Dòng điện trong kim loại

Một trong những tính chất hóa học đặc trưng của kim loại đó là khả năng dẫn điện tốt. Sở dĩ có được tính chất này là bên trong cấu trúc của kim loại, các hạt electron có thể di chuyển tự do thông qua mạng lưới tinh thể. Chính vì vậy, khi cung cấp dòng điện áp lên kim loại, các electron tự do sẽ di chuyển từ khu vực có nhiều electron đến nơi có ít electron. Từ đó tạo ra dòng điện trong kim loại.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ chia sẻ các thông tin hữu ích liên quan về dòng điện trong kim loại. Mời quý bạn cùng theo dõi.

Lý thuyết dòng điện trong kim loại

Tìm hiểu về kim loại

Kim loại là những nguyên tố hóa học có khả năng nhường electron của mình để tạo thành ion dương và chúng có tính liên kết kim loại. Để có thể phân biệt kim loại với các nguyên tố khác, chúng ta sẽ dựa vào mức độ ion hóa.

Kim loại là một trong những vật liệu được sử dụng phổ biến hiện nay với khả năng ứng dụng linh hoạt từ dân dụng cho đến các ngành công nghiệp phức tạp. Một số ứng dụng điển hình của kim loại như ngành xây dựng, hệ thống công nghiệp chế tạo, sản xuất ô tô, ngành hàng không,…

Khái niệm dòng điện trong kim loại

Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do trước sự tác động của điện trường. Khi nguồn điện áp kết nối với kim loại, chúng sẽ tạo ra một không gian chứa năng lượng điện hay còn được gọi là điện trường. Dưới tác dụng của điện trường, các electron sẽ bị đẩy bởi cực âm của nguồn điện và chúng sẽ chuyển hướng di dời từ cực âm sang cực dương.

Trong quá trình chuyển động, các electron tự do này sẽ tác động, va chạm với các ion nút mạng. Bằng việc truyền động năng cho các ion nút mạng, chúng đã tạo điện trở cho dây dẫn kim loại. Điện trở của kim loại sẽ chịu sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện và nhiệt độ. Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm. Còn khi nhiệt độ tăng, quá trình di chuyển của các thành phần dẫn điện trong kim loại càng thuận tiện, từ đó, làm tăng điện trở. Điều này được thể hiện rõ thông qua công thức dưới đây:

ρ = ρ0 * (1 + α * (t – t0)).

Trong đó:

• ρ0: là giá trị điện trở suất tại điều kiện nhiệt độ t0 ( nhiệt độ này thường là 20 độ C).
• ρ : điện trở suất tại nhiệt độ t.
• α: thể hiện hệ số nhiệt điện trở. Hệ số này bị phụ thuộc bởi nhiệt độ và chế độ gia công, độ sạch của vật liệu kim loại.

Không chỉ có vậy, hướng của dòng điện trong kim loại sẽ ngược chiều với hướng di chuyển của các electron tự do.

Bản chất của dòng điện trong kim loại là gì

Sau khi các kim loại mất đi electron, chúng sẽ tạo thành ion dương. Các ion này khi được liên kết với nhau sẽ hình thành nên một mạng lưới tinh thể ngay bên trong kim loại. Khi mạng lưới này bị phá vỡ đi trật tự thì khả năng chuyển động của chúng càng mạnh. Đồng thời, các electron hóa trị cũng sẽ trở thành electron tự do với mật độ không thay đổi.

Dưới sự tác dụng ảnh hưởng của điện trường, các electron này sẽ bị đẩy bởi cực âm của nguồn điện và bị hút bởi cực dương của nguồn điện. Tuy nhiên, do sự xáo trộn của cấu trúc tinh thể đã làm cản trở đến sự di chuyển của các electron tự do này. Từ đó, chính sự va chạm giữa các electron tự do và ion dương đã tạo ra bản chất của dòng điện trong kim loại.

