CHỦ ĐỀ
DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG
Vì sao người ta dùng kim loại làm dây dẫn điện?
I. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
1. Các tính chất điện của kim loại
Kim loại là chất dẫn điện tốt
Ở cấp THCS, ta đã có định nghĩa điện trở của dây dẫn KL : điện trở của dây dẫn tỉ lệ với chiều dài l của dây dẫn, tỉ lệ nghịch với tiết diện của dây dẫn và phụ thuộc vào vật liệu làm dây dẫn.
Trong đó: l là chiều dài dây dẫn
s là tiết diện dây dẫn
ρ là điện trở suất của kim loại
(Bảng 17.1)
Điện trở suất càng nhỏ -> chất dẫn điện càng tốt
Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm
O
I
U
Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ
Điện trở suất ρ của kim loại phụ thuộc nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất:
Hình 10.2
Thí nghiệm chính xác chứng tỏ hệ số α còn phụ thuộc vào nhiệt độ, độ sạch và chế độ gia công vật liệu.
Dòng diện chạy qua dây dẫn kim loại gây ra tác dụng nhiệt.
2. Electron tự do trong kim loại
Các kim loại thể rắn có cấu trúc mạng tinh thể. Trong kim loai, các nguyên tử bị mất electron hoá trị trở thành các ion dương sắp xếp 1 cách tuần hoàn trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại .
Các electron hoá trị tách khỏi nguyên tử thì chuyển động hỗn loạn trong mạng tinh thể -> đó được gọi là các electron tự do: chúng tạo thành khí electron tự do choán toàn bộ thể tích của tinh thể KL.
Các kim loại khác nhau có mật độ electron khác nhau và không đổi.
Khi không có tác dụng của điện trường ngoài, chuyển động hỗn loạn của electron tự do không tạo ra dòng điện trong kim loại.
3. Giải thích tính chất điện của kim loại
a) Bản chất dòng điện trong kim loại
Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron tự do ngược chiều điện trường
Khi không có tác dụng của điện trường
Khi có tác dụng của điện trường
b) Nguyên nhân gây ra điện trở của dây dẫn kim loại
Sự “va chạm” của các electron tự do (trong quá trình chuyển động có hướng) với các chỗ mất trật tự trong mạng tinh thể kim loại.
Khi có tác dụng của điện trường
c) Nguyên nhân của trường hợp khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất tăng
Nhiệt độ tăng
Các ion kim loại càng dao động mạnh
Electron tự do va chạm nhiều hơn
Điện trở suất kim loại tăng
d) Giải thích hiện tượng toả nhiệt ở kim loại khi có dòng điện chạy qua
Các electron tự do chuyển động có gia tốc dưới sự tác dụng của lực điện trường thu được năng lượng.
Chúng truyền một phần năng lượng cho mạng tinh thể khi “ va chạm” vào mạng, làm tăng nội năng của kim loại.
Như vậy , năng lượng của chuyển động có hướng của các electron tự do đã chuyển thành nội năng của kim loại tức là chuyển hóa thành nhiệt.
Vì vậy dây dẫn kim loại nóng lên khi có dòng điện chạy qua.
Điện năng
Cơ Năng
Nội năng
(tức nhiệt năng)
1. Điện trở trong dây dẫn kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ được diễn tả theo công thức:
Câu hỏi, bài tập
Kim loại là chất dẫn điện tốt
B. Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm ở bất kì nhiệt độ nào.
C. Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ
D. Điện trở suất của kim loại nhỏ, nhỏ hơn 107Ω.m
Câu 2. Tìm phát biểu sai khi nói về tính chất dẫn điện của kim loại
Câu hỏi, bài tập
Câu 3. Một dây bạch kim ở 20oC có điện trở suất 10,6.10-8Ω.m. Biết điện trở suất của bạch kim trong khoảng nhiệt độ từ 0o đến 2000oC tăng bậc nhất theo nhiệt độ với hệ số nhiệt điện trở không đổi bằng 3,9.10-3K-1. Điện trở suất của dây bạch kim này ở 1680oC là
Câu hỏi, bài tập
II. HIỆN TƯỢNG NHIỆT ĐIỆN
HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN
II. HIỆN TƯỢNG NHIỆT ĐIỆN. HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN
1. Hiện tượng nhiệt điện
a) Cặp nhiệt điện. Dòng nhiệt điện:
+Thí nghiệm: Quan sát thí nghiệm hình 18.1
Ta thấy có dòng điện trong mạch, gọi là dòng nhiệt điện
Độ chênh lệch nhiệt độ tăng thì cường độ dòng điện tăng
Suất điện động tạo nên dòng điện trong mạch là suất điện động nhiệt điện
Dụng cụ có cấu tạo như trên là cặp nhiệt điện
KẾT LUẬN: Hiện tượng tạo thành suất điện động nhiệt điện trong một mạch điện kín gồm hai vật dẫn khác nhau khi giữ hai mối hàn ở hai nhiệt độ khác nhau là hiện tượng nhiệt điện
E = αT.Δt
b) Công thức của suất điện động nhiệt điện
Trong đó:
E: suất điện động nhiệt điện (V)
αT: hệ số nhiệt điện động (V/K)
Δt: độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu mối hàn (K)
c) Ứng dụng cặp nhiệt điện
Nhiệt kế nhiệt điện:
Dùng để đo nhiệt độ rất cao cũng như rất thấp
Pin nhiệt điện:
Ghép nhiều cặp nhiệt điện ta sẽ được một nguồn điện. Hiệu suất H~0,1%
THÍ NGHIỆM: Đổ Nitơ lỏng vào nam châm
2. Hiện tượng siêu dẫn
Người tìm ra hiện tượng siêu dẫn là Heika Kammerlingh Onnes, nhà vật lí người Hà Lan, đạt giải Nobel năm 1913
Ông đã tìm ra được điều gì?
+Khi nhiệt độ giảm đều thì điện trở của kim loại cũng giảm đều
+Ở nhiệt độ rất thấp, điện trở của một số kim loại và hợp kim có giá trị thay đổi nhiệt độ một cách đặc biệt.
Khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ Tc nào đó, điện trở của kim loại (hay hợp kim) đó giảm đột ngột đến giá trị bằng không. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng siêu dẫn.
Hiện tượng siêu dẫn là gì?
Điện trở bằng 0 => khả năng duy trì dòng điện lâu => kim loại (hay hợp kim) có tính siêu dẫn
Giá trị TC khác nhau ở các vật liệu khác nhau
Ứng dụng thực tiễn hiện tượng siêu dẫn
Đoàn tàu chạy trên đệm từ
Tạo ra máy gia tốc mạnh
Máy đo điện trường chính xác
Máy quét MRI dùng trong y học
Máy gia tốc
Tàu chạy trên đệm từ
Máy đo điện trường
Máy quét MRI
Cơ chế hoạt động của tàu đệm từ
Cơ chế nâng
Đến từ Nhật Bản, sử dụng nguyên lý cùng cực thì đẩy khác cực thì hút của nam châm, giúp tàu có thể được nâng lên khỏi bề mặt đường ray một khoảng trống. Nhìn vào hình bên trên bạn có thể thấy, bên trái thân tàu được gắn nam châm cực S (nam), đường ray bên trái có nam châm cực S bên dưới sẽ đẩy tàu lên, trong khi đó nam châm cực N bên trên sẽ hút tàu lên, cả hai mặc dù có đặc tính khác nhau nhưng đều cùng đẩy tàu lên, tương tự như bên phải.
Cơ chế đẩy
Cơ chế đẩy của tàu điện từ Nhật Bản Tương tự như cơ chế nâng, nhưng chỉ khác ở một chỗ là thay vì hướng đẩy lên thì bây giờ là hướng đẩy tới giúp tàu tiến tới phía trước.
CÂU HỎI CỦNG CỐ KIẾN THỨC
Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng:
A. Điện trở của vật dẫn giảm xuống giá trị rất nhỏ khi nhiệt độ giảm xuống thấp.
B. Điện trở của vật dẫn giảm xuống bằng không khi nhiệt độ của nó nhỏ hơn giá trị nhiệt độ tới hạn.
C. Điện trở của vật dẫn giảm xuống rất nhỏ khi nhiệt độ của nó đạt giá trị đủ cao.
D. Điện trở của vật dẫn bằng không khi nhiệt độ bằng 0(K).
CÂU HỎI CỦNG CỐ KIẾN THỨC
Suất điện động của một cặp nhiệt điện phụ thuộc vào?
