CHƯƠNG III: DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG I. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI 1. Tính chất điện của kim loại • Kim loại dẫn điện tốt (điện trở suất ρ rất nhỏ hay điện dẫn xuất σ = 1/ρ rất lớn). • Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật ôm (nhiệt độ không đổi). • Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ: ρ = ρ o [1 + α(t - t o )] 2. Giải thích tính chất điện của kim loại: • Kim loại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể; các nguyên tử sắp xếp có trật tự và tuần hoàn tạo thành mạng tinh thể. • Các nguyên tử kim loại mất êlectron hoá trị (ngoài cùng) và trở thành con (+). Các êlectron này (tách khỏi nguyên tử) được gọi là êlectron tự do và chuyển động hỗn loạn trong mạng tinh thể tạo thành khí êlectron tự do chiếm toàn bộ thể tích kim loại. Mỗi kim loại có mật độ êlectron tự do khác nhau (cỡ mật độ nguyên tử). • Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các êlectron tự do ngược chiều điện trường. • Mạng tinh thể kim loại luôn có những chỗ mất trật tự làm lệch hướng chuyển động của các êlectron (va chạm). Các chỗ mất trật tự này có nhiều nguyên nhân: dao động nhiệt của các con (+), biến dạng cơ học hoặc các nguyên tử lạ. Các "va chạm" cản trở chuyển động có hướng của êlectron tự do tạo điện trở. Nhiệt độ càng cao các ion của mạng tinh thể càng dao động mạnh, độ mất trật tự tăng. Sự cản trở chuyển động có hướng của êlectron tự do tăng, điện trở suất của kim loại tăng. • Tác dụng của lực điện trường tạo cho êlectron tự do một năng lượng xác định. Khi "va chạm" một phần hay toàn bộ năng lượng này truyền cho mạng tinh thể kim loại, biến thành nội năng tức chuyển hoá thành nhiệt. II. HIỆN TƯỢNG NHIỆT ĐIỆN 1. Cặp nhiệt điện - Dòng nhiệt điện - Suất điện động nhiệt điện • Khi hai mối hàn của cặp nhiệt điện đặt ở hai nhiệt độ khác nhau, có dòng nhiệt điện chạy trong mạch (đo được bằng miliampe kê). • Suất điện động E tạo ra dòng điện này gọi là suất điện động nhiệt điện. Hiện tượng phát sinh suất điện động này là hiện tượng nhiệt điện. Thực nghiệm cho kết quả: E = α T (T 1 – T 2 ) 2. Ứng dụng: Nhiệt kế nhiệt điện và Pin nhiệt điện. III. HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN • Siêu dẫn là hiện tượng mà một kim loại (hay hợp kim) có điện trở giảm đột ngột tới 0 (không) khi nhiệt độ hạ xuống dưới một nhiệt độ T c nào đó. (T c : nhiệt độ tới hạn). Khi đó kim loại (hay hợp kim) có tính siêu dẫn và có thể duy trì dòng điện dù không còn nguồn điện. • Hiện tượng này được On-net (Kamerlingh Onnes) khám phá ra lần đầu (1911) với Hg. • Vật liệu siêu dẫn có nhiều ứng dụng quan trọng (tạo từ trường mạnh, .). Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang tìm cách chế tạo vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao. IV. