Dòng điện trong kim loại

CHƯƠNG III. DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG

Bài 13. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI

A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT

I. 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.

II. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ

Thí nghiệm chứng tỏ điện trở suất $\rho$ của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất:

$\rho$ = $\rho _{0}$[1 + $\alpha$(t - $t_{0}$)]

trong đó $\rho _{0}$ là điện trở suất ở $t_{0}$ °C (thường lấy là 20°C); $\alpha$ là hệ số nhiệt điện trở, đơn vị đo là $K^{-1}$.

III. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn

- Khi nhiệt độ càng giảm, điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 0 K, điện trở của các kim loại sạch đều rất bé

- Khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ giới hạn $T_{c}$ thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn.

IV. Hiện tượng nhiệt điện

- Hiện tượng tạo thành suất điện động nhiệt điện trong một mạch điện kín gồm hai vật dẫn khác nhau khi giữ hai mối hàn ở hai nhiệt độ khác nhau (còn gọi là cặp nhiệt điện) gọi là hiện tượng nhiệt điện.

- Khi nhiệt độ hai mối hàn $T_{1}$, $T_{2}$ khác nhau, trong mạch có suất điện động nhiệt điện , với $\alpha _{T}$ là hệ số nhiệt điện động phụ thuộc vào vật liệu làm cặp nhiệt điện.

- Cặp nhiệt điện được ứng dụng làm nhiệt kế nhiệt điện, pin nhiệt điện.

B. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý

1. Hiểu và trình bày được các tính chất điện của kim loại. Trình bày được sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ.

2. Hiểu được cấu trúc tinh thể của kim loại, biết được hạt mang điện tự do (hạt tải điện trong kim loại) và nguyên nhân gây ra hạt tải điện này. Từ đây nêu được bản chất của dòng điện trong kim loại.

3. Vận dụng được thuyết electron tự do trong kim loại để giải thích một cách định tính các tính chất điện của kim loại như nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại, sự tăng điện trở suất của kim loại khi nhiệt độ tăng, dây dẫn kim loại nóng lên khi có dòng điện chạy qua.

4. Biết được cấu tạo của cặp nhiệt điện và nguyên nhân làm xuất hiện suất điện động nhiệt điện.

5. Viết được công thức tính suất điện động nhiệt điện và nêu được ứng dụng phổ biến của cặp nhiệt điện.

C. ĐỀ BÀI TẬP

Bài 1

Hạt tải điện trong kim loại là

A. các electron phát xạ nhiệt.

B. các electron của nguyên tử.

C. các electron hóa trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể.

D. các electron liên kết chặt với hạt nhân nguyên tử.

Bài 2

Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất của kim loại

A. tăng tỉ lệ với nhiệt độ.

B. tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất.

C. giảm tỉ lệ với nhiệt độ.

D. lúc đầu tăng, sau đó giảm.

Bài 3

Điều nào sau đây đúng khi nói về tính dẫn điện của kim loại?

A. Tất cả các kim loại đều dẫn điện tốt như nhau.

B. Các kim loại đều dẫn điện tốt và khả năng dẫn điện không thay đổi theo nhiệt độ.

C. Kim loại dẫn điện tốt nhờ mật độ electron tự do rất cao.

D. Kim loại dẫn điện càng tốt khi nhiệt độ của nó càng cao.

Bài 4

Trong các yếu tố sau đây của cặp nhiệt điện:

I. Khối lượng

II. Hiệu nhiệt độ ở đầu nóng và đầu lạnh

III. Bản chất của hai kim loại

IV. Hình dạng

Suất điện động nhiệt điện phụ thuộc

A. I, II

B. II, III

C. III, IV

D. I, II, III

Bài 5

Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại sẽ

A. tăng theo nhiệt độ

B. giảm nhanh theo hàm bậc hai với nhiệt độ

C. không đổi

D. có giá trị rất nhỏ khi nhiệt độ giảm đến gần 0K

Bài 6

Một dây bạch kim ở 20°C có điện trở suất $\rho _{0}$ = 10,6.$10^{-8}$$\Omega$m. Tính điện trở suất của dây này ở 500°C. Biết $\alpha$ = 3,9.$10^{-3}$$K^{-1}$.

Bài 7

Dây tóc bóng đèn 220V-100W khi sáng bình thường ở 2485°C có điện trở lớn gấp n = 12,1 lần so với điện trở của nó ở 20°C. Tính hệ số nhiệt điện trở $\alpha$ và điện trở $R_{0}$ của dây tóc bóng đèn ở 20°C. Biết R $\approx$ $R_{0}$ [1 + $\alpha$(t - $t_{0}$)].

