MỞ ĐẦU 6. Định nghĩa dòng điện Trong môi trường dẫn điện các điện tích tự do luôn luôn chuyển động hỗn loạn. Dưới tác dụng của điện trường ngoài các điện tích tự do đó sẽ chuyển động có hướng: điện tích dương chuyển động cùng chiều điện trường, đi tích âm chuyển động ngược chiều điện trường. Dòng các hạt điện tích chuyển động có hướng dưới tác dụng của điện trường gọi là dòng điện.
Theo quy ước chiều của dòng điện là chiều chuyển dời của các hạt điện tích dương hay là ngược chiều với chiều chuyển động của các hạt điện tích âm. Bản chất dòng điện trong các môi trường Bản chất dòng điện trong các môi trường khác nhau cũng khác nhau (Hình 6. Thực vậy như ta đã biết trong kim loại các nguyên tử liên kết chặt chẽ với nhau tạo thành mạng tinh thể kim loại. Các ion dương chỉ dao động xung quanh nút mạng, dòng các điện tử tự do (electron tự do) chuyển động hỗn loạn trong không gian giữa các nút mạng.
Dưới tác dụng của điện trường chính các điện tử tự do này chuyển động tạo ra dòng điện (Hình 6.1 Trái lại trong chất điện phân khi chưa có điện trường ngoài các phân tử chất điện phân do tương tác với nhau đã tự phân ly thành ion dương, ion âm. Dưới tác dụng của điện trường các ion này chuyển động tạo ra dòng điện (Hình 6. Khối lượng m của chất được giải phóng ra ở điện cực bình điện phân được tính theo công thức: 49 1 A m(g) = .1) F n Trong đó F là một hằng số gọi là số Farađây: F = 96500C/mol, A là khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực. Đối với chất khí ở trạng thái bình thường các phân tử khí hầu như đều ở trạng thái trung hoà về điện.
Tuy nhiên khi có kích thích bên ngoài các phân tử khí có thể giải phóng điện tử thành ion dương. Các điện tử được giải phóng một số ở trạng thái tự do, một số kết hợp với nguyên tử trung hoà khác thành ion âm. Khi có điện trường ngoài cả ion dương, ion âm, điện tử đều chuyển động tạo ra dòng điện (Hình 6. Chân không vốn không có hạt mang điện.
Nó chỉ dẫn được điện khi đưa electron vào. Dòng điện trong chân không là dòng chuyển dời có hướng của các electron bứt ra từ catốt bị nung nóng do tác dụng của điện trường. Đặc điểm của dòng điện trong chân không là nó chỉ chạy theo một chiều nhất định từ anôt sang catôt. Dòng điện trong bán dẫn là dòng dịch chuyển có hướng của các electron tự do và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường.
Tuỳ theo tạp chất pha vào bán dẫn tinh khiết mà bán dẫn thuộc một trong hai loại là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p. Dòng điện trong bán dẫn loại n chủ yếu là dòng electron, còn trong bán dẫn loại p chủ yếu là dòng các lỗ trống. Tác dụng của dòng điện Tuy có bản chất khác nhau nhưng dòng điện bao giờ cũng có tác dụng đặc trưng giống nhau như tác dụng nhiệt, tác dụng từ, tác dụng sinh lý, tác dụng cơ học,. Các tác dụng này được ứng dụng nhiều trong y học.
