“ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 56 CHƯƠNG III: DÒNG ĐI ỆN TRONG CÁC MÔI TRƯ ỜNG I. M ỤC TIÊU - HV hiểu rõ và sâu sắc những kiến thức Vật lí đư ợc trình bày trong chương theo tinh thần của vật lí học phổ thông - HV có đư ợc những kỹ năng về thi ết kế bài dạy và tổ chức dạy học theo tinh thần đ ổi mới hiện nay. II. GI ỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ ĐUN Đây là chương 3 trong số 7 chương đ ề cập đ ến kiến thức và kỹ năng thiết kế bài dạy học cũng như tổ chức dạy học theo tinh thần đ ổi mới hiện nay. Ở chươngy, giáo viên HV có điều kiện tìm hiểu và làm sâu sắc thêm những kiến thức vật lí liên quan đ ế n Dòng điện trong các môi trư ờng theo tinh thần của Vật lí học phổ thông có trong chương. Những kiến thức này, phần lớn đư ợc khai thác từ Internet. Công việc quan trọng là học viên thiết kế các bài dạy học cụ thể trong chương, cùng nhau thảo luận, trao đ ổi đ ể tìm đư ợc phương án thiết kế tối ưu nhất. Th ời gian cho mô đun này là 1 bu ổi (4 tiết) III. TÀI LI ỆU VÀ THIẾT BỊ ĐỂ THỰC HIỆN MÔĐUN Sách V ật lí 11, Sách giáo viên V ật lí 11, Tài li ệu bồi d ưỡng thay sách giáo khoa Vật lí 11, Ph ụ lục 5 IV. HO ẠT ĐỘNG Ho ạt động 1: Phân tích kiến thức có trong chương  Nhiệm vụ: - HV làm việc theo nhóm bằng cách đ ọc tài liệu có trong phần phụ lục và thảo luận  Thông tin cho hoạt đ ộng : Phụ lục Ho ạt động 2: Thiết kế bài dạy học  Nhiệm vụ: - GgV giới thiệu một phương án cụ thể về thiết kế bài dạy học trong chương đư ợc trình bày trong Phụ lục 5b. - Mỗi nhóm HV chọn một bài bất kỳ trong chương rồi cùng nhau thiết kế  Thông tin cho hoạt đ ộng : - Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11, Ho ạt động 3: Các nhóm trình bày bản thiết kế của nhóm mình  Nhiệm vụ: - Mỗi nhóm cử đ ại diện lên trình bày bản thiết kế của nhóm mình - Các nhóm khác góp ý, bổ sung  Thông tin cho hoạt đ ộng : - Bản thiết kế có đư ợc từ các nhóm V. ĐÁNH GIÁ “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 57 - GgV đánh giá tinh thần và thái đ ộ làm việc của các nhóm cũng như sản phẩm mà các nhóm có đư ợc . - Thông tin phản hồi của đánh giá môđun: Ý kiến thảo luận và các bản thiết kế bài dạy học. V. PHỤ LỤC 5a: 1. Dòng đi ện trong kim loại (Direct electric current in metals) 1.1. B ản chất của dòng điện trong kim loại Các kim lo ại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể. Trong kim lo ại, các nguyên tử bị mất electron hoá trị trở thành các ion dương, các ion dương sắp xếp một cách tu ần hoàn, trật tự tạo nên mạng tinh thể. Trong kho ảng không gian gi ữa mạng tinh thể là các electron chuyển đ ộng nhiệt hỗn loạn, các electron này gọi là các electron t ự do . Dư ới tác dụng của điện trường ngoài các electron tự do này chuyển động có hướng để tạo thành dòng điện trong kim loại. Đ ể giải th ích tính d ẫn điện của kim loại, Droude và Lorentz đ ã đề ra thuyết electron về kim loại có nội dung sau: -Trong kim lo ại có các electron tự do. Mật độ electron x ấp xỉ bằng mật độ của nguyên tử kim loại (n 0 =10 28 /m 3 ) -Chuyển động của các electron tự do trong kim loại tuân theo các định luật cơ học cổ đi ển. -T ập hợp các electron tự do trong kim loại được coi như một khí electron giống như khí lí tư ởng. Tương tác gi ữa các electron với các ion d ương mạng tinh thể kim loại chỉ biểu hi ện ở các va chạm của chúng; c ác va ch ạm này dẫn đến sự cân bằng nhiệt giữa các khí electron và mạng tinh thể kim loại. D ựa vào thuyết electron cổ điển có thể giải thích được t ính d ẫn điện của kim loại, nguyên nhân gây ra đi ện trở và gi ải thích đ ịnh luật Ôm .  