Lý thuyết Dòng điện trong kim loại (mới 2023 + Bài Tập) - Vật lí 11

Lý thuyết Vật Lý 11 Bài 13: Dòng điện trong kim loại

Bài giảng Vật Lý 11 Bài 13: Dòng điện trong kim loại

I. Bản chất của dòng điện trong kim loại

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

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

- Chuyển động nhiệt của các ion có thể phá hủy trật tự liên kết này. Khi nhiệt độ càng cao thì chuyển động nhiệt càng nhanh, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự.

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

Các electron chuyển động trong mạng tinh thể

3. Điện trường $\overrightarrow{E}$ do nguồn điện ngoài sinh ra đẩy khí electron trôi ngược chiều điện trường, tạo ra dòng điện.

4. Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở của 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

- Điện trở suất ρ của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất:

$\rho ={\rho }_o\left[1+\alpha \left(t-t_o\right)\right]$

Trong đó:

+ ρ₀ là điện trở suất ở nhiệt độ t₀^oC (thường ở 20^oC)

+ ρ là điện trở suất ở nhiệt độ t^oC

+ 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.

Bảng điện trở suất của một số chất (silic không phải kim loại)

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

- Khi nhiệt độ giảm, mạng tinh thể càng bớt sự mất trật tự, chuyển động của electron càng ít dẫn đến điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 0 K điện trở của kim loại sạch đều rất bé.

- Một số kim loại và hợp kim, gốm oxit kim loại 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.

Bảng nhiệt độ tới hạn của một số chất

- Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn:

+ Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh mà các nam châm điện thường không thể tạo ra được.

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

Chế tạo các cuộn dây siêu dẫn trong máy gia tốc

Máy quét MRI trong y học

IV. Hiện tượng nhiệt điện

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

 

Suất điện động nhiệt điện:

$\text{E}={\alpha }_T\left(T_a-T_b\right)$

Trong đó:

+ T_a là nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ cao hơn (K)

+ T_b là nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ thấp hơn (K)

+ α_T là hệ số nhiệt điện động (V.K^-1) phụ thuộc vào bản chất của hai vật liệu dùng làm cặp nhiệt điện.

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

Can nhiệt đo nhiệt độ lò hơi

Trắc nghiệm Vật lí 11 Bài 13: Dòng điện trong kim loại

Câu 1. Hạt tải điện trong kim loại là

A. ion dương.                          

B. electron tự do.

C. ion âm.                      

D. ion dương và electron tự do.

Hiển thị đáp án  

Đáp án: B

Giải thích: Hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do.

Câu 2. Bản chất dòng điện trong kim loại là

A. dòng ion dương dịch chuyển theo chiều điện trường.

B. dòng ion âm dịch chuyển ngược chiều điện trường.

C. dòng electron dịch chuyển ngược chiều điện trường.

D. dòng ion dương và dòng ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau.

Hiển thị đáp án  

Đáp án: C

Giải thích: Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron ngược chiều điện trường.

Câu 3. Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của

A. các dương cùng chiều điện trường.

B. các ion âm và electron tự do ngược chiều điện trường.

C. các ion dương và electron tự do theo chiều điện trường.

D. electron ngược chiều điện trường.

Hiển thị đáp án  

Đáp án: D 

Giải thích: Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron ngược chiều điện trường.

Câu 4. Điện trở suất $\rho$ của kim loại phụ thuộc nhiệt độ t theo công thức nào dưới đây?

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

B. $\rho ={\rho }_0-\alpha (t-t_0)$

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

D. $\rho ={\rho }_0+\alpha (t-t_0)$

Hiển thị đáp án  

Đáp án: C

Giải thích:

Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ:

ρ = ρ₀[1 + α(t – t₀)]

Trong đó:

+ α: hệ số nhiệt điện trở (K^-1).

+ ρ₀ : điện trở suất của vật liệu tại nhiệt độ t₀.

Câu 5. Hệ số nhiệt điện trở $\alpha$của kim loại phụ thuộc vào yếu tố nào sau đây?

A. Khoảng nhiệt độ và chế độ gia công của vật liệu đó.

B. Độ sạch của kim loại và chế độ gia công của vật liệu đó.

C. Độ sạch của kim loại.

D. Khoảng nhiệt độ, độ sạch của kim loại và chế độ gia công của vật liệu đó.

Hiển thị đáp án  

Đáp án: D

Giải thích: Hệ số nhiệt điện trở không những phụ thuộc vào nhiệt độ, mà còn phụ thuộc vào cả độ sạch và chế độ gia công của vật liệu đó.

Câu 6. Câu nào dưới đây cho biết kim loại dẫn điện tốt?

A. Khoảng cách giữa các ion nút mạng trong kim loại rất lớn.

B. Mật độ electron tự do trong kim loại rất lớn.

C. Mật độ các ion tự do lớn.

D. Giá trị điện tích chứa trong mỗi electron tự do của kim loại lớn hơn ở các chất khác.

Hiển thị đáp án  

Đáp án: B

Giải thích: Vật dẫn điện là vật có chứa nhiều điện tích tự do. Theo thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại: mật độ hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt.

Câu 7. Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào yếu tố nào?

A. Nhiệt độ của kim loại.

B. Kích thước của vật dẫn kim loại.

C. Bản chất của kim loại.

D. Nhiệt độ và bản chất của vật dẫn kim loại.

Hiển thị đáp án  

Đáp án: D

Giải thích: Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của vật dẫn kim loại.

Câu 8. Điện trở suất của kim loại không phụ thuộc vào yếu tố nào?

A. Nhiệt độ của kim loại.

B. Bản chất của kim loại.

C. Chiều dài dây dẫn.

D. Nhiệt độ và bản chất của vật dẫn kim loại.

Hiển thị đáp án  

Đáp án: C

Giải thích: Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của vật dẫn kim loại, không phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn.

Câu 9. Khi chiều dài của khối kim loại đồng chất tiết diện đều tăng 4 lần thì điện trở suất của kim loại đó

A. tăng 4 lần.                          

B. không đổi.                 

C. giảm 4 lần

D. chưa đủ dữ kiện để xác định.

Hiển thị đáp án  

Đáp án: B

Giải thích: Điện trở suất của kim loại không phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn nên khi chiều dài của khối kim loại đồng chất tiết diện đều tăng 4 lần thì điện trở suất của kim loại đó không đổi.

Câu 10. Khi tiết diện của khối kim loại đồng chất, tiết diện đều tăng 2 lần thì điện trở của khối kim loại

A. tăng 2 lần.            

B. tăng 4 lần.

C. giảm 2 lần.            

D. giảm 4 lần.

Hiển thị đáp án  

Đáp án: C

Giải thích: Công thức liên hệ giữa điện trở và điện trở suất của khối kim loại: $\mathcal{R}=\rho \frac{1}{S}$ Khi tiết diện S của khối kim loại đồng chất, tiết diện đều tăng 2 lần thì điện trở của khối kim loại giảm 2 lần.