Lý thuyết Dòng điện trong các môi trường hay, chi tiết nhất

1. Dòng điện trong kim loại

   a) Đặc điểm dòng điện trong kim loại

   - Hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do. Mật độ của các electron tự do trong kim loại rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt

   - Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron dưới tác dụng của điện trường.

   - Chuyển động nhiệt của mạng tinh thể cản trở chuyển động của hạt tải điện làm cho điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ. Đến gần 0^oK, điện trở của kim loại rất nhỏ.

   b) Sự phụ thuôc của điên trở suất của kim loai theo nhiệt độ

   - Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất: ρ = ρ_o[1 + α(t - t_o)]

   - Vật liệu siêu dẫn có điện trở đột ngột giảm đến bằng 0 khi nhiệt độ ≤ nhiệt độ tới hạn (T ≤ T_C).

   - Cặp nhiệt điện là hai dây kim loại khác bản chất, hai đầu hàn vào nhau. Khi nhiệt độ hai mối hàn T₁, T₂ khác nhau, trong mạch có suất điện động nhiệt điện ξ = α_T(T₁ - T₂), αT là hệ số nhiệt điện động.

2. Dòng điện trong chất điện phân

   a) Đặc điểm dòng điện trong chất điện phân

   - Các dung dịch muối, axit, bazơ hay các muối nóng chảy được gọi là các chất điện phân.

   - Hạt tải điện trong chất điện phân là các ion dương, ion âm bị phân li từ các phân tử muối, axit, bazơ.

   - Dòng điện trong chất điện phân là dòng ion dương và ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau trong điện trường.

   - Chất điện phân không dẫn điện tốt bằng kim loại vì mật độ các ion trong chất điện phân nhỏ hơn mật độ các electron trong kim loại, khối lượng và kích thước của các ion lớn hơn khối lượng và kích thước của các electron nên tốc độ chuyển động có hướng của chúng nhỏ hơn.

   - Hiện tượng dương cực tan xảy ra khi các anion đi tới anôt kéo các ion kim loại của điện cực vào trong dung dịch.

   - Dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn tải cả vật chất đi theo. Tới điện cực chỉ có electron có thể đi tiếp, còn lượng vật chất động lại ở điện cực, gây ra hiện tượng điện phân.

   - Hiện tượng điện phân được áp dụng trong các công nghệ luyện kim, hóa chất, mạ điện, …

   b) Các định luật Fa-ra-đây

   - Định luật FA – ra - đây thứ nhất:

      + Khối lượng vật chất đươc giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuân với điện lượng chạy qua bình đó : m = kq

   - Định luật Fa – ra - đây thứ hai:

      + Đương lượng điện hóa k của một nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam  của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là  , trong đó F gọi là số Farađây:

      + Khối lượng chất thoát ra ở cực của bình điện phân tính ra gam:

   với F = 96500 C/mol; m tính bằng gam, A là khối lượng mol nguyên tử của chất, I tính bằng ampe, t tính bằng giây, n là hóa trị của nguyên tố tạo ra ion.

3. Dòng điện trong chất khí

   - Chất khí vốn không dẫn điện. Chất khí chỉ dẫn điện khi có hạt tải điện (electron, ion) do tác nhân ion hóa sinh ra. Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của electron và các ion trong điện trường.

   - Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí xảy ra khi ta phải dùng tác nhân ion hóa từ bên ngoài để tạo ra hạt tải điện trong chất khí.

   - Khi dùng nguồn điện áp lớn để tạo ra sự phóng điện qua chất khí, ta thấy có hiện tượng nhân hạt tải điện.

   - Quá trình phóng điện tự lực trong chất khí là quá trình phóng điện vẫn tiếp tục giữ được khi không còn tác nhân ion hóa tác động từ bên ngoài. Có 4 cách chính để dòng điện có thể tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí:

       + Dòng điện qua chất khí làm nhiệt độ khí tăng rất cao, khiến phân tử khí bị ion hoá.

       + Điện trường trong chất khí rất lớn, khiến phân tử khí bị ion hoá ngay khi nhiệt độ thấp.

       + Catôt bị dòng điện nung nóng đỏ, làm cho nó có khả năng phát ra electron. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt electron.

       + Catôt không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào làm bật electron khỏi catôt trở thành hạt tải điện.

   - Tia lửa điện là quá trình phóng điện tự lực hình thành trong chất khí khi có điện trường đủ mạnh để làm ion hóa chất khí. Ứng dụng dùng để đốt hỗn hợp xăng không khí trong động cơ xăng, giải thích hiện tượng sét trong tự nhiên.

   - Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực hình thành khi dòng điện qua chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp đặt giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn, giữ catốt ở nhiệt độ cao để nó phát được electron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt electron.

       + Hồ quang điện có thể kèn theo toả nhiệt và toả sáng rất mạnh.

       + Hồ quang diện có nhiều ứng dụng như hàn điện, làm đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu, …

4. Dòng điện trong chất bán dẫn

   - Chất bán dẫn là một nhóm vật liệu mà tiêu biểu là gecmani và silic. Điện trở suất của các chất bán dẫn có giá trị nằm trong khoảng trung gian giữa kim loại và điện môi, phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và tạp chất:

       + Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của chất bán dẫn siêu tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh, hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm.

       + Điện trở suất của chất bán dẫn giảm rất mạnh khi pha một ít tạp chất.

       + Điện trở của bán dẫn giảm đáng kể khi bị chiếu sáng hoặc bị tác dụng của các tác nhân ion hóa khác.

   - Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống. Dòng điện trong bán dẫn là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường.

   - Bán dẫn chứa đôno (tạp chất cho) là loại n, có mật độ electron rất lớn so với lỗ trống. Bán dẫn chứa axepto (tạp chất nhận) là loại p, có mật độ lỗ trống rất lớn so với mật độ electron.

   - Lớp chuyển tiếp p-n là chỗ tiếp xúc giữa 2 miền mang tính dẫn điện p và n trên một tinh thể bán dẫn. Dòng điện chỉ chạy qua được lớp chuyển tiếp p-n theo chiều từ p sang n, nên lớp chuyển tiếp p-n được dùng làm điôt bán dẫn để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều.