“ 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
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
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:
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.
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.
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.
/> Gi
ải thích định luật Ôm
Đ
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
.
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
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
-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
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
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
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
/> />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
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
“ 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)
66
hóa l
ỏng, tạo ra nhiệt độ thấp là 269 độ dưới không độ, khi c
ó dòng đi
ện đi qua, sinh ra
m
ột từ tr
ường khoảng 4,23 tesla nâ
tích đi
ện d
ương.
+ N
ếu tâm của các điện tích
dương trùng v
ới tâm của các điện tích
âm thì s
ự phân bố điện tích của phân tử
đó v
ề toàn bộ là
đều và phân tử thuộc
lo
ại phân tử không cực và khi đó ta có
m
ối liên kết không cực.
+ N
ếu tâm của các
điện tích dương và tâm của các
đi
ện tích âm không trùng nhau thì t
a có phân t
ử có cực
và khi đó ta có mối liên kết có cực.
+ N
ếu tâm của các điện tích xa nhau rất rõ, phân tử
s
ẽ thuộc loại ion (
liên k
ết ion
c
ủa
phân t
ử NaCl. Còn các
đầu âm của chúng lại hướng
vào đ
ầu dương của phân tử NaCl tức là vào ion Na
+
và hút ion
ấy, đồng thời đẩy ion Cl
-
c
ủa NaCl. Như
v
ậy là các phân tử của dung môi (ở
đây là
H
2
O) bao
quanh các ion c
ủa chất hoà tan (ở đây là NaCl), tạo
thành m
ột tập hợp gọi là
“solvat”.
/>Khi ion chuy
ển
động, toàn bộ solvat cũng chuy
ển
đ
ộng. Hiện tượng đó được gọi là
-
+
- +
- +
- +
+ -
+ -
- +
-
+
-
+
- +
-
+
-
+
- +
- +
- +
Thí nghi
ệm điện phân với dung dịch NaCl và nước
“ 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)
67
Song song v
ới quá trình phân li nói trên, còn có quá trình ngược lại đó là khi hai ion
trái d
ấu va chạm với nhau trong chuyển
động nhiệt, chúng có thể kết hợp lạ
0
'n
phân tử bị phân li thành ion thì:
'
0
0
(0 1)
n
n
. Hệ số phụ thuộc vào bản chất
c
ủa chất hoà tan của dung môi, vào
n
ồng độ dung dịch và nhiệt độ dung dịch.
Như v
ậy,
h
ằng số điện môi của dung môi càng lớn thì mối liên kết của các phân tử của chất hòa tan
càng y
ếu
đi .
Hi
ện tượng điện li xảy ra là do hai nguyên nhân:
Chuy
ển
động nhiệt hỗn độn của các nguyên tử, phân tử
Tương tác gi
ữa các phân tử có cực của chất hoà tan với phân tử tự phân cực
c
Như vậy, bản 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 cực chúng nhường và thu electron cho
các đi
ện cực còn chúng trở thành các nguyên
t
ử hay phân tử trung hoà. Các nguyên tử hay
phân t
ử trung hoà này có thể bám vào các
đi
ện cực
hay bay lên kh
ỏi dung dịch điện
phân hoặc tác dụng với các điện cực hay
dung môi, gây nên ph
ản ứng hoá học khác.
Các ph
ản ứng này gọi là
ph
ản ứng phụ
hay
SO
4
2-
Cu
2+
Dd CuSO
4
e
-
e
-
K
A
mA
+
_
Hình 22
“ 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)
68
b
ằng chính kim loại ấy
. Ví d
ụ khi điện phân dung dịch sunfat đồng (CuSO
4
) v
ới an
ode
(A) b
ằng
ực
tan.
