Dòng điện trong kim loại là gì? Nhận biết hiện tượng nhiệt điện

Dòng điện trong kim loại được ứng dụng cực kỳ rộng rãi vào đời sống, từ hệ thống dây dẫn điện gia đình, công nghiệp đến việc tạo ra từ trường trong động cơ. Vậy bạn có biết chi tiết về khái niệm dòng điện trong kim loại là gì? Nó có bản chất khác với dòng điện thông thường như thế nào? Những thông tin Mecsu đề cập trong bài viết dưới đây sẽ giúp bạn giải đáp toàn bộ thắc mắc.

#1 Dòng điện trong kim loại là gì?

Vậy dòng điện trong kim loại là gì? Thực chất, dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới sự tác động của điện trường.

Khi có một nguồn điện áp đặt vào hai đầu vật dẫn kim loại, các electron tự do (đang chuyển động hỗn loạn) sẽ chịu tác dụng của lực điện trường và bắt đầu dịch chuyển có hướng, tạo thành dòng điện.

Bên cạnh đó, khả năng dẫn điện (hay điện trở suất) của kim loại không phải là cố định. Hệ số nhiệt điện trở của nó sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ và độ tinh khiết (độ gia công) của vật liệu. Trong trường hợp nhiệt độ giảm đi (lạnh hơn), thì điện trở suất của kim loại sẽ bị giảm một cách liên tục (tức là dẫn điện tốt hơn).

#2 Bản chất dòng điện trong kim loại

Sau khi đã tìm hiểu về khái niệm, chúng ta cần đi sâu vào bản chất vật lý để hiểu tại sao kim loại lại dẫn điện.

Cấu trúc mạng tinh thể kim loại

Các nguyên tử kim loại ở trạng thái bình thường sẽ bị mất đi các electron hóa trị (electron lớp ngoài cùng) và chuyển hóa thành các ion dương. Các ion dương này sẽ liên kết với nhau một cách trật tự và tạo nên một mạng tinh thể trong kim loại. Các ion dương này không đứng yên mà luôn dao động xung quanh nút mạng.

Khí electron tự do

Còn các electron hóa trị sau khi bứt ra khỏi nguyên tử sẽ trở thành các electron tự do. Chúng chuyển động hỗn loạn không ngừng trong toàn bộ khối kim loại, giống như các phân tử khí, nên thường được gọi là "khí electron tự do". Mật độ của các electron tự do này là rất lớn và gần như không đổi.

Nguyên nhân gây ra điện trở

Khi có điện trường, các electron tự do sẽ dịch chuyển có hướng. Tuy nhiên, trong quá trình di chuyển, chúng sẽ va chạm với các ion dương đang dao động tại các nút mạng. Sự va chạm này làm cản trở chuyển động của electron, và đó chính là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại.

Khi nhiệt độ tăng, các ion dương dao động mạnh hơn, làm tăng tần suất va chạm với electron, dẫn đến điện trở của kim loại tăng lên.

#3 Hiện tượng nhiệt điện trong kim loại

Hiện tượng nhiệt điện là một tính chất thú vị khác của dòng điện trong kim loại. Nếu bạn thực hiện lấy 2 dây kim loại có bản chất khác nhau, sau đó hàn 2 đầu của chúng lại với nhau tạo thành một vòng kín. Nếu giữ cho một mối hàn ở nhiệt độ cao (đầu nóng) và mối hàn còn lại ở nhiệt độ thấp (đầu lạnh).

Lúc này, do sự chênh lệch nhiệt độ, hiệu điện thế giữa đầu nóng và lạnh ở từng dây sẽ có sự khác nhau. Kết quả là trong mạch kín này sẽ xuất hiện một suất điện động, gọi là suất điện động nhiệt điện, tạo ra dòng điện chạy trong mạch.

Công thức tính suất điện động nhiệt điện là:

Trong đó:

• E: Suất điện động nhiệt điện (V).
• T₁: Nhiệt độ ở đầu nóng (K).
• T₂: Nhiệt độ ở đầu lạnh (K).
• α_T: Hệ số nhiệt điện động (V/K), phụ thuộc vào vật liệu của hai dây dẫn.

Cặp dây dẫn này được gọi là cặp nhiệt điện (Thermocouple) và được ứng dụng rất phổ biến để đo nhiệt độ trong công nghiệp (lò nung, máy móc...).

#4 Phân biệt dòng điện và dòng điện trong kim loại

Vậy dòng điện trong kim loại có khác gì với khái niệm dòng điện thông thường?

• Dòng điện (nói chung): Là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. Các hạt mang điện này có thể là electron, ion dương hoặc ion âm. (Ví dụ: trong chất điện phân là dòng ion dương và ion âm; trong chất khí là dòng ion dương, ion âm và electron).
• Dòng điện trong kim loại: Là trường hợp riêng, chỉ bao gồm dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do (mang điện tích âm). Các ion dương nằm cố định tại nút mạng và không tham gia vào dòng điện.

#5 Cách tính điện trở suất kim loại theo nhiệt độ

Như đã nói, điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất tăng theo hàm bậc nhất (trong khoảng nhiệt độ không quá lớn):

Trong đó:

• ρ: Điện trở suất ở nhiệt độ t (Ω.m).
• ρ₀: Điện trở suất ở nhiệt độ t₀ (thường lấy là 20°C) (Ω.m).
• t: Nhiệt độ cần tính (°C).
• t₀: Nhiệt độ ban đầu (°C).
• α: Hệ số nhiệt điện trở (K^-1), phụ thuộc vào bản chất kim loại.

Lưu ý rằng, hệ số nhiệt điện trở α không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc cả vào độ tinh khiết và chế độ gia công của vật liệu. Kim loại càng sạch, mạng tinh thể càng đều thì độ dẫn điện càng tốt.

MUA NGAY HÀNG CÔNG NGHIỆP GIÁ TỐT TẠI MECSU

Tham khảo thêm tại Mecsu

Để hiểu rõ hơn về các khái niệm điện học và ứng dụng thực tế, anh em có thể tham khảo thêm:

• Bút thử điện là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• Dòng điện xoay chiều (AC) là gì? Phân biệt 1 pha & 3 pha
• Tín hiệu Analog là gì? Phân biệt với Digital

Những thông tin trên là tổng hợp các kiến thức cốt lõi xoay quanh dòng điện trong kim loại và các công thức tính toán liên quan. Hy vọng rằng qua bài chia sẻ này, các bạn đã hiểu rõ bản chất vật lý của dòng điện và áp dụng hiệu quả trong học tập cũng như công việc.