với electron, năng
lư
ợng dư này sẽ được giải phóng, nói chung là dưới dạng ánh sáng.
4.2. S
ự phóng điện không tự lực của chất khí
Đ
ể khảo sát

s
ự phóng
điện trong chất khí người ta có thể tiến hành thí nghiệm theo
sơ đ
ồ ở hình bên.
“ 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)
72
Khi đ
ốt nóng chất khí, hoặc dùng các loại bức xạ tác động
vào môi trư
ờng khí, thì một số nguyên tử hoặc phân tử khí mất
bớt electron và trở thành ion dương. Trong số các electron mới
t
ạo thành, một số chuyển
động tự do, một số khác kết hợp với
nguyên t
ử hay
phân t
ử trung hoà tạo thành ion âm. Trong khi
chuy
ển động nhiệt hỗn loạn, một số electron có thể kết hợp lại
v
ới ion d
ương khi va chạm để trở thành phân tử trung h
oà. Quá
trình này gọi là sự tái hợp.
Khi chưa có đi
ện trường ngoài các điện tích này chuyển
đ

ộng hỗn loạn như phân tử khí. Khi có điện trường chúng
chuy
ển
động chúng chuyển động theo một hướng và tạo thành dòng điện. Như vậy, dòng
đi
ện trong chất khí là dò
ng chuy
ển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường
và các ion âm, electron ngược chiều điện trường.
S
ự phụ thuộc của c
ường độ dòng điện trong chất khí vào hiệu điện thế
Dòng
điện trong chất khí
không tuân theo đ
ịnh luật Ôm
. S
ự phụ thuộc của c
ư
ờng
đ
ộ dòng điện trong chất khí vào hiệu điện thế được biểu diễn bằng đặc tuyến vôn
- ampe có
d
ạng nh
ư hình vẽ.
Đ
ặc tuyến V
- A không ph
ải là

đường thẳng. Đặc điểm này dược giải
thích như sau:
Khi tăng U, cư
ờng độ điện trường tăng làm lực điện trường tác
d
ụng lên các điện tích
tăng v
ì thế số điện tích đi đến các điện cực tăng theo, làm cho cường độ dòng điện tăng (I
t
ỷ lệ với U).
Tuy nhiên, dư
ới tác dụng của điện trường, khi phần lớn các điện tích được tạo thành
sau m
ỗi giây
đã tới được các cực thì dòng đ
i
ện không t
ăng nữa, nó đ
ạt giá tr
ị bão hoà
(đoạn ab). Sự tăng dòng điện trong đoạn bc là do các electron do tác nhân ion hoá tạo ra
đư
ợc gia tốc mạnh d
ưới 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 v
ừa mới bứt ra từ các phân tử được gia tốc trong điện trường, lại va

ch
ạm với các phân tử khác và gây ra sự ion hoá. Số l
ượng 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
t
ạo ra rất nhanh gây thành thác electron.
Do đó, khi U > U
C
thì I t
ăng nhưng v
ẫn phụ thuộc số hạt tải điện mà tác nhân ion
hoá bên ngoài sinh ra.
Quá trình d
ẫn điện của chất khí nói trên được
g
ọi là quá trình dẫn điện không tự lực.
4.3. S
ự phóng điện tự lực trong chất khí
S
ự phát sinh thác electron trong chất khí nói trên vẫn ch
ưa đủ để tạo ra được sự
phóng đi
ện tự lực. Bởi vì khi
ng
ắt tác nhân ion hoá thì dòng điện cũng tắt
. Mu
ốn sự
phóng đi
ện
tr

ở thành tự lực thì phải làm sao
để trong chất khí xảy ra những quá trình khác
“ 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)
73
liên t
ục tạo ra các electron mới thay thế cho các electron đi về anôt. Sự phát xạ nhiệt
electron th
ứ cấp từ catôt d
ưới tác dụng bắn phá của các ion dương là một trong các quá
trình quan trọng để duy trì thác electron.
Khi tăng đi
ện trường lên tới mức mà trong thời gian chuyển động tự do các electron
thu đư
ợc năng lượng đủ để bứt các electron khác ra khỏi nguyên tử khi va chạm vào
chúng. Lúc đó cư
ờng
độ dòng điện tăng vọt và kèm
theo s
ự phát sáng trong chất khí.
Như v
ậy, điều kiện để có sự dẫn điện tự lực là hiệu điện thế đủ mạnh để các electron
gây ra dòng thác
đi
ện tích và các ion gây ra sự phát xạ electron từ catôt.
4.3.Các d
ạng phóng điện tự lực thường gặp
S
ự phóng
điện tự lự

