Giải bài tập trang 78 SGK Vật lý lớp 11: Dòng điện trong kim loại. Đây là tài liệu tham khảo hay và chất lượng dành cho quý thầy cô cùng các bạn học sinh lớp 11. Hi vọng rằng với tài liệu này việc học tập môn Vật lý của các bạn học sinh sẽ trở nên thuận tiện hơn. Mời các bạn tham khảo. Show Tóm tắt kiến thức cơ bản: Dòng điện trong kim loại 1. Bản chất của dòng điện trong kim loại Trong kim loại, các nguyên tử bị mất electron hoá bị trở thành các ion dương. Các ion dương liên kết với nhau một cách trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại. Chuyển động nhiệt của các ion càng mạnh, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tựCác electron hoá trị tách khỏi nguyên tử, trở thành các electron tự do với mật độ n không đổi (n = hằng số). Chúng chuyển động hỗn loạn tạo thành khí electron tự do hoán toàn bộ thể tích của khối kim loại và không sinh ra dòng điện nàoĐiện trường do nguồn điện ngoài sinh ra, đẩy khí electron trôi ngược chiều điện trường, tạo ra dòng điệnSự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở kim loại. Các loại mất trật tự thường gặp là chuyển động nhiệt của các ion trong mạng tinh thể, sự méo mạng tinh thể do biến dạng cơ học và các nguyên tử lạ lẫn trong kim loại. Điện trở của kim loại rất nhạy cảm với các yểu tố trên.Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại cho thấy hạt tải điện trong kim loại là electron tự do. Mật độ của chúng rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt. Nhiều tính chất khác của dòng điện trong kim loại cũng có thể suy ra từ thuyết này => Vậy, dòng điện trong kim loại là 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 Thí nghiệm chứng tỏ điện trở suất p của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất: p = p0[1 + α(t – t0)] trong đó p0 là điện trở suất ở t0 C (thường lấy 200 C); α là hệ số nhiệt điện trở, đơn vị đo là K-1 3. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp Khi nhiệt độ càng giảm, mạng tinh thể càng bớt mất trật tự nên sự cản trở của nó đến chuyển động của electron càng ít, điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 0 K, điện trở của các kim loại sạch đều rất bé. Đồ thị biểu diễn điện trở suất của đồng theo nhiệt độ được vẽ trên hình 13.1Khi hạ nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ tới hạn Tc thì điện trở suất của một số chất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói vật liệu đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Giá trị Tc phụ thuộc vào các chất khác nhau. 4. Hiện tượng nhiệt điện Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại còn cho thấy, nếu sợi dây kim loại có một đầu nóng và một đầu lạnh, thì chuyển động nhiệt của electron sẽ làm cho một phần electron tự do ở đầu nóng dồn về đầu lạnh. Đầu nóng sẽ tích điện dương, đầu lạnh tích điện âm.Giữa đầu nóng và đầu lạnh có một hiệu điện thế nào đấy. Nếu lấy hai dây kim loại khác loại nhau và hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữa ở nhiệt độ cao, một mối hàn ở nhiệt độ thấp, thì hiệu điện thế ở đầu nóng và đầu lạnh của từng dây không giống nhau, khiến trong mạch có một suất điện động ξ. ξ được gọi là suất điện động nhiệt điện, và bộ hai dây dẫn hàn hai đầu với nhau gọi là cặp nhiệt điện: ξ = αt(T1 – T2) Trong đó T1 – T2 là hiệu nhiệt điện ở đầu nóng và đầu lạnh, αt là hệ số nhiệt điện động, phụ thuộc vào bản chất của hai laoị vật liệu dùng làm cặp nhiệt điện, Suất điện động nhiệt điện tuy nhỏ nhưng rất ổn định theo thời gian và điều kiện thí nghiệm, nên cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ Bài 1. Hạt tải điện trong kim loại là loại electron nào? Mật độ của chúng vào cỡ nào? Giải: Hạt tải điện trong kim loại là loại electron tự do, đó chính là các iôn hóa trị đã tách khỏi nguyên tử. Bài 2. Vì sao điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng? Giải: Điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng vì khi nhiệt độ tăng lên thì độ mất trật tự của mạng tinh thê tăng do đó độ linh động của các electron tự do bị cản trở nhiều hơn. Bài 3. Điện trở của kim loại thường và siêu dẫn khác nhau như thế nào? Giải: Điện trở của kim loại thường có giá trị xác định nào đó thay đổi theo nhiệt độ, còn đối với kim loại siêu dẫn, điện trở bằng không. Bài 4. Do đâu mà