bài giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 chơng dạy học phần Dòng điện môi trờng I Mở đầu 1.1 Đặc điểm chung Phần dòng điện môi trờng đề cập đến dòng điện kim loại, dòng điện chất điện phân, dòng điện chất khí, dòng điện chân không dòng điện bán dẫn Việc nghiên cứu dòng điện kim loại hợp lý lý sau: - Cho phép liên hệ trực tiếp với chơng trình vật lý bậc trung học sở, - Đờng đặc trng Vôn - ampe kim loại đơn giản Việc nghiên cứu dòng điện môi trờng khác dựa sở thuyết êlectron cổ điển Điều có tác dụng nâng cao mức độ khoa học việc nghiên cứu vấn đề xét nh toàn phần điện động lực học Trên sở nghiên cứu dòng điện môi trờng, xây dựng quan niƯm thèng nhÊt cđa cđa sù phơ thc cđa cờng độ dòng điện vào hiệu điện chế dẫn điện môi trờng Việc nghiên cứu chế dẫn điện môi trờng khác nhau, chất phần tử mang điện đặc điểm chuyển động chúng môi trờng có t¸c dơng to lín viƯc gi¸o dơc thÕ giíi quan cho học sinh Việc nghiên cứu dòng điện môi trờng sở để hiểu biết cấu tạo nguyên tắc hoạt động dụng cụ thiết bị điện thông thờng sống nh− èng Rưntgen, èng phãng ®iƯn tư, ®Ìn èng hnh quang qua học sinh nắm đợc sở vật lý điện tử học 1.2 Đặc điểm phơng pháp nghiên cứu Dòng điện môi trờng khác đợc phân biệt thông qua chất hạt mang điện (ion âm, ion dơng, êlectron) đặc điểm chuyển động loại hạt mang điện Đặc điểm chung dòng điện môi trờng dòng chuyển dời có hớng điện tích tự Có thể xây dựng dàn thống việc nghiên cứu dòng điện môi trờng Trớc hết cần làm sáng tỏ chất hạt mang điện, sau đặc điểm chuyển động chúng Tiếp theo nghiên cứu phụ thuộc 71 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 cờng độ dòng điện vào hiệu điện cuối nguyên tắc hoạt động dụng cụ, thiết bị điện trình công nghệ dựa định luật dòng điện môi trờng Việc xây dựng khái niệm định luật nói chung dựa sở thực nghiệm Tuy nhiên dừng lại mức độ quan sát bên mà phải dựa vào chế dẫn điện môi trờng để làm sáng tỏ chất tợng, ý nghĩa vật lý khái niệm mối quan hệ sâu sắc đại lợng có mặt định luật Điều giúp cho học sinh vËn dơng mét c¸ch cã ý thøc c¸c kiÕn thức vào thực tế, việc giải tập định tính định lợng - Các tập điện đa dạng nên phân loại gặp nhiều khó khăn Do gặp nhiều khó khăn xây dựng phơng pháp giải chung cho khác Tuy nhiên, với lôgic trình bày sách giáo khoa, đại lợng xuất hợp lý tăng cờng tập tập dợt nhằm rèn luyện kỹ tính toán đại lợng, sở xây dựng tập tính toán tổng hợp bao gồm nhiều tập nhỏ xuất phát từ số kiện xác định Gần đây, số tác giả sách giáo khoa thí điểm phân ban cho cần xem xét lại chế dẫn điện môi trờng Để giải thích xác khoa học chế dẫn điện đó, tác giả đà dựa vào thuyết êlectron tự Fermi, thuyết êlectron tính dẫn điện kim loại, khái niệm vận tốc trôi độ linh động hạt tải điện kim loại - Khí êlectron tự Phéc-mi (Fermi) thuyết êlectron tính dẫn điện kim loại Trớc ta thờng dùng thuyết êlectron tự cổ điển để mô tả tính dẫn điện kim loại Ta cho rằng, chuyển động êlectron tự giống nh chuyển động phân tử khí lý tởng, nghĩa lúc chuyển động chúng bị va chạm vào vào lõi nguyên tử nên quỹ đạo chúng đoạn thẳng gấp khúc, vận tốc trung bình chuyển động nhiệt tỉ lệ với bậc hai nhiệt độ Thuyết đà giải thích đợc tốt nhiều tính chất điện kim loại, nhng để lại số điều không lý giải Trong điều có vấn đề nhiệt dung khí êlectron vấn đề tán xạ êlectron kim lo¹i XÐt mét kim lo¹i kiỊm nh− natri (Na) chẳng hạn Nguyên tử Na có êlectron hóa trị nằm quỹ đạo 3s Trong tinh thể Na, êlectron 3s trở thành êlectron tự do, êlectron lại liên kết với hạt nhân nguyên tử tạo thành lõi nguyên tử Na+ Một mol kim loại Na đợc xem nh mol tinh thể Na+ mol khí