NHỮNG ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG ĐIỆN 6. Cường độ dòng điện Xét một điện tích S bất kỳ nằm trong môi trường có dòng điện chạy qua (Hình 6.2) Cường độ dòng điện qua diện tích S là đại lượng có trị số bằng điện lượng chuyển qua diện tích ấy trong một đơn vị thời gian.2) dt Từ đó suy ra điện lượng q đi qua diện tích S trong thời gian t sẽ là: t t q= ∫ dq= ∫ i.3) 0 0 Nếu i có phương chiều độ lớn không đổi theo thời gian thì dòng điện đó được gọi là dòng điện không đổi từ (2) nếu i = I = hs.4) 0 Trong hệ SI đơn vị cường độ dòng điện là Ampe (A), đơn vị diện tích q là Culông (C). Ngoài ra trong thực tế còn dùng: Kilo Ampe: 1kA = 103 A Mili Ampe: 1mA = 10-3 A Micro Ampe: 1 μ A = 10-6A 6. Véctơ mật độ dòng điện Cường độ dòng điện chỉ đặc trưng cho độ mạnh yếu của dòng điện qua một diện tích nào đó, chưa đặc trưng cho độ mạnh yếu của dòng điện tại từng điểm trong môi trường, ngoài ra cường độ dòng điện còn chưa cho ta biết phương, chiều các dòng điện.
Vì vậy, ngoài cường độ dòng điện người ta còn dùng một đại lượng vật lý khác để đặc trưng cho dòng điện đó là vectơ mật độ dòng điện. Định nghĩa G Véctơ mật độ dòng điện j tại một điểm M trong môi trường có dòng điện là một vectơ có gốc tại M, có phương chiều là phương chiều của điện tích dương chuyển động qua điểm đó, có độ lớn bằng cường độ dòng điện qua một đơn Hình 6.3 vị diện tích đặt vuông góc với phương chuyển động ấy.3) Về độ lớn ta có: dI j= (6.5) dSn Từ (4) ta suy ra cường độ dòng điện qua diện tích vuông góc Sn là: 51 I= ∫ dI= ∫ j.6) Sn Sn Nếu trên cả mặt Sn mà j = const .Sn Để tính cường qua điện tích S bất kỳ ta phải chia diện tích S đó thành những phần tử dS. Sao cho trên dS, j không đổi. Gọi dSn là hình chiếu dS trên phương G vuông góc với j ; thì rõ ràng cường độ dòng điện qua dSn cũng bằng cường độ qua dS.cos α = jn G G G jn là hình chiếu của j trên pháp tuyến n của dS.
Nên dựng dS là một vectơ G có phương pháp tuyến n , có độ lớn bằng giá trị của dS. Theo toán học ta có: G G dI= j.7) s s G Trong hệ SI đơn vị của j là: A/m2 6. Sự liên hệ giữa véctơ mật độ dòng điện và véctơ vận tốc của các điện tích chuyển động Nếu gọi n0 là mật độ điện tích tự do q là độ lớn mỗi hạt điện tích, v là độ lớn vận tốc mỗi hạt thì j, n0, q , v có mối liên hệ với nhau. Thực vậy trong một đơn vị thời gian số hạt điện tích đi qua dSn sẽ là: dn = n0.dSn Do đó cường độ dI qua dSn sẽ là: dI= n 0 .5 Ta có thể biểu diễn dưới dạng tổng quát như sau: G G j = n 0 .8) Dễ dàng nhận thấy (7) đúng cho cả hạt mang điện tích dương và điện tích âm.
52 G G Thật vậy: q > 0 → j cùng chiều v G G q < 0 → j ngược chiều v 53 Chương 7 TỪ TRƯỜNG DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI 7. Thí nghiệm về tương tác từ của dòng điện Ta đã biết xung quanh một nam châm xuất hiện một từ trường. Nhờ từ trường mà các nam châm tương tác được với nhau (các cực cùng dấu đẩy nhau, khác dấu hút nhau). Tương tác của nam châm với nhau gọi là tương tác từ.
Các thí nghiệm sau đây cũng chứng tỏ dòng điện cũng có từ tính như nam châm, nghĩa là xung quanh dòng điện cũng xuất hiện một từ trường.Thí nghiệm 1: Đặt một kim nam châm tự do thì kim nam châm luôn luôn chỉ theo hướng Bắc Nam. Căng một sợi dây dẫn sao cho phương của sợi dây song song với trục của nam châm (hình 7. Nếu cho dòng điện không đổi đi qua sợi dây thì kim nam châm bị quay đi 1 góc (hình 7. Thí nghiệm 2 Đưa nam châm thẳng vào gần một ống dây dẫn có dòng điện chạy thì thấy nam châm có thể hút hoặc đẩy ống dây đó (hình 7.
