Giải vật lí 11 bài 13: Dòng điện trong kim loại
Hướng dẫn giải bài tập, bài thực hành trong bài 13: Dòng điện trong kim loại - sách giáo khoa vật lí 11. Tất cả các kiến thức lý thuyết và bài tập trong bài học này đều được giải đáp cẩn thận, chi tiết. Chúng ta tham khảo để học tốt vật lí 11 bài 13: Dòng điện trong kim loại nhé.
[toc:ul]
I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1. Bản chất của 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 $\overrightarrow{E}$ 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.
2. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại vào nhiệt độ
Điện trở suất là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của mỗi chất. Chất có điện trở suất thấp sẽ dễ dàng cho dòng điện truyền qua (chất dẫn điện) và chất có điện trở suất lớn sẽ có tính cản trở dòng điện lớn (chất cách điện). Điện trở suất nói lên tính cản trở sự chuyển dời có hướng của các hạt mang điện của mỗi chất. Đơn vị: $\Omega m$.
Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại vào nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất:
$\rho = \rho _{0}.[1 + \alpha .(t - t_{0})]$
Trong đó:
- $\rho $, $\rho _{0}$ lần lượt là điện trở suất của kim loại ở nhiệt độ t, t0.
- $\alpha $: hệ số nhiệt điện trở (K-1).
3. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
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 Tc 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.
4. Hiện tượng nhiệt điện
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: $\varepsilon = \alpha _{T}.(T_{1} - T_{2})$ với $\alpha _{T}$ là hệ số nhiệt động.
II. GIẢI BÀI TẬP
Giải câu 1: Hạt tải điện trong kim loại là electron...
Hạt tải điện trong kim loại là electron nào? Mật độ của chúng vào cỡ nào?
Bài giải:
Hạt tải điện trong kim loại là electron tự do. Mật độ của chúng không đổi.
Giải câu 2: Vì sao điện trở của kim loại tăng...
Vì sao điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng?
Bài giải:
Vì điện trở của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm bậc nhất tuyến tính như sau:
$\rho = \rho _{0}.[1 + \alpha .(t - t_{0})]$.
Trong đó:
- $\rho $, $\rho _{0}$ lần lượt là điện trở suất của kim loại ở nhiệt độ t, t0.
- $\alpha $: hệ số nhiệt điện trở (K-1).
Giải câu 3: Điện trở của kim loại thường và siêu...
Điện trở của kim loại thường và siêu dẫn khác nhau như thế nào?
Bài giải:
Điện trở của kim loại thường có giá trị xác định nào đó thay đổi theo nhiệt độ,
Điện trở của kim loại siêu dẫn khi nhiệt đô giảm xuông nhiệt độ tới hạn nào đó của kim loại thì điện trở bằng không.
Giải câu 4: Do đâu mà cặp nhiệt điện có suất...
Do đâu mà cặp nhiệt điện có suất điện động?
Bài giải:
Cặp nhiệt điện có suất điện động là do sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nóng và đầu lạnh.
Giải câu 5: Phát biểu nào là chính xác...
Phát biểu nào là chính xác
Các kim loại đều:
A. Dẫn điện tốt, có điện trở suất không thay đổi.
B. 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 giống nhau.
Bài giải:
Chọn đáp án B.
Giải câu 6: Phát biểu nào là chính xác...
Phát biểu nào là chính xác
Hạt tải điện trong kim loại là
A. các êlectron của nguyên tử.
B. êlectron trong cùng của nguyên tử.
C. các êlectron hoá trị đã bay tự do ra khỏi tinh thể.
D. các êlêctron hoá trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể.
Bài giải:
Chọn đáp án D.
Giải câu 7: Một bóng đèn 220 V – 100 W khi sáng...
Một bóng đèn 220 V – 100 W 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.
Bài giải:
Điện trở của bóng đèn khi sáng bình thường là: $R = \frac{U^{2}}{P} = \frac{220^{2}}{100} = 484$ $\Omega $.
Điện trở của bóng đèn khi không thắp sáng là:
Ta có $\rho $ tỉ lệ thuận với R, nên công thức sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ là:
$R = R_{0}.[1 + \alpha .(t - t_{0})] = 484.[1 + 4,5.10^{-3}.(2000 -20)]$.
$\Rightarrow $ R0 = 48,4 $\Omega $.
Giải câu 8: Khối lượng mol nguyên tử của đồng...
Khối lượng mol nguyên tử của đồng là 64.10-3 kg/mol . Khối lượng riêng của đồng là 8,9.103 kg/m3. Biết rằng mỗi nguyên tử đồng đóng góp 1 êlectron dẫn
a. Tính mật độ êlectron tự do trong đồng.
b. Một dậy tải điện bằng đồng, tiết diện 10 mm2, mang dòng điện 10 A. Tính tốc độ trôi của electron dẫn trong dây dẫn đó.
Bài giải:
a. Mật độ electron tự do trong đồng là: $n = \frac{N_{A}.D}{A} = \frac{6,023.10^{23}.8,9.10^{3}}{64.10^{-3}} 8,375.10^{28}$ $m^{-3}$.
b. Điện trở của dây dẫn là: $R = \rho .\frac{l}{S} = 16,9$ $\Omega $.
Điện trường xuất hiện trong dây dẫn là: E = U
Giải câu 9: Để mắc đường dây tải điện từ...
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/m3, của nhôm là 2 700 kg/m3.
Bài giải:
Để đảm bảo chất lượng đường truyền thì điện trở của hai dây dẫn phải bằng nhau
$\Rightarrow $ $\frac{\rho _{Al}}{\rho _{Cu}} = \frac{S_{Al}}{S_{Cu}} = \frac{\frac{m_{Al}}{D_{Al}.l}}{\frac{m_{Cu}}{D_{Cu}.l}} = \frac{m_{Al}.D_{Cu}}{m_{Cu}.D_{Al}}$
Trong đó DAl , DCu lần lượt là khối lượng riêng của Al và Cu.
Thay số vào ta có: Khối lượng của nhôm là mAl = 490 (kg).