dòng điện trong các môi trường

- 0 -
TRNG I HC S PHM THÀNH PH H CHÍ MINH
KHOA VT LÍ





TIU LUN
MÔN: PHNG PHÁP NGHIÊN CU KHOA HC


TÊN  TÀI:
DÒNG IN
TRONG CÁC MÔI
TRNG




GIÁO VIÊN HNG DN: Thy LÊ VN HOÀNG

SINH VIÊN THC HIN : NGUYN TH YN NHI
NGUYN TH SANG
NGUYN TH KIU THU
NGUYN THANH NGC THY
NG NGC THANH VÂN
NGUYN TH YN

- 1 -
MUC LUC
MUC LUC 1 -
LI M U 4 -
1. Chng 1:Dòng in Trong Kim Loi 5 -
1.1 Cu trúc ca kim loi 5 -
1.2 Ni dung thuyt electron v kim loi 6 -
1.3 Gii thích tính cht đin ca kim loi 8 -
1.3.1 Gii thích tính dn đin tt ca kim loi 8 -
1.3.2 Gii thích nguyên nhân gây ra đin tr 10 -
1.3.3 Gii thích tính ph thuc nhit đ ca đin tr 10 -
1.4 Các hin tng nhit đin 10 -
1.4.1 Hin tng Seebeck 11 -
1.4.2 Hin tng Peltier 13 -
1.4.3 Hin tng Thomson 15 -
1.5 Siêu dn 17 -
2. Chng 2:DÒNG IN TRONG CHT BÁN DN 21 -
2.1 TÍNH CHT IN CA BÁN DN 21 -
2.2 TÍNH DN IN CA BÁN DN 22 -
2.2.1 LÍ THUYT LNG T 22 -
2.2.2 LIÊN KT CNG HÓA TR, CU TO VÀ TÍNH DN IN CA CHT
BÁN DN 23 -
2.3 BÁN DN PHA TP CHT 25 -
2.3.1 Bán dn loi n 25 -
2.3.2 Bán dn loi p 26 -
2.4 BÁN DN SUY BIN 27 -
2.5 CÁC HIN TNG  LP CHUYN TIP p-n 27 -
2.6 Các ng dng ca cht bán dn: 31 -
2.6.1 Nhit đin tr: 31 -
2.6.2 Quang đin tr 32 -

2.6.3 Pin nhit đin bán dn 32 -
2.6.4 Diod chnh lu (thông dng nht) 33 -
2.6.5 Diod tách sóng 34 -
2.6.6 Diod phát quang (Led) 34 -
2.6.7 Diod bin dung 35 -
2.6.8 Diod n đnh (diod Zener) 36 -
2.6.9 Diod tunnel ( diod đung ngm) 38 -
2.7 Transitor có lp chuyn tip, transitor trng 40 -
2.7.1 Transitor có lp chuyn tip 40 -
2.7.2 Transitor hiu ng trng(FET) 43 -
2.7.3 Transitor hiu ng trng có lp chuyn tip 44 -
2.7.4 Transitor hiu ng trng ca cách li 45 -
3. Chng 3: DÒNG IN TRONG CHT KHÍ 47 -
- 2 -
3.1 BN CHT DÒNG IN TRONG CHT KHÍ 47 -
3.1.1 Thí nghim 47 -
3.1.2 Quãng đng t do trung bình ca electron trong cht khí 49 -
3.1.3 S ion hóa cht khí, nng lng ion hóa và đin th ion hóa 49 -
3.2 S PHÓNG IN TRONG CHT KHÍ  ÁP SUT BÌNH THNG 50 -
3.2.1 S phóng đin không t lc ca cht khí. 50 -
3.3 CÁC DNG PHÓNG IN  ÁP SUT THNG 53 -
3.3.1 S phóng đin hình tia : 53 -
3.3.2 Sét 54 -
3.3.3 H quang đin 54 -
3.3.4 NG DNG 55 -
3.4 S PHÓNG IN  ÁP SUT THP 57 -
3.4.1 S phóng đin thành min 57 -
3.4.2 Tia catod và tia Rontgen, tia dng 57 -
4. Chng 4 : Dòng đin trong chân không 61 -
4.1 Các loi phát x electron 61 -

4.1.1 Phát x nhit electron 61 -
4.1.2 Phát x quang electron 61 -
4.1.3 Phát x electron th cp 62 -
4.1.4 T phát x electron 63 -
4.2 Dòng đin trong chân không 65 -
4.2.1 Thí nghim dòng đin trong chân không 65 -
4.2.2 Bn cht dòng đin trong chân không 66 -
4.2.3 S ph thuc ca cng đ dòng đin trong chân không vào hiu đin th - 66 -
4.3 ng dng ca dòng đin trong chân không 67 -
4.3.1 Các tính cht ca tia catod 67 -
4.3.2 Các ng dng ca dòng đin trong chân không 68 -
5. Chng 5: Dòng đin trong cht đin phân 74 -
5.1 S to thành các ion trong dung dch lng v n 74 -
5.1.1 Hin tng đin phân 74 -
5.1.2 S to thành các ion trong dung dch 75 -
5.2 Dòng đin trong cht đin phân –nh lut Faraday 76 -
5.2.1 Phn ng ph trong hin tng đin phân 77 -
5.2.2 Dng cc tan 78 -
5.2.3 nh lut Farađây 79 -
5.3 Các ng dng ca hin tng đin phân: 82 -
5.3.1 Công ngh đin phân điu ch xút- clo- hiđro 82 -
5.3.2 Luyn kim 82 -
5.3.3 M đin 83 -
5.3.4 úc đin 83 -
5.4 HIN TNG IN HÓA – CÁC NGUN PIN 84 -
5.4.1 Hin tng đin hóa 84 -
5.4.2 Các ngun pin 84 -
5.5 Hin tng phân cc trong đin phân 89 -
- 3 -
5.5.1 S phân cc khi đin phân 89 -