A. nhiệt độ thấp hơn ở một trong hai đầu cặp.
B. nhiệt độ cao hơn ở một trong hai đầu cặp.
C. hiệu nhiệt độ hai đầu cặp.
D. bản chất của chỉ một trong hai kim loại cấu tạo nên cặp.
CÂU HỎI CỦNG CỐ KIẾN THỨC
Công suất của suất điện động nhiệt điện là?
A. E= R(T2 – T1)
B. E= αT (T2 – T1)
C. E= αT (T1 – T2)
D. E= R(T1 – T2)
III. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN
ĐỊNH LUẬT FA-RA-ĐÂY
Trong một số vật dụng, để chống gỉ hoặc làm trắng sáng hơn thì người ta thường mạ bên ngoài một lớp kim loại khác. Lớp mạ thường rất mỏng, bám chắc, bền.
Vậy người ta đã làm như thế nào để có lớp mạ đó?
?
1. Thí nghiệm về dòng điện trong chất điện phân
Cho nước tinh khiết vào một cốc có 2 điện cực bằng kim loại rồi nối với một bộ pin. Ta thấy dòng điện chạy qua rất nhỏ (Hình a)
Cho thêm vào trong nước một lượng nhỏ NaCl (Hình b) thì dòng điện tăng mạnh.
Kết luận:
+ Nước cất ( nước tinh khiết) là
chất điện môi
+ Dung dịch NaCl là chất dẫn điện
Các dung dịch muối, axit, bazơ được gọi là các chất điện phân. Các muối nóng chảy cũng là chất điện phân
NaCl
Trong nước cất có rất ít hạt tải điện
Trong dung dịch NaCl có nhiều hạt tải điện
2. Bản chất dòng điện trong chất điện phân
Thí nghiệm mô phỏng
Quá trình phân li
Trong khi chuyển động nhiệt hỗn loạn, một số ion dương có thể kết hợp lại với ion âm khi va chạm, trở thành phân tử trung hoà
Sự tái hợp
2. Bản chất dòng điện trong chất điện phân
Khi không có tác dụng của điện trường ngoài, các ion này chuyển động nhiệt hỗn loạn
Không có dòng điện dịch chuyển có hướng
+ Điện cực dương: anốt (A)
+ Điện cực âm : catốt (K)
Khi muối, axit, bazơ được hoà tan vào nước, chúng dễ dàng tách ra thành các ion trái dấu: ion dương (+) và ion âm (-)
Khi có tác dụng của điện trường:
+ Các ion dương chạy về phía cực âm (catốt)
+ Các ion âm chạy về phía cực dương (anốt)
Chuyển động có hướng đó tạo nên dòng điện trong chất điện phân
Dòng điện trong chất điện phân là dòng dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường.
Một số môi trường dẫn điện:
Nước ở ao, hồ kênh, rạch
Nước sinh hoạt
Đánh cá bằng điện huỷ hoại môi trường sống và nguy hiểm đến tính mạng con người
Cột điện gãy đổ do mưa lũ kéo dài
3. Phản ứng phụ trong chất điện phân:
Các ion âm dịch chuyển đến anốt, nhường electron cho anot còn các ion dương đến catot và nhận electron từ catốt. Các ion đó trở thành nguyên tử trung hòa bám vào điện cực hoặc bay lên dưới dạng khí. Chúng tác dụng với điện cực gọi là phản ứng phụ trong chất điện phân hay phản ứng thứ cấp .
4. Hiện tượng dương cực tan
Khi có tác dụng của điện trường, cation Cu2+ chạy về catôt, về nhận electron từ nguồn điện đi tới:
Cu2+ + 2e- → Cu
Ở anốt, electron bị kéo về cực dương của nguồn điện:
Cu → Cu2+ + 2e-
Ta xét chi tiết những gì xảy ra ở điện cực của bình điện phân dung dịch CuSO4 có điện cực bằng đồng bình điện phân này thuộc loại đơn giản nhất, vì chất tan là muối của kim loại dùng làm điện cực (trường hợp này là đồng)
Khi anion (SO4)2- chạy về anôt, nó kéo ion Cu2+ vào dung dịch. Như vậy, đồng ở anôt sẽ tan dần vào trong dung dịch. Đó là hiện tượng dương cực tan.
