Giáo trình điện từ học - TS. Lưu Thế Vinh - Chương 5

Bản chất của các hạt tải điện trong kim loại Thực nghiệm chứng tỏ rằng các phần tử tải điện trong kim loại chính là các electrôn tự do. Nguyên nhân là khi tạo thành mạng tinh thể, các electron hóa trị do liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử nên chúng dễ dàng thoát ra khỏi liên kết để trở thành tự do và trở thành “tài sản tập thể” của toàn bộ khối kim loại. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình điện từ học - TS. Lưu Thế Vinh - Chương 5ÑIEÄN TÖØ HOÏC - 65 - Chöông 5. CAÙC HIEÄN TÖÔÏNG ÑIEÄN TÖÛ VAØ IOÂN§5.1. THUYEÁT ELECTROÂN COÅ ÑIEÅN5.1.1. Baûn chaát cuûa caùc haït taûi ñieän trong kim loaïi Thöïc nghieäm chöùng toû raèng caùc phaàn töû taûi ñieän trong kim loaïi chính laøcaùc electroân töï do. Nguyeân nhaân laø khi taïo thaønh maïng tinh theå, caùc electroânhoùa trò do lieân keát yeáu vôùi haït nhaân nguyeân töû neân chuùng deã daøng thoaùt rakhoûi lieân keát ñeå trôû thaønh töï do vaø trôû thaønh “taøi saûn taäp theå” cuûa toaøn boä khoáikim loaïi. Khi coù ñieän tröôøng ngoaøi taùc duïng, caùc electroân töï do seõ chuyeånñoäng ñònh höôùng ñeå taïo neân doøng ñieän. Maät ñoä electroân töï do (goïi laø electroân daãn) vôùi kim loaïi hoùa trò moät xaùcñònh theo bieåu thöùc: N (5.1) δ no = A δ - khoái löôïng rieâng cuûa kim loaïi, N – soá Avoâgañroâ, A– nguyeân töû gam Giaù trò cuûa n0 vaøo khoaûng 1022 ÷ 1023 cm-3.5.1.2. Thuyeát electroân coå ñieån veà kim loaïi – Trong kim loaïi toàn taïi caùc electroân töï do (electroân daãn), chuyeån ñoängcuûa chuùng ñöôïc khaûo saùt nhö laø “khí electroân” gioáng nhö khí lyù töôûng. Töôngtaùc giöõa caùc electroân vôùi nhau khoâng ñaùng keå. Töông taùc giöõa caùc electroânvôùi nuùt maïng tinh theå chæ theå hieän khi va chaïm. Caùc va chaïm daãn ñeán thieátlaäp söï caân baèng nhieät giöõa khí electroân vaø maïng tinh theå. – Khí electroân tuaân theo chaët cheõ caùc ñònh luaät cuûa khí lyù töôûng. Moãielectroân coù 3 baäc töï do, moãi baäc töï do öùng vôùi moät ñoäng naêng laø 1/2KT. Doñoù ñoäng naêng trung bình cuûa chuyeån ñoäng nhieät hoãn ñoän cuûa moãi electroân laø: 1 3 2 (5.2) Wñ = mvT = kT 2 2 k = 1,38.10-23J/ñoä – Haèng soá Boltzmann T – Nhieät ñoä tuyeät ñoái 2 vT – Trung bình bình phöông cuûa vaän toác chuyeån ñoäng nhieät. – Moãi nguyeân töû kim loaïi cho moät electroân töï do, maät ñoä electroân töï doxaáp xæ baèng maät ñoä nguyeân töû trong kim loaïi:TS. Löu Theá Vinh- 66 - ÑIEÄN TÖØ HOÏC N δ ≈ 1022 ÷ 1023 cm −3 (5.3) no = A5.1.3. Giaûi thích veà tính daãn ñieän vaø ñieän trôû kim loaïi – Bình thöôøng caùc electroân töï do trong kim loaïi chuyeån ñoäng nhieät hoãnloaïn khoâng coù phöông öu tieân. Khi coù ñieän tröôøng ngoaøi taùc duïng chuùng seõtham gia chuyeån ñoäng ñònh höôùng döôùi taùc duïng cuûa löïc ñieän tröôøng. – Khi chuyeån ñoäng ñònh höôùng caùc electroân va chaïm vôùi nuùt maïng tinhtheå. Naêng löôïng cuûa noù truyeàn cho nuùt maïng vaø bieán thaønh nhieät naêng. Ñoùchính laø nguyeân nhaân gaây ra ñieän trôû cuûa kim loaïi. Moãi kim loaïi coù caáu truùcmaïng tinh theå khaùc nhau neân taùc duïng “ngaên caûn” chuyeån ñoäng ñònh höôùngcuûa caùc electroân cuõng khaùc nhau, do ñoù ñieän trôû suaát cuûa caùc kim loaïi khaùcnhau. – Khi nhieät ñoä taêng laøm chuyeån ñoäng nhieät hoãn loaïn cuûa caùc electroân töïdo taêng leân, ñoàng thôøi nhieät ñoä taêng laøm cho dao ñoäng cuûa ion ôû caùc nuùt maïngcuõng taêng leân daãn tôùi xaùc suaát va chaïm giöõa electroân vôùi caùc nuùt maïng taêngleân. Do ñoù ñieän trôû kim loaïi taêng theo nhieät ñoä.5.1.4. Ñònh luaät Ohm trong thuyeát electroân. Theo thuyeát electroân coå ñieån ta coi quaõng ñöôøng töï do trung bình λ laøquaõng ñöôøng caùc electroân ñi ñöôïc sau 2 va chaïm lieâr tieáp. un Neáu trong kim uu i toàn taïi moät ñieän tröôøng E thì moãi electroân seõ chòu loaï ur rmoät löïc ñieän tröôøng f = eE . Löïc naøy gia toác cho electroân laøm cho vaän toáccuûa noù taêng leân töø 0 ñeán giaù trò vmax: ur r eE v max = (5.4) τ m trong ñoù τ laø khoaûng thôøi gian electroân ñi heát quaõn ...