Vật lý Lớp 11

I. Bản chất của dòng điện trong kim loại.

1. Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại.

- Trong kim loại, các nguyên tử bị mất electron hoá trị trở thành các ion dương. Các ion dương liên kết với nhau một cách có trật tự tạo thành mạng tinh thể kim loại. Các ion dương dao động nhiệt xung quanh nút mạng.

- Các electron hoá trị tách khỏi nguyên tử thành các electron tự do với mật độ n không đổi. Chúng chuyển động hỗn loạn toạ thành khí electron tự do choán toàn bộ thể tích của khối kim loại và không sinh ra dòng điện nào.

- Điện trường do nguồn điện ngoài sinh ra, đẩy khí electron trôi ngược chiều điện trường, tạo ra dòng điện.

- Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại

- Hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do. Mật độ của chúng rất cao nên chúng dẫn điện rất tốt.

2. Kết luận: Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường.

II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ.

- Khi nhiệt độ càng cao, thì mạng tinh thể càng mất trật tự, nên điện trở suất của kim loại càng tăng. Ngoià ra, điện trở suất cũng phụ thuộc vào cả độ sạch và chế độ gia công của vật liệu đó.

- Gọi ρ₀ là điện trở suất của kim loại ở nhiệt độ t₀⁰C thì điện trở suất ở nhiệt độ t⁰C là:

ρ= ρ₀[1 + α(t - t₀)]

  Trong đó, α là hệ số nhiệt điện trở (K^-1).

   ρ là điện trở suất (Ωm).

- Trong một xấp xỉ bỏ qua sự nở vì nhiệt của vật rắn, nhân 2 vế cho $\frac{l}{S}$, ta được:

R= R₀[1 + α(t - t₀)]

III. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn:

- Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm liên tục.

- Khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn T_C nào đó (≅0) thì điện trở suất của một số kim loại hay hợp kim đột ngột giảm xuống bằng 0Ω. Ta gọi đó là hiện tượng siêu dẫn.

- Hiện tượng siêu dẫn có tác dụng rất hữu ích: R = 0Ω → Q = 0J tiết kiệm năng lượng trong sử dụng điện; các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh... Tuy nhiên, việc tạo ra nhiệt độ vài ⁰K là khá khó, cho nên ngày nay, các nhà khoa học đang cố gắng tìm ra những vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao.

IV. Hiện tượng nhiệt điện.

- Nếu lấy hai dây kim loại khác nhau và hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữ ở nhiệt độ cao, một mối hàn giữ ở nhiệt độ thấp, thì hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh của từng dây không giống nhau, trong mạch có một suất điện động ξ. ξ gọi là suất điện động nhiệt điện, và bộ hai dây dẫn hàn hai đầu vào nhau gọi là cặp nhiệt điện.

- Suất điện động nhiệt điện:

ξ_T = α_T(T₂ - T₁)

- Cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ.

I. Bản chất của dòng điện trong chất điện phân.

1. Thuyết điện li: Trong dung dịch, các hợp chất hóa học như axít, bazơ, và muối bị phân li (một phần hoặc toàn bộ) thnh các ion tích điện, các ion có thể chuyển động tự do trong dung dịch tạo thành hạt tải điện.

- Trong bình điện phân luôn diễn ra 2 quá trình:

  + Sự phân li: quá trình tách phân tử chất điện phân thành những Ion dương và âm.

  + Sự tái hợp: quá trình kết hợp các Ion tạo thành phân tử trung hòa. Hai quá trình này diễn ra đồng thời bên trong chất điện phân.

  + Khi không có điện trường, các Ion chuyển động hỗn độn nên không có dòng điện. Khi có điện trường ngoài, các Ion chuyển động có hướng tạo nên dòng điện

2. Kết luận: Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion theo hai hướng ngược nhau trong điện trường. Ion dương cùng chiều điện trường, ion âm ngược chiều điện trường.

II. Định luật Faraday.

1. Các hiện tượng diễn ra ở điện cực. Hiện tượng dương cực tan. Khi đến các điện cực thì các ion sẽ trao đổi êlectron với các điện cực rồi được giải phóng ra ở đó (thể khí bay lên hoặc chất rắn kết tủa), hoặc tham gia các phản ứng phụ.

- Dương cực tan: là hiện tượng cực dương bị tan khi điện phân dung dịch muối có gốc kim loại giống với kim loại làm anốt (+).

- Nhận xét: Bình điện phân không tiêu tốn năng lượng vào việc phân tích các chất trong dung dịch. Nó giống như điện trở, nên tuân theo định luật Ohm.