Các tính chất của dòng điện trong kim loại

Một số tính chất đặc trưng của dòng điện trong kim loại là:

• Điện trở: được hiểu là khả năng cản trở dòng điện của kim loại. Nếu vật liệu kim loại có khả năng dẫn điện tốt thì điện trở của chúng sẽ thấp. Ngược lại, nếu tính dẫn điện kém thì điện trở của chúng sẽ cao. Bên cạnh đó, điện trở của kim loại sẽ bị phụ thuộc và nhiệt độ, áp suất, độ tinh khiết, hình dáng và kích thước của chúng.
• Tính dẫn điện: với đặc tính dẫn điện tốt, kim loại được đưa vào sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng như điện tử, năng lượng, ngành sản xuất điện,…
• Từ tính: dòng điện trong kim loại tạo ra từ trường xung quanh chúng. Chính vì vậy, sự tương tác, kết hợp giữa dòng điện và từ trường đã được ứng dụng trong rất nhiều các thiết bị máy móc như máy phát điện, động cơ điện, hệ thống điện tử,…
• Tính sinh nhiệt: đây là hiện tượng nhiệt lượng được sinh ra do dòng điện. Cụ thể, khi dòng điện di chuyển qua một cuộn dây dẫn, năng lượng điện sẽ được chuyển hóa thành nhiệt năng. Hiện tượng này xảy ra do sự va chạm của các electron tự do trong kim loại với các ion dương của mạng lưới tinh thể.

Giới thiệu về điện trở, điện trở suất và hiện tượng siêu dẫn, nhiệt điện

Cách tính điện trở, điện trở suất của dây dẫn kim loại

Điện trở là một đại lượng vật lý, có tên gọi tiếng anh là Resistor, ký hiệu: R. Đại lượng này thể hiện được tính chất cản trở dòng điện của vật liệu kim loại. Bên cạnh đó, trong hệ thống đo lường quốc tế SI, đơn vị dùng để đo điện trở là Ohm, ký hiệu là Ω. Đơn vị này được đặt theo tên của một nhà vật lý người Đức – người đã phát biểu ra định luật Ohm.

Để có thể tính được điện trở của vật dẫn kim loại, chúng ta sẽ áp dụng công thức sau:

Trong đó:

• R: điện trở của vật dẫn ( đơn vị: Ω).
• p: là ký hiệu của điện trở suất. Đơn vị đo điện trở suất là Ω.m
• l: kích thước chiều dài của dây dẫn ( đơn vị: m).
• S: là tiết diện thẳng của dây dẫn (đơn vị: m2).

Điện trở suất của kim loại được xác định bởi điện trở của một đoạn dây dẫn hình trụ, làm từ vật liệu kim loại đó, chúng có chiều dài 1 mét và tiết diện là 1 mét vuông. Công thức tính điện trở suất:

Trong đó:

• ρ0: là giá trị điện trở suất của dây dẫn kim loại tại điều kiện nhiệt độ t0 ( đơn vị: Ω.m ).
• ρ : điện trở suất của dây dẫn kim loại tại nhiệt độ t ( đơn vị đo: Ω.m).
• α: thể hiện hệ số nhiệt điện trở, ( đơn vị: K^-1)

Hiện tượng siêu dẫn

Qua công thức vừa tìm hiểu ở trên, chúng ta có thể thấy rằng điện trở suất có mối quan hệ tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Do đó, khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm. Do đó, khi giá trị của nhiệt độ đạt mức 0 độ K thì điện trở suất của kim loại cũng sẽ trở nên rất nhỏ. Và khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Tc thì điện trở suất cũng sẽ bị giảm đột ngột về 0. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng siêu dẫn của kim loại.

Những cuộn dây siêu dẫn từ trường mạnh có thể tạo ra được hiện tượng này. Bên cạnh đó, dù không được kết nối với nguồn điện nhưng chúng vẫn có thể duy trì dòng điện trong một khoảng thời gian nhất định. Một số ứng dụng tiêu biểu của hiện tượng siêu dẫn:

• Truyền tải điện năng.
• Dùng để ngắt mạch điện từ trong các thiết bị máy tính điện tử siêu tốc.