c trong khí kém
Ch
ất khí ở áp suất thấp được hiểu là khí kém.
Đ
ể 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
(kho
ảng từ 1
đến 0,01mm
Hg) và hi
ệu
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, ph
ần còn lại của ống cho
đến anôt (A) là miền s
áng,
thường được gọi là miền sáng A. Sự phóng điện này
đư
ợc gọi là sự phóng
điện thành miền.
Đ
ặc trưng cơ bản của sự phóng điện thành miền là
s
ự phân bố
đặc biệt của điện thế dọc theo chiều dài của

ống phóng
điện.
S
ự hình thành miền tối K và cột sáng A c
ó th
ể
đư
ợc giải thích như sau:
Lúc đ
ầu, do nhiều nguyên nhân khác nhau (do tác dụng của tia tử ngoại trong ánh
sáng m
ặt trời, tia vũ trụ ) không khí luôn luôn bị ion hoá và bên trong ống đã có sẵn một
s
ố ion. Nhờ có hiệu
điện thế đủ lớn giữa hai cực, các
ion và electron t
ự do có sẵn trong
chất khí được tăng tốc trên quãng đường tự do trung bình khá dài của nó, và nhận được
năng lư
ợng
đủ lớn để làm ion hoá chất khí khi va chạm, tạo ra những ion mới; do đó bắt
đ
ầu có dòng điện truyền qua ống.
Mi
ền tối K
đượ
c hình thành là do các electron t
ừ K
đi ra không phải là đã va chạm
ngay l

ập 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
ư
ờng này tăng khi áp suất chất khí giảm.
Mi
ền sáng A là miền trong
đó xảy ra những va chạm mạnh nhất của electron với
phân t
ử khí. Năng lượng mà electron truyền cho phân tử khí trong miền này khi va chạm sẽ
gây ra s
ự ion hoá hay sự kích thích phân tử khí,
ánh sáng xu
ất hiện trong miền này là kết
qu
ả của sự kích thích ấy. Sự ion hóa chất khí trong miền này tạo ra những ion dương cần
thi
ết để duy trì sự phóng điện. Vì vậy khi ta rút ngắn khoảng cách giữa A va K cho đến khi
không còn mi
ền sáng này nữa thì sự
phóng đi
ện sẽ ngừng lại.
Như v
ậy, bản chất hiện tượng phóng điện trong khí kém là sự ion hoá do va chạm và
s
ự bứt electron từ catôt ra khi cực này bị các ion d
ương đập vào.
Các d
ạng phóng điện tự lực trong chất khí ở áp suất thường

Tia l
ửa
điện
“ 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)
74
Trong s
ự
phóng đi
ện thành
mi
ền, với hiệu
điện thế không lớn,
sự phóng điện bắt đầu xảy ra khi
gi
ảm áp suất giữa hai
điện cực đến
m
ột giá trị nào đó. Nếu áp suất chất
khí b
ằng áp suất khí quyển, ta tăng
d
ần hiệu
điện thế giữa hai điện cực
đến một giá trị nào đó ta thấy xuất
hi
ện tia lửa
điện. Tia đó xuyên qua
kho
ảng không gian phóng điện rất

nhanh r
ồi tắt, song lại xuất hiện tia
l
ửa khác, hình dạng của chúng
thường có dạng dích dắc và có
nhi
ều nhánh. Tia lửa
điện thường
kèm theo ti
ếng nổ; trong không khí
có mùi khét.
Tia l
ửa điện là quá trình phóng
đi
ện tự lực xảy ra trong chất khí khi
có tác d
ụng của
điện trường đủ
m
ạnh (khoảng 3.10
6
V/m) đ
ể làm ion
hoá ch
ất khí.
S
ự ion hoá do va chạm của
electron trong th
ể tích chất khí và sự
ion hoá do b

ức xạ phát ra trong tia
lửa điện là nguyên nhân hình thành
tia l
ửa điện.
Tia l
ửa điện được ứng
d
ụng phổ biến trong
đ
ộng
cơ đ
ốt
trong đ
ể
đốt hỗn hợp nhiên li
ệu. B
ộ
ph
ận tạo ra tia lửa điện
trong xe máy
là bugi (spark).
Sét (lightning) là tia l
ửa điện thường thấy trong tự nhiên, đó
là m
ột tia lửa điện khổng
l
ồ
được phát sinh do sự phóng điện giữa các đám mây tích điện hoặc giữa một đám mây
tích đi
ện và mặt đất.

