Phân tích chương Dòng điện trong các môi trường

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ
------------
TIỂU LUẬN HỌC PHẦN
NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNG 1
Đề tài:
Nghiên cứu chương trình chương Dòng điện
trong các môi trường

Giảng viên hướng dẫn:

Học viên thực hiện:
PGS.TS. Lê Công Triêm Quách Nguyễn Bảo Nguyên
Lớp: LL & PP dạy học Vật lí - K18
Huế, 12/2010
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông 1
MỞ ĐẦU
Đổi mới phương pháp dạy học theo tinh thần phát huy tính tích cực, chủ động của
học sinh là một vấn đề đang được các cấp, các ngành quan tâm. Ngành giáo dục và đào
tạo đã hoàn tất công việc biên soạn chương trình, nội dung sách giáo khoa nhằm mục
đích nâng cao chất lượng giáo dục cho phù hợp với sự phát triển của xã hội. Vì thế để
đáp ứng mục tiêu chung, người giáo viên phải luôn tự bồi dưỡng về phương pháp và
hình thức tổ chức dạy học. Muốn làm được điều đó, cần phải nghiên cứu kĩ cấu trúc
chương trình, nội dung kiến thức trong sách giáo khoa. Do đó, việc nghiên cứu chương
trình vật lí phổ thông là một việc làm quan trọng, cần thiết đối với mỗi giáo viên.
“Dòng điện trong các môi trường” là một phần quan trọng trong chương trình vật
lí phổ thông. Phần này trình bày các hiện tượng vĩ mô liên quan đến dòng điện trong các
môi trường như hiện tượng tỏa nhiệt trong dây dẫn, hiện tượng điện phân, hiện tượng
phóng điện trong chất khí và những ứng dụng cũng như tác hại của các hiện tượng đó
trong kĩ thuật và trong thiên nhiên. Phần này cũng đề cập đến bản chất dòng điện trong

các môi trường: kim loại, chất điện phân, chất khí, chân không, chất bán dẫn. Trong đó
chú ý đến bản chất của các hạt tải điện và phương thức chuyển dời có hướng của chúng
tạo thành dòng điện. Đặc biệt cho thấy rõ sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong
các môi trường vào hiệu điện thế và cho biết khi nào có thể áp dụng được định luật Ôm.
Tiểu luận này chỉ giới hạn trình bày những kiến thức cơ bản của phần “Dòng điện
trong các môi trường” và làm rõ nội dung kiến thức đó.
NỘI DUNG
1. Chuẩn kiến thức kĩ năng của chương “Dòng điện trong các môi trường”
- Nêu được các tính chất điện của kim loại.
HVTH: Quách Nguyễn Bảo Nguyên Trang 2
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông 1
- Nêu được điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ.
- Mô tả được hiện tượng nhiệt điện là gì.
- Nêu được hiện tượng siêu dẫn là gì và ứng dụng chính của hiện tượng này.
- Nêu được bản chất của dòng điện trong chất điện phân.
- Mô tả được hiện tượng dương cực tan.
- Phát biểu được các định luật Fa-ra-đây về điện phân và viết được hệ thức của
các định luật này.
- Nêu được một số ứng dụng của hiện tượng điện phân.
- Nêu được bản chất của dòng điện trong chất khí.
- Mô tả được cách tạo tia lửa điện.
- Mô tả được cách tạo hồ quang điện, nêu được các đặc điểm chính và các ứng
dụng chính của hồ quang điện.
- Nêu được cách tạo ra dòng điện trong chân không, bản chất dòng điện trong
chân không và đặc điểm về chiều của dòng điện này.
- Nêu được tia catôt là gì.
- Nêu được nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của ống phóng điện tử.
- Nêu được các đặc điểm về tính dẫn điện của chất bán dẫn.
- Nêu được bản chất dòng điện trong bán dẫn loại p và loại n.
- Mô tả được cấu tạo và tính chất chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p – n.

