- 0 - TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÍ TIỂU LUẬN MÔN: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TÊN ĐỀ TÀI: DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Thầy LÊ VĂN HOÀNG SINH VIÊN THỰC HIỆN : NGUYỄN THỊ YẾN NHI NGUYỄN THỊ SANG NGUYỄN THỊ KIỀU THU NGUYỄN THANH NGỌC THỦY ĐẶNG NGỌC THANH VÂN NGUYỄN THỊ YẾN - 1 - MUC LUC MUC LUC 1 - LỜI MỞ ĐẦU 4 - 1. Chương 1:Dòng Điện Trong Kim Loại 5 - 1.1 Cấu trúc của kim loại 5 - 1.2 Nội dung thuyết electron về kim loại 6 - 1.3 Giải thích tính chất điện của kim loại 8 - 1.3.1 Giải thích tính dẫn điện tốt của kim loại 8 - 1.3.2 Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở 10 - 1.3.3 Giải thích tính phụ thuộc nhiệt độ của điện trở 10 - 1.4 Các hiện tượng nhiệt điệ n 10 - 1.4.1 Hiện tượng Seebeck 11 - 1.4.2 Hiện tượng Peltier 13 - 1.4.3 Hiện tượng Thomson 15 - 1.5 Siêu dẫn 17 - 2. Chương 2:DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN 21 - 2.1 TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA BÁN DẪN 21 - 2.2 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA BÁN DẪN 22 - 2.2.1 LÍ THUYẾT LƯỢNG TỬ 22 - 2.2.2 LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ, CẤU TẠO VÀ TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA CHẤT BÁN DẪN 23 - 2.3 BÁN DẪN PHA TẠP CHẤT 25 - 2.3.1 Bán dẫn loại n 25 - 2.3.2 Bán dẫn loại p 26 - 2.4 BÁN D ẪN SUY BIẾN 27 - 2.5 CÁC HIỆN TƯỢNG Ở LỚP CHUYỂN TIẾP p-n 27 - 2.6 Các ứng dụng của chất bán dẫn: 31 - 2.6.1 Nhiệt điện trở: 31 - 2.6.2 Quang điện trở 32 - 2.6.3 Pin nhiệt điện bán dẫn 32 - 2.6.4 Diod chỉnh lưu (thông dụng nhất) 33 - 2.6.5 Diod tách sóng 34 - 2.6.6 Diod phát quang (Led) 34 - 2.6.7 Diod biến dung 35 - 2.6.8 Diod ổn định (diod Zener) 36 - 2.6.9 Diod tunnel ( diod đuờng ngầm) 38 - 2.7 Transitor có lớp chuyển tiếp, transitor trường 40 - 2.7.1 Transitor có lớp chuyển tiếp 40 - 2.7.2 Transitor hiệu ứng trường(FET) 43 - 2.7.3 Transitor hi ệu ứng trường có lớp chuyển tiếp 44 - 2.7.4 Transitor hiệu ứng trường cửa cách li 45 - 3. Chương 3: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 47 - - 2 - 3.1 BẢN CHẤT DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 47 - 3.1.1 Thí nghiệm 47 - 3.1.2 Quãng đường tự do trung bình của electron trong chất khí 49 - 3.1.3 Sự ion hóa chất khí, năng lượng ion hóa và điện thế ion hóa 49 - 3.2 SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ Ở ÁP SUẤT BÌNH THƯỜNG 50 - 3.2.1 Sự phóng điện không tự lực của chất khí. 50 - 3.3 CÁC DẠNG PHÓNG ĐIỆN Ở ÁP SUẤT THƯỜNG 53 - 3.3.1 Sự phóng điện hình tia : 53 - 3.3.2 Sét 54 - 3.3.3 Hồ quang điện 54 - 3.3.4 ỨNG DỤNG 55 - 3.4 SỰ PHÓNG ĐIỆN Ở ÁP SUẤT THẤP 57 - 3.4.1 Sự phóng điện thành miền 57 - 3.4.2 Tia catod và tia Rontgen, tia dương 57 - 4. Chương 4 : Dòng điện trong chân không 61 - 4.1 Các loại phát xạ electron 61 - 4.1.1 Phát xạ nhiệt electron 61 - 4.1.2 Phát xạ quang electron 61 - 4.1.3 Phát xạ electron thứ cấp 62 - 4.1.4 Tự phát xạ electron 63 - 4.2 Dòng điện trong chân không 65 - 4.2.1 Thí nghiệm dòng điện trong chân không 65 - 4.2.2 Bản chất dòng điện trong chân không 66 - 4.2.3 Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế - 66 - 4.3 Ứng dụng của dòng điện trong chân không 67 - 4.3.1 Các tính chất của tia catod 67 - 4.3.2 Các ứng dụng của dòng điện trong chân không 68 - 5. Chương 5: Dòng điện trong chất điện phân 74 - 5.1 Sự tạo thành các ion trong dung dịch lỏng v ắn 74 - 5.1.1 Hiện tượng điện phân 74 - 5.1.2 Sự tạo thành các ion trong dung dịch 75 - 5.2 Dòng điện trong chất điện phân –Định luật Faraday 76 - 5.2.1 Phản ứng phụ trong hiện tượng điện phân 77 - 5.2.2 Dương cực tan 78 - 5.2.3 Định luật Farađây 79 - 5.3 Các ứng dụng của hiện tượng điện phân: 82 - 5.3.1 Công nghệ điện phân điều chế xút- clo- hiđro 82 - 5.3.2 Luyện kim 82 - 5.3.3 Mạ điện 83 - 5.3.4 Đúc điện 83 - 5.4 HIỆN TƯỢNG ĐIỆN HÓA – CÁC NGUỒN PIN 84 - 5.4.1 Hiện tượng điện hóa 84 - 5.4.2 Các nguồn pin 84 - 5.5 Hiện tượng phân cực trong điện phân 89 - - 3 - 5.5.1 Sự phân cực khi điện phân 89 - 5.5.2 Acquy 90 - KẾT LUẬN 96 - TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 - - 4 - LỜI MỞ ĐẦU Đa số các ứng dụng của điện liên quan đến dòng điện, nghĩa là liên quan đến dòng chuyển dời của các điện tích, chúng ta có thể quan sát dòng điện ở mọi môi trường như dòng điện rất lớn phóng qua môi trường khí tạo nên sét, dòng điện chạy trong dây dẫn kim loại trong gia đình cung cấp năng lượng điện cho các công cụ điện như đèn chiếu sáng, bàn là, tủ l ạnh… Chúng ta có thể quan sát hình ảnh trên màn hình ti vi nhờ có chùm êlectron chuyển động trong vùng chân không bên trong ống hình tác dụng lên màn huỳnh quang. Các linh kiện bán dẫn đã có mặt trong các đồ điện quen thuộc của các gia đình như máy tính, điện thoại di động, bộ điều khiển từ xa… Các ứng dụng dựa trên cơ sở lý thuyết dòng điện trong các môi trường đã và đang ngày càng phát triển cao. Để tìm hiểu sâu hơn về vấn đề nhóm chúng tôi đã n ỗ lực thực hiện bài tiểu luận: “Dòng điện trong các môi trường và ứng dụng”. Trong bài này nhóm chúng tôi trình bày những cơ sở lý thuyết và ứng dụng của dòng điện trong các môi trường từ truớc đến nay. Do kiến thức còn hạn chế nên còn nhiều sai sót, vì vậy nhóm chúng tôi rất mong sự thông cảm và góp ý từ phía bạn đọc. Chân thành cảm ơn. Nhóm thực hiện. - 5 - 1. Chương 1:Dòng Điện Trong Kim Loại 1.1 Cấu trúc của kim loại Một nguyên tử riêng lẻ bao gồm hạt nhân mang điện tích dương ở trung tâm và các electron chuyển động xung quanh. Giữa chúng có lực tương tác tĩnh điện để liên kết hạt nhân với các electron tạo thành nguyên tử bền vững. Sự liên kết này được hình dung như hàng rào thế năng giam giữ các electron trong nguyên tử. Khi các nguyên tử đơn lẻ tiến lại gần nhau liên kết thành mạng tinh thể, khoảng cách giữa các nguyên tử co ngắn lại làm hàng rào thế hạ xuống, lực tương tác của electron hoá trị lớp ngoài cùng với hạt nhân là rất yếu và các electron này được xem là electron tự do. Như vậy, tinh thể kim loại bao gồm các ion dương sắp xếp trật tự tuần hoàn, chiếm vị trí các nút mạng tinh thể. Các electron hóa trị tách Hình 1.1: thế năng tương tác giữa