Cư
ờng độ dòng điện sét rất lớn có thể tới
10000 50000 A
và hi
ệu
đi
ện thế giữa đám mây và đất trước lúc phát si
nh ra sét đ
ạt tới
8 9
10 10 V
. Sét là tia l
ửa
h
ẹp độ
20 30cm
; còn chi
ều dài có thể tới hàng chục km. Trong giải hẹp đó một áp suất
r
ất cao của chất khí
được tạo thành, gây ra sự nổ
g
ọi là tiếng sấm
.
Tia l
ửa
– sét, nói chung tương t
ự nh
ư những tia lửa điện tạo ra trong các phòng thí
nghi

ệm. Tuy nhiên nó có những đặc điểm riêng. Chẳng hạn các tia lửa điện trong các điều
ki
ện thường bắt đầu xảy ra khi cường độ điện trường E
k
≈ 3.10
6
V/m, còn c
ường độ điện
trư
ờng
để xảy ra và s
ét trong các cơn mưa giông th
ấp h
ơn nhiều và nói chung không vượt
quá
5
2 4.10 /V m
. S
ự giảm thấp cường độ điện trường như vậy cũng quan sát được trong
s
ự phóng điện hình tia thực hiện trong phòng thí nghiệm trên khoảng phóng điện dài
(kho
ảng
10m).
B
ản chất của sét đã được khảo sát trong các thí nghiệm của Franklin, Lômônôxôp và
Richman. Lômônôxôp đ
ã nhận thấy rằng ở lớp khí quyển gần mặt đất luôn luôn tồn tại một
đi
ện tr

ường 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
cư
ờng
độ điện trường vào khoảng 100V/m.
“ 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)
75
Sét có th
ể gây ra những thiệt hại cho nhà cửa, công trình kiến trúc và có khi nguy hại
đ
ến tính mạng con ng
ười. Vì vậy c
ần có thiết bị chống sét cho các công trình, các
đư
ờng
dây cao thế, các đường dây thông tin liên lạc… Một trong các thiết bị chống sét là cột
ch
ống sét (cột thu lôi).
Đó là cột kim loại nhọn, nối cẩn thận với đất và được gắn chặt bên
ch
ỗ cao nhất của các c
ông trình c
ần được bảo vệ. Cột chống sét có thể bảo vệ cho một diện
tích r
ộng xung quanh cột và theo phép tính, cột chống sét có thể bảo vệ cho một khoảng có
đư
ờng 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 m
ột hiện tượng tự nhiên thường đi kèm với
hi
ện tượng sấm chớp khi có mưa to. Nó tồn tại dưới dạng
m
ột vật thể bay cháy sáng trong một thời gian dài, ngược lại
v
ới hiện t
ượng hồ quang ch
ỉ tồn tại trong thời gian ngắn
gi
ữa hai điểm đi kèm theo hiện tượng sét.
Sét hòn t
ừng
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 M
ỹ
đã từng chứng kiến. Các bức ảnh về sét
hòn l
ại càng hiếm và chi tiết do các nhân chứng cung cấp có
r
ất nhiều điểm khác biệt. Nhiều quan sát lại mâu thuẫn với
nhau, và có th
ể nhiều hiện t
ượng 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 ph
ần lớn chúng xuất hiện bất thình lình trong khi thời tiết

đẹp không có bão. Sét
hòn th
ường trôi lơ lửng, bay lượn trong không trung và có dạng hình cầu. Hình dạng củ
a
nó có th
ể là hình cầu, hình trứng, hình giọt nước hoặc hình que với một kích thước lớn hơn
nhi
ều so với kích th
ước 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 nh
ận sớm nhất và có tính hủy diệt kinh khủng nhất, xảy ra trong cơn cuồng
phong
ở Widecombe
-in-the-Moor, Devon, nư
ớc
Anh vào ngày 12 tháng 10 năm 1638. B
ốn
ngư
ời đã thiết mạng và khoảng 60 người bị thương khi xuất hiện một quả sét hòn đánh vào
m
ột nhà thờ.
Hình 5 : Sét hòn
“ 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)
76
Các nhà nghiên c
ứu của viện Max Planck và Đại học
Humboldt ở Berlin đã lợi dụng hiện tượng phóng điện dưới nước

