Vật lí 11 Bài 13: Dòng điện trong kim loại

Mục lục Giải Vật lí 11 Bài 13: Dòng điện trong kim loại

Câu hỏi C1 trang 75 Vật lí 11: Vì sao người ta chọn dây bạch kim để làm nhiệt kế điện trở dùng trong công nghiệp?

Lời giải:

Người ta chọn dây bạch kim để làm nhiệt kế điện trở dùng trong công nghiệp vì điện trở của dây này được xác định chính xác ở các nhiệt độ khác nhau. Vì thế khi ta đặt dây đó vào khu vực cần đo nhiệt độ chỉ cần biết được điện trở dây là biết được nhiệt độ.

Câu hỏi C2 trang 76 Vật lí 11: Vì sao dòng điện chạy trong cuộn dây siêu dẫn không có nguồn điện lại có thể duy trì lâu dài? Có thể dùng dòng điện ấy làm cho động cơ chạy mãi được không?

Lời giải:

- Dòng điện chạy trong cuộn dây siêu dẫn không có nguồn điện có thể duy trì lâu dài vì điện trở của dây siêu dẫn bằng không nên không có sự mất mát năng lượng do tỏa nhiệt trên dây dẫn.

- Về nguyên tắc, có thể dùng dòng điện ấy làm cho động cơ chạy mãi. Nhưng thực tế, không thể tạo được vật liệu có điện trở hoàn toàn bằng không. Mặt khác trong động cơ ngoài việc mất mát năng lượng do tỏa nhiệt còn có sự mất mát năng lượng dưới các dạng khác như bức xạ điện từ hay dòng Fu-cô…..Vì vậy. không thể dùng dòng điện ấy làm cho động cơ chạy mãi.

Bài 1 trang 78 Vật lí 11: Hạt tải điện trong kim loại là loại êlectron nào? Mật độ của chúng vào cỡ nào?

Lời giải:

- Hạt tải điện trong kim loại là êlectron tự do.

- Mật độ của chúng vào cỡ 10²⁸ (m^-3).

Bài 2 trang 78 Vật lí 11: Vì sao điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng?

Lời giải:

Khi nhiệt độ tăng, các ion kim loại ở nút mạng tinh thể dao động mạnh. Do đó độ mất trật tự của mạng tinh thể kim loại tăng, làm tăng sự cản trở chuyển động của êlectron tự do. Vì vậy. khi nhiệt độ tăng thì điện trở của kim loại tăng.

Bài 3 trang 78 Vật lí 11: Điện trở của kim loại thường và siêu dẫn khác nhau như thế nào?

Lời giải:

- Khi nhiệt độ giảm thì điện trở suất của kim loại thường sẽ giảm đều theo hàm bậc nhất đối với nhiệt độ:

ρ = ρ₀.[1 + α.(t – t₀)].

- Còn đối với chất siêu dẫn thì khi nhiệt độ giảm xuống thấp hơn nhiệt độ tới hạn T_C thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng không.

Bài 4 trang 78 Vật lí 11: Do đâu mà trong cặp nhiệt điện có suất điện động?

Lời giải:

- Cặp nhiệt điện gồm hai dây dẫn điện có bản chất khác nhau hàn nối với nhau thành một mạch kín và hai mối hàn của nó được giữ ở hai nhiệt độ khác nhau. Do mật độ êlectron tự do ở mỗi kim loại khác nhau nên tại mối hàn sẽ tồn tại một hiệu điện thế.

Vì hai mối hàn của nó được giữ ở hai nhiệt độ khác nhau , khi đó chuyển động nhiệt của các hạt tải điện ở hai đầu không giống nhau, làm cho hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh của từng dây khác nhau, khiến trong mạch có suất điện động ℰ, gọi là suất nhiệt điện động.

Bài 5 trang 78 Vật lí 11: 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.

Lời giải:

Tính chất chung của kim loại: các kim loại đều dẫn điện tốt, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ.

Chọn đáp án B

Bài 6 trang 78 Vật lí 11: Phát biểu nào là chính xác?

Hạt tải điện trong kim loại là

A. các êlectron của nguyên tử.

B. êlectron ở lớp trong cùng của nguyên tử.

C. các êlectron hóa trị đã bay tự do ra khỏi tinh thể.

D. các êlectron hóa trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể.

Lời giải:

Hạt tải điện trong kim loại là các êlectron hóa trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể.

Chọn đáp án D

Bài 7 trang 78 Vật lí 11: Một bóng đèn 220V-100W khi sáng bình thường thì nhiệt độ của dây tóc đèn là 2000^oC. Xác định điện trở của đèn khi thắp sáng và khi không thắp sáng, biết rằng nhiệt độ môi trường là 20^oC và dây tóc đèn làm bằng vonfam.

Lời giải:

Điện trở của bóng đèn khi sáng bình thường (ở t = 2000^oC):

$R=\frac{U^2}{\text{P}}=\frac{{220}^2}{100}=484\Omega$

Mặt khác ta có: R = R₀.(1 + α.(t – t₀))

=> Điện trở bóng đèn khi không thắp sáng (ở t₀ = 20^oC)

$$\begin{gathered} R_0 =\frac{R}{1+\alpha (t-t_0)} \\ =\frac{484}{1+4,{5.10}^{-3}(2000-20)} \\ \approx 48,84\Omega \end{gathered}$$

Đáp án: R = 484Ω; R₀ = 48,84Ω

Bài 8 trang 78 Vật lí 11: Khối lượng mol nguyên tử của đồng là 64.10^-3 kg/mol. Khối lượng riêng của đồng là 8,9.10³kg/m³. Biết rằng mỗi nguyên tử đồng đóng góp một êlectron dẫn.

a) Tính mật độ êlectron tự do trong đồng.

b) Một dây tải điện bằng đồng, tiết diện 10mm² mang dòng điện 10A. Tính tốc độ trôi của êlectron dẫn trong dây dẫn đó.