Gi ải thích tính dẫn điện củ a kim lo ại Kim lo ại là chất dẫn điện tốt. Khi không có tác d ụng của điện trường ngoài, các electron t ự do chỉ chuyển động nhiệt hỗn loạn giống như chuyển động nhiệt của các phân t ử khí. Khi đó số electron chuyển động theo một chiều nào đó, về trung bình, luôn luôn b ằng số electron dịch chuyển theo chiều ngược lại. Vì vậy lượng điện tích tổng cộng mang b ởi các electron qua một mặt bất kì nào đó là bằng không, trong vật dẫn kim loại không có dòng điện. Khi có đi ện trường ngoài, các electron tự do có thêm chu y ển động phụ theo một chi ều xác định, ngược chiều với điện trường. Khi đó số electron chuyển động ngược chiều đi ện tr ường sẽ lớn hơn số electron chuyển động cùng chiều điện trường, nghĩa là có xuất hi ện chuyển dời có hướng của điện tích, trong vật dẫn kim lo ại có xuất hiện dòng điện. M ật độ hạt tải điện (electron tự do) rất lớn cỡ 10 28 /m 3 nên kim loại dẫn điện rất tốt. C ần lưu ý rằng, vận tốc trung bình của chuyển động có hướng của các electron ( en i v 0  ) là r ất nhỏ so với vận tốc trung bình của chuy ển động nhiệt ( m kT v T  8  ) c ủa nó. M ột ô mạng tinh thể đồng (hình tròn màu đỏ là các ion đ ồng ) “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 58 C ũng cần phân biệt vận tốc trung bình của chuyển động có hướng của electron với vận tốc lan truy ền của dòng điện, tức là vận tốc lan truyền tác dụng của điện trường lên các electron. Sự lan truyền tác dụng đó của điện trường từ electron này đến electron khác xảy ra v ới vận tốc rất lớn, khoảng 3.10 8 m/s.  Gi ải thích nguyên nhân gây ra đi ện trở của kim loại Trong chuy ển động có hướng các electron tự do luôn tương tác với các ion dao động quanh v ị trí cân bằng ở các nút mạng tinh thể, nghĩa là bị cản trở. Hiện t ượng này là nguyên nhân gây ra đi ện trở của kim loại . Các kim lo ại khác nhau có cấu tạo mạng tinh th ể khác nhau nên điện trở suất của các kim loại khác nhau là khác nhau. Đi ện trở của kim loại còn phụ thu ộc vào nhiệt độ. http://www.youtube.com/watch?v=XxBn_Wzm0aI&feature=mfu_in_order&list=UL Khi nhi ệt độ tăng lên, các ion kim loại nằm ở các nút mạng tinh thể cũng dao đ ộng m ạnh lên và do đó, xác suất va chạm của electron với ion càng lớn lên. Vì vậy điện trở kim lo ại t ăng khi nhiệt độ tăng. Đi ện trở suất của kim loại cũng tăng theo nhiệt độ và được biểu diễn qua công thức:    00 1 tt   Ở đây  là hệ số nhiệt điện trở có đơn vị K -1 , t 0 là nhiệt độ được chọn làm mốc và 0  là đi ện trở suất ở nhiệt độ đó. Thông thường ta chọn 0 t = 200. Gi ữa hai va chạm kế tiếp với ion, các electron được tăng gia tốc dưới tác dụng của đi ện trường và chúng nh ận thêm năng lượng. Năng lượng của chuyển động có hướng này đư ợc truyền hoàn toàn hay một phần cho các ion d ương khi va chạm, làm cho nội năng của v ật dẫn tăng lên. Vì vậy khi có dòng điện chạy qua, kim loại nóng lên. http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/heatresistance/index.html  Gi ải thích định luật Ôm Đ ể đơn giản trong các phép toán, ta giả thiết rằng: giữa hai va chạm kế tiếp, tất cả các electron t ự 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 truy ền hoàn toàn cho mạng tinh thể n ăng lượng mà nó nhận được. Nghĩa là sau va chạm v ận t ốc ban đầu v 0 c ủa electron bằng không. Xét m ột đoạn mạch gồm dây có chiều dài l và tiết diện động lực S, giữa hai đầu đoạn m ạch đặt một hiệu điện thế U. Cường độ điện trường trong đoạn mạch là: l U E  Dư ới tác dụng của điện trường, mỗi elect ron ch ịu tác dụng của một lực điện trường F= eE và electron có gia t ốc bằng a= eE/m (trong đó m là kh ối lượng của electron). Vì vậy cu ối quãng đường tự do trung bình, vận tốc có hướng của electron là: V max = at = ml eUt trong đó t là kho ảng t h ời gian trung bình giữa hai va chạm. Vì giữa hai va chạm kế ti ếp, electron chuyển động nhanh dần đều nên giá trị trung bình của vận tốc bằng: ml eUt V v 2 1 2 max  Th ời gian trung bình giữa hai va chạm kế tiếp của electron với ion là: t = T v  “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 59 ( vì T v = m kT3 là v ận tốc trung bình của chuyển động nhiệt, ở nhiệt đ ộ phòng (T=300K thì T v  10 5 m/s l ớn hơn nhiều lần so với V (có giá tr ị cỡ 0,06m/s) nên trong công th ức này ta không k ể đến vận tốc của chuyển động có hư ớng c ủa các electron) Do đó ta có: T vml eU v  2 1  (1) Cư ờng độ dòng điện