Giải chi tiết Vật lí 11 chân trời mới bài 17: Điện trở. Định luật Ohm

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Khi vô tình chạm vào đoạn dây có điện bị hở lớp vỏ cách điện, một thợ sửa chữa bị điện giật nhẹ vì có một dòng điện cỡ 10 mA chạy qua người. Nhưng một người khác cũng chạm vào đoạn dây trên thì có thể nguy hiểm đến tính mạng do có dòng điện 90 mA chạy qua người. Điều gì tạo nên sự khác biệt này?

Hướng dẫn trả lời:

Theo định luật Ohm, cường độ dòng điện không chỉ phụ thuộc vào điện thế (điện thế càng cao thì cường độ dòng điện càng lớn), mà còn phụ thuộc vào điện trở (điện trở càng cao thì cường độ càng nhỏ). Với người bình thường, do điện trở cơ thể tương đối nhỏ, nên điện thế 220V có thể tạo một dòng điện khoảng 10-20 mA chạy qua người. Dòng điện đó đủ mạnh để kích thích cả thần kinh cảm giác và thần kinh vận động. Khi đó ta thấy bị điện giật rất đau. Quan trọng hơn, dòng điện đó đủ mạnh để gây ngừng tim và ngừng hô hấp, có thể khiến nạn nhân tử vong nếu không được cấp cứu kịp thời và đúng cách.
Điện trở của người thường thay đổi do nhiều yếu tố tác động bên ngoài như tình trạng da, diện tích, áp suất, thời gian, tần số, điện áp tiếp xúc lên cơ thể con người.

1. ĐIỆN TRỞ

Câu hỏi 1: Nêu nguyên nhân chính gây ra điện trở của vật dẫn.

Hướng dẫn trả lời:

Nguyên nhân gây điện trở của vật dẫn kim loại hay gây nên sự cản trở chuyển động của các electron tự do trong kim loại là do sự mất trật tự của mạng tinh thể (sự chuyển động nhiệt của ion, sự méo mạng và nguyên tử tạp chất lẫn vào).
Sự va đập của các electron với các ion dương nằm tại các nút mạng trong quá trình di chuyển dưới tác dụng của điện trường ngoài là nguyên nhân gây ra điện trở. Các kim loại khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau, do đó sự cản trở này cũng khác nhau, điều này có nghĩa là điện trở suất của các kim loại khác nhau cũng khác nhau. Khi nhiệt độ tăng lên, các ion dương nằm tại các nút mạng cũng dao động mạnh lên và do đó, xác suất va chạm của các electron với ion cũng tăng theo, nghĩa là điện trở của kim loại tăng theo nhiệt độ.
Mặt khác, năng lượng của electron thu được dưới tác dụng của điện trường đã truyền một phần hoặc hoàn toàn cho các ion dương tại nút mạng khi va chạm, biến thành năng lượng dao động hỗn loạn của các ion. Vì vậy, khi có dòng điện chạy qua thì kim loại nóng lên

Nguyên nhân gây ra điện trở của vật dẫn dựa trên quan điểm của vật lí hiện đại: Các đối tượng vi mô thể hiện rõ lưỡng tính sóng - hạt. Electron ngoài là một hạt, còn thể hiện tính chất sóng (sóng de Broglie (Đơ Brơi)). Trên lí thuyết, nếu mạng tinh thể là tuần hoàn lý tưởng thì sóng electron có thể truyền qua toàn bộ mạng tinh thể mà không gặp trở ngại nào, nghĩa là điện trở bằng không.
Tuy nhiên, trong thực tế không thể có mạng tinh thể lí tưởng, bao giờ mạng tinh thể cũng có những sự sai lệch khỏi tính tuần hoàn và chính những chỗ sai lệch này khiến electron bị tán xạ, đó là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại.
Cụ thể, những sai lệch mạng khỏi tính tuần hoàn có thể vì các nguyên do sau:
- Do dao động mạng tinh thể.
- Do sai hỏng của mạng tinh thể như nút mạng bị khuyết, lệch mạng....
- Do có xen lẫn các nguyên tử tạp chất.
- Do tính hữu hạn của vật dẫn: Sóng electron truyền đến biên của tinh thể sẽ tán xạ. Trong các nguyên do trên thì sự tán xạ electron dẫn lên dao động của mạng tinh thể và lên tạp chất đóng vai trò quan trọng chính.

Câu hỏi 2: Tìm hiểu và giải thích vì sao người ta thường sử dụng đồng để làm dây dẫn điện.

Hướng dẫn trả lời:

Người ta chọn đồng để làm dây điện vì
- Đồng được coi là chất dẫn điện lí tưởng. Đồng dẫn điện tốt hơn vàng và chỉ đứng sau bạc một chút.
- Độ dẻo rất cao, rất dễ uốn, dát mỏng.... Điều này giúp dây dẫn làm bằng đồng dễ luồn qua ngóc ngách mà không ảnh hưởng đến sự dẫn điện của dây.
- Khả năng chịu nhiệt cao, điều này hạn chế và giảm thiểu đáng kể các vụ hỏa hoạn do điện.
- Giá thành rẻ so với bạc

2. ĐỊNH LUẬT OHM

Câu hỏi 3: Các công thức (17.1) và công thức (17.3) có tương đương nhau không? Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Về mặt toán học hai công thức tương đương nhau nhưng:
Biểu thức (17.1) dùng để tính điện trở của một vật bất kì và đồ thị I theo U không nhất thiết phải là đường thẳng:$R=\frac{U}{I}$
Biểu thức (17.3) mô tả mối quan hệ giữa hiệu điện thế giữa hai đầu một điện trở R và cường độ dòng điện chạy qua điện trở đó; hiệu điện thế cảng lớn thì diện trường trong điện trở càng lớn và cường độ dòng điện càng mạnh (giá trị điện trở không phụ thuộc vào hiệu điện thể đặt vào hai đầu vật dẫn):$I=\frac{U}{R}$

Luyện tập: Đặt hiệu điện thế U=1,5V vào hai đầu một sợi dây dẫn bằng dồng có điện trở R=$0,6\Omega$. Tính cường độ dòng điện chạy qua sợi dây đồng.