đ
ể tạo ra những đám mây plasma sáng chói tương tự như sét hòn,
t
ồn tại gần nửa giây và có đường kính tới 20 centimét.
H
ọ hy vọng những thực thể nhân tạo này sẽ giúp hiểu biết về hiện
tư
ợng kỳ lạ trên và có lẽ c
òn m
ở ra ánh sáng mới về việc sử dụng
các plasma nóng cho những nhà máy điện nhiệt hạch.
H
ồ quang điện
(Electric arc)
H
ồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường
ho
ặc áp suất thấp giữa hai
điện cực có hiệu điện thế k
hông l
ớn.
N
ếu như, sau khi có sự phóng điện hình tia, ta giảm dần điện trở của mạch thì cường
đ
ộ dòng
điện tăng lên. Khi điện trở này có trị số nhỏ đến một mức nào đó, thì sự phóng
đi
ện sẽ chuyển từ không liên tục sang liên tục. Khi đó sự phóng điện trong
ch
ất khí đó gọi

là h
ồ quang
điện. Có thể tạo hồ quang điện với hiệu điện thế thấp mà không cần qua giai
đo
ạn phóng điện hình tia. Muốn vậy, ta cho hai điện cực tiếp xúc với nhau và khi chỗ tiếp
xúc đ
ã nóng lên (do hiệu ứng J
oule), ta tách hai đi
ện cực ra x
a nhau m
ột khoảng nhỏ, khi
đó ta s
ẽ
được hồ quang. Năm 1802, bằng cách này với hai thanh than và một bộ pin mạnh,
Pê - tr
ốp lần đầu tiên đã phát hiện ra hồ quang điện. Giữa hai thanh than có một cột khí
sáng chói, các đ
ầu than nóng
đỏ và phát ra ánh sáng c
hói loà. Dòng
đi
ện chạy qua chất khí
gi
ữa hai cực chủ yếu là dòng electron (và cả ion âm) đi từ K đến A, nhưng cũng có một
ph
ần là ion dương đi từ A đến K. Các ion dương và electron đến đập vào A, làm nó nóng
lên, nhi
ệt độ có thể lên tới 3500
0
C. Do đó, A phát sáng m

ạnh, tại đó hầu hết vật liệu bị
nóng ch
ảy hoặc bay hơi, nên A bị lõm vào. Còn các ion dương khi đập vào K thì cũng làm
cho K duy trì tr
ạng thái nóng
đỏ và phát xạ nhiệt electron. Chất khí giữa hai cực ở nhiệt độ
cao nên b
ị ion hoá và dẫn điện tốt
.
H
ồ quang
điện xuất hiện trong mọi trường hợp khi sự phát xạ nhiệt electron trở thành
nguyên nhân chính của sự ion hoá chất khí. chẳng hạn trong sự phóng điện thành miền, các
ion dương b
ắn phá K không phải chỉ sinh ra sự phát xạ electron thứ cấp mà còn
đố
t nóng
K. Vì v
ậy, nếu tăng cường độ dòng điện trong sự phóng điện thành miền thì nhiệt độ tăng
lên và khi nhi
ệt độ ấy đat đến một giá trị nào đó khiến cho bắt đầu có sự phát xạ nhiệt
electron đáng k
ể thì sự phóng
điện thành miền biến thành hồ quang. Khi đo
, đ
ộ giảm thế K
bị biến mất. Nếu K trong ống phóng điện thành miền là một dây xoắn được đốt nóng bằng
m
ột nguồn
điện phụ, thì sự phóng điện thành miền cũng biến thành sự phóng điện hồ

quang.Như v
ậy, hồ quang điện cũng có thể xảy ra ở áp suất thấp.
H
ồ quang
đi
ện có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật nh
ư: hàn điện, làm đèn chiếu sáng,
luy
ện kim,
/>4.4.
Ứng
d
ụng
Đèn hu
ỳnh quang (
đ
èn
ống
, đèn túp):T
ừ khi
được kỹ sư người Mỹ Peter Cooper Hewitt
sáng ch
ế vào năm 1902 và được phổ biến từ 1939 đến nay, đèn huỳnh quang được cải tiến
để sử dụng rộng rãi trong đời sống với vô số kiểu dáng, màu sắc, kích thước và công suất.
Hình 6 : B
ức tranh thế kỷ 19
miêu t
ả một
hi
ện t

