Bài giảng Điện học (Phần 19)

3.5 Tính dẫn điện của vật chất Định luật Ohm có một tính chất đáng chú ý, đó là dòng điện sẽ chạy đáp lại sự chênh lệch điện thế có giá trị nhỏ tới mức mà chúng ta còn có thể cẩn thận tạo ra được.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Điện học (Phần 19) Bài giảng Điện học (Phần 19) 3.5 Tính dẫn điện của vật chất Định luật Ohm có một tính chất đáng chú ý, đó là dòng điện sẽ chạy đáp lạisự chênh lệch điện thế có giá trị nhỏ tới mức mà chúng ta còn có thể cẩn thận tạora được. Tương tự như việc đẩy một cái sọt trên nền nhà, ví dụ như một con bọ đẩytrượt cái sọt trên nền nhà, mặc dù ở tốc độ rất chậm. Con bọ không thể làm đươcviệc này vì lực ma sát tĩnh, chúng ta nghĩ đó là một hiệu ứng phát sinh từ khuynhhướng của những chỗ lồi và lõm vi mô trên cái sọt và nền nhà khóa lại với nhau.Thực tế thì định luật Ohm áp dụng cho hầu hết chất rắn có một cách giải thích thúvị: ít nhất thì cũng có một số electron không bị “khóa chân” hoàn toàn trong bất kìnguyên tử đặc biệt nào. Tổng quát hơn, chúng ta có thể hỏi có bao nhiêu điện tích thật sự chạy trongnhững chất rắn, chất lỏng, và chất khí khác nhau. Câu hỏi này sẽ đưa chúng ta tớichỗ giải thích nhiều hiện tượng thú vị, như tia sét, lớp vỏ xanh xanh gắn trên cáccực của bình xe hơi, và nhu cầu điện phân trong thức uống thể thao. Chất rắn Theo thuật ngữ nguyên tử, đặc trưng xác định của chất rắn là các nguyên tửcủa nó liên kết chặt chẽ với nhau, và hạt nhân không thể chuyển động quá xa vị trícân bằng của chúng. Như vậy, các electron, chứ không phải ion, là hạt mang điệnkhi dòng điện chạy trong chất rắn. Sự thật này đã được Tolman và Stewart xácminh bằng thực nghiệm, trong một thí nghiệm trong đó họ xoay tròn một cuộn dâylớn rồi bất ngờ làm nó dừng lại. Họ thấy dòng điện trong dây ngay tức thì sau khicuộn dây dừng lại, cho thấy các hạt mang điện không phải bị khóa cố định vào mộtnguyên tử đặc biệt nào tiếp tục chuyển dời vì quán tính riêng của chúng, ngay cảsau khi vật chất của dây nói chung đã dừng lại. Hướng của dòng điện cho thấy cáchạt mang điện âm đang tiếp tục chuyển dời. Tuy nhiên, dòng điện chỉ tồn tại trongmột khoảnh khắc; vì khi các hạt mang điện âm tập trung ở đầu cuối dòng của dây,thì những hạt khác bị ngăn gia nhập vào đó vì lực đẩy điện của chúng, cũng như lựchút từ phía đầu ngược dòng, nơi còn lại điện tích toàn phần dương. Tolman vàStewart còn xác định được cả tỉ số khối lượng trên điện tích của các hạt đó. Chúngta không cần đi vào phân tích chi tiết ở đây, nhưng các hạt có khối lượng lớn sẽ khógiảm tốc, dẫn tới xung điện mạnh hơn và lâu hơn, còn các hạt có điện tích lớn sẽchịu lực điện mạnh hơn làm hãm chúng lại, gây ra xung điện yếu hơn và ngắn hơn.Như thế, tỉ số khối lượng trên điện tích xác định được phù hợp với tỉ số m/qcủaelectron trong phạm vi độ chính xác của thí nghiệm đó, về cơ bản đã xác minh cáchạt đó là electron. Thực tế chỉ có các electron mang điện trong chất rắn, chứ không phải ion, cónhiều ứng dụng quan trọng. Một ví dụ là nó giải thích tại sao các dây không bị cọsờn hay hóa thành bụi sau khi dẫn điện một thời gian dài. Các electron rất nhỏ (cóthể xem như chất điểm), và thật dễ hình dung chúng truyền qua giữa các khe hởgiữa các nguyên tử mà không tạo ra chỗ trống hay khe nứt trong cấu trúc nguyêntử. Với những người có chút kiến thức hóa học, nó cũng giải thích được tại sao mọichất dẫn điện tốt nhất đều nằm bên trái của bảng tuần hoàn hóa học. Nhữngnguyên tố trong vùng đó chỉ liên kết rất lỏng lẻo với những electron lớp ngoài cùngcủa chúng. Chất khí Các phân tử trong chất khí trải qua đa số thời gian ở cách nhau nhữngkhoảng cách lớn, nên chúng không thể dẫn điện theo cách như chất rắn, bằng cáchchuyển dời electron từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Do đó, không có gìphải ngạc nhiên trước việc chất khí là một chất cách điện tốt. Chất khí cũng thường phi ohm tính. Khi các điện tích trái dấu thiết lập trênmột đám mây giông và mặt đất bên dưới, sự chênh lệch điện thế càng lúc càng lớndần. Tuy nhiên, không hề có dòng điện nào chạy mãi cho đến khi hiệu điện thế đạttới một giá trị ngưỡng nào đó và chúng ta có một ví dụ ấn tượng về cái được gọi làtia lửa điện hay sự phóng điện. Nếu không khí tuân theo định luật Ohm, thì dòngđiện giữa đám mây và mặt đất sẽ tăng một cách đều đặn đơn giản khi hiệu điện thếtăng lên, chứ không bằng không cho đến khi hiệu điện thế đạt tới giá trị ngưỡng.Hành vi này có thể giải thích như sau. Tại một số chỗ, lực điện tác dụng lên cácelectron và hạt nhân của các phân tử không khí trở nên mạnh đến mức cácelectron bị bứt ra khỏi một số phân tử. Khi đó, các electron gia tốc về phía đámmây hoặc mặt đất, tùy thuộc phía nào tích điện dương, và các ion dương gia tốc vềphía ngược lại. Khi những hạt mang điện này gia tốc, chúng va chạm và làm ion hóacác phân tử khác, tạo nên đợt thác hạt phát triển nhanh chóng. Chất lỏng Các phân tử chất lỏng có thể trượt qua nhau, nên các ion cũng như electronđều có thể mang dòng điện. Nước tinh khiết là một chất dẫn điện kém vì các phântử nước có xu hướng giữ chặt các electron của chúng, và do đó không có nhi ...