- Mô tả được nguyên tắc cấu tạo và công dụng của điôt bán dẫn và của tranzito.
- Vẽ được sơ đồ mạch chỉnh lưu dòng điện dùng điôt và giải thích được tác dụng
chỉnh lưu của mạch này.
Kĩ năng
- Vận dụng thuyết êlectron tự do trong kim loại để giải thích được vì sao kim loại
là chất dẫn điện tốt, dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại thì gây ra tác dụng nhiệt và
điện trở suất của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng.
- Vận dụng các định luật Fa-ra-đây để giải được các bài tập về hiện tượng điện
phân.
- Giải thích được tính chất chỉnh lưu của lớp tiếp xúc p-n.
2. Kiến thức cơ bản của phần “Dòng điện trong các môi trường”
 Khái niệm:
HVTH: Quách Nguyễn Bảo Nguyên Trang 3
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông 1
 Các khái niệm:
+ Tính dẫn điện của chất khí.
+ Sự phóng điện thành miền, sự phóng điện hình tia, sự phóng điện hồ quang.
+ Chất bán dẫn.
 Các hiện tượng:
+ Hiện tượng điện ở chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại.
+ Hiện tượng nhiệt điện.
+ Hiện tượng siêu dẫn.
+ Hiện tượng phát xạ nhiệt electron.
 Thuyết:
+ Thuyết electron.
+ Thuyết electron cổ điển về kim loại.
+ Thuyết điện li.
+ Thuyết vùng năng lượng của vật rắn.
 Định luật:
+ Định luật Ôm đối với chất điện phân.

+ Định luật Faraday.
 Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát đặc tuyến Vôn – Ampe của các môi trường.
 Một số ứng dụng của dòng điện trong các môi trường.
[2],[3],[4],[6]
3. Phân tích nội dung các kiến thức cơ bản
3.1. Các khái niệm
3.1.1. Tính dẫn điện của chất khí
* Tính dẫn điện tự lực và không tự lực của chất khí
Chất khí ở trạng thái tự nhiên là chất cách điện tốt, vì bản thân nó gồm các
nguyên tử và phân tử trung hòa về điện. Nhưng nếu bằng cách nào đó ta làm xuất hiện
trong chất khí các điện tích tự do thì chất khí trở nên dẫn điện. Sự truyền dòng điện qua
chất khí còn gọi là sự phóng điện trong chất khí. Sự phóng điện trong chất khí bao giờ
cũng kèm theo sự ion hóa chất khí và sự tái hợp không ngừng các phần tử tải điện trong
khối khí trên các mặt điện cực cũng như cả ở thành bình.
HVTH: Quách Nguyễn Bảo Nguyên Trang 4
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông 1
Sự ion hóa có thể xảy ra do kết quả của các tác dụng bên ngoài không liên quan
đến sự có mặt của điện trường trong chất khí. Trong trường hợp này, người ta nói đến
tính dẫn điện không tự lực của chất khí. Để làm ion hóa chất khí, người ta có thể dùng
các tác dụng bên ngoài như nhiệt (ngọn lửa đèn cồn), bức xạ (tia Rownghen, tia tử
ngoại…) nghĩa là dùng các tác nhân ion hóa.
Còn nếu sự ion hóa xảy ra do kết quả của những quá trình bên trong chất khí dưới
tác dụng của điện trường thì người ta nói rằng đó là tính dẫn điện tự lực của chất khí.
* Sự ion hóa
Muốn ion hóa chất khí cần truyền cho phân tử khí năng lượng cần thiết để thực
hiện công chống lại lực tương tác giữa electron được bứt ra với phần còn lại của phân tử
(gồm hạt nhân và các electron còn lại). Năng lượng này gọi là năng lượng ion hóa.
Chẳng hạn, năng lượng ion hóa phân tử khí Nitơ bằng 14,5eV.
Ngoài sự ion hóa do tác dụng của tác nhân ion hóa, trong chất khí còn có sự ion
hóa do va chạm của electron (thu được năng lượng lớn từ điện trường) với phân tử khí.

Sự va chạm này là va chạm không đàn hồi, khi đó electron truyền hầu hết năng lượng
của nó cho phân tử, làm cho phân tử hoặc là chuyển động sang trạng thái kích thích hoặc
là bị ion hóa, nghĩa là làm cho electron bứt hẳn ra khỏi phân tử. Điều kiện để ion hóa
phân tử là: động năng mà electron thu được trên quãng đường tự do trung bình phải lớn
hơn (hay ít nhất là bằng) năng lượng ion hóa.
* Sự tái hợp ion
Đồng thời với sự ion hóa chất khí còn có quá trình tái hợp các hạt mang điện trái
dấu để thành phân tử trung hòa. Sau khi tác nhân ion hóa ngừng tác dụng thì các ion
được tạo ra chỉ tồn tại được một thời gian nào đó rồi biến mất hoàn toàn. Có thể giải
thích sự biến mất của các ion như sau: Do chuyển động nhiệt hỗn loạn, ion dương va
chạm với electron và kết hợp với nó thành phân tử (hay nguyên tử) trung hòa. Các ion
dương và ion âm cũng có thể va chạm với nhau, khi đó ion âm trả lại electron dư cho ion
dương và cả hai đều trở thành phân tử trung hòa. Quá trình trung hòa các ion như thế
được gọi là sự tái hợp ion. Nếu như khi bứt electron ra khỏi phân tử (hay nguyên tử) cần
phải cung cấp năng lượng cho nó (năng lượng ion hóa) thì ngược lại khi tái hợp ion
dương với electron, năng lượng dư này sẽ được giải phóng, nói chung là dưới dạng ánh
sáng.
HVTH: Quách Nguyễn Bảo Nguyên Trang 5
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông 1
3.1.2. Sự phóng điện thành miền, sự phóng điện hình tia, sự phóng điện
hồ quang
• Sự phóng điện thành miền

