Dòng điện trong kim loại là gì? Bản chất và các hiện tượng liên quan

Kim loại là một chất dẫn điện tốt bởi nó cho phép dòng điện đi qua một cách dễ dàng. Vậy khái niệm về dòng điện trong kim loại là gì? Hãy cùng nhau tìm câu trả lời cho câu hỏi trên thông qua bài viết dưới đây nhé.

Tìm hiểu lý thuyết dòng điện trong kim loại là gì?

Dòng điện trong kim loại là sự dịch chuyển có hướng của các electron tự do chịu tác dụng của điện trường. Khi có hiệu điện thế ngược chiều ở hai đầu kim loại thì sinh ra dòng chuyển dời, dẫn hướng các electron tự do trong thanh kim loại, từ đó tạo ra dòng điện.

Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển của electron
Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển của electron

Trong kim loại, các hạt tải điện là electron, di chuyển dễ dàng từ nguyên tử này sang nguyên tử khác khi có hiệu điện thế.

Vậy chiều của dòng điện trong kim loại là gì? Theo quy ước, chiều của dòng điện là chiều dịch chuyển của các điện tích mang dấu dương. Dòng điện trong kim loại có chiều ngược với chiều dịch chuyển các electron tự do.

Bản chất của dòng điện trong kim loại là gì?

Bản chất của dòng điện trong kim loại đó là dòng hạt electron chuyển động có hướng tạo thành dòng điện.

Trước khi hình thành dòng điện, các electron tự do trong kim loại chuyển động không đều giữa các ion của mạng tinh thể. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các electron tự do này chuyển động có hướng, do đó sinh ra dòng điện.

Các electron được tăng tốc dưới tác dụng của điện trường, sau khi được gia tốc một khoảng nhất định, chúng va chạm với các ion mạng tinh thể và truyền động năng cho khung mạng, và năng lượng của chúng giảm xuống bằng không.

Sau đó, electron lại được gia tốc trở lại bởi điện trường, và cứ tiếp tục như vậy. Quá trình này lặp đi lặp lại tạo ra dòng chuyển động của electron, từ đó tạo ra dòng điện trong kim loại.

Điều kiện cơ bản để có dòng điện trong kim loại

Dòng điện trong kim loại xuất hiện khi có các yếu tố sau. 

  • Cần có nguồn năng lượng tạo ra điện áp. Không có điện áp, các electron di chuyển ngẫu nhiên và không có định hướng trong kim loại, do đó dòng điện không thể chạy qua. Điện áp tạo ra áp lực lên các electron, khiến chúng chuyển động theo một hướng duy nhất.
  • Cần duy trì hiệu điện thế giữa hai đầu của thanh kim loại.

Điện trở suất trong kim loại

Điện trở là một đơn vị đo sự đối nghịch với dòng điện trong mạch điện. Điện trở càng lớn thì rào cản chống lại dòng điện càng lớn.

Mỗi loại dây dẫn bằng kim loại khác nhau có điện trở suất riêng
Mỗi loại dây dẫn bằng kim loại khác nhau có điện trở suất riêng

Khi hiệu điện thế được đặt vào hai đầu của thanh kim loại, dòng điện bắt đầu chạy hoặc các electron tự do bắt đầu chuyển động. Trong khi chuyển động, các electron tự do va chạm với các nguyên tử, phân tử kim loại. Do va chạm hoặc vật cản, tốc độ dòng điện bị hạn chế, gọi tạo ra lực cản gọi là điện trở.

Điện trở suất của kim loại phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ, nó được tính theo công thức:

ρ=ρ0[1+α(t−t0)]

Trong đó:

ρ là ký hiệu điện trở suất của kim loại

ρ0 là ký hiệu điện trở suất ở nhiệt độ t0

α là hệ số nhiệt điện trở

t-t0 là độ biến thiên nhiệt độ

Kim loại có điện trở suất thấp nằm trong khoảng 1,5 đến 150 π Ω-cm ở nhiệt độ phòng, trong khi chất bán dẫn có điện trở suất lớn hơn 106 đến 1012  lần và chất cách điện vẫn lớn hơn 106 đến 1012 lần.

Tính siêu dẫn của kim loại

Sau khi tìm hiểu khái niệm dòng điện là gì và điện trở suất trong kim loại, chúng ta sẽ tìm hiểu về các hiện tượng liên quan đến dòng điện trong kim loại. Đầu tiên là hiện tượng siêu dẫn.

Ở nhiệt độ rất thấp, một số kim loại có hiện tượng điện trở bằng không và cảm ứng từ bằng không, hiện tượng này được gọi là siêu dẫn.