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN 1. Chất điện phân: Axit, bazơ, muối ở thể nóng chảy hay dung dịch là các chất điện phân. 2. Bản chất dòng điện trong chất điện phân: Dòng điện trong chất điện phân là dòng dịch chuyển có hướng của: • các con (+) theo chiều điện trường. • các con (-) ngược chiều điện trường. V. PHẢN ỨNG PHỤ TRONG HIỆN TƯỢNG ĐIỆN PHÂN Các nguyên tử hoặc phân tử trung hoà có thể: • bám vào điện cực; • thoát lên ở dạng khí; • tượng tác với điện cực hay dung môi gây ra phản ứng phụ (phản ứng thứ cấp). VI. HIỆN TƯỢNG DƯƠNG CỰC TAN 1. Hiện tượng dương cực tan xảy ra khi: • điện phân một dung dịch muối kim loại. • anốt làm bằng chính kim loại này. 2. Kết quả của điện phân: • Catốt có kim loại bám vào. • Anốt bị mòn dần. 3. Dòng điện trong chất điện phân có hiện tượng dương cực tan tuân theo định luật Ôm tương tự đoạn mạch chỉ có điện trở thuần. VII. ĐỊNH LUẬT FARAĐÂY 1. Định luật: a) Khối lượng m của chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ với điện lượng Q truyền qua (đl I): m = k.Q b) Đương lượng điện hoá k của một nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam A n của nguyên tố đó (đl II): k ∼ A n . Lý thuyết ôn tập chương: Dòng điện trong các môi trường. 1 ρ 0 : điện trở suất ở t o (thường lấy 20 o c) α : hệ số nhiệt điện trở T: nhiệt độ (tuyệt đối) α T : hệ số nhiệt điện động (K -1 ) 2. Công thức: 1 1A A m Q I t F n F n = × × = × × × 3. Ứng dụng: a) Điều chế một số chất (H 2 ; NaOH; . . . ). b) Luyện kim. c) Mạ điện; đúc điện. VIII. DÒNG ĐIỆN TRONG CHÂN KHÔNG 1. Bản chất dòng điện trong chân không: Dòng điện trong chân không (trong điôt chân không) là dòng dịch chuyển có hướng của các êlectron bứt ra từ catốt bị đốt nóng. 2. Đặc tuyến V - A • Dòng điện trong chân không, không tuân theo định luật ôm. * Với U < 0 (|U|nhỏ): I ≠ 0. * Với U > 0 : U Z thì I Z nhanh. * Với U ≥ U b : I bh không đổi; T Z thì I bh Z . • Điôt chân không dẫn điện theo một chiều (U > O) nên được dùng để chỉnh lưu (biến đổi đòng điện xoay chiều thành một chiều). 3. Tia catốt (tia âm cực) • Tia catốt là dòng các êlectron do catốt đốt nóng phát ra và truyền trong chân không. • Tính chất của tia catốt: * bị lệch bởi điện trường và từ trường. Ở ngoài vùng tác động của trường này, tia catôta truyền thẳng. * tia catốt phát ra vuông góc với bề mặt catốt. * tia catốt có năng lượng (động năng của êlectron). * tia catốt có thể đâm xuyên qua một bề dày vật chất (lá kim loại); có khả năng Ion hoá không khí và tác dụng lên kính ảnh. * tia catốt làm phát quang một số chất. • Tia catốt tạo ra trong ống phóng điện tử (ống catốt) bộ phận của máy thu hình (Tivi), máy vi tính, dao động kí điện tử, . . . IX. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 1. Bản chất dòng điện: Dòng điện trong chất khí là dòng dịch chuyển có hướng của: * các ion (+) theo chiều điện trường * các ion (-) và các êlectron tự do ngược chiều điện trường 2. Đặc tuyến V - A • Dòng điện trong chất khí không tuân theo định luật ôm * Với 0 < U < U c : Phóng điện (truyền dòng điện) xảy ra nhờ tác dụng của tác nhân ion hoá: Phóng điện không tự lực. Nếu U ≤ U b thì khi U Z thì I Z ; nếu U b < U ≤ U c thì I không đổi (I bão hòa). * Với U > U c : Dòng điện tăng vọt do có hiện tượng ion hoá bởi va chạm. Phóng điện tự lực (tự duy trì). • Quá trình phóng điện trong chất khí có kèm theo sự phát sáng. 3. Các dạng phóng điện trong không khí ở điều kiện thường (áp suất bình thường) a) Tia lửa điện: • Phóng điện tự lực khi có điện trường mạnh (10 6 V/m). • Dạng ngoằn ngoèo, nhiều nhánh, không nhất định, gián đoạn. • Thường kèm theo tiếng nổ (do áp suất tăng đột ngột) và tạo ra ôzon (mùi khét). b) Sét: • Phóng điện tự lực giữa các đám mây tích điện trái dấu hoặc giữa đám mây