2.2. S
ự phụ thuộc của cường độ dòng điện theo hiệu điện thế trong chất điện phân
S
ự phụ thuộc của dòng
điện theo hiệu điện thế trong chất điện phân phụ thuộc được
kh
ảo sát theo biểu thức của định luật Ôm cho đoạn mạch rút ra từ thuy
ết electron:
EuunqI
00
0
Trong đó: E là cư
ờng
độ điện trường ngoài,
u
+
0
, u
-
0
là đ
ộ linh động của ion dương và ion âm
q là đi
ện tích của mỗi ion
S
ự tạo thành ion và mật
ại
đó th
ì bình
điện phân là máy thu điện và dòng điện chạy qua bình điện phân sẽ
tuân theo công th
ứ
c
p
pABpAB
AB
r
UU
I
AB
R
2.3. Các đ
ịnh luật về chất
điện phân
+Đ
ịnh luật
I Faraday (th
ứ nhất)
Kh
ối lượng của chất được giải phóng ra ở điện cực tỉ lệ với
đi
ện l
4
v
ới anốt bằng đồng
0,14
0,12
0,10
0,08
0,18
0,16
“ 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)
69
lư
ợng hoá học của nó:
k = cA/n (2)
H
ệ số c có cùng m
ột trị số
đ
ối với tất cả các chất. Kí hiệu 1/c = F, trong đó F cũng là
m
ột hằng số đối với mọi chất và gọi là hằng số Faraday, F = 9,65.10
7
C/kmol.
T
ừ (1) và (2) ta rút ra
công th
ức
chung bi
ểu thị cho cả hai định luật Faraday:
ợc trung hoà ở điện cực, khối lượng của chất được giải phóng ra là: m = Nm
0
Đi
ện tích mỗi ion là q = ne (với e là
điện tích nguyên tố, n là hoá trị của nguyên tố).
Khi có N ion tới điện cực thì điện lượng đã chuyển qua du ng dịch điện phân là
q = Nne
ne
q
N
T
ừ đó:
m = Nm
0
0
m
ne
q
=kq
Đó chính là bi
ểu thức của
định luật
I Faraday, v
ới k = m
0
/ne.
M
ặt khác khối lượng nguyên tử của chất được giải phóng ra ở điện cực:
A = N
7
C/kg
Hi
ện tượng điện phân được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật nh
ư đi
ều chế hoá chất
,
luy
ện kim, mạ điện,
3. Dòng
đi
ện trong chân không
3.1. B
ản chất dòng
điện trong chân không
Chân không lí tư
ởng là một môi trường trong đó không có một phân tử khí nào. Chân
không là môi trư
ờng cách điện tốt, vì trong chân không khôn
g có h
ạt mang điện tự do và
c
ũng không có cách nào tạo ra hạt mang điện tự do từ bản thân môi trường đó.
Mu
ốn cho dòng điện chạy qua chân không thì môi trường đó phải có hạt mang điện
t
ự do được tạo ra từ một nguồn nào đó. Nguồn điện tích tự do này thường
đư
ợc tạo ra nhờ
hi
điện và mili
-ampek
ế.
Điôt là m
ột bóng thuỷ tinh đã hút hết khí trong
đó có hai c
ực: catốt (K) là một vật liệu khó nóng
chảy (như vônfram chẳng hạn) trên bề mặt có phủ
m
ột lớp chất có công thoát nhỏ. Khi K ch
ưa được
đ
ốt nóng thì trong mạch không có dòng điện dù đặt
vào hai c
ực hiệu điện thế khá lớn. Khi đốt nóng K
(nh
ờ nguồn
điện phụ) thì xảy ra hiện tượng phát xạ
nhiệt electron, trong mạch có dòng điện. Dòng điện
đó ch
ỉ xuất hiện trong tr
ường hợp cực dương của
ngu
ồn nối với Anôt (A) và cực âm nối với K. Nghĩa
là dòng
điện chỉ chạy theo một chiều từ A sang K.
Như v
ậy, 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.
Cư
đi tới anôt (tuy bị lực hãm của điện trư
ờng khi
đó có hư
ớng từ
A đ
ến K).
Khi tăng đi
ện áp ở A t
ăng từ nhỏ đến lớn, dòng điện tăng dần. Đến khi số electron
phát xạ nhiệt từ K trong một giây bằng số electron đến A trong một giây thì dòng điện đạt
giá tr
ị bão hoà. Mật
độ dòng điện bão hoà Ibh đặc
trưng cho kh
ẳ n
ăng phát xạ của K. Khả
năng phát x
ạ này lại phụ thuộc vào chất làm K và nhiệt độ.