5.5.2 Acquy 90 -
KT LUN 96 -
TÀI LIU THAM KHO 98 -
- 4 -

LI M U

a s các ng dng ca đin liên quan đn dòng đin, ngha là liên quan
đn dòng chuyn di ca các đin tích, chúng ta có th quan sát dòng đin  mi môi
trng nh dòng đin rt ln phóng qua môi trng khí to nên sét, dòng đin chy
trong dây dn kim loi trong gia đình cung cp nng lng đin cho các công c đin
nh đèn chiu sáng, bàn là, t lnh… Chúng ta có th quan sát hình nh trên màn hình
ti vi nh có chùm êlectron chuyn đng trong vùng chân không bên trong ng hình tác
dng lên màn hunh quang. Các linh kin bán dn đã có mt trong các đ đin quen
thuc ca các gia đình nh máy tính, đin thoi di đng, b điu khin t xa…
Các ng dng da trên c s lý thuyt dòng đin trong các môi trng đã
và đang ngày càng phát trin cao.  tìm hiu sâu hn v vn đ nhóm chúng tôi đã n
lc thc hin bài tiu lun: “Dòng đin trong các môi trng và ng dng”. Trong bài
này nhóm chúng tôi trình bày nhng c s lý thuyt và ng dng ca dòng đin trong
các môi trng t truc đn nay. Do kin thc còn hn ch nên còn nhiu sai sót, vì
vy nhóm chúng tôi rt mong s thông cm và góp ý t phía bn đc.
Chân thành cm n.
Nhóm thc hin.
- 5 -

1. Chng 1:Dòng in Trong Kim Loi

1.1 Cu trúc ca kim loi
Mt nguyên t riêng l bao gm ht nhân mang đin tích dng  trung tâm và
các electron chuyn đng xung quanh. Gia chúng có lc tng tác tnh đin đ liên

kt ht nhân vi các electron to thành nguyên t bn vng. S liên kt này đc hình
dung nh hàng rào th nng giam gi các electron trong nguyên t. Khi các nguyên t
đn l tin li gn nhau liên kt thành mng
tinh th, khong cách gia các nguyên t co
ngn li làm hàng rào th h xung, lc
tng tác ca electron hoá tr lp ngoài
cùng vi ht nhân là rt yu và các electron
này đc xem là electron t do. Nh vy,
tinh th kim loi bao gm các ion dng
sp xp trt t tun hoàn, chim v trí các
nút mng tinh th. Các electron hóa tr tách
Hình 1.1: th nng tng tác gia
các nguyên t trong kim loi
khi nguyên t, di chuyn t do trong toàn b mng tinh th tr thành electron
t do. Các electron này liên kt không ch vi mt ion dng mà nó liên kt vi tt c
các ion dng khác trong mng tinh th. Các electron hoá tr đã tr thành các electron
t do và đc dùng chung cho c mng tinh th
S nguyên t trong tinh th rt ln, mi nguyên t có th đóng góp mt vài
electron hoá tr, các electron này có mt đ rt ln nên bao ph toàn b th tích ca
tinh th kim loi( mt đ electron t do tng ng vi mt đ nguyên t, vào khong
10
28
electron/m
3
). Tng tác gia đám mây electron t do mang đin tích âm và các ion
- 6 -
 nút mng mang đin tích dng chính là lc liên kt to nên tinh th kim loi bn
vng.

Hình 1.2: s tp th hóa các electron t dolp 3s ca các nguyên t Natri
Tinh th kim loi có đc đim là mt đ electron t do rt ln, các electron này
rt linh đng, d dàng chuyn đng t do trong toàn b mng tinh th nên các vt dn
kim loi có các tính cht đc bit nh dn đin, dn nhit tt và có đ bn un, đ bn
kéo cao.
1.2 Ni dung thuyt electron v kim loi
Các cht đc cu to t các phân t, các phân t do các nguyên t to thành.
Mi nguyên t đu có ht nhân mang đin tích dng, tp trung hu ht khi lng ca
- 7 -
nguyên t. Các electron mang đin tích âm (-e) chuyn đng xung quanh ht nhân, e là
đin tích nguyên t có giá tr e = 1,6.10
-19
C.
Ht nhân nguyên t  v trí trung tâm ca nguyên t, nó có kích thc rt nh
(đng kính khong 10
-13
m). Ht nhân bao gm proton mang đin tích +e (=1,6.10
-
19
C), khi lng m
p
= 1,673.10
-27
kg, ln gp 1836 ln khi lng ca electron m
e
=
9,1.10
-31
kg và ht ntron không mang đin có khi lng xp x khi lng ht proton.
Hình 1.3:mô hình nguyên t Natri

