Phan tich chuong Dong dien trong cac moi truong

<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM</b>
<b>KHOA VẬT LÝ</b>

<b></b>

---TIỂU LUẬN HỌC PHẦN

<i>NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THƠNG 1</i>

<i><b>Đề tài:</b></i>

<i><b>Nghiên cứu chương trình chương Dịng điện</b></i>

<i><b>trong các mơi trường</b></i>

<i> </i>

<i> Giảng viên hướng dẫn:</i>

<i> </i>

<i> Học viên thực hiện:</i>

<b> PGS.TS. Lê Công Triêm</b>

<b> Quách Nguyễn Bảo Nguyên</b>

<i> Lớp: LL & PP dạy học Vật lí - K18</i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

<b>MỞ ĐẦU</b>

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 hồn tất cơng 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 thơng là một việc làm quan trọng, cần thiết đối với mỗi giáo viên.

“Dịng điện trong các mơi trường” là một phần quan trọng trong chương trình
vật lí phổ thơng. Phần này trình bày các hiện tượng vĩ mơ liên quan đến dịng 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 khơng, 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 dịng 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 “Dịng
điện trong các mơi trường” và làm rõ nội dung kiến thức đó.

<b>NỘI DUNG</b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

- Nêu được các tính chất điện của kim loại.

- 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 dịng điện trong chất khí.
- Mơ 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 dịng điện trong chân khơng, bản chất dịng điện trong
chân khơng và đặc điểm về chiều của dịng điện này.

- Nêu được tia catơt 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.

- Mơ 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 dịng điện dùng điơt 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.

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

 Khái niệm:

 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 mơi

trường.

 Một số ứng dụng của dịng điện trong các mơi trường.
[2],[3],[4],[6]

<b>3. Phân tích nội dung các kiến thức cơ bản</b>
<b>3.1. Các khái niệm</b>

<i><b>3.1.1. Tính dẫn điện của chất khí</b></i>
<i><b>* Tính dẫn điện tự lực và khơng tự lực của chất khí</b></i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

cũng kèm theo <i>sự ion hóa</i> chất khí và <i>sự tái hợp</i> không ngừng các phần tử tải điện
trong khối khí trên các mặt điện cực cũng như cả ở thành bình.

Sự ion hóa có thể xảy ra do kết quả của các tác dụng bên ngồi khơng liên quan
đến sự có mặt của điện trường trong chất khí. Trong trường hợp này, người ta nói đến
<i>tính dẫn điện khơng tự lực của chất khí</i>. Để làm ion hóa chất khí, người ta có thể dùng
các tác dụng bên ngồi như nhiệt (ngọn lửa đèn cồn), bức xạ (tia Rownghen, tia tử
ngoại…) nghĩa là dùng các <i>tác nhân ion hóa</i>.

Cịn nếu sự ion hóa xảy ra do kết quả của những q trình bên trong chất khí
dưới tác dụng của điện trường thì người ta nói rằng đó là <i>tính dẫn điện tự lực của chất</i>
<i>khí.</i>

<i><b>* Sự ion hóa</b></i>

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 <i>năng lượng ion hóa</i>.
Chẳng hạn, năng lượng ion hóa phân tử khí Nitơ bằng 14,5eV.

Ngồi sự ion hóa do tác dụng của tác nhân ion hóa, trong chất khí cịn có <i>sự ion</i>
<i>hóado va chạm</i> của electron (thu được năng lượng lớn từ điện trường) với phân tử khí.
Sự va chạm này là va chạm khơng 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.

<i><b>* Sự tái hợp ion</b></i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

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.

<i><b>3.1.2. Sự phóng điện thành miền, sự phóng điện hình tia, sự phóng</b></i>
<i><b>điện hồ quang</b></i>

<i><b>Sự phóng điện thành miền</b></i>

<i><b> </b></i>

Sự phóng điện thành miền cịn 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 0,5 <i>m</i>_{trong đó có}

đựng chất khí ở áp suất thấp, khoảng 0,1 0,01 <i>mmHg</i>_{. Khi hiệu điện thế đặt vào hai cực}

A và K đạt giá trị điện thế “cháy” (khoảng vài trăm vơn) thì do ảnh hưởng của dịng
điện đi qua ống, chất khí phát sáng và ta phân biệt những miền sáng chủ yếu như hình .
Ngay ở catơt K có một lớp sáng mỏng gọi là <i>lớp sáng catôt</i> (thứ nhất). Sau lớp sáng đó
là một miền tối gọi là <i>miền tối Crookes</i> (2) (miền tối thứ nhất). Tiếp đến là miền sáng
(3), gọi là <i>miền sáng catôt</i>, trong miền sáng này cường độ sáng tập trung về phía catơt
K và giảm dần về phía anơt A. Tiếp theo miền sáng catôt là một miền tối (4), gọi là
<i>miền tối Faraday</i> (miền tối thứ hai). Sau đó là miền sáng (5) kéo dài mãi tới anôt A,
gọi là <i>cột sáng anơt</i> (cịn gọi là <i>cột sáng dương cực</i>). Trong nhiều trường hợp, cột sáng
anơt chỉ có những lớp vằn. Trong sự phóng điện thành miền chỉ có hai miền quan trọng
đặc biệt là <i>miền</i> <i>tối Crookes và miền sáng catôt</i> vì trong các miền đó có xảy ra những
q trình cơ bản để duy trì dịng điện.

Nếu đưa anơt lại gần catơt thì tất cả những miền ở gần âm cực khơng có gì thay
đổi mà chỉ có cột sáng anôt ngắn lại mà thôi. Nếu tiếp tục làm ngắn khoảng đó lại, thì

4
3
2
1

K A

5

<i><b>Hình 1:</b></i>Sự phóng điện thành miền

K A

1

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

miền tối Faraday khơng cịn 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.

<i><b>Sự phóng điện hình tia</b></i>

Trong sự phóng điện thành miền ta đã thấy: với
hiệu điện thế khơng 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 q trình ion hóa. Kèm theo tia lửa có tiếng nổ gây ra
bởi sự tăng áp suất (đến hàng trăm atmơtphe) do sự đốt nóng chất khí (đến 100000_{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 Ek gọi là điện trường nổ. Độ lớn của điện trường nổ
phụ thuộc vào chất khí và trạng thái của nó. Đối với khơng khí trong điều kiện thường
E ≈ 3.105_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 dịng điện sét rất lớn có thể tới
10000 50000 <i>A</i> và hiệu điện thế giữa đám mây và đất
trước lúc phát sinh ra sét đạt tới ₁₀8 ₁₀9<i>_V</i>

 . Sét là tia

lửa hẹp độ 20 30 <i>cm</i>; cịn chiều dài có thể tới hàng

HVTH: <i>Qch Nguyễn Bảo Nguyên</i> Trang 7

</div>
<span class='text_page_counter'>(8)</span><div class='page_container' data-page=8>

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.

Tia lửa – sét, nói chung tương tự như những tia lửa điện tạo ra trong các phịng
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 Ek ≈ 3.106V/m, còn
cường độ điện trường để xảy ra và sét trong các cơn mưa giơng thấp hơn nhiều và nói
chung khơng vượt quá _{2 4.10}5<i>_{V m}</i>_/

 . Sự giảm thấp cường độ điện trường nổ như vậy

cũng quan sát được trong sự phóng điện hình tia thực hiện trong phịng 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
ln ln tồn tại một điện trường và điện trường đó tăng lên rất mạnh trước mỗi cơn
giơng. Khi khơng có cơn giơng, 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, cơng trình kiến trúc và có khi
nguy hại đến tính mạng con người. Vì vậy cần có thiết bị chống sét cho các cơng trình,
các đường dây cao thế, các đường dây thông tin liên lạc… Một trong các thiết bị chống
sét là <i>cột chống sét (cột thu lơi)</i>. Đó là cột kim loại nhọn, nối cẩn thận với đất và được
gắn chặt bên chỗ cao nhất của các cơng 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.

</div>
<span class='text_page_counter'>(9)</span><div class='page_container' data-page=9>

* 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 khơng có bão. Sét
hịn thường trơi lơ lửng, bay lượn trong khơng 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, đơi khi trong suốt và một vài
cịn có tia phát ra xung quanh.

Sét hịn được nhiều máy bay ném bom nhìn thấy tại nhiều nơi trong Thế chiến
thứ hai, bay dọc cánh máy bay của phi cơng. Trong suốt thời kỳ đó, đây thực sự là một
hiện tượng thiên nhiên bí ẩn, những hiện tượng này được gọi chung là "<i>foo fighter</i>".
Một số báo cáo từ vài nơi cho biết sét hòn bay vào nhà, lượn lờ trên lị 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 hịn đuổi theo một chiếc ơ tơ, 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.

</div>
<span class='text_page_counter'>(10)</span><div class='page_container' data-page=10>

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 hịn, 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 cịn mở ra ánh sáng mới về việc sử dụng các plasma nóng cho những
nhà máy điện nhiệt hạch.

<i><b>Sự phóng điện hồ quang</b></i>

Nếu sau khi có sự phóng điện hình tia, ta giảm
dần điện trở của mạch thì cường độ dịng điện tăng
lên. Khi điện trở nhỏ đến một mức nào đó thì sự
phóng điện sẽ chuyển từ khơng liên tục sang liên tục.
Khi đó ta có một dạng khác của phóng điện trong chất

khí gọi là <i><b>hồ quang điện</b></i>. Sự phóng điện hình tia chuyển sang giai đoạn phóng điện hồ
quang khi dịng điện tăng đột ngột (có thể đến hàng trăm ampe) còn hiệu điện thế ở
khoảng khơng gian phóng điện giảm xuống cịn mấy chục vơn. Điều đó chứng tỏ trong
sự phóng điện có phát sinh những q 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 lịa.

<i><b>Hình 6 : </b></i>Bức tranh thế kỷ 19

miêu tả một hiện tượng sét hịn

<i><b>Hình 7 : </b></i>Sét hòn đuổi

</div>
<span class='text_page_counter'>(11)</span><div class='page_container' data-page=11>

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 <i>miệng hồ quang</i>.
Trong hồ quang điện có điện cực kim loại, sự bay hơi kim loại rất nhanh làm tỏa ra mất
nhiều nhiệt lượng. Vì thế ở hồ quang đó, nhiệt độ thấp hơn ở hồ quang với cực than



0 0



2000 <i>C</i>2500 <i>C</i> _.

