Bản chất và ứng dụng của dòng điện trong kim loại

Chu Văn An

Như chúng ta đã biết, kim loại có khả năng dẫn điện rất tốt. Tùy thuộc vào cấu trúc và đặc tính của từng kim loại mà chúng sẽ có độ dẫn điện khác nhau. Vậy tại sao kim loại lại có thể dẫn điện? Bản chất của dòng điện trong kim loại Đó là cái gì vậy? Để có thể giải đáp những câu hỏi này, mời các bạn cùng LabvietCHEM theo dõi bài viết dưới đây.

Bản chất của dòng điện trong kim loại là gì?

Bản chất của dòng điện trong kim loại là gì?

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

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

• Các ion dương sẽ liên kết với nhau theo thứ tự tạo thành mạng tinh thể kim loại.
• Chuyển động nhiệt của các ion càng mạnh thì mạng tinh thể càng dễ bị mất trật tự.

+> Các electron hóa trị tách ra khỏi nguyên tử trở thành electron tự do có mật độ không đổi, sau đó chuyển động hỗn loạn tạo thành khí electron tự do và chiếm toàn bộ thể tích của khối kim loại, đồng thời cũng không tạo ra dòng điện nào.

+> Điện trường E do nguồn điện ngoài tạo ra sẽ đẩy khí electron chuyển động ngược chiều với điện trường và sinh ra dòng điện.

+> Khi mạng tinh thể bị rối loạn thì chuyển động của các electron tự do bị cản trở. Đây là nguyên nhân gây ra điện trở kim loại. Sự rối loạn thường được gây ra bởi chuyển động nhiệt của các ion trong mạng tinh thể, sự biến dạng của mạng tinh thể do biến dạng cơ học và các nguyên tử lạ trộn vào kim loại. Vì vậy, điện trở của kim loại rất nhạy cảm với các yếu tố trên.

+> Hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do và do mật độ rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt. Đây là lý do tại sao kim loại có tính dẫn điện tốt.

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

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

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

ρ = ρ0[1 + α(t – t0)]

Trong đó:

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

suất điện động của cặp nhiệt điện được xác định theo công thức:

E = αT(T1 – T2)

Trong đó

• T1 – T2: Chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu: đầu nóng và đầu lạnh
• αT: Hệ số nhiệt động điện động

Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ

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

Trong các chất siêu dẫn thông thường, tính siêu dẫn được tạo ra bằng cách tạo ra lực hút giữa các electron dẫn nhất định, phát sinh từ sự trao đổi phonon và làm cho các electron dẫn trong chất siêu dẫn biểu hiện pha siêu lỏng do các cặp electron tương quan. Từ trường phát ra từ vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của vật liệu 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, điện trở suất của kim loại cũng liên tục giảm và khi tiến tới 0 độ K thì điện trở của kim loại sạch sẽ rất nhỏ.

Nhiệt độ tới hạn của một số chất siêu dẫn

Một số ứng dụng của chất siêu dẫn

Cuộn dây siêu dẫn được sử dụng để tạo ra từ trường rất mạnh và được sử dụng trong các ứng dụng cho tàu chạy bằng từ trường

• Dự kiến, dây siêu dẫn sẽ được sử dụng để truyền tải điện và tổn thất năng lượng trên đường dây sẽ không còn tồn tại.
• Được sử dụng trong sản xuất máy gia tốc mạnh, máy đo điện trường chính xác và máy quét MRI dùng trong y học.
• Được sử dụng làm bộ ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử tốc độ cao.

Ứng dụng của dòng điện trong kim loại

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

Đọc xong bài viết trên chắc hẳn các bạn đã hiểu tại sao kim loại có khả năng dẫn điện và bản chất của chúng dòng điện trong kim loại Đó là cái gì vậy? Để xem thêm nhiều bài viết hay, bạn có thể tìm hiểu thêm trên website labvietchem.com.vn.