- DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI VÀ BÀI TẬP ÁP DỤNG Bài tập tiểu luận Huỳnh Trọng Dương DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI - ỨNG DỤNG VÀ MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG. - Bản chất của các hạt mang điện trong kim loại. - Cơ sở lý thuyết cổ điển về kim loại 1.3.1. - Những nhược điểm của lý thuyết điện tử cổ điển về sự dẫn điện của kim loại 1.4. - Giải thích tính chất điện của kim loại 1.5.1. - Hiện tượng ở chổ tiếp xúc giữa các kim loại Chương II: Ứng dụng của kim loại. - Tuy nhiên, việc hiểu rõ bản chất, cấu trúc của kim loại cũng như nguyên lý hoạt động của dòng điện trong kim loại – dòng chuyển động của các điện tích thì không phải ai cũng biết và đó cũng là bí ẩn của nhiều người. - Từ đó tôi quyết định đi nghiên cứu về đề tài “ Dòng điện trong kim loại - ứng dụng và một số bài tập áp dụng” để có thể làm sáng tỏ những thắc mắc đó. - Dòng điện trong kim loại là dòng các electron tự do chuyển dời có hướng dưới tác dụng của điện trường ngoài (ngược chiều điện trường) Đối với riêng một nguyên tử kim loại: Các electron ở lớp vỏ ngoài cùng dễ mất liên kết với hạt nhân, trở thành các electron tự do. - Đối với toàn khối kim loại:. - Người ta đã tiến hành nhiều thí nghiệm để khám phá bản chất các hạt mang điện trong kim loại. - Để khẳng định được các hạt mang điện trong kim loại là các hạt điện tử ta cần phải xác định được dấu cũng như độ lớn điện tích của các hạt mang điện trong kim loại. - Hình 1: Hạt mang điện trong kim loại. - Điều này chứng tỏ rằng các hạt mang điện trong kim loại chính là các điện tử.. - Trong kim loại với một số hiệu điện thế rất bé người ta cũng có thể tạo nên dòng điện, điều đó cho ta cơ sở để có thể khẳng định rằng các hạt mang điện – điện tử có thể chuyển động mà không bị cản trở.. - là khối lượng riêng của kim loại, M là khối lượng riêng của một mol kim loại đó, NA là số Avogadro,. - Vì vậy đối với kim loại: 1.3. - Cơ sở lý thuyết cổ điển về kim loại.. - Dựa trên sự tồn tại của điện tử tự do (tập thể), nhà vật lý học người Đức Paule Drude đã đưa ra lý thuyết cổ điển về kim loại và tiếp sau được H.Lorentz hoàn chỉnh. - Drude cho rằng các điện tử dẫn trong kim loại giống như các phân tử trong khí lý tưởng. - Khi cho một điện trường tác dụng lên kim loại thì các chuyển động có hướng của các điện tử. - Như vậy theo lý thuyết cổ điển , điện trở của kim loại là do va chạm của các điện tử tự do với các ion trong mạng tinh thể gây nên. - Lượng năng lượng làm tăng nội năng của mạng tinh thể kim loại và được thể hiện qua việc kim loại bị nóng lên.. - của kim loại. - Định luật Wiedeman – Franz Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, kim loại ngoài tính dẫn điện tốt còn có độ dẫn nhiệt cao. - đối với tất cả kim loại gần như nhau, thay đổi tỷ số với nhiệt độ tuyệt đối. - Các tinh thể không kim loại cũng có khả năng dẫn nhiệt. - Tuy nhiên độ dẫn nhiệt của kim loại trội hơn nhiều độ dẫn nhiệt của các chất điện môi. - Những nhược điểm của lý thuyết điện tử cổ điển về sự dẫn điện của kim loại. - Theo lý thuyết cổ điển nhiệt dung phân tử đẳng tích của kim loại phải lớn hơn 1,5 lần nhiệt dung của chất điện môi. - Chỉ có lý thuyết lượng tử về kim loại mới khắc phục được các nhược điểm này. - Nhưng theo nguyên lý Pauli, nếu số điện tử tự do trong kim loại bằng n thì khi T = 0K chúng chiếm n/2 mức năng lượng thấp nhất. - khi biểu diễn thế năng của điện tử trong kim loại, ta chọn thế năng của điện