<i><b>3.1.3. Chất bán dẫn</b></i>

<i>Chất bán dẫn </i>(Semiconductor) là vật liệu trung gian giữa <i>chất dẫn điện </i>và <i>chất </i>
<i>cách điện</i>. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính
dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Gọi là "bán dẫn" (chữ "bán" theo nghĩa Hán Việt có nghĩa
là một nửa), có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện
khác sẽ khơng dẫn điện.

<i><b> Lịch sử của phát minh ra chất bán dẫn</b></i>

Năm 1833, M.Faraday nhận thấy bạc sunfua có tính chất điện khơng giống cả
kim loại lẫn điện mơi. Nó có hệ số nhiệt điện trở âm, tức là nhiệt độ tăng thì điện trở
giảm. Ngun nhân có thể do mật độ hạt tải tăng theo nhiệt độ. Nhiệt độ có khả năng
biến electron liên kết thành hạt tải điện.

Năm 1873, W.Smit quan sát được hiện tượng giảm mạnh điện trở của seelen khi
được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời. Ánh sáng thích hợp có thể biến electron liên

kết thành hạt tải điện.

Năm 1874, F.Brao nhận thấy galen (chì sunfua) và pirit (sắt sunfua) có tính
chỉnh lưu.

Chẳng bao lâu sau người ta phát hiện ra cả một họ các chất có tính chất như vậy
và gọi chúng là chất bán dẫn.

Năm 1879, phát hiện ra hiệu ứng Hôn. Lấy một mẫu do dạng hình hộp chữ nhật,
ba cạnh trùng với các phương <i>x, y, z</i>. Khi cho dòng điện chạy qua theo phương <i>x</i>, từ
trường tác dụng theo phương <i>y</i> thì ở hai cực đối diện trên phương <i>z</i> xuất hiện hiệu điện
thế gọi là hiệu điện thế Hôn. Nhờ hiệu ứng này ta có thể đo được mật độ và dấu của
điện tích của hạt tải điện.

</div>
<span class='text_page_counter'>(12)</span><div class='page_container' data-page=12>

Năm 1909, K.Ba-đê-ke dùng hiệu ứng Hôn nghiên cứu đồng iơdua một cách có
hệ thống.

Năm 1914, J.Kơ-nic-bec-ghe dùng hiệu ứng Hôn để nghiên cứu hàng loạt chất
bán dẫn và kim loại khác. Kết quả cho thấy mật độ hạt tải trong bán dẫn nhỏ hơn trong
kim loại đáng kể, nhưng độ linh động lại lớn hơn. Nhiệt độ tăng, mật độ hạt tải tăng rất
nhanh. Dấu của điện tích của hạt tải trong bán dẫn có thể dương hoặc âm, nhưng hạt tải
lại không phải ion: Hạt tải điện trong bán dẫn phải có bản chất electron, và câu hỏi đặt
ra là vì sao nó có thể xử sự như một hạt tích điện dương?

Năm 1927, L.O.Grơn-đal và P.H.Gây-ghe làm ra chỉnh lưu bằng đồng oxit. Và
từ đấy người ta bắt đầu quan tâm mạnh đến nghiên cứu chất bán dẫn để áp dụng trong
công nghiệp.

Năm 1928, Blốc đề ra thuyết vùng năng lượng. Thuyết vùng năng lượng có thể
xem là bước đột phá quan trọng nhất giúp ta mô tả đầy đủ tính chất điện của chất bán

dẫn và mở đường cho chất bán dẫn trở thành vật liệu rất quan trọng cho công nghiệp
sau này.

Năm 1931, Vác-ne nghiên cứu liên kết hóa học trong chất bán dẫn và phát hiện
ra bán dẫn “dư” (nay gọi là bán dẫn loại <i>n</i>) và bán dẫn “khuyết” (nay gọi là bán dẫn
loại <i>p</i>).

Năm 1949, J.Bác-đin và W.H.Brát-ten phát minh ra tranzito.

Cuối năm 1958, J.Kil-bai và đầu năm 1959, R.Nao-sơ đã độc lập với nhau làm
ra mạch tổ hợp đầu tiên.

Năm 1962, R.N.Hôn và tập thể tác giả làm ra laze bán dẫn đầu tiên.

</div>
<span class='text_page_counter'>(13)</span><div class='page_container' data-page=13>

trở suất của điện môi cũng giảm khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên với điện mơi, cần phải
nâng nhiệt độ lên khá cao thì mới nhận thấy sự giảm của điện trở.

Cũng nên lưu ý rằng, đối với bán dẫn pha tạp thì có thể xảy ra là trong một
phạm vi nhiệt độ không rộng lắm, điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng.

[1],[2],[4],[5],[8]

<b>3.2. Các hiện tượng</b>

<i><b>3.2.1. Hiện tượng điện ở chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại</b></i>
<i><b>3.2.1.1. Cơng thốt electron khỏi kim loại</b></i>

Ta đã biết rằng, các electron tự do trong kim loại chuyển động nhiệt hỗn loạn và
được giữ lại ở bên trong kim loại. Điều đó có nghĩa là ở gần mặt kim loại phải có
những lực liên kết tác dụng lên các electron và hướng vào phía trong kim loại. Muốn

vượt ra khỏi mặt giới hạn của vật dẫn kim loại, electron phải thực hiện một công xác
định A chống lại các lực đó. Cơng này được gọi là <i>cơng thốt</i> của electron khỏi kim
loại.

Để đo cơng thốt người ta thường dùng đơn vị là electron-Vơn, kí hiệu eV,
1eV = 1,6.10-19_J.

Cơng thốt A có độ lớn vào khoảng vài eV (do đó φ có độ lớn khoảng vài vơn).
Trong khi đó động năng trung bình của chuyển động nhiệt của electron ở nhiệt độ

phòng bằng 3 _{6, 23.10} 21 _0,039

2<i>kT</i> <i>J</i> <i>eV</i>



  nghĩa là nhỏ hơn A rất nhiều. Vì vậy, ở nhiệt

độ phịng, đại bộ phận các electron tự do ở bên trong kim loại.
<i><b>3.2.1.2. Hiệu điện thế tiếp xúc</b></i>

Hiệu điện thế xuất hiện tại chỗ tiếp xúc hai kim loại khác nhau, được gọi là <i>hiệu</i>
<i>điện thế tiếp xúc</i>. Chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại thường được gọi là <i>mối hàn</i>. Hiệu điện
thế tiếp xúc được thay đổi tùy theo từng cặp kim loại và thường có giá trị từ vài phần
trăm vơn đến vài chục vơn. Nó phụ thuộc rất rõ vào độ tinh khiết của kim loại đặc biệt
là phụ thuộc vào độ tinh khiết của mặt kim loại tiếp xúc với chất khí.

Xét hai thanh kim loại khác nhau có cùng nhiệt độ, tiếp xúc với nhau (Hình 9).
Do chuyển động nhiệt hỗn loạn, các electron tự do sẽ khuếch tán từ kim loại 1 sang

<b>_</b>
<b>+</b>

2
1

</div>
<span class='text_page_counter'>(14)</span><div class='page_container' data-page=14>

kim loại 2 và ngược lại. Bởi vì mật độ n1 và n2 của electron tự do trong hai kim loại đó
khác nhau nên các dòng electron khuếch tán sẽ khác nhau. Giả sử n1>n2, khi đó dịng
electron khuếch tán từ kim loại 1 sẽ lớn hơn dòng khuếch tán ngược lại từ kim loại 2,
kết quả là kim loại 1 sẽ tích điện dương cịn kim loại 2 sẽ tích điện âm. Như vậy là giữa
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 cản trở chuyển động của các electron từ kim loại 1 sang
kim loại 2 và thúc đẩy chuyển động của các electron từ kim loại 2 sang kim loại 1. Do
đó, số lượng tổng cộng các electron tự do từ kim loại 1 sang kim loại 2 giảm dần, còn
số lượng các electron tự do từ kim loại 2 sang kim loại 1 tăng dần. Cho đến khi hiệu
điện thế giữa hai kim loại đó đạt đến một giá trị Ui thì có sự cân bằng giữa hai dịng
electron đó, và hiệu điện thế Ui đó chính là hiệu điện thế tiếp xúc trong của hai kim
loại, nó có giá trị vào khoảng ₁₀2 ₁₀3<i>_V</i>

 .

<i><b>3.2.2. Các hiện tượng nhiệt điện</b></i>

<i><b>3.2.2.1. Hiện tượng Peltier (Penchiê)</b></i>

Do có tồn tại hiệu điện thế tiếp xúc, nên ngoài nhiệt lượng Jun - Lenxơ toả ra
trong thể tích vật dẫn điện cịn có một hiện tượng nhiệt phụ nữa xảy ra ở chỗ tiếp xúc
giữa hai kim loại khác nhau do Peltier phát hiện ra năm 1834, gọi là <i>hiện tượng</i>
<i>Peltier</i>. Khi cho dòng điện đi qua chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại thì ở đó sẽ có sự toả
nhiệt hay hấp thu một lượng nhiệt <i>Q </i>tuỳ theo chiều của dòng điện đi qua đó. Kết quả

là chỗ tiếp xúc nóng lên hay lạnh đi.

Nhiệt lượng Peltier <i>Q</i> tỏa ra hay hấp thụ ở chỗ tiếp xúc tỉ lệ thuận với điện tích
tồn phần <i>q </i>đi qua mối hàn: <i>Q</i><i>pq</i><i>pIt</i> (<i>p</i>: Hệ số Peltier).

Ta cần lưu ý rằng hiện tượng Peltier và sự toả nhiệt Jun - Lenxơ có sự khác
nhau căn bản. Nhiệt lượng Jun - Lenxơ tỉ lệ với bình phương cường độ dịng điện và
khơng phụ thuộc và chiều dịng điện. Còn hiện tượng Peltier tỉ lệ thuận với cường độ
dịng điện và thay đổi dấu khi có thay đổi chiều dòng điện. Hơn nữa nhiệt lượng Jun
-Lenxơ phụ thuộc và điện trở vật dẫn còn nhiệt lượng Peltier không phụ thuộc vào điện
trở vật dẫn.

</div>
<span class='text_page_counter'>(15)</span><div class='page_container' data-page=15>

Khi khảo sát các hiện tuợng nhiệt điện Thomson đã đi đến kết luận là: Ngay cả
trong một 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 Jun - Lenxơ hoặc làm giảm nhiệt lượng đó. Hiện tượng này gọi là hiện
tượng Thomson.