Hiện tượng nhiệt điện

Hiện tượng nhiệt điện hay còn được gọi là suất điện động nhiệt điện. Hiện tượng này xảy ra do có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu của một vật liệu kim loại dẫn điện. Hay nói cách khác khi tiến hành hàn hai dây kim loại và hợp kim khí tại điều kiện nhiệt độ khác nhau, chúng sẽ tạo ra suất điện động nhiệt điện trong mạch dây kín.

Trong thuyết electron về tính dẫn điện của vật liệu của kim loại: nếu như dây dẫn điện kim loại có một đầu nóng và một đầu lạnh thì khi chuyển động nhiệt, một phần electron tự do ở đầu nóng sẽ bị dồn phía bên đầu lạnh.

Để có thể tính được suất điện động, chúng ta áp dụng công thức sau:

E = αT * ( T1 – T2)

Trong đó:

• E: là suất điện động nhiệt điện ( đơn vị: V).
• αT: hệ số nhiệt điện động ( đơn vị: V.K^-1)
• T1 – T2: hiệu nhiệt độ ở đầu nóng và đầu lạnh (đơn vị: K).

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của kim loại và ứng dụng

Những yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của kim loại

Các yếu tố này bao gồm:

• Cấu trúc tinh thể của kim loại: đây là yếu tố có vai trò vô cùng quan trọng. Bởi cấu trúc này được hình thành do các nguyên tử kim loại đan xen vào nhau bên trong mạng lưới tinh thể. Từ đó, giúp tạo ra cơ hội thuận lợi cho các electron tự do được di chuyển, góp phần tạo nên dòng điện bên trong kim loại.
• Ion dương: kim loại là nguyên tố hóa học rất dễ nhường electron để tạo thành ion dương. Do đó, trong cấu trúc tinh thể của kim loại có chứa rất nhiều các ion dương. Điều này càng giúp cho kim loại có khả năng dẫn điện mạnh mẽ và hiệu quả.
• Nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng lên thì khả năng dẫn điện của kim loại cũng sẽ tăng. Bởi vì khi tăng nhiệt độ, các electron tự do sẽ tạo ra động năng lớn, tốc độ di chuyển cũng nhanh chóng hơn. Từ đó, phân phối dòng điện rộng hơn trong cấu trúc tinh thể.

Ứng dụng của dòng điện trong kim loại

Các tính chất của dòng điện trong kim loại đã được chúng ta ứng dụng linh hoạt trong nhiều lĩnh vực đời sống khác nhau như:

• Chế tạo ra một số thiết bị khoa học như: máy chế tạo, máy quét,…
• Sản xuất các vật dụng phục vụ cuộc sống hàng ngày như nhiệt kế, dây dẫn,…
• Ngành sản xuất van công nghiệp: sử dụng trong các thiết bị như van bướm điều khiển điện, van bi điều khiển điện, van cổng điều khiển điện,…
• Ngành công nghiệp điện tử: dòng điện chạy qua các đường dây dẫn kim loại được sử dụng các thiết bị như điện thoại di động, máy tính,…
• Ngành công nghiệp sản xuất ô tô, điện tử, hay ngành hàng không vũ trụ: dòng điện trong kim loại dùng để cung cấp năng lượng cần thiết cho các quy trình sản xuất, đảm bảo các thiết bị máy móc được hoạt động ổn định và hiệu quả.
• Dòng điện trong kim loại còn được dùng để tạo ra năng lượng điện cho các thiết bị như turbine, động cơ điện,…

Cách tạo ra dòng điện trong kim loại và hướng dẫn đo

Cách tạo ra dòng điện trong kim loại

Để có thể tạo ra dòng điện trong kim loại, cách đơn giản nhất đó chính là cung cấp nguồn điện áp vào hai đầu của vật liệu kim loại. Khi đó một môi trường điện xung quanh kim loại sẽ được tạo ra, gọi là điện trường. Chúng sẽ tác động các electron tự do có trong cấu trúc mạng lưới tinh thể của kim loại. Lúc này, các electron tự do sẽ bị đẩy bởi cực âm của nguồn điện và chuyển hướng di chuyển từ cực âm đến cực dương.

