Giải bài 13 vật lí 11: Dòng điện trong kim loại

A. Lý thuyết

I. Bản chất của dòng điện trong kim loại

Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại:

• Trong kim loại các nguyên tử bị mất electron hóa trị trở thành ion dương. Kim loại có cấu trúc mạng tinh thể kim loại nhờ sự sắp xếp các ion dương. Các ion dương chuyển động nhiệt (dao động) quanh vị trí cân bằng của chúng. Nhiệt độ càng cao thì các ion dương dao động càng mạnh.
• Các electron hóa trị tách khỏi kim loại trở thành electron tự do với mật độ không đổi; chuyển động hỗn loạn và không sinh ra dòng điện nào (còn được gọi là khí electron tự do).
• Điện trường $\overrightarrow{E}$ 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 cả trở chuyển động của electron tự do.
• Hạt tải điện trong kim loại là electron tự do. Trong kim loại, mật độ electron tự do rất cao nên chúng dẫn điện tốt.

Kết luận: 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 vào nhiệt độ

Điện trở suất là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của mỗi chất. Chất có điện trở suất thấp sẽ dễ dàng cho dòng điện truyền qua (chất dẫn điện) và chất có điện trở suất lớn sẽ có tính cản trở dòng điện lớn (chất cách điện). Điện trở suất nói lên tính cản trở sự chuyển dời có hướng của các hạt mang điện của mỗi chất. Đơn vị: $\Omega m$.

Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại vào nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất:

$\rho  = \rho _{0}.[1 + \alpha .(t - t_{0})]$

Trong đó:

• $\rho $, $\rho _{0}$ lần lượt là điện trở suất của kim loại ở nhiệt độ t, t₀.
• $\alpha $: hệ số nhiệt điện trở (K^-1).

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

Khi nhiệt độ giảm, mạng tinh thể càng bớt mất trật tự nên điện trở suất của kim loại càng giảm.

Một số kim loại như Hg, Pb, ... một số hợp kim Nb₃Ge, Nb₃Sn,.. và một số oxit kim loại khi ở nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ T_c tới hạn nào đó thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0 ta nói rằng vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn.

Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng điện trở suất của một số chất giảm đột ngột bằng 0 khi nhiệt độ giảm xuống đến một giá trị tới hạn.

IV. Hiện tượng nhiệt điện

Hiện tượng nhiệt điện là hiện tượng xuất hiện dòng điện khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu dây dẫn.

Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau được hàn dính một đầu gọi là đầu nóng (đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (đầu chuẩn). Khi có sự chênh lệnh nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ xuất hiện một suất điện động nhiệt điện.

Suất điện động nhiệt điện khi chênh lệch nhiệt độ độ giữa đầu nóng là đầu lạnh là T₁ -T₂ là: $\varepsilon  = \alpha _{T}.(T_{1} - T_{2})$ với $\alpha _{T}$ là hệ số nhiệt động.