Nói cho thật đúng thì hiện tượng này khơng liên quan trực tiếp đến các hiện
tượng tiếp xúc. Tuy nhiên nguồn gốc của hiện tượng đó lại liên quan chặt chẽ với các
nguyên nhân làm xuất hiện các hiện tượng ở chỗ tiếp xúc.

<i><b>3.2.2.3. Hiện tượng Seebeck (Dibec)</b></i>

Ta biết rằng trong một mạch điện kín có nhiều vật dẫn cùng loại tiếp xúc với
nhau ở cùng một nhiệt độ thì khơng có một hiệu điện thế nào xuất hiện cả. Nếu ta cho
nhiệt độ ở những chỗ tiếp xúc khác nhau thì trong mạch xuất hiện suất điện động
nghĩa là có dịng điện. Đó là hiện tượng nhiệt do Seebeck tìm ra năm 1821 và suất điện
động này gọi là <i>suất nhiệt điện động </i>và dòng điện tồn tại trong mạch gọi là <i>dòng nhiệt</i>
<i>điện</i>.

Suất nhiệt điện động _{tăng không tỉ lệ với hiệu nhiệt độ giữa các mối hàn. Vì}

vậy, để đặc trưng cho tính chất nhiệt điện của một cặp vật dẫn bất kì người ta đưa vào
đại lượng gọi là suất nhiệt điện động vi phân <i>α</i>, đo bằng suất nhiệt điện động xuất

hiện khi hiệu nhiệt độ giữa các mối hàn là 10_C: <i>d</i>

<i>dT</i>



  , <i>α</i> phụ thuộc không những vào

bản chất của cặp kim loại mà còn phụ thuộc vào trạng thái của chúng, đặc biệt là vào
nhiệt độ.

Nếu nhiệt độ (<i>T1</i> – <i>T2</i>) của hai mối hàn không lớn thì ta có:  



<i>T T</i>1 2



.

* <i>Ngun nhân gây ra suất nhiệt điện động trong cặp nhiệt điện</i>

Suất nhiệt điện động trong cặp nhiệt điện bằng vật liệu rắn thường được cho là
hình thành từ ba nguồn gốc:

- Sự phụ thuộc của cơng thốt của vật liệu theo nhiệt độ;
- Sự dịch chuyển của hạt tải điện trên thỏi vật liệu từ đầu
nóng đến đầu lạnh;

</div>
<span class='text_page_counter'>(16)</span><div class='page_container' data-page=16>

Các electron trong chất rắn không thể tự do bay ra khơng gian bên ngồi. Muốn
vượt ra khỏi mặt giới hạn của chất rắn, ta phải cung cấp cho mỗi electron một năng

lượng trung bình  gọi là cơng thốt của electron của chất rắn. Cơng thốt electron phụ

thuộc vào nhiệt độ,

<i> = </i><i>(T)</i>. Hai chất rắn <i>A</i> và <i>B</i> khác nhau, có cơng thốt electron khác nhau: <i>A(T) </i>

<i>B(T)</i>. Khi chúng tiếp xúc nhau, giữa chúng sẽ xuất hiện hiệu điện thế tiếp xúc

A

1

( ) [ ( ) ( )]

<i>tx</i> <i>B</i>

<i>U T</i> <i>T</i> <i>T</i>

<i>e</i>  

 

_{ } 

  . Với một cặp nhiệt điện bằng chất rắn, khi nhiệt độ hai đầu

bằng nhau thì tổng hiệu điện thế tiếp xúc trong ở hai mối hàn bằng không, khi giữ hai
đầu ở hai nhiệt độ <i>T1</i> và <i>T2</i> khác nhau, sự khác nhau của hiệu điện thế tiếp xúc ở hai

đầu sẽ tạo ra trong mạch một suất nhiệt điện động nhiệt điện  <i>tx</i> <i>U Ttx</i>( )1 <i>U Ttx</i>( )2 .

Sự dịch chuyển của hạt tải điện trong thỏi vật liệu 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 mạnh hơn đầu lạnh, nên có xu hướng đẩy hạt tải điện từ đầu nóng về đầu lạnh.
Trong vật lí chất rắn, người ta coi dao động của mạng tinh thể như 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 dẫn), mật độ hạt tải tăng theo nhiệt độ. Khi ấy hạt tải sẽ khuếch tán
từ đầu nóng qua đầu lạnh, làm hai đầu tích điện trái dấu nhau. Hiện tượng này gọi là
hiệu ứng Seebeck. Chênh lệch hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh do hiệu ứng này
gây ra là <i>US</i> = <i>S</i>(<i>T1</i> – <i>T2</i>). Trong cặp nhiệt điện, hiệu ứng Seebeck ở hai vật rắn <i>A</i> và <i>B</i>

không giống nhau, tạo ra suất điện động  <i>S</i> (<i>SA</i> <i>SB</i>)(<i>T T</i>1 2). Do đó suất điện động

nhiệt điện của cặp nhiệt điện là:  <i>S</i> <i>tx</i> (<i>SA</i> <i>SB</i>)(<i>T T</i>1 2)<i>U Ttx</i>( )1 <i>U Ttx</i>( )2 .

Với kim loại, hạt tải điện là electron, có mật độ rất cao và không phụ thuộc nhiệt
độ. Hiệu điện thế tiếp xúc <i>Utx</i> xuất hiện giữa hai lớp kim loại rất mỏng ở sát chỗ tiếp

xúc. Electron có thể qua lại dễ dàng lớp này bằng hiệu ứng đường hầm nên mật độ
electron ở hai bên lớp tiếp xúc gần như bằng nhau và hiệu điện thế tiếp xúc gần như
bằng khơng,  <i>_tx</i> 0_{. Trong}_{chỉ có thành phần do sự cuốn theo phonon gây ra, vì thế}

</div>
<span class='text_page_counter'>(17)</span><div class='page_container' data-page=17>

Năm 1911, khi làm thí nghiệm khảo sát sự
phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở một cột thủy
ngân có độ tinh khiết cao, nhà vật lí Hà Lan
Kammerlingh Onnes đã phát hiện

thấy rằng: Ở nhiệt độ Heli lỏng (4,20_{K) điện trở}
của cột thủy ngân đó rất nhỏ và khi tiếp tục hạ
nhiệt độ thì điện trở của cột thủy ngân đột ngột

mất hoàn toàn. Đồ thị biểu diễn các kết quả đo
như hình vẽ.

Sau đó ơng cịn phát hiện thấy rằng hiện tượng mất điện trở ở một nhiệt độ xác
định cũng xảy ra ở hai kim loại khác là thiếc và chì. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng
siêu dẫn. Nhiệt độ mà dưới đó điện trở giảm đột ngột xuống bằng zero được gọi là
nhiệt độ tới hạn <i>TC</i> và khi đó vật trở thành vật siêu dẫn điện.

Vật ở dưới nhiệt độ <i>TC</i> có điện trở bằng khơng gọi là vật siêu dẫn. Trạng thái của

vật ở vùng nhiệt độ <i>T</i>  <i>TC</i> có điện trở bằng khơng gọi là trạng thái siêu dẫn và trạng

thái của vật ở vùng nhiệt độ <i>T</i><i>TC</i> có điện trở khác khơng gọi là trạng thái dẫn thường

hay là trạng thái thường.

<i>*Một số đặc tính cơ bản của chất siêu dẫn</i>

- Khi vật ở trạng thái siêu dẫn điện trở của nó bằng khơng.

- Khi hạ nhiệt độ một mẫu chất siêu dẫn đặt trong từ trường, người ta thấy rằng, tại thời
điểm mẫu này chuyển sang trạng thái siêu dẫn thì các đường sức từ lập tức bị đẩy ra
khỏi mẫu, nghĩa là chất siêu dẫn được xem là chất nghịch từ lí tưởng. Hiện tượng đó
gọi là <i>hiệu ứngMeissner - Ochsenfeld</i>. Vì vậy, các nhà bác học đã đi đến kết luận rằng:
Một vật dẫn chỉ có điện trở bằng khơng thơi mà khơng có hiệu ứng M-O thì không phải
là chất siêu dẫn mà chỉ là vật dẫn lí tưởng.

- Bất kì vật liệu siêu dẫn nào cũng đặc trưng bằng ba thông số: nhiệt độ tới hạn <i>TC</i>, từ

trường tới hạn <i>HC</i> và mật độ dòng tới hạn <i>jC</i>. Cụ thể là:

+ Kim loại, hợp kim chỉ có tính siêu dẫn khi nhiệt độ của nó nhỏ hơn hoặc bằng
<i>TC</i>.

+ Tính siêu dẫn của vật liệu mất đi khi từ trường tác dụng lên nó có cường độ lớn
hơn giá trị <i>HC</i>.

</div>
<span class='text_page_counter'>(18)</span><div class='page_container' data-page=18>

+ Khi dòng điện chạy qua mẩu siêu dẫn có mật độ lớn hơn giá trị <i>jC</i> thì mẩu

khơng cịn ở trạng thái siêu dẫn nữa.
* <i>Giải thích tính siêu dẫn</i>

Kể 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
đã tìm ra sự giải thích tương đối hợp lí về tính siêu
dẫn.

Nội dung vắn tắt của thuyết BCS như sau:

Các hạt tải điện không phải là các electron riêng rẽ mà là các cặp electron gọi là
cặp Cooper. Bình thường các electron đẩy nhau nên cần phải có cơ chế đặc biệt nào đó
để cho chúng có thể tạo thành cặp. Theo lí thuyết BCS, do tương tác đặc biệt (tương
tác electron - phonon), hai electron có spin ngược chiều nhau trong những điều kiện
nhất định có thể hút nhau thơng qua các ion của mạng tinh thể và tạo thành cặp Cooper,
các cặp này tạo thành một chất "siêu lỏng" chảy qua một số kim loại và hợp kim mà
không bị ma sát, có nghĩa là dịng điện tạo bởi các cặp này không bị cản trở, không tắt
dần khi chạy qua vật liệu siêu dẫn. Ta có thể hình dung, khi một điện tử chuyển động,
tương tác của nó với mạng tinh thể làm biến dạng mạng tinh thể và điện 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.

