Chuyên đề: Dòng điện trong các môi trường

CHUYÊN ĐỀ: DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG
1. Xác định vấn đề cần giải quyết của chuyên đề:
2. Nội dung kiến thức cần xây dựng trong chuyên đề:
A. Nội dung 1:
DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
1. Bản chất của dòng điện trong kim loại
+ Trong kim loại, các nguyên tử bị mất electron hoá trị trở thành các ion dương. Các ion dương liên kết với nhau một cách có trật tự tạo thành mạng tinh thể kim loại. Các ion dương dao động nhiệt xung quanh nút mạng.
+ Các electron hoá trị tách khỏi nguyên tử thành các electron tự do với mật độ n không đổi. Chúng chuyển động hỗn loạn toạ thành khí electron tự do choán toàn bộ thể tích của khối kim loại và không sinh ra dòng điện nào.
+ Điện trường do nguồn điện ngoài sinh ra, đẩy khí electron trôi ngược chiều điện trường, tạo ra dòng điện.
+ Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại 
 Hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do. Mật độ của chúng rất cao nên chúng dẫn điện rất tốt.
 Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường .
2. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
 Điện trở suất r của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất :
r = r0(1 + a(t - t0))
 Hệ số nhiệt điện trở không những phụ thuộc vào nhiệt độ, mà vào cả độ sạch và chế độ gia công của vật liệu đó.
3. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
 Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 00K, điện trở của kim loại sạch đều rất bé.
 Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn Tc thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn.
 Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh.
B. Nội dung 2:
DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN
1. Bản chất dòng điện trong chất điện phân
 Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion trong điện trường.
 Chất điện phân không dẫn điện tốt bằng kim loại
Dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn tải cả vật chất đi theo. Tới điện cực chỉ có các electron có thể đi tiếp, còn lượng vật chất đọng lại ở điện cực, gây ra hiện tượng điện phân.
2. Các hiện tượng diễn ra ở điện cực. Hiện tượng dương cực tan
 Các ion chuyển động về các điện cực có thể tác dụng với chất làm điện cực hoặc với dung môi tạo nên các phản ứng hoá học gọi là phản ứng phụ trong hiện tượng điện phân.
 Hiện tượng dương cực tan xảy ra khi các anion đi tới anôt kéo các ion kim loại của diện cực vào trong dung dịch.
3. Các định luật Fa-ra-đây
* Định luật Fa-ra-đây thứ nhất
 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 = kq
 k gọi là đương lượng hoá học của chất được giải phóng ở điện cực.
* Định luật Fa-ra-đây thứ hai
 Đương lượng điện hoá k của một nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ , trong đó F gọi là số Fa-ra-đây.
k = 
 Thường lấy F = 96500 C/mol.
* Kết hợp hai định luật Fa-ra-đây, ta được công thức Fa-ra-đây :
m = It
 m là chất được giải phóng ở điện cực, tính bằng gam.
4. Ứng dụng của hiện tượng điện phân
 Hiện tượng điện phân có nhiều ứng dụng trong thực tế sản xuất và đời sống như luyên nhôm, tinh luyện đồng, điều chế clo, xút, mạ điện, đúc điện, 
a. Luyện nhôm
 Dựa vào hiện tượng điện phân quặng nhôm nóng chảy.
 Bể điện phân có cực dương là quặng nhôm nóng chảy, cực âm bằng than, chất điện phân là muối nhôm nóng chảy, dòng điện chạy qua khoảng 104A.
b. Mạ điện
 Bể điện phân có anôt là một tấm kim loại để mạ, catôt là vật cần mạ. Chất điện phân thường là dung dịch muối kim loại để mạ. Dòng điện qua bể mạ được chọn một cách thích hợp để đảm bảo chất lượng của lớp mạ.
C. Nội dung 3:
DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ
 1. Chất khí là môi trường cách điện
 Chất khí không dẫn điện vì các phân tử khí đều ở trạng thái trung hoà điện, do đó trong chất khí không có các hạt tải điện.
2. Sự dẫn điện trong chất khí trong điều kiện thường
Thí nghiệm cho thấy:
+ Trong chất khí cũng có nhưng rất ít các hạt tải điện.
+ Khi dùng ngọn đèn ga để đốt nóng chất khí hoặc chiếu vào chất khí chùm bức xạ tử ngoại thì trong chất khí xuất hiện các hạt tải điện. Khi đó chất khí có khả năng dẫn điện.
3. Bản chất dòng điện trong chất khí
a. Sự ion hoá chất khí và tác nhân ion hoá
 Ngọn lửa ga, tia tử ngoại của đèn thuỷ ngân trong thí nghiệm trên được gọi là tác nhân ion hoá. Tác nhân ion hoá đã ion hoá các phân tử khí thành các ion dương, ion âm và các electron tự do.
 Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường. 
 Khi mất tác nhân ion hóa, các ion dương, ion âm, và electron trao đổi điện tích với nhau hoặc với điện cực để trở thành các phân tử khí trung hoà, nên chất khí trở thành không dẫn điện,
b. Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí
 Quá trình dẫn điện của chất khí nhờ có tác nhân ion hoá gọi là quá trình dẫn điện không tự lực. Nó chỉ tồn tại khi ta tạo ra hạt tải điện trong khối khí giữa hai bản cực và biến mất khi ta ngừng việc tạo ra hạt tải điện.
 Quá trình dẫn diện không tự lực không tuân theo định luật Ôm.
4. Quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí và điều kiện để tạo ra quá trình dẫn điện tự lực
 Quá trình phóng điện tự lực trong chất khí là quá trình phóng điện vẫn tiếp tục giữ được khi không còn tác nhân ion hoá tác động từ bên ngoài.
 Có bốn cách chính để dòng điện có thể tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí:
1. Dòng điện qua chất khí làm nhiệt độ khí tăng rất cao, khiến phân tử khí bị ion hoá.
2. Điện trường trong chất khí rất lớn, khiến phân tử khí bị ion hoá ngay khi nhiệt độ thấp.
3. Catôt bị dòng điện nung nóng đỏ, làm cho nó có khả năng phát ra electron. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt electron.
4. Catôt không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào làm bật electron khỏi catôt trở thành hạt tải điện.
5. Tia lửa điện và điều kiện tạo ra tia lửa điện
a. Định nghĩa
 Tia lữa điện là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí đặt giữa hai điện cực khi điện trường đủ mạnh để biến phân tử khí trung hoà thành ion dương và electron tự do.
b. Điều kiện để tạo ra tia lữa điện
Hiệu điện thế U(V)
Khoảng cách giữa 2 cực (mm)
Cực phẵng
Mũi nhọn
20 000
6,1
15,5
40 000
13,7
45,5
100 000
36,7
220
200 000
75,3
410
300 000
114
600
c. Ứng dụng
 Dùng để đốt hỗn hợp xăng không khí trong động cơ xăng.
 Giải thích hiện tượng sét trong tự nhiên.
5. Hồ quang điện và điều kiện tạo ra hồ quang điện
a. Định nghĩa
 Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp đặt giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn.
 Hồ quang điện có thể kèn theo toả nhiện và toả sáng rất mạnh.
b. Điều kiện tạo ra hồ quang điện
 Dòng điện qua chất khí giữ được nhiệt độ cao của catôt để catôt phát được electron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt electron.
c. Ứng dụng
 Hồ quang diện có nhiều ứng dụng như hàn điện, làm đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu, 
D. Nội dung 4:
DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN
1.  Chất bán dẫn và tính chất
 Chất bán dẫn là chất có điện trở suất nằm trong khoảng trung gian giữa kim loại và chất điện môi.
 Nhóm vật liệu bán dẫn tiêu biểu là gecmani và silic.
+ Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của chất bán dẫn siêu tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh, hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm.
+ Điện trở suất của chất bán dẫn giảm rất mạnh khi pha một ít tạp chất.
2. Hạt tải điện trong chất bán dẫn, bán dẫn loại n và bán dẫn loại p
a. Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p
 Bán dẫn có hạt tải điện âm gọi là bán dẫn loại n. Bán dẫn có hạt tải điện dương gọi là bán dẫn loại p.
b. Electron và lỗ trống
 Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống. 
 Dòng điện trong bán dẫn là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường.
c. Tạp chất cho (đôno) và tạp chất nhận (axepto)
+ Khi pha tạp chất là những nguyên tố có năm electron hóa trị vào trong tinh thể silic thì mỗi nguyên tử tạp chất này cho tinh thể một electron dẫn. Ta gọi chúng là tạp chất cho hay đôno. Bán dẫn có pha đôno là bán dẫn loại n, hạt tải điện chủ yếu là electron.
+ Khi pha tạp chất là những nguyên tố có ba electron hóa trị vào trong tinh thể silic thì mỗi nguyên tử tạp chasats này nhận một electron liên kết và sinh ra một lỗ trống, nên được gọi là tạp chất nhận hay axepto. Bán dẫn có pha axepto là bán đãn loại p, hạt tải điện chủ yếu là các lỗ trống.
3. Chuẩn kiến thức, kỹ năng và một số năng có thể được phát triển:
3.1. Kiến thức:
Nêu được điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ.
