Dòng điện trong kim loại là gì?
Dòng điện trong kim loại là dòng các êlectrôn tự do dịch chuyển có hướng. Các êlectrôn bị cực dương của nguồn điện hút, bị cực âm của nguồn điện đẩy.
Bản chất của dòng điện trong kim loại
Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron dưới tác dụng của điện trường. 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.
Trong kim loại, các nguyên tử liên kết với nhau tạo thành mạng tinh thể. Một số nguyên tử trong mạng tinh thể bị mất đi electron, tạo thành các ion dương. Các electron bị mất đi này trở thành các electron tự do, có thể di chuyển tự do trong mạng tinh thể. Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường. Điện trường do nguồn điện ngoài sinh ra, đẩy khí êlectron trôi ngược chiều điện trường, tạo ra dòng điện.
Các yếu tố ảnh hưởng đến dòng điện trong kim loại
Nhiệt độ
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. Nhiệt độ càng cao thì độ dẫn điện của kim loại càng giảm. Điện trở của kim loại sẽ rất nhỏ khi đến gần mốc 0 độ K.
Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn.
Ví dụ: Khi bật bếp điện, nhiệt độ của dây dẫn tăng lên, dẫn đến dòng điện chạy qua dây dẫn lớn hơn, bếp điện sẽ càng nóng và từ đó tiêu tốn nhiều điện năng.
Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc tinh thể đồng nhất sẽ giúp cho dòng điện di chuyển dễ dàng hơn, do đó dòng điện lớn hơn.
Ví dụ: Kim cương là một dạng của carbon có cấu trúc tinh thể rất đặc biệt. Cấu trúc tinh thể này giúp cho dòng điện di chuyển dễ dàng hơn, do đó kim cương là một chất cách điện rất tốt.
Độ dẫn điện của kim loại
Độ dẫn điện của kim loại phụ thuộc vào mật độ electron tự do trong kim loại. Mật độ electron tự do càng cao thì độ dẫn điện càng lớn.
Độ tinh khiết của kim loại
Kim loại tinh khiết có ít tạp chất hơn, dẫn đến điện trở suất thấp hơn, do đó dòng điện lớn hơn.
Ví dụ: Bạc là kim loại có độ tinh khiết cao, do đó điện trở suất của bạc rất thấp. Điều này giải thích tại sao bạc được sử dụng làm dây dẫn điện.
Áp suất
Áp suất tác dụng lên kim loại có thể làm thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử kim loại, từ đó ảnh hưởng đến dòng điện.
Chiều dày của kim loại
Chiều dày của kim loại càng lớn thì điện trở suất càng lớn, do đó dòng điện càng nhỏ.
Ngoài ra, còn một số yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến dòng điện trong kim loại như:
- Hàm lượng tạp chất: Tạp chất trong kim loại có thể làm tăng điện trở suất của kim loại, do đó dòng điện giảm.
- Lực từ trường: Lực từ trường có thể tác dụng lên dòng điện, làm cho dòng điện bị lệch khỏi hướng ban đầu.
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 – T2 là 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.
Ứng dụng của dòng điện trong kim loại
- Dẫn điện: Kim loại là chất dẫn điện tốt, do đó chúng được sử dụng làm dây dẫn điện trong các thiết bị điện tử và điện gia dụng. Kim loại được sử dụng làm dây dẫn điện để truyền tải điện năng từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ. Các kim loại được sử dụng làm dây dẫn điện thường có điện trở suất thấp, chẳng hạn như đồng, nhôm, bạc.
- Dẫn nhiệt: Kim loại có khả năng dẫn nhiệt tốt, do đó được sử dụng trong các thiết bị làm nóng, chẳng hạn như bếp điện, lò nướng, lò vi sóng. Các kim loại được sử dụng làm thiết bị làm nóng thường có điện trở suất cao, chẳng hạn như nhôm, thép...
- Tạo từ trường: Dòng điện chạy qua kim loại sẽ tạo ra từ trường. Từ trường này được ứng dụng trong các thiết bị điện tử, chẳng hạn như động cơ điện, máy phát điện, loa, nam châm điện...
- Transistor: Transistor là một loại linh kiện điện tử quan trọng, được sử dụng trong các mạch điện tử. Transistor được chế tạo từ các chất bán dẫn, nhưng các dây dẫn điện trong transistor cũng được làm từ kim loại.
- Tạo ra các hiệu ứng điện tử: Dòng điện chạy qua kim loại có thể tạo ra các hiệu ứng điện tử, chẳng hạn như hiệu ứng Hall, hiệu ứng quang điện. Các hiệu ứng điện tử này được ứng dụng trong các thiết bị điện tử, chẳng hạn như cảm biến, máy đo tốc độ, máy quét...
- Trong gia đình: Dây dẫn điện được sử dụng để cung cấp điện cho các thiết bị điện tử trong gia đình, chẳng hạn như tivi, tủ lạnh, máy giặt...
- Trong công nghiệp: Dòng điện trong kim loại được sử dụng trong các thiết bị sản xuất, chẳng hạn như máy móc, dây chuyền lắp ráp.
- Trong y tế: Dòng điện trong kim loại được sử dụng trong các thiết bị y tế, chẳng hạn như máy điện tim, máy điện giật.
- Trong giao thông vận tải: Dòng điện trong kim loại được sử dụng trong các phương tiện giao thông, chẳng hạn như xe ô tô, xe buýt, tàu điện.