Tuy nhiên lí thuyết BCS chỉ áp dụng cho các chất siêu dẫn có nhiệt độ của trạng
thái siêu dẫn rất thấp (dưới 30 K). Trong khi đó người ta đã chế tạo được vật liệu siêu
dẫn ở nhiệt độ cao hơn. Vì vậy việc xây dựng được một lí thuyết hồn chỉnh để giải
thích được đầy đủ đặc tính của chất siêu dẫn là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm
hiện nay.

<i>* Khả năng ứng dụng của chất siêu dẫn</i>

<i><b>Hình12</b></i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(19)</span><div class='page_container' data-page=19>

Các vật liệu siêu dẫn đã đưa đến sự thay đổi lớn lao về kĩ thuật, công nghệ, và kể
cả trong kinh tế và đời sống xã hội. Dưới đây chỉ nêu lên một số ứng dụng của siêu
dẫn.

Các đường dây cáp siêu dẫn có khả năng
truyền tải điện đi xa mà khơng bị tổn thất điện
năng vì đường dây khơng có điện trở; mặt khác
dây cáp tải điện siêu dẫn không cần làm to như
dây cáp thông thường và như vậy tiết kiệm được
vật liệu (mật độ dòng điện trong dây siêu có thể
đạt tới 105_A/cm2_).

Dựa trên tính chất từ trường không thâm

nhập được vào vật liệu siêu dẫn và bị đẩy trở lại, người ta đã chế tạo những đồn tàu
hoả với bánh xe có từ tính, cịn đường ray có đặt các cuộn siêu dẫn. Khi tàu chạy, do
hiện tượng cảm ứng điện từ trong các cuộn dây có dịng điện cảm ứng và sinh ra từ

trường. Kết quả là xuất hiện lực đẩy khiến cho các toa tàu bị nâng lên.

Người ta có thể chế tạo được nam châm điện siêu dẫn tạo ra từ trường cực mạnh
cần cho máy gia tốc, lò phản ứng nhiệt hạch và các nghiên cứu khác.

<i><b>3.2.4. Hiện tượng phát xạ nhiệt electron</b></i>

Để nghiên cứu dòng điện trong chân khơng, người ta dùng một bình chứa khí ở
áp suất rất thấp trong đó có gắn các điện cực. Hiện nay người ta đã tạo được khoảng
chân không cao với áp suất ₁₀12 ₁₀14<i>_mmHg</i>

 . Ở áp suất đó, các phân tử khí có thể

chuyển động từ thành nọ sang thành kia của ống mà không va chạm với các phân tử
khác, và ta nói rằng trong ống là <i>chân không</i>. Chân không là môi trường cách điện tốt
vì trong chân khơng khơng có hạt mang điện tự do và cũng khơng có cách nào tạo ra
các hạt mang điện tự do từ bản thân môi trường đó.

Muốn có dịng điện chạy qua chân khơng ta phải đưa vào mơi trường đó những
hạt mang điện từ một nguồn nào đó. Nguồn điện tích tự do này thường được tạo ra nhờ
hiện tượng thoát electron ra khỏi mặt điện cực (bằng kim loại hay bán dẫn). Electron có
thể thốt ra khỏi điện cực nếu nó có động năng lớn hơn cơng thốt, nghĩa là:

2
2

<i>mv</i>
<i>A</i>



</div>
<span class='text_page_counter'>(20)</span><div class='page_container' data-page=20>

Ta xét chi tiết sự phát xạ nhiệt electron:

Khi nhiệt độ kim loại tăng, vận tốc chuyển động nhiệt của electron tăng, có một
số electron nhận được đủ năng lượng để thực hiện cơng thốt và bứt ra khỏi mặt kim
loại.

Dựa vào thuyết electron cổ điển ta có thể ước tính được nhiệt độ T0 mà ở đó
năng lượng trung bình của chuyển động nhiệt của electron tự do có trị số bằng cơng

thốt: 0

3

2<i>kT</i> <i>A</i> Hay 0
2
3
<i>A</i>
<i>T</i>
<i>k</i>
 .

Với các kim loại khác nhau, cơng thốt có trị số khoảng 1 4,5 <i>eV</i> _{. Lấy A = 2eV}

ta có:
19
0 23
2.1,6.10 .2
15000
3.1,38.10

<i>T</i> <i>K</i>



  nghĩa là về lý thuyết phải ở nhiệt độ hàng vạn độ thì

electron mới có đủ năng lượng cần thiết để thốt ra khỏi mặt kim loại.

Trên thực tế, ngay ở nhiệt độ phòng cũng đã có một số electron phát xạ ra khỏi
mặt kim loại và bắt đầu từ nhiệt độ 1000 3000 <i>K</i> (nghĩa là thấp hơn T0 nhiều) đã có
một lượng đáng kể các electron thốt ra ngồi mặt kim loại. Sở dĩ như vậy là vì trong
kim loại ln ln có một số electron có năng lượng lớn hơn năng lượng trung bình
nhiều và chính số electron này đã có thể thốt ra ngồi mặt kim loại ở nhiệt độ không
cao lắm.

Hiện tượng phát xạ nhiệt electron đã có vai trị đặc biệt quan trọng trong kĩ thuật
điện và vô tuyến điện.

[1],[2],[5],[6]

<b>3.2. Thuyết</b>

<i><b>3.2.1. Thuyết electron</b></i>

Electron tham gia vào cấu tạo nguyên tử của tất cả các vật thể. Vật lí học hiện
đại đã khẳng định rằng: Các vật thể được cấu tạo nên từ các phân tử, các phân tử lại
hợp thành từ những nguyên tử.

</div>
<span class='text_page_counter'>(21)</span><div class='page_container' data-page=21>

hòa về điện. Nếu nguyên tử mất bớt một hay vài electron, nó sẽ mang điện dương và
trở thành <i>ion dương</i>. Nếu nguyên tử nhận thêm electron, nó sẽ tích điện âm và trở

thành <i>ion âm</i>. Q trình nhiễm điện của các vật thể chính là q trình các vật thể ấy
nhận thêm hay mất đi một số electron hay ion. Thuyết giải thích tính chất điện khác
nhau của các vật thể dựa trên việc nghiên cứu electron và chuyển động của chúng gọi
là <i>thuyết electron</i>.

Như vậy, điện tích <i>q</i> của vật bất kì mang điện bao giờ cũng là một số nguyên lần
của điện tích nguyên tố e: |<i>q</i>| = <i>Ne</i>.

Điều đó có nghĩa là điện tích của một vật chỉ có thể có các giá trị rời rạc, gián
đoạn, chứ khơng thể có bất kì giá trị nào. Vì lẽ đó người ta nói rằng, <i>điện tích bị lượng</i>
<i>tử hóa</i>.

Dựa vào thuyết electron, có thể giải thích một số hiện tượng điện:

- Theo thuyết electron, vật dẫn điện tốt là vật có các hạt mang điện có thể chuyển động
tự do. Trong các vật dẫn kim loại có một số electron có thể di chuyển tự do từ chỗ này
đến chỗ khác, gây nên tính dẫn điện của kim loại: các electron này được gọi là <i>electron</i>
<i>tự do</i> hay <i>electron dẫn</i>. Trong dung dịch điện phân có một số <i>ion</i> (dương và âm) có thể
di chuyển tự do, gây nên tính dẫn điện của dung dịch.

- Khi cọ xát thanh thủy tinh vào miếng lụa thì một số electron từ thủy tinh di chuyển
sang lụa, kết quả là thanh thủy tinh nhiễm điện dương, còn miếng lụa nhiễm điện âm.
- Trong thí nghiệm về hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng, quả cầu A tích điện dương
đã tác dụng lực điện lên electron dẫn trong vật dẫn hình trụ, khiến cho một số electron
dẫn di chuyển về phía A; kết quả là đầu B gần A sẽ nhận thêm electron và tích điện âm,
cịn đầu C bị mất bớt electron và tích điện dương.

<i><b>3.2.2. Thuyết electron cổ điển về kim loại</b></i>

Droude đã nêu lên những cơ sở đầu tiên của thuyết electron cổ điển về

kim loại, sau đó Lorentz đã hồn chỉnh lí thuyết đó. Nội dung của thuyết cổ điển như
sau:

- Trong kim loại có các electron tự do. Mật độ electron xấp xỉ bằng mật độ của nguyên
tử kim loại.

</div>
<span class='text_page_counter'>(22)</span><div class='page_container' data-page=22>

- Tập hợp các electron tự do trong kim loại được coi như một khí electron giống như
khí lí tưởng. Tương tác giữa các electron với các ion dương mạng tinh thể kim loại chỉ
biểu hiện ở các va chạm của chúng; các va chạm này dẫn đến sự cân bằng nhiệt giữa
các khí electron và mạng tinh thể kim loại.

Dựa vào thuyết electron cổ điển có thể giải thích được tính dẫn điện của kim loại,
nguyên nhân gây ra điện trở, tìm lại định luật Ơm và định luật Jun – Lenxơ.

<i>* Giải thích tính dẫn điện của kim loại</i>

Khi khơng có tác dụng của điện trường ngồi, các electron tự do chỉ chuyển
động nhiệt hỗn loạn giống như chuyển động nhiệt của các phân tử khí. Khi đó số
electron chuyển động theo một chiều nào đó, về trung bình, luôn luôn bằng số electron
dịch chuyển theo chiều ngược lại. Vì vậy lượng điện tích tổng cộng mang bởi các
electron qua một mặt bất kì nào đó là bằng khơng: trong vật dẫn kim loại khơng có
dịng điện.

Khi có điện trường ngồi, các electron tự do có thêm chuyển động phụ theo một
chiều xác định, ngược chiều với điện trường. Khi đó số electron chuyển động ngược
chiều điện trường sẽ lớn hơn số electron chuyển động cùng chiều điện trường, nghĩa là
có xuất hiện chuyển dời có hướng của điện tích, trong vật dẫn kim loại có xuất hiện
dịng điện.

Cần lưu ý rằng, vận tốc trung bình <i>v</i> _{của chuyển động có hướng của các electron}

(<i>v</i> <i>_ni_e</i>

0

 _{) là rất nhỏ so với vận tốc trung bình}<i>v_T</i>_{của chuyển động nhiệt (}

<i>m</i>
<i>kT</i>

<i>vT</i>



8

 )

của nó.