3.2.Tia cathode
Làm thí nghi
ệm với diode chân không
vơi anode có một lỗ nhỏ. Khi đèn hoạt động thì
phía sau l
ỗ có dòng các electron do cathode
phát ra và bay trong chân không. Đó là tia
cathode. Tia cathode có tính ch
ất:
truy
ền thẳng,
b
đi
ện. Nhưng bằng cách nào đó ta làm xuất hiện các điện
tích t
ự do thì chất khí trở nên dẫn
điện. Sự truyền dòng
đi
ện qua chất khí gọi là sự phóng điện trong chất khí. Sự
phóng đi
ện tron
g ch
ất khí luôn luôn kèm theo sự ion hoá
và s
ự tái hợp không ngừng các phân tử tải điện (electron
và các ion) trong kh
ối khí, trên mặt các điện cực cũng
như c
ả ở thành bình.
* S
ự ion hóa
S
ự ion hoá chất khí là
đi
ều kiện cần thiết
đ
ể chất khí trở nên dẫn đ
i
ện. Muốn ion
hoá ch
ất khí, cần truyền cho phân tử chất khí n
ăng lượng để thực hiện công chống lại lực
t
ự lực
c
ủa chất khí.
Ngoài s
ự ion hóa do tác dụng của tác nhân ion hóa, trong chất khí còn có sự ion hóa
do va ch
ạm của electron (thu được năng lượng lớn từ điện trường) với phân tử khí. Sự va
ch
ạm này là va chạm
không đàn h
ồi
, khi đó electron truy
ền hầu hết n
ăng lượng của nó cho
phân t
ử, làm cho phân tử hoặc là chuyển động sang trạng thái kích thích hoặc là bị ion hóa,
ngh
ĩa là làm cho electron bứt hẳn ra khỏi phân tử. Điều kiện để ion hóa phân tử là: động
năng mà electron thu đư
ợc trên quãng
đường tự do trung bình phải lớn hơn (hay ít nhất là
b
ằng) năng lượng ion hóa.
* S
ự tái hợp ion
Đ
ồng thời với sự ion hóa chất khí còn có quá trình tái hợp các hạt mang
điện trái
d
s
ự phóng
điện trong chất khí người ta có thể tiến hành thí nghiệm theo
sơ đ
ồ ở hình bên.
“ 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)
72
Khi đ
ốt nóng chất khí, hoặc dùng các loại bức xạ tác động
vào môi trư
ờng khí, thì một số nguyên tử hoặc phân tử khí mất
bớt electron và trở thành ion dương. Trong số các electron mới
t
ạo thành, một số chuyển
động tự do, một số khác kết hợp với
nguyên t
ử hay
phân t
ử trung hoà tạo thành ion âm. Trong khi
chuy
ển động nhiệt hỗn loạn, một số electron có thể kết hợp lại
v
ới ion d
ương khi va chạm để trở thành phân tử trung h
oà. Quá
trình này gọi là sự tái hợp.
Khi chưa có đi
ện trường ngoài các điện tích này chuyển
đ
đường thẳng. Đặc điểm này dược giải
thích như 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 U).
Tuy nhiên, dư
ới tác dụng của điện trường, khi phần lớn các điện tích được tạo thành
sau m
ỗi giây
đã tới được các cực thì dòng đ
i
ện không t
ăng nữa, nó đ
ạt giá tr
ị bão hoà
(đoạn ab). Sự tăng dòng điện trong đoạn bc là do các electron do tác nhân ion hoá tạo ra
đư
ợc gia tốc mạnh d
ưới tác dụng của điện trường khá lớn trên suốt quãng đường tự do
trung bình, nên
đã tích luỹ năng lượng đ
ủ lớn
đủ để ion hoá các phân tử khi va chạm với
chúng. Các electron v
ừa mới bứt ra từ các phân tử được gia tốc trong điện trường, lại va
ở thành tự lực thì phải làm sao
để trong chất khí xảy ra những quá trình khác
“ 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)
73
liên t
ục tạo ra các electron mới thay thế cho các electron đi về anôt. Sự phát xạ nhiệt
electron th
ứ cấp từ catôt d
ưới tác dụng bắn phá của các ion dương là một trong các quá
trình quan trọng để duy trì thác electron.
