Hệ thống kiến thức Vật lý 11 nâng cao - Dòng điện trong các môi trường

Trường THPT Nguyễn Đáng
Lớp 11
Họ và Tên:
HỆ THỐNG KIẾN THỨC
VẬT LÝ 11 NÂNG CAO
Chương 3
DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG
–Y—
I/. Dòng điện trong kim loại
Các tính chất điện của kim loại
+ Kim loại là chất dẫn điện tốt.
+ Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm.
+ Dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại gây ra tác dụng nhiệt.
+ Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ. 
 Trong đó là điện trở suất ở (ºC); được gọi là hệ số nhiệt điện trở, có đơn vị ; là điện trở suất ở t (ºC).
+ Từ đó ta có Trong đó là điện trở của kim loại ở (ºC) và R là điện trở của kim loại ở t (ºC).
Êlectron tự do trong kim loại
+ Trong kim loại, các nguyên tử bị mất êlectron hóa trị trở thành các ion dương, sắp xếp một cách tuần hoàn, trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại.
+ Các êlectron hóa trị chuyển động hỗn loạn trong mạng tinh thể, gọi là các êlectron tự do; chúng tạo thành khí êlectron tự do choán toàn bộ thể tích của tinh thể kim loại.
+ Các kim loại khác nhau có mật độ êlectron tự do khác nhau; mật độ này có giá trị không đổi đối với mỗi kim loại.
+ Khi không có tác dụng của điện trường ngoài, chuyển động hỗn loạn của các êlectron tự do không tạo ra dòng điện.
Giải thích tính chất điện của kim loại
a) Bản chất dòng điện trong kim loại
Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các êlectron tự do ngược chiều điện trường.
b) Nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại là do sự mất trật tự của mạng tinh thể đã cản trở chuyển động có hướng của các êlectron tự do, làm cho chuyển động của êlectron bị lệch hướng.
c) Khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất của kim loại tăng. Vì khi nhiệt độ càng cao thì các ion càng dao động mạnh, độ mất trật tự của mạng tinh thể càng tăng, càng làm tăng sự cản trở chuyển động của các êlectron tự do.
d) Khi có dòng điện chạy qua, dây dẫn kim loại nóng lên. Vì dưới tác dụng của lực điện trường, êlectron tự do thu thêm năng lượng. Năng lượng của chuyển động có hướng của các êlectron tự do được truyền một phần (hay hoàn toàn) cho mạng tinh thể khi va chạm, làm tăng nội năng của kim loại, tức là làm cho kim loại nóng lên.
II/. Hiện tượng nhiệt điện. Hiện tượng siêu dẫn
Hiện tượng nhiệt điện
a) Cặp nhiệt điện, dòng nhiệt điện
Hiện tượng tạo thành suất điện động nhiệt điện trong một mạch điện kín gồm hai vật dẫn khác nhau khi giữ hai mối hàn ở hai nhiệt độ khác nhau là hiện tượng nhiệt điện.
+ Dụng cụ tạo ra suất điện động nhiệt điện gọi là cặp nhiệt điện, dòng điện được tạo ra gọi là dòng nhiệt điện.
b) Biểu thức của suất điện động nhiệt điện 
Với là hệ số nhiệt điện động, phụ thuộc vào vật liệu làm cặp nhiệt điện, đơn vị μV/K.
 là hiệu nhiệt độ giữa hai mối hàn (), đơn vị là ken-vin (K).
E là suất nhiệt điện động, đơn vị tương ứng trong biểu thức là μV.
b) Ứng dụng của cặp nhiệt điện
+ Nhiệt kế nhiệt điện là cặp nhiệt điện có thể dùng để đo nhiệt độ rất cao cũng như rất thấp.
+ Pin nhiệt điện. Ghép nhiều cặp nhiệt điện ta được một nguồn điện gọi là pin nhiệt điện, hiệu suất khoảng 0,1%.
Hiện tượng siêu dẫn
Khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ Tc nào đó, điện trở của kim loại (hay hợp kim) đó giảm đột ngột đến giá trị bằng không. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng siêu dẫn. Khi đó, kim loại hoặc hợp kim có tính siêu dẫn.
+ Khi vật dẫn ở trạng thái siêu dẫn, điện trở của nó bằng không.
+ Các vật liêu siêu dẫn có nhiều ứng dụng. Nam châm điện có cuộn dây bằng vật liệu siêu dẫn, có thể tạo ra từ trường mạnh trong một thời gian dài mà không hao phí năng lượng vì tỏa nhiệt.