Cũng cần phân biệt vận tốc trung bình của chuyển động có hướng của electron
với vận tốc truyền tương tác điện từ (bằng 3.108_{m/s) để hiểu rõ tại sao khi ta đặt một}
hiệu điện thế (dù nhỏ) vào hai đầu dây dẫn thì trong dây dẫn “lập tức” có dịng điện
chạy qua.

* <i>Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại </i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(23)</span><div class='page_container' data-page=23>

mạng tinh thể khác nhau, do đó tác dụng “ngăn cản” chuyển động có hướng của các
electron tự do của chúng cũng khác nhau. Đó chính là lí do khiến điện trở suất của các
kim loại khác nhau là khác nhau.

Điện trở của kim loại còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng lên, các ion
kim loại nằm ở các nút mạng tinh thể cũng dao động mạnh lên và do đó, xác suất “va
chạm” của electron với ion càng lớn lên. Vì vậy điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ
tăng.

Điện trở suất của kim loại cũng tăng theo nhiệt độ và được biểu diễn qua công
thức:







₀



0 1 <i>t</i> <i>t</i>
 


Ở đây  là hệ số nhiệt điện trở có đơn vị K-1, t0 là nhiệt độ được chọn làm mốc và

0

 là điện trở suất ở nhiệt độ đó. Thơng thường ta chọn <i>t</i>0= 200C.

Giữa hai va chạm kế tiếp với ion, các electron chuyển động có gia tốc dưới tác
dụng của điện trường và chúng nhận thêm một năng lượng xác định. Năng lượng của
chuyển động có hướng này được truyền hoàn toàn hay một phần cho các ion dương khi
va chạm và được biến thành năng lượng của dao động hỗn loạn của các ion, làm cho
nội năng của vật dẫn tăng lên. Vì vậy khi có dịng điện chạy qua, kim loại nóng lên.
* <i>Giải thích định luật Ơm</i>

Để đơn giản trong các phép tốn, ta giả thiết rằng: giữa hai “va chạm” kế tiếp, tất
cả các electron tự 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 truyền hoàn toàn cho mạng tinh thể năng lượng mà nó nhận được do tác
dụng của điện trường. Nghĩa là sau va chạm electron lại chuyển động với vận tốc ban
đầu bằng không.

Xét một đoạn mạch gồm dây có chiều dài <i>l </i>và tiết diện động lực <i>S</i>, giữa hai đầu
đoạn mạch đặt một hiệu điện thế <i>U</i>. Cường độ điện trường trong đoạn mạch là:

<i>l</i>
<i>U</i>
<i>E</i>

Dưới tác dụng của điện trường <i>E</i>, mỗi electron chịu tác dụng của một lực có độ

</div>
<span class='text_page_counter'>(24)</span><div class='page_container' data-page=24>

Vì vậy cuối quãng đường tự do trung bình, vận tốc có hướng của electron là:

ax

<i>m</i>

<i>eU</i>
<i>V</i> <i>at</i> <i>t</i>

<i>ml</i>

  .

Trong đó <i>t</i> là khoảng thời gian trung bình giữa hai va chạm. Vì giữa hai va chạm
kế tiếp, electron chuyển động nhanh dần đều nên giá trị trung bình của vận tốc bằng:

max 1
2 2
<i>V</i> <i>eU</i>
<i>v</i> <i>t</i>
<i>ml</i>
 

Thời gian trung bình giữa hai “va chạm” kế tiếp của electron với các ion là:

<i>T</i>

<i>t</i>
<i>v</i>



 _.

(<i>vT</i> là vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt, <i>vT</i> <i>v</i> nên trong công thức này
ta không kể đến vận tốc của chuyển động có của các electron)

Do đó ta có: 1

2 <i>_T</i>

<i>eU</i>
<i>v</i>

<i>mlv</i>



 (1)

Cường độ dòng điện trong đoạn mạch: <i>I</i> <i>neSv</i> (n là mật độ dẫn điện)

(2)

Thay (1) vào (2):

2
2 <i>_T</i>
<i>ne SU</i>
<i>I</i>
<i>mlv</i>


Đặt


<i>n</i>
<i>e</i>
<i>v</i>
<i>m</i> <i>_T</i>
2
2

 : là điện trở suất của dây dẫn.

Đại lượng  <i>_Sl</i> phụ thuộc vào cấu tạo của dây dẫn, được gọi là điện trở <i>R</i> của dây

dẫn.

Cuối cùng: <i>I</i> <i>U</i>
<i>R</i>

 (biểu thức của định luật Ôm)

Như vậy dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm.
<i>* Giải thích định luật Jun – Lenxơ</i>

Ở cuối quãng đường tự do trung bình, dưới tác dụng của điện trường, các
electron nhận được động năng:

2 2 2 2 2 2

2

2
1

2 <i>m</i> 2 2 <i>_T</i>

<i>e E t</i> <i>e</i> <i>E</i>
<i>mv</i>

<i>m</i> <i>mv</i>



</div>
<span class='text_page_counter'>(25)</span><div class='page_container' data-page=25>

Theo giả thiết đã nêu, toàn bộ năng lượng này được truyền cho mạng tinh thể và
biến thành nhiệt.

Trong một đơn vị thời gian mỗi electron chịu <i>vT</i>

 “va chạm” và do đó năng

lượng mà mỗi electron truyền cho mạng tinh thể mỗi giây cũng gấp lên bấy nhiêu lần.
Biết rằng trong mỗi đơn vị thể tích kim loại có n0 electron, lượng nhiệt Q tỏa ra trong
một đơn vị thể tích của kim loại sau mỗi giây sẽ bằng:

2 2

2
0
0. .

2 2

<i>m</i>
<i>T</i>

<i>T</i>

<i>mv</i> <i>n e</i>
<i>v</i>

<i>Q n</i> <i>E</i>

<i>mv</i>




 

Hay <i>Q</i> <i>E</i>2 1 <i>E</i>2



  _{: Biểu thức định luật Joule dưới dạng vi phân}

Với  1



 là điện trở suất của kim loại.

Ngoài ra, thuyết electron cịn giải thích được nhiều tính chất điện và quang khác
của các chất.

Tuy có nhiều thành cơng như đã nêu ở trên nhưng thuyết electron cổ điển khơng
giải thích được vì sao tinh thể kim loại sạch, kết tinh hồn hảo, ở nhiệt độ thấp lại có
điện trở rất nhỏ. Điện trở của tất cả các kim loại và hợp kim giảm xuống khi bị làm
lạnh. Sở dĩ có những hạn chế như vậy là vì một số nội dung cơ bản của thuyết electron
cổ điển khơng cịn đúng nữa, cụ thể là:

- Chuyển động của các electron tự do trong kim loại không tuân theo các định luật của
cơ học cổ điển mà tuân theo các định luật phức tạp hơn của cơ học lượng tử;

- Tương tác giữa các electron và ion không phải chỉ biểu hiện ở các va chạm giữa
chúng. Thực tế các electron chuyển động trong điện trường tuần hoàn của mạng tinh
thể;

- Các electron không tuân theo định luật phân bố Maxwell - Boltzmann như khí lí
tưởng nữa, mà tuân theo các định luật của thống kê lượng tử.

</div>
<span class='text_page_counter'>(26)</span><div class='page_container' data-page=26>

thể mà không bị tán xạ vào hướng khác. Nói cách khác, sóng electron này đã lan truyền
được trong mơi trường tuần hồn của mạng tinh thể nên khơng bị mạng tinh thể làm
lệch đường, vì thế electron tự do không bị va chạm với lõi nguyên tử nằm một cách trật
tự ở mạng tinh thể, và chỉ bị va chạm ở những chỗ khơng hồn hảo của mạng đó, ta gọi
chung là những sai hỏng của mạng. Các sai hỏng này có thể là:

- Sự mất trật tự của các ion trong mạng tinh thể do chuyển động nhiệt (dao động) sinh
ra: hệ quả là điện trở của kim loại tăng theo nhiệt độ.

- Sự mất trật tự của mạng tinh thể do co các nguyên tử lạ: hệ quả là tạp chất làm tăng
điện trở của kim loại.

- Sự mất trật tự của các ion trong mạng tinh thể do tinh thể bị biến dạng: hệ quả là các
q trình gia cơng như uốn, kéo dãn làm điện trở của kim loại tăng.

Những sai hỏng này sẽ làm tán xạ sóng điện từ và do đó điện trở được sinh ra.
Như vậy có thể hiểu rằng: nguyên nhân làm điện trở giảm khi kim loại hoặc hợp
kim bị làm lạnh là: khi hạ nhiệt độ, các dao động nhiệt của nguyên tử giảm xuống,
đồng thời các điện tử dẫn tán xạ với tần số nhỏ hơn. Do đó điện trở giảm tuyến tính
theo nhiệt độ cho đến khi T  (1/3)TD (nhiệt độ Debye). Ở dưới nhiệt độ này điện trở

giảm từ từ và gần như không đổi khi

T  0K. Đối 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 trị xấp xỉ bằng khơng khi nhiệt độ giảm về phía
00_{K. Những kim loại thuộc mẫu "kim loại lí tưởng" mang tính hồn tồn giả thiết. Tuy}
nhiên, ngay cả khi được làm lạnh đến 00_{K mà điện trở giảm tới khơng, nó cũng chưa}
hẳn là chất siêu dẫn.

<i><b>3.2.3. Thuyết điện li</b></i>

Thuyết về sự phân li các phân tử chất hòa tan trong dung dịch gọi là thuyết điện
li, có nội dung cơ bản như sau:

- Mọi phân tử đều chứa các electron tích điện âm và các hạt nhân tích điện dương.
+ Nếu tâm của các điện tích dương trùng với tâm của các điện tích âm thì sự
phân bố điện tích của phân tử đó về toàn bộ là đều và phân tử thuộc loại <i>phân tử khơng</i>
<i>cực </i>và khi đó ta có <i>mối liên kết không cực</i>.

</div>
<span class='text_page_counter'>(27)</span><div class='page_container' data-page=27>

+ Nếu tâm của các điện tích xa nhau rất rõ, phân tử sẽ thuộc loại ion (<i>mối liên</i>
<i>kết ion</i>).

Đối với các hợp chất ion, quá trình tạo thành các ion trong dung dịch được giải
thích như sau: Giả sử có một hợp chất ion, như NaCl chẳng hạn, hoà tan vào nước.