Mô tả được hiện tượng nhiệt điện là gì?
Nêu được bản chất trong kim loại lầ gì?
Nêu được hiện tượng siêu dẫn là gì và ứng dụng chính của hiện tượng này.
Nêu được bản chất của dòng điện trong chất điện phân. 
Mô tả được hiện tượng dương cực tan.
Phát biểu được các định luật Fa-ra-đây về điện phân và viết được hệ thức của các định luật này.
Nêu được một số ứng dụng của hiện tượng điện phân.
Nêu được bản chất của dòng điện trong chất khí. 
Mô tả được cách tạo ra tia lửa điện. Mô tả được cách tạo hồ quang điện, nêu được các đặc điểm chính và các ứng dụng chính của hồ quang điện.
Nêu được các đặc điểm về tính dẫn điện của chất bán dẫn.
Nêu được bản chất của dòng điện trong bán dẫn loại p và bán dẫn loại n.
Mô tả được cấu tạo và tính chất chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p-n.
3.2. Kĩ năng:
+ Thu thập thông tin, khai thác, xử lí thông tin từ các nguồn tư liệu khác nhau.
+ Vận dụng thuyết electron tự do trong kim loại để giải thích được vì sao kim loại là chất dẫn điện tốt, dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại thì gây ra tác dụng nhiệt và điện trở suất của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng.
+ Vận dụng được công thức .
+ Vận dụng các định luật Fa-ra-đây để giải được các bài tập về điện phân. 
+ Giải thích được tính chất chỉnh lưu của lớp tiếp xúc p-n.
3.3. Thái độ:
+ Rèn luyện cho HS có thái độ nghiêm túc, tinh thần tự giác, tích cực trong học tập, cẩn thận trong khoa học và hứng thú học bộ môn Vật lí.
+ Có ý thức vận dụng những hiểu biết về vật lí vào đời sống thực tế. 
3.4. Năng lực có thể phát triển:
4. Tiến trình dạy học:
4.1. Nội dung 1: DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
4.1.1. Hoạt động 1: Tìm hiểu về bản chất dòng điện trong kim loại
STT
Bước
Nội dung
1
Chuyển giao nhiệm vụ
1- Các hạt tải điện trong môi trường kim loại là những loại hạt nào?
2- Tại sao gọi là các electron tự do? Khí electron tự do trong kim loại là gì?
3- Trình bày cấu tạo của mạng tinh thể kim loại? Electron trong kim loại chuyển động như thế nào khi chưa có điện trường và khi có điện trường ngoài?
4- Nguyên nhân nào gây ra điện trở trong kim loại?
2
Thực hiện nhiệm vụ
- HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu của GV.
3
Báo cáo, thảo luận
- GV yêu cầu 1 nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất.
4
Kết luận
GV kết luận nội dung
4.1.2. Hoạt động 2: Tìm hiểu về sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ , hiện tượng siêu dẫn và hiện tượng nhiệt điện
STT
Bước
Nội dung
1
Chuyển giao nhiệm vụ
Phiếu học tập 
Điện trở của kim loại phụ thuộc như thế nào khi nhiệt độ thay đổi?.......................................................................................................................................................................................................................................................................
2- Thế nào là nhiệt độ tới hạn Tc , khi nào xảy ra trạng thái siêu dẫn?....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
3- Khi nào xảy ra hiện tượng nhiệt điện? Cấu tạo của pin nhiệt điện ứng dụng?.......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... .....................................................................................................................................
5- Có thể rút ra kết luận gì về sự phụ thuộc của điện trở của kim loại vào nhiệt độ? ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... .....................................................................................................................................
- Phát phiếu học tập:
2
Thực hiện nhiệm vụ
- HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu của GV.
3
Báo cáo, thảo luận
- GV yêu cầu 1 nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất.
4
Kết luận
GV kết luận nội dung
4.2. Nội dung 2: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN
4.2.1. Hoạt động 1: Tìm hiểu về bản chất dòng điện trong chất điện phân
STT
Bước
Nội dung
1
Chuyển giao nhiệm vụ
- Cho HS xem mô phỏng ở hình 14.3 trang 80 SGK ( có đính kèm file)
2
Thực hiện nhiệm vụ
- HS theo dõi đoạn mô phỏng của GV
3
Báo cáo, thảo luận
- GV yêu cầu HS nhận xét và đề xuất.