Sự phóng điện thành miền còn gọi là sự phóng điện tách miền thường quan sát
được trong chất khí ở áp suất thấp. Lấy một ống thủy tinh dài
0,3 0,5m
÷
trong đó có
đựng chất khí ở áp suất thấp, khoảng
0,1 0,01mmHg

÷
. Khi hiệu điện thế đặt vào hai cực
A và K đạt giá trị điện thế “cháy” (khoảng vài trăm vôn) thì do ảnh hưởng của dòng điện
đi qua ống, chất khí phát sáng và ta phân biệt những miền sáng chủ yếu như hình . Ngay
ở catôt K có một lớp sáng mỏng gọi là lớp sáng catôt (thứ nhất). Sau lớp sáng đó là một
miền tối gọi là miền tối Crookes (2) (miền tối thứ nhất). Tiếp đến là miền sáng (3), gọi là
miền sáng catôt, trong miền sáng này cường độ sáng tập trung về phía catôt K và giảm
dần về phía anôt A. Tiếp theo miền sáng catôt là một miền tối (4), gọi là miền tối
Faraday (miền tối thứ hai). Sau đó là miền sáng (5) kéo dài mãi tới anôt A, gọi là cột
sáng anôt (còn gọi là cột sáng dương cực). Trong nhiều trường hợp, cột sáng anôt chỉ có
những lớp vằn. Trong sự phóng điện thành miền chỉ có hai miền quan trọng đặc biệt là
miền tối Crookes và miền sáng catôt vì trong các miền đó có xảy ra những quá trình cơ
bản để duy trì dòng điện.
Nếu đưa anôt lại gần catôt thì tất cả những miền ở gần âm cực không có gì thay
đổi mà chỉ có cột sáng anôt ngắn lại mà thôi. Nếu tiếp tục làm ngắn khoảng đó lại, thì
miền tối Faraday không còn nữa, tuy nhiên sự phóng điện vẫn tiếp tục như thường. Cho
đến khi anôt tiến đến giới hạn giữa miền sáng catôt và miền tối Crookes thì sự phóng
điện sẽ tắt.
HVTH: Quách Nguyễn Bảo Nguyên Trang 6
4
3
21
K
A
5
Hình 1: Sự phóng điện thành miền
K
A
1
K

A
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông 1
• Sự phóng điện hình tia
Trong sự phóng điện thành miền ta đã thấy: với
hiệu điện thế không lớn sự phóng điện bắt đầu xảy ra khi
giảm áp suất khí giữa hai điện cực đến một giá trị nào đó.
Bây giờ, nếu áp suất chất khí giữa hai điện cực bằng áp
suất khí quyển, ta tăng dần hiệu điện thế giữa hai cực và
giả sử điện trường giữa hai cực là đều (hoặc gần đều). Khi
hiệu điện thế giữa hai cực đạt đến một giá trị nào đó ta sẽ
thấy xuất hiện tia lửa điện. Tia lửa điện xuyên qua khoảng
không gian phóng điện rất nhanh rồi tắt, xong
lại xuất hiện tia lửa khác. Ta thấy một mạch lửa nhỏ và rất sáng nối liền giữa hai điện
cực, thường có dạng dích dắc và có nhiều nhánh.
Do có hình dạng như vậy nên ta gọi đó là sự phóng điện hình tia. Ánh sáng của
tia lửa điện là kết quả của những quá trình ion hóa. Kèm theo tia lửa có tiếng nổ gây ra
bởi sự tăng áp suất (đến hàng trăm atmôtphe) do sự đốt nóng chất khí (đến 10000
0
C) ở
chỗ xảy ra sự phóng điện. Tia lửa điện phát sinh trong trường hợp điện trường trong chất
khí đạt đến giá trị giới hạn E
k
gọi là điện trường nổ. Độ lớn của điện trường nổ phụ
thuộc vào chất khí và trạng thái của nó. Đối với không khí trong điều kiện thường E ≈
3.10
5
V/m.
Điện trường nổ tăng lên khi áp suất chất khí tăng lên.
* Sét là một tia lửa điện khổng lồ.
Tia lửa – sét là sự phóng điện giữa đám mây với