III/. Dòng điện trong chất điện phân. Định luật Fa-ra-đây
Thí nghiệm về dòng điện trong chất điện phân
Bố trí thí nghiệm như hình 19.1 (Sgk). Từ kết quả thí nghiệm cho phép ra kết luận:
+ Dòng điện không đi qua nước cất nhưng đi qua dung dịch muối, axit hoặc bazơ.
+ Các dung dịch muối, axit, bazơ được gọi là các chất điện phân. Các muối nóng chảy cũng là chất điện phân. 
Bản chất dòng điện trong chất điện phân
Dòng điện trong chất điện phân là dòng dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường.
Phản ứng phụ trong chất điện phân
Các ion âm dịch chuyển đến anôt nhường êlectron cho anôt, còn các ion dương đến catôt và nhận êlectron từ catôt. Các ion đó trở thành nguyên tử hay phân tử trung hòa, có thể bám vào điện cực hoặc bay lên dưới dạng khí. Chúng có thể tác dụng với điện cực và dung môi, gây ra các phản ứng hóa học gọi là phản ứng phụ hay phản ứng thứ cấp.
Hiện tượng dương cực tan
+ Hiện tượng dương cực tan xảy ra khi điện phân một dung dịch muối kim loại mà anôt làm bằng chính kim loại ấy. 
Ví dụ khi điện phân dung dịch đồng sunfat (CuSO4) mà anôt bằng đồng. Kết quả là điện cực dương làm bằng đồng bị hao dần đi, còn điện cực âm có đồng bám vào.
+ Khi có hiện tượng dương cực tan, dòng điện trong chất điện phân tuân theo định luật Ôm, giống như đoạn mạch chỉ có điện trở thuần.
Định luật Fa-ra-đây về điện phân
a) Định luật I Fa-ra-đây
Khối lượng m của chất được giải phóng ra ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ với điện lượng q chạy qua bình đó. 
+ Hệ số tỉ lệ k được gọi là đương lượng điện hóa, phụ thuộc vào bản chất của chất được giải phóng ra ở điện cực. Trong hệ SI, đơn vị đương lượng điện hóa là kg/C.
b) Định luật II Fa-ra-đây
Đương lượng điện hóa k của một nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam của nguyên tố đó. 
+ Hệ số tỉ lệ c có cùng một giá trị đối với tất cả các chất. Người ta thường kí hiệu , trong đó F cũng là một hằng số đối với mọi chất và gọi là số Fa-ra-đây. C/mol khi m đo bằng gam.
c) Công thức Fa-ra-đây về điện phân
 hay Với I là cường độ dòng điện không đổi đi qua bình điện phân (A), t là thời gian dòng điện chạy qua bình (s) và m đo bằng gam.
Ứng dụng của hiện tượng điện phân
+ Điều chế hóa chất. Như điều chế clo, hiđrô và xút (NaOH) bằng cách điện phân dung dịch muối ăn (NaCl).
+ Luyện kim. Dựa vào hiện tượng dương cực tan để tinh chế kim loại.
+ Mạ điện. Dùng phương pháp điện phân để phủ một lớp kim loại (như crôm, niken, vàng, bạc, ) lên những đồ vật bằng kim loại khác. Khi đó vật cần được mạ dùng làm cực âm, kim loại dùng để mạ làm cực dương, còn chất điện phân là dung dịch muối của kim loại dùng để mạ.
Công thức tính khối lượng của lớp kim loại bám vào vật cần mạ theo khối lượng riêng: . Trong đó khối lượng riêng của kim loại dùng để mạ ; V là thể tích của lớp kim loại đó ; S là diện tích bề mặt của vật cần mạ và d là bề dày lớp kim loại được mạ. 
IV/. Dòng điện trong chân không
Dòng điện trong chân không
+ Bản chất dòng điện trong chân không
Dòng điện trong điôt chân không là dòng dịch chuyển có hướng của các êlectron bứt ra từ catôt bị nung nóng dưới tác dụng của điện trường.
+ Dòng điện chạy trong điôt chân không chỉ theo một chiều từ anôt đến catôt.
Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế
+ Đặc tuyến vôn-ampe của dòng điện trong chân không có dạng như hình 21.2 (Sgk)
+ Dòng điện trong chân không không tuân theo định luật Ôm.
Khi : U tăng thì I tăng.
Khi thì U tăng I không tăng và có giá trị gọi là cường độ dòng điện bão hòa. Nhiệt độ catôt càng cao thì càng lớn.
