Vật lí 11 BÀI 13: DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI

[Elishuchi]

[TẶNG BẠN] TRỌN BỘ Bí kíp học tốt 08 môn
Chắc suất Đại học top - Giữ chỗ ngay!!

ĐĂNG BÀI NGAY để cùng trao đổi với các thành viên siêu nhiệt tình & dễ thương trên diễn đàn.

VẬT LÍ 11​

BÀI 13: DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI​

A. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM​

1. Bản chất của dòng điện trong kim loại​

+ Bản chất của dòng điện trong kim loại được nêu rõ trong một lí thuyết tổng quát gọi là thuyết êlectron về tính dẫn điện của kim loại, thuyết đó có nội dung như sau:

1. Trong kim loại các nguyên tử bị mất êlectron hóa trị trở thành ion dương. Kim loại có cấu trúc mạng tinh thể kim loại nhờ sự sắp xếp các ion dương. Các ion dương chuyển động nhiệt (dao động) quanh vị trí cân bằng của chúng. Nhiệt độ càng cao thì các ion dương dao động càng mạnh.
2. Các êlectron hóa trị tách khỏi kim loại trở thành êlectron tự do với mật độ không đổi; chuyển động hỗn loạn và không sinh ra dòng điện nào (còn được gọi là khí êlectron tự do).
3. Điện trường [imath]\overrightarrow{E}[/imath] do nguồn điện ngoài sinh ra đẩy khí êlectron trôi ngược chiều điện trường tạo ra dòng điện.
4. Sự mất trật tự của mạng tinh thể cả trở chuyển động của êlectron tự do.
5. Hạt tải điện trong kim loại là êlectron tự do. Trong kim loại, mật độ êlectron tự do rất cao nên chúng dẫn điện tốt.

Kết luận: Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các êlectron tự do dưới tác dụng của điện trường.

2. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại vào nhiệt độ​

• Điện trở suất là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của mỗi chất. Chất có điện trở suất thấp sẽ dễ dàng cho dòng điện truyền qua (chất dẫn điện) và chất có điện trở suất lớn sẽ có tính cản trở dòng điện lớn (chất cách điện). Điện trở suất nói lên tính cản trở sự chuyển dời có hướng của các hạt mang điện của mỗi chất. Đơn vị: [imath]\Omega.m.[/imath]
• Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại vào nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất:

[imath]\rho = \rho _0.[1+ \alpha.(t − t_0)][/imath]

Trong đó:

[imath]\rho, \rho_0[/imath] lần lượt là điện trở suất của kim loại ở nhiệt độ [imath]t, t_0.[/imath]

[imath]\alpha:[/imath] hệ số nhiệt điện trở [imath](K^{-1}).[/imath]

3. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn​

• Khi nhiệt độ giảm, mạng tinh thể càng bớt mất trật tự nên điện trở suất của kim loại càng giảm.
• Một số kim loại như [imath]Hg, Pb, ...[/imath] một số hợp kim [imath]Nb_3Ge, Nb_3Sn,..[/imath] và một số oxit kim loại khi ở nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ [imath]T_c[/imath] tới hạn nào đó thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng [imath]0[/imath] ta nói rằng vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn.
• Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng điện trở suất của một số chất giảm đột ngột bằng [imath]0[/imath] khi nhiệt độ giảm xuống đến một giá trị tới hạn.

4. Hiện tượng nhiệt điện​

Hiện tượng nhiệt điện là hiện tượng xuất hiện dòng điện khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu dây dẫn. Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau được hàn dính một đầu gọi là đầu nóng (đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (đầu chuẩn). Khi có sự chênh lệnh nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ xuất hiện một suất điện động nhiệt điện. Suất điện động nhiệt điện khi chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng là đầu lạnh là: [imath]\varepsilon = \alpha_T.(T_1 − T_2)[/imath] với [imath]\alpha_T[/imath] là hệ số nhiệt động.

B. GIẢI CÂU HỎI SÁCH GIÁO KHOA​

Câu C1 :​

Vì sao người ta chọn dây bạch kim để làm nhiệt kế điện trở dùng trong công nghiệp?