<i><b>Hình 14</b></i>:Thí nghiệm điện phân với dung dịch NaCl và nước

Các phân tử thuộc loại phân tử có cực, có momen lưỡng cực lớn (Hình 15).
Trong điện trường ở xung quanh mỗi phân tử H2O được sắp xếp như sau: các đầu

dương của chúng hướng vào cực âm của phân tử NaCl, tức là hướng vào ion Cl-_trong
phân tử NaCl và hút ion ấy, đồng thời đẩy Na+_{của phân tử NaCl. Còn các đầu âm của}
chúng lại hướng vào đầu dương của phân tử NaCl tức là vào ion Na+ _{và hút ion ấy,}
đồng thời đẩy ion Cl-_{của NaCl (Hình 16). Như vậy là các phân tử của dung môi (ở đây}
là H2O) bao quanh các ion của chất hoà tan (ở đây là NaCl), tạo thành một tập hợp gọi
là <i>“solvat”</i>.

<i><b> Hình 15</b><b> </b><b>Hình 16</b></i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(28)</span><div class='page_container' data-page=28>

Song song với q trình phân li nói trên, cịn có q trình ngược lại đó là khi hai
ion trái dấu va chạm với nhau trong chuyển động nhiệt, chúng có thể kết hợp lại thành
các phân tử trung hồ. Q trình đó gọi là <i>sự tái hợp</i>. Khi số ion sinh ra do sự phân li
bằng số ion tái hợp trong cùng một đơn vị thời gian thì trong dung dịch có <i>sự cân bằng</i>
<i>động</i> của hai quá trình phân li và tái hợp, khi mà số ion sinh thêm ra do sự phân li trong
một đơn vị thời gian bằng số ion tái hợp trong cùng đơn vị thời gian đó.

Khả năng 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
<i>hệ số phân li (α)</i>.

Nếu trong một đơn vị thể tích dung dịch có <i>n0</i>phân tử chất hịa tan mà trong số đó

0
'

<i>n</i> _{phân tử bị phân li thành ion thì:}

'

0
0

(0 1)

<i>n</i>
<i>n</i>

   _{. Hệ số}__{phụ thuộc vào bản chất}

của chất hồ tan của dung mơi, vào nồng độ dung dịch và nhiệt độ dung dịch.
<i><b>3.2.4. Thuyết vùng năng lượng của vật rắn</b></i>

Để giải thích một cách đầy đủ hơn các tính chất điện, tính chất nhiệt và các tính
chất khác của kim loại, các điện mơi tinh thể của các bán dẫn, ta không thể dùng thuyết
electron cổ điển mà phải dùng <i>Thuyết vùng năng</i>

<i>lượng của vật rắn</i>.

Trước tiên xét chuyển động của electron trong
một nguyên tử cô lập:

- Trong nguyên tử các electron chuyển động quanh hạt
nhân. Chuyển động này được đặc trưng bởi mơmen
động lượng quỹ đạo. Ngồi ta nó cịn có mơmen riêng
hay ta cịn gọi là mơmen spin. Trong cơ học lượng tử,
người ta chứng minh được là:

+ Năng lượng của các electron trong nguyên tử chỉ có thể lấy được những giá trị xác
định, gián đoạn gọi là mức năng lượng của electron.

+ Ở mỗi mức năng lượng chỉ có tối đa 2 electron đối song (ngược chiều và song song).
+ Các mức năng lượng lấy giá trị nhỏ hơn 0 và tăng dần theo chiều mũi tên hướng lên.
Càng lên cao thì các mức năng lượng càng sít lại và <i>E</i>_0. Cũng như mọi hệ vật lí

</div>
<span class='text_page_counter'>(29)</span><div class='page_container' data-page=29>

khác, electron bao giờ cũng có xu hướng chiếm giữ những trạng thái có mức năng
lượng thấp nhất vì ở đó chuyển động của electron là bền vững nhất. Khi đó ta nói rằng
electron nằm ở mức năng lượng thấp nhất. Khi ta cung cấp thêm năng lượng cho
electron (bằng cách đốt nóng nguyên tử hay bằng các phương pháp khác) thì khi
electron nhận đủ năng lượng cần thiết (bằng hiệu năng lượng giữa hai mức), electron sẽ
chuyển lên mức cao hơn, còn nếu năng lượng cung cấp cho electron chưa đủ thì
electron vẫn nằm ở mức năng lượng cũ.

Thứ hai: Xét chuyển động của electron bên trong kim loại (với giả thiết điện
trường của các ion dương trong mạng tinh thể không ảnh hưởng đến sự chuyển động
của electron).

Ta xem electron trong kim loại là chất khí electron, trong trường hợp đó giá trị
của electron cũng có các giá trị gián đoạn xác định. Theo quan niệm thơng thường, nếu
xem khí electron giống như khí lí tưởng thì ở nhiệt độ T = 00K tất cả electron nằm ở
mức năng lượng thấp nhất và vận tốc của nó bằng khơng. Thế nhưng thật sự khơng
phải như vậy, các electron được phân bố từ mức năng lượng thấp nhất trở lên và cứ
phân bố đủ hai electron ở mức nào đó thì lại tiếp tục phân bố sang mức cao hơn (theo
nguyên lý Pauli). Vì số electron trong một nguyên tử là giới hạn nên chỉ những mức
năng lượng thấp bị chiếm đầy còn những mức năng lượng cao hơn có thể chỉ có một
electron hoặc bỏ trống hoàn toàn.

Thứ ba: Xét chuyển động của electron bên trong kim loại có kể đến tác dụng của
các ion ở nút mạng tinh thể. Do các ion mang điện dương nằm tại các nút mạng xác
định bên trong tinh thể kim loại nên điện trường do chúng tạo ra ảnh hưởng đến sự

chuyển động của các electron điện trường này là điện trường tuần hoàn. (Do điện
trường do các ion dương ở nút mạng tạo ra là hàm số tuần hồn của toạ độ. Do đó thế
năng của electron trong kim loại không phải không thay đổi mà phụ thuộc một cách
tuần hoàn vào toạ độ).

Điện trường tuần hoàn bên trong tinh thể là cho các trạng thái năng lượng của
electron trong vật rắn thay đổi một cách căn bản so với trạng thái của chúng trong
nguyên tử cô lập. Trong vật rắn, trạng thái năng lượng

</div>
<span class='text_page_counter'>(30)</span><div class='page_container' data-page=30>

của chúng với hạt nhân nguyên tử mà còn do điện truờng của mạng tinh thể (tức là do
tương tác với các nguyên tử

khác).

Kết quả của tương tác đó là: thay vì cho mỗi ngun tử cơ lập xuất hiện một mức năng
lượng thì trong vật rắn có N nguyên tử tương tác sẽ xuất hiện N mức năng lượng phân
bố rất gần nhau, các mức này tạo thành một <i>giải năng lượng được phép</i> hay <i>miền năng</i>
<i>lượng được phép (</i>nghĩa là miền đó biểu diễn các trạng thái mà nguyên tử được phép
nằm trong đó).

[2],[5],[7]

<b>3.3. Các định luật</b>

<i><b>3.3.1. Định luật Ơm đối với chất điện phân</b></i>
<i><b>* Độ linh động của các ion</b></i>

Khi khơng có điện trường ngoài, các ion trong chất điện phân chuyển động nhiệt
hỗn loạn và do đó khơng có dịng điện tích chuyển động có hướng, nghĩa là khơng có
dịng điện. Khi có tác dụng của điện trường ngồi, các ion dương thu thêm được vận

tốc phụ <i>u+</i> hướng theo chiều điện trường, còn các ion âm thu được vận tốc phụ <i>u</i>

-hướng ngược chiều điện trường. Phép tính chứng tỏ, khi chế độ ổn định vĩnh cửu được
thiết lập thì các vận tốc chuyển động có hướng <i>u+</i> và <i>u-</i> tỉ lệ với cường độ điện trường

<i>E</i>: <i>u</i> <i>u E</i>0 và

0

<i>u</i>_ <i>u E</i>_ .

Như vậy ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn, trong dung dịch điện phân cịn có
sự chuyển dời có hướng của các điện tích, nghĩa là có dịng điện.

<i><b>* Định luật Ơm đối với chất điện phân</b></i>

Dòng điện trong chất điện phân được tạo nên bởi sự di chuyển có hướng của các
ion khác dấu dưới tác dụng của điện trường ngoài. Mật độ dòng điện bằng tổng số các
mật độ dòng điện tạo bởi sự di chuyển của các ion dương theo chiều điện trường và các
ion âm ngược chiều điện trường.

Gọi <i>n+</i> và <i>n-</i> tương ứng là mật độ các ion dương và ion âm, q là điện tích của

mỗi ion (<i>q+</i> = <i>q-</i> = <i>q</i>) ta có:

<i>j+</i> = <i>n+q u+ </i>Và <i>j-</i> = <i>n-qu</i>

-Mật độ dòng điện toàn phần: <i>j</i> = <i>j+ + j-</i>= <i>n+qu+ </i>+ <i>n-qu</i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(31)</span><div class='page_container' data-page=31>

Đối với chất điện phân nhị phân (mỗi phân tử phân li thành hai ion khác dấu) ta

có: <i>n+ </i>= <i>n- </i>= <i>αn0</i>

Vậy <i>j </i>= <i>qαn0</i>(<i>u+ </i>+<i> u+</i>) = <i>qαn0</i>(<i>u0+ </i>+<i> u0-</i>)<i>E</i>

Với một dung dịch cho trước, lượng <i>qαn0</i>(<i>u0+ </i>+<i> u0-</i>) không đổi. Vậy:

<i>Trong chất điện phân mật độ dòng điện tỉ lệ thuận với cường độ điện trường.</i>
Như vậy, định luật Ôm cũng đúng với chất điện phân. Dựa vào dạng vi phân của
định luật Ôm <i>j</i><i>E</i>_{, ta tìm được điện dẫn suất của của chất điện phân:}

0 0

0( )

<i>q n u</i> <i>u</i>

     .

<i><b>3.3.2. Định luật Faraday</b></i>

<i><b>* Định luật Faraday thứ nhất:</b></i>Được xây dựng theo thực nghiệm.
Đó là định luật cho ta mối liên hệ giữa khối lượng chất được
giải phóng ra ở điện cực và điện lượng đi qua dung dịch điện phân.
<i>- Phát biểu:</i> Khối lượng <i>M</i> chất được giải phóng ra ở điện cực tỉ lệ
với điện lượng <i>q </i>đi qua dung dịch điện phân

<i>- Biểu thức: M </i>= <i>kq </i>= <i>kIt</i>.

