Bản chất và ứng dụng của dòng điện trong kim loại

Như chúng ta đã biết, kim loại có khả năng dẫn điện rất tốt. Tùy vào cấu tạo và đặc tính của mỗi kim loại mà chúng sẽ có khả năng dẫn điện khác nhau. Vậy tại sao kim loại lại có khả năng dẫn điện? Bản chất của dòng điện trong kim loại là gì? Để có thể trả lời những vấn đề này, hãy cùng LabVIETCHEM theo dõi nội dung bài viết dưới đây nhé.

Bản chất của dòng điện trong kim loại là gì?

Mục lục

• Bản chất của dòng điện trong kim loại là gì?
• Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
• Ứng dụng của dòng điện trong kim loại

Bản chất của dòng điện trong kim loại là gì?

Theo thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại, ta có:

+> Trong vật liệu kim loại, các nguyên tử bị mất electron hoá trị sẽ trở thành các ion dương.

• Các ion dương 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 càng dễ bị mất trật tự.

+> Các electron hoá trị tách khỏi nguyên tử để trở thành các electron tự do với mật độ không đổi, sau đó chuyển động một cách hỗn loạn tạo thành khí electron tự do và chiếm toàn bộ thể tích của khối kim loại, đồng thời cũng 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, chuyển động của electron tự do bị cản trở. Đây chính là nguyên nhân gây ra điện trở kim loại. Sự mất trật tự thường gặp là do chuyển động nhiệt của các ion trong mạng tinh thể, sự méo của mạng tinh thể bởi những biến dạng cơ học và các nguyên tử lạ lẫn vào trong kim loại. Chính vì vậy, điện trở của kim loại rất nhạy cảm với những yểu tố trên.

+> Các hạt tải điện trong kim loại là electron tự do và vì mật độ của chúng rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt. Đây chính là lý do vì sao kim loại có khả năng dẫn điện tốt.

Vậy bản chất của dòng điện trong kim loại là gì? Đó chính là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do ngược chiều điện trường dưới tác dụng của điện trường ngoài.

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

Điện trở suất ρ của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất và được xác định theo công thức:

ρ = ρ0[1 + α(t – t0)]

Trong đó:

• α là hệ số nhiệt điện trở (K-1)
• ρ0 là điện trở suất của vật liệu tại nhiệt độ t0

Suất điện động của cặp nhiệt điện được xác định bởi công thức:

E = αT(T1 – T2)

Trong đó

• T1 – T2: Hiệu nhiệt độ giữa 2 đầu là đầu nóng và đầu lạnh
• αT: Hệ số nhiệt điện động

Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ

Khi nhiệt độ của vật liệu giảm xuống thấp hơn một lượng giá trị Tc nhất định, điện trở suất của vật liệu sẽ giảm đi đột ngột xuống bằng 0 và hiện tượng này được gọi là hiện tượng siêu dẫn. Siêu dẫn là hiện tượng lượng tử trạng thái vật chất này và chúng ta không nên nhầm nó với mô hình lý tưởng về dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụ như từ thủy động lực học.

Trong các chất siêu dẫn thông thường, hiện tượng siêu dẫn được tạo ra bằng cách tạo một lực hút giữa một số electron truyền dẫn nào đó, nảy sinh từ việc trao đổi phonon và khiến các electron dẫn trong chất siêu dẫn biểu hiện pha siêu lỏng tạo ra từ cặp electron tương quan. Từ trường bị đẩy ra khỏi vật liệu siêu dẫn khi ở nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của vật siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Trạng thái của vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ thấp là trạng thái không thuận nghịch.

Khi nhiệt độ giảm xuống, điện trở suất của kim loại cũng liên tục giảm và khi đến gần 0 độ K thì điện trở của những kim loại sạch đều sẽ rất bé.

Nhiệt độ tới hạn của một số chất siêu dẫn

Một số ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn

Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra từ trường rất mạnh và nó dùng trong ứng dụng cho đoàn tài chạy trên đệm từ

• Dự kiến dùng dây siêu dẫn để chuyển tải điện năng và hao tổn năng lượng trên đường dây không còn nữa.
• Dùng trong chế tạo máy gia tốc mạnh, máy đo điện trường chính xác, máy quét MRI dùng trong y học.
• Dùng là bộ phân ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử siêu tốc.

Ứng dụng của dòng điện trong kim loại

Dòng điện trong kim loại có rất nhiều ứng dụng nhưng ứng dụng phổ biến nhất là chế tạo ra nam châm điện vì nó có từ trường mạnh mà không hao phí năng lượng do tỏa nhiệt.

Sau khi theo dõi bài viết trên, các bạn hẳn đã hiểu được vì sao kim loại có khả năng dẫn điện và bản chất của dòng điện trong kim loại là gì? Để xem thêm nhiều bài viết hay, các bạn có thể tìm hiểu thêm trên website labvietchem.com.vn.