ican
Vật lý 11
Bài 13: Dòng điện trong kim loại

DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI

Vật Lý 11 bài Dòng điện trong kim loại: Lý thuyết trọng tâm, giải bài tập sách giáo khoa Dòng điện trong kim loại: giúp học sinh nắm vững kiến thức ngắn gọn.

Ican

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 \(\overrightarrow E \) 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: Ωm.
  • Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại vào nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất:

ρ = ρ0.[1+ α.(t − t0)]

Trong đó:

ρ, ρ0 lần lượt là điện trở suất của kim loại ở nhiệt độ t, t0.

α: hệ số nhiệt điện trở (K-1).

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 Hg, Pb, ... một số hợp kim Nb3Ge, Nb3Sn,.. và một số oxit kim loại khi ở nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ Tc tới hạn nào đó thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0 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 0 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:

ℰ = αT.(T1 − T2) với αT là hệ số nhiệt động.

B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP

Dạng 1. Sự phụ thuộc điện trở, điện trở suất của kim loại vào nhiệt độ

  • Điện trở suất \({\rho _t}\) của kim loại phụ thuộc nhiệt độ t theo biểu thức:

\({{\rho }_{t}}={{\rho }_{0}}\left[ 1+\alpha \left( t-{{t}_{0}} \right) \right];\)

Trong đó: α là hệ số nhiệt điện trở (K-1).

r0 là điện trở suất ở t0 (oC), thường t0 = 20oC (có đơn vị \(\Omega m\)).

  • Điện trở ở nhiệt độ t được xác định: \({{R}_{t}}={{R}_{0}}\left[ 1+\alpha \left( t-{{t}_{0}} \right) \right].\)
  • Để tìm các đại lượng liên quan đến sự phụ thuộc của điện trở suất hay điện trở của dây dẫn kim loại vào nhiệt độ, ta viết biểu thức liên quan giữa những đại lượng đã biết và những đại lượng cần tìm, từ đó suy ra và tính được đại lượng cần tìm.

Dạng 2. Suất điện động nhiệt điện

  • Cặp nhiệt điện là hai dây kim loại khác bản chất, hai đầu hàn vào nhau.
  • Khi nhiệt độ hai mối hàn T1, T2 khác nhau, trong mạch xuất hiện suất điện động nhiệt điện:

ℰ = αT.(T1 − T2)

Trong đó: \({{\alpha }_{T}}\) (V.K-1) là hệ số nhiệt điện động phụ thuộc vào bản chất hai loại vật liệu làm cặp nhiệt điện. T1 và T2 (K) là nhiệt độ tuyệt đối của đầu nóng và đầu lạnh.

  • Chú ý: T = 273 + t0C nên \(({{T}_{1}}-{{T}_{2}})=\left[ {{t}_{1}}+273-\left( {{t}_{2}}+273 \right) \right]=\left( {{t}_{1}}-{{t}_{2}} \right).\)

C. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Câu C1 (trang 75 SGK Vật Lí 11):

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 (trang 76 SGK Vật Lí 11):

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.

D. CÂU HỎI – BÀI TẬP

Bài 1 (trang 78 SGK Vật Lí 11):

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 1028 (m-3).

Bài 2 (trang 78 SGK Vật Lí 11):

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 (trang 78 SGK Vật Lí 11):

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: ρ = ρ0.[1 + α.(t – t0)]

Còn đối với chất siêu dẫn thì khi nhiệt độ giảm xuống thấp hơn nhiệt độ tới hạn TC thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng không

Bài 4 (trang 78 SGK Vật Lí 11):

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 (trang 78 SGK Vật Lí 11):

Phát biểu nào là chính xác?

Các kim loại đều

A. dẫn điện tố,có điện trở suất không thay đổi.

B. dẫn điện tốt, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ .

C. dẫn điện tốt như nhau, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ

D. dẫn điện tốt, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ giống nhau.

Lời giải: Chọn B.

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

Bài 6 (trang 78 SGK Vật Lí 11):

Phát biểu nào là chính xác?

Hạt tải điện trong kim loại là

A. các êlectron của nguyên tử.

B. êlectron ở lớp trong cùng của nguyên tử.

C. các êlectron hóa trị đã bay tụ do ra khỏi tinh thể.

D. các êlectron hóa trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể.

Lời giải: Chọn D.

Hạt tải điện trong kim loại là các êlectron hóa trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể.

Bài 7 (trang 78 SGK Vật Lí 11):

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

Lời giải:

Từ \(P=U.I=\frac{{{U}^{2}}}{R}\) ta thu được điện trở của bóng đèn khi đèn sáng bình thường ứng với nhiệt độ t2 = 2000°C là: \({{R}_{{{t}_{2}}}}=\frac{{{U}^{2}}}{P}=\frac{{{220}^{2}}}{100}=484\,\Omega .\)

Mặt khác từ \({{R}_{{{t}_{2}}}}={{R}_{{{t}_{1}}}}\left[ 1+\alpha \left( {{t}_{2}}-{{t}_{1}} \right) \right]\) ta rút ra điện trở của bóng ở nhiệt độ bình thường

t1 = 220C là: \({{R}_{{{t}_{1}}}}=\frac{{{R}_{{{t}_{2}}}}}{\left[ 1+\alpha \left( {{t}_{2}}-{{t}_{1}} \right) \right]}=\frac{484}{\left[ 1+{{4,5.10}^{-3}}.\left( 2000-22 \right) \right]}=48,9\,\Omega .\)

Bài 8 (trang 78 SGK Vật Lí 11):

Khối lượng mol nguyên tử của đồng là 64.10-3 kg/mol. Khối lượng riêng của đồng là 8,9.103kg/m3. 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 10mm2 mang dòng điện 10 A. Tính tốc độ trôi của êlectron dẫn trong dây dẫn đó.