- Trường hợp bình điện phân có điện cực trơ, thì bình sẽ tiêu tốn năng lượng vào việc phân tích các chất, nên bình có suất phản điện ξ'. Nó đóng vai trò như máy thu.

2. Định luật Faraday:

- Định luật Faraday I: Khối lượng vật chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó.

m = k.q

  Trong đó k gọi là đương lượng điện hóa.

- Địnhluật Faraday II: Đương lượng điện hóa k của một nguyên tố tỉ lệ thuận với đương lượng gam $\frac{A}{n}$ của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là $\frac{1}{F}$, trong đó F = 96.500 C/mol gọi là hệ số Faraday.

$ m_{g} = \frac{1}{F}\frac{A}{n}It $

III. Ứng dụng của hiện tượng điện phân: Hiện tượng điện phân có nhiều ứng dụng trong thực tế sản xuất và đời sống như luyên nhôm, tinh luyện đồng, điều chế clo, xút, mạ điện, đúc điện ...

I. Thí nghiệm:

- Chưa đốt đèn điện kế gần như chỉ số 0.

- Khi dùng ngọn đèn ga để đốt nóng chất khí hoặc chiếu vào chất khí chùm bức xạ tử ngoại thì trong chất khí xuất hiện các hạt tải điện. Khi đó chất khí có khả năng dẫn điện.

- Tắt đèn chất khí lại hầu như không dẫn điện.

II. Kết luận:

1. Chất khí trong điều kiện thường. Bình thường, các phân tử khí đều ở trạng thái trung hoà điện, trong chất khí không có các hạt tải điện, do đó chất khí là môi trường cách điện.

2. Sự ion hoá chất khí: Dưới tác nhân ion hóa chất khí có 3 loại hạt tải điện: các ion dương, ion âm và các electron tự do.

3. Bản chất dòng điện trong chất khí: Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm và electron ngược chiều điện trường.

III. Quá trình dẫn điện tự lực và không tự lực trong chất khí.

1. Quá trình dẫn điện không tự lực: Quá trình dẫn điện của chất khí nhờ có tác nhân ion hoá gọi là quá trình dẫn điện không tự lực. Nó chỉ tồn tại khi ta tạo ra hạt tải điện trong khối khí giữa hai bản cực và biến mất khi ta ngừng việc tạo ra hạt tải điện.

- Quá trình dẫn diện không tự lực không tuân theo định luật Ôm.

- Trong quá trình dẫn điện không tự lực, nếu ta dùng nguồn điện áp lớn để tạo ra sự phóng diện trong chất khí, các hạt tải điện trong chất khí nhận được năng lượng lớn, động năng tăng mạnh, nên trong quá trình chuyển động, va chạm với các phân tử hoặc ion khí khác, gây ra sự ion hóa thứ cấp, làm tăng thêm số hạt tải điện. Hiện tượng này gọi là hiện tượng nhân số hạt tải điện trong chất khí.

2. Quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí: Quá trình dẫn điện trong chất khí có thể tự duy trì, không cần ta tạo ra các hạt tải điện gọi là quá trình dẫn điện (phóng điện) tự lực

- Có bốn cách chính để dòng điện có thể tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí:

  + Dòng điện sinh nhiệt cao, khiến phân tử khí bị ion hoá.

  + Điện trường trong chất khí rất lớn, khiến phân tử khí bị ion hoá ngay khi nhiệt độ thấp.

  + Catôt bị dòng điện nung nóng đỏ, làm cho nó có khả năng phát ra electron. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt electron.

  + Catôt không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào làm bật electron khỏi catôt trở thành hạt tải điện.

- Tia lửa điện là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí đặt giữa hai điện cực khi điện trường đủ mạnh để biến phân tử khí trung hoà thành ion dương và electron tự do.

  + Điều kiện để tạo ra tia lữa điện là cường độ điện trường E ≥ 3.10⁶V/m.

  + Ứng dụng: Dùng để đốt hỗn hợp xăng và không khí trong động cơ xăng, giải thích hiện tượng sét trong tự nhiên.

- Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp đặt giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn. Hồ quang điện có thể kèn theo toả nhiệt và toả sáng rất mạnh.

  + Điều kiện tạo ra hồ quang điện: Hai điện cực nóng đỏ (để có thể phát ra electron) và điện trường đủ mạnh.

  + Ứng dụng: Nhiệt hồ quang cao 3500⁰C dùng để hàn điện, làm đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu,...