Trong đó : <i>I</i> là cường độ dịng điện (A)

<i>t</i> là thời gian dòng điện di qau dung dịch điện phân.
<i>k</i> gọi là đuơng lượng điện hố (kg/C), phụ thuộc vào
bản chất hóa học của chất giải phóng ra ở cực.

<i><b>* Định luật Faraday thứ hai:</b></i> Được xây dựng trên mối quan hệ giữa đương lượng hoá
học và đương lượng điện hoá của một chất.

Định luật này cho ta biết, đương lượng điện hoá phụ thuộc vào bản chất của chất
được giải phóng ra ở điện cực .

<i>- Phát biểu:</i> Đương lượng điện hoá của chất được giải phóng ra ở điện cực tỉ lệ với
đương lượng hóa học của chúng.

<i>- Biểu thức : </i> <i>k</i> <i>c</i> <i>A</i>
<i>n</i>



Trong đó : <i>A</i> là nguyên tử lượng của chất thoát ra ở điện cực
<i>n</i> là hoá trị của chất thoát ra ở điện cực

</div>
<span class='text_page_counter'>(32)</span><div class='page_container' data-page=32>

<i>c</i> là hằng số với tất cả mọi chất,

<i>F</i>

<i>c</i> 1 với <i>F</i> = 96500 nếu nguyên

tử lượng <i>A</i> tính ra gam.

<i><b>* Giải thích các định luật Faraday</b></i>

Dựa vào sự dẫn điện của chất điện phân và vào thuyết điện li, ta có thể giải thích
các định luật Faraday.

Giả sử có <i>N</i> ion di chuyển tới điện cực. Nếu khối lượng mỗi ion là <i>m</i>, thì khi <i>N</i>
ion đó được trung hồ ở điện cực, khối lượng của chất được giải phóng ra là: <i>M</i> = <i>Nm.</i>

Điện tích mỗi ion là <i>q</i> = <i>ne</i> (với <i>e</i> là điện tích ngun tố, <i>n</i> là hố trị của ngun
tố). Khi có N ion tới điện cực thì điện lượng đã chuyển qua dung dịch điện phân là: <i>Q</i>
= <i>Nq</i> = <i>Nne</i>.

Từ đó: <i>M</i> <i>N m</i>. <i>m</i> <i>Q</i>

<i>ne</i>

  .

Đó chính là biểu thức của định luật Faraday 1, với <i>k </i>= <i>m</i>/<i>ne</i>.

Mặt khác khối lượng nguyên tử của chất được giải phóng ra ở điện cực: <i>A</i> = <i>N0m</i>

(<i>N0</i> là số Avogadro) và đương lượng hoá học của chất đó bằng: 0

<i>N m</i>
<i>A</i>

<i>n</i>  <i>n</i>

Từ đó:

0

1 1

<i>m</i> <i>A</i> <i>A</i>

<i>k</i>

<i>ne n N e F n</i>

   

Đó chính là nội dung của định luật Faraday 2.

Từ đó ta tìm được số Faraday: <i>F</i> = <i>N0e </i>= 9,65.107 C/kmol.

Thống nhất hai định luật:

<i>Phát biểu:</i> Khối lượng <i>M</i> của chất được giải phóng ra ở điện cực tỉ lệ với đương lượng
hoá học <i>A/n</i> của chất đó và điện lượng <i>q</i> đi qua dung dịch điện phân.

<i>Biểu thức: </i> <i>M</i> <i>k</i> <i>Aq</i>
<i>n</i>

 hay <i>M</i> <i>k</i> <i>AIt</i>

<i>n</i>

 Tính ra bằng gam (g)

Trong đó: <i>I</i> tính theo ampe (A).
<i> t</i> tính theo giây (s).
[2],[4],[6]

<b>3.4. Khảo sát đặc tuyến Vơn – Ampe của các môi trường</b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(33)</span><div class='page_container' data-page=33>

+ Đối với dây dẫn kim loại, ở nhiệt độ nhất định, đặc tuyến Vơn – Ampe là một đoạn
thẳng (Hình 20) vì điện trở R khơng phụ thuộc vào hiệu điện thế U. Vậy dây dẫn kim
loại ở nhiệt độ không đổi là vật dẫn tuân theo định luật Ôm.

+ Tiến hành làm thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của điện trở dây tóc bóng đèn 6,2V
– 0,5A vào hiệu điện thế đặt vào bóng đèn. Kết quả thí nghiệm cho thấy, điện trở của
dây tóc bóng đèn tăng khi hiệu điện thế tăng. Mặt khác, khi hiệu điện thế tăng, độ sáng
của đèn tăng, chứng tỏ nhiệt độ dây tóc bóng đèn tăng. Từ đó có thể kết luận: điện trở
dây tóc bóng đèn tăng khi nhiệt độ tăng. Đặc tuyến Vơn – Ampe của điện trở dây tóc
bóng đèn có dạng như hình 21.

<i><b>* Trong chất điện phân</b></i>

- Thí nghiệm gồm bình thủy tinh đựng dung dịch CuSO4. Hai điện cực: anốt bằng
đồng, catốt có thể bằng than chì hoặc một kim loại khác nào đó. Đóng khóa K1 trong
khoảng thời gian 5 đến 10 phút. Quan sát kĩ catốt ta thấy có một lớp đồng mỏng bám
vào (Hình 22).

- Cũng với thí nghiệm như trên, đo các giá trị của cường độ dịng điện I qua bình khi
thay đổi hiệu điện thế U đặt vào bình, ta vẽ được đặc tuyến Vơn – Ampe của bình điện
phân đựng dung dịch CuSO4 với anốt bằng đồng (Hình 23).

HVTH: <i>Quách Nguyễn Bảo Nguyên</i> Trang 33

K₁

<i>E</i>
Cu2+

SO₄

2-SO

4

2-Cu2+

Dd CuSO₄

e- _e

-K
A
mA
<b>+</b> <b>_</b>
0
<i>U</i>(V)
<i>I</i>(A)

<i><b>Hình 20</b><b> : </b></i>Đặc tuyến Vôn – Ampe của
một đoạn dây dẫn ở nhiệt độ không đổi

1,5

0,5
0
0,06
0,02
0,04

1,0 2,0 2,5 3,0 <i>_U</i>_(V)

<i>I</i>(A)
0,14
0,12
0,10
0,08
0,18
0,16
2
1
0
0,3
0,2
0,1

3 4 5 6 7 <i>_U</i>_(V)

<i>I</i>(A)

</div>
<span class='text_page_counter'>(34)</span><div class='page_container' data-page=34>

* Trong chân không

Để khảo sát dịng điện trong chân khơng, người ta
dùng sơ đồ thí nghiệm như hình 24, gồm: điơt điện tử,

nguồn điện và miliampe kế.

Điơt là một bóng thuỷ tinh đã hút hết khí trong đó
có hai cực: catốt (K) là một vật liệu khó nóng chảy (như
vơnfram chẳng hạn) trên bề mặt có phủ một lớp chất có
cơng thốt nhỏ, cịn anốt thường có dạng hình trụ bao
quanh catốt.

Khi catốt chưa được đốt nóng thì trong mạch khơng có dịng điện dù đặt vào hai
cực một hiệu điện thế khá lớn. Khi đốt nóng catốt (nhờ một nguồn điện phụ) thì xảy ra
hiện tượng phát xạ nhiệt electron, trong mạch có dịng điện. Dịng điện đó chỉ xuất hiện
trong trường hợp cực dương của nguồn nối với Anôt và cực âm nối với Catốt . Nghĩa
là <i>dòng điện chỉ chạy theo một chiều</i> từ Anơt sang Catốt.

Cường độ dịng điện <i>I </i>qua điôt chân không phụ thuộc hiệu điện thế giữa Anốt và
Catốt.

Đường đặc trưng vơn - ampe có dạng như hình 25.
+ Khi điện thế anốt bằng khơng, cường độ dịng điện qua điôt nhỏ.

+ Khi tăng điện thế dương của anốt (U>0) cường độ dòng điện tăng.
+ Tiếp tục tăng điện thế anốt thì cường độ dịng điện

đạt tới giá trị cực đại nào đó gọi là <i>dịng điện bão hịa</i>
<i>Ibh</i> của điốt, khi đó dịng điện hầu như khơng phụ thuộc

vào sự tăng điện thế ở anốt nữa.

+ Khi tăng nhiệt độ của catốt, đường đặc tuyến Vôn –
Ampe là những đường cong. Với những giá trị của

dòng điện nhỏ hơn <i>Ibh</i>, sự phụ thuộc của <i>I </i>và <i>U</i> với

những nhiệt độ khác nhau được biểu diễn cùng một đường cong.

Đường đặc tuyến Vôn – Ampe của điôt điện tử là phi tuyến tính. Vì vậy, đèn
điơt điện tử là vật dẫn khơng tn theo định luật Ơm.

<i><b>Hình 24</b></i>

mA

</div>
<span class='text_page_counter'>(35)</span><div class='page_container' data-page=35>

<i><b>* Trong chất khí</b></i>

Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ dịng điện trong chất khí ở áp suất bình
thường vào hiệu điện thế khi có tác nhân ion hóa, ta thu được đặc tuyến Vơn – Ampe
như hình 26.

Đặc tuyến Vôn – Ampe không phải là đường thẳng. Vì
vậy, dịng điện trong chất khí khơng tn theo định luật Ơm.
Đặc điểm này được giải thích như sau:

Khi tăng <i>U</i>, cường độ điện trường tăng thì lực điện
trường tác dụng lên các điện tích tăng vì thế số điện tích đi
đến các điện cực tăng theo, làm cho cường độ dòng điện tăng
(<i>I</i> tỉ lệ với <i>U</i>).

Tuy nhiên, dưới tác dụng của điện trường, khi phần lớn các điện tích được tạo
thành sau mỗi giây đã tới được các cực thì dịng

điện khơng tăng nữa, nó đạt giá trị bão hồ (đoạn <i>ab</i>). Sự tăng dòng điện trong đoạn <i>bc</i>

là do các electron do tác nhân ion hoá tạo ra được gia tốc mạnh dưới tác dụng của điện
trường khá lớn trên suốt qng đường tự do trung bình, nên đã tích luỹ năng lượng đủ
lớn đủ để ion hoá các phân tử khi va chạm với chúng. Các electron vừa mới bứt ra từ
các phân tử được gia tốc trong điện trường, lại va chạm với các phân tử khác và gây ra
sự ion hoá. Số lượng electron và ion sẽ được tăng rất nhanh và lớn gấp nhiều lần số
điện tích tự do được tạo bởi tác nhân ion hố. Số electron tạo ra rất nhanh gây thành
thác electron.