Khi tăng đi
ện trường lên tới mức mà trong thời gian chuyển động tự do các electron
thu đư
ợc năng lượng đủ để bứt các electron khác ra khỏi nguyên tử khi va chạm vào
chúng. Lúc đó cư
ờng
độ dòng điện tăng vọt và kèm
theo s
ự phát sáng trong chất khí.
Như v
ậy, điều kiện để có sự dẫn điện tự lực là hiệu điện thế đủ mạnh để các electron
gây ra dòng thác
đi
ện tích và các ion gây ra sự phát xạ electron từ catôt.
4.3.Các d
ạng phóng điện tự lực thường gặp
S
ự phóng
điện tự lự
ống phóng
điện.
S
ự hình thành miền tối K và cột sáng A c
ó th
ể
đư
ợc giải thích như sau:
Lúc đ
ầu, do nhiều nguyên nhân khác nhau (do tác dụng của tia tử ngoại trong ánh
sáng m
ặt trời, tia vũ trụ ) không khí luôn luôn bị ion hoá và bên trong ống đã có sẵn một
s
ố ion. Nhờ có hiệu
điện thế đủ lớn giữa hai cực, các
ion và electron t
ự do có sẵn trong
chất khí được tăng tốc trên quãng đường tự do trung bình khá dài của nó, và nhận được
năng lư
ợng
đủ lớn để làm ion hoá chất khí khi va chạm, tạo ra những ion mới; do đó bắt
đ
ầu có dòng điện truyền qua ống.
Mi
ền tối K
đượ
c hình thành là do các electron t
ừ K
đi ra không phải là đã va chạm
ngay l
Tia l
ửa
điện
“ 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)
74
Trong s
ự
phóng đi
ện thành
mi
ền, với hiệu
điện thế không lớn,
sự phóng điện bắt đầu xảy ra khi
gi
ảm áp suất giữa hai
điện cực đến
m
ột giá trị nào đó. Nếu áp suất chất
khí b
ằng áp suất khí quyển, ta tăng
d
ần hiệu
điện thế giữa hai điện cực
đến một giá trị nào đó ta thấy xuất
hi
ện tia lửa
điện. Tia đó xuyên qua
kho
ảng không gian phóng điện rất
ức xạ phát ra trong tia
lửa điện là nguyên nhân hình thành
tia l
ửa điện.
Tia l
ửa điện được ứng
d
ụng phổ biến trong
đ
ộng
cơ đ
ốt
trong đ
ể
đốt hỗn hợp nhiên li
ệu. B
ộ
ph
ận tạo ra tia lửa điện
trong xe máy
là bugi (spark).
Sét (lightning) là tia l
ửa điện thường thấy trong tự nhiên, đó
là m
ột tia lửa điện khổng
l
ồ
được phát sinh do sự phóng điện giữa các đám mây tích điện hoặc giữa một đám mây
tích đi
ện và mặt đất.
ệm. Tuy nhiên nó có những đặc điểm riêng. Chẳng hạn các tia lửa điện trong các điều
ki
ện thường bắt đầu xảy ra khi cường độ điện trường E
k
≈ 3.10
6
V/m, còn c
ường độ điện
trư
ờng
để xảy ra và s
ét trong các cơn mưa giông th
ấp h
ơn nhiều và nói chung không vượt
quá
5
2 4.10 /V m
. S
ự giảm thấp cường độ điện trường như vậy cũng quan sát được trong
s
ự phóng điện hình tia thực hiện trong phòng thí nghiệm trên khoảng phóng điện dài
(kho
ảng
10m).
B
ản chất của sét đã được khảo sát trong các thí nghiệm của Franklin, Lômônôxôp và
Richman. Lômônôxôp đ
ã nhận thấy rằng ở lớp khí quyển gần mặt đất luôn luôn tồn tại một
đi
ện tr
* Sét hòn.