Thí nghiệm 3 Hình 7.2 Có hai dây dẫn đặt song song với nhau. Nếu cho dòng điện chạy qua hai dây dẫn đó cùng chiều thì thấy hai dây dẫn đó hút nhau, nếu dòng điện chạy ngược chiều thì hai dây dẫn đó đẩy nhau. Kết luận Qua nhiều thí nghiệm chứng tỏ nam châm tác dụng lên nam châm cũng giống như dòng điện tác dụng lên nam cham, hay nam châm tác dụng lên dòng điện hoặc dòng điện Hình 7.3 tác dụng lên dòng điện. 54 Vậy xung quanh nam châm và xung quanh dây dẫn có dòng điện chạy qua đều xuất hiện một từ trường.
Tương tác giữa nam châm với nam châm, dòng điện với dòng điện, hay giữa nam châm với dòng điện đều có cùng bản chất được gọi là tương tác từ. Định luật ampe (amper) về tương tác từ của dòng điện 7. Phần tử dòng điện Trên một dây dẫn có dòng điện I chạy qua nếu ta thấy một đoạn nhỏ MN, MN coi là thẳng, thì phần tử dòng điện MN được JG JG định nghĩa là: I. dl trong đó dl là véctơ có độ dài MN, có chiều là chiều dòng điện I chạy trong dây dẫn (Hình 7.
Định luật Ampe 7. Trong chân không. Giả sử trong chân không có 2 dòng điện I, I0. Trên dây dẫn có cường độ I, tại JG O ta thấy phần tử dòng điện I.
dl , trên dây dẫn có cường độ I0 ta lấy phần tử dòng điện I0 ta lấy JJG phần tử dòng điện I0. dl0 tại điểm M. Kẻ vectơ G JJJJG r = OM. JG G Dựng mặt phẳng P chứa I.
Tại G M kẻ pháp tuyến n với mặt phẳng P sao cho JG G G thứ tự 3 véctơ I. dl , r , n lập thành một tam Hình 7. JG G JJG G Gọi θ góc giữa I. dl và r , θ 0 là góc giữa I0.
dl0 và n (Hình 7.5) JG JJG Qua thực nghiệm chứng tỏ lực tác dụng của phần tử I. dl lên phần tử I0. dl0 là JJJG một lực dF0. JJG G - Có phương vuông góc với phần tử I0.
dl0 và vuông góc với n. JJG G JJJG - Có chiều sao cho thứ tự ba vectơ I0. dl0 , n và dF0 lập thành tam diện thuận.1) r2 55 μ0 K: là hệ số tỷ kệ trong hệ SI: K =. 4π H μ 0 được gọi là hằng số từ có giá trị: μ 0 = 4π.
m Ta có thể biểu diễn bằng biểu thức toán học tổng quát như sau: G G JJJG μ (I .dl ∧ Gr) dF0 = 0. Trong các môi trường Thực nghiệm cũng chứng tỏ, hai phần tử dòng điện nếu đặt trong môi trường, cùng khoảng cách so với khi chúng đặt trong chân không thì lực tác dụng sẽ thay đổi μ lần. JJG JJJG dF = μ.3) μ được gọi là độ từ thẩm của môi trường. Nếu μ >1 thì môi trường đó gọi là chất thuận từ.
μ <1 thì được gọi là môi trường nghịch từ. Và định luật Ampe được viết tổng quát cho các môi trường là: G G JJG μ.4) 4π r3 Nhận xét: địnhluật Ampe là định luật cơ bản của tương tác từ.