4
Kết luận
GV kết luận nội dung
4.2.2. Hoạt động 2: Nghiên cứu các hiện tượng diễn ra ở điện cực. Hiện tượng dương cực tan
STT
Bước
Nội dung
1
Chuyển giao nhiệm vụ
Cho HS xem mô phỏng ở hình 14.4 trang 81 SGK ( có đính kèm file)
Kết hợp với phiếu học tập
2
Thực hiện nhiệm vụ
- HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu của GV.
3
Báo cáo, thảo luận
- GV yêu HS nhận xét và đề xuất.
4
Kết luận
GV kết luận nội dung
4.2.3. Hoạt động 3: Các định luật Faraday và ứng dụng
STT
Bước
Nội dung
1
Chuyển giao nhiệm vụ
Cho HS xem mô phỏng ở hình 14.4 trang 81 SGK ( có đính kèm file)
2
Thực hiện nhiệm vụ
- HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu của GV.
3
Báo cáo, thảo luận
- GV yêu HS nhận xét và đề xuất.
4
Kết luận
GV kết luận nội dung
Phiếu học tập 
Trong hiện tượng điện phân có hiện tượng gì xảy ra? Trình bày nội dung định luật Fa-ra-đây. Hiện tượng điện phân được ứng dụng như thế nào trong thực tiễn sản xuất?
1- Hiện tượng dương cực tan diễn ra ở điện cực như thế nào?(cơ chế)
..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 
2- Trình bày nội dung và công thức của định luât Fa-ra-đây?
..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
3- Nêu ứng dụng của hiện tượng điện phân?
..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
4.3. Nội dung 3: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ
4.3.1. Hoạt động 1: Tìm hiểu về chất khí và sự dẫn điện của chất khí trong điều kiện thường. Qúa trình dẫn điện tự lực trong chất khí và điều kiện tạo ra quá trình dẫn điện tự lực.
STT
Bước
Nội dung
1
Chuyển giao nhiệm vụ
- Xem thí nghiệm ảo do GV cung cấp
- HS theo dõi
2
Thực hiện nhiệm vụ
- HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu của GV.
3
Báo cáo, thảo luận
- GV yêu cầu 1 nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất.
4
Kết luận
GV kết luận nội dung
4.3.2. Hoạt động 2: Tìm hiểu về bản chất dòng điện trong chất khí
STT
Bước
Nội dung
1
Chuyển giao nhiệm vụ
- Xem thí nghiệm ảo do GV cung cấp
- HS theo dõi
2
Thực hiện nhiệm vụ
- HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu của GV.
3
Báo cáo, thảo luận
- GV yêu cầu 1 nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất.
4
Kết luận
GV kết luận nội dung
Phiếu học tập 
Quá trình phóng điện tự lực và không tự lực có gì giống và khác nhau? 
1- Thế nào là quá trình dẫn điện không tự lực và tự lực trong chất khí? Nêu sự giống và khác nhau giữa chúng?
....................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 
2- Trình bày hiện tượng nhân số hạt tải điện trong quá trình phóng điện qua chất khí?
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
4.3.3. Hoạt động 3: Phân biệt tia lửa điện và hồ quang điện. Ứng dụng
STT
Bước
Nội dung
1
Chuyển giao nhiệm vụ
Thế nào là tia lửa điện và hồ quang điện? Trình bày điều kiện tạo ra chúng, cơ chế và ứng dụng trong thực tế đời sống?
2
Thực hiện nhiệm vụ
- HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu của GV.
3
Báo cáo, thảo luận
- GV yêu cầu 1 nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất.
4
Kết luận
GV kết luận nội dung
4.4. Nội dung 4: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN
4.4.1. Hoạt động 1: Tìm hiểu về chất bán dẫn và tính chất
STT
Bước
Nội dung
1
Chuyển giao nhiệm vụ
GV cho HS quan sát mô hình chất bán dẫn. (file đính kèm)
2
Thực hiện nhiệm vụ
- HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu của GV.
3
Báo cáo, thảo luận
- GV yêu cầu 1 nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất.
4
Kết luận
GV kết luận nội dung
4.3.2. Hoạt động 2: Tìm hiểu hạt tải điện trong chất bán dẫn. Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p
STT
Bước
Nội dung
1
Chuyển giao nhiệm vụ
GV cho HS quan sát mô hình chất bán dẫn. (file đính kèm)
- Có mấy loại linh kiện bán dẫn, làm thế nào để có bán dẫn n và bán dẫn p?
2
Thực hiện nhiệm vụ
- HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu của GV.
3
Báo cáo, thảo luận
- GV yêu cầu 1 nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất.
4
Kết luận
GV kết luận nội dung
5. Kiểm tra, đánh giá:
a. Lực hấp dẫn. Định luật vạn vật hấp dẫn
BÀI TẬP ÁP DỤNG