Na

Trong nguyên t trung hòa v đin thì s electron bng s proton. Do khi
lng ca electron rt bé so vi khi lng ca proton nên electron d di chuyn hn
proton rt nhiu. Nu vì mt nguyên nhân nào đó, nguyên t mt đi mt s electron thì
tng đi s các đin tích trong nguyên t là mt s dng. Ngc li nguyên t nhn
thêm mt s electron, s electron trong nguyên t ln hn s proton. Nguyên t tr
thành ion âm.
Trong kim loi có các electron t do. Mt đ electron t do xp x bng mt đ
ca nguyên t trong kim loi nên rt ln. Tp hp các electron t do trong kim loi
đc coi nh khí electron, có tính cht ging nh khí lý tng. Khí electron tuân theo
các đnh lut ca khí lí tng.
- 8 -
1.3 Gii thích tính cht đin ca kim loi
1.3.1 Gii thích tính dn đin tt ca kim loi
1.3.1.1 Bng thuyt electron
Kim loi dn đin tt vì mt đ electron t do trong kim loi rt ln. Tính dn
đin ca kim loi đc gii thích nh sau:
Các electron t do trong kim loi có tc đ rt ln ( c 10
5
m/s), chuyn đng
nhit hn đn tán x trên các ch mt trt t ca mng tinh th nên không có hng u
tiên. Xét s electron chuyn đng theo mt chiu nào đó, v trung bình luôn bng s
electron chuyn đng theo chiu ngc li. in lng tng cng bi các electron đi
qua mt mt bt kì theo mt chiu nào đó là bng không. Vy chuyn đng hn lon
ca các electron t do không to ra dòng đin trong vt dn kim loi.
E = 0
E
Hình 1.4: chuyn đng nhit và chuyn đng cun ca electron trong nguyên t kim
loi

Khi đt mt hiu đin th bên ngoài vào hai đu ca vt dn kim loi, do chu
tác dng ca lc đin trng, các electron t do nhn thêm mt thành phn vn tc
chuyn đng có hng ngc chiu đin trng ngoài.
Trong đó F là lc do đin trng ngoài tác dng lên mt electron.
Khi đó s electron chuyn đng ngc vi chiu đin trng ngoài s ln hn
s electron chuyn đng cùng chiu vi đin trng ngoài, ngha là xut hin chuyn
di có hng ca các ht đin tích dn đn trong kim loi có dòng đin.
Dòng đin trong kim loi là dòng dch chuyn có hng ca các electron t do
ngc chiu đin trng ngoài tác dng lên kim loi
- 9 -
1.3.1.2 Bng lí thuyt lng t
Gii thích tính dn đin ca kim loi bng lí thuyt di nng lng
Kim loi có s electron t do ln nên dn đin tt.  đ không tuyt đi, các
electron hoá tr ch chim mt phn các trng thái ca di nng lng mà nó chim
ch, trong di còn nhiu trng thái nng lng còn trng.
Theo quan đim lng t, sóng electron không va chm khi chuyn đng trong
mng tinh th lí tng hoàn toàn trt t, nên electron dn có quãng đng chuyn đng
t do rt ln. Thc t, quãng đng chuyn đng t do ca electron b hn ch do trong
tinh th thc luôn tn ti các khuyt tt do sai hng mng tinh th và tp cht.
Trong chuyn đng có hng,
các electron t do luôn tán x vi các
ch nh mt trt t ca mng tinh th
làm các electron b tn hao nng lng
chuyn đng có hng. Nguyên nhân
làm cho mng tinh th có nhng ch
mt trt t có th do chuyn đng nhit
ca các ion dng  nút mng dao đng
Hình 1.5: Cu trúc di nng lung ca
êlectron trong tinh th
quanh v trí cân bng làm tng biên đ tán x. Các nguyên t tp cht có trong

mng tinh th gây ra các khuyt tt ca mng tinh th hoc do các tác nhân c hc gây
nên các sai lch đim, sai lch đng, sai lch khi ca mng tinh th. Các nguyên
nhân đó làm cn tr dòng chuyn đng ca các electron, cn tr dòng đin trong kim
loi hay kim loi có đin tr. Các kim loi khác nhau có cu to mng tinh th khác
nhau, do đó tác dng cn tr chuyn đng ca các electron t do khác nhau. ó là
nguyên nhân gây ra đin tr sut ca các kim loi khác nhau là khác nhau. Trong các
sai hng mng nói trên, sai hng do tp cht, do c hc ít ph thuc nhit đ. Nhng
- 10 -
sai hng do dao đng ca các ion ph thuc mnh vào nhit đ. Nhit đ tng lên, dao
đng nhit ca các ion nút mng tng, dn đn s tán x ca electron tng, mà s
electron t do không đi. Vì vy đin tr sut ca kim loi tng tuyn tính theo nhit
đ.
1.3.2 Gii thích nguyên nhân gây ra đin tr
Trong chuyn đng có hng, các electron t do luôn tng tác vi các ion nm
 nút mng dao đng quanh v trí cân bng và nhng ch mt trt t ca mng tinh th.
Gia hai va chm k tip, các electron chuyn đng có gia tc di tác dng ca đin
trng ngoài và nó có mt nng lng xác đnh do đin trng cung cp. Sau va chm,
các electron b tn hao nng lng chuyn đng có hng, nói cách khác kim loi cn
tr dòng đin hay kim loi có đin tr.
Nguyên nhân gây ra đin tr là s va chm ca các electron t do vào các ion
dng ca mng tinh th.
.
1.3.3 Gii thích tính ph thuc nhit đ ca đin tr
Khi electron va chm vi nút mng, nó truyn nng lng nhn đc t đin
trng ngoài cho nút mng làm cho các nút mng dao đng mnh hn, ngha là kim
loi nhn đc nng lng di dng nhit. Vì vy, khi có dòng đin chy qua kim loi
nóng lên.
Khi ta tng nhit đ cho kim loi, các ion kim loi  nút mng dao đng mnh
hn làm tng tit din tán x, nên electron t do d va chm vi nút mng hn, dn đn
đin tr sut ca kim loi tng tuyn tính vi nhit đ ca kim loi .