Trả lời:
Người ta chọn dây bạch kim để làm nhiệt kế điện trở dùng trong công nghiệp chủ yếu vì bạch kim có điện trở suất tương đối lớn, có nhiệt độ nóng chảy cao và không bị ôxi hóa ở nhiệt độ cao.

Câu C2 :​

Vì sao dòng điện chạy trong cuộn dây siêu dẫn không có nguồn điện lại có thể duy trì lâu dài ? Có thể dùng dòng điện ấy làm cho động cơ chạy mãi được không?

Trả lời:

• Dòng điện chạy trong cuộn dây siêu dẫn không có nguồn điện lại có thể duy trì lâu dài vì cuộn dây siêu dẫn có điện trở bằng không, năng lượng không bị tiêu hao.
• Về nguyên tắc, có thể dùng dòng điện ấy làm cho động cơ chạy mãi. Nhưng thực tế, không thể tạo được vật liệu có điện trở hoàn toàn bằng không. Mặt khác trong động cơ ngoài việc mất mát năng lượng do tỏa nhiệt còn có sự mất mát năng lượng dưới các dạng khác như bức xạ điện từ hay dòng Fu-cô…..Vì vậy. không thể dùng dòng điện ấy làm cho động cơ chạy mãi.

Chúc các bạn học tốt!
Xem thêm kiến thức tại
BÀI 5: ĐIỆN THẾ. HIỆU ĐIỆN THẾ
BÀI 6: TỤ ĐIỆN

 

[Elishuchi]

C. BÀI TẬP SGK​

Bài 1 :​

Hạt tải điện trong kim loại là loại êlectron nào? Mật độ của chúng vào cỡ nào?

Lời giải:
Hạt tải điện trong kim loại là êlectron tự do. Mật độ của chúng vào cỡ [imath]10^{28} (m^{-3}).[/imath]

Bài 2 :​

Vì sao điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng?

Lời giải:
Khi nhiệt độ tăng, các ion kim loại ở nút mạng tinh thể dao động mạnh. Do đó độ mất trật tự của mạng tinh thể kim loại tăng làm tăng sự cản trở chuyển động của êlectron tự do. Vì vậy. khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất của kim loại tăng, điện trở của kim loại tăng.

Bài 3 :​

Điện trở của kim loại thường và siêu dẫn khác nhau như thế nào?

Lời giải:
Khi nhiệt độ giảm thì điện trở suất của kim loại thường sẽ giảm đều theo hàm bậc nhất đối với nhiệt độ: [imath]\rho = \rho _0.[1 + \alpha.(t – t_0)][/imath]
Còn đối với chất siêu dẫn thì khi nhiệt độ giảm xuống thấp hơn nhiệt độ tới hạn [imath]T_C[/imath] thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng không

Bài 4 :​

Do đâu mà trong cặp nhiệt điện có suất điện động?

Lời giải:

• Cặp nhiệt điện gồm hai dây dẫn điện có bản chất khác nhau hàn nối với nhau thành một mạch kín và hai mối hàn của nó được giữ ở hai nhiệt độ khác nhau.
• Do mật độ êlectron tự do ở mỗi kim loại khác nhau nên tại mối hàn sẽ tồn tại một hiệu điện thế.
• Vì hai mối hàn của nó được giữ ở hai nhiệt độ khác nhau , khi đó chuyển động nhiệt của các hạt tải điện ở hai đầu không giống nhau, làm cho hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh của từng dây khác nhau, khiến trong mạch có suất điện động ℰ, gọi là suất nhiệt điện động.

Bài 5 :​

Phát biểu nào là chính xác?
Các kim loại đều

[imath]A.[/imath] dẫn điện tố,có điện trở suất không thay đổi.
[imath]B.[/imath] dẫn điện tốt, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ .
[imath]C.[/imath] dẫn điện tốt như nhau, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ
[imath]D.[/imath] dẫn điện tốt, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ giống nhau.

Lời giải: Chọn [imath]B.[/imath]

Các kim loại đều dẫn điện tốt, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ.

