Lý 11 Bài 13: Dòng điện trong kim loại

- Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại:

• Trong kim loại các nguyên tử bị mất electron 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.

• Các electron hóa trị tách khỏi kim loại trở thành electron tự do với mật độ không đổi; chuyển động hỗn loạn và không sinh ra dòng điện nào (còn được gọi là khí electron tự do).
• Điện trường 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 cả trở chuyển động của electron tự do.
• Hạt tải điện trong kim loại là electron tự do. Trong kim loại, mật độ electron tự do rất cao nên chúng dẫn điện tốt.

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

- Thí nghiệm chứng tỏ 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

• 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 T_c 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.

- 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.

• 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 độ giữa đầu nóng là đầu lạnh là T₁ -T₂ là: \(E = {a_T}\left( {{T_1}--{\rm{ }}{T_2}} \right)\) 

Trong đó:

• T₁ : nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ cao hơn (K)

• T₂ : nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ thấp hơn (K)

• T₁ – T₂ là hiệu nhiệt điện ở đầu nóng và đầu lạnh

• \({{\rm{\alpha }}_{\rm{T}}}\): hệ số nhiệt điện động, phụ thuộc vào bản chất của hai loại vật liệu dùng làm cặp nhiệt điện. (V/K)

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 dậy tóc đèn làm bằng vofam.

Hướng dẫn giải

Điện trở của bóng đèn khi sáng bình thường (2000°C):

\(R=\frac{{U_đ}^2}{P_{đ}}=\frac{220^2}{100}=484\Omega\)

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 

\(R_0=\frac{R}{\left [ 1+\alpha (t-t_0) \right ]}\)\(=\frac{484}{\left [ 1+4,5.10^{-3}(2000-20) \right ]}=48,4\Omega\)

Vậy,

Điện trở của đèn khi sáng bình thường là R = 484 \(\Omega\)

Điện trở của đèn khi không thắp sáng là R = 48,8 \(\Omega\)

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

Điều kiện để thay dây đồng bằng dây nhôm là R không đổi, tức là điện trở của nhôm phải bằng điện trở của đồng.

\(\Rightarrow \frac{{{\rho _{Cu}}.l}}{{{S_{Cu}}}} = \frac{{{\rho _{Al}}.l}}{{{S_{Al}}}} \Rightarrow \frac{{{S_{Cu}}}}{{{S_{Al}}}} = \frac{{{\rho _{Cu}}}}{{{\rho _{Al}}}}\)

Với l là chiều dài dây AB, S là tiết diện dây, \(\rho\) là điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn.

Ta có \(D = \frac{m}{V}\)

\(\begin{array}{l}
 \to {m_{Cu}} = {D_{Cu}}.{V_{Cu}} = {D_{Cu}}.{S_{Cu}}.l\\
 \to {m_{AL}} = {D_{Al}}.{V_{Al}} = {D_{Al}}.{S_{Al}}.l\\
 \Rightarrow \frac{{{m_{Cu}}}}{{{m_{Al}}}} = \frac{{{D_{Cu}}.{S_{Cu}}}}{{{D_{Al}}.{S_{Al}}}} = \frac{{{D_{Cu}}.{\rho _{Cu}}}}{{{D_{Al}}.{\rho _{Al}}}}\\
 \Rightarrow {m_{Al}} = {m_{Cu}}.\frac{{{D_{Al}}.{\rho _{Al}}}}{{{D_{Cu}}.{\rho _{Cu}}}} = 1000.\frac{{2700.2,{{75.10}^{ - 8}}}}{{8900.1,{{69.10}^{ - 8}}}} = 493,7kg
\end{array}\)

Vậy, phải dùng ít nhất 493,7 kg nhôm để thay cho dây đồng mà vẫn có thể đảm bảo được chất lượng truyền tải của dây.

Câu 1: Nêu nguyên nhân có điện trở suất trong kim loại.

Câu 2: Một cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động là α = 52.10^-6V/K, điện trở trong r = 0,5Ω. Nối cặp nhiệt điện này với điện kế G có điện trở R_G = 20Ω. Đặt một mối hàn của cắp nhiệt điện này trong không khí ở 24^oC và đưa mối hàn thứ hai vào trong lò điện thì thấy cường độ dòng điện qua điện kế G là 1,52mA. Nhiệt độ trong lò điện khi đó là bao nhiêu?

Câu 3: Một bóng đèn 220V-75W có dây tóc làm bằng vonfam. Điện trở của dây tóc đèn ở 20^oC là 120Ω. Biết điện trở của dây tóc bóng đèn trong khoảng nhiệt độ này tăng bậc nhất theo nhiệt độ với hệ số nhiệt điện trở là 4,5.10^-3K^-1.Nhiệt độ của dây tóc bóng tóc bóng đèn khi sáng bình thường là bao nhiêu?

Câu 4: Biết suất nhiệt điện động của cặp nhiệt điện có một đầu được nhúng vào nước đá đang tan và một đầu vào hơi nước sôi là 4,5.10^-3V. Hệ số nhiệt điện động của cặp nhiệt điện này là bao nhiêu?

Câu 1: Một dây bạch kim ở 20^oC có điện trở suất 10,6.10^-8Ω.m. Biết điện trở suất của bạch kim trong khoảng nhiệt độ từ 0^o đến 2000^oC tăng bậc nhất theo nhiệt độ với hệ số nhiệt điện trở không đổi bằng 3,9.10-3K^-1. Điện trở suất của dây bạch kim này ở 1680^oC là

A. 79,2.10^-8Ω.m

B. 17,8.10^-8Ωm

C. 39,6.10^-8Ωm

D. 7,92.10^-8Ωm

Câu 2: Chọn phát biểu đúng.

Một sợi dây đòng có điện trở 70Ω ở nhiệt độ 20^oC. Điện trở của dây đó ở nhiệt độ 40^oC sẽ

A. vẫn là 70Ω

B. nhỏ hơn 70Ω

C. lớn hơn 70Ω

D. lớn hơn gấp hai lần 70Ω

Câu 3: Chọn phát điểu đúng

A. Khi có điện trường đặt vào hai đầu dây kim loại, các electron sẽ chuyển dời có hướng cùng chiều với điện trường.

B. Kim loại dẫn điện tốt vì trong kim loại được cấu tạo bởi các electron tự do

C. Các electron tự do sẽ chuyển dời có hướng, cùng chiều với chiều điện trường đặt vào kim loại.

D. Khi nhiệt độ của kim loại càng cao, điện trở suất của nó càng tăng.

Câu 4: Tìm phát biểu sai khi nói về tính chất dẫn điện của kim loại

A. Kim loại là chất dẫn điện tốt

B. Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm ở bất kì nhiệt độ nào.

C. Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ

D. Điện trở suất của kim loại nhỏ, nhỏ hơn 10⁷Ω.m

Câu 5: Khi nói về kim loại câu nào dưới đây là sai?

A. Kim loại chỉ tồn tại ở trạng thái rắn

B. Kim loại có khả năng uốn dẻo

C. Trong kim loại có nhiều electron tự do

D. Kim loại là chất dẫn điện

Qua bài giảng Dòng điện trong kim loại này, các em cần hoàn thành 1 số mục tiêu mà bài đưa ra như:

• Nắm được tính chất điện chung của các kim loại, bản chất của dòng điện trong kim loại thông qua thuyết êlectron về tính dẫn điện của kim loại

• Hiểu được sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ

• Nêu được hiện tượng siêu dẫn là gì? Hiện tượng nhiệt điện là gì?