Bản chất dòng điện trong kim loại tại sao kim loại dẫn điện tốt

Bản chất của dòng điện trong kim loại

• Trong vật liệu kim loại, các nguyên tử bị mất electron hoá trị sẽ trở thành các ion dương (+). Các ion (+) sẽ liên kết với nhau theo một trật tự để tạo nên mạng tinh thể kim loại. Chuyển động nhiệt của các ion càng mạnh thì mạng tinh thể sẽ dễ bị mất trật tự.
• Các electron hoá trị tách khỏi nguyên tử sẽ trở thành các electron tự do với mật độ không đổi. Sau đó chúng chuyển động một cách hỗn loạn tạo thành khí electron tự do và chiếm toàn bộ thể tích của khối kim loại đó mà không sinh ra dòng điện nào.
• Điện trường E do nguồn điện ngoài sinh ra sẽ đẩy khí electron trôi ngược hướng với chiều điện trường và sinh ra dòng điện.
• Khi mạng tinh thể mất trật tự dẫn đến sự chuyển động của electron tự do bị cản trở, và đây là nguyên nhân gây ra điện trở kim loại.
• Kim loại có khả năng dẫn điện tốt vì các hạt tải điện trong kim loại là electron tự do và có mật độ lớn

>>>Xem thêm: Tìm hiểu về các kiến thức liên quan đến đào tạo điện tử hay nhất với Timviecdientu.

Vì sao kim loại dẫn điện tốt?

Kim loại là một chất dẫn điện và nhiệt tuyệt vời vì các nguyên tử trong kim loại tạo thành một ma trận thông qua đó các electron bên ngoài có thể di chuyển tự do. Thay vì quay quanh các nguyên tử tương ứng của chúng, chúng tạo thành một biển electron bao quanh hạt nhân dương của các ion kim loại tương tác. Các electron sau đó di chuyển tự do khắp biển electron.

• Thủy tinh được sử dụng như một chất cách điện vì nó có các nguyên tử có các electron được kết nối chặt chẽ với nhau.
• Bạc là dây dẫn mạnh nhất trong số tất cả các vật liệu đã biết.
• Tuy nhiên, vì bạc là một vật liệu tương đối tốn kém và khá đắt đỏ nên nó không thường xuyên được sử dụng cho các đặc tính dẫn điện của nó.
• Đồng ít dẫn điện hơn bạc nhưng rẻ hơn và thường được sử dụng như một chất dẫn hiệu quả trong các thiết bị gia dụng.

Trước khi đến với danh sách các kim loại dẫn điện tốt nhất, hãy tìm hiểu 1 chút về độ dẫn điện cũng như các yêu tố ảnh hưởng đến độ dẫn điện của kim loại.

1. Dòng điện trong kim loại:

Bản chất dòng điện trong kim loại sẽ là dòng chuyển dời có hướng của các electron ngược chiều điện trường.

Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ: ρ = ρ0[1 + α(t – t0)].

α: hệ số nhiệt điện trở (K-1).

ρ0 : điện trở suất của vật liệu tại nhiệt độ t0.

Suất điện động của cặp nhiệt điện: E = αT(T1 – T2).

Trong đó T1 – T2 là hiệu nhiệt độ giữa 2 đầu: đầu nóng và đầu lạnh; αT là hệ số nhiệt điện động.

Hiện tượng siêu dẫn: Là hiện tượng điện trở suất của vật liệu sẽ giảm đi đột ngột xuống bằng 0 khi khi nhiệt độ của vật liệu giảm xuống thấp hơn một lượng giá trị Tc nhất định. Giá trị này phụ thuộc vào bản thân vật liệu.

2. Dòng điện trong chất điện phân:

Trong dung dịch, các muối, bazơ, axit bị phân li thành ion. Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion ở trong điện trường theo hai hướng ngược nhau.

Hiện tượng gốc axit trong dung dịch điện phân sẽ tác dụng với cực dương tạo thành chất điện phân tan trong dung dịch và làm cực dương đi gọi là hiện tượng dương cực tan.

Nội dung các định luật Faraday:

+ Định luật 1: Khối lượng chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân sẽ tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó.

m = kq

+ Định luật 2: Đương lượng hóa học của nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam A/n của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là 1/F , trong đó F ở đây gọi là số Faraday.

Biểu thức kết hợp nội dung hai định luật:

3. Dòng điện trong chất khí:

Trong điều kiện thường chất khí sẽ không dẫn điện. Chất khí chỉ dẫn điện khi trong lòng ở đó có sự ion hóa các phân tử.

Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion âm, ion dương và các electron do chất khí bị ion hóa sinh ra.

Khi dùng nguồn điện gây hiệu điện thế lớn thì sẽ xuất hiện hiện tượng nhân hạt tải điện trong lòng chất khí.

Quá trình phóng điện vẫn tiếp tục được duy trì khi không còn tác nhân ion hóa chất khí từ bên ngoài gọi là quá trình phóng điện tự lực.

Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực hình thành dòng điện qua chất khí có thể giữ được nhiệt độ cao của catot để nó phát được electron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử.

Lý thuyết dòng điện trong kim loại

I. Bản chất của 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 0oK, điện trở của kim loại rất nhỏ.

II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ

Thí nghiệm chứng tỏ điện trở suất p của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất:

\(\rho = {\rho _0}\left[ {1 + \alpha \left( {t - {t_0}} \right)} \right]\)

Trong đó:

+ ρ0là điện trở suất ở nhiệt độ t0oC (thường ở 20oC)

+ ρ là điện trở suất ở nhiệt độ toC

+ α là hệ số nhiệt điện trở (K-1)

-Hệ số nhiệt điện trở không những phụ thuộc vào nhiệt độ mà vào cả độ sạch và chế độ gia công của vật liệu đó.

III. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp

- Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 0oK điện trở của kim loại sạch đều rất bé.

- Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn Tcthì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn.

- Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn:

+ Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh.

+ Dự kiến dùng dây siêu dẫn để tải điện và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa.

IV. Hiện tượng nhiệt điện

- Thuyết êlectron về tính dẫn điện của kim loại còn cho thấy, nếu sợi dây kim loại có một đầu nóng và một đầu lạnh, thì chuyển động nhiệt của êlectron sẽ làm cho một phần êlectron tự do ở đầu nóng dồn về đầu lạnh. Đầu nóng sẽ tích điện dương, đầu lạnh tích điện âm.

- Giữa đầu nóng và đầu lạnh có một hiệu điện thế nào đấy. Nếu lấy hai dây kim loại khác loại nhau và hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữa ở nhiệt độ cao, một mối hàn ở nhiệt độ thấp, thì hiệu điện thế ở đầu nóng và đầu lạnh của từng dây không giống nhau, khiến trong mạch có một suất điện động ξ.ξ được gọi là suất điện động nhiệt điện, và bộ hai dây dẫn hàn hai đầu và nhau gọi là cặp nhiệt điện:

ξ =αt(T1 – T2)

Trong đó:

+ T1– T2là hiệu nhiệt điện ở đầu nóng và đầu lạnh

+ αt là hệ số nhiệt điện động, phụ thuộc vào bản chất của hai loại vật liệu dùng làm cặp nhiệt điện.

- Suất điện động nhiệt điện tuy nhỏ nhưng rất ổn định theo thời gian và điều kiện thí nghiệm, nên cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ.

Sơ đồ tư duy về dòng điện trong kim loại

Bài tiếp theo