Sét hòn là m
ột hiện tượng tự nhiên thường đi kèm với
hi
ện tượng sấm chớp khi có mưa to. Nó tồn tại dưới dạng
m
ột vật thể bay cháy sáng trong một thời gian dài, ngược lại
v
ới hiện t
ượng hồ quang ch
ỉ tồn tại trong thời gian ngắn
gi
ữa hai điểm đi kèm theo hiện tượng sét.
Sét hòn t
ừng
được cho là một hiện tượng hiếm, nhưng
những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng chỉ một số ít phần
trăm dân chúng M
ỹ
đã từng chứng kiến. Các bức ảnh về sét
hòn l
ại càng hiếm và chi tiết do các nhân chứng cung cấp có
r
ất nhiều điểm khác biệt. Nhiều quan sát lại mâu thuẫn với
nhau, và có th
ể nhiều hiện t
ượng khác. Sự phóng điện có thể
xuất hiện bất cứ lúc nào trong suốt cơn mưa bão lớn, thỉnh thoảng xuất phát từ một tia sét,
nhưng ph
ần lớn chúng xuất hiện bất thình lình trong khi thời tiết
đ
ể tạo ra những đám mây plasma sáng chói tương tự như sét hòn,
t
ồn tại gần nửa giây và có đường kính tới 20 centimét.
H
ọ hy vọng những thực thể nhân tạo này sẽ giúp hiểu biết về hiện
tư
ợng kỳ lạ trên và có lẽ c
òn m
ở ra ánh sáng mới về việc sử dụng
các plasma nóng cho những nhà máy điện nhiệt hạch.
H
ồ quang điện
(Electric arc)
H
ồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường
ho
ặc áp suất thấp giữa hai
điện cực có hiệu điện thế k
hông l
ớn.
N
ếu như, sau khi có sự phóng điện hình tia, ta giảm dần điện trở của mạch thì cường
đ
ộ dòng
điện tăng lên. Khi điện trở này có trị số nhỏ đến một mức nào đó, thì sự phóng
đi
ện sẽ chuyển từ không liên tục sang liên tục. Khi đó sự phóng điện trong
ch
ất khí đó gọi
ạnh, tại đó hầu hết vật liệu bị
nóng ch
ảy hoặc bay hơi, nên A bị lõm vào. Còn các ion dương khi đập vào K thì cũng làm
cho K duy trì tr
ạng thái nóng
đỏ và phát xạ nhiệt electron. Chất khí giữa hai cực ở nhiệt độ
cao nên b
ị ion hoá và dẫn điện tốt
.
H
ồ quang
điện xuất hiện trong mọi trường hợp khi sự phát xạ nhiệt electron trở thành
nguyên nhân chính của sự ion hoá chất khí. chẳng hạn trong sự phóng điện thành miền, các
ion dương b
ắn phá K không phải chỉ sinh ra sự phát xạ electron thứ cấp mà còn
đố
t nóng
K. Vì v
ậy, nếu tăng cường độ dòng điện trong sự phóng điện thành miền thì nhiệt độ tăng
lên và khi nhi
ệt độ ấy đat đến một giá trị nào đó khiến cho bắt đầu có sự phát xạ nhiệt
electron đáng k
ể thì sự phóng
điện thành miền biến thành hồ quang. Khi đo
, đ
ộ giảm thế K
bị biến mất. Nếu K trong ống phóng điện thành miền là một dây xoắn được đốt nóng bằng
m
ột nguồn
điện phụ, thì sự phóng điện thành miền cũng biến thành sự phóng điện hồ
ượng sét
hòn
Hình 7 : Sét hòn đu
ổi
Hình 8 : Đám mây plassma
“ 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)
77
Sơ đồ mắc đèn ống
Hi
ện có nhiều lo
ại bóng đèn
ống
hu
ỳnh quang, chẳng hạn như bóng T10, T8, T5, T3. T10
là bóng đèn
ống
hu
ỳnh quang thế hệ cũ,
đường kính 40mm, tiêu tốn điện năng 40W, chưa
kể chấn lưu sắt từ tiêu thụ khoảng 12W và tuổi thọ chỉ có 6.000 giờ. Trong khi bóng T8
đư
ờng kính 26mm
, tiêu th
ụ
điện 36W, hiệu suất phát quang tăng 20% và tuổi thọ
c
ủa
T8 là
16.000 gi
c
ực
đối diện cũng là dây tóc nóng sáng được phủ bột điện tử. Nửa chu kỳ sau, chúng
chuyển động the o chiều ngược lại. Nếu trong ống có hơi (khí) thuỷ ngân hoặc khí
krypton thì
đi
ện t
ử va ph
ải phân tử khí làm thuỷ ngân hoặc crypton phát sáng, bức xạ
phát ra lúc đó là t
ử ngoại
ho
ặc cực tím có năng
lư
ợng lớn. Hiện t
ượng này
gọi là điện huỳnh quang.