ượng sét
hòn
Hình 7 : Sét hòn đu
ổi
Hình 8 : Đám mây plassma
“ 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)
77
Sơ đồ mắc đèn ống
Hi
ện có nhiều lo
ại bóng đèn
ống
hu
ỳnh quang, chẳng hạn như bóng T10, T8, T5, T3. T10
là bóng đèn
ống
hu
ỳnh quang thế hệ cũ,
đường kính 40mm, tiêu tốn điện năng 40W, chưa
kể chấn lưu sắt từ tiêu thụ khoảng 12W và tuổi thọ chỉ có 6.000 giờ. Trong khi bóng T8
đư
ờng kính 26mm
, tiêu th
ụ
điện 36W, hiệu suất phát quang tăng 20% và tuổi thọ
c
ủa
T8 là
16.000 gi

ờ. Bóng huỳnh quang compact là bóng
đèn
ống
hu
ỳnh quang T3 cuộn loại thành
hình ch
ữ U nối tiếp.
Đèn hu
ỳnh quang compact có nguyên lý hoạt động tương tự đèn ống,
ch
ỉ có
điều n
h
ỏ gọn h
ơn. Đèn phát sáng là nhờ sự phóng điện trong hơi thủy ngân tạo ra tia
cực tím, các tia này kích thích bột huỳnh quang ở bên trong vỏ đèn phát sáng. Đèn compact
khác đèn tu
ýp
ở chỗ chất lượng bột huỳnh quang cao, hiệu suất phát sáng lớn hơn
.
Nguyên t
ắc hoạt động
bóng đèn
ống
hu
ỳnh quang
là phóng đi
ện trong khí kém và
hu
ỳnh quang thứ cấp. Khi dây tóc bị đốt nóng, các điện tử bật ra ngoài, chuyển động về

c
ực
đối diện cũng là dây tóc nóng sáng được phủ bột điện tử. Nửa chu kỳ sau, chúng
chuyển động the o chiều ngược lại. Nếu trong ống có hơi (khí) thuỷ ngân hoặc khí
krypton thì
đi
ện t
ử va ph
ải phân tử khí làm thuỷ ngân hoặc crypton phát sáng, bức xạ
phát ra lúc đó là t
ử ngoại
ho
ặc cực tím có năng
lư
ợng lớn. Hiện t
ượng này
gọi là điện huỳnh quang.
B
ức xạ
c
ực tím và tử ngoại
tác d
ụng lên bột huỳnh
quang
ở thành
phía trong
ống, b
ức xạ
ra ánh sáng
có màu phụ thuộc vào

thành ph
ần
c
ủa
b
ột
. Hi
ện
tư
ợng này gọi là quang
hu
ỳnh quang
. Các nhà s
ản
xu
ất có thể thay
đổi màu sắc của ánh sáng bằng cách sử dụng các hợp c
h
ất huỳnh quang
khác nhau.
Đ
ể có
được sự phóng điện trong ống đòi hỏi phải có một hiệu điện thế hay điện áp ban
đ
ầu đủ lớn giữa hai điện cực để tạo ra hồ quang điện kích thích sự phát sáng. Do vậy,
bóng đèn c
ần phải mồi phóng điện nhờ hai bộ phận là chấn l
ưu (tăng phô) và t
ắcte
(starter).

- Chấn lưu: Chấn lưu được mắc nối tiếp với hai đầu điện cực, có tác dụng điều chỉnh và
ổn
đ
ịnh tần số của dòng điện. Nó là một cuộn dây cảm kháng có tác dụng duy trì độ tự
c
ảm tức là điện áp rơi trên nó để điện áp trên bón
g luôn kho
ảng từ 80
-140V.
-T
ắc te:
T
ắc te được mắc song song với hai đầu điện cực. Bản chất của nó là một tụ điện
dùng rơle nhi
ệt l
ưỡng kim, bên trong chứa khí neon. Khi có dòng điện đi qua, hai cực
của nó tích điện đến một mức nào đó thì phóng điện. Nó c ó tác dụng khởi động đèn ban
đ
ầu. Khi bật công
t
ắc
, lúc này đi
ện áp giữa hai
đầu cực là 220V chưa đủ lớn để phóng
đi
ện. Khi đó,
t
ắc
te m
ắc song song với bóng đèn nên nó cũng có điện áp là 220V và đóng

