Những Điều Cần Biết Về Dòng Điện Trong Các Môi Trường

Dòng điện là sự chuyển dịch có hướng của các hạt mang điện trong môi trường. Ở môi trường khác nhau, các hạt mang điện này có cấu tạo khác nhau, tạo nên bản chất của dòng điện trong các môi trường

Dòng điện trong kim loại

  • Xét về cấu tạo của kim loại: Kim loại có cấu trúc mạng tinh thể bao gồm các ion dương dao động tại các nút của mạng, các electron tự do chuyển động một cách hỗn loạn theo mọi hướng khác nhau. Khi đặt một nguồn điện vào hai đầu của kim loại sẽ tạo nên sự chênh lệch về điện thế, làm các electron tự do di chuyển thành dòng bên trong kim loại. Dòng electron tự do này, di chuyển từ cực âm đến cực dương bên trong kim loại. Như vậy, dòng điện bên trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron bên trong kim loại.

Dòng điện trong kim loại

  • Điện trở của dây dẫn kim loại: Các ion dương trong cấu trúc mạng tinh thể của kim loại chỉ di chuyển xung quanh nút mạng, cản trở sự di chuyển của dòng electron. Sự cản trở này tạo thành điện trở.

Công thức tính điện trở của kim loại:

R= ρlS

Trong đó:

+ R: điện trở của dây dẫn kim loại (Ω)

+  l: chiều dài của đoạn dây (m)

+ S: tiết diện ngang của dây dẫn (m2)

+ ?ρ: điện trở suất của dây dẫn (Ωm)

Bên cạnh đó, điện trở suất của dây dẫn cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, theo công thức:

ρ=ρ0(1+α.∆t)

Trong đó:

+ ρ: điện trở suất của dây dẫn

+ ρ0: điện trở suất của kim loại sau khi thay đổi nhiệt độ

+ ∆t: độ biến thiên nhiệt độ

+ α: hằng số nhiệt điện trở

Dòng điện trong không khí

Bình thường, không khí là môi trường cách điện, hay còn gọi là chất điện môi. Khi có ngọn lửa ga hay chiếu bức xạ vào không khí thì chúng trở thành dẫn điện.

  • Bản chất của dòng điện trong không khí: Khi có các tác nhân ion hóa (lửa ga, bức xạ,…) nhờ có năng lượng cao, chúng đã ion hóa không khí, tách các phân tử khí trung hòa, tạo thành ion tích điện dương và các electron mang điện tích âm. Các electron tự do này, sau khi kết hợp với các phân tử khí trung hòa, tạo thành ion tích điện âm. Các hạt tích điện dương và âm này gọi là hạt tải điện trong không khí. Như vậy, dòng điện trong không khí là dòng dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường. Quá trình vừa mô tả là quá trình dẫn điện (phóng điện) không tự lực. Nó chỉ tồn tại khi có hạt tải điện được đưa vào môi trường (do các tác nhân ion hóa tạo ra) ở giữa hai bản cực cực và sẽ chất dứt khi không còn hạt tải điện nữa. Sự thay đổi điện thế giữa hai bản cực này tạo nên hiệu điện thế (U) và dòng điện (I) đi qua không khí. Quá trình này không đi theo định luật Ôm.
  • Điều kiện tạo ra dòng điện trong không khí: Để duy trì được dòng điện trong chất khí, quá trình dẫn điện (phóng điện) mô tả trên phải trở thành một quá trình tự lực. Tức là liên tục tạo ra các hạt tải điện trong môi trường. Có bốn cách để tạo ra dòng điện này:
    • Khi dòng điện đi qua chất khí, làm nhiệt độ tăng, tạo ra hiện tượng ion hóa không khí.
    • Điện trường của môi trường không khí rất lớn, làm cho các phân tử khí có thể tự ion hóa dù ở nhiệt độ thấp.
    • Catot của dòng điện nung nóng đỏ, làm cho nó có khả năng tự phát ra electron. Hiện tường này là hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử.
    • Các ion dương có năng lượng lớn đập vào các catot làm bật các electron ra khỏi catot, tạo thành hạt tải điện.

Điều kiện tạo ra dòng điện trong không khí

Tùy các cơ chế khác nhau mà sinh ra các hiện tượng phóng điện tự lực khác nhau. Hai hiện tượng phóng điện tự lực hay gặp nhất là tia lửa điện và hồ quang điện.

Dòng điện trong chất bán dẫn

Có những chất, không thể xem là kim loại hay điện môi. Chúng là chất bán dẫn.

Chất bán dẫn có điện trở suất nằm khoảng trung gian giữa kim loại và điện môi. Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của chất bán dẫn rất lớn khiến chúng không dẫn điện. Khi tăng nhiệt đô cao, điện trớ uất giảm nhanh, hệ số nhiệt điện trở thành giá trị âm. Chất bán dẫn có khả năng dẫn điện.

Dòng điện trong chất bán dẫn

  • Bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn: Xét trên phân tử của Silic (Si) là chất bán dẫn thuần tinh khiết, có thể nhận thấy mỗi phân mỗi tinh thể Si có bốn eletron hóa trị nên có thể tạo được liên kết với bốn nguyên tử lân cận. Các eletron hóa trị này khi tham gia vào liên kết, không thể tham gia dẫn điện. Tuy nhiên khi nhiệt độ của chất nóng lên, các liên kết bị phá vỡ, các eletron này trở thành electron tự do tạo thành hạt tải điện. Chỗ nguyên tử bị phá vỡ liên kết với eletron lại trở về mang điện tích dương tạo thành hạt tải điện dương hấp dẫn một electron hóa trị của nguyên tử silic lân cận, để điền vào trở lại, tạo nên dòng dịch chuyển của các electron. Các hạt tải điện dương này gọi là lỗ trống. Như vậy, dòng điện trong chất bán dẫn là dòng dịch chuyển có hướng của các electron và lỗ trống.

Như vậy, dòng điện trong các môi trường khác nhau đều có bản chất khác nhau, tuân theo những quy luật riêng. Để tìm hiểu rõ các tính chất của chúng phải nắm rõ bản chất của từng môi trường mà dòng điện tồn tại.

Bạn đọc vui vòng tham khảo thêm một số chủ đề khác về Vật Lý:

♦ Làm Sao Để Học Tốt Chuyên Đề “Điên Nặng” Vật Lý Lớp 12

♦ Hướng dẫn giải các dạng bài tập về phần khúc xạ Ánh Sáng

Những Điều Cần Biết Về Dòng Điện Trong Các Môi Trường

5 3 votes

Để lại bình luận