I trong đo ạn mạch là vneSI  (n là m ật độ dẫn điện) (2) Thay (1) vào (2) ta có T vml SUne I 2 2   (3) Đặt   ne vm T 2 2  (3) và gọi  là điện trở suất cuả dây dẫn. Đại lượng S l  phụ thuộc vào c ấu tạo của dây dẫn , đư ợc gọi là đi ện trở R của dây dẫn. T ừ đây ta có thể giải thích sự tăng c ủa  khi nhi ệt độ tăng (và s ự tăng tương ứng của R). Cu ối cùng ta có: I = R U (bi ểu thức của định luật Ôm) . Như v ậy dòng điện trong kim lo ại tuân theo định luật Ôm . C ần lưu ý rằng, tuy có tác dụng của điện trường đặt vào kim loại, vận tốc của các electron d ẫn không ph ải t ăng m ãi, vì có sự va chạm gắn liền với dao động nhiệt của nút m ạng tinh thể. Nh ư vậy sau một thời gian  nh ất định (có tr ị số cỡ 2,5x 10 -14 s) g ọi là thời gian hồi phục, vận tốc chuyển động có hướng của các electron dẫn sẽ đạt đến một trị số gi ới hạn không đổi, tạo nên dòng điện không đổi. Thuyết lượng tử cho ta công thức tương t ự với ( 3)   ne m 2 2  v ới F v    trong đó v F = m E F 2 ( F E đư ợc gọi là mức năng lượng Fec-mi, F E =7,0 eV). Tuy có nhi ều thành công như đã nêu ở trên nhưng thuyết electron cổ điển không giải thích đư ợc :Ví d ụ nh ư: nhiệt dung của khí electron và vấn đề tán xạ electron trong kim lo ại. Vì sao tinh th ể kim loại sạch, kết tinh hoàn hả o, ở nhiệt độ thấp lại có điện trở rất nh ỏ ? S ở dĩ có hạn chế này là vì một số nội dung cơ bản của thuyết electron c ổ điển không còn đúng n ữa , c ụ thể là: -Chuy ển động của các electron tự do trong kim loại không tuân theo các định luật c ủa cơ học cổ điển mà là tuân theo các đ ịnh luật phức tạp hơn của v ật lý lư ợng tử; -Tương tác gi ữa các electron và ion không phải chỉ biểu hiện ở các va chạm giữa chúng. Th ực tế các electron chuyển động trong điện trường tuần hoàn của mạng tinh thể . -Các electron không tuân theo đ ịnh luật phân bố Maxwell - Boltzmann như khí kí tư ởng nữa, mà tuân theo các định luật của thống kê lượng tử : khí electron Fermi t ự do (vì electron có spin bán nguyên và tuân theo nguyên lí Pauli). -Theo quan đi ểm của thuy ết lượng tử , các electron t ự do c ần phải được xem như một sóng. Do kim lo ại có cấu trúc tinh thể với các nguyên tử nằm trong mạng tuần hoàn nên các sóng có th ể truyền suốt cấu trúc tuần hoàn tinh thể mà không bị tán xạ vào hướng khác. Nói cách khác, sóng electron này đ ã lan truyền được trong môi trư ờng tuần hoàn của mạng tinh th ể nên không bị mạng tinh thể làm lệch đường, vì thế electron tự do không bị va “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 60 ch ạm với lõi nguyên tử nằm một cách trật tự ở mạng tinh thể mà ch ỉ bị va chạm ở những ch ỗ không hoàn hảo của mạng đó, va ch ạm với điể m m ất trật tự của mạng tinh thể mà thôi. Ta gọi chung là những sai hỏng của mạng (Dislocation in a crystal lattice). Các sai hỏng này có th ể là: -S ự mất trật tự của các ion trong mạng tinh th ể do chuyển động nhiệt (dao động) sinh ra: hệ quả là đi ện trở củ a kim lo ại tăng theo nhiệt độ. -S ự mất trật tự của mạng tinh thể do c ó các nguyên t ử lạ: hệ quả là tạp chất làm tăng điện trở c ủa kim loại. -S ự mất trật tự của các ion trong mạng tinh th ể do tinh thể bị biến dạng: hệ quả là các quá trình gia công như uốn, kéo dãn làm điện trở của kim lo ại t ăng. Như v ậy, nguyên nhân cơ b ản gây ra đi ện tr ở của kim loại là s ự mất trật tự (s ự sai hỏng ) c ủa mạng tinh thể. Nh ững sai hỏng này sẽ làm tán x ạ sóng điện từ và do đó điện trở được sinh ra. Như v ậy có thể hiểu rằng: ngu yên nhân làm điện trở giảm khi kim loại hoặc hợp kim bị làm lạnh là: khi hạ nhiệt độ, các dao đ ộng nhiệt của nguyên tử giảm xuống, đồng thời các điện tử dẫn tán xạ với tần số nhỏ hơn. Do đó đi ện trở giảm tuyến tính theo nhiệt độ cho đến khi T  (1/3)T D (nhi ệt độ Debye). Ở dư ới nhiệt độ này điện trở giảm từ từ và gần như không đổi khi T  0K. Đ ối 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 tr ị xấp xỉ bằng không khi nhiệt độ giảm về phía 0K. Nh ững kim loại thuộc mẫu "kim lo ại lí