Bài 13: Dòng điện trong kim loại
1. Bản chất của dòng điện trong kim loại
.png)
-
Thuyết electron về tính dẫn điện của 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 \(\,\overrightarrow E \) 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.
-
.PNG)
-
Vậy, Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường
-
Bảng điện trở suất và hệ số nhiệt điện trở của một số kim loại ở 200 C
.PNG)
2. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
-
Điện trở suất \(\rho \) của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất :
\(\rho = {\rho _0}\left[ {1{\rm{ }} + \alpha \left( {t{\rm{ }} - {\rm{ }}{t_0}} \right)} \right]\)
-
Trong đó:
-
\({\rho _0}\) : là điện trở suất ở nhiệt độ \({t^0}C\) ( thường ở \({20^0}C\))
-
\(\rho \) : là điện trở suất ở nhiêt độ \({t^0}C\)
-
\(\alpha \) : Hệ số nhiệt điện trở, đơn vị K-1 phụ thuộc:
-
-
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 \({0^0}K\) , điện trở của kim loại sạch đều rất bé.
.PNG)
Khi nhiệt độ càng giảm, điện trở suất của kim loại cũng giảm liên tục.
-
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.
-
Nhiệt độ tới hạn của một số chất siêu dẫn
-
Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn
-
Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh.
-
Trong tương lai dự kiến dùng dây siêu dẫn để tải điện và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa
-
4. Hiện tượng nhiệt điện
-
Nếu lấy hai dây kim loại khác nhau và hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữ ở nhiệt độ cao, một mối hàn giữ ở nhiệt độ thấp, thì hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh của từng dây không giống nhau, trong mạch có một suất điện động E. E gọi là suất điện động nhiệt điện, và bộ hai dây dẫn hàn hai đầu vào nhau gọi là cặp nhiệt điện.
-
Suất điện động nhiệt điện :
\(E = {a_T}\left( {{T_1}--{\rm{ }}{T_2}} \right)\)
-
Trong đó:
-
T1 : nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ cao hơn (K)
-
T2 : nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ thấp hơn (K)
-
\({{\rm{\alpha }}_{\rm{T}}}\): : hệ số nhiệt điện động (V/K)
-
-
Cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ.
-
Bảng một số cặp nhiệt điện thường dùng
.PNG)
Bài 1:
Suất nhiệt điện động của một cặp nhiệt điện phụ thuộc vào
A. nhiệt độ thấp hơn ở một trong hai đầu cặp.
B. nhiệt độ cao hơn ở một trong hai đầu cặp.
C. hiệu nhiệt độ hai đầu cặp.
D. bản chất của chỉ một trong hai kim loại cấu tạo nên cặp.
Hướng dẫn giải:
Chọn đáp án C.
-
Suất nhiệt điện động của một cặp nhiệt điện phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ hai đầu cặp.
Bài 2:
Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng
A. Điện trở của vật dẫn giảm xuống giá trị rất nhỏ khi nhiệt độ giảm xuống thấp.
B. Điện trở của vật dẫn giảm xuống bằng không khi nhiệt độ của nó nhỏ hơn giá trị nhiệt độ tới hạn.
C. Điện trở của vật dẫn giảm xuống rất nhỏ khi nhiệt độ của nó đạt giá trị đủ cao.
D. Điện trở của vật dẫn bằng không khi nhiệt độ bằng 0(K).
Hướng dẫn giải:
Chọn đáp án B
-
Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng điện trở của vật dẫn giảm xuống bằng không khi nhiệt độ của nó nhỏ hơn giá trị nhiệt độ tới hạn.
Bài 3:
Một bóng đèn 220V - 100W khi sáng bình thường thì nhiệt độ của dây tóc đèn là 20000C. Xác định điện trở của đèn khi thắp sáng và khi không thắp sáng, biết rằng nhiệt độ môi trường là 200C và dây tóc đèn làm bằng vonfram.
Hướng dẫn giải:
-
Điện trở của bóng đèn khi sáng bình thường (2000°C):
\(R=\frac{U^2}{P}=\frac{220^2}{100}=484\Omega\)
-
Từ công thức: \(R=R_0\left [ 1+\alpha (t-t_0) \right ]\) ta suy ra điện trở của bóng đèn khi ở nhiệt độ môi trường 200C
\(\begin{array}{l}
{R_0} = \frac{R}{{\left[ {1 + \alpha (t - t - 0)} \right]}}\\
= \frac{{484}}{{\left[ {1 + 4,{{5.10}^{ - 3}}(2000 - 20)} \right]}} = 48,4\Omega
\end{array}\)
Bài 4:
Để mắc đường dây tải điện từ 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 nhôm? Cho biết khối lượng riêng của đồng là \(8 900 kg/m^3\), của nhôm là \(2 700 kg/m^3\).
Hướng dẫn giải:
-
Vì R không đổi, suy ra:
(l = AB, S là tiết diện dây, p* là điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn).
-
Khối lượng dây:
\(\begin{array}{l}
{m_{Cu}} = {\rm{ }}{p_{Cu}}.{S_{Cu}}.l\\
{m_A}_l = {\rm{ }}{p_{Al}}.{S_{Al}}.l
\end{array}\)
(p là khối lượng riêng của vật liệu làm dây dẫn).