1.4 Các hin tng nhit đin
S xut hin hiu đin th tip xúc ti các mi hàn dn đn mt s hin tng
sau
- 11 -
1.4.1 Hin tng Seebeck
Nm 1821, nhà vt lí Thomas Johann Seebeck (1770-1831) đã phát hin ra hin
tng nhit đin ( hin tng Seebeck)
 cùng mt nhit đ, mt mch kín gm hai kim loi khác nhau tip xúc vi
nhau, trong mch không có dòng đin. Nu nhit đ  hai mi hàn khác nhau s có
dòng đin chy trong mch.  chênh lch nhit đ gia hai mi hàn càng ln thì dòng
đin càng ln. Dòng đin này đc gi là dòng nhit đin, sut đin đng to nên dòng
nhit đin gi là sut đin đng nhit đin. Mch kín nói trên đc gi là cp nhit
đin.
T2
T1
A
B
B
V
+
-

Hình 1.6: hin tng Seebeck
Nguyên nhân ca hin tng Seebeck đc trình bày nh sau. Gi s  mch
kín gm hai kim loi khác nhau A và B, hai mi hàn có nhit đ bng nhau thì tng các
hiu đin th tip xúc trong ca hai mi hàn s bng không. Nu nhit đ mi hàn là T
1

= T và nhit đ ca mi hàn kia là T
2

= T +

T và xem mt đ electron t do n
1
, n
2
ca
hai kim loi không ph thuc nhit đ thì tng hiu đin th tip xúc  hai mi hàn s
khác không. S xut hin hiu đin th tip xúc là do s khuch tán ca electron  mi
hàn nóng ln hn  mi hàn lnh, dn đn hiu đin th tip xúc  mi hàn nóng ln
hn.
Ngoài ra còn nguyên nhân th hai là: Nng lng ca electron  đu nóng ca
thanh kim loi cao hn  đu lnh, nên vn tc chuyn đng nhit ln hn, vì th dòng
- 12 -
khuch tán đi t đu nóng đn đu lnh ln hn dòng khuch tán ngc li. Kt qu là
đu nóng tích đin dng còn đu lnh tích đin âm. Trong kim loi, các vùng đin
tích không gian xut hin to nên đin trng.

Nu hiu nhit đ  T ca hai mi hàn không quá ln, thì sut đin đng toàn
phn t l vi hiu nhit đ đó.
E =
T

(T
2
– T
1
)
H s nhit đng
T


(

V/K) ph thuc vào vt liu làm cp nhit đin.
1.4.1.1 Các ng dng

1.4.1.1.1 Nhit k nhit đin
Cp nhit đin dùng đ đo các nhit đ rt cao hoc rt thp mà các nhit k
thông thng dùng cht lng nh thu ngân, ru màu không đo đc. Cp nhit đin
gm hai vt dn khác loi vi nhau ( dây 1 và dây 2) đc hàn ni vi nhau, mt đu
hàn đc gi là đu nóng. Hai dây kim loi cùng mi hàn nóng ( T
A
) thng đc đt
trong ng s cách đin đ cách ly mi tip xúc  vùng ngoài mi hàn  cp nhit
đin phn ng nhanh vi nhit đ bên ngoài, mi hàn nóng có th đc tip xúc vi
lp v kim loi.