B
ức xạ
c
ực tím và tử ngoại
tác d
ụng lên bột huỳnh
quang
ở thành
phía trong
ống, b
ức xạ
ra ánh sáng
có màu phụ thuộc vào
- Chấn lưu: Chấn lưu được mắc nối tiếp với hai đầu điện cực, có tác dụng điều chỉnh và
ổn
đ
ịnh tần số của dòng điện. Nó là một cuộn dây cảm kháng có tác dụng duy trì độ tự
c
ảm tức là điện áp rơi trên nó để điện áp trên bón
g luôn kho
ảng từ 80
-140V.
-T
ắc te:
T
ắc te được mắc song song với hai đầu điện cực. Bản chất của nó là một tụ điện
dùng rơle nhi
ệt l
ưỡng kim, bên trong chứa khí neon. Khi có dòng điện đi qua, hai cực
của nó tích điện đến một mức nào đó thì phóng điện. Nó c ó tác dụng khởi động đèn ban
đ
ầu. Khi bật công
t
ắc
, lúc này đi
ện áp giữa hai
đầu cực là 220V chưa đủ lớn để phóng
đi
ện. Khi đó,
t
ắc
te m
ắc song song với bóng đèn nên nó cũng có điện áp là 220V và đóng
ượng hồ
quang điện như đã giải thích ở trên sẽ xảy ra và đèn phát sáng. Nếu đèn chưa cháy thì tắc
“ 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)
78
te s
ẽ phải khởi động vài lần gây nên hiện tượng “chớp tắt” mà chúng ta thường thấy.
Đ
ồng thời, khi
đèn đ
ã sáng lên, ch
ấn lưu lại có nhiệm
v
ụ giảm
điện áp lên bóng, duy trì ở
mức 80 - 140V tùy theo từng loại. Tắc te lúc này không còn tác dụng vì điện áp đặt lên
hai đ
ầu
t
ắc
te nh
ỏ h
ơn điện áp
ho
ạt
động.
S
ử dụng chấn l
ưu điện từ có ưu điểm là rẻ tiền,
d
điệ
n không giống c
ả kim
lo
ại lẫn điện môi. Nó có hệ số nhiệt điện trở âm
Năm 1873, Smit quan sát đư
ợc hiện t
ượng giảm
đi
ện trở của sêlen khi chiếu ánh sáng
bằng ánh sáng mặt trời.
Năm 1874, Brao nh
ận thấy
Galen (chì sunfua) và pirit (s
ắt sunfua) có tính chỉnh
lưu.
Ch
ẳng bao lâu sau ng
ười ta phát hiện cả một họ các chất có tính chất như vậy và gọi
chúng là ch
ất bán dẫn. Người ta cũng nhận thấy rằng tính chất của bán dẫn rất nhạy cảm
v
ới tạp chất. Cùng một chất hệ số nhiệt điện trở âm
v
ới nhiều mẫu đo này có th
ể lớn h
ơn, mẫu đo khác
l
ại nhỏ. Người ta gọi mẫu bán dẫn có hệ số nhiệt
đi
ăng lượng khác nhau bên trong vùng dẫn khi có điện trường ngoài đặt
3 m
ẫu transistor
thu
ộc thế kỷ 20
- M
ẫu transistor đầu tiên
: Ảnh Bell Labs
“ 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)
79
vào bán d
ẫn, chúng là
nh
ững electron dẫn. Các trạng thái ở đỉnh vùng hóa trị bị thiếu
êlectron là các l
ỗ trống. Các lỗ trống có thể thay
đổi năng lượng của mình trong vùng hóa
trị và vì thế cũng tham giavào dẫn điện. Nhiệt độ càng cao thì số cặp electron -lỗ trống
càng l
ớn và
đ
i
ện trở suất của bán dẫn càng nhỏ.