+ Điôt chân không có tính dẫn điện theo một chiều, nên được dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều (chỉnh lưu dòng điện xoay chiều).
Tia catôt
Dòng các êlectron do catôt phát ra gọi là tia catôt. Tia catôt có các tính chất sau:
+ Tia catôt truyền thẳng.
+ Tia catôt phát ra vuông góc với mặt catôt.
+ Ta catôt mang năng lượng.
+ Tia catôt có thể đâm xuyên, có tác dụng lên kính ảnh và có khả năng ion hóa không khí.
+ Tia catôt làm phát quang một số chất.
+ Tia catôt bị lệch trong điện trường, từ trường.
+ Tia catôt có tốc độ lớn, khi đập vào các kim loại có nguyên tử lượng lớn bị hãm lại và làm phát ra tia Rơn-ghen (tia X).
Ống phóng điện tử
Một ứng dụng quan trọng của tia catôt là trong ống phóng điện tử (còn gọi là ống catôt). Ống phóng điện tử là bộ phận thiết yếu của máy thu hình, dao động kí điện tử, máy tính điện tử, (Hình 21.6)
V/. Dòng điện trong chất khí
Sự phóng điện trong chất khí
+ Ở điều kiện bình thường, không khí là điện môi.
+ Khi bị đốt nóng, không khí trở nên dẫn điện. Đó là sự phóng điện trong không khí.
Bản chất dòng điện trong chất khí
Dòng điện trong chất khí là dòng dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm, êlectron ngược chiều điện trường.
Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chất khí vào hiệu điện thế
+ Dòng điện trong chất khí không tuân theo định luật Ôm. (Hình 22.3)
+ Khi tăng dần hiệu điện thế, bắt đầu từ U = 0 đến sự phóng điện chỉ xảy ra khi có tác dụng của tác nhân ion hóa, ta có sự phóng điện không tự lực.
+ Khi cường độ dòng điện giữ nguyên giá trị bằng . Ta nói cường độ dòng điện đạt giá trị bão hòa .
+ Khi thì cường độ dòng điện tăng vọt lên vì có nhiều ion và êlectron được tạo thành, nhờ có sự ion hóa do va chạm của các êlectron với phân tử khí. Dù có ngừng tác dụng của tác nhân ion hóa, sự phóng điện vẫn được duy trì. Ta nói rằng có sự phóng điện tự lực (hay phóng điện tự duy trì).
Quá trình phóng điện trong chất khí thường có kèm theo sự phát sáng.
Các dạng phóng điện trong không khí ở áp suất bình thường
a) Tia lửa điện (tia điện)
Tia lửa điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí khi có tác dụng của điện trường đủ mạnh để làm ion hóa khí, biến phân tử khí trung hòa thành ion dương và êlectron tự do.
+ Trong không khí, tia lửa điện có thể hình thành khi có điện trường mạnh (E = 3.V/m). Tia lửa điện không có dạng nhất định, thường là một chùm tia ngoằn ngoèo, có nhiều nhánh. Tia lửa điện thường kèm theo tiếng nổ, trong không khí sinh ra ôzôn có mùi khét.
b) Sét
Sét phát sinh do sự phóng điện giữa các đám mây tích điện trái dấu hoặc giữa một đám mây tích điện với mặt đất tạo thành tia lửa điện khổng lồ. Sự phát tia lửa của sét làm áp suất không khí tăng đột ngột, gây ra tiếng nổ, gọi là tiếng sấm (nếu phóng điện giữa hai đám mây), hoặc tiếng sét (nếu phóng điện giữa đám mây và mặt đất)
c) Hồ quang điện
Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn.
+ Ví dụ về hồ quang là sự phóng điện giữa hai đầu đặt gần nhau của hai thanh than nối vào nguồn điện 40 V50 V.
+ Hồ quang cũng có thể xuất hiện giữa các điện cực bằng kim loại. Nhiệt độ của hồ quang thường rất cao từ 2 500ºC đến 8 000ºC.
+ Hồ quang có rất nhiều ứng dụng trong kỹ thuật như: hàn điện, nấu chảy kim loại, điều chế hợp kim. Nhờ nhiệt độ cao của hồ quang người ta có thể thực hiện nhiều phản ứng hóa học. Nhiều nguồn sáng được dùng trong chiếu sáng công cộng là hồ quang điện trong các khối hơi natri, hơi thủy ngân,  chứa trong các bóng thủy tinh kín. Đèn huỳnh quang là hồ quang sinh ra trong hơi thủy ngân ở áp suất thấp. 