1.4.1.1.2 Pin nhit đin
- 13 -
Hình 1.7: s đ các cp pin nhit đin
1
3
5
7
9
2
4
6

8
T1
T2

Mi cp nhit đin cung cp mt sut đin đng nhit đin rt nh. Nhiu cp
nhit đin mc ni tip nhau có th to thành mt b pin có kh nng cho sut đin
đng khong vài vôn. Các mi hàn chn 2.4.6.8 đc đt  nhit đ T
1
còn các mi
hàn l 1.3.5.7.9 đt  nhit đ T
2
. Hiu sut ca pin nhit đin rt thp, ch khong
0.1% nên không có hiu qu kinh t. Pin nhit đin đc làm bng hai thanh dn khác
loi( bán dn loi p và bán dn loi n) có h s nhit đng
T

ln hn, hiu sut cao
hn.
1.4.2 Hin tng Peltier
Khi cho dòng đin qua vt dn không đng nht, ngoài nhit lng Joule _ Lenz
to ra trong th tích vt dn, ngi ta còn quan sát thy mt hin tng nhit ph na
xy ra  ch tip xúc gia hai kim loi khác nhau. Khi có dòng đin qua ch tip xúc
gia hai kim loi thì  đó s có s to nhit hay hp th nhit tu theo chiu dòng đin.
Nó làm cho ch tip xúc hoc là nóng lên hoc là lnh đi. Hin tng nhit đin này là
do Jean Peltier phát minh nm 1834
- 14 -
Hình 1.8: s đ các cp pin nhit đin
T2
T1
A

B
B
I

 đo nhit lng to ra hay hp th ca hin tng Peltier ngi ta dung mch
đin gm hai vt dn khác nhau hàn ni vi nhau. Nu ti mi hàn T
2
dòng đin đi t B
sang kim loi A thì ti mi hàn T
1
dòng đin s đi t mi hàn A sang kim loi B. Vì
vy nu mi hàn T
2
nóng lên thì mi hàn T
1
lnh đi và ngc li. S thay đi nhit đ
ca các mi hàn đc xác đnh nh nhit lng k. Sau khong thi gian t,  mi hàn
to ra mt nhit lng bng tng các nhit lng Joule_Lenz và nhit lng Peltier:
Q
1
=RI
2
t +Q
Còn ti mi hàn kia to ra nhit lng là:
Q
2
=RI
2
t – Q
Vì vy : Q

1
– Q
2
=2Q
Thí nghim chng t rng nhit lng Peltier Q to ra hay hp th ti mi hàn t
l thun vi đin tích toàn phn q đi qua mi hàn:

H s đc gi là h s Peltier. Nó ph thuc vào bn cht ca các kim loi tip xúc
nhau và vào nhit đ ca mi hàn,
Ngi ta thng kí hiu h s peltier

AB
khi dòng đin có chiu t vt dn B
sang vt dn A và bng 
BA
khi dòng đin có chiu ngc li. Trong c hai trng
hp, nhit lng peltier có giá tr nh nhau, ch khác nhau v du: 
AB
= -
BA
Chú ý rng,gia hin tng to nhit Joul_Lentz và hin tng Peltier có s
khác nhau c bn. Nhit lng Joule_ Lentz t l vi bình phng cng đ dòng đin
QqIt 
- 15 -
và không ph thuc vào chiu ca dòng đin. Còn nhit lng Peltier t l thun vi
cng đ dòng đin và thay đi du khi dòng đin đi chiu. Nhit lng Joule_Lenz
ph thuc vào đin tr vt dn trong khi nhit lng peltier không ph thuc vào đin
tr. H s Peltier  đc tính bng J/C hay bng vôn và có đ ln vào khong 10
-2
-10

-
3
V
Nhit lng peltier thng nh so vi nhit lng Joule_Lenz nên cn dùng các
vt dn có đin tr nh đ nhit lng Joule_Lenz không làm lu m hin tng Peltier.
Nguyên nhân ca hin tng Peltier là s tn ti ca hiu đin th tip xúc
trong. Nu đin trng to ra  mi hàn do hiu đin th tip xúc mà làm tng tc đ
electron dn thì đng nng ca các electron dn tng lên và các electron dn nhng
đng nng d cho mng tinh th. Kt qu là mi hàn đó nóng lên và to nhit lng
ph. Nu electron chuyn đng theo chiu ngc li thì đin trng làm gim tc đ
ca electron, đng nng ca các electorn dn gim và electron phi ly nng lng còn
thiu t mng tinh th. Do mi hàn phi cung cp nng lng cho electron nên mi hàn
lnh đi.
1.4.2.1 ng dng: Máy lnh s dng hiu ng nhit đin
ng dng hin tng Peltier, ngi ta thit k mt linh kin gm hai vt dn
khác nhau có hai mi hàn to thành mch đin. Khi cho dòng đin chy qua, mt đu
mi hàn nóng lên, còn đu kia lnh đi. iu đó có ngha là có th ch to đc mt linh
kin có hai mt, mt mt lnh chuyn nhit sang mt nóng.  hiu sut hot đng ca
thit b làm lnh theo nguyên lí ca hin tng Peltier cao hn, ngi ta ly hai vt dn
kim loi khác nhau bng hai tm bán dn khác loi, bán dn loi p và bán dn loi n.
1.4.3 Hin tng Thomson
Nm 1854 William Thomson đã phát hin ra rng mt vt dn đng cht mà có
bin thiên nhit đ thì khi có dòng đin chy qua s xut hin mt nhit lng ph to
ra hay hp th trong vt dn, đc lp vi nhit lng Joul_ Lenz. Lng nhit này b
- 16 -
sung thêm hoc hp th bt đi làm cho nhêt lng ca vt dn tng lên hay gim đi so
vi khi ch có nhit lng Joule_ Lenz. Hin tng này gi là hin tng Thomson.
Thí nghim quan sát hin tng Thomson đc b trí nh sau: Hai vt dn a và b
ging nhau, làm bng cùng mt vt liu đc mc vào mt mch đin. Hai đu cu vt
dn đc gi  nhit đ khác nhau. Khi đó, dc theo các vt dn xut hin mt bin