lý tởng đơn nguyên tử (mỗi êlectron tự xem nh nguyên tử) 72 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 NhiƯt dung ph©n tư cđa nã, theo thuyết động học phân tử, 3R+ R (trong 3R nhiệt dung mạng tinh thể Na, R nhiệt dung khí êlectron) Nhng thùc nghiÖm cho thÊy nã chØ xÊp xØ b»ng 3R, nghĩa nhiệt dung khí êlectron nhỏ Nguyên nhân dẫn đến sai lệch kim loại êlectron tự do, mà êlectron tự kim loại có mật độ lớn, (cỡ 1028 êlectron/m3) nên hàm phân bố êlectron theo vận tốc Maxwell không áp dụng đợc, mà phải dùng hàm phân bố Fermi-Dirac Động trung bình êlectron, tính theo hàm phân bố Fermi-Dirac, hầu nh không phụ thuộc nhiệt độ, nhiệt dung khí êlectron la không đáng kể Thuyết êlectron tự cổ điển cho rằng, khoảng không gian chật hẹp tinh thể kim loại, êlectron thờng xuyên va chạm với với lõi nguyên tử Với kim loại kiềm Na, bán kính lõi nguyên tử 0,98 , khoảng cách gần ion Na+ tinh thể 1,83 , thể tích lõi nguyên tử chiếm 15% thể tích kim loại Do quÃng đờng tự trung bình êlectron vào cỡ khoảng cách nguyên tử mà Thực nghiệm mẫu kim loại rÊt tinh khiÕt, ë nhiƯt ®é rÊt thÊp, cho thÊy quÃng đờng tự trung bình êlectron tự đạt đến cỡ cm, nghĩa gấp trăm triệu lần khoảng cách nguyên tử Nguyên nhân dẫn đến sai khác là: - Êlectron cần phải đợc xem nh sóng tức theo quan điểm thuyết lợng tử Sóng êlectron đà lan truyền đợc môi trờng tuần hoàn mạng tinh thể không bị mạng tinh thể làm lệch đờng, êlectron tự không bị va chạm với lõi nguyên tử nằm cách trật tự mạng tinh thể, bị va chạm điểm trật tự mạng tinh thể mà Các lõi nguyên tử bị chuyển động nhiệt mạng tinh thể đẩy khỏi vị trí cân ban đầu, nguyên tử lạ, điểm trật tự đà nói - Êlectron hạt có spin bán nguyên nên tuân theo nguyên lý Pau-li, dó khả va chạm chúng với nhỏ Tóm lại kim loại, êlectron hóa trị đà tách khỏi lõi nguyên tử tạo thành khí êlectron tự tuân theo nguyên lý Pau-li, mà ta gọi khí êlectron Phéc-mi tự Thuyết êlectron tự tính dẫn điện kim loại, đợc xây dựng sở tính chất khí - Vận tốc trôi êlectron độ linh động hạt tải điện kim loại Xét êlectron tự tùy ý kim loại có khối lợng m, vận tốc chuyển động nhiệt thời điểm t = theo phơng x,y,z lần lợt uxo, uy0, uzo Khi có điện trờng Ex hớng theo phơng x, chịu tác dụng lực tĩnh điện hớng theo phơng x, có giá trị Fx = - eEx Vận tốc chuyển động theo phơng thời điểm t trớc va chạm là: 73 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 vx = ux0 − eE x t , vy = uy0 , vz = uzo m Với êlectron khác nhau, vận tốc chuyển động theo phơng thời điểm trớc va chạm cho phơng trình tơng tự, nhng với vận tốc ban đầu ux0, uy0, uz0 khác chiều lẫn độ lớn, thời gian bay tù t cịng kh¸c NÕu tÝnh vận tốc trung bình tất êlectron, ta thấy giá trị trung bình ux0, uy0, uz0 0, nên có vận tốc trung bình theo phơng x khác không giá trị eE x thời gian bay tự trung bình m êlectron Đó vận tốc trôi vtr êlectron điện trờng Ta thấy tỉ lệ với cờng độ điện trờng Ex, hệ số tỉ lệ độ lớn vận tốc trôi e , độ lớn cờng độ điện trờng gọi linh động àn êlectron Ta có µn = m ®ã e lµ ®é lín cđa điện tích nguyên tố Độ linh động hạt tải điện, dù mang điện dơng hay âm, đại lợng dơng Ta định nghĩa nh cho phù hợp với quy ớc chiều dòng điện (là chiều chuyển động có hớng hạt điện dơng, chiều ngợc với chiều chuyển động có hớng hạt điện âm) II Phân tích nội dung kiến thức Dới tập trung nghiên cứu dòng điện kim loại, dòng điện chất điện phân, dòng điện chất khí dòng điện chất bán dẫn theo quan điểm đợc trình bày giáo trình vật lý đại cơng nh sách giáo khoa hành 2.1 Dòng điện kim loại Trong phần có số vấn đề cần ph¶i gi¶i qut nh− sau: - CÊu tróc tinh thĨ kim