đất hoặc giữa các đám mây, khi điện trường giữa chúng
đủ mạnh. Cường độ dòng điện sét rất lớn có thể tới
10000 50000A
÷
và hiệu điện thế giữa đám mây và đất
trước lúc phát sinh ra sét đạt tới
8 9
10 10 V
÷
. Sét là tia lửa
hẹp độ
20 30cm
÷
; còn chiều dài có thể tới hàng chục
km. Trong giải hẹp đó một áp suất rất cao của chất khí
được tạo thành, gây ra sự nổ, do đó sinh ra sấm.
HVTH: Quách Nguyễn Bảo Nguyên Trang 7
Hình 3 : Sét
Hình 2 : Tia lửa điện
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông 1
Tia lửa – sét, nói chung tương tự như những tia lửa điện tạo ra trong các phòng
thí nghiệm. Tuy nhiên nó có những đặc điểm riêng. Chẳng hạn các tia lửa điện trong các
điều kiện thường bắt đầu xảy ra khi cường độ điện trường E
k
≈ 3.10
6
V/m, còn cường độ
điện trường để xảy ra và sét trong các cơn mưa giông thấp hơn nhiều và nói chung
không vượt quá
5

2 4.10 /V m
÷
. Sự giảm thấp cường độ điện trường nổ như vậy cũng
quan sát được trong sự phóng điện hình tia thực hiện trong phòng thí nghiệm trên
khoảng phóng điện dài (khoảng 10m).
Bản chất của sét đã được khảo sát trong các thí nghiệm của Franklin, Lômônôxôp
và Richman. Lômônôxôp đã nhận thấy rằng ở lớp khí quyển gần mặt đất luôn luôn tồn
tại một điện trường và điện trường đó tăng lên rất mạnh trước mỗi cơn giông. Khi không
có cơn giông, điện trường trong lớp khí quyển thấp hướng từ trên xuống dưới (mặt đất
điện âm) và cường độ điện trường vào khoảng 100V/m.
Sét có thể gây ra những thiệt hại cho nhà cửa, công trình kiến trúc và có khi nguy
hại đến tính mạng con người. Vì vậy cần có thiết bị chống sét cho các công trình, các
đường dây cao thế, các đường dây thông tin liên lạc… Một trong các thiết bị chống sét là
cột chống sét (cột thu lôi). Đó là cột kim loại nhọn, nối cẩn thận với đất và được gắn
chặt bên chỗ cao nhất của các công trình cần được bảo vệ. Cột chống sét có thể bảo vệ
cho một diện tích rộng xung quanh cột và theo phép tính, cột chống sét có thể bảo vệ cho
một khoảng có đường kính gấp chừng hai lần chiều cao của cột. Tác dụng chống sét của
cột chống sét dựa trên hiện tượng rò điện từ mũi nhọn.

HVTH: Quách Nguyễn Bảo Nguyên Trang 8
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông 1
* Sét hòn.
Sét hòn là một hiện tượng tự nhiên thường đi
kèm với hiện tượng sấm chớp khi có mưa to. Nó tồn tại
dưới dạng một vật thể bay cháy sáng trong một thời
gian dài, ngược lại với hiện tượng hồ quang chỉ tồn tại
trong thời gian ngắn giữa hai điểm đi kèm theo hiện
tượng sét.
Sét hòn từng được cho là một hiện tượng hiếm,
nhưng những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng chỉ một

