Lý thuyết dòng điện trong kim loại

I. Bản chất của dòng điện trong kim loại

1. Trong kim loại, các nguyên tử bị mất êlectron hoá bị trở thành các ion dương. Các ion dương liên kết với nhau một cách trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại. Chuyển động nhiệt của các ion càng mạnh, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự

2. Các êlectron hoá trị tách khỏi nguyên tử, trở thành các êlectron tự do với mật độ n không đổi (n = hằng số). CHúng chuyển động hỗn loạn tạo thành khí êlectron tự do choán toàn bộ thể tích của khối kim loại và không sinh ra dòng điện nào

3. Điện trường  do nguồn điện ngoài sinh ra, đẩy khí êlectron trôi ngược chiều điện trường, tạo ra dòng điện

4. Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của êlectron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở kim loại. Các loại mất trật tự thường gặp làchuyển động nhiệt của các ion trong mạng tinh thể, sự méo mạng tinh thể do biến dạng cơ học và các nguyên tử lạ lẫn trong kim loại. ĐIện trở của kim loại rất nhạy cảm với các yểu tố trên.

Thuyết êlectron về tính dẫn điện của kim loại cho thấy hạt tải điện trong kim loại là êlectron tự do. Mật độ của chúng rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt. Nhiều tính chất khác của dòng điện trong kim loại cũng có thể suy ra từ thuyết này

Vậy, dòng điện trong kim loại là chuyển dời có hướng của các êlectron tự do dưới tác dụng của điện trường

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 đúng theo hàm bậc nhất: p = p₀ [1 + α(t – t₀ )] trong đó p₀ là điện trở suất ở t⁰C ( thường lấy 20⁰C); α là hệ số nhiệt điện trở, đơn vị đo là K^-1   

III. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp

Khi nhiệt độ càng giảm, mạng tinh thể càng bớt mất trật tự nên sự cản trở của nó đến chuyển động của êlectron càng ít, điện trở suất của kim lạo giảm liên tục. Đến gần 0 K, điện trở của các kim loại sạch đều rất bé. Đồ thị biểu diễn điện trở suất của đồng theo nhiệt độ được vẽ trên hình 13.1

Khi hạ nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ tới hạn Tc thì điện trở suất của một số chất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói vật liệu đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Giá trị Tc phụ thuộc vào các chất khác nhau.

IV. Hiện tượng nhiệt điện

Thuyết êlectron về tính dẫn điện của kimloại 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 êlectrontự 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 hán 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 laoị 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