Lời giải:

a) Ta xét 1 mol đồng:

Vì mỗi nguyên tử đồng đóng góp một êlectron dẫn nên số electron tự do trong 1 mol đồng là:

Ne = NA = 6,02.1023 hạt

Khối lượng mol nguyên tử của đồng là m = 64.10-3 kg/mol

Thể tích của 1 mol đồng là: \(\text{V}=\frac{\text{m}}{\text{D}}=\frac{{{64.10}^{-3}}}{{{8,9.10}^{3}}}={{7,19.10}^{-6}}~{{\text{m}}^{3}}\)

Mật độ êlectron tự do trong đồng bằng mật độ nguyên tử đồng: \({{\text{n}}_{\text{e}}}=\frac{{{\text{N}}_{e}}}{~\text{V}}=\frac{6,02\cdot {{10}^{23}}}{{{7,19.10}^{-6}}}\approx {{8,37.10}^{28}}\,\,{{\text{m}}^{-3}}\)

b) Coi dây tải hình trụ có tiết diện S = 10 mm2 = 10.10-6 m2.

Thể tích của 1 mol đồng là V (m3) thì chiều dài sợi dây là \(\ell =\frac{V}{S}\)

Lượng điện tích chạy qua sợi dây trong thời gian Δt là: Δq = Ne.e (e là điện tích của 1 electron)

Cường độ dòng điện qua sợi dây là: \(\text{I}=\frac{\Delta \text{q}}{\Delta \text{t}}=\frac{{{\text{N}}_{\text{e}}}\text{.e}}{\Delta \text{t}}\to \Delta \text{t}=\frac{{{\text{N}}_{\text{e}}}.\text{e}}{\text{I}}\)

Gọi v là vận tốc trôi của êlectron dẫn trong dây dẫn (vận tốc cuốn của êlectron theo điện trường)

\(\text{v}=\frac{\ell }{\Delta t}=\frac{\frac{\text{V}}{\text{S}}}{\frac{{{\text{N}}_{\text{e}}}\text{.e}}{\text{I}}}=\frac{\text{V}.\text{I}}{\text{e}.{{\text{N}}_{\text{e}}}.\text{S}}=\frac{{{7,19.10}^{-6}}.10}{{{1,6.10}^{-19}}{{.6,02.10}^{23}}{{.10.10}^{-6}}}\approx {{7,46.10}^{-5}}\,\,\text{m}/\text{s}\)

Bài 9 (trang 78 SGK Vật Lí 11):

Để mắc đường dây tải điện từ địa điểm A đến địa điểm B, ta cần 1000 kg 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 8900 kg/m3, của nhôm là 2700 kg/m3.

Lời giải:

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

\(\frac{{{\rho }_{Al}}}{{{\rho }_{Cu}}}~=\frac{{{S}_{Al}}}{{{S}_{Cu}}}~=\frac{\frac{{{m}_{Al}}}{{{D}_{Al}}.\ell }}{\frac{{{m}_{Cu}}}{{{D}_{Cu}}.\ell }}=\frac{{{m}_{Al}}.{{D}_{Cu}}}{{{m}_{Cu}}.{{D}_{Al}}}\Rightarrow {{\text{m}}_{\text{Al}}}=\frac{{{\text{D}}_{Al}}}{{{\text{D}}_{\text{Cu}}}}\cdot \frac{{{\rho }_{Al}}}{{{\rho }_{\text{Cu}}}}{{\text{m}}_{\text{Cu}}}=\frac{2700.2,75\cdot {{10}^{-8}}}{{{8900.1,69.10}^{-8}}}\cdot 1000=493,65~\text{kg}\)

Trên đây là gợi ý giải bài tập Vật Lý 11 bài Dòng điện trong kim loại do giáo viên Ican trực tiếp biên soạn theo chương trình mới nhất. Chúc bác bạn học tập vui vẻ.

Đánh giá (363)
ican
  • Một thương hiệu của 
    ICAN
  • ICAN
  • ICAN © 2023, All Rights Reserved.

  • Trụ sở Hồ Chí Minh: B0003 C/C Sarina, Khu đô thị Sala, Khu phố 3, Đường Hoàng Thế Thiện, Phường An Lợi Đông, TP. Thủ Đức

  • Văn phòng Hà Nội: Tòa nhà 25T2 Đường Hoàng Đạo Thúy, Phường Trung Hòa, Quận Cầu Giấy