Sự phóng điện trong chất khí ở áp suất thấp
a) Khi áp suất chất khí vào khoảng từ 1 đến 0,01 mmHg và hiệu điện thế giữa hai cực vào khoảng vài trăm vôn, sự phóng điện có hai miền chính (hình 22.11): miền tối catôt và cột sáng anôt. Sự phóng điện này gọi là sự phóng điện thành miền.
b) Khi áp suất chất khí trong ống phóng điện vào khoảng 0,01 đến 0,001 mmHg thì miền tối catôt choán đầy ống. Trong ống hầu như không sáng nữa, nhưng ở thành thủy tinh đối diện với catôt phát ra ánh sáng màu lục hơi vàng. Đó là do tia catôt làm phát quang thủy tinh.
VI/. Dòng điện trong chất bán dẫn
Tính chất điện của bán dẫn
a) Bán dẫn điển hình và dùng phổ biến nhất là silic. Ngoài ra còn có rất nhiều bán dẫn khác.
b) Tính chất điện của bán dẫn
+ Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi.
+ Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng. Do đó ở nhiệt độ thấp bán dẫn dẫn điện rất kém, còn ở nhiệt độ cao bán dẫn dẫn điện khá tốt.
+ Tính chất điện của bán dẫn phụ thuộc rất mạnh vào các tạp chất có mặt trong tinh thể.
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
+ Ở nhiệt độ thấp, gần 0 k, liên kết giữa các nguyên tử trong tinh thể rất bền vững, trong tinh thể không có hạt tải điện tự do, bán dẫn tinh khiết không dẫn điện.
+ Ở nhiệt độ tương đối cao, một số êlectron hóa trị trở thành các êlectron tự do, có thể tham gia vào sự dẫn điện. Đồng thời, mỗi êlectron bị bứt khỏi liên kết sẽ để lại một lỗ trống tương đương với một hạt mang điện tích nguyên tố dương. Lỗ trống cũng tham gia vào sự dẫn điện. Vậy, ở nhiệt độ cao có sự phát sinh các cặp êlectron - lỗ trống. Bên cạnh đó cũng xảy ra quá trình tái hợp êlectron - lỗ trống.
+ Khi có điện trường đặt vào, êlectron chuyển động ngược chiều điện trường, lỗ trống chuyển động thuận chiều điện trường, gây nên dòng điện trong bán dẫn.
+ Bản chất dòng điện trong bán dẫn: Dòng điện trong bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các êlectron và lỗ trống.
Ở bán dẫn tinh khiết, số êlectron và lỗ trống bằng nhau. Bán dẫn tinh khiết còn gọi là bán dẫn loại i.
Độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng.
+ Bán dẫn được ứng dụng làm nhiệt điện trở bán dẫn, dùng để đo nhiệt độ hay làm quang điện trở bán dẫn.
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
+ Khi bán dẫn có pha tạp chất, ngoài sự dẫn điện riêng còn có sự dẫn điện do tạp chất nên độ dẫn điện của bán dẫn tăng lên rất nhiều.
a) Bán dẫn loại n
Khi pha tạp chất phôtpho vào trong bán dẫn silic chẳng hạn, thì mật độ êlectron lớn hơn mật độ lỗ trống, nên êlectron là hạt tải điện cơ bản hay đa số, lỗ trống là hạt tải điện không cơ bản hay thiểu số. Bán dẫn như vậy gọi là bán dẫn êlectron hay bán dẫn loại n.
b) Bán dẫn loại p
Khi pha tạp chất bo vào trong bán dẫn silic chẳng hạn, thì mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ êlectron, nên lỗ trống là hạt tải điện cơ bản hay đa số, êlectron là hạt tải điện không cơ bản hay thiểu số. Bán dẫn như vậy gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại p.
Lớp chuyển tiếp p-n
a) Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n
Cho hai mẫu bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc nhau, khi đó có sự khuếch tán lỗ trống và êlectron từ p sang n và ngược lại. Ở mặt phân cách giữa hai mẫu bán dẫn, bên phía n có một lớp điện tích dương, bên phía p có một lớp điện tích âm, hình thành lớp chuyển tiếp p-n.
b) Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
+ Mắc hai đầu của mẫu bán dẫn có lớp chuyển tiếp p-n vào một nguồn điện, sao cho cực dương nối với bán dẫn p và cực âm nối với bán dẫn n. Khi đó dòng điện I có cường độ lớn chạy theo chiều từ p sang n gọi là dòng điện thuận. Lớp chuyển tiếp được phân cực thuận, gây nên sự phun lỗ trống vào bán dẫn loại n và phun êlectron vào bán dẫn loại p.