Hướng dẫn trả lời:

Cường độ dòng điện chạy qua sợi dây đồng là: $I=\frac{U}{R}=\frac{1,5}{0,6}=2,5 A$

Câu hỏi 4: Xác định giá trị điện trở của đoạn dây bằng đồng có đường đặc vôn-ampe như Hình 17.3.

Hướng dẫn trả lời:

Từ đồ thị ta thấy với U=25 V thì I=6 A nên ta có giá trị điện trở của đoạn dây bằng đồng là: $R=\frac{U}{I}=\frac{25}{6}\approx 4,1667 \Omega $

Luyện tập: Đặt hiệu điện thế U (U có thể điều chỉnh được) vào hai đầu của một điện trở là một đoạn dây bằng đồng dài 10 m, đường kính tiết diện 1 mm và điện trở suất $1.69.10^{ - 8}\Omega m$ ở 20 °C. Dùng ampe kế đo cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây đồng. Điều chỉnh U, tương ứng với mỗi giá trị của U ta thu được một giá trị của I. Kết quả thể hiện trong Bảng 17.3.

a) Dựa vào Bảng 17.3, em hãy vẽ đường đặc trưng vôn – ampe của điện trở trên.

b) Tính điện trở của đoạn dây dẫn. So sánh với giá trị thu được từ đường đặc trưng vôn – ampe.

Hướng dẫn trả lời:

a) Đường đặc trưng vôn – ampe của điện trở trên, với trục hoành là hiệu điện thế U, trục tung là cường độ dòng điện I: Ta có $I=\frac{U}{0,22}$

b) Điện trở từ công thức: $R=\rho \frac{l}{S}=\rho \frac{4l}{\pi d^{2}}=\frac{1,69.10^{-8}.4.10}{\pi .0,001^{2}}\approx 0,22\Omega$
Điện trở của đoạn dây dẫn từ đường đặc trưng vôn - ampe là: $ R=\frac{\frac{0,2}{0,92}+\frac{0,4}{1,85}+\frac{0,6}{2,77}+\frac{0,8}{3,69}+\frac{1,0}{4,62}}{5}\approx 0,22 \Omega$
$\Rightarrow$ Hai giá trị bằng nhau.

3. ĐÈN SỢI ĐỐT VÀ ĐIỆN TRỞ NHIỆT

Câu hỏi 5: Thảo luận về ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở của đèn sợi đốt.

Hướng dẫn trả lời:

Khi dòng điện chạy qua một đèn sợi đốt làm bằng dây dẫn kim loại, các electron tự do trong dây dẫn thường xuyên va đập, đồng thời truyền năng lượng cho các ion dương tại các nút mạng trong dây dẫn, làm cho các ion dương này dao động mạnh hơn. Kết quả là nhiệt độ của dây dẫn tăng theo nói cách khác, đèn sợi đốt đã biến năng lượng của dòng điện chạy qua nó thành nhiệt năng và một phần năng lượng nhiệt này được giải phóng dưới dạng ánh sáng.
Mặt khác, khi nhiệt độ đèn sợi đốt càng tăng, dao động của các ion dương tại các nút mạng càng mạnh và sự hỗn loạn đóng góp vào chuyển động của các electron càng tăng. Kết quả là sự va đập giữa các electron và các ion dương xảy ra với tần số lớn hơn, điều này có nghĩa chuyển động có hướng tạo nên dòng điện của các electron bị cản trở nhiều hơn. Nói cách khác, điện trở kim loại của đèn sợi đốt tăng theo.
Đèn sợi đốt là đèn chiếu sáng khi bị đốt nóng nhờ tác dụng nhiệt của dòng điện trong kim loại. Điện trở của đèn sợi đốt biến thiên chậm theo nhiệt độ, nhiệt độ cao thì điện trở tăng nhanh.

Vận dụng: Nêu một vài ứng dụng của điện trở nhiệt.

Hướng dẫn trả lời:

Điện trở nhiệt được sử dụng trong các mạch điện với mục đích là ngắt điện và bảo vệ mạch điện khi quá nhiệt được dùng phổ biến trong các bảng mạch điện tử (các cảm biển) trong các nổi cơm điện, tủ lạnh, máy lạnh, lò vi sóng, lò nướng, bếp cảm ứng, ấm đun nước, bộ sạc pin...

BÀI TẬP

Bài 1: Thông tin kĩ thuật của một loại cáp điện được in trên vỏ sản phẩm như sau: Diện tích tiết diện: $1,5 mm^{2}$, điện trở mỗi km chiều dài: 12,1$\Omega$. Hãy xác định điện trở suất của vật liệu làm cáp điện này.

Hướng dẫn trả lời:

Điện trở suất của vật liệu làm cáp điện này là: $\rho =\frac{RS}{l} =\frac{12,1.0,0000015}{1000}=1,815.10^{-8} \Omega m$

Bài 2: Đường đặc trưng vôn – ampe của hai điện trở R₁ và R₂ được cho bởi Hình 17.1.