tử ở điểm xa vô cùng bằng không, do đó các mức năng lượng của điện tử trong kim loại là âm: W,. - 0 và năng lượng toàn phần của điện tử trong hố thế năng của kim loại là. - Giải thích tính chất điện của kim loại. - Tính dẫn điện tốt của kim loại Kim loại dẫn điện tốt vì mật độ electron tự do trong kim loại rất lớn. - Tính dẫn điện của kim loại được giải thích như sau: Các electron tự do trong kim loại có tốt độ rất lớn (cỡ. - Vậy chuyển động hỗn loạn của các electron tự do không tạo ra dòng điện trong vật dẫn kim loại (hình 7a). - Hình 7: Chuyển động nhiệt và chuyển động cuốn của electron trong kim loại. - Khi đó số electron chuyển động ngược với chiều điện trường ngoài sẽ lớn hơn số electron chuyển động cùng chiều với điện trường ngoài, nghĩa là xuất hiện chuyển dời có hướng của các hạt điện tích dẫn đến trong kim loại có dòng điện. - Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron tự do ngược chiều điện trường ngoài tác dụng lên kim loại. - Sau va chạm, các electron bị tổn hao năng lượng chuyển động có hướng, nói cách khác kim loại cản trở dòng điện hay kim loại có điện trở.. - Các kim loại khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau, do đó tác dụng cản trở chuyển động có hướng của các electron tự do của mạng tinh thể khác nhau là khác nhau, dẫn đến điện trở suất của các kim loại không giống nhau. - Vì vậy, khi có dòng điện chạy qua kim loại nóng lên.. - Lý thuyết luợng tử có thể giải thích một cách đầy đủ và đúng đắn hơn các tính chất của kim loại. - Kim loại có số electron tự do lớn nên dẫn điện tốt. - Hình 8: Cấu trúc dải năng luợng của kim loại kiềm Mức năng lượng cao nhất của electron chiếm chổ trong dải đuợc gọi là mức năng luợng Fermi. - Mật độ electron tự do trong kim loại kiềm rất lớn nên đuợc gọi là “khí electron”, chúng phân bố đồng đều trong mạng luới các ion dương. - Vì vậy, kim loại kiềm dẫn điện rất tốt.. - Các electron tự do trong kim loại ở nhịêt độ phòng có vận tốc chuyển động trung bình. - Đối với kim loại đồng. - và Khi đặt kim loại vào trong điện truờng, lực điện trường gia tốc cho các electron tự do có thêm chuyển động cuốn nguợc huớng điện truờng. - Dải hoá trị Hình 9: Cấu trúc dải năng luợng của kim loại kiềm thổ. - Hiện tượng ở chổ tiếp xúc giữa các kim loại. - Hiệu điện thế tiếp xúc phụ thuộc vào bản chất của hai kim loại, chổ hiệu điện thế giữa hai kim loại đuợc gọi là mối hàn. - Vì mật độ các electron trong kim loại khác nhau, cho nên các dòng electron khuyết tán khác nhau. - Gỉa sử mật độ electron dẫn trong kim loại 1 là. - của electron dẫn trong trong kim loại 2. - Giữa hai kim loại xuất hiện một điện trường hướng từ kim loại 1 sang kim loại 2. - Khi hai dòng khuếch tán của các electron dẫn cân bằng, sẽ tồn tại một hiệu điện thế không đổi giữa 2 kim loại. - Đó là hiệu điện thế tiếp xúc trong giữa hai kim loại. - x Hình 10: Biểu đồ phân bố năng lượng ở lóp tiếp xúc giữa hai kim loại. - Quá trình trao đổi elelectron giữa hai kim loại xảy ra rất nhanh do tôc sđộ chuyển động nhệt của các electron rất lớn. - Chuơng II: Ứng dụng của kim loại.. - Ở cùng nhiệt độ, một mạch kín gồm hai kim loại khác nhau, trong mạch không có dòng điện. - Khi có dòng điện qua chổ tiếp xúc giữa hai kim loại thì ở đó sẽ có sự tỏa nhiệt hay hấp thụ nhiệt tùy theo chiều dòng điện. - Cặp nhiệt điện gồm hai vật dẫn kim loại khác nhau (dây 1 và dây 2) được hàn nối với nhau, một đầu hàn được gọi là đầu nóng. - Hai dây kim loại cùng mối hàn nóng. - Để cặp nhiệt