Hiện tượng dương cực tan xảy ra khi các anion đi tới anot kéo các ion kim loại của điện cực vào trong dung dịch.
Định luật Ôm đối với chất điện phân:
Khi có hiện tượng dương cực tan, dòng điện trong chất điện phân tuân theo định luật Ôm, giống như đối với đoạn mạch chỉ có điện trở thuần.
Lưu ý: Nếu bình chứa dung dịch muối kim loại mà anôt không bằng kim loại ấy (tức là không có hiện tượng dương cực tan) thì bình điện là một máy thu điện, khi đó ta có:
5. Định luật Fa-ra-đây về điện phân
a) Định luật I Fa-ra-đây
Khối lượng vật chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó.
m=k.q
k: đương lượng điện hóa của chất được giải phóng trong điện cực ( g/C)
b) Định luật II Fa-ra-đây
5. Định luật Fa-ra-đây về điện phân
Trong đó: F ≈ 96 500 C/mol
A: khối lượng ion (khối lượng mol nguyên tử tạo nên ion)
n: điện tích của ion (hay hoá trị n của nguyên tử tạo nên ion)
5. Định luật Fa-ra-đây về điện phân
c) Công thức Fa-ra-đây về điện phân
Định luật I Fa-ra-đây: m=k.q
m: khối lượng chất được giải phóng (g)
F = 96500 C/mol
A: khối lượng phân tử
n: hóa trị
I: cường độ dòng điện (A)
t: thời gian dòng điện chạy qua (s)
6. Ứng dụng của hiện tượng điện phân
a) Điều chế hoá chất: điều chế clo, hiđrô và xút trong công nghiệp hoá chất.
Điện phân dung dịch muối ăn ( NaCl) tan trong nước với điện cực bằng graphit hoặc bằng kim loại không bị ăn mòn. Kết quả điện phân cho ta xút tan vào dung dịch và cá hidro và các clo bay ra.
b) Luyện kim
6. Ứng dụng của hiện tượng điện phân
Người ta đúc đồng nấu từ quặng ra ( còn chứa nhiều tạp chất) thành các tấm. Dùng các tấm này làm cực dương trong bình điện phân đựng dung dịch đồng sunfat. Khi điện phân, cực dương tan dần, đồng nguyên chất bám vào cực âm, còn tạp chất lắng xuống đáy.
c) Mạ điện
6. Ứng dụng của hiện tượng điện phân
Người ta dùng phương pháp điện phân phủ một lớp kim loại như crôm, vàng, bạc,…. Lên những đồ vật bằng kim loại khác để chống gì, tăng độ sáng bóng, đẹp
Vật cần được mạ dùng làm cực âm, kim loại dùng để mạ làm cực dương, còn chất điện phân là dung dịch muối của kim loại dùng để mạ
D. Dòng chuyển động có hướng đồng thời của các ion dương thuận chiều điện trường và của các ion âm ngược chiều điện trường.
Câu 1. Bản chất dòng điện trong chất điện phân là:
BÀI TẬP
A. Dòng các electron chuyển động có hướng ngược chiều điện trường.
B. Dòng các ion dương chuyển động có hướng thuận chiều điện trường
C. Dòng các ion âm chuyển động có hướng ngược chiều điện trường.
A. Khi hòa tan axit, bazo hoặc muối vào trong nước, tất cả các phân tử của chúng đều bị phân li thành các ion.
B. Khi có hiện tượng dương cực tan, dòng điện trong chất điện phân tuân theo định luật Ôm.
C. Số cặp ion được tạo thành trong dung dịch điện phân không thay đổi theo nhiệt độ
D. Bình điện phân nào cũng có suất phản điện
BÀI TẬP
Câu 2: Chọn phát biểu đúng
BÀI TẬP
nguon VI OLET