Bài 6 :​

Phát biểu nào là chính xác?
Hạt tải điện trong kim loại là

[imath]A.[/imath] các êlectron của nguyên tử.
[imath]B.[/imath] êlectron ở lớp trong cùng của nguyên tử.
[imath]C.[/imath] các êlectron hóa trị đã bay tụ do ra khỏi tinh thể.
[imath]D.[/imath] các êlectron hóa trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể.

Lời giải: Chọn [imath]D.[/imath]
Hạt tải điện trong kim loại là các êlectron hóa trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể.

Bài 7 :​

Một bóng đèn [imath]220 V-100 W[/imath] khi sáng bình thường thì nhiệt độ của dây tóc đèn là [imath]2000^oC[/imath]. Xác định điện trở của đèn khi thắp sáng và khi không thắp sáng, biết răng nhiệt độ môi trường là [imath]20^oC[/imath] và dây tóc đèn làm bằng vonfam.

Lời giải:

Từ [imath]P=U.I=\dfrac{U^2}{R}[/imath] ta thu được điện trở của bóng đèn khi đèn sáng bình thường ứng với nhiệt độ [imath]t_2 = 2000^oC[/imath] là:
[imath]R_{t_2}=\dfrac{U^2}{P}=\dfrac{220^2}{100}=484\Omega .[/imath]
Mặt khác từ [imath]R_{t_2}=R_{t_1}[1+\alpha(t_2−t_1)][/imath] ta rút ra điện trở của bóng ở nhiệt độ bình thường
[imath]t_1 = 220^oC là: R_{t_1}=R_{t_2}[1+\alpha(t_2−t_1)]=\dfrac{484} {[1+4,5.10^{−3}.(2000−22)]}=48,9\Omega .[/imath]

Bài 8 :​

Khối lượng mol nguyên tử của đồng là [imath]64.10^{-3} kg/mol[/imath]. Khối lượng riêng của đồng là [imath]8,9.10^3kg/m^3[/imath]. Biết rằng mỗi nguyên tử đồng đóng góp một êlectron dẫn.
a) Tính mật độ êlectron tự do trong đồng.
b) Một dây tải điện bằng đồng, tiết diện [imath]10mm^2[/imath] mang dòng điện [imath]10 A[/imath]. Tính tốc độ trôi của êlectron dẫn trong dây dẫn đó.

Lời giải:
a) Ta xét [imath]1 mol[/imath] đồng:
Vì mỗi nguyên tử đồng đóng góp một êlectron dẫn nên số electron tự do trong [imath]1mol[/imath] đồng là:
[imath]N_e = N_A = 6,02.10^{23}[/imath] hạt
Khối lượng mol nguyên tử của đồng là
[imath]m = 64.10^{-3} kg/mol[/imath]
Thể tích của 1 mol đồng là:
[imath]V=\dfrac m D=\dfrac{64.10^{−3}}{8,9.10^3}=7,19.10^{−6} m^3[/imath]
Mật độ êlectron tự do trong đồng bằng mật độ nguyên tử đồng:
[imath]n_e=N_e V=6,02⋅10^{23}7,19.10^{−6}≈8,37.10^{28}(m^{−3})[/imath]
b) Coi dây tải hình trụ có tiết diện
[imath]S = 10 mm^2 = 10.10^{-6} (m^2).[/imath]
Thể tích của 1 mol đồng là V (m3) thì chiều dài sợi dây là
[imath]l=\dfrac V S[/imath]
Lượng điện tích chạy qua sợi dây trong thời gian [imath]\Delta t[/imath] là: [imath]\Delta q = N_e.e (e[/imath] là điện tích của 1 electron[imath])[/imath]
Cường độ dòng điện qua sợi dây là:
[imath]I=\dfrac{\Delta q}{\Delta t}=\dfrac {N_e.e}{\Delta t}\to \Delta t=\dfrac{N_e.e}{I}[/imath]
Gọi [imath]v[/imath] là vận tốc trôi của êlectron dẫn trong dây dẫn (vận tốc cuốn của êlectron theo điện trường)
[imath]v=\dfrac l {\Delta t}=\dfrac{\dfrac V S}{ \dfrac{N_e.e}{I} }=\dfrac{V.I}{e.N_e.S}=\dfrac{7,19.10^{−6}.10}{1,6.10^{−19}.6,02.10^{23}.10.10^{−6}}≈7,46.10^{−5}m/s[/imath]