các nguyên tử trong kim loại khỏi nguyên tử, di chuyển tự do trong toàn bộ mạng tinh thể trở thành electron tự do. Các electron này liên kết không ch ỉ với một ion dương mà nó liên kết với tất cả các ion dương khác trong mạng tinh thể. Các electron hoá trị đã trở thành các electron tự do và được dùng chung cho cả mạng tinh thể Số nguyên tử trong tinh thể rất lớn, mỗi nguyên tử có thể đóng góp một vài electron hoá trị, các electron này có mật độ rất lớn nên bao phủ toàn bộ thể tích của tinh thể kim loại( mật độ electron tự do tương ứng với mật độ nguyên t ử, vào khoảng 10 28 electron/m 3 ). Tương tác giữa đám mây electron tự do mang điện tích âm và các ion - 6 - ớ nút mạng mang điện tích dương chính là lực liên kết tạo nên tinh thể kim loại bền vững. Hình 1.2: sự tập thể hóa các electron tự dolớp 3s của các nguyên tử Natri Tinh thể kim loại có đặc điểm là mật độ electron tự do rất lớn, các electron này rất linh động, dễ dàng chuyển động tự do trong toàn bộ mạng tinh thể nên các vật dẫn kim loại có các tính chất đặc biệt như dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có độ bền uốn, độ bền kéo cao. 1.2 Nội dung thuyết electron về kim loại Các chất được cấu tạo từ các phân tử, các phân tử do các nguyên tử tạo thành. Mỗi nguyên tử đều có hạt nhân mang điện tích dương, tập trung hầu hết khối lượng của - 7 - nguyên tử. Các electron mang điện tích âm (-e) chuyển động xung quanh hạt nhân, e là điện tích nguyên tố có giá trị e = 1,6.10 -19 C. Hạt nhân nguyên tử ở vị trí trung tâm của nguyên tử, nó có kích thước rất nhỏ (đường kính khoảng 10 -13 m). Hạt nhân bao gồm proton mang điện tích +e (=1,6.10 - 19 C), khối lượng m p = 1,673.10 -27 kg, lớn gấp 1836 lần khối lượng của electron m e = 9,1.10 -31 kg và hạt nơtron không mang điện có khối lượng xấp xỉ khối lượng hạt proton. Hình 1.3:mô hình nguyên tử Natri Na Trong nguyên tử trung hòa về điện thì số electron bằng số proton. Do khối lượng của electron rất bé so với khối lượng của proton nên electron dễ di chuyển hơn proton rất nhiều. Nếu vì một nguyên nhân nào đó, nguyên tử mất đi một số electron thì tổng đại số các điện tích trong nguyên tử là một số dương. Ngược lại nguyên tử nhận thêm một số electron, số electron trong nguyên tử lớn hơn số proton. Nguyên tử trở thành ion âm. Trong kim loại có các electron tự do. Mật độ electron tự do xấp xỉ bằng mật độ của nguyên tử trong kim loại nên rất lớn. Tập hợp các electron tự do trong kim loại được coi như khí electron, có tính chất giống như khí lý tưởng. Khí electron tuân theo các định luật của khí lí tưởng. - 8 - 1.3 Giải thích tính chất điện của kim loại 1.3.1 Giải thích tính dẫn điện tốt của kim loại 1.3.1.1 Bằng thuyết electron 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 tốc độ rất lớn ( cỡ 10 5 m/s), chuyển động nhiệt hỗn độn tán xạ trên các chỗ mất trật tự của mạng tinh thể nên không có hướng ưu tiên. Xét số electron chuyển động theo một chiều nào đó, về trung bình luôn bằng số electron chuyển động theo chiều ngược lại. Điện lượng tổng cộng bởi các electron đi