vai trò nh
ư con mồi sẽ phóng điện khiến hai mạch của nó
nóng lên ch
ạm vào nhau khép
kín m
ạch
đi
ện.
Tuy nhiên, sau m
ột lúc nó sẽ bị nguội
đi và co lại gây hở mạch đột ngột.
Khi đó cuộn chấn lưu sẽ bị mất điện áp và sẽ sinh ra một suất điện động chống lại sự
bi
ến
đổi
c
ủa dòng
điện. Lúc này trên hai điện cực của
đèn có đi
ện áp bằng tổng
điện áp
trên ch
ấn lưu cộng với điện áp đầu vào là 220V gây ra một tổng điện áp khoảng 350V
đ
ến 400V giữa hai điện cực bóng đèn (tùy vào đèn bị lão hóa, đen đầu nhiều hay ít). Khi
đó, nó s
ẽ tạo thành một nguồn
điện cao nung nóng dây
tóc bóng đèn, hi
ện t

ượng hồ
quang điện như đã giải thích ở trên sẽ xảy ra và đèn phát sáng. Nếu đèn chưa cháy thì tắc
“ 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)
78
te s
ẽ phải khởi động vài lần gây nên hiện tượng “chớp tắt” mà chúng ta thường thấy.
Đ
ồng thời, khi
đèn đ
ã sáng lên, ch
ấn lưu lại có nhiệm
v
ụ giảm
điện áp lên bóng, duy trì ở
mức 80 - 140V tùy theo từng loại. Tắc te lúc này không còn tác dụng vì điện áp đặt lên
hai đ
ầu
t
ắc
te nh
ỏ h
ơn điện áp
ho
ạt
động.
S
ử dụng chấn l
ưu điện từ có ưu điểm là rẻ tiền,
d

ễ lắp ráp sửa chữa, tuy nhiên nó cũng có
như
ợc điểm là khởi động chậm, hay khó khởi
đ
ộng khi
lư
ới điện
gi
ảm áp.
Do v
ậy, người ta có thể thay thế bằng loại chấn lưu điện tử
không c
ần
t
ắc
te có th
ể khởi
động ngay lập tức do đó tiết kiệm hơn nhưng cũng đắt hơn.
5. Dòng
đi
ện trong chất bán dẫn
(Electric current in semiconductors)
5.1. L
ịch sử phát
minh ra ch
ất
bán d
ẫn
Năm 1833, Pha-ra-đây nh
ận thấy bạc sunfua có tính chất

điệ
n không giống c
ả kim
lo
ại lẫn điện môi. Nó có hệ số nhiệt điện trở âm
Năm 1873, Smit quan sát đư
ợc hiện t
ượng giảm
đi
ện trở của sêlen khi chiếu ánh sáng
bằng ánh sáng mặt trời.
Năm 1874, Brao nh
ận thấy
Galen (chì sunfua) và pirit (s
ắt sunfua) có tính chỉnh
lưu.
Ch
ẳng bao lâu sau ng
ười ta phát hiện cả một họ các chất có tính chất như vậy và gọi
chúng là ch
ất bán dẫn. Người ta cũng nhận thấy rằng tính chất của bán dẫn rất nhạy cảm
v
ới tạp chất. Cùng một chất hệ số nhiệt điện trở âm
v
ới nhiều mẫu đo này có th
ể lớn h
ơn, mẫu đo khác
l
ại nhỏ. Người ta gọi mẫu bán dẫn có hệ số nhiệt
đi

ện trở âm lớn là bán dẫn riêng.
5.2. Thuy
ết vùng năng lượng
Theo lý thuy
ết hiện
đại về chất rắn thì điện
môi và bán dẫn có có cấu trúc các giải năng lượng
gi
ống nhau. Ở nhiệt
độ rất
th
ấp 0K, vùng n
ăng
lư
ợng cao nhất bị chiếm bởi electron là một dải
đ
ầy, gọi là vùng hóa trị. Vùng năng lượng cao hơn
là m
ột dải trống, không có electron, gọi là vùng
dẫn. Giữa vùng hóa trị và vùng dẫn là vùng cấm,
trong đó không th
ể có electron. Ở nhiệt
độ
cao hơn
0K, m
ột số electron thu được năng lượng cần thiết,
s
ẽ vượt qua vùng cấm và nhảy lên chiếm phần đáy của vùng dẫn. Những electron này có
th
ể nhận các giá trị n