Chính sự di chuyển của các electron tự do này đã tạo nên dòng điện bên trong kim loại.

Ngoài ra, một số phương pháp khác để tạo ra dòng điện trong kim loại mà bạn có thể áp dụng đó là:

• Sử dụng pin hoặc bình ắc quy.
• Đặt cục nam châm vào xung quanh cuộn dây dẫn.

Hướng dẫn đo dòng điện trong kim loại

Để có thể đo lường và định lượng được dòng điện trong kim loại chúng ta có thể sử dụng ampe kế. Ngoài ra, thì chúng ta cũng có thể sử dụng điện kế để đo dòng điện. Ưu điểm nổi bật của thiết bị này, đó là chúng không chỉ cho biết cường độ dòng điện mà còn cung cấp thông tin về chiều của dòng điện.

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều các thiết bị giúp đo được chính xác dòng điện bên trong kim loại. Điều này giúp đem đến cho quý khách hàng thêm nhiều sự lựa chọn trong quá trình tìm mua sản phẩm.

Các câu hỏi liên quan đến dòng điện trong kim loại

Tại sao kim loại lại có khả năng dẫn điện tốt hơn so với các vật liệu khác

Kim loại có khả năng dẫn điện tốt là nhờ tính chất đặc trưng của các kim loại và cấu trúc màng tinh thể của chúng. Chính vì vậy, khi có một điện trường tác dụng, chúng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các electron tự do được di chuyển. Từ đó, giúp dễ dàng tạo ra dòng điện bên trong kim loại.

Còn đối với các loại vật liệu khác như gỗ, hoặc nhựa, thì cấu trúc phân tử của chúng không giống như kim loại, nên khả năng dẫn điện của chúng cũng kém hơn.

Dòng điện trong kim loại có chiều như thế nào

Theo quy ước, chiều dòng điện là chiều dịch chuyển có hướng của các hạt mang điện tích dương. Vì vậy, chiều dòng điện trong kim loại sẽ ngược với chiều di chuyển các electron tự do.

Hạt tải điện trong kim loại là gì

Hạt tải điện trong kim loại được hiểu là những electron hóa trị di chuyển tự do bên trong mạng lưới tinh thể. Thực chất, các electron hóa trị này chính là electron nằm ở lớp vỏ bên ngoài của các nguyên tử. Tuy nhiên, thì trong các kim loại, các electron hóa trị sẽ rất dễ dàng bị nhường cho các nguyên tử khác để tạo thành ion dương. Và khi đó, chính các electron hóa trị sẽ chuyển đổi thành electron tự do và không bị liên kết với bất kỳ nguyên tử cụ thể nào.

Phân biệt dòng điện trong kim loại và dòng điện

• Dòng điện là dòng chuyển dịch có hướng của các hạt mang điện ( bao gồm cả điện tích dương và điện tích âm).
• Dòng điện trong kim loại là quá trình di chuyển có hướng của các electron tự do trong cấu trúc tinh thể.

Tổng kết

Qua bài viết trên, chúng tôi đã chia sẻ toàn bộ những thông tin bổ ích liên quan đến dòng điện trong kim loại cũng như những ứng dụng phổ biến của chúng. Hy vọng với những kiến thức này sẽ giúp quý khách có thêm sự hiểu biết cũng như áp dụng chúng một cách hiệu quả vào thực tiễn.

Xin cảm ơn quý khách đã bớt chút thời gian quan tâm đến bài viết của chúng tôi.