tưởng" mang tính hoàn toàn giả thiết. Tuy nhiên, ngay cả khi được làm lạnh đến 0K mà đi ện trở giảm tới không, nó cũng ch ưa hẵn là chất siêu dẫn. 1.2. Hi ện tượng điện ở chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại 1.2.1. Công thoát electron kh ỏi kim loại Ta đ ã biết rằng, các electron tự do trong kim loại chuyển động nhiệt hỗn loạn và đư ợc giữ lại ở bên trong kim loại. Điều đó có nghĩa là ở gần mặt kim loại phải có những “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 61 l ực liên kết tác dụng lên các electron và hướng vào phía tro ng kim lo ại. Muốn vượt ra khỏi m ặt giới hạn của vật dẫn kim loại, electron phải thực hiện một công xác định A chống lại các lực đó. Công A được gọi là công thoát của electron khỏi kim loại. Để đo công A người ta thư ờng dùng đơn vị là electron -Vôn, kí hi ệu eV, 1eV = 1,6.10-19J. Công thoát A có đ ộ l ớn vào khoảng vài eV (do đó φ có độ lớn khoảng vài vôn). Trong khi đó động năng trung bình c ủa chuyển động nhiệt của electron ở nhiệt độ phòng bằng 2 1 3 6 , 2 3 .1 0 0 , 0 3 9 2 kT J eV    ngh ĩa là nhỏ hơn A rất nhiều. Vì vậy, ở nhi ệt độ phòng, đ ại bộ phận các electron tự do ở bên trong kim loại. 2.2.1.2. Hi ệu điện thế tiếp xúc Hi ệu điện thế xuất hiện tại chỗ tiếp xúc hai kim loại khác nhau, được gọi là hiệu điện thế tiếp xúc. Chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại thường được gọi là mối hàn. Hiệu điện th ế tiếp xúc được thay đổi tùy theo từng cặp kim loại và thường có giá trị từ vài phần trăm vôn đ ến vài chục vôn. Nó phụ thuộc rất rõ vào độ tinh khiết của kim loại đặc biệt là phụ thu ộc vào độ tinh khiết của mặt kim loại tiếp xúc với chấ t khí. Xét hai thanh kim lo ại khác nhau có cùng nhiệt độ, tiếp xúc với nhau (Hình 9). Do chuy ển động nhiệt hỗn loạn, các electron tự do sẽ khuếch tán từ kim loại 1 sang kim loại 2 và ngư ợc lại. Bởi vì mật độ n 1 và n 2 c ủa electron tự do trong hai kim lo ại đó khác nhau nên các dòng electron khu ếch tán sẽ khác nhau. Giả sử n 1 >n 2 , khi đó d òng electron khuếch tán t ừ kim loại 1 sẽ lớn hơn dòng khuếch tán ngược lại từ kim loại 2 . Kết quả là kim loại 1 sẽ tích đi ện d ương còn kim loại 2 sẽ tích điện âm. Như vậy là gi ữa 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 c ản trở chuyển động của các electron từ kim loại 1 sang kim loại 2 và thúc đẩy chuyển đ ộng của các electron từ kim loại 2 sang kim l o ại 1. Do đó, số lượng tổng cộng các electron t ự do từ kim loại 1 sang kim loại 2 giảm dần, còn số lượng các electron tự do từ kim lo ại 2 sang kim loại 1 t ăng dần. Cho đến khi hiệu điện thế giữa hai kim loại đó đạt đến m ột giá trị Ui thì có sự cân bằng giữ a hai dòng electron đó, và hiệu điện thế U i đó chính là hi ệu điện thế tiếp xúc trong của hai kim loại, nó có giá trị vào khoảng 2 3 10 10 V    . 1.2.2. Các hiện tượng nhiệt điện 1.2.2.1. Hiện tượng Peltier (Penchiê) Do có t ồn tại hiệu điện thế ti ếp xúc, nên ngoài nhiệt lượng J oule - Lenz to ả ra trong th ể tích vật dẫn điện còn có một hiện tượng nhiệt phụ nữa xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa hai kim lo ại khác nhau do Peltier phát hiện ra n ăm 1834, gọi là hiện tượng Peltier. Khi cho dòng điện đi qua chỗ ti ếp xúc giữa hai kim loại thì ở đó sẽ có sự toả nhiệt hay hấp thu một lư ợng nhiệt Q tuỳ theo chiều của dòng điện đi qua đó. Kết quả là chỗ tiếp xúc nóng lên hay l ạnh đi. Nhi ệt lượng Peltier Q tỏa ra hay hấp thụ ở chỗ tiếp xúc tỉ lệ thuận với điện tích toàn ph ần q đi qua mối hàn: p p Q q It   ( p  : H ệ số Peltier). Ta cần lưu ý rằng hiện tượng Peltier và sự toả nhiệt Jun - Lenxơ có sự khác nhau căn b ản. Nhiệt lượng Jun - Lenxơ t ỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện và không ph ụ thu ộc và chiều dòng điện. Còn hiện tượng Peltier tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và thay đ ổi dấu khi có thay đổi chiều dòng điện. Hơn nữa nhiệt lượng J oule-Lenz ph ụ thuộc và đi ện trở vật dẫn còn nhiệt lượng Peltier không