số ít phần trăm dân chúng Mỹ đã từng chứng kiến. Các bức ảnh về sét hòn lại càng hiếm
và chi tiết do các nhân chứng cung cấp có rất nhiều điểm khác biệt. Nhiều quan sát lại
mâu thuẫn với nhau, và có thể nhiều hiện tượng khác. Sự phóng điện có thể xuất hiện bất
cứ lúc nào trong suốt cơn mưa bão lớn, thỉnh thoảng xuất phát từ một tia sét, nhưng phần
lớn chúng xuất hiện bất thình lình trong khi thời tiết đẹp không có bão. Sét hòn thường
trôi lơ lửng, bay lượn trong không trung và có dạng hình cầu. Hình dạng của nó có thể là
hình cầu, hình trứng, hình giọt nước hoặc hình que với một kích thước lớn hơn nhiều so
với kích thước tia chớp. Kích thước lớn nhất quan sát được từ 40 đến 50 cm. Rất nhiều
trong số chúng có màu từ đỏ tới vàng, đôi khi trong suốt và một vài còn có tia phát ra
xung quanh.
Sét hòn được nhiều máy bay ném bom nhìn thấy tại nhiều nơi trong Thế chiến thứ
hai, bay dọc cánh máy bay của phi công. Trong suốt thời kỳ đó, đây thực sự là một hiện
tượng thiên nhiên bí ẩn, những hiện tượng này được gọi chung là "foo fighter". Một số
báo cáo từ vài nơi cho biết sét hòn bay vào nhà, lượn lờ trên lò nướng trong
bếp rồi có khi bay lang thang dọc lối đi các dãy ghế trong máy bay dân dụng. Một báo
cáo miêu tả sét hòn đuổi theo một chiếc ô tô, làm cho hệ thống điện bị quá tải và hỏng.
Ghi nhận sớm nhất và có tính hủy diệt kinh khủng nhất, xảy ra trong cơn cuồng phong ở
Widecombe-in-the-Moor, Devon, nước Anh vào ngày 12 tháng 10 năm 1638. Bốn người
đã thiết mạng và khoảng 60 người bị thương khi xuất hiện một quả sét hòn đánh vào một
nhà thờ.
HVTH: Quách Nguyễn Bảo Nguyên Trang 9
Hình 5 : Sét hòn
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông 1
Các nhà nghiên cứu của viện Max
Planck và Đại học Humboldt ở Berlin đã lợi dụng hiện tượng phóng
điện dưới nước để tạo ra những đám mây plasma sáng chói tương tự
như sét hòn, tồn tại gần nửa giây và có đường kính tới 20 centimét.
Họ hy vọng những thực thể nhân tạo này sẽ giúp hiểu biết về hiện
tượng kỳ lạ trên và có lẽ còn mở ra ánh sáng mới về việc sử dụng các plasma nóng cho những
nhà máy điện nhiệt hạch.

• Sự phóng điện hồ quang
Nếu sau khi có sự phóng điện hình tia, ta giảm
dần điện trở của mạch thì cường độ dòng điện tăng lên.
Khi điện trở nhỏ đến một mức nào đó thì sự phóng
điện sẽ chuyển từ không liên tục sang liên tục. Khi đó
ta có một dạng khác của phóng điện trong chất khí gọi
là hồ quang điện. Sự phóng điện hình tia chuyển sang giai đoạn phóng điện hồ quang
khi dòng điện tăng đột ngột (có thể đến hàng trăm ampe) còn hiệu điện thế ở khoảng
không gian phóng điện giảm xuống còn mấy chục vôn. Điều đó chứng tỏ trong sự phóng
điện có phát sinh những quá trình mới, tạo cho chất khí trong khoảng phóng điện có độ
dẫn điện rất lớn. Có thể tạo ra hồ quang điện với hiệu điện thế thấp mà không cần qua
giai đoạn phóng điện hình tia. Muốn vậy, ta cho hai điện cực tiếp xúc với nhau và khi
chỗ tiếp xúc đã nóng lên (do hiệu ứng Joule - Lentz) ta tách hai điện cực ra xa nhau một
chút, khi đó ta sẽ được hồ quang điện.
Năm 1802, Petrov (Peetrôp) bằng cách này với hai thanh than và một bộ pin
mạnh, lần đầu tiên đã phát hiện ra hồ quang điện. Giữa hai thanh than có một cột khí
sáng chói, các đầu than nóng đỏ và phát ra ánh sáng chói lòa.
Hồ quang hoạt động càng lâu thì thanh than cực âm càng nhọn dần và miệng
thanh than làm cực dương càng lõm vào tạo thành một cái hố gọi là miệng hồ quang.
HVTH: Quách Nguyễn Bảo Nguyên Trang 10
Hình 6 : Bức tranh thế kỷ 19
miêu tả một hiện tượng sét hòn
Hình 7 : Sét hòn đuổi
Hình 8 : Đám mây plassma