thiên nhit đ nên xut hin các dòng nhit. Trong vt dn b, chiu dòng nhit trùng
vi chiu dòng đin, còn trong vt dn a, chiu ca hai dòng đó li ngc nhau. Trên
hai vt dn chn hai đim a và b sao cho khi cha có dòng đin, nhit đ ti hai đim
đó là nh nhau. Thc nghim cho thy, khi có dòng đin trong mch, nhit đ ti hai
đim đó là khác nhau. iu đó chng t nhit lng Joule_lenz to ra trong mt vt
dn và b hp th  vt dn kia. Nhit lng đó gi là nhit lng Thomson.

100 0
A
i
dT
dx
a
b
i

Hình 1.9: hin tng Thomson
Hin tng Thomson đc gii thích nh sau: Khi nhit đ hai đu dây dn
khác nhau s có dòng electron khuch tán t đu nóng đn đu lnh ln hn dòng
khuch tán theo chiu ngc li. Gia hai đu ca vt dn xut hin mt đin trng
ph, hng t đu nóng sang đu lnh. Khi electron đi t đu lnh đn đu nóng thì
đin trng ph làm tng tc electron và trong dây dn to ra mt nhit lng ph. Nu
electron đi t đu nóng đn đu lnh, đi ngc chiu đin trng thì đin trng ph s
hãm các electron li, do đó trong dây dn electorn hp th mt nhit lng ca vt dn.
- 17 -
Ngoài nguyên nhân trên còn mt nguyên nhân khác. Electron  đu nóng có
nng lng ca chuyn đng nhit cao hn  đu lnh. Khi các electron di tác dng
ca đin trng đi t đu nóng đn đu lnh, chúng s truyn phn nng lng còn d
cho mng tinh th làm cho vt dn nóng lên. Khi dòng đin có chiu ngc li , các
electron đi t đu lnh đn đu nóng, chúng s nhn thêm nng lng ca mng tinh

th, tc là hp th nhit.
Khi dòng đin trong vt dn chy theo mt chiu nào đó thì tác dng to nhit
hay hp th nhit ca hai nguyên nhân trên trái ngc nhau. iu này gii thích ti sao
trong mt s kim loi khi chiu dòng đin và chiu dòng nhit trùng nhau thì có s to
nhit, còn mt s kim loi khác trong điu kin y li có s hp th nhit.
1.5 Siêu dn
Dòng đin trong kim loi b tn hao nng lng do các electron chuyn đng va
chm vi các v trí mt trt t ca mng tinh th. Trong các nguyên nhân làm cn tr
chuyn đng ca electron, đáng k nht là dao đng ca các ion nút mng. S mt trt
t này tng lên khi nhit đ tng, làm cho đin tr ca vt dn tng. Theo biu thc
đin tr sut ca kim loi, khi nhit đ gim đu thì đin tr sut ca kim loi cng
gim đu. Nm 1911, nhà vt lý ngi Hà Lan Kamerlingh Onnes đã phát hin ra, đin
tr ca thu ngân đt ngt gim ti 0 khi nhit đ ca thu ngân gim xung ti 4,2 K.
Nhit đ T
c
= 4.2 K đc gi là nhit đ chuyn pha siêu dn ca thu ngân. Trên nhit
đ chuyn pha, thu ngân  trng thái thng, di nhit đ chuyn pha, thu ngân 
trng thái siêu dn (đin tr bng 0). Do phát minh này, nm 1913 Kamerlingh Onnes
đã nhn gii thng Nobel.
- 18 -
Hình 1.10: Hiu ng Meissner
T > TC
T > TC
B
B

.
Dn đin ca cht siêu dn hoàn toàn khác vi dn đin ca kim loi. u
nhng nm 1960, H.Bardeen, L.N. Copper và J.R.Schrieffer đa ra lí thuyt gii thích
vì sao các phân t ti đin có th chuyn đng không b cn tr trong các cht siêu dn