phụ thuộc vào điện trở v ật dẫn. 1.2.2.2. Hiện tượng Thomson (Tômxơn) _ + 2 1 Hình 9 “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 62 Khi kh ảo sát các hiện tuợng nhiệt điện Thomson đã đi đến kết luận là: Ngay cả trong m ột 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 Joule-Lenz ho ặc làm giảm nhiệt l ượng đó. Hiện tượng này gọi là hiện tượng Thomson. Nói cho th ật đúng thì hiện tượng này không liên quan trực tiếp đến các hiện tượng ti ếp xúc. Tuy nhiên nguồn gốc của hiện tư ợng đó lại liên quan chặt chẽ với các nguyên nhân làm xu ất hiện các hiện tượng ở chỗ tiếp xúc. 1.2.2.3. Hiện tượng Seebeck (Dibec) Ta bi ết rằng trong một mạch điện kín có nhiều vật dẫn cùng lo ại tiếp xúc với nhau ở cùng một nhiệt độ thì không có một hi ệu điện thế nào xuất hiện cả. Nếu ta cho nhiệt độ ở những chỗ tiếp xúc khác nhau thì trong m ạch xuất hiện suất điện động nghĩa là có dòng điện. Đó là hiện tượng nhiệt do Seebeck tìm ra năm 1821 và su ất điện động này gọi là suất điện động nhi ệt điện và dòng đi ện t ồn tại trong mạch gọi là dòng nhiệt điện. Su ất nhiệt điện động  tăng không t ỉ lệ với hiệu nhiệt độ gi ữa các mối hàn. Vì vậy, để đặc trưng cho tính chất nhiệt điện của một cặp vật dẫn bất kì ngư ời ta đưa vào đại lượng gọi l à su ất nhiệt điện động vi phân α, đo bằng suất nhiệt điện đ ộng xuất hiện khi hiệu nhiệt độ giữa các mối hàn là 1 0 C: dT d   , α ph ụ thuộc không nh ững vào bản chất của cặp kim loại mà còn phụ thuộc vào trạng thái của chúng, đặc biệt là vào nhi ệt độ. Nếu nhiệt độ (T 1 – T 2 ) của hai mối hàn không lớn thì ta có:   1 2 T T   . * Nguyên nhân gây ra su ất nhiệt điện động trong cặp nhiệt điện Su ất nhiệt điện động trong cặp nhiệt điện bằng vật liệu rắn thường được cho là hình thành từ ba nguồn gốc: - S ự phụ thuộc của công thoát của vật liệu theo nhiệt độ; - S ự dịch chuyển của hạt tải điện trên thỏi vật liệu từ đầu nóng đ ến đầu lạnh; - S ự thay đổi mật độ hạt tải điện theo nhiệt độ. Các electron trong ch ất rắn không thể tự do bay ra không gi an bên ngoài. Mu ốn vượt ra khỏi mặt giới hạn của chất rắn, ta phải cung cấp cho mỗi electron một năng lượng trung bình  g ọi là công thoát của electron của chất rắn. Công thoát electron phụ thuộc vào nhiệt đ ộ,  =  (T). Hai ch ất rắn A và B khác nhau, có cô ng thoát electron khác nhau: A(T)  B(T). Khi chúng ti ếp xúc nhau, giữa chúng sẽ xuất hiện hiệu điện thế tiếp xúc A 1 ( ) [ ( ) ( )] tx B U T T T e           . V ới một cặp nhiệt điện bằng chất rắn, khi nhiệt độ hai đầu bằng nhau thì tổng hiệu đi ện thế tiếp xúc trong ở hai m ối hàn bằng không, khi giữ hai đầu ở hai nhiệt độ T 1 và T 2 khác nhau, s ự khác nhau của hiệu điện thế tiếp xúc ở hai đầu sẽ tạo ra trong mạch một suất nhi ệt điện động nhiệt điện 1 2 ( ) ( ) tx tx tx U T U T   . S ự dịch chuyển của hạt tải điện trong thỏi vật l i ệu 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 Hình 10 “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 63 m ạnh hơn đầu lạnh, nên có xu hướng đẩy hạt tải điện từ đầu nóng về đầu lạnh. Trong vật lí ch ất rắn, ng ười ta coi dao động của mạng tinh th ể nh ư 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 d ẫn), mật độ hạt tải tăng theo nhiệt độ. Khi ấy hạt tải sẽ khuếch tán từ đầu nóng qua đầu l ạnh, làm hai đầu tích điện trái d ấu nhau. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Seebeck. Chênh l ệch hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh do hiệu ứng này gây ra là US = S(T1 – T2). Trong c ặp nhiệt điện, hiệu ứng Seebeck ở hai vật rắn A và B không giống nhau, tạo ra suất đi ện động 1 2 ( )( ) S A B S S T T    . Do đó su ất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện là: 1 2 1 2 ( )( ) ( ) ( ) S tx A B tx tx S S T T U T U T         . V ới kim loại, hạt tải điện là electron, có mật độ rất cao và không phụ thuộc nhiệt độ. Hi ệu điện thế tiếp xúc U tx xu ất hiện giữa hai lớp kim loại rất mỏ ng ở sát chỗ tiếp xúc. Electron có th ể qua lại dễ dàng lớp