5.2.1. N
ội dung của thuyết
- Khi N nguyên t
ử
k
ết hợp với nhau tạo thành tinh thể, các mức n
hoặc Eg có mức
năng lư
ợng, gọi là khe n
ăng lượng hoặc vùng cấm. Eg có thể có các giá trị khác nhau tùy
theo lo
ại vật liệu, thậm chí
có c
ả giá trị âm (khi ấy ta bảo là hai vùng đè lên nhau).
- Electron trong tinh th
ể xếp vào các mức n
ăng lượng trong c
ác vùng t
ừ thấp
đến cao,
vì th
ế vùng kích thích thường là rỗng. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, electron chỉ có
thể nhận năng lượng của điện trường để nhảy lên mức năng lượng cao hơn trong vùng nếu
trong vùng còn có m
ức trống.
Đ
ộ rộng năng lượng của v
ùng năng lư
ợng ở miền năng
lư
ợng thấp thì nhỏ, và tăng đáng kể ở miền năng lượng cao.
5.2.2. Đi
ện trở suất
Theo lý thuy
ết vùng năng lượng ta thấy
r
. Đối với bán dẫn thì điện trở suất
vào c
ỡ từ
4
10 m
đ
ến
9
10 m
. Ví d
ụ đối
v
ới một số chất bán dẫn nh
ư Ge có điện trở suất
vào c
ỡ
6
5 .1 0 m
đ
ến
0, 017 m
14
10 m
. Thu
ỷ tinh có
điện trở suất vào cỡ
11
10 m
đ
ến
13
10 m
.
Đi
ện trở suất của bán dẫn có giá trị trung
gian gi
ữa kim loại và điện môi.
Các ch
ất bán
d
ẫn rất phổ biến trong tự nhiên. Trong số các
Hình 3. Bán d
ẫn thuần Si
“ 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)
80
nguyên t
ố bán dẫn ta hay gặp Si, Ge, As, Rất nhiều hợp ch
ất có tính bán d
d
ẫn điện rất kém ( giống như điện môi), còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn
đi
ện khá tốt
(gi
ống như kim loại).
5.2.3. L
ỗ trống
Xét một chất bán dẫn ở trạng thái cơ bản, nghĩa là vùng dẫn trống hoàn toàn và vùng
hoá tr
ị đầy hoàn toàn. Khi một electron ở vùng hoá trị hấp thụ một photon có năng lượng
g
E E
thì nó sẽ chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn tạo thành electron dẫn. Lúc này ở
vùng hoá tr
ị được làm đầy hoàn
toàn b
ị khuyết mất một electron nên tương đương với việc
xu
ất hiện một lỗ trống (hole). Tính chất của lỗ trống như một hạt mang điện chuyển động
v
ới
đi
ện tích d
ương e
. Nguyên nhân là khi m
ột lỗ trống
được tạo thành thì một electron ở
trong m
ột liên kết trong mạng tinh thể có thể chuyển tới tái hợp với lỗ trống đó. Lúc này lỗ
ừ nguyên lý loại trừ Pauli, ta tính
được số điện tử tối
đa trong mỗi tầng là 2n
2
, t
ừ đó ta tính được:
Silic:
2 2 6 2 2
1 2 2 3 3s s p s p
; Ge:
2 2 6 2 6 10 2 2
1 2 2 3 3 3 4 4s s p s p d s p
. Các m
ức năng lượng bên trong của nguyên tử Ge và
Si đ
ều được làm đầy còn mức ngoài cùng thiếu 4 electron mới được làm đầy nên Ge
(Si có
hoá tr
ị 4
). Theo quan đi
ểm của lý
thuy
ết miền năng lượng của chất rắn
g
ồm 3 miền
-Miền hóa trị: Còn g
ọi là miền
đ
ầy, miền chứa đầy các electron.
-Miền cấm: Mi
Hình 2. S
ự tạo thành lỗ trống
Copyright: Tài liệu đại học ©