Lời giải:

a) Ta xét 1mol đồng:

- Vì mỗi nguyên tử đồng đóng góp một êlectron dẫn nên số electron tự do trong 1 mol đồng là:

N_e = N_A = 6,02.10²³ hạt

- Thể tích của 1 mol đồng là:

$V=\frac{m}{D}=\frac{{64.10}^{-3}}{8,{9.10}^{-3}}=7,{19.10}^{-6}{m}^3$

- Mật độ êlectron tự do trong đồng bằng mật độ nguyên tử đồng:

$n_e=\frac{N_e}{V}=\frac{6,{02.10}^{23}}{7,{19.10}^{-6}}\approx 8,{37.10}^{28}\left(m^{-3}\right)$

b) Coi dây tải hình trụ có tiết diện S = 10mm² = 10.10^-6m², thể tích của 1mol đồng là V (m³)

=> chiều dài sợi dây: $l =\frac{V}{S}$

Lượng điện tích chạy qua sợi dây trong thời gian Δt là: Δq = N_e.e (e là điện tích của 1 electron)

=> cường độ dòng điện qua sợi dây là:

$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}=\frac{N_e.e}{\Delta t}\Rightarrow \Delta t=\frac{N_e.e}{I}$

Gọi v là vận tốc trôi của êlectron dẫn trong dây dẫn (vận tốc cuốn của êlectron theo điện trường).

$$\begin{gathered} v=\frac{l}{\Delta t}=\frac{\frac{\frac{V}{S}}{N_e.e}}{I}=\frac{V.I}{e.N_e.S} \\ =\frac{7,{19.10}^{-6}.10}{1,{6.10}^{-19}.6,{02.10}^{23}{\mathrm{.10.10}}^{-6}} \\ \approx 7,{46.10}^{-5}(m/s) \end{gathered}$$

Đáp án: a) n_e = 8,37.10²⁸ m^-3;

b) v = 7,46.10^-5m/s

Bài 9 trang 78 Vật lí 11: Để mắc đường dây tải điện từ địa điểm A đến địa điểm B, ta cần 1000kg dây đồng. Muốn thay dây đồng bằng dây nhôm mà vẫn đảm bảo chất lượng truyền điện, ít nhất phải dùng bao nhiêu kg dây nhôm? Cho biết khối lượng riêng của đồng là 8900 kg/m³, của nhôm là 2700 kg/m³.

Lời giải:

Thay dây đồng bằng dây nhôm mà vẫn đảm bảo chất lượng truyền điện, thì điện trở của dây nhôm phải bằng điện trở của dây đồng.

R_Al = R_Cu $\Rightarrow {\rho }_{Al}.\frac{{\mathcal{l}}_{Al}}{S_{Al}}={\rho }_{Cu}.\frac{{\mathcal{l}}_{Cu}}{S_{Cu}}$

Với ρ_Al = 2,75.10^-8 Ωm là điện trở suất của nhôm

ρ_Cu = 1,69.10^-8 Ωm là điện trở suất của đồng

Vì l_Cu = l_Al = l_AB = khoảng cách từ A đến B nên:

$S_{Al} =\frac{{\rho }_{Al}}{{\rho }_{Cu}}.S_{Cu}\Rightarrow V_{Al}=\frac{{\rho }_{Al}}{{\rho }_{Cu}}.V_{Cu}$ (1)

Trong đó: V_Al, V_Cu lần lượt là thể tích của dây nhôm và dây đồng:

$V_{Al} =S_{Al}.{\mathcal{l}}_{AB}=\frac{m_{Al}}{D_{Al}} ; V_{Cu} =S_{Cu}.{\mathcal{l}}_{AB}=\frac{m_{Cu}}{D_{Cu}}$(2)

Từ (1) và (2) suy ra: $\frac{m_{Al}}{D_{Al}}=\frac{{\rho }_{Al}}{{\rho }_{Cu}}.\frac{m_{Cu}}{D_{Cu}}$

Khối lượng nhôm phải dùng là:

$$\begin{gathered} m_{Al} =\frac{D_{Al}}{D_{Cu}}.\frac{{\rho }_{Al}}{{\rho }_{Cu}}.m_{Cu} \\ \Rightarrow m_{Al}=\frac{2700.2,{75.10}^{-8}}{8900.1,{69.10}^{-8}}.1000=493,65kg \end{gathered}$$

Đáp án: m_Al = 493,65 kg

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

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí lớp 11 hay, chi tiết khác:

Bài 14: Dòng điện trong chất điện phân

Bài 15: Dòng điện trong chất khí

Bài 17: Dòng điện trong chất bán dẫn

Bài 18: Thực hành: khảo sát đặc tính chỉnh lưu của Điôt bán dẫn và đặc tính khuếch đại của tranzito

Xem thêm tài liệu Vật lí lớp 11 hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Dòng điện trong kim loại

Trắc nghiệm Dòng điện trong kim loại có đáp án