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:

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

: 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

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:

* 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

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

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

, 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.