 nhit đ thp. Lí thuyt BCS gi thit rng các ht ti đin không phi là các electron
riêng l mà là cp các electron. Các cp Cooper nh vy đc xem là các ht ti đin
vi tính cht rt khác vi các electron riêng bit.
 to ra cp Cooper, lí thuyt xem rng có mt electron chuyn đng qua
mng tinh th làm mng b bin dng, khin cho mt đ đin tích dng quanh electron
này tng lên trong thi gian rt ngn. Nu vào thi đim đó mt electron th hai tin
đn di này, nó s b hút vào trong di bi mt đ đin tích dng ln hn di khác và
liên kt vi electron th nht to thành cp Cooper. Cp Cooper chuyn đng trong
mng tinh th không va chm, không gây ra đin tr. Lc liên kt to cp rt yu nên
nhit đ tng, t trng tng, mt đ dòng đin tng là các nguyên nhân phá v cp
Cooper đ nó tr li là các electron nh  kim loi, đó là trng thái thng ca vt liu
siêu dn. Lí thuyt BCS đã đc trao gii Nobel vào nm 1972.
Ngoài đc tính không b tn hao nng lng, cht siêu dn còn biu hin tính
cht t rt đc bit. Khi mt vt liu siêu dn đt trong t trng đc làm lnh dn t
- 19 -
nhit đ cao hn xung nhit đ thp hn nhit đ chuyn pha, thì vt siêu dn tr
thành vt nghch t lí tng. Hin tng này đc gi là hiu ng Meissner. Hêu ng
này ngn cn không cho t trng thâm nhp vào b mt vt  trng thái siêu dn. Vì
th lc t có th đy đa gm siêu dn nâng lên và l lng trên các nam châm. Nhng
nu vt liu siêu dn đt trong mt t trng mnh thì lc t có th thng đc sc đy
ca vt liu siêu dn, khi đó t trng s b phá hu đc tính siêu dn ca vt liu. Hin
tng này cho thy, nhng cht gm siêu dn d b nh hng bi t trng mnh.
1.5.1.1 ng dng: tàu chy trên đm t
Nm 1963, J.R.Powell đ ngh dùng các nam châm siêu dn đ nâng toa tàu lên
khi đng ray.
Nm 1970, ý tng thit k đoàn tàu chuyn đng trên mt đm t, không có
bánh xe, không tip xúc vi đng ray truyn thng. Tàu đm t có th gia tc và gim
tc đ cc nhanh so vi tàu tc đ cao truyn thng. Hn na, tàu chy trên đm t có
th ln nghiêng khi chy vào ch quanh và có tc đ cao mà các tàu truyn thng
không đt đc.

Nguyên lí Magnetic Levitation da vào hin tng  nhit đ rt thp, vt liu
siêu dn là cht nghch t lí tng, nó to ra t trng cc mnh đ lc t nâng đoàn
tàu trên đm t. Chuyn đng cùa đoàn tàu đc thc hin nh lc t ca nam châm
siêu dn nâng tàu trên đm t và đy tàu chuyn đng.
Lc nâng: Nam châm siêu dn đc gn vào con tàu chuyn đng trên thanh
dn hng ch to t vt liu dn đin. Khi con tàu chuyn đng, t thông bin đi gây
ra dòng đin Foucault trong vt dn. Dòng đin Foucault chng li t trng bin đi
do nam châm siêu dn gn trên toa tàu chuyn đng gây ra. Ngha là dòng đin xoáy
va đy nam châm siêu dn va chng li chuyn đng ca nam châm (con tàu). Nh
vy lc ca dòng đin Foucault tác dng lên mt nam châm chuyn đng trên mt
- 20 -
phng vt dn có hai thành phn. ó là lc nâng vuông góc vi mt phng dn và lc
cn chuyn đng ca nam châm.
Các tính toán cho thy vi tc đ nh lc cn ln hn lc nâng nhiu ln. Khi
tc đ cao, lc nâng tin ti giá tr ln, lc cn tr nên rt nh.
Có th gii thích mt cách hình thc rng khi nam châm chuyn đng trên vt
dn, t trng s khuch tán vào trong vt dn. Nu nam châm chuyn đng nhanh, t
trng không th xuyên sâu vào vt dn. Tác dng t gia nam châm và vt dn gây ra
lc nâng. Nu nam châm chuyn đng chm, t trng xuyên sâu vào vt dn gây ra
lc cn ln.
Trong h nâng bng t, t s lc nâng - lc cn rt quan trng. Nó t l vi tc
đ nam châm và đ dn đin ca đng dn mà trên đó h chuyn đng. Vi tàu nâng
trên đm t, t s này tng theo tc đ và đt giá tr 50 300km/h.  500km/h lc cn
ca không khí ln hn lc cn t rt nhiu ln, vì vy các con tàu cao tc đu có hình
dáng thon gn theo mô hình khí đng hc.
Lc đy: Vì tàu chy trên đm t không có bánh xe nên phi dùng h thng đy
bng t. Nh lc hút và lc đy xen k gia hai cc Nam - Bc ca cun dây và nam
châm, con tàu tin lên phía trc.
Nm 1999, tàu Maglev cu Nht đt k lc 552km/h,

- 21 -
2. Chng 2:DÒNG IN TRONG CHT BÁN DN


2.1 TÍNH CHT IN CA BÁN DN

Cht bán dn là mt loi vt dn đin. Xét v mt cht đin, bán dn có giá tr
đin tr sut trung gian gia kim loi và đin môi. in tr sut ca kim loi nm trong
khang 10
-8
đn 10
-6
Ω.m. in tr sut ca bán dn nm trong khang t 10
-4
đn 10
10

Ω.m tùy theo công ngh ch to ra nó. Các vt liu có đin tr sut ln hn 10
8
Ω.m
đc coi là đin môi
Cng có th phân loi các loi vt liu trên da vào s ph thuc ca đin tr

sut theo nhit đ.  nhiu kim loi, đin tr sut  có th coi gn đúng nh t l vi
nhit đ tuyt đi T :
 = 
0
(1 +t) ≈ 
0
0
T
T

(2.1)

Trong đó 
0
là đin tr sut ph thuc nhit đ theo biu thc
 = 
0
e
B/T
(2.2)