ăng lượng khác nhau bên trong vùng dẫn khi có điện trường ngoài đặt
3 m
ẫu transistor
thu
ộc thế kỷ 20
- M
ẫu transistor đầu tiên
: Ảnh Bell Labs
“ 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)
79
vào bán d
ẫn, chúng là
nh
ững electron dẫn. Các trạng thái ở đỉnh vùng hóa trị bị thiếu
êlectron là các l
ỗ trống. Các lỗ trống có thể thay
đổi năng lượng của mình trong vùng hóa
trị và vì thế cũng tham giavào dẫn điện. Nhiệt độ càng cao thì số cặp electron -lỗ trống
càng l
ớn và
đ
i
ện trở suất của bán dẫn càng nhỏ.
5.2.1. N
ội dung của thuyết
- Khi N nguyên t
ử
k
ết hợp với nhau tạo thành tinh thể, các mức n

ăng lượng của
electron trong ch
ất rắn có giá trị nằm trong một số khoảng năng lượng nhất định gọi là
vùng năng lượng. Mỗi vùng năng lượng có N mức năng lượng nằm rất gần nhau, N là số
nguyên t
ử trong tinh thể. Mỗi mức năng lượng có khả năng chứa tối đa là hai electron có
spin đ
ối song.
M
ức năng lượng của electron hóa trị rã thành vùng hóa trị, mức kích thích
đ
ầu tiên rã thành vùng
kích thích.
-Vùng năng lư
ợng cao nhất còn chứa đầy electron khi nhiệt độ bằng 0 K gọi là vùng
hoá tr
ị. Vùng nằm ngay trên vùng hoá trị gọi là vùng kích thích. Giữa vùng kích thích và
vùng hoá tr
ị gọi là vùng cấm.
Bán d
ẫn là vật liệu mà vùng hoá trị đã ch
ứa
đầy electron và
khe năng lư
ợng không quá rộng
để một số electron ở vùng hoá trị có thể nhờ năng lượng
c
ủa chuyển động nhiệt mà nhảy lên được vùng kích thích (vùng dẫn).
- Giữa hai vùng năng lượng kề nhau có một khoảng năng lượng
E

hoặc Eg có mức
năng lư
ợng, gọi là khe n
ăng lượng hoặc vùng cấm. Eg có thể có các giá trị khác nhau tùy
theo lo
ại vật liệu, thậm chí
có c
ả giá trị âm (khi ấy ta bảo là hai vùng đè lên nhau).
- Electron trong tinh th
ể xếp vào các mức n
ăng lượng trong c
ác vùng t
ừ thấp
đến cao,
vì th
ế vùng kích thích thường là rỗng. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, electron chỉ có
thể nhận năng lượng của điện trường để nhảy lên mức năng lượng cao hơn trong vùng nếu
trong vùng còn có m
ức trống.
Đ
ộ rộng năng lượng của v
ùng năng lư
ợng ở miền năng
lư
ợng thấp thì nhỏ, và tăng đáng kể ở miền năng lượng cao.
5.2.2. Đi
ện trở suất
Theo lý thuy
ết vùng năng lượng ta thấy
r

ằng
đ
ộ rộng vùng năng lượng cấm
mà ngư
ời ta
phân bi
ệt được kim loại, bán dẫn, điện môi. Ta
bi
ết rằng ki
m lo
ại thì dẫn
điện tốt hơn nhiều so
v
ới bán dẫn, còn đối với điện môi thì lại không
d
ẫn điện. Xét ở nhiệt độ phòng đối với kim loại
thì
đi
ện trở suất vào cỡ từ
 
8
10 m


đ
ến
 
6
1 0 m



. Đối với bán dẫn thì điện trở suất
vào c
ỡ từ
 
4
10 m


đ
ến
 
9
10 m
. Ví d
ụ đối
v
ới một số chất bán dẫn nh
ư Ge có điện trở suất
vào c
ỡ
 
6
5 .1 0 m


đ
ến
 
0, 017 m

, CdS có
đi
ện trở suất vào cỡ
 
5
5.10 m


đ
ến
. Đ
ối với
đi
ện môi thì điện trở suất vào cỡ
 
10
10 m 
.
Ví d
ụ
đối với một số chất điện môi như
mica có
đi
ện trở suất vào cỡ từ
 
11
10 m
đ
ến
 

14
10 m
. Thu
ỷ tinh có
điện trở suất vào cỡ
 
11
10 m
đ
ến
 
13
10 m
.
Đi
ện trở suất của bán dẫn có giá trị trung
gian gi
ữa kim loại và điện môi.
Các ch
ất bán
d
ẫn rất phổ biến trong tự nhiên. Trong số các
Hình 3. Bán d
ẫn thuần Si
“ 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)
80
nguyên t
ố bán dẫn ta hay gặp Si, Ge, As, Rất nhiều hợp ch
ất có tính bán d