loại - Bản chất dòng điện kim loại - Dòng nhiệt điện pin nhiệt điện Sau khảo sát cách đại cơng cấu trúc chung kim loại Ngời ta nhận thấy chất dòng điện kim loại dòng chuyển dời có hớng êlectron tự Điều đà đợc chứng minh thí nghiệm cổ điển Ricke, Mandelstam, Tolman- Stewart ThÝ nghiƯm Tolman - Stewart xt ph¸t từ t tởng sau: Nếu kim loại điện tích tự có khối lợng chúng phải tuân theo định luật quán tính Do ta cho kim loại chuyển động nhanh đột ngột dừng lại điện tích tự tiếp tục chuyển động tạo thành dòng điện Chiều dòng điện phát nhờ chiều quay 74 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 kim điện kế Chiều chuyển động điện tích dơng chiều với dòng điện chiều điện tích âm ngợc chiều dòng điện ThÝ nghiƯm cđa Tolman- Stewart cho biÕt chiỊu cđa ®iƯn tích ngợc với chiều dòng điện: điện tích chuyển động theo quán tính dây kim loại điện tích âm-êlectron Chúng ta cần phân biệt vận tốc có hớng êlectron với vận tốc lan truyền dòng điện Đây hai khái niệm hoàn toàn khác Vận tốc có hớng êlectron tác dụng điện trờng nhỏ, thí dụ với dòng điện có cờng độ 10A vận tốc có hớng êlectron dây đồng khoảng 0,7mm/s Vận tốc nhỏ vận tốc trung bình chuyển động nhiệt hàng tỷ lần (cỡ 1000 km/s) Vận tốc lan truyền dòng điện phải hiểu vận tốc lan truyền tác dụng điện trờng lên êlectron Điện trờng làm cho êlectron điểm khác vật dẫn lần lợt thu đợc chuyển ®éng chËm cã h−íng hÇu nh− tøc thêi Sù lan truyền tác dụng điện trờng từ êlectron đến êlectron khác xảy với vận tốc lớn, khoảng 300.000 km/s Khi nói trạng thái êlectron tự kim loại cần nhấn mạnh êlectron trạng thái tự khoảng thời gian ngắn Trong khoảng thời gian êlectron tự tham gia vào chuyển động nhiệt, va chạm nhiều lần với với ion Khi êlectron tự gặp ion dơng sảy liên kết Nói cách khác kim loại xảy hai trình thuận nghịch: tạo tự tái hợp Kết mật độ êlectron tự kim loại không đổi hầu nh không phụ thuộc vào điều kiện bên Mật độ êlectron tự gần số nguyên tử cm3 kim loại, nghĩa 1022 - 1023 cm3 Mét øng dơng quan träng cđa thut êlectron cổ điển suy luận lý thuyết định luật Ôm cho dòng điện không đổi Để đến định luật cần xét đoạn mạch có chiều dài l tiết diện xác suất nhiệt động lực học, hai đầu đoạn mạch đặt hiệu U Cờng độ điện trờng đoạn mạch là: E= U l Lực điện trờng tác dụng lên êlectron tự kim loại trạng thái chuyển động nhiệt là: F = eE e điện tích êlectron Dới tác dụng lực ®iƯn tr−êng ®ã ªlectron sÏ chun ®éng cã h−íng víi gia tốc: 75 giảng phân tích chơng trình vật lÝ phỉ th«ng - 2004 a= F eE eU = = m m ml m khối lợng êlectron thời điểm cuối hai lần va chạm êlectron có vận tốc (vận tốc có hớng): v = at = EUt ml Thêi gian t cã thÓ xác định đợc biết chiều dài quÃng đờng tự trung bình êlectron vận tốc v chuyển động nhiệt theo công thức: t = /v Trong công thức không kể đến vận tốc chuyển động có hớng êlectron giá trị nhỏ vận tốc chuyển động nhiệt nhiều lần Chuyển động có gia tốc êlectron hai lần va chạm đặc trng vËn tèc trung b×nh: v= v0 + v NÕu coi va chạm với ion mạng tinh thể làm êlectron dừng lại khoảnh khắc, nghĩa vận tốc không, vận tốc trung bình quÃng đờng tự là: v= v eUt eUλ = = 2ml 2mlv C−êng độ dòng điện đoạn mạch biểu thị theo mật độ dẫn điện n, điện tích e êlectron, vận tốc trung bình chuyển động có hớng tiết diện ngang S theo công thức: I = n.e.S v Thay vào công thức tính v ta có: ne 2SU I= 2mlv Đặt = 2mv gọi điện trở suất dây dẫn e n Đại lợng l phụ thuộc vào cấu tạo dây dẫn đợc gọi điện trở R S dây dẫn 76 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Cuối ta trở định luật Ôm viết dới dạng quen thuộc: I= U R 2.2 Dòng điện chất điện phân Trong