Dòng điện trong kim loại ( đầy đủ)

Dòng điện trong kim loại

- Các tính chất điện của kim loại có thể giải thích được dựa trên sự có mặt của các electron tự do trong kim loại.

Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các êlectron tự do.

“Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron ngược chiều điện trường.”

- Trong chuyển động, các êlectron tự do luôn luôn va chạm với các ion dao động quanh vị trí cân bằng ở các nút mạng và truyền một phần động năng cho chúng. Sự va chạm này là nguyên nhân gây ra điện trở của dây kim loại và tác dụng nhiệt. Điện trở suất củ a kim loại tăng theo nhiệt độ.

Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ: \(\rho =\rho _{0}[1+\alpha (t-t_{0})]\)

α: hệ số nhiệt điện trở 

\(\rho _{0}\): điện trở suất của vật liệu tại nhiệt độ \(t_{0}\).

Suất điện động của cặp nhiệt điện: E = \(\alpha _{T}\)(\(T_{1}-T_{2}\)).

Trong đó: \(T_{1}-T_{2}\) là hiệu nhiệt độ giữa đầu nóngvà đầu lạnh; \(\alpha _{T}\) là hệ số nhiệt điện động.

- Hiện tượng siêu dẫn: Là hiện tượng điện trở suất của vật liệu giảm đột ngột xuống bằng 0 khi

khi nhiệt độ của vật liệu giảm xuốngthấp hơn một giá trị Tc nhất định. Giá trị này phụ thuộc vào bản thân vật liệu. 

* Các công thức:

+ Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm: \(I=\frac{U}{R}\)

+ Sự phụ thuộc của điện trở, điện trở suất vào nhiệt độ: 

+ Điện trở của dây kim loại : R = \(\rho\).l/S

+ Suất điện động nhiệt điện: \(E_{nd}=\alpha _{T}(T_{2}-T_{1})\)

* VÍ DỤ MINH HỌA

VD1. Một bóng đèn 220 V - 100 W có dây tóc làm bằng vônfram. Khi sáng bình thường thì nhiệtđộ của dây tóc bóng đèn là 20000 C. Xác định điện trở của bóng đèn khi thắp sáng và khi không thắp sáng. Biết nhiệt độ của môi trường là 200 C và hệ số nhiệt điện trở của vônfram là \(\alpha =4,5.10^{-3}K^{-1}\)

HD. Khi thắp sáng điện trở của bóng đèn là: Rđ = \(\frac{U_{d}^{2}}{P_{d}}=484\Omega\) Khi không thắp sáng điện trở của bóng đèn là: 

\(R_{0}=\frac{R_{d}}{1+\alpha (t-t_{0})}=48,8\Omega\)

VD2. Một bóng đèn 220 V - 40 W có dây tóc làm bằng vônfram. Điện trở của dây tóc bóng đèn ở200 C là R0 = 121 . Tính nhiệt độ của dây tóc khi bóng đèn sáng bình thường. Cho biết hệ số nhiệtđiện trở của vônfram là \(\alpha =4,5.10^{-3}K^{-1}\)

HD. Khi sáng bình thường: \(R_{d}=\frac{U_{d}^{2}}{P_{d}}=1210\Omega\)

Vì: \({R_d} = {R_0}\left( {1 + \alpha \left( {t - {t_0}} \right)} \right) \) \(\Rightarrow  t = \frac{{{R_d}}}{{\alpha {R_0}}} - \frac{1}{\alpha } + {t_0} = {2020^0}C\) 

VD3. Dây tóc của bóng đèn 220 V - 200 W khi sáng bình thường ở nhiệt độ 25000 C có điện trởlớn gấp 10,8 lần so với điện trở ở 1000 C. Tìm hệ số nhiệt điện trở và điện trở R0 của dây tóc ở 1000C.

HD. Khi sáng bình thường: \(R_{d}=\frac{U_{d}^{2}}{P_{d}}=242\Omega\)

Ở nhiệt độ 1000 C: \(R_{0}=\frac{R_{d}}{10,8}=22,4\Omega\)

Vì \({R_d} = {R_0}\left( {1 + \alpha \left( {t - {t_0}} \right)} \right)\) \(\Rightarrow \alpha  = \frac{{{R_d}}}{{{R_0}\left( {t - {t_0}} \right)}} - \frac{1}{{t - {t_0}}} = 0,0041{K^{ - 1}}\)

VD4. Ở nhiệt độ t1 = 250 C, hiệu điện thế giữa hai cực của bóng đèn là U1 = 20 mV thì cường độdòng 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 khiđèn sáng bình thường. Biết hệ số nhiệt điện trở của dây tóc làm bóng đèn là \(\alpha =4,2.10^{-3}K^{-1}\)

HD. Điện trở của dây tóc ở \(25^{0}C\) \(R_{1}=\frac{U_{1}}{I_{1}}=2,5\Omega\)

Điện trở của dây tóc khi sáng bình thường: \(R_{2}=\frac{U_{2}}{I_{2}}=30\Omega\)

Vì: \(R_{2}=R_{1}(1+\alpha (t_{2}-t_{1}))\rightarrow t_{2}=\frac{R_{2}}{\alpha R_{1}}-\frac{1}{\alpha }+t_{1}=2644^{0}C\)

VD5. Một mối hàn của cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động αT = 65 µV/K được đặt trong không khí ở 200 C, còn mối hàn kia được nung nóng đến nhiệt độ 3200 C. Tính suất điện động nhiệtđiện của cặp nhiệt điện đó.

HD. Ta có: E = \(\alpha _{T}\)(T2 – T1) = 0,0195 V.

VD6. 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 sốnhiệt điện động của cặp nhiệt điện đó.

HD. Ta có: \(E=\alpha _{T}(T_{2}-T_{1})\rightarrow \alpha _{T}=\frac{E}{T_{2}-T_{1}}=42,5.10^{-6}V/K\)

VD7. 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 T = 42 µV/K để đo nhiệt độ của một lò nung với một mối hàn đặt trong không khí ở 200 C còn mối hàn kia đặt vào lò thì thấy milivôn kế chỉ 50,2 mV. Tính nhiệt độ của lò nung.

 HD. Ta có: \(E=\alpha _{T}(T_{2}-T_{1})\rightarrow T_{2}=\frac{E}{\alpha _{T}}+T_{1}=1488^{0}K=1215^{0}C\)