+ Khi lớp chuyển tiếp p-n phân cực ngược thì dòng điện I có cường độ rất nhỏ chạy theo chiều từ n sang p gọi là dòng điện ngược.
Vậy, lớp chuyển tiếp p-n dẫn điện tốt theo một chiều, từ p sang n. Lớp chuyển tiếp p-n có tính chất chỉnh lưu, được ứng dụng trong nhiều dụng cụ bán dẫn như điôt, tranzito,
c) Đặc tuyến vôn-ampe của lớp chuyển tiếp p-n (hình 23.12)
VII/. Linh kiện bán dẫn
Điôt
Điôt là các linh kiện bán dẫn hai cực, trong đó có một lớp chuyển tiếp p-n.
a) Điôt chỉnh lưu
Điôt chỉnh lưu dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, hoạt động trên cơ sở tính chất chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p-n.
+ Sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kỳ (hình 24.2). Trong một chu kỳ của dòng điện xoay chiều, dòng điện chỉ qua điện trở tải R ở nửa chu kỳ mà lớp chuyển tiếp p-n được mắc theo chiều thuận.
b) Phôtôđiôt (hay điôt quang) (Hình 24.3)
	Phôtôđiôt biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. Dòng điện ngược qua lớp chuyển tiếp p-n tăng lên rõ rệt khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.
c) Pin mặt trời
Khi có ánh sáng chiếu vào, giữa hai đầu điôt hình thành một suất điện động quang điện. Điốt trở thành một nguồn điện, phía p là cực dương và phía n là cực âm. Đó là pin quang điện, được dùng để chuyển năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện, gọi là pin mặt trời.
d) Điôt phát quang
	Nếu điôt được chế tạo từ những vật liệu bán dẫn thích hợp, thì khi có dòng điện thuận chạy qua điôt, ở lớp chuyển tiếp p-n có ánh sáng phát ra. Đó là điôt phát quang (LED), được dùng làm các bộ hiển thị, đèn báo,
e) Pin nhiệt điện bán dẫn
Cặp nhiệt điện làm từ hai thanh bán dẫn khác loại có hệ số nhiệt điện động lớn hơn hàng trăm lần so với cặp nhiệt điện kim loại. Pin nhiệt điện dùng trong thực tế đều được làm bằng bán dẫn.
Tranzito
a) Cấu tạo
Tranzito là một dụng cụ bán dẫn có hai lớp chuyển tiếp p-n. Tranzito được tạo thành từ một mẫu bán dẫn, trên đó bằng cách khuếch tán các tạp chất, người ta tạo thành ba khu vực bán dẫn, theo thứ tự là p-n-p hoặc n-p-n. Khu vực ở giữa có chiều dày rất mỏng và có mật độ hạt tải điện thấp.
Ba cực của tranzito p-n-p được nối với ba khu vực và được gọi là cực phát E (hay êmitơ), cực gốc B (hay bazơ) và cực góp C (hay colectơ) (Hình 24.5)
b) Hoạt động
Để tranzito làm việc được, người ta mắc nó vào mạch (hình 24.6). Nguồn điện (khoảng trên dưới một vôn) làm cho lớp chuyển tiếp EB được phân cực thuận. Nguồn lớn hơn từ năm đến mười lần, làm cho lớp chuyển tiếp BC được phân cực ngược.
+ Vì lớp chuyển tiếp EB được phân cực thuận, nên có sự phun hạt tải qua lớp chuyển tiếp, tạo nên dòng , chủ yếu là dòng lỗ trống từ E sang B. Do lớp bán dẫn n ở cực B có độ dày rất nhỏ, nên phần lớn số lỗ trống được cuốn qua lớp chuyển tiếp BC, gây nên dòng . Chỉ một phần nhỏ của chạy ra cực B, gây nên dòng . Do đó và . Tỉ số gọi là hệ số khuếch đại dòng điện.
+ Nếu hiệu điện thế giữa cực E và cực B biến thiên một lượng thì hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở R biến thiên một lượng lớn hơn nhiều lần. Ta nói được khuếch đại trong mạch tranzito.
+ Khi dòng = 0, tranzito ở trạng thái ngắt. Khi dòng có giá trị lớn và đạt giá trị cực đại, tranzito ở trạng thái bão hòa.