Bài 9 :​

Để mắc đường dây tải điện từ địa điểm [imath]A[/imath] đến địa điểm [imath]B[/imath], ta cần [imath]1000 kg[/imath] dây đồng. Muốn thay dây đồng bằng dây nhôm mà vẫn đảm bảo chất lượng truyền điện, ít nhất phải dùng bao nhiêu kg dây nhôm ? Cho biết khối lượng riêng của đồng là [imath]8900 kg/m^3[/imath], của nhôm là [imath]2700 kg/m^3.[/imath]

Lời giải:
Để đảm bảo chất lượng đường truyền thì điện trở của hai dây dẫn phải bằng nhau

Chúc các bạn học tốt!
Xem thêm kiến thức tại
BÀI 5: ĐIỆN THẾ. HIỆU ĐIỆN THẾ
BÀI 6: TỤ ĐIỆN

 

[Elishuchi]

D. GIẢI BÀI TẬP SBT​

Bài 13.1 : Câu nào dưới đây nói về tính chất điện của kim loại là không đúng ?

[imath]A.[/imath] Kim loại là chất dãn điện.
[imath]B.[/imath] Kim loại có điện trở suất khá lớn, lớn hơn [imath]10^7 \Omega .m[/imath]
[imath]C.[/imath] Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ.
[imath]D.[/imath] Cường độ dòng điện chạy qua dây kim loại tuân theo định luật Ôm khi nhiệt độ của dây kim loại thay đổi không đáng kể.

Lời giải:Đáp án [imath]B[/imath]
Kim loại có điện trở suất nhỏ, nhỏ hơn [imath]10^{-7}\Omega .m[/imath]



Bài 13.2 : Câu nào dưới đây nói về hiện tượng nhiệt điện là không đúng ?

A. Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau có hai đầu hàn nối với nhau. Nếu giữ hai mối hàn này ở hai nhiệt độ khác nhau [imath](T_1 \neq T_2)[/imath] thì bên trong cặp nhiệt điện sẽ xuất hiện một suất điện động nhiệt điện.
B. Độ lớn của suất điện động nhiệt điện trong cặp nhiệt điện chỉ phụ thuộc nhiệt độ của mối hàn nóng có nhiệt độ cao hơn.
C. Độ lớn của suất điện động nhiệt điện trong cặp nhiệt điện tỉ lệ với hiệu nhiệt độ [imath](T_1 - T_2)[/imath] giữa hai mối hàn nóng và lạnh.
D. Cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để làm nhiệt kế đo nhiệt độ.

Lời giải:Đáp án [imath]B[/imath]
Suất điện động nhiệt điện: [imath]E=\alpha_T(T_1−T_2)[/imath] với [imath]\alpha_T[/imath] là hệ số nhiệt điện trở, [imath]T_1, T_2[/imath] là nhiệt độ hai đầu mối hàn nên độ lớn suất điện động phụ thuộc vào hiệu số giữa [imath]T_1[/imath] và [imath]T_2[/imath]

Bài 13.3 : Hai cặp nhiệt điện đồng - constantant và sắt - constantan có hệ số nhiệt điện động tương ứng là [imath]\alpha_1 = 42,5 \mu V/K,\alpha_2 = 52 \mu V/K[/imath]. Hiệu nhiệt độ ở đầu nóng và đầu lạnh của cặp đồng - constantan lớn hơn 5,2 lần hiệu nhiệt độ đầu nóng và đầu lạnh của cặp sắt - constantan. So sánh các suất điện động nhiệt điện [imath]E_1[/imath] và [imath]E_2[/imath] trong hai cặp nhiện điện này?