I. Bản chất của dòng điện trong chân không.

- Bình thường trong catôt có các electron tự do. Nung nóng catôt, các electron thu được động năng lớn bức ra khỏi catôt, gọi là sự bức xạ nhiệt electron.

- Khi chưa đặt hiệu điện thế vào hai cực thì các electron chưa chuyển động có hướng, nên không có dòng điện.

- Khi nối anốt với cực dương và catôt với cực âm thì các electron sẽ chuyển động có hướng từ catôt sang anôt.

⇒ Dòng điện trong chân không là dòng chuyển dời có hướng của các electron bứt ra từ catôt bị nung nóng.

- Dòng điện trong chân không không theo định luật Ohm.

II. Tia Katot.

1. Thí nghiệm.

- Khi áp suất trong ống bằng áp suất khí quyển ta không thấy quá trình phóng điện.

- Khi áp suất trong ống đã đủ nhỏ, trong ống có quá trình phóng điện tự lực, trong ống có cột sáng anôt và khoảng tối catôt.

- Khi áp suất trong ống hạ xuống còn khoảng 10-3mmHg, khoảng tối catôt chiếm toàn bộ ống. Quá trình phóng điện vẫn duy trì và ở phía đối diện với catôt, thành ống thủy tinh phát ánh sáng màu vàng lục.

- Tiếp tục hút khí để đạt chân không tốt hơn nữa thì quá trình phóng điện biến mất.

- Ta gọi tia phát ra từ catôt làm huỳnh quang thủy tinh là tia catôt.

2. Định nghĩa: Tia katot là một dòng electron phát ra từ katot, có năng lượng lớn và bay tự do trong không gian, được sinh ra khi phóng điện qua chất khí ở áp suất thấp. Nó cũng có thể được tạo ra bằng một súng electron.

3. Tính chất của tia catôt:

- Tia catôt phát ra từ catôt theo phương vuông góc với bề mặt catôt. Gặp một vật cản, nó bị chặn lại làm vật đó tích điện âm.

- Tia catôt nmang năng lượng: nó có thể làm đen phim ảnh, làm huỳnh quang một số tinh thể, làm kim loại phát ra tia X, làm nóng các vật mà nó rọi vào và tác dụng lực lên các vật đó.

- Tia catôt bị lệch trong điện tường và từ trường.

4. Ứng dụng: Ứng dụng phổ biến nhất của tia catôt là để làm ống phóng điện tử và đèn hình.

1. Chất bán dẫn: Chất bán dẫn là chất có điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng. Hay nói cách khác, điện trở suất của chất bán dẫn có giá trị nằm trong khoảng trung gian giữa kim loại và điện môi. Các vật liệu tiêu biểu là Gemani và silic.

* Xét tinh thể Silic: mỗi nguyên tử Silic liên kết với 4 nguyên tử Silic kế cận bằng 4 liên kết công hóa trị.

- Khi nhiệt độ thấp, trong tinh thể bán dẫn Silic không có electron tự do, nên không dẫn điện.

- Khi nhiệt độ cao, các nguyên tử Silic dao động làm gãy một số liên kết, sinh ra electron, đồng thời cũng tạo ra lỗ trống mang điện dương có thể di chuyển từ chỗ này sang chỗ khác. nhiệt độ càng cao thì số electron và lỗ trống càng nhiều.

- Khi chưa có điện trường ngoài, các hạt mang điện chuyển động hỗn độn, nên không có dòng điện.

- Khi có điện trường ngoài, các electron chuyển động ngược chiều điện trường, các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường tạo nên dòng điện.

⇒ Dòng điện trong chất bán dẫn tinh khiết là dòng chuyển dời có hướng đồng thời của các electron tự do và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường.

2. Phân loại bán dẫn: Có 2 loại bán dẫn là bán dẫn loại p và bán dẫn loại n.

- Bán dẫn điện tử hay bán dẫn loại n: hạt mang điện chủ yếu là electron còn lỗ trống là hạt mang điện không cơ bản.

  Ví dụ: Pha nguyên tử As vào tinh thể Silic tinh khiết làm cho số electron tự do tăng, nhưng lỗ trống không tăng.

- Bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại p: hạt mang điện chủ yếu là lỗ trống, electron là hạt mang điện không cơ bản.

  Ví dụ: Pha nguyên Bo vào tinh thể tinh khiết Silic làm cho số lỗ trống tăng lên, nhưng số electron tự do không tăng.