điện phản ứng nhanh với nhiệt độ bên ngoài, mối hàn nóng có thể được tiếp xúc với lớp vỏ kim loại (hình 13).. - Hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của kim loại tạo thành cặp nhiệt điện và sự chênh lệch nhiệt độ ở hai mối hàn. - Ứng dụng của siêu dẫn để tạo tàu chạy trên đệm từ Dòng điện trong kim loại bị tổn hao năng lượng do các electron chuyển động va chạm với các vị trí mất trật tự của mạng tinh thể. - Sự mất trật tự này tăng lên khi nhiệt độ tăng, làm cho điện trở suất của kim loại cũng giảm đều.. - Mật độ electron của đồng Xem một khối kim loại đồng có thể tích V, khối lượng m. - Bài 3: Chứng minh công thức xác định cường độ dòng điện I chạy qua dây dẫn kim loại có dạng. - trong đó e là độ lớn của điện tích electron, n là mật độ, S là tiết diện của dây kim loại và v là tốc độ trôi của electron. - Như vậy, cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn kim loại được tính theo công thức: Bài 4: Khi dùng một sợi dây chì có đường kính tiết diện. - Từ (1) và (2) suy ra: Bài 5: Một tấm kim loại được đem mạ niken bằng phương pháp điện phân. - Tính chiều dày của lớp niken trên tấm kim loại sau khi điện phân 30 phút. - Biết điện tích bề mặt kim loại là 40 cm. - Coi như niken bám hết lên bề mặt tấm kim loại. - Giải: Khối lượng niken bám vào tấm kim loại trong thời gian điện phân là:. - Bài 6: Dựa vào quy luật phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất của dây kim loại, tìm công thức xác định sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở R của một dây kim loại có độ dài l và tiết diện đều S. - Gỉa thiết trong khoảng nhiệt độ ta xét, độ dài và tiết diện của dây kim loại không thay đổi.. - Giải: Vì điện trở R phụ thuộc vào chất liệu và kích thước của dây dẫn kim loại theo công thức:. - là điện trở suất của kim loại ở nhiệt độ. - độ dài l và tiết diện S của dây dẫn kim loại không thay đổi thì ta có thể viết. - Từ đó suy ra sự phụ thuộc của điện trở dây dẫn kim loại vào nhiệt độ có dạng: Bài 7: Một bóng đèn 220V- 40W có dây tóc đen ở 20. - Áp dụng công thức xác định sự phụ thược của điện trở dây dẫn kim loại vào nhiệt độ. - Bài 8: Một quả cầu kim loại bán kính R, cô lập, tích điện đều. - d Điện dung tụ điện phẳng ban đầu là: Sau khi đưa tấm kim loại có bề dày d’. - Trong đó x là khoảng cách từ tấm kim loại dến bản tụ.. - Giải: Áp dụng công thức xác định sự phụ thuộc của điện trở dây dẫn kim loại vào nhiệt độ:. - bằng: Bài 11: Một dây dẫn kim loại đặc biệt có điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ truyền nhiệt ra môi trường xung quanh tỉ lệ với hiệu nhiệt độ của dây dẫn và môi trường.. - là công suất tiêu thụ của hai dây kim loại. - Việc nghiên cứu đề tài “Dòng điện trong kim loại - ứng dụng và bài tập áp dụng” đã giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bản chất của kim loại. - Biết được rằng hạt mang điện không phải là nguyên tử mà là đa số các hạt có trong kim loại. - Kim loại dẫn điện rất tốt, khi có dòng điện chạy qua thì lại xuất hiện nhiều hiện tượng khác như hiện tượng chỗ tiếp xúc hay hiện tượng nhiệt điện và từ đó có những ứng dụng trong đời sống. - Từ đó giúp các bạn và tôi hiểu thêm về dòng điện trong kim loại.. - Khi nói đến dòng điện trong các môi trường thì có thể nói dòng điện trong kim loại là đơn giản nhất nhưng đằng sau nó lại chứa đựng nhiều điều thú vị. - Việc nghiên cứu đề tài này đã giúp tôi hiểu rõ hơn về bản chất, nguyên nhân dẫn điện tốt cũng như ứng dụng của dòng điện trong kim loại