phần có vấn đề nh sau: - Bản chất dòng điện chất điện phân - Sự phụ thuộc dòng ®iƯn theo hiƯu ®iƯn thÕ chÊt ®iƯn ph©n - Các định luật chất điện phân - ứng dụng tợng điện phân Những vấn đề nh tợng điện ly, chất phần tử mang điện đà đợc nghiên cứu giáo trình hóa học Tuy ta cần nhắc lại tợng điện ly xảy hai nguyên nhân: - chuyển động nhiệt hỗn độn phân tử, nguyên tử - tơng tác phân tử có cực chất hòa tan với phân tử tự phân cực dung môi (H2O chẳng hạn) Cùng với trình điện ly, có trình ngợc lại trình tái hợp: ion trái dấu chất hòa tan bị phân ly, chuyển động nhiệt lực tơng tác tĩnh điện chúng lại gần nhau, va chạm vào tạo thành phân tử trung hòa Hai trình ngợc nhau, đồng thời tất nhiên đến lúc tiến tới cân động.Vậy tợng cân động xảy ra? Quá trình cân động phụ thuộc vào: - số phân tử hòa tan đơn vị thể tích n0 - hệ số phân ly tỷ số phần trăm phân tử phân ly đơn vị thể tích n'0 số phân tử chất hòa tan đơn vị thể tích n0: = n'0/ n0 (< 1) Số phân tử phân ly lớn số phân tử chất hòa tan cha phân ly n0 - n0 lớn, nghĩa số phân tử ph©n ly cã thĨ viÕt: n'0= A(n0- α n0)= A n0(1-) Trong A hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào chất chất điện ly (dung môi chất hòa tan) nhiệt độ Số phân tử tái hợp lớn, số phân tử phân ly lớn kể ion (+) ion (-), vậy, số phân tử tỷ lệ với 77 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 n0 n0= (n0)2 hay số phân tử tái hợp B(n0)2 B hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào chất chất điện ly nhiệt độ A n0(1-)= B(n0)2 Ta suy α2 A = − α Bn BiÓu thøc có tên gọi định luật Ostwald cho ta biết mối liên hệ hệ số phân ly nồng độ chất hòa tan với chất cho trớc, nhiệt độ cho trớc Sách giáo khoa đẫ dành thời gian cần thiết để làm sáng tỏ chất phần tử mang điện chất điện phân: dòng điện chất điện phân dòng chuyển dời có hớng ion dơng (+) theo chiều điện trờng ion âm (-) ngợc chiều điện trờng Vậy dòng điện chất điện phân có khác với kim loại chất khí? Dòng điện chất điện phân khác dòng điện kim loại (dòng êlectron tự do) chỗ dòng ion dơng (+) ion âm (-) nên đồng thời với trình thu nhả êlectron điện cực trình giải phóng chất ®iƯn cùc ChÝnh v× lÏ ®ã, ng−êi ta gäi chÊt điện phân chất dẫn điện loại hai Dòng điện chất điện phân khác dòng điện chất khí (dòng êlectron tự do, ion dơng ion âm) số ion dơng ion âm chất điện phân không phụ thuộc vào cờng độ điện trờng bên ngoài, nồng độ ion thể tích nhau, nên điện tích không gian Khi ion dơng ion âm chạy điện cực chúng nhờng thu êlectron cho điện cực chúng trở thành nguyên tử hay phân tử trung hòa Các nguyên tử hay phân tử trung hòa bám vào điện cực hay bay lên khỏi dung dịch điện phân tác dụng với điện cực, dung môi, gây nên phản ứng hóa học khác Các phản ứng gọi phản ứng phụ hay phản ứng thứ cấp Các phản ứng phụ hay phản ứng thứ cấp phức tạp, phụ thuộc vào chất điện cực, vào dung môi nhiều điều kiện khác mà sách giáo khoa vật lý phổ thông không đề cập đến Chúng ta xét đến trờng hợp trờng hợp đặc biệt cụ thể phản ứng phụ tợng cực dơng tan Ví dụ xét trờng hợp điện phân dung dịch 78 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 muối kim loại mà điện cực anod làm kim loại nh điện phân dung dịch sunfat ®ång (CuSO4) víi anod b»ng ®ång Sù phơ thc cđa cờng độ dòng điện chạy qua dung dịch chất điện phân vào hiệu điện hai cực bình đợc khảo sát theo biểu thức định luật Ôm cho đoạn mạch rút từ thuyết điện tử: I = S e2nU/2ml Sự tạo thành ion mật độ n chúng trờng hợp cực dơng tan không phụ thuộc vào điện trờng không phụ thuộc vào hiƯu ®iƯn thÕ U, ë nhiƯt ®é ®ang xÐt, τ thời gian chuyển động tự ion dơng ion âm không