Bài 8

Một bóng đèn 220V-40W có dây tóc bằng vonfam. Điện trở của dây tóc đèn ở 20°C là $R_{0}$ = 122$\Omega$. Tính nhiệt độ t của dây tóc đèn khi đèn sáng bình thường. Biết $\alpha$ = 4,5.$10^{-3}$$K^{-1}$. Biết R = $R_{0}$ [1 + $\alpha$(t - $t_{0}$)].

Bài 9

Cặp đồng-constantan tạo thành cặp nhiệt điện. Một đầu mối hàn làm lạnh bằng cách dìm vào nước đá đang tan (0°C), đầu còn lại được nung nóng đến nhiệt độ 300°C. Tính suất điện động nhiệt điện thu được. Biết $\alpha _{T}$ = 40$\mu$V/K.

Bài 10

Điều nào sau đây không đúng khi nói về hiện tượng nhiệt điện?

A. Cặp nhiệt điện là một mạch kín và nhiệt độ ở hai mối hàn chênh lệch nhau.

B. Nguyên nhân gây ra suất điện động nhiệt điện là do chuyển động nhiệt của electron trong mạch điện có nhiệt độ không đồng nhất.

C. Suất điện động nhiệt điện lớn hơn hiệu nhiệt độ giữa hai mối hàn của cặp nhiệt điện nhiều lần.

D. Cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ.

Bài 11

Dùng cặp nhiệt điện đồng-constantan có $\alpha$ = 40,0$\mu$V/K nối với milivôn kế để đo nhiệt độ nóng chảy của thiếc. Nhúng một mối hàn vào nước đá đang tan và nhúng mối hàn còn lại vào thiếc đang nóng chảy, người ta thấy milivôn kế chỉ 9,44mV. Tính nhiệt độ nóng chảy của thiếc. Xem điện trở milivôn kế khá lớn.

Bài 12

Cặp nhiệt điện sắt-constantan có $\alpha _{T}$ = 52$\mu$V/K và điện trở trong r = 0,5$\Omega$. Nối cặp nhiệt điện này với điện kế G có điện trở $R_{g}$ = 20$\Omega$. Đặt một mối hàn của cặp nhiệt điện này trong không khí ở 20°C. Nhúng mối hàn thứ hai vào trong lò điện có nhiệt độ 620°C. Tính cường độ dòng điện chạy qua điện kế.

D. HƯỚNG DẪN GIẢI

Bài 1

Hạt mang điện tự do trong kim loại là các electron hóa trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể ⇒ chọn C.

Bài 2

Ta có $\rho \approx \rho _{0}$ (1 + $\alpha$(t - $t_{0}$)), điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất

⇒ chọn B.

Bài 3

- Các kim loại khác nhau có khả năng dẫn điện khác nhau.

- Khả năng dẫn điện của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ và khi nhiệt độ càng cao điện trở của kim loại càng lớn.

- Kim loại dẫn điện tốt nhờ mật độ các electron tự do rất cao

⇒ chọn C.

Bài 4

Ta có , trong đó $\alpha _{T}$ là hệ số nhiệt điện động phụ thuộc bản chất hai kim loại cấu tạo cặp nhiệt điện và $T_{1}$ - $T_{2}$ là hiệu nhiệt độ ở hai đầu nóng lạnh ⇒ chọn B.

Bài 5

Khi nhiệt độ giảm thì điện trở suất của kim loại giảm gần đúng theo hàm bậc nhất và có giá trị rất nhỏ khi nhiệt độ giảm đến gần 0 K

⇒ chọn D.

Bài 6

Ta có

Bài 7

• Tính $\alpha$:

• Tính $R_{0}$:

Khi đèn sáng bình thường, ta có

Bài 8

Khi đèn sáng bình thường, ta có

Bài 9

Bài 10

Ta có suất điện động nhiệt điện được tính bởi công thức với $\alpha _{T}$ là hệ số nhiệt điện động có giá trị nhỏ nếu tính bằng vôn. Mặt khác , $\alpha _{T}$ và ($T_{1}$ - $T_{2}$) đều có đơn vị khác nhau nên không thể nói lớn hơn hay nhỏ hơn ($T_{1}$ - $T_{2}$) bao nhiêu lần ⇒ chọn C.