qua một mặt bất kì theo một chiều nào đó là bằng không. Vậy chuyển động hỗn loạn của các electron tự do không tạo ra dòng điện trong vật dẫn kim loại. E = 0 E Hình 1.4: chuyển động nhiệt và chuyển động cuốn của electron trong nguyên tử kim loại Khi đặt một hiệu điện thế bên ngoài vào hai đầu của vật dẫn kim loại, do chịu tác dụng của lực điện trường, các electron tự do nhận thêm một thành phần vận tốc chuyển động có hướng ngược chiều điện trường ngoài. Trong đó F là lực do điện trường ngoài tác dụng lên mộ t electron. 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 điệ n trường ngoài tác dụng lên kim loại - 9 - 1.3.1.2 Bằng lí thuyết lượng tử Giải thích tính dẫn điện của kim loại bằng lí thuyết dải năng lượng Kim loại có số electron tự do lớn nên dẫn điện tốt. Ở độ không tuyệt đối, các electron hoá trị chỉ chiếm một phần các trạng thái của dải năng lượng mà nó chiếm chỗ, trong dải còn nhiều trạng thái năng lượng còn trống. Theo quan điể m lượng tử, sóng electron không va chạm khi chuyển động trong mạng tinh thể lí tưởng hoàn toàn trật tự, nên electron dẫn có quãng đường chuyển động tự do rất lớn. Thực tế, quãng đường chuyển động tự do của electron bị hạn chế do trong tinh thể thực luôn tồn tại các khuyết tật do sai hỏng mạng tinh thể và tạp chất. Trong chuyển động có hướng, các electron tự do luôn tán xạ với các chỗ nhỏ mất tr ật tự của mạng tinh thể làm các electron bị tổn hao năng lượng chuyển động có hướng. Nguyên nhân làm cho mạng tinh thể có những chỗ mất trật tự có thể do chuyển động nhiệt của các ion dương ở nút mạng dao động Hình 1.5: Cấu trúc dải năng luợng của êlectron trong tinh thể quanh vị trí cân bằng làm tăng biên độ tán xạ. Các nguyên tử tạp chất có trong mạng tinh thể gây ra các khuyết t ật của mạng tinh thể hoặc do các tác nhân cơ học gây nên các sai lệch điểm, sai lệch đường, sai lệch khối của mạng tinh thể. Các nguyên nhân đó làm cản trở dòng chuyển động của các electron, cản trở dòng điện trong kim loại hay kim loại có điện trở. Các kim loại khác nhau có cấu tạo mạng tinh thể khác nhau, do đó tác dụng cản trở chuyển động của các electron tự do khác nhau. Đó là nguyên nhân gây ra điện tr ở suất của các kim loại khác nhau là khác nhau. Trong các sai hỏng mạng nói trên, sai hỏng do tạp chất, do cơ học ít phụ thuộc nhiệt độ. Nhưng [...]... p-n Những điện tích khối trái dấu ở hai phía mặt phân cách tạo nên một điện trường bên trong, hướng từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p Điện trường trong gây nên dòng cuốn các hạt mang điện thiểu số qua mặt phân cách Khi dòng chuyển dời của các hạt thiểu số dưới tác dụng của điện trường trong cân bằng với dòng khuếch tán của hạt tải đa số, trạng thái cân bằng được thiết lập Điện trường trong đạt... khuếch tán của các hạt tải đa số qua dải tiếp xúc được thiết lập ĐẶC TÍNH CHỈNH LƯU CỦA LỚP CHUYỂN TIẾP p-n Lớp chuyển tiếp p-n có đặc tính chỉnh lưu dòng điện : nó cho dòng điện đi qua theo một chiều dễ dàng hơn so với dòng điện theo chiều ngược lại và được ứng dụng trong chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều - 29 - Trong lớp tiếp xúc p-n có điện trường tiếp xúc trong, điện trường này... dẫn điện bằng hai loại hạt tải là electron mang điện tích âm (-e) và lỗ trống mang điện tích dương (+e) Chất bán dẫn điển hình như Si có khe năng lượng Eg = 1,1 eV Hình 2.1: cấu trúc dải năng lượng của bán dẫn Silicvà của điện môi kim cương - 23 - Giải thích sự cách điện : Theo vật lý cổ điển, khi đặt chất cách diện vào một điện trường E, điện trường sẽ tác dụng một lực điện –eE lên mỗi electron Lực điện. .. kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau, trong mạch không có dòng điện Nếu nhiệt độ ở hai mối hàn khác nhau sẽ có dòng điện chạy trong mạch Độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn càng lớn thì dòng điện càng lớn Dòng điện này được gọi là dòng nhiệt điện, suất điện động tạo nên dòng nhiệt điện gọi là suất điện động nhiệt điện Mạch kín nói trên được gọi là cặp nhiệt điện T2 B A + V - B T1 Hình 1.6: hiện... Lentz tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện - 15 - và không phụ thuộc vào chiều của dòng điện Còn nhiệt lượng Peltier tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và thay đổi dấu khi dòng điện đổi chiều Nhiệt lượng Joule_Lenz phụ thuộc vào điện trở vật dẫn trong khi nhiệt lượng peltier không phụ thuộc vào điện trở Hệ số Peltier  được tính bằng J/C hay bằng vôn và có độ lớn vào khoảng 10-2 -103 V Nhiệt lượng... dụng làm tiếp điểm rời ra Mạch điện chiếu sáng bị ngắt, đèn không sáng Khi trời tối, điện trở của quang điện trở tăng lên có tác dụng làm điện trở qua rơle giảm, tiếp điểm được đóng lại , đèn sáng Như vậy quangđiện trở cùng với rơle trong mạch điện chiếu sáng có tác dụng như một cái khóa đóng mở dòng điện phụ thuộc vào độ sáng của môi trường chiếu sáng 2.6.3 Pin nhiệt điện bán dẫn Linh kiện nhiệt điện. .. tinh thể Giữa hai va chạm kế tiếp, các electron chuyển động có gia tốc dưới tác dụng của điện trường ngoài và nó có một năng lượng xác định do điện trường cung cấp 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 Nguyên nhân gây ra điện trở là sự va chạm của các electron tự do vào các ion dương của mạng tinh thể 1.3.3... được trình bày trên hình 2.8 Từ hình ta có nhận xét sau: + Nếu điện áp ngoài được mắc theo chiều thuận thì V>0, dòng điện thuận tăng nhanh, khi V tăng, dòng điện thuận là dòng của các hạt tải điện đa số + Nếu điện áp ngoài được mắc theo chiều ngược thì V . 74 - 5.1 Sự tạo thành các ion trong dung dịch lỏng v ắn 74 - 5.1.1 Hiện tượng điện phân 74 - 5.1.2 Sự tạo thành các ion trong dung dịch 75 - 5.2 Dòng điện trong chất điện phân –Định luật. 4.2 Dòng điện trong chân không 65 - 4.2.1 Thí nghiệm dòng điện trong chân không 65 - 4.2.2 Bản chất dòng điện trong chân không 66 - 4.2.3 Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không. 3. Chương 3: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 47 - - 2 - 3.1 BẢN CHẤT DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 47 - 3.1.1 Thí nghiệm 47 - 3.1.2 Quãng đường tự do trung bình của electron trong chất khí 49 - 3.1.3