Trong đó 
0
, B là nhng hng s. Nh vy, đin tr sut ca bán dn gim khi
nhit đ tng.
Các biu thc trên cho thy, đin tr sut ca kim loi là hàm tuyn tính theo
nhit đ trong khi đó đin tr sut ca bán dn li gim nhanh theo dng hàm exponent
khi nhit đ tng .
- 22 -

2.2 TÍNH DN IN CA BÁN DN
2.2.1 LÍ THUYT LNG T
Trong cht bán dn và cht đin môi, các electron liên kt cht ch vi nhau
trong mi liên kt cng hóa tr, hu nh không có electron t do, nên  nhit đ thp
chúng không dn đin. Biu đ nng lng ca chúng có các di hóa tr và di dn tách
ri khi nhau đc ngn cách bi mt khe nng lng không đc phép. Các electron
hóa tr đin đy tt c các trng thái nng lng trong di hóa tr, trong di dn hu
nh không có electron t do.
Cht bán dn có khe nng lng gia di hóa tr và di dn hp hn so vi cht
cách đin . Vì vy, các electron t di hóa tr có kh nng vt qua khe cm chuyn lên
di dn còn trng phía trên nh chuyn đng nhit. Nhng electron  trong di dn có
th d dàng di chuyn trong di dn tham gia dn đin, chúng đc gi là electron t
do hay electron dn. Các trng thái  di hóa tr b trng cng tham gia dn đin. Nh
vy, cht bán dn  đ không tuyt đi không dn đin. Khi nhit đ cht bán dn tng
lên, các electron t di hóa tr nhn đc nng lng nhit đã chuyn lên di dn đ tr
thành electron dn, đ li các l trng  di hóa tr. Cht bán dn dn đin bng hai loi
ht ti là electron mang đin tích âm (-e) và l trng mang đin tích dng (+e). Cht
bán dn đin hình nh Si có khe nng lng E
g
= 1,1 eV

Hình 2.1: cu trúc di nng lng ca bán dn Silicvà ca đin môi kim cng
- 23 -
Gii thích s cách đin : Theo vt lý c đin, khi đt cht cách din vào mt
đin trng E, đin trng s tác dng mt lc đin –eE lên mi electron. Lc đin này
làm electron tng đng nng. Xét theo quan đim lng t, nu nng lng electron
thay đi thì electron s chuyn sang mt mc nng lng khác trong cht rn. Nhng
các mc nng lng khác trong di nng lng mà electron đang xét tn ti đã b
chim bi các electron khác, electron hoàn toàn không có kh nng di chuyn trong
vùng nên electron không th đi qua vt cách đin.

Trong cht cách đin, nhiu mc nng lng còn trng trong di dn  bên trên
di hóa tr ca electron đã b chim đy. nhng electron trong di hóa tr mun chim
các mc nng lng trên di dn, chúng phi có đ nng lng đ vt qua khe nng
lng gia hai di. i vi kim cng, khe nng lng này (E
g
= 5,4 eV) ln hn 200
ln vi nng lng chuyn đng nhit trung bình ca electron t do  nhit đ phòng
(0,025 eV) nên không phát hin đc electron t do trong di dn.
 có electron dn đin, ngi ta dùng nhit hay nng lng quang cung cp
nng lng cho electron đ chúng có đ nng lng chuyn t di hóa tr lên di hóa
tr bán dn. Cht bán dn và cht cách đin có đin tr sut cao hn kim loi.

2.2.2 LIÊN KT CNG HÓA TR, CU TO VÀ TÍNH
DN IN CA CHT BÁN DN
Liên kt cng hóa tr là liên kt đc to thành bi các cp electron có spin
ngc chiu nhau, mc dù là liên kt gia các nguyên t trung hòa nhng đó là loi
liên kt mnh.
Theo nguyên lí Pauli, các nguyên t có lp v electron đy thì đy nhau.
Nguyên t C, Ge, Si còn thiu 4 electron mi to thành lp v đy, nên nguyên t ca
các nguyên t này li có th hút nhau do s ph ca các lp v electron hóa tr làm lp
- 24 -
v electron này đc đin đy. Lc tng tác ng vi liên kt cng hóa tr là lc liên
kt trao đi.
Hình 2.2: mô hình nguyên t Silic
Si

.Khi nhit đ T > 0 K, di tác dng ca nhit, mt s mi liên kt đng hóa tr
b phá v. Electron bc ra khi liên kt đ tr thành electron t do mang đin tích
nguyên t âm, ni mi liên kt thiu electron đ li mt l trng mang đin tích nguyên
t dng. Trong bán dn tinh khit, mt đ electron (n) bng vi mt đ l trng (p).

Tòan b tinh th vn trung hòa v đin. Trong tinh th đã có các ht mang đin
t do, khi có đin trng tác dng, trong tinh th xut hin dòng đin. Nhit đ tng thì
s liên kt b phá v cng tng nhanh và mt đ ht mang đin trong bán dn cng tng
nhanh. Do đó đin tr sut ca bán dn gim nhanh khi nhit đ tng.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Eg
E
Ec
Ev

Hình 2.3: liên kt cng hóa tr ca nguyên t Silic và biu đ vùng nng lng
ca bán dn tinh khit