thay đổi Vậy số hạng Se2n/2ml đại lợng không đổi, đờng đặc trng V-A dung dịch điện phân đờng thẳng trờng hợp cực dơng tan Nh vậy, dòng điện dung dịch điện phân tuân theo định luật Ôm có tợng cực dơng tan - Các định luật Faraday xây dựng hai cách: a) Theo truyền thống, định luật Faraday đợc phân chia thành hai định luật: -Định luật Faraday I đợc xây dựng từ thực nghiệm: Khối lợng chất m thoát điện cực tỷ lệ với điện lợng q đà qua chất điện phân m= kq m=kIt với k gọi đơng lợng điện hóa chất thoát từ điện cực - Định luật Faraday II đợc xây dựng sở mối quan hệ đơng lợng điện hóa đơng lợng hóa học chất Đơng lợng điện hóa chất thoát điện cực tỷ lệ thuận với đơng lợng hóa học chúng k= CA/n Thống hai định luật ta có định luật m = CAIt/n m =AIt/Fn 1/C =F đợc gọi số Faraday 79 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 b) Ngày nay, xây dựng cách phát biểu thành định luật chung: Khối lợng chất đợc giải phóng điện cực tỉ lệ với đơng lợng hóa học A/n chất điện lợng q qua dung dịch điện phân m= CAIt/n m=AIt/Fn với A nguyên tử khối n hóa trị chất F số Faraday số chất F =9,65.107 C/kg c) Định luật suy từ thuyết êlectron Mỗi ion chạy qua dung dịch điện phân tải qua điện tích xác định đồng thời điện cực ion trở nên trung hòa điện tách nguyên tử trung hòa có khối lợng xác định Vì khối lợng chất thoát lẫn điện lợng tỷ lệ với số ion dịch chuyển tới điện cực xét Khối lợng chất thoát bằng: m =maN ma khối lợng nguyên tử xét tính theo kg N số ion trung hòa điện cực xét Nh đà biết, khối lợng nguyên tử tính theo kg khối lợng mol chất xét A chia cho số nguyên tử mol chất xét ma= A/ Na Na =6,023 10 26 lµ h»ng sè Avogrado ®ã m = N.A/ Na Sè ion chun qua dung dịch tới điện cực tìm theo cách sau: Mỗi ion hóa trị mang theo điện tích e êlectron hay hóa trị ion n điện tích mang ne Vậy tất điện lợng đợc tải N ion là: q= neN Từ N =q/ ne 80 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 thay vào ta có m= Aq/Na.ne A, Na, n số nên viết m = kq =kIt víi k =A/ne.Na tõ k = A/ne.Na Ta nhËn thÊy: e vµ Na lµ h»ng sè vũ trụ nên ta đặt F = e.Na= 1,6.10-19.6,0231026= 9,65.10 C/kg VËy: m= (1/F).(A/n).q d) Nh÷ng l−u ý vỊ mặt phơng pháp - Khi ion dơng chạy catod, ion âm chạy anod điện cực ion dơng thu thêm êlectron ion âm nhờng êlectron để trở thành phần tử trung hòa sau phần tử trung hòa tham gia phản ứng hóa học gọi phản ứng phụ hay phản ứng thứ cấp Các phản ứng diễn hay khác chất dung dịch chất điện cực - Chất thu điện cực sản phẩm cuối không hòa tan phản ứng phụ phần tử trung hòa tạo thành ion thu hay nhờng êlectron, trừ trờng hợp phần tử không tham gia phản ứng phụ - Các chất thu điện cực đơn chất không hợp chất 2.3 Dòng điện chất khí Nội dung phần cho phép mở rộng đào sâu kiến thức sở thuyết êlectron, cho phép làm quen với việc ứng dụng phóng điện chÊt khÝ vµo kü tht Cã thĨ nãi r»ng kiÕn thức phần gồm vấn đề sau đây: - Sự phóng điện không tự lực, - Sự phóng điện tự lực, - Các dạng phóng điện tự lực khí (áp suất thấp) không khí điều kiện thờng, - Giải thích tợng sấm sét ứng dụng hồ quang điện 81 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 2.3.1 Sự phóng điện không tự lực Chất khí nói chung chất cách điện tốt Với điều kiện định chất khí trở nên vật dÉn ®iƯn Sù phãng ®iƯn qua chÊt khÝ thËt ®a dạng, nhng chúng có đặc điểm chung Đặc điểm là: muốn có dòng điện chất khí phải làm xuất điện tích tự phải có điện trờng Điện trờng điện trờng biến thiên điện trờng không đổi Còn điện tích tự êlectron ion Chúng tạo thể tích chất khí mặt ngăn cách điện cực chất khí Trong trình chuyển động định hớng dới tác dụng điện trờng điện