này bằng hiệu ứng đường hầm nên mật độ electron ở hai bên l ớp tiếp xúc gần như bằng nhau và hiệu điện thế tiếp xúc gần như bằng không, 0 tx   . Trong  ch ỉ có thành phần do sự cuốn theo phonon gây ra, vì thế suất điện động nhi ệt điện của cặp nhiệt điện kim loại thường rất nhỏ . V ới kim loại, hạt tải điện là eletron,có mật độ rất cao và không phụ thuộc nhiệt độ. Hi ệu điện thế tiếp xúc giữa hai lớp kim loại r ất mỏng ở sát chổ tiếp xúc. Các e qua lại dễ dàng lớp này bằng hiệu ứng đường hầm nên mật độ e ở hai bên lớp tiếp xúc gần như bằng nhau và hi ệu điện thế tiếp xúc gần như bằng không. Trong đó chỉ có thành phần cuốn theo phonon gây ra, vì th ế suất điện động nhi ệt điện của cặp nhiệt điện kim loại thường rất nhỏ Ứng dụng của hiện t ư ợng nhiệt điện -Nhi ệt kế nhiệt điện là cặp nhiệt điện có thể dùng để đo nhiệt độ rất cao cũng như rất thấp (mà ta không thể đo được bằng nhiệt kế thông thường). -Pin nhi ệt điện : Những cặp nhiệt điện mắc nối tiếp nhau có thể tạo thành một bộ pin có kh ả n ăng cho ta m ột thế hiệu vài vôn và dòng điện vài ampe . Hi ệu suất của pin nhiệt khá th ấp (1%) 1.3. Hi ện t ượng siêu dẫn Trong tự nhiên tồn tại nhiều vật dẫn (kim loại, h ợp kim, ) mà khi h ạ nhiệt độ của vật đến một nhiệt đ ộ T C nào đó th ì điện trở của nó bằng không. Vật ở dư ới nhiệt độ T C có đi ện trở bằng không gọi là vật siêu d ẫn. Trạng thái của vật ở vùng nhiệt độ T  T C có đi ện tr ở bằng không gọi là trạng thái siêu dẫn và trạng thái c ủa vật ở vùng nhiệt độ T  T C có đi ện trở khác không g ọi là trạng thái dẫn th ường hay là trạng thái thường. Tr ạng thái siêu dẫn được phát minh vào năm 1911 bởi nhà vật lí Hà Lan, Kamerlingh Ones khi nghiên cứu sự ph ụ thuộc của điện trở Hg vào nhiệt độ. T rong vùng nhi ệt độ T < T C = 4,2K đi ện trở Hg hoàn toàn bằng không. Ở nhiệt độ Tc vật chuyển từ trạng thái dẫn thư ờng sang trạng thái siêu dẫn hay ngược lại gọi là nhiệt độ tới hạn. Một số đặc tính của chất siêu dẫn a. Khi v ật ở trạng thái siêu dẫn điện trở củ a nó b ằng không. “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 64 b. Khi h ạ nhiệt độ một mẫu chất siêu dẫn đặt trong t ừ tr ường, người ta thấy rằng, tại thời điểm mẫu này chuyển sang trạng thái siêu dẫn thì các đường sức từ l ập tức bị đẩy ra khỏi mẫu, nghĩa là chất siêu dẫn được xem là ch ất nghịch từ lí tư ởng . Hi ện tượng đó gọi là hi ệu ứng Meissner – Ochsenfeld (M-O). V ật dẫn chỉ có đi ện trở bằng không thôi mà không có hiệu M -O thì không phải là chất siêu dẫn mà chỉ là vật dẫn lí tưởng. Hi ệu ứng Meissner -Ochsenfeld là hi ệu ứng t ừ thông b ị đ ẩy ra hoàn toàn khỏi bên trong của vật siêu d ẫn . Hi ện tư ợng này là hiện tượng ngh ịch từ hoàn hảo (Superdiamagnetism). Từ thông bên trong vật siêu dẫn bằng 0. Hiện tượng này được khám phá bởi hai nhà v ật lý ngư ời Áo Walther Meissner và ngư ời Đức Robert Ochsenfeld vào năm 1933. c. B ất kì vật liệu siêu dẫn nào cũng đặc trưng bằng ba thông số: nhiệt độ tới hạn T C , t ừ trường tới hạn H C và m ật độ dòng đi ện tới hạn J C . C ụ thể là: Khi đ ặt một mẫu siêu dẫn vào tr ong t ừ trư ờng, tính siêu dẫn của mẫu bị mất đi (tr ạng thái siêu dẫn bị phá huỷ) khi c ường độ từ trường lớn hơn một giá trị giới hạn nào đó, g ọi là từ trường tới hạn H c . Các phép đo cho th ấy từ trường tới hạn H c không ph ải là như nhau đ ối với mọi chất siêu d ẫn. Đ ối với một chất siêu dẫn xác định thì H C ph ụ thuộc vào nhi ệt độ và quy luật phụ thuộc này hầu như là như nhau đối với các chất siêu dẫn: ở gần độ không tuy ệt đối H C có giá tr ị cực đại và giảm chậm dần theo nhiệt độ, càng gần tới T C thì t ừ trường tới h ạn càng giảm nhanh. Khi cho qua m ẫu siêu dẫn một dòng điện vượt quá một mật độ nào đó, gọi là mật độ dòng t ới hạn j C , thì tr ạng thái siêu dẫn sẽ không còn nữa. Nguyên nhân là vì: khi tăng dòng đi ện thì từ trường riêng do nó gây ra tăng và sẽ đến thời điểm mà t ừ trường riêng này có cư ờng độ giới hạn H C làm m ất trạng thái siêu dẫn. Như vậy