và mặt đất (hiệu điện thế có thể tới 10 9 V; cường độ dòng điện có thể tới 5.10 4 A). • Có tiếng nổ lớn: sấm (giữa hai đám mây) hoặc sét (giữa mây và mặt đất). c) Hồ quang: • Phóng điện tự lực xảy ra ở áp suất thường (không khí) hoặc áp suất thấp (chất khí) giữa hai điện cực với hiệu điện thế không lớn có kèm theo toả nhiệt và toả sáng mạnh (từ 2500 o C đến 8000 o C). • Hồ quang với điện cực than có: * hiệu điện thế 40V ÷ 50V. * cường độ hàng chục Ampe. * hai cực phát ánh sáng chói loà và lưỡi liềm sáng yếu ở giữa (khí than cháy). * có sự phát xạ nhiệt êlectron của catốt và ion hoá chất khí giữa hai cực. • Hồ quang được ứng dụng để: * thắp sáng * hàn điện. * luyện kim. 4) Phóng điện trong chất khí ở áp suất thấp • Với không khí ở áp suất thấp (l mmHg - 0,01 mmHg) và hiệu điện thế vài trăm vôn, sự phóng điện tạo: * miền tối catốt. * cột sáng anốt (phóng điện thành miền). • Khi áp suất đạt tới 0,001 mmHg: * miền tối catốt choán hết ống phóng điện. * thành thuỷ tinh phát ánh sáng lục (ống chân không có tia catốt). • Với các khí khác (Ne; Kr; Ar; . . . ) cột sáng anốt có màu khác nhau (ứng dụng đèn quảng cáo). Lý thuyết ôn tập chương: Dòng điện trong các môi trường. 2 F = 96500C/mol: hằng số Farađây. A : khối lượng mol nguyên tử. n : hoá trị. X. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN 1. Chất bán dẫn • Bán dẫn bao gồm: * một số đơn chất: Si (điển hình); Ge; Se… * một số hợp chất: oxyt; sunfua; selenua; telerua; . . (CdTe ; ZnS ; . . . ) • Bán dẫn khác kim loại ở các điểm: * điện trở suất ρ của bán dẫn nằm trong vùng trung gian giữa kim loại và điện môi (ρ kl < ρ bd < ρ đm ). * Ở nhiệt độ thấp bán dẫn dẫn điện kém(gần giống điện môi); ở nhiệt độ cao bán dẫn dẫn điện tốt (gần giống kim loại). * tạp chất ảnh hưởng mạnh đến tính chất điện của bán dẫn. 2. Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết: • Ở nhiệt độ thấp bán dẫn tinh khiết hầu như không có hạt tải điện tự do. Bán dẫn không dẫn điện. • Ờ nhiệt độ tương đối cao có sự phát sinh cặp êlectron - lỗ trống: * do dao động nhiệt, một số êlectron tách khỏi liên kết cộng hoá trị và trở thành êlectron dẫn (êlectron tự do). * liên kết mất êlectron mang điện tích +e gọi là lỗ trống có thể dịch chuyển trong tinh thể. • Cũng có quá trình kết hợp êlectron + lỗ trống và tái tạo liên kết, tái hợp. Ờ nhiệt độ xác định, có cân bằng: Phát sinh € tái hợp Do cơ chế phát sinh ta luôn có ở bán dẫn tinh khiết: mật độ êlectron = mật độ lỗ trống • Nhiệt độ càng cao, dao động nhiệt càng mạnh, số êlectron và lỗ trống càng lớn: Độ dẫn điện của bán dẫn tăng. Ứng dụng: dùng làm nhiệt điện trở bán dẫn. • Chiếu ánh sáng thích hợp vào bán dẫn cũng làm phát sinh cặp êlectron-lỗ trống: hiện tượng quang dẫn. Ứng dụng: dùng làm quang điện trở bán dẫn. Vậy: Dòng điện trong bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các êlectron và lỗ trống. 3. Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất a) Bán dẫn loại n (bán dẫn điện tử): • Xét tinh thể Si (hóa trị 4) có pha các nguyên tử hoá trị 5 như P; As; . tỉ lệ vài phần triệu). * 4 êlectron hoá trị của P tham gia liên kết cộng hóa trị với 4 electron của Si. * êlectron thứ 5 của P còn lại dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử và trở thành êlectron tự do. • Tạp chất P làm tăng số êlectron dẫn, không tăng số lỗ trống. Mật độ êlectron tự do >> so với mật độ lỗ trống. * P: tạp chất cho (tạp chất đôno) * êlectron: hạt mang điện cơ bản (đa số, nhiều) * lỗ trống: hạt mang điện không cơ bản (thiểu số. ít) * bán dẫn có P: gọi là bán dẫn loại n (hạt tải điện chủ yếu là electron mang điện âm). b) Bán dẫn loại p (bán dẫn lỗ trống): • Xét tinh thể Si có pha các nguyên tử hoá trị 3 như: B; Al; . . . tỉ lệ vài phần triệu. * 3 êlectron hoá trị của B tham gia liên kết cộng hóa trị với Si. Còn thiếu một electron liên kết để đạt cơ cấu bền. * Một êlectron của liên kết giữa các nguyên tử Si có thể chuyển đến tạo liên kết này để lại lỗ trống mang điện tích +e. • Tạp chất B làm tăng số lỗ trống. Mật độ lỗ trống tự do >> so với mật độ êlectron * B: tạp chất nhận (tạp chất axepto) * lỗ trống: hạt mang điện cơ bản (đa số, nhiều) * êlectron: hạt mang điện không cơ bản (thiểu số, ít) * bán dẫn có B: bán dẫn loại p (hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống mang điện dương) Ghi chú: * Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết: dẫn điện riêng * Sự dẫn điện của bán dẫn p hay n: dẫn điện do tạp chất * Bán dẫn tinh khiết: bán dẫn loại i. 4. Lớp chuyển tiếp p - n a) Sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n: • Ở mặt tiếp xúc, do khuếch tán có hai lớp điện tích: * (+) bên bán dẫn n. * (-) bên bán dẫn p. Các lớp điện tích này tạo ra điện trường trong t E r hướng từ n → p. t E r có tác dụng: * ngăn cản sự khuếch tán hạt mang điện cơ bản (electron từ n → p và lỗ trống từ p → n) * thúc đẩy sự khuếch tán hạt mang điện không cơ bản (electron từ p → n và lỗ trống từ n → p) • Sau một thời gian, khuếch tán dừng lại và có t E r đạt ổn định: ta có lớp chuyển tiếp p - n. Lớp này hầu như không có hạt tải điện tự do nên gọi là lớp nghèo (hạt tải điện) và có điện trở lớn. b) Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p – n: • Mắc hai đầu của lớp chuyển tiếp p - n như sơ đồ (phân cực thuận) * t E r yếu đi (vì n E r [Z t E r ; n E r : điện trường ngoài ) * dòng chuyển dời các hạt tải điện cơ bản được tăng cường tạo dòng điện thuận I th . * U Z : thì I th tăng nhanh. • Đảo các cực mắc vào hai đầu của lớp chuyển tiếp p - n (phân cực ngược) * t E r mạnh lên (vì n E r Z Z t E r ) Lý thuyết ôn tập chương: Dòng điện trong các môi trường. 3 * chuyển dời của hạt tải điện cơ bản bị ngăn chặn. Chỉ có dòng các hạt không cơ bản tạo dòng điện ngược I ng cường độ nhỏ. * U Z : thì I ng hầu như không tăng. • Đồ thị (đặc tuyến V - A của lớp chuyển tiếp p - n: Lớp chuyển tiếp p - n dẫn điện tốt theo chiều p → n (tính chỉnh lưu). Ghi chú: Khi phân cực ngược với |U| khá lớn có hiện tượng đánh thủng do các electron thu động năng đủ lớn để phá vỡ các liên kết làm tăng số êlectron và lỗ trống kiểu thác lũ. I ng tăng nhanh. XI. LINH KIỆN BÁN DẪN 1. Điôt: Điôt là dụng cụ bán dẫn có một lớp chuyển tiếp p - n. a) Điôt chỉnh lưu: • Hoạt động trên cơ sở tính chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p - n. • Dòng điện xoay chiều là dòng điện có hiệu điện thế và cường độ biến thiên hàm sin theo thời gian. Trong một nửa chu kì dòng điện sơ ƠỒ mạch chỉnh lưu nửa 1 Trong một nửa chu kì dòng điện chạy theo chiều này, trong nửa chu kì sau dòng điện chạy ngược lại. • Đặt hiệu điện