tích tự đợc nhân lên, xảy tăng nhanh cờng độ dòng điện chất khí Nếu nhờ nhân điện tích để dòng điện trì đợc mà không cần đến tác nhân ion hóa ta gọi phóng điện tự lực Trong trờng hợp ngợc lại, gọi phóng điện không tự lực Khi xét đến dòng điện chất khí, áp suất chất khí thông số quan trọng làm thay đổi đặc điểm dạng phóng điện Sách giáo khoa mô tả thí nghiệm kết thu đợc từ thí nghiƯm cho thÊy: - ë hiƯu ®iƯn thÕ rÊt nhá chất khí trở nên dẫn điện có tác nhân ion hóa - Khi có tác nhân ion hóa số nguyên tử hay phân tử bị êlectron trở thành ion dơng Một số êlectron tự do, số êlectron kết hợp với nguyên tử hay phân tử để trở thành ion âm, số tái hợp trở lại để trở thành nguyên tử hay phân tử trung hòa - Khi cha có điện trờng điện tích chuyển động hỗn loạn nh phân tử khí Khi có điện trờng chúng chuyển động theo hớng tạo thành dòng điện chất khí - Đờng đặc trng V-A cho biết cờng độ dòng điện không phụ thuộc tuyến tính vào hiệu điện Đặc điểm đợc giải thích nh sau: Với cờng độ ion hóa xác định tác nhân ion hóa giây tạo khoảng không gian hai điện cực số ion êlectron xác định, ion êlectron lại kết hợp với tạo thành phân tử hay nguyên tử trung hòa Sự cân động tồn điện cực cha xuất điện trờng Chỉ điện trờng xuất chúng chuyển động có hớng tạo thành dòng điện Khi tăng hiệu điện thế, cờng độ điện trờng tăng làm lực điện trờng tác dụng lên điện tích tăng mà số điện tích đến điện cực giây tăng theo, làm cho cờng độ dòng điện tăng (I tỷ lệ với U) 82 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Dới tác dụng điện trờng, phần lớn điện tích đợc tạo thành sau giây đà tới đợc cực dòng điện không tăng nữa, đạt tới mức bÃo hòa Khi tái hợp điện tích không Cờng độ dòng bÃo hòa phụ thuộc cờng độ ion hóa tác nhân 2.3.2 Sự phóng điện tự lực chất khí Trong thí nghiệm nêu trên, tiếp tục tăng hiệu điện đến giá trị cờng độ dòng điện lại tăng tăng nhanh Có thể giải thích tăng đột ngột nh sau: Độ dài quÃng đờng tự trung bình êlectron chất khí áp suất khí thí nhỏ Vì cờng độ điện trờng không lớn êlectron tác dụng tăng tốc điện trờng cha thu đợc lợng đáng kể đà va chạm vào nguyên tử Nh êlectron chuyển động phía anod, phần đáng kể lợng bị tiêu hao biến thành lợng chuyển động hỗn loạn nguyên tử Đó nguyên nhân làm cho chất khí dẫn điện áp suất khí Nhng tăng điện trờng lên tới mức mà thời gian chuyển động tự êlectron thu đợc lợng đủ để bứt êlectron khác khỏi nguyên tử va chạm vào chúng lúc xuất tợng chất: tăng vọt cờng độ dòng điện mạch kèm theo phát sáng chất khí Điều kiện để có dẫn điện tự lực hiệu điện đủ lớn tức cờng độ dòng điện đủ mạnh để êlectron gây dòng thác điện tích ion gây phát xạ êlectron từ catod Một ví dụ phóng điện tự lực hồ quang điện Hồ quang điện phóng điện hai đầu than đặt gần dới hiệu điện thấp 40V -50V Hồ quang điện có tính chất sau: - Mật độ dòng lớn, - Hiệu điện vài chục vôn - vùng catod, mật độ dòng chủ yếu phải dòng êlectron gây Nói chung, phát xạ phát xạ nhiệt êlectron phát xạ êlectron tự động Hồ quang xảy giới hạn áp suất rộng từ vài phần nghìn mmHg đến hàng trăm atm Khoảng cách hai điện cực biến đổi giới hạn lớn từ vài micrô mét đến vài mét Cuối hồ quang hoạt động với dòng điện không đổi (một chiều) dòng điện xoay chiều 83 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 2.3.3 Sù phãng ®iƯn tù lùc khÝ kÐm Khí đợc hiểu chất khí áp suất thấp Dới áp suất khí cần tạo điện trờng đủ mạnh để quÃng đờng tự trung bình êlectron thu đủ lợng làm ion hóa nguyên tử Còn áp suất thấp ta giải thích rõ xuất khoảng tối âm cực (catod) cột sáng dơng cực (anod) nh sau: Lúc đầu, nhiều nguyên nhân khác (do tác dụng