[imath]A. E_1 = 4,25E_2[/imath]
[imath]B. E_2 = 4,25E_1[/imath]
[imath]C. E_1=\dfrac{42,5}{52}E_2[/imath]
[imath]D. E_2=\dfrac{42,5}{52}E_1[/imath]

Lời giải:Đáp án [imath]A[/imath]
Suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện đồng - constantant là:
[imath]E_1=\alpha_1\Delta T_1(1)[/imath]
Suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện sắt – constantan là:
[imath]E_2=\alpha_2\Delta T_2(2)[/imath]
Chia vế với vế (1) cho (2) ta được: [imath]\dfrac{E_1}{E_2}=\dfrac{\alpha_1\Delta T_1}{\alpha_2\Delta T_2}[/imath]
Với [imath]\Delta T_1 = 5,2\Delta T_2 ; \alpha_1 = 42,5 \mu V/K, \alpha_2 = 52 μV/K \to E_1 = 4,25(V)[/imath]

Bài 13.9 : Cặp nhiệt điện sắt - constantan có hệ số nhiệt điện động là [imath]52 \mu V/K[/imath] và điện trở trong [imath]r = 0,5 \Omega[/imath]. Nối cặp nhiệt điện này với điện kế [imath]G[/imath] có điện trở trong là [imath]20 \Omega[/imath]. Đặt một mối hàn của cặp nhiệt điện này trong không khí ở [imath]20^oC[/imath] và nhúng mối hàn thứ hai vào trong lò điện có nhiệt độ [imath]620^oC.[/imath] Xác định cường độ dòng điện chạy qua điện kế G.

Lời giải:
Suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện sắt - constantan :
[imath]E = \alpha_T(T_1 - T_2) = 52.10^{-6}(620 - 20) = 31,2(mV)[/imath]
Cường độ dòng điện chạy qua điện kế [imath]G[/imath] là:
[imath]I=\dfrac{E}{R_G+r}=1,52(mA)[/imath]

Bài 13.10 : Khi "Khảo sát hiện tượng nhiệt điện", các kết quả đo giá trị suất điện động nhiệt điện [imath]E[/imath] và hiệu nhiệt độ [imath](T_1 - T_2)[/imath] tương ứng giữa hai mối hàn của cặp nhiệt điện sắt - constantan được ghi trong bảng số liệu dưới đây :

[imath]T_1 - T_2 (K)[/imath]	[imath]0[/imath]	[imath]10[/imath]	[imath]20[/imath]	[imath]30[/imath]	[imath]40[/imath]	[imath]50[/imath]	[imath]60[/imath]	[imath]70[/imath]
[imath]E(mV)[/imath]	[imath]0[/imath]	[imath]0,52[/imath]	[imath]1,05[/imath]	[imath]1,56[/imath]	[imath]2,07[/imath]	[imath]2,62[/imath]	[imath]3,1[/imath]	[imath]3,64[/imath]

Dựa vào bảng số liệu này, hãy vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của suất điện động nhiệt điện vào hiệu nhiệt độ giữa hai mối hàn của cặp nhiệt điện sắt - constantan được khảo sát ở trên, từ đó xác định hệ số nhiệt điện động của cặp nhiệt này.

Lời giải:

Đồ thị bên biểu diễn sự phụ thuộc của suất điện động nhiệt điện [imath]E[/imath] vào hiệu nhiệt độ [imath](T_1 - T_2)[/imath] giữa hai mối hàn của cặp nhiệt điện sắt - constantan có dạng một đường thẳng. [imath]E = \alpha_T(T_1- T_2)[/imath] trong đó [imath]\alpha_T[/imath] gọi là hộ số nhiệt điện động (hay hằng số cặp nhiệt điện). Từ đồ thị bên, ta suy ra giá trị của hệ số suất điện động nhiệt điện: [imath]\alpha_T=tan\beta =\dfrac{MH}{AH}=\dfrac{3,64}{70}=0,052mV/K=52\mu V/K[/imath]

Chúc các bạn học tốt!
Xem thêm kiến thức tại
BÀI 5: ĐIỆN THẾ. HIỆU ĐIỆN THẾ
BÀI 6: TỤ ĐIỆN