Vật lý 11. Chương III. Bài 13: Dòng điện trong kim loại

I. Tóm tắt lý thuyết:

A. Bản chất của dòng điện trong kim loại

1. Trong kim loại, các nguyên tử bị mất electron hoá trị trở thành các ion dương.

+ Các ion dương liên kết với nhau một cách trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại.

+ Chuyển động nhiệt của các ion càng mạnh, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự.

2. Các êlectron hoá trị tách khỏi nguyên tử, trở thành các êlectron tự do với mật độ n không đổi (n = hằng số). Chúng chuyển động hỗn loạn tạo thành khí êlectron tự do choán toàn bộ thể tích của khối kim loại và không sinh ra dòng điện nào.

3. Điện trường \[\overrightarrow E \] do nguồn điện ngoài sinh ra, đẩy khí êlectron trôi ngược chiều điện trường, tạo ra dòng điện.

4. Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của êlectron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở kim loại. Các loại mất trật tự thường gặp là chuyển động nhiệt của các ion trong mạng tinh thể, sự méo mạng tinh thể do biến dạng cơ học và các nguyên tử lạ lẫn trong kim loại. Điện trở của kim loại rất nhạy cảm với các yếu tố trên.

Thuyết êlectron về tính dẫn điện của kim loại cho thấy hạt tải điện trong kim loại là êlectron tự do. Mật độ của chúng rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt. Nhiều tính chất khác của dòng điện trong kim loại cũng có thể suy ra từ thuyết này.

Vậy, dòng điện trong kim loại là chuyển dời có hướng của các êlectron tự do dưới tác dụng của điện trường.

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

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

\[\rho = {\rho _0}\left[ {1 + \alpha \left( {t - {t_0}} \right)} \right]\]

Trong đó:

+ ρ₀ là điện trở suất ở nhiệt độ t₀°C (thường ở 20°C)

+ ρ là điện trở suất ở nhiệt độ t°C

+ α là hệ số nhiệt điện trở (K^-1)

- 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.

C. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp

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

- Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới 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.

- Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn:

+ Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh.

+ Dự kiến dùng dây siêu dẫn để tải điện và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa.

D. Hiện tượng nhiệt điện

- Thuyết êlectron về tính dẫn điện của kim loại còn cho thấy, nếu sợi dây kim loại có một đầu nóng và một đầu lạnh, thì chuyển động nhiệt của êlectron sẽ làm cho một phần êlectron tự do ở đầu nóng dồn về đầu lạnh. Đầu nóng sẽ tích điện dương, đầu lạnh tích điện âm.

- Giữa đầu nóng và đầu lạnh có một hiệu điện thế nào đấy. Nếu lấy hai dây kim loại khác loại nhau và hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữa ở nhiệt độ cao, một mối hàn ở nhiệt độ thấp, thì hiệu điện thế ở đầu nóng và đầu lạnh của từng dây không giống nhau, khiến trong mạch có một suất điện động ξ. ξ được gọi là suất điện động nhiệt điện, và bộ hai dây dẫn hàn hai đầu và nhau gọi là cặp nhiệt điện:

\[\xi = \alpha t\left( {{T_1}-{T_2}} \right)\]

Trong đó:

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

+ αt là hệ số nhiệt điện động, phụ thuộc vào bản chất của hai loại vật liệu dùng làm cặp nhiệt điện.

- Suất điện động nhiệt điện tuy nhỏ nhưng rất ổn định theo thời gian và điều kiện thí nghiệm, nên cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ.

II. Bài tập minh hoạ:

Bài 1: Một dây bạch kim ở 20°C có điện trở suất 10,6.10^-8Ω.m. Biết điện trở suất của bạch kim trong khoảng nhiệt độ từ 0°C đến 2000°C 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°C là bao nhiêu?

Giải

Điện trở suất của dây bạch kim này ở 1680°C là:

\[\rho = {\rho _0}\left[ {1 + \alpha \left( {t - {t_0}} \right)} \right]\]

\[ = 10,{6.10^{ - 8}}.\left[ {1 + 3,{{9.10}^{ - 3}}\left( {1680 - 20} \right)} \right]\]

\[ \approx 79,{2.10^{ - 8}}\Omega m\]

Bài 2: 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^-3 V. Hệ số nhiệt điện động của cặp nhiệt điện này là bao nhiêu?

Bài 3: Một bóng đèn 220V - 75W có dây tóc làm bằng vonfam. Điện trở của dây tóc đèn ở 20°C 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?

Bài 4: Một cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động là α = 52.10^-6 V/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°C 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?

Bài 5: Hãy nêu nguyên nhân có điện trở suất trong kim loại là?

Bài 6: Dây tóc bóng đèn 220V – 100W chế tạo bằng bạch kim khi sáng bình thường ở 2500°C, điện trở của nó ở 25°C bằng 40,3Ω. Tính hệ số nhiệt điện trở α? Coi rằng điện trở suất của bạch kim trong khoảng nhiệt độ này tăng tỉ lệ bậc nhất theo nhiệt độ.

Bài 7: Ở nhiệt độ t₁ = 250C, hiệu điện thế giữa hai cực của bóng đèn là U₁ = 10(mV) và cường độ dòng điện chạy qua đèn là I₁ = 4(mA). Khi sáng bình thường, hiệu điện thế giữa hai cực của đèn là U₂ = 120(V) và cường độ dòng điện chạy qua đèn là I₂ = 4(A). Tính nhiệt độ t của dây tóc đèn khi sáng bình thường? Coi rằng điện trở suất của bạch kim trong khoảng nhiệt độ này tỉ lệ bậc nhất theo nhiệt độ với hệ số nhiệt điện trở α = 4,2.10⁻³(K⁻¹).