tia tử ngoại ánh nắng mặt trời, tia vũ trụ ) không khí luôn bị ion hóa bên ống đà có sẵn số ion áp suất khí quyển, điện trờng cực điện trờng đều, điện thay đổi theo khoảng cách từ anod đến catod theo định luật tuyến tính, áp suất thấp độ giảm hiệu điện theo đơn vị chiều dài không giống phần ống, gần catod độ giảm lớn cờng độ điện trờng lớn Nhờ có độ giảm mà ion dơng thu đợc động lớn chuyển động đập vào catod làm cho êlectron bên kim loại làm catod bứt khỏi mặt catod Hơn ion chuyển động gần tới catod tạo thành điện tích không gian Điện tích không gian nguyên nhân gây nên điện dơng cao cờng độ điện trờng đủ mạnh vùng phóng điện Vì ªlectron võa bay khái catod ®· ë điện trờng đủ mạnh Điện trờng làm tăng lợng êlectron tới giá trị đủ để ion hóa nguyên tử va chạm Còn ion dơng chuyển động tới gần catod thu đợc lợng cần thiết vùng để bứt êlectron khỏi catod Chính cách đà tạo nên điều kiện cho phóng điện tự lực với hiệu điện không lớn khoảng cách lớn điện cực Vì áp suất khí ống thấp nên êlectron vợt qua đợc khoảng dài mà cha va chạm với phân tử khí Các êlectron nhanh chóng thu đợc lợng lớn nên vùng phóng điện va chạm xảy không dẫn tới kích thích nguyên tử mà làm cho chúng bị ion hóa Do hình thành miền tối catod Đây nguyên nhân chủ yếu làm cho vùng phóng điện phát sáng yếu, mà vùng trông thấy tối bên cạnh cột sáng dơng cực Sau vợt qua miền tối catod êlectron lại thu đợc động lớn đủ để làm ion hóa phân tử khí va chạm Từ bắt đầu hình thành cột sáng anod: êlectron ion hóa kích thích phân tử khí, trình kèm theo phát quang tạo nên cột sáng anod Chính mà ngời ta nói chất phóng điện khí ion hóa va chạm bắn êlectron từ catod catod bị ion dơng đập vào Sự phóng điện thành miền nói đợc ứng dụng để tạo nên nguồn sáng gọi đèn ống Màu sắc ánh sáng đèn ống phát phụ thuộc vào chất chất khí ống (nh khí neon phát ánh sáng màu đỏ, thủy ngân phát ánh sáng 84 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 xanh lam ) Còn đèn ống phát ánh sáng ban ngày chất khí thủy ngân mặt ống cã qt mét líp hnh quang, chÊt nµy sau hấp thụ xạ thủy ngân phát ra, phát ánh sáng trông thấy, gần với ánh sáng ban ngày 2.4 Dòng điện chất bán dẫn 2.4.1 Lịch sử phát minh chất bán dẫn Năm 1833, Pha-ra-đây nhận thấy bạc sunfua có tính chất điện không giống kim loại lẫn điện môi Nó có hệ số nhiệt điện trở âm Năm 1873, Smit quan sát đợc tợng giảm điện trở sêlen chiếu sáng ánh sáng mặt trời Năm 1874, Brao nhận thấy galen (chì sunfua) pirit (sắt sunfua) có tính chỉnh lu Chẳng sau ngời ta phát họ chất có tính chất nh gọi chúng chất bán dẫn Ng−êi ta cịng nhËn thÊy r»ng tÝnh chÊt cđa b¸n dẫn nhạy cảm với tạp chất Cùng chất, hệ số nhiệt điện trở âm với nhiều mẫu đo lớn, mẫu đo khác lại nhỏ Ngời ta gọi mẫu bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm lớn bán dẫn riêng Năm 1879, phát hiệu ứng Hôn Lấy mẫu đo dạng hình hộp chữ nhật, cạnh trùng với phơng x,y,z Khi cho điện chạy theo phơng x, từ trờng tác dụng theo phơng y hai cực đối diện phơng z xuất hiệu điện gọi hiệu điện Hôn Nhờ hiệu điện ta đo đợc mật độ, độ linh động dấu điện tích hạt tải tải điện Năm 1886, Frit làm chỉnh lu sêlen Năm 1909, Ba-đê-ke dùng hiệu ứng Hôn nghiên cứu đồng iođua cách có hệ thống Năm 1914, Kô-níc-béc-ghe dùng hiệu ứng Hôn để nghiên cứu hàng loạt chất bán dẫn kim loại khác Kết cho thấy mật độ hạt tải điện bán dẫn nhỏ kim loại đáng kể, nhng độ linh động lại lớn Nhiệt độ tăng, mật độ hạt tải điện tăng nhanh Không thế, dấu điện tích hạt tải điện bán dẫn dơng âm Năm 1927, Grôn-đan Gây-ghe làm chỉnh lu đồng ôxit Từ ngời ta bắt đầu quan tâm mạnh đến nghiên cứu chất bán