ẫn:
t
ất cả các
Ôxit kim lo
ại, các sêlennua, sunfua và telurua của nhiều kim loại.
Trong ch
ất bán dẫn có
hai loại đó là bán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp. Đối với bán dẫn pha tạp, mặc dù pha tạp
v
ới nồng
độ rất bé nhưng tính dẫn điện của bán dẫn có thể tăng lên
hàng v
ạn lần. Ta biết
r
ằng đối với kim loại khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất cũng tăng theo, nghĩa là độ dẫn
đi
ện sẽ giảm xuống nhưng đối với bán dẫn thì hoàn toàn ngược lại.
Tính ch
ất
điện của bán dẫn phụ thuộc rất mạnh vào các tạp chất có mặt trong t
inh
thể. Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung bình giữa kim loại và điện môi, còn điện trở
su
ất của bán dẫn
tinh khi
ết giảm mạnh khi nhiệt
độ tăng
. Do đó
ở nhiệt
độ thấp, bán dẫn

d
ẫn điện rất kém ( giống như điện môi), còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn
đi
ện khá tốt
(gi
ống như kim loại).
5.2.3. L
ỗ trống
Xét một chất bán dẫn ở trạng thái cơ bản, nghĩa là vùng dẫn trống hoàn toàn và vùng
hoá tr
ị đầy hoàn toàn. Khi một electron ở vùng hoá trị hấp thụ một photon có năng lượng
g
E E
thì nó sẽ chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn tạo thành electron dẫn. Lúc này ở
vùng hoá tr
ị được làm đầy hoàn
toàn b
ị khuyết mất một electron nên tương đương với việc
xu
ất hiện một lỗ trống (hole). Tính chất của lỗ trống như một hạt mang điện chuyển động
v
ới
đi
ện tích d
ương e
. Nguyên nhân là khi m
ột lỗ trống
được tạo thành thì một electron ở
trong m
ột liên kết trong mạng tinh thể có thể chuyển tới tái hợp với lỗ trống đó. Lúc này lỗ

tr
ống cũ biến mất và lỗ trống mới
được tạo thành. Quá trình này diễn ra trong
th
ời gian
ng
ắn khoảng
10
-8s
và di
ễn ra liên tục giống như
môt h
ạt mang điện tích dương e chuyển động.
5.2.4. S
ự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
Đ
ể hiểu được bản chất sự dẫn điện của bán dẫn, ta xét cấu trúc bên trong của nó.
Xét tinh th
ể
Silic (hay Ge) là tinh th
ể nguyên tố có hoá trị
4, t
ức là nó có bốn electron
hoá tr
ị. Khi hợp thành mạng tinh thể, mỗi nguyên tử Si
(Ge) liên k
ết với bốn nguyên tử gần
nó nh
ất bằng liên kết cộng hoá trị.
T

ừ nguyên lý loại trừ Pauli, ta tính
được số điện tử tối
đa trong mỗi tầng là 2n
2
, t
ừ đó ta tính được:
Silic:
2 2 6 2 2
1 2 2 3 3s s p s p
; Ge:
2 2 6 2 6 10 2 2
1 2 2 3 3 3 4 4s s p s p d s p
. Các m
ức năng lượng bên trong của nguyên tử Ge và
Si đ
ều được làm đầy còn mức ngoài cùng thiếu 4 electron mới được làm đầy nên Ge
(Si có
hoá tr
ị 4
). Theo quan đi
ểm của lý
thuy
ết miền năng lượng của chất rắn
g
ồm 3 miền
-Miền hóa trị: Còn g
ọi là miền
đ
ầy, miền chứa đầy các electron.
-Miền cấm: Mi

ền n
ăng lượng
không th
ể có electron chiếm chổ.
Mi
ền cấm ng
ăn cách giữa hai miền
hóa tr
ị và miền dẫn.
-Miền dẫn: Mi
ền chưa có các
electron chi
ếm chổ.
T
ừ đó ta có:
* Ch
ất dẫn
điện
: Không có
vùng c
ấm ngăn cách giữa hai miền
hóa tr
ị và miền đầy. Do đó điện tử ở
mi
ền hóa trị sẵn sàng di chuyển d
ưới tác dụng của điện trường ngoài, ngay khi cả điện
trư
ờng ngoài yếu, để
tham gia vào vi
ệc dẫn điện.

Hình 2. S
ự tạo thành lỗ trống