Suy ra: \({m_{Al}} = 490{\rm{ }}kg\)
1. Bản chất của dòng điện trong kim loại
-
Thuyết electron về tính dẫn điện của 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 \(\,\overrightarrow E \) 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.
-
-
Vậy, Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường
-
Bảng điện trở suất và hệ số nhiệt điện trở của một số kim loại ở 200 C
2. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
-
Điện trở suất \(\rho \) của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất :
\(\rho = {\rho _0}\left[ {1{\rm{ }} + \alpha \left( {t{\rm{ }} - {\rm{ }}{t_0}} \right)} \right]\)
-
Trong đó:
-
\({\rho _0}\) : là điện trở suất ở nhiệt độ \({t^0}C\) ( thường ở \({20^0}C\))
-
\(\rho \) : là điện trở suất ở nhiêt độ \({t^0}C\)
-
\(\alpha \) : Hệ số nhiệt điện trở, đơn vị K-1 phụ thuộc:
-
-
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 \({0^0}K\) , điện trở của kim loại sạch đều rất bé.
Khi nhiệt độ càng giảm, điện trở suất của kim loại cũng giảm liên tục.
-
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.
-
Nhiệt độ tới hạn của một số chất siêu dẫn
-
Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn
-
Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh.
-
Trong tương lai dự kiến dùng dây siêu dẫn để tải điện và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa
-
4. Hiện tượng nhiệt điện
-
Nếu lấy hai dây kim loại khác nhau và hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữ ở nhiệt độ cao, một mối hàn giữ ở nhiệt độ thấp, thì hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh của từng dây không giống nhau, trong mạch có một suất điện động E. E gọi là suất điện động nhiệt điện, và bộ hai dây dẫn hàn hai đầu vào nhau gọi là cặp nhiệt điện.
-
Suất điện động nhiệt điện :
\(E = {a_T}\left( {{T_1}--{\rm{ }}{T_2}} \right)\)
-
Trong đó:
-
T1 : nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ cao hơn (K)
-
T2 : nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ thấp hơn (K)
-
\({{\rm{\alpha }}_{\rm{T}}}\): : hệ số nhiệt điện động (V/K)
-
-
Cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ.
-
Bảng một số cặp nhiệt điện thường dùng
Bài 1:
Suất nhiệt điện động của một cặp nhiệt điện phụ thuộc vào
A. nhiệt độ thấp hơn ở một trong hai đầu cặp.
B. nhiệt độ cao hơn ở một trong hai đầu cặp.
C. hiệu nhiệt độ hai đầu cặp.
D. bản chất của chỉ một trong hai kim loại cấu tạo nên cặp.
Hướng dẫn giải:
Chọn đáp án C.
-
Suất nhiệt điện động của một cặp nhiệt điện phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ hai đầu cặp.
Bài 2:
Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng
A. Điện trở của vật dẫn giảm xuống giá trị rất nhỏ khi nhiệt độ giảm xuống thấp.
B. Điện trở của vật dẫn giảm xuống bằng không khi nhiệt độ của nó nhỏ hơn giá trị nhiệt độ tới hạn.
C. Điện trở của vật dẫn giảm xuống rất nhỏ khi nhiệt độ của nó đạt giá trị đủ cao.
D. Điện trở của vật dẫn bằng không khi nhiệt độ bằng 0(K).
Hướng dẫn giải:
Chọn đáp án B
-
Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng điện trở của vật dẫn giảm xuống bằng không khi nhiệt độ của nó nhỏ hơn giá trị nhiệt độ tới hạn.
Bài 3:
Một bóng đèn 220V - 100W khi sáng bình thường thì nhiệt độ của dây tóc đèn là 20000C. Xác định điện trở của đèn khi thắp sáng và khi không thắp sáng, biết rằng nhiệt độ môi trường là 200C và dây tóc đèn làm bằng vonfram.
Hướng dẫn giải:
-
Điện trở của bóng đèn khi sáng bình thường (2000°C):
\(R=\frac{U^2}{P}=\frac{220^2}{100}=484\Omega\)
-
Từ công thức: \(R=R_0\left [ 1+\alpha (t-t_0) \right ]\) ta suy ra điện trở của bóng đèn khi ở nhiệt độ môi trường 200C
\(\begin{array}{l}
{R_0} = \frac{R}{{\left[ {1 + \alpha (t - t - 0)} \right]}}\\
= \frac{{484}}{{\left[ {1 + 4,{{5.10}^{ - 3}}(2000 - 20)} \right]}} = 48,4\Omega
\end{array}\)
Bài 4:
Để mắc đường dây tải điện từ 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 nhôm? Cho biết khối lượng riêng của đồng là \(8 900 kg/m^3\), của nhôm là \(2 700 kg/m^3\).
Hướng dẫn giải:
-
Vì R không đổi, suy ra:
(l = AB, S là tiết diện dây, p* là điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn).
-
Khối lượng dây:
\(\begin{array}{l}
{m_{Cu}} = {\rm{ }}{p_{Cu}}.{S_{Cu}}.l\\
{m_A}_l = {\rm{ }}{p_{Al}}.{S_{Al}}.l
\end{array}\)
(p là khối lượng riêng của vật liệu làm dây dẫn).
Suy ra: \({m_{Al}} = 490{\rm{ }}kg\)