dẫn để áp dụng công nghiệp Năm 1928, Blốc đề thuyết vùng lợng, ý tởng êlectron tự mạng tinh thể không bị va chạm vào ion dơng tạo nên mạng tinh thể va chạm vào chỗ trật tự mà 85 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Năm 1931, Vác-ne nghiên cứu liên kết hóa học chất bán dẫn phát bán dẫn "d" (nay gọi bán dẫn n) bán dẫn "khuyết" (nay gọi bán dẫn p) Năm 1949, Bác-đin Brát-ten phát minh tranzito Cuối năm 1958, Kin-bai đầu năm 1959 Nao-sơ đà độc lập với chế tạo mạch tổ hợp Năm 1962, Hôn tập thể tác giả làm laze (laser) bán dẫn 2.4.2 Thuyết vùng lợng E Tinh thể chất rắn cấu tạo từ E nguyên tử xếp cách đặn thành mạng tinh thể Trong nguyên tử, êlectron lại xếp theo quỹ đạo điện tử bền, từ (gần hạt nhân) (xa hạt nhân) Êlectron quỹ đạo có E2 lợng xác định, nên êlectron chiếm mức lợng gián đoạn Mỗi mức lợng chứa đợc tối đa hai êlectron Khoảng cách lợng hai E mức cạnh lớn Êlectron quỹ đạo xa hạt nhân Mức lợng Vùng lợng có lợng lớn dễ bị ảnh hởng nguyên tử tinh thể nguyên tử lân cận Vì nguyên tử kết hợp thành tinh thể, tác động nguyên tử xung quanh, mà lợng tơng ứng với quỹ đạo nhng nguyên tử khác khác chút Chúng có giá trị nằm vùng mà ta gọi vùng lợng Nội dung thuyết vùng lợng đợc tóm tắt nh sau: a) Khi tạo thành tinh thể, mức lợng êlectron nguyên tử bị rà thành vùng lợng b) Mỗi vùng lợng có N mức lợng nằm gần nhau, N số nguyên tử tinh thể c) Mỗi mức lợng có khả chứa tối đa hai êlectron có spin ngợc d) Mức lợng êlectron hóa trị rà thành vùng hóa trị, mức kích thích rà thành vùng kích thích e) Giữa hai vùng lợng kề có khoảng lợng ^E Egkhông có mức lợng, gọi khe lợng vùng cấm EG có 86 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 giá trị khác tùy theo loại vật liệu, chí có giá trị âm (khi ta bảo hai vùng đè lên nhau) g) êlectron tinh thể xếp vào mức lợng vùng từ thấp đến cao, vùng kích thích thờng rỗng h) Dới tác động điện trờng ngoài, êlectron nhận lợng điện trờng để nhảy lên mức lợng cao vùng vùng có mức lợng trống 2.4.3 Phân biệt kim loại, bán dẫn điện môi a) Kim loại vật liệu mà vùng hóa trị cha chứa đầy êlectron, vùng hóa trị đè lên vùng kích thích b) Điện môi vật liệu mà vùng hóa trị đà chứa đầy êlectron khe lợng Eg rộng (khoảng vài êlectron-vôn) c) Bán dẫn vật liệu mà vùng hóa trị đà chứa đầy êlectron khe lợng EG không rộng để số êlectron vùng hóa trị nhờ lợng chuyển động nhiệt mà nhảy lên đợc vùng kích thích (lúc gọi vùng dẫn) Êlectron vùng dẫn êlectron tự hạt tải điện Khi vùng hóa trị có số mức trống chuyển động tập thể êlectron vùng hóa trị đợc gọi chuyển động lỗ trống Lỗ trống hạt tải điện Tái hợp cặp êlectron -lỗ trống trình ªlectron trªn vïng dÉn vỊ vïng hãa trÞ 2.4.3 Mét sè l−u ý Khi d¹y cho häc sinh vỊ chÊt bán dẫn cần lu ý cho học sinh bán dẫn vật liệu cho dòng điện chạy theo chiều, bán dẫn luôn có hệ số nhiệt điện trở âm Khi nói chuyển động lỗ trống nên lấy hình ảnh nớc chảy ống nghiêng Nếu nớc thấy nớc chảy từ xuống, nhng nhiều nớc thấy bọt khí (chỗ trống) chảy từ dới lên 87 ... trăm phân tử phân ly đơn vị thể tích n''0 số phân tử chất hòa tan đơn vị thể tích n0: = n''0/ n0 (< 1) Số phân tử phân ly lớn số phân tử chất hòa tan cha phân ly n0 - n0 lớn, nghĩa số phân tử phân. .. tinh thể Na+ mol khí lý tởng đơn nguyên tử (mỗi êlectron tự xem nh nguyên tử) 72 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Nhiệt dung phân tử nó, theo thuyết động học phân tử, 3R+ R (trong... trị mang theo điện tích e êlectron hay hóa trị ion n điện tích mang ne Vậy tất điện lợng đợc tải N ion là: q= neN Từ N =q/ ne 80 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 thay vào ta