thế xoay chiều vào mạch chỉnh lưu thì dòng điện qua tải tiêu thụ (điện trở R: * Có một chiều (nhưng thay đổi) trong nửa chu kì. * triệt tiêu trong nửa chu kì sau. b) Phôtôđiôt: • Hoạt động dựa trên tính chất sau: Ánh sáng thích hợp chiếu vào lớp chuyển tiếp p - n tạo thêm các cặp êlectron - lỗ trống. Do đó dòng điện ngược của điôt này tăng. • Phôtôđiôt biến đổi tín hiệu ánh sáng thành dòng điện và được dùng làm cảm biến ánh sáng. c) Pin mặt trời: • Khi ánh sáng tạo ra các cặp êlectron - lỗ trống ở lớp chuyển tiếp p - n thì điện trường trong t E r tác dụng: đẩy lỗ trống sang bán dẫn p; đẩy êlectron sang bán dẫn n. • Giữa hai đầu lớp chuyển tiếp p - n xuất hiện suất điện động quang điện. Đó là pin quang điện. • Đóng kín mạch, trong mạch có dòng quang điện. Nếu ánh sáng sử dụng là ánh sáng mặt trời ta có pin mặt trời. d) Điôt phát quang (LED: Với vật liệu bán dẫn thích hợp thì khi có dòng điện thuận qua lớp chuyển tiếp p - n phát ánh sáng. Ta có điôt phát quang (LED: Light Emitting Diode). Tuỳ bản chất bán dẫn và tạp chất, ánh sáng có màu sắc thay đổi. Điôt phát quang được dùng làm bộ hiển thị, màn hình quảng cáo, nguồn sáng, laze (bán dẫn) . . . e) Pin nhiệt điện bán dẫn Đây là cặp nhiệt điện tạo bởi hai thanh bán dẫn khác loại (p và n). Hệ số nhiệt điện động α T lớn hơn rất nhiều so với cặp nhiệt điện kim loại. Với các dãy cặp nhiệt điện bán dẫn mắc xen kẽ, có hiện tượng nhiệt điện ngược. Hiện tượng này được ứng dụng để chế tạo thiết bị làm lạnh gọn nhẹ, hiệu quả cao. 2. Tranzito a) Cấu tạo : Tranzito là dụng cụ bán dẫn có: * hai lớp chuyển tiếp p - n; * ba khu vực bán dẫn: p - n - p hoặc n - p – n; * với khu vực giữa n hoặc p) rất mỏng (cỡ µm) có mật độ hạt tải điện thấp. • Ba khu vực bán dẫn của tranzito được nối vào mạch bởi các cực gọi là: * cực phát E (êmitơ) * cực góp C (côlectơ) * cực gốc B (bazơ). Lớp chuyển tiếp p - n ở cực E luôn được phân cực thuận Lớp chuyển tiếp p - n ở cực C luôn được phân cực ngược b) Hoạt động: • Để tranzito hoạt động (khuếch đại) được, người ta mắc mạch điện điển hình với tranzito p - n - p có sơ đồ như sau • Do cách phân cực và do mật độ hạt tải điện: * dòng I E chủ yếu do các lỗ trống (phun hạt tải điện). * phần lớn các lỗ trống này tới lớp chuyển tiếp B - C được cuốn qua do điện trường phân cực ngược tạo dòng I C Do đó : I C ≈ I E (vì I B << I E ) Đặt : C B I I β = (hệ số khuếch đại dòng điện) • Nếu U EB biến thiên lượng ∆U EB thì I E , I B biến thiên theo. Do đó I C cũng biến thiên lượng ∆I C . Điện trở tải R lớn nên giữa hai đầu có biến thiên hiệu điện thế: ∆U CB = R. ∆I C = βR∆I B >> ∆U EB . Vậy ∆U EB đã được khuếch đại thành ∆U CB . • Mối quan hệ giữa các giá trị cường độ dòng điện và hiệu điện thế được thể hiện và tính toán qua các đặc tuyến. Ví dụ: Dạng họ đặc tuyến của một tranzito p - n - p. I B = 0 tranzito ở trạng thái ngắt. I C = const tranzito ở trạng thái bão hoà. Lý thuyết ôn tập chương: Dòng điện trong các môi trường. 4 Anốt(A) Catốt(K) . Mạ điện; đúc điện. VIII. DÒNG ĐIỆN TRONG CHÂN KHÔNG 1. Bản chất dòng điện trong chân không: Dòng điện trong chân không (trong điôt chân không) là dòng dịch. sin theo thời gian. Trong một nửa chu kì dòng điện sơ ƠỒ mạch chỉnh lưu nửa 1 Trong một nửa chu kì dòng điện chạy theo chiều này, trong nửa chu kì sau