Nhiệt độ đặc trưng mà tại đó kim loại trở nên siêu dẫn phụ thuộc vào:

  • Cường độ từ trường
  • Trường được đặt bên ngoài hay là kết quả của dòng điện được sử dụng để đo điện trở.

Các kim loại dẫn điện tốt ở nhiệt độ thường như đồng, bạc và vàng không thể hiện tính chất siêu dẫn. Ngược lại, các kim loại có tính chất siêu dẫn lại dẫn điện kém trong điều kiện thường. Các kim loại hóa trị đơn và kim loại sắt từ và kim loại phản sắt từ không phải là kim loại siêu dẫn.

Các chất liệu siêu dẫn thường được sử dụng để làm dây dẫn trong mạch điện tải nhanh, làm dây điện. Ngoài ra, nó được sử dụng để làm nam châm công suất cao, máy gia tốc hạt, bộ lọc tần số vô tuyến, động cơ điện và máy phát điện…

Hiện tượng nhiệt điện

Một trong những hiện tượng khác liên quan đến dòng điện trong kim loại là hiện tượng nhiệt điện. Vậy hiện tượng này là gì?

Hiện tượng nhiệt điện cung cấp sự biến đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng hoặc điện năng thành nhiệt năng. Hiệu ứng này xảy ra khi có mạch điện kín được tạo thành từ hai vật liệu kim loại khác nhau. Sự sản sinh nhiệt tại điểm nối nhiễm điện của hai vật liệu khác nhau khiến dòng cưỡng bức của các hạt mang điện tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ. 

Hiện tượng nhiệt điện xảy ra ở mối nối của hai kim loại khác nhau
Hiện tượng nhiệt điện xảy ra ở mối nối của hai kim loại khác nhau

Các thiết bị nhiệt điện sử dụng hiệu ứng này có nhiều ứng dụng bao gồm đo nhiệt độ, sưởi ấm hoặc làm mát ở trạng thái rắn và chuyển đổi năng lượng trực tiếp từ nhiệt thải. Mặc dù hiệu suất tương đối thấp, các thiết bị này đã được sử dụng rộng rãi trong các công nghệ tiên tiến đòi hỏi hệ thống sưởi, làm mát cục bộ cao hoặc đo nhiệt độ với khối lượng nhỏ.

Những nguyên tố ảnh hưởng đến dòng điện trong kim loại là gì?

Độ dẫn điện của kim loại bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố nhất định. Những yếu tố này gây cản trở hoặc thúc đẩy dòng điện trong kim loại.

Yếu tố nhiệt độ

Như chúng ta đã đề cập ở trên, nhiệt độ có ảnh hưởng nhất định đến điện trở của kim loại. Với sự tăng của nhiệt độ, sự tán xạ của các electron tăng lên và đường đi tự do trung bình giảm, do đó làm giảm tính linh động của các hạt tải điện, điện trở suất của kim loại cũng tăng (độ dẫn điện giảm).

Sự liên kết với các chất khác (tạo thành hợp kim)

Hợp kim là một yếu tố khác ảnh hưởng đến điện trở suất của vật liệu. Bằng cách thêm một số chất khác vào kim loại, điện trở suất của nó tăng lên. Hợp kim có điện trở suất cao hơn kim loại cơ bản nguyên chất.

Các nguyên tố hợp kim phá vỡ cấu trúc của mạng tinh thể trong kim loại, do đó làm tăng sự tán xạ của các electron và phonon. Từ đó, điện trở suất của kim loại tăng theo các nguyên tử hợp kim.

Hợp kim có độ dẫn điện tốt hơn kim loại
Hợp kim có độ dẫn điện tốt hơn kim loại

Xem thêm:

Trải qua quá trình gia công

Điện trở suất của hợp kim tăng lên khi trải qua quá trình rèn đúc, gia công. Khi đó hiện tượng đông cứng tự phát của kim loại xảy ra nếu nó được làm nguội và sau đó được bảo quản ở nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc được xử lý bằng nhiệt nhẹ. Trong quá trình này, mạng tinh thể trải qua sự biến dạng do độ linh động của điện tử bị giảm, do đó làm giảm đường dẫn tự do trung bình. Từ đó, kim loại giảm đi độ dẫn điện.

Bài viết đã trả lời cho câu hỏi dòng điện trong kim loại là gì và giới thiệu những vấn đề liên quan đến dòng điện trong kim loại. Đây là một kiến thức vật lý bổ ích mà ai cũng nên nắm chắc. Hy vọng sau khi đọc xong bài viết, bạn đã có thêm vốn kiến thức về vấn đề này.