có thể nói: siêu dẫn là một trạng thái vật lí phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn, nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt chất siêu dẫn trong t ừ trường, từ trường còn bị đẩy ra khỏi nó. Gi ải thích tính siêu dẫn K ể 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 đ ã tìm ra s ự giải thích tương đối hợp lí về tính siêu dẫn. Nội dung vắn t ắt của thuyết BCS như sau: “ Việc dạy học phải làm sao để những điều giảng dạy được học sinh tiếp nhận như một món quà tặng có giá trị chứ không phải là một nhiệm vụ nặng nề”. (Albert Einstein) 65 Các h ạt tải điện không phải là các electron riêng r ẽ mà là các cặp electron gọi là cặp Cooper. Bình thường các electron đ ẩy nhau nên cần phải có c ơ c h ế đ ặc biệt nào đó để cho chúng có thể tạo thành c ặp. Theo lí thuy ết BCS, do tương tác đ ặc biệt (t ương tác electron - phonon), hai electron có spin ngược chiều nhau trong nh ững điều kiện nhất định có thể hút nhau thông qua các ion c ủa mạng tinh thể và t ạ o thành c ặp Cooper, các cặp này tạo thành m ột chất "siêu lỏng" chảy qua một số kim loại và hợp kim mà không bị ma sát, có ngh ĩa là dòng đi ện tạo bởi các cặp này không b ị cản trở, không tắt dần khi chạy qua vật liệu siêu dẫn. Ta có thể hình dung, khi m ột đ i ện tử chuyển động, tương tác của nó với mạng tinh thể làm biến dạng mạng tinh thể và đi ện 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 John Bardeen, Leon Cooper và R.Schriffer đ ã nhận giải thưởng Nobel về vật lí năm 1972 nh ờ công trình này. Tuy nhiên lí thuy ết BCS chỉ áp dụng cho các chất siêu dẫn có nhi ệt độ của trạng thái siêu dẫn rất thấp (dưới 30K). Trong khi đó người ta đã chế tạo đư ợc v ật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn. Vì vậy việc xây dựng được một lí thuy ết hoàn chỉnh để giải thích được đầy đủ đặc tính của chất siêu dẫn là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm hi ện nay http://www.youtube.com/watch?v=pPBsxylW2Z0&feature=relmfu http://www.physics.uiowa.edu/~umallik/adventure/nov_13-04.html Kh ả n ăng ứng dụng của chất siêu dẫn Các vật liệu siêu dẫn đã đưa đến sự thay đổi lớn lao về kĩ thuật, công nghệ, và kể cả trong kinh t ế và đời sống xã hội. Dưới đây chỉ nêu lên một số ứng dụng của siêu dẫn. Các đư ờng dây cáp siêu dẫn có khả năng truyền tải điện đi xa mà không bị tổn thất đi ện n ăn g vì đư ờng dây không có điện trở; mặt khác dây cáp tải điện siêu dẫn không cần làm to như dây cáp thông thư ờng và như vậy tiết kiệm được vật liệu (mật độ dòng điện trong dây siêu có thể đạt tới 10 5 A/cm2). D ựa trên tính chất từ trường không thâm nh ập được vào v ật liệu siêu dẫn và bị đẩy trở l ại, người ta đã chế tạo những đoàn tàu hoả v ới bánh xe có từ tính, còn đường ray có đặt các cu ộn siêu dẫn. Khi tàu chạy, do hiện tư ợng cảm ứng điện từ trong các cuộn dây có dòng đi ện cảm ứng và sinh ra từ trường. Kết quả là xuất hiện lực đẩy khiến cho các toa tàu b ị nâng lên , bánh xe không ti ếp xúc với đư ờng ray . T ừ trường do nam châm siêu dẫn t ạo ra cực mạnh đủ để nâng con tầu lên 10 cm kh ỏi đường ray. Đường ray c ó m ặt cắt h ình ch ữ U, tr ên có l ắp 3 cuộn d ây đi ện t ừ, đượ c cung c ấp điện bởi các trạm nguồn đặt dưới đất d ọc đường tầu. Nam châm siêu dẫn đặt trên tầu và đặt trong những b ình ch ứa Helium đ ể [...]... có dòng điện tích chuyển dời có hướng, nghĩa là không có dòng điện Khi có tác dụng của điện trường ngoài, c ác ion dương dịch chuyển có hướng theo chiều điện trường và các ion âm dịch chuyển ngược chiều điện trường, nghĩa là có dòng điện Như vậy, bản chất dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương cùng chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường Khi các. .. có điện trường ngoài các điện tích này chuyển động hỗn loạn như phân tử khí Khi có điện trường chúng chuyển động chúng chuyển động theo một hướng và tạo thành dòng điện Như vậy, dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm, electron ngược chiều