Giải Vật Lý 11 Bài 13. Dòng điện trong kim loại
Chương III. DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG §13. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI KIẾN THỨC CẦN NẮM VỮNG Bản chất của dòng điện trong kim loại Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ p = Po[l + a(t - to)] Trong đó: Po là điện trở suất ở to °C a là hệ số nhiệt trở (K-1) Khi nhiệt độ tàng thì điện trở suất của kim loại tăng. Cặp nhiệt điện là hai dây kim loại khác bản chất, hai đầu hàn vào nhau. Khi nhiệt độ hai mốì hàn T1, T2 khác nhau, trong mạch có suất điện động nhiệt điện 'ẵ' = ơt(Ti - T2), với ctT hệ số nhiệt điện động. CÂU HỎI VẬN DỤNG Cl. Vì sao người ta chọn dây bạch kim để làm nhiệt kế điện trở dùng trong công nghiệp? Hướng dẫn Người ta chọn dây bạch kim để làm nhiệt kế điện trở dùng trong công nghiệp vì hệ số nhiệt điện trở của bạch kim đã được nghiên cứu khá kĩ, nó có giá trị tương đôì ổn định trong quá trình đo. 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? Hướng dẫn Dòng điện chạy trong cuộn dây siêu dẫn không có nguồn điện lại có thể duy trì lâu dài vì điện trở của cuộn dây siêu dẫn băng 0, tức không có sự cản trở chuyển động đôì với các hạt tải điện. Không thể dùng dòng điện ấy làm cho động cơ chạy mãi được vì khi động cơ hoạt động điện năng phải chuyển hóa thành cơ năng và một số dạng năng lượng khác nữa. c. CÂU HỎI BÀI TẬP Hạt tải điện trong kim loại là loại electron nào? Mật độ của chúng vào cỡ nào? Hướng dẫn Hạt tải điện trong kim loại là loại electron tự do, đó chính là các iôn hóa trị đã tách khỏi nguyên tử. 46 GBT VẶT LÝ 11 - CB Vì sao điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng? Hướng dẫn Điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng vì khi nhiệt độ tăng lên thì độ mất trật tự của mạng tinh thể tăng do đó độ linh động của các electron tự do bị cản trở nhiều hơn. Điện trở của kim loại thường và siêu dẫn khác nhau như thế nào? Hướng dẫn 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. Do đâu mà cặp nhiệt điện có suất điện động? Hướng dẫn Cặp nhiệt điện có suất điện 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 dẫn 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 sẽ khác nhau, khiến cho mạch có một suất điện động gọi là suất điện động nhiệt điện. Ớ bài tập 5 và 6 dưới đây, phát biểu nào là chính xác? Các kim loại đều: dẫn điện tốt, có điện trở suất không thay đổi. 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 giông nhau. Chọn câu B. Hạt tải điện trong kim loại là: các electron của nguyên tử. 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. Chọn câu D. Một bóng đèn 220V - 100W khi sáng bình thường thì nhiệt độ của dây tóc bóng đèn là 2000°C. Xác định điện trở của đèn khi thắp sáng và khi không thắp sáng. Biết rằng nhiệt độ môi trường là 20°C và dây tóc bóng đèn làm bằng vonfram. Hướng dẫn Điện trở của bóng đèn khi sáng bình thường (2000°C): u2 _ 2202 p - 100 = 484Q Từ công thức: R = Roll + a(t - to)] ta suy ra điện trở của bóng đèn R khi ở nhiệt độ môi trường 20°C: Ro = — -——— [l + a(t-t0)] = -—---- nn = 48,4Q [1 + 4,5.10“3(2000 - 20)] Khối lượng mol của nguyên tử đồng là 64.10~3kg/mol. Khôi lượng riêng của đồng chính là 8,9.103kg/m3. Biết rằng mỗi nguyên tử đồng góp một electron dẫn. Tính mật độ một electron tự do trong đồng. Một dây tải điện bằng đồng dài lkm, tiết diện 10mm2, mang dòng điện 10A. Tính tốc độ trôi của electron trong dây dẫn đó. Hướng dẫn Mật độ một electron tự do trong đồng: n = Na^ = 6.023.1023 8’9-10j = 8,375.1028/m3 A 64.10’3 Điện trở của dây dẫn: R = p-^ = 1,69 Q s Hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn: u = IR = 16,9V Cường độ điện trường trong dây dẫn: E = -y = 1,69.10-2 v/m Vận tốc trôi của dây dẫn: = pnE = 4,37.10~3,l,69.10-2 = 7,28.10"5 m/s. Để mắc đường dầy tải điện từ địa điểm A đến địa điểm B ta cần 1000kg dây đồng. Muốn thay dây đồng bằng dây nhôm mà vẫn đảm bảo chất lượng truyền điện, ít nhất cần phải dùng bao nhiêu kilôgam dây nhôm? Cho biết khôi lượng riêng của đồng là 8900kg/m3, của nhôm là 2700kg/m3. Hướng dẫn Để đảm bảo chát 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: Ri = Pl ; R2 = P2 -7- Sj S2 ■R. — —s Pị - pg _ p2 Sr s2 S1 P1 Khối lượng dây đồng và nhôm: mi = Dj.Si; m2 = D2.s2.z. m2 D1 S1 1 D1 P1 l^g-.iooo = 493,6kg. 1.69.10’8 D9 Sọ T) 9 Pọ Thay số’ vào ta có: m2 = 2'2 22 8900 Vậy muôn thay dây đồng bằng dây nhôm mà vẫn đảm bảo chất lượng truyền điện, ít nhất cần phải dùng 493,6kg dây nhôm.