<i><b>Hình 27</b></i>

Do đó, khi <i>U</i> > <i>UC</i> thì <i>I</i> tăng nhưng vẫn phụ thuộc số hạt tải điện mà tác nhân ion

hố bên ngồi sinh ra.

</div>
<span class='text_page_counter'>(36)</span><div class='page_container' data-page=36>

Q trình dẫn điện của chất khí nói trên được gọi là q trình dẫn điện khơng tự
lực.

<i><b>* Trong chất bán dẫn</b></i>

Để khảo sát dòng điện trong bán dẫn ta thiết lập sơ đồ thí nghiệm sau:

<i><b>Hình 28: </b></i>Dịng điện thuận qua điơt bán dẫn <i><b>Hình 29: </b></i> Dịng điện ngược qua điôt bán dẫn

Dùng biến trở R để thay đổi hiệu điện thế U đặt vào hai cực của điốt. Ta vẽ
được đặc tuyến Vôn – Ampe sau (Hình 30, 31 ):

+ <i>Nhánh thuận</i>: Khi hiệu điện thế thuận tăng thì dịng điện thuận có cường độ lớn và
tăng nhanh theo. Trong thực tế, người ta chỉ dùng điôt phân cực thuận đến giá trị hiệu

điện thế thuận cỡ vài vơn. Vì với hiệu điện thế cao hơn, <i>Ith</i> có giá trị rất lớn, làm hỏng

lớp chuyển tiếp.

+ <i>Nhánh ngược</i>: Dịng ngược rất nhỏ và hầu như khơng tăng theo hiệu điện thế. Tuy
nhiên nếu Ung quá lớn, điện trường trong <i>Et</i>



ở lớp chuyển tiếp quá lớn thì sẽ xảy ra
hiện tượng đánh thủng lớp chuyển tiếp và dòng <i>Ing</i> tăng mạnh.

</div>
<span class='text_page_counter'>(37)</span><div class='page_container' data-page=37>

[2],[4],[6],[8]

<b>3.5. Một số ứng dụng của dịng điện trong các mơi trường.</b>

<i><b>* Ứng dụng của cặp nhiệt điện</b></i>

+ Nhiệt kế nhiệt điện: Cặp nhiệt điện có thể dùng để đo nhiệt độ rất cao cũng
như nhiệt độ rất thấp mà không thể đo bằng nhiệt kế thông thường.

+ Pin nhiệt điện: Ghép nhiều cặp nhiệt điện ta được một nguồn điện gọi là pin
nhiệt điện.

<i><b>* Ứng dụng của hiện tượng điện phân</b></i>

+ Luyện kim: Dựa vào hiện tượng cực dương tan để tinh chế kim loại.

+ Mạ điện: Dùng phương pháp điện phân để phủ một lớp kim loại không gỉ lên
những đồ vật bằng kim khác.

+ Đúc điện

+ Trong hoá học: Ứng dụng để điều chế một số khí như Cl2 , H2 , O2…, điều chế
nước javen.

VD: Na + H2O  NaOH + 1/2H2

Cl2 + 2NaOH  ClONa + NaCl + H2O
+ Nạp điện acquy.

</div>
<span class='text_page_counter'>(38)</span><div class='page_container' data-page=38>

<i><b> Hình 33:</b></i> Nạp điện acquy <i><b>Hình 34: </b></i>Luyện kim
<i><b>* Ứng dụng của tia Catôt</b></i>

Một ứng dụng quan trọng của tia catơt là trong ống phóng điện tử (cịn gọi là
ống catơt). Đó là bộ phận thiết yếu của máy thu hình, dao động kí điện tử, máy tính
điện tử…

<i><b> Hình 35:</b></i> Ống phóng điện tử <i><b>Hình 36:</b></i> Kính hiển vi điện tử
Kính hiển vi điện tử cũng là một ứng dụng quan trọng của tia catơt. Có hai loại
kính hiển vi điện tử là kính hiển vi điện tử truyền qua và kính hiển vi điện tử quét.

<i><b>* Ứng dụng của tia lửa điện: </b></i>Khoan cắt kim loại.

<i><b>Hình 37: </b></i>Khoan cắt kim loại
<i><b>* Ứng dụng của hồ quang điện</b></i>

<b>C a p b a n </b>

<b>th a n g d u n g</b> <b>C a p b a n </b>
<b>n a m n g a n g</b>

<b>M a n </b>
<b>h u y n h </b>
<b>q u a n g</b>
<b>C u c d ie u k h ie n</b>

<b>D a y</b>
<b>d o t</b> <b>C a to t</b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(39)</span><div class='page_container' data-page=39>

<i><b> </b></i>+ Hàn điện.

+ Nấu chảy kim loại.

<i><b> Hình 39: </b></i>Hàn điện <i><b>Hình 40: </b></i>Nấu chảy kim loại
+ Làm nguồn sáng mạnh cho các đèn chiếu, đèn biển, máy chiếu phim…

<i><b> Hình 41: </b></i>Máy quay phim <i><b>Hình 42:</b></i> Đèn hải đăng

</div>
<span class='text_page_counter'>(40)</span><div class='page_container' data-page=40>

<i><b>Hình 45:</b></i>Sơ đồ mắc đèn ống

+ Thực hiện các phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao.

<i><b>Hình 43: </b></i>Làm nguồn đốt nóng cho các phản ứng hóa học

+ Nhiều nguồn sáng được dùng trong chiếu sáng công cộng là hồ quang điện
trong các khối hơi như natri, hơi thủy ngân… chứa trong bóng thủy tinh kín.

<i><b> Hình 44:</b></i> Đèn hồ quang

<i><b>* Một số linh kiện bán dẫn</b></i>

- <i>Điôt</i>: là các linh kiện bán dẫn hai cực, trong đó có một lớp chuyển tiếp <i>p-n</i>.

<i><b> </b></i> <i><b> </b></i>

<i><b>Hình 46: </b></i>Điôt bán dẫn

</div>
<span class='text_page_counter'>(41)</span><div class='page_container' data-page=41>

<i><b>Hình 47: </b></i>Một số điơt bán dẫn trong thực tế

+ Điôt chỉnh lưu: Dùng để chỉnh lưu dịng điện xoay chiều, hoạt động dựa trên
cơ sở tính chất chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp <i>p-n</i>.

<i><b>Hình 48:</b></i> Chỉnh lưu nửa chu kì <i><b>Hình 49:</b></i> Chỉnh lưu cả chu kì

<i><b>Hình 50:</b></i> Điơt chỉnh lưu trong thực tế
+ Phôtôđiôt

</div>
<span class='text_page_counter'>(42)</span><div class='page_container' data-page=42>

+ Pin mặt trời: Là phôtôđiôt được sử dụng làm nguồn điện, hoạt động bằng cách
biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện.

<i><b>Hình 52:</b></i> Một số pin mặt trời

+ Điôt phát quang (LED): Được dùng làm các bộ hiển thị, đèn báo, làm các màn
hình quảng cáo và làm nguồn sáng.

</div>
<span class='text_page_counter'>(43)</span><div class='page_container' data-page=43>

+ Pin nhiệt điện bán dẫn: gồm một dãy các cặp nhiệt điện làm từ những thanh bán
dẫn loại <i>n</i> và loại <i>p </i>xen kẽ nhau. Ứng dụng để chế tạo các thiết bị làm lạnh gọn, nhẹ,

hiệu quả cao dùng trong khoa học, y học…

<i><b>Hình 54:</b></i> Một số pin nhiệt điện bán dẫn
- <i>Tranzito: </i>Là dụng cụ bán dẫn có hai lớp chuyển tiếp <i>p-n</i>.

<i><b>Hình 55: </b></i>Hình ảnh một số Tranzito

</div>
<span class='text_page_counter'>(44)</span><div class='page_container' data-page=44>

<b>KẾT LUẬN</b>

Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thơng là việc làm quan trọng, cần thiết đối
với mỗi giáo viên. Qua việc xác định và phân tích những kiến thức cơ bản trong phần
“Dịng điện trong các mơi trường” đã giúp bản thân nắm rõ các kiến thức hơn. Qua đó,
có thể giúp học sinh nắm vững kiến thức của phần này, giải thích được một số hiện
tượng trong cuộc sống, hiểu được những ứng dụng cũng như tác hại của các hiện tượng
đó trong kĩ thuật và đời sống.

Tiểu luận đã làm được những việc như sau:

- Trình bày các hiện tượng nhiệt điện và hiện tượng siêu dẫn.

- Trình bày các thuyết liên quan đến nội dung kiến thức của phần “Dịng điện trong các
mơi trường”.

- Trình bày định luật Faraday.

- Khảo sát đặc tuyến Vôn – Ampe trong một số môi trường.

</div>
<span class='text_page_counter'>(45)</span><div class='page_container' data-page=45>

<b>TÀI LIỆU THAM KHẢO</b>

<b>1.</b> David Halliday (1999), <i>Cơ sở vật lí</i>, tập 4, Nhà xuất bản Giáo dục.

<b>2.</b> Vũ Thanh Khiết (2001), <i>Điện học</i>, Nhà xuất bản Giáo dục.

<b>3.</b> Lê Công Triêm (2004), <i>Nghiên cứu chương trình Vật lý phổ thơng</i>, Bài giảng ở lớp,
ĐHSP Huế.

<b>4.</b> Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2007), <i>Vật lí 11 Nâng cao</i>, Nhà xuất bản Giáo
dục.

<b>5.</b> Nguyễn Thế Khơi (Tổng chủ biên) (2007),<i> SGV Vật lí 11 Nâng cao</i>, Nhà xuất bản
Giáo dục.

<b>6.</b> Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2007), <i>Vật lí 11</i>, Nhà xuất bản Giáo dục.

<b>7.</b> Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2007),<i> SGV Vật lí 11</i>, Nhà xuất bản Giáo dục.

</div>

<!--links-->
Phối hợp các phương pháp và phương tiện dạy học nhằm tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh trung học phổ thông miền núi khi dạy chương “Dòng điện trong các môi trương”

• 8
• 1
• 23