điện trường Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chất khí vào hiệu điện thế Dòng điện trong. .. tượng điện phân được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật nh ư điều chế hoá chất , luyện kim, mạ điện, 3 Dòng điện trong chân không 3.1 Bản chất dòng điện trong chân không Chân không lí tưởng là một môi trường trong đó không có một phân tử khí nào Chân không là môi trường cách điện tốt, vì trong chân không khôn g có hạt mang điện tự do và cũng không có cách nào tạo ra hạt mang điện tự do từ bản thân môi trường. .. nguồn điện phụ) thì xảy ra hiện tượng phát xạ nhiệt electron, trong mạch có dòng điện Dòng điện đó chỉ xuất hiện trong trường hợp cực dương của nguồn nối với Anôt (A) và cực âm nối với K Nghĩa là dòng điện chỉ chạy theo một chiều từ A sang K Như vậy, dòng điện trong điôt chân không là dòng dịch chuyển có hướng của các electron bứt ra từ catôt bị nung nóng dưới tác dụng của điện trường Cường độ dòng điện. .. có điện trường đặt vào, electron chuyển động ngược chiều điện trường, lỗ trống chuyển động thuận chiều điện trường, gây nên dòng điện trong bán dẫn Vậy, dòng điện trong bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các electron và lỗ trống Ở bán dẫn tinh khiết, số electron và số lỗ trống bằng nhau Nói chính xác hơn, trong bán dẫn tinh khiết, mật độ electron và mật độ lỗ trống bằng nhau S ự dẫn điện trong trường. .. tia lửa điện tạo ra trong các phòng thí nghiệm Tuy nhiên nó có những đặc điểm riêng Chẳng hạn các tia lửa điện trong các điều kiện thường bắt đầu xảy ra khi cường độ điện trường E k ≈ 3.106V/m, còn cường độ điện trường để xảy ra và s ét trong các cơn mưa giông thấp hơn nhiều và nói chung không vượt 5 quá 2  4.10 V / m Sự giảm thấp cường độ điện trường như vậy cũng quan sát được trong sự phóng điện hình... Sự phụ thuộc của c ường độ dòng điện trong chất khí vào hiệu điện thế được biểu diễn bằng đặc tuyến vôn - ampe có dạng như hình vẽ Đặc tuyến V - A không phải là đường thẳng Đặc điểm này dược giải thích như sau: Khi tăng U, cường độ điện trường tăng làm 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 tỷ lệ với U) Tuy... sự phát sáng trong chất khí Như vậy, điều kiện để có sự dẫn điện tự lực là hiệu điện thế đủ mạnh để các electron gây ra dòng thác điện tích và các ion gây ra sự phát xạ electron từ catôt 4.3 .Các dạng phóng điện tự lực thường gặp Sự phóng điện tự lự c trong khí kém Chất khí ở áp suất thấp được hiểu là khí kém Để quan sát sự phóng điện trong khí kém người ta có thể làm thí nghiệm, bằng cách dùng ống... electron trong thể tích chất khí và sự ion hoá do bức xạ phát ra trong tia lửa điện là nguyên nhân hình thành tia lửa điện Tia lửa điện được ứng dụng phổ biến trong động cơ đốt trong để đốt hỗn hợp nhiên li ệu Bộ phận tạo ra tia lửa điện trong xe máy là bugi (spark) Sét (lightning) là tia lửa điện thường thấy trong tự nhiên, đó là một tia lửa điện khổng lồ được phát sinh do sự phóng điện giữa các đám... ion (+) và các ion (-) chạy về các điện cực chúng nhường và thu electron cho eện cực còn chúng trở thành các nguyên các đi tử hay phân tử trung hoà Các nguyên tử hay A phân tử trung hoà này có thể bám vào các điện cực hay bay lên khỏi dung dịch điện phân hoặc tác dụng với các điện cực hay dung môi, gây nên phản ứng hoá học khác Các phản ứng này gọi là phản ứng phụ hay là phản ứng thứ cấp Trường hợp . chất dòng điện trong chất đi ện phân là dòng chuyển dời có h ướng của các ion dương cùng chi ều điện trường và các ion âm ngư ợc chiều điện trường. Khi các ion (+) và các ion (-) ch ạy về các điện. có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm, electron ngược chiều điện trường. S ự phụ thuộc của c ường độ dòng điện trong chất khí vào hiệu điện thế Dòng điện trong chất khí không. sau: Khi tăng U, cư ờng độ điện trường tăng làm lực điện trường tác d ụng lên các điện tích tăng v ì thế số điện tích đi đến các điện cực tăng theo, làm cho cường độ dòng điện tăng (I t ỷ lệ với