01Kiến thức cần nhớ
1. Dòng điện và điều kiện có dòng điện
Dòng điện là dòng các hạt mang điện chuyển dời có hướng. Hạt mang điện (gọi là hạt tải điện) tuỳ môi trường:
| Môi trường | Hạt tải điện |
|---|---|
| Kim loại | electron tự do |
| Dung dịch chất điện phân | ion dương và ion âm |
| Chất khí bị ion hoá | ion dương, ion âm và electron |
| Chất bán dẫn | electron và lỗ trống |
Muốn có dòng điện kéo dài trong một vật dẫn cần hai điều kiện: có hạt tải điện tự do, và có hiệu điện thế đặt vào hai đầu vật dẫn (điện trường trong vật dẫn đẩy các hạt tải chuyển dời có hướng). Với mạch điện còn cần mạch kín: hở mạch thì dòng bằng .
Electron trong kim loại luôn chuyển động nhiệt hỗn loạn rất nhanh (cỡ ) theo mọi hướng, nên không có dòng điện. Khi có điện trường, mỗi electron chồng thêm một chuyển động trôi rất chậm theo hướng ngược điện trường. Chỉ phần trôi này mới tạo ra dòng điện.
2. Chiều quy ước của dòng điện
Chiều quy ước của dòng điện là chiều chuyển động của điện tích dương. Trong mạch kim loại, hạt tải là electron mang điện âm, nên electron trôi ngược chiều dòng điện. Ngoài nguồn điện, dòng điện đi từ cực dương sang cực âm.
Trong dung dịch điện phân, ion dương đi cùng chiều dòng điện và ion âm đi ngược chiều; cả hai đều góp phần vào dòng điện (hai phần cộng lại, không trừ nhau).
3. Cường độ dòng điện
Cường độ dòng điện cho biết điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong một đơn vị thời gian:
Đơn vị là ampe (): . Khi dòng không đổi, nên . Trên đồ thị điện lượng theo thời gian , cường độ dòng điện là độ dốc của đồ thị.
Điện lượng liên hệ với số hạt: với là độ lớn điện tích electron, nên số electron qua tiết diện . Với ion mang điện thì .
Kéo thanh I rồi bấm Chạy: các electron (chấm cyan) vừa rung nhiệt vừa trôi sang trái, ngược chiều dòng điện. Đồ thị q–t là đường thẳng và độ dốc của nó chính là cường độ dòng điện I = Δq/Δt. Số hạt vẽ ở đây chỉ để minh hoạ, số N thật là q/e.
4. Dụng cụ đo trong mạch
Ampe kế đo cường độ dòng điện, mắc nối tiếp với đoạn mạch cần đo, điện trở rất nhỏ (lí tưởng bằng ) để không làm đổi dòng. Vôn kế đo hiệu điện thế giữa hai điểm, mắc song song với đoạn mạch cần đo, điện trở rất lớn (lí tưởng bằng vô cùng) để không rút dòng. Cực của dụng cụ nối về phía cực dương của nguồn. Trong bài này và các bài sau, dụng cụ đo là lí tưởng trừ khi đề nói khác.
5. Mô hình hạt tải trôi:
Xét đoạn dây tiết diện có hạt tải tự do trong mỗi mét khối, mỗi hạt mang điện (với electron ) và trôi với tốc độ trung bình (tốc độ trôi). Trong thời gian , mọi hạt tải nằm trong đoạn dây dài phía trước tiết diện sẽ đi qua tiết diện. Thể tích đoạn đó là , nên số hạt là và điện lượng là . Suy ra
Với đồng, mỗi nguyên tử góp một electron tự do, . Cùng một dòng điện chạy trong dây, tỉ lệ nghịch với : dây càng mảnh, electron trôi càng nhanh.
Số hạt tải có trong đoạn dây dài là .
Chọn vật liệu, đổi tiết diện S và dòng I rồi bấm Đóng công tắc. Vạch vàng (điện trường) quét qua dây trong tích tắc và đèn sáng ngay, còn electron (chấm đỏ là một electron theo dõi) chỉ nhích vài phần mười milimét mỗi giây, đã vẽ phóng đại 200 lần. Dây càng mảnh, electron trôi càng nhanh.
02Tóm tắt
| Nội dung | Công thức, quy ước |
|---|---|
| Dòng điện | chuyển dời có hướng của hạt tải; cần hiệu điện thế và mạch kín |
| Chiều quy ước | chiều điện tích dương; electron trôi ngược chiều |
| Cường độ dòng điện | , |
| Số hạt | ; |
| Dụng cụ đo | ampe kế nối tiếp; vôn kế song song |
| Tốc độ trôi | , , |
03Mở rộng
Dòng điện xoay chiều và tốc độ trôi. Điện lưới là dòng xoay chiều tần số : electron chỉ dao động qua lại quanh vị trí, biên độ cỡ micrômét, và không "đi" từ nhà máy điện tới nhà ta. Năng lượng được truyền đi bởi điện từ trường quanh dây, còn electron chỉ là hạt tải.
Mật độ hạt tải của các vật liệu. Kim loại có đến . Chất bán dẫn tinh khiết có nhỏ hơn rất nhiều (cỡ với silic ở nhiệt độ phòng), nên muốn cùng dòng điện thì hạt tải phải trôi nhanh hơn nhiều so với trong kim loại.
