lý thuyết và bài tập vận dụng về Dòng điện trong kim loại, vật lí 11 DÒNG ĐIỆN
Bản chất của dòng điện trong kim loại
- Hạt tải điện chủ yếu của kim loại là: electron tự do
- Bản chất dòng điện trong kim loại: là dòng chuyển dời có hướng (ngược chiều điện trường) của các eletron tự do
Công thức điện trở, điện trở suất của kim loại vào nhiệt độ
$R = \rho\dfrac{\ell}{S}=R_o[1 + \alpha(t – t_o)]$
$\rho=\rho_o[1 + \alpha(t – t_o)]$
Suất điện động nhiệt điện:
$E=\alpha_{T}(T_2 – T_1)$
Trong đó:
- T1; T2: nhiệt độ hai đầu cặp nhiệt điện (K)
- E: suất điện động của cặp nhiệt điện (V)
- αT: Hệ số nhiệt điện
Hiện tượng siêu dẫn
Hiện tượng siêu dẫn: Khi nhiệt độ giảm xuống → điện trở của kim loại giảm xuống → khi nhiệt độ giảm đến giá trị tới hạn TC → điện trở giảm đột ngột về không→ đây là hiện tượng siêu dẫn
Năm 1987, tại Hội nghị khoa học tại New York các nhà khoa học đã thảo luận về những đặc mới của chất siêu dẫn trong số đó là hiện tượng những đĩa gốm treo lơ lửng trên các nam châm, người ta gọi đó là “hiệu ứng Meissner”.
Hiệu ứng này ngăn cản từ trường thâm nhập vào bề mặt chất siêu dẫn, làm cho đĩa gốm tự nâng lên và lơ lửng trên các nam châm; nhưng nếu là một từ trường mạnh thì vẫn có thế thắng được sức đẩy, khi đó nó phá huỷ đặc tính siêu dẫn của vật liệu.
Bài tập dòng điện trong kim loại
Bài tập 1. Một bóng đèn 220 V – 100 W có dây tóc làm bằng vônfram. Khi sáng bình thường thì nhiệt độ của dây tóc bóng đèn là 2000$^{0 }$C. Xác định điện trở của bóng đèn khi thắp sáng và khi không thắp sáng. Biết nhiệt độ của môi trường là 20$^{0 }$C và hệ số nhiệt điện trở của vônfram là α=4,5.10$^{-3 }$K-1.
Hướng dẫn giải bài tập dòng điện trong kim loại
Khi thắp sáng điện trở của bóng đèn là:
\[R_{đ}=\dfrac{U_{đ}^{2}}{P_{đ}}\]=484 Ω.
Khi không thắp sáng điện trở của bóng đèn là:
\[R_{o}=\dfrac{R_{đ}}{1+\alpha (t-t_{o})}\]= 48,8 Ω.
Bài tập 2. Một bóng đèn 220 V – 40 W có dây tóc làm bằng vônfram. Điện trở của dây tóc bóng đèn ở 20$^{0 }$C là Ro=121 Ω. Tính nhiệt độ của dây tóc khi bóng đèn sáng bình thường. Cho biết hệ số nhiệt điện trở của vônfram là α=4,5.10$^{-3 }$K-1.
Hướng dẫn giải bài tập dòng điện trong kim loại
Khi sáng bình thường: \[R_{đ}=\dfrac{U_{đ}^{2}}{P_{đ}}\]=1210 Ω.
R$_{đ}$=Ro[1+α(t – to)] => t=2020o C.
Bài tập 3. Dây tóc của bóng đèn 220 V – 200 W khi sáng bình thường ở nhiệt độ 2500$^{0 }$C có điện trở lớn gấp 10,8 lần so với điện trở ở 100$^{0 }$C. Tìm hệ số nhiệt điện trở α và điện trở Ro của dây tóc ở 100$^{0 }$C.
Hướng dẫn giải bài tập dòng điện trong kim loại
+ Khi thắp sáng, đèn sáng bình thường ở nhiệt độ 25000C điện trở của bóng đèn là:
\[{R_S} = \dfrac{{{U^2}}}{P} = \dfrac{{{{220}^2}}}{{200}} = 242\Omega \]
+ Ở nhiệt độ 1000C : \[{R_0} = \dfrac{{{R_S}}}{{{\rm{[}}1 + \alpha (100 – {t_0}){\rm{]}}}} = \dfrac{{242}}{{10,8}} = 22,4\Omega \]
Ta có:
\[\begin{array}{l}{R_S} = {R_0}{\rm{[}}1 + \alpha (2500 – 100){\rm{]}}\\ \to \alpha = 4,{08.10^{ – 3}}{K^{ – 1}}\end{array}\]
Bài tập 4. Ở nhiệt độ t1=25$^{0 }$C, hiệu điện thế giữa hai cực của bóng đèn là U1=20 mV thì cường độ dòng điện qua đèn là I1=8 mA. Khi sáng bình thường, hiệu điện thế giữa hai cực của bóng đèn là U2=240 V thì cường độ dòng điện chạy qua đèn là I2=8 A. Tính nhiệt độ của dây tóc bóng đèn khi đèn sáng bình thường. Biết hệ số nhiệt điện trở của dây tóc làm bóng đèn là α=4,2.10$^{-3 }$K-1.
Hướng dẫn giải bài tập dòng điện trong kim loại
Điện trở của dây tóc ở 25$^{0 }$C: R1=U1/I1=2,5 Ω.
Điện trở của dây tóc khi sáng bình thường: R2=U2/I2=30 Ω.
Vì: R2=R1(1+α(t2 – t1)) => t2=2644o C.
Bài tập 5. Một mối hàn của cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động α$_{T}$=65 µV/K được đặt trong không khí ở 20$^{0 }$C, còn mối hàn kia được nung nóng đến nhiệt độ 320$^{0 }$C. Tính suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện đó.
Hướng dẫn giải bài tập dòng điện trong kim loại
E = α$_{T}$(T2 – T1)=0,0195 V.
Bài tập 6. Một mối hàn của cặp nhiệt điện nhúng vào nước đá đang tan, mối hàn kia được nhúng vào hơi nước sôi. Dùng milivôn kế đo được suất nhiệt điện động của cặp nhiệt điện là 4,25 mV. Tính hệ số nhiệt điện động của cặp nhiệt điện đó.
Hướng dẫn giải bài tập dòng điện trong kim loại
E = α$_{T}$(T2 – T1) => α$_{T}$= 42,5.10-6 V/K.
Bài tập 7. Nhiệt kế điện thực chất là một cặp nhiệt điện dùng để đo nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp mà ta không thể dùng nhiệt kế thông thường để đo được. Dùng nhiệt kế điện có hệ số nhiệt điện động α$_{T}$= 42 µV/K để đo nhiệt độ của một lò nung với một mối hàn đặt trong không khí ở 20$^{0 }$C còn mối hàn kia đặt vào lò thì thấy milivôn kế chỉ 50,2 mV. Tính nhiệt độ của lò nung.
Hướng dẫn giải bài tập dòng điện trong kim loại
E = α$_{T}$(T2 – T1)
=> T2 = 1215o C.