cặp nhiệt điện có suất điện động? Giải:Cặp nhiệt điện có suất diện động là do: Với một sợi dây dẫn kim loại có một đầu nóng và một đầu lạnh, thì chuyển động nhiệt của electron sẽ làm cho một số electron ở đầu nóng dồn về đầu lạnh. Khi đó đầu nóng tích điện dương, đầu lạnh tích điện âm. Giữa đầu nóng và đầu lạnh có một hiệu điện thế.Khi dùng hai dây dần kim loại khác nhau và hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữ nhiệt độ cao, một mối hàn ở nhiệt độ thấp thì hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh của từng dây sè khác nhau, khiến cho mạch có một suất điện động gọi là suất điện động nhiệt điện. Bài 5. Các kim loại đều: A. Dẫn điện tốt, có điện trở suất không thay đổi. B. Dần 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 giông nhau. Giải:Chọn câu B. Bài 6. Hạt tải điện trong kim loại là: A. Các electron của nguyên tử. B. Electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử. C. Các electron hóa trị đã bay tự do ra khỏi tinh thể. D. Các electron hóa trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể. Giải: Chọn câu D. Bài 7. Một bóng đèn 220 V – 100 W khi sáng bình thường thì nhiệt độ của dây tóc bóng đèn là 20000 C. Xác định điện trở của đèn khi thắp sáng và khi không thắp sáng. Biết rằng nhiệt độ môi trường là 200 C và dây tóc bóng đèn làm bằng vônfram. Giải: Điện trở của bóng đèn khi sáng bình thường (20000 C): R = U2/P = 2202/100 = 484 Ω Từ công thức: R = R0[1 + α(t – t0)] ta suy ra điện trở của bóng đèn khi ở nhiệt độ môi trường 200 C: R0 = R/[1 + α(t – t0)] = 484/[1 + 4,5.10-3(2000 – 20)] = 48,4 Ω Bài 8. Khôi lượng mol của nguyên tử đồng là 64.10-3 kg/mol. Khôi lượng riêng của đồng chính là 8,9.103 kg/m3. Biết rằng mỗi nguyên tử đồng góp một electron dẫn. a) Tính mật độ một electron tự do trong đồng. b) Một dây tải điện bằng đồng dài 1 km, tiết diện 10mm2, mang dòng điện 10 A. Tính tốc độ trôi của electron trong dây dẫn đó. Giải: a) Mật độ một electron tự do trong đồng: n = NA.[D/A] = 6,023.1023. [8,9.103/64.10-3] = 8,375.1028/m3 b) Điện trở của dây dẫn: R = p.[l/S] = 1,69 Ω. Hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn: U = IR = 16,9 V Cường độ điện trường trong dây dẫn: E = U/l = 1,69.10-2 V/m. Vận tốc trôi của dây dẫn: V1 = µnE = 4,37.10-3 . 1,69.10-2 = 7,28.10-5 m/s Bài 9. 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 8900 kg/m3, của nhôm là 2700 kg/m3. Giải: Để đảm bảo chất lượng truyền điện thì điện trở của dây nhôm và dây đồng phải có giá trị bằng nhau với cùng chiều dài. Điện trở của dây đồng và nhôm: R1 = p1.[l/S1]; R2 = p2.[l/S2] R1 = R2 => p1/S1 = p2/S2 => S2/S1 = p2/p1 Khối lượng dây đồng và nhôm: m1 = D1.S1; m2 = D2.S2.l => m2 = D2/D1 . S2/S1 . m1 = D2/D1 . p2/p1 . m1 Thay số vào ta có: m2 = 2700/8900 . 2,75.10-8/1,69.10-8 . 100 = 493,6 kg Vậy muốn thay dây đồng bằng dây nhôm mà vẫn đảm bảo chất lượng truyền điện, ít nhất cần phải dùng 493,6kg dây nhôm. Câu hỏi:Nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại là gì? A. sự va chạm của các e với các ion dương ở các nút mạng B. sự va chạm của các ion dương ở các nút mạng với nhau C. sự va chạm của các electron với nhau D. sự va chạm của các e với các ion dương ở các nút mạng bị mất trật tự Trả lời: Đáp án đúng:D. sự va chạm của các e với các ion dương ở các nút mạng bị mất trật tự. Sự va chạm của các e với các ion dương ở các nút mạng bị mất trật tự gây ra điện trở của kim loại . Cùng Top lời giải tìm hiểu thêm về vấn đề này nhé! 1. Dòng điện trong kim loại là gì ?Dòng điện trong kim loại chính là một dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới ảnh hưởng của điện trường. Hệ số của nhiệt điện trở không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà nó còn phụ thuộc vào cả độ tinh khiết và chế độ gia công của vật liệu đó. Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại sẽ giảm liên tục. 2. Nguyên nhân tạo ra dòng điện trong kim loạiĐiều kiện có dòng điện trong kim loại là: Trong quá trình chuyển động, các electron tự do luôn va chạm với các ion dao động xung quanh vị trí cân bằng ở các nút mạng, sau đó truyền một phần động năng cho chúng. Sự va chạm này chính là nguyên nhân tạo ra điện trở cho dây dẫn kim loại và tác dụng nhiệt. Điện trở suất của kim loại sẽ tăng giảm tùy theo nhiệt độ. Trong trường hợp khi nhiệt độ liên tục giảm xuống dưới nhiệt độ Tc nào đó thì điện trở của kim loại (hay hợp kim) sẽ giảm đột ngột cho đến giá trị bằng không. Hiện tượng trên được gọi với cái tên hiện tượng siêu dẫn. 3. Bản chất của dòng điện trong kim loại- Hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do. Mật độ của các electron tự do trong kim loại rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt - Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron dưới tác dụng của điện trường. - Chuyển động nhiệt của mạng tinh thể cản trở chuyển động của hạt tải điện làm cho điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ. Đến gần 0oK, điện trở của kim loại rất nhỏ. 4. Điện trở suất, công thức tính điện trở suất4.1 Khái niệm điện trở suất Điện trở suất là một đại lượng có khả năng cản trở dòng điện. Ngoài ra điện trở suất cũng phản ánh khả năng cản trở sự dịch chuyển theo chiều hướng của những hạt mang điện của những loại vật liệu xây dựng khác nhau 4.2 Công thức tính điện trở suất Công thức tính điện trở suất là: P = R x (l/S) Trong đó: p là điện trở suất R là điện trở S là tiết diện l là chiều dài của dây dẫn 5. Sự phụ thuộc của điện trở suất trong kim loại.Điện trở suấtρρcủa kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất : ρ=ρ0[1+α(t−t0)]ρ=ρ0[1+α(t−t0)] Trong đó: ρ0: là điện trở suất ở nhiệt độ t℃( thường ở 20℃) ρ: là điện trở suất ở nhiêt đột℃ α: Hệ số nhiệt điện trở, đơn vị K-1phụ thuộc Hệ số nhiệt điện trở còn phụ thuộc vào cả độ sạch và chế độ gia công của vật liệu đó. 6. Ứng dụngDòng điện trong kim loại trên thực tế có rất nhiều ứng dụng, tuy nhiên công dụng phổ biến nhất chính là chế tạo ra nam châm điện, bởi dòng điện này tạo ra từ trường mạnh, đồng thời không gây hao phí năng lượng do tỏa nhiệt trong quá trình vận hành. VD: chế tạo ra nam châm điện vì nó có từ trường mạnh mà không hao phí năng lượng do tỏa nhiệt. 7. Các dạng bài tập Dòng điện trong kim loạiDạng 1: Cách tính điện trở của dây dẫn kim loại Trong đó: • ρ là điện trở suất (Ω.m) • l là chiều dài vật dẫn (m) • S là tiết diện thẳng của dây dẫn (m2) VD1: Người ta dùng dây hợp kim nicrôm có tiết diện 0,2 mm2để làm một biến trở. Biết điện trở lớn nhất của biến trở là 40W. a) Tính chiều dài của dây nicrôm cần dùng. Cho điện trở suất của dây hợp kim nicrôm là 1,1.10-6Wm b) Dây điện trở của biến trở được quấn đều xung quanh một lõi sứ tròn có đường kính 1,5cm. Tính số vòng dây của biến trở này. VD2: Cho hai bóng đèn Đ1, Đ2: trên Đ1có ghi ( 6V – 1A), trên Đ2có ghi Đ2( 6V- 0,5A). a) Khi mắc hai bóng này vào hiệu điện thế 12V thì các đèn có sáng bình thường không? Tại sao? b) Muốn các đèn sáng bình thường thì ta phải dùng thêm một biến trở có con chạy.Hãy vẽ các sơ đồ mạch điện có thể có và tính điện trở của biến trở tham gia vào mạch khi đó. Dạng 2: Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ Cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt vào hai đầu dây và tỉ lệ nghịch với điện trở của dây. - Hệ thức biểu diễn định luật Trong đó: R là điện trở (Ω) U là hiệu điện thế (V) I là cường độ dòng điện (A) Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ ρ=ρo[1+α(t−to)]ρ=ρo[1+α(t−to)] R=Ro[1+α(t−to)] VD1: Một dây đồng có điện trở R1= 2 Ω ở 20oC. Sau một thời gian có dòng điện đi qua, nhiệt độ của dây đồng là 74oC. Tính điện trở R2của dây đồng ở 74oC. Hệ số nhiệt điện trở của đồng α = 0,004 K-1. Hướng dẫn: Điện trở R2của dây đồng ở 74oC: R2= R1[1 + α(t2- t1)] = 2(1 + 0,004.54) = 2,43Ω Dạng 3: Hiện tượng nhiệt điện, Suất điện động nhiệt điện Hiện tượng tạo thành suất điện động nhiệt điệnζtrong một mạch điện kín gồm hai vật dẫn khác nhau khi giữ hai mối hàn ở nhiệt độ khác nhau là hiện tượng nhiệt điện. Trong đó,ζlà suất điện động nhiệt điện, và bộ hai dây dẫn hàn hai đầu vào nhau được gọi là cặp nhiệt điện. ζ = αT(T1- T2) = αT(to1- to2) Trong đó: + αTlà hệ số nhiệt điện động (μV/K) + T1và T2lần lượt là nhiệt độ của đầu nóng và đầu lạnh. Ví dụ 1:Một mối hàn của cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động αT= 6,5 μV/K được đặt trong không khí ở t1= 20oC, còn đầu kia được nung nóng ở nhiệt độ t2. a) Tìm suất điện động nhiệt điện khi t2= 200oC b) Để suất điện động nhiệt điện là 2,6 mV thì nhiệt độ t2là bao nhiêu? Hướng dẫn: |
