Tự ôn luyện dòng điện trong các môi trường theo chủ đề ( cực hay)

TỰ ÔN LUYỆN  DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG 

CHỦ ĐỀ 1: DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI

 LÝ THUYẾT CƠ BẢN:

I.  Bản chất dòng điện trong kim loại

Cấu trúc tinh thể của kim loại:

- Trong kim loại các nguyên tử mất electron hóa trị trở thành ion +, các ion + liên kế với nhau một cách trật tự tạo thành mạng tinh thể.

- Các êlectron hóa trị tách khỏi nguyên tử trở thành êlectron tự do (êlectron dẫn) với mật độ không đổi. Chúng chuyển động hỗn loạn tạo thành hạt tải điện trong kim loại

- Mật độ è tự do trong kim loại rất lớn nên kim loại dẫn điện tốt.

Bản chất của dòng điện trong kim loại:

    - Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các  êlectrôn tự do dưới tác dụng của điện trường.

II. Nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại:

- Khi chuyển động có hướng các êlectron tự do luôn bị “cản trở” do “va chạm” với chỗ mất trật tự của mạng (dao động nhiệt của các ion trong mạng tinh thể kim loại, các nguyên tử lạ lẫn trong kim loại, sự méo mạng tinh thể do biến dạng cơ) gây ra điện trở của kim loại.

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

Khi nhiệt độ tăng, dao động nhiệt của các ion + dao động mạnh hơn nên va chạm nhiều hơn, gây cản trở nhiều hơn, với êlectron chuyển động có hướng làm điện trở kim loại tăng.

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

r = r_o[(1 + \(\alpha\) (t – t_o)]

r_o: điện trở suất ở t_o (^oC), thường ở 20^oC (\(\Omega m\))

Hệ số nhiệt điện trở phụ thuộc vào nhiệt đô, độ sạch và chế độ gia công vật liệu (K^-1)

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

- Khi nhiệt độ giảm, dao động nhiệt của các ion dương trong mạng tinh thể của kim loại cũng giảm theo làm cho điện trở giảm.

- Khi T đến gần 0⁰K, điện trở của kim loại sạch đều rất nhỏ.

- Khi nhiệt độ \(T< T_{c}\) (nhiệt độ tới hạn) thì điện trở suất của vật dẫn giảm đột ngột xuống bằng 0 gọi là vật siêu dẫn

* Ứng dụng: Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra từ trường mạnh, tải điện bằng dây siêu dẫn thì hao phí

điện năng trên đường dây không còn nữa

V. Hiện tượng nhiệt điện

Cặp nhiệt điện là hai dây kim loại khác bản chất, hai đầu hàn vào nhau.

Khi nhiệt độ hai mối hàn T₁, T₂ khác nhau trong mạch xuất hiện suất điện động nhiệt điện \(\xi =\alpha _{T}(T_{1}-T_{2})\)

\(\alpha _{T}\) là hệ số nhiệt điện động phụ thuộc vào bản chất hai loại vật liệu làm cặp nhiệt điện. (VK^-1)

T₁, T₂ là nhiệt độ tuyệt đối của đầu nóng, đầu lạnh (K^-1).

Chú ý: T = 273+t⁰C

* Ứng dụng: Cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ

A. BÀI TẬP:

Sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ:

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

Bài 1: Đồng có điện trở suất ở 20⁰C là 1,69.10^–8 \(\Omega m\) và có hệ số nhiệt điện trở là 4,3.10 ^{– 3} (K ^–1).

a)     Tính điện trở suất của đồng khi nhiệt độ tăng lên đến 140⁰C.

b)    Khi điện trở suất của đồng có giá trị 3,1434.10 ^{– 8} \(\Omega m\) thì đồng có nhiệt độ bằng bao nhiêu ?      

Đs: 2,56.10^–8 m; 220⁰C                      

Giải:

………………………………………………………………………………………………………………………

Bài 2: Một bóng đèn tròn (220V – 40W) có dây tóc làm bằng kim loại. Điện trở của dây tóc bóng đèn ở 20⁰C là R₀ = 121 \(\Omega\). Hệ số nhiệt điện trở của dây tóc là 4,5.10 ^–3 (K ^–1). Tính nhiệt độ của dây tóc bóng đèn khi đèn sáng bình thường.

Đs: 2020⁰C

Giải:

………………………………………………………………………………………………………………………

Bài 3: ở nhiệt độ 20⁰C điện trở suất của hai  kim loại lần lượt là \(\rho _{1}\) = 10,5.10 ^{– 8} \(\Omega m\) và \(\rho _{2}\) = 5.10 ^{– 8} \(\Omega m\); còn hệ số nhiệt điện trở  của chúng lần lượt là \(\alpha _{1}\) = 2,5.10 ^–3 (K ^–1)  và \(\alpha _{2}\) = 5,5.10 ^–3 (K ^–1). Hỏi ở nhiệt độ nào thì  điện trở suất của chúng bằng nhau ?

Giải:

………………………………………………………………………………………………………………………

Bài 4: Một mối hàn của một cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động là 32,4 \(\mu\)V/K được đặt trong không khí, còn mối hàn kia được nung nóng đến nhiệt độ 330⁰C thì suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện này có giá trị là 10,044 mV.

a) Tính nhiệt độ của đầu mối hàn kia. 

b) Để suất nhiệt động nhiệt điện có giá trị 5,184mV thì phải tăng hay giảm nhiệt độ của mối hàn đang nung một lượng bao nhiêu ?

Đs:  20⁰C, 150⁰C 

Giải:

………………………………………………………………………………………………………………………

Bài 5: Một mối hàn của một cặp nhiệt điện có \(\alpha _{T}\) = 42 \(\mu\)V/K đặt trong không khí ở t₁ = 20⁰C, còn mối hàn kia được nung nóng đến nhiệt độ t₂ thì suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện này là 12,6 mV.

a) Tính nhiệt độ t₂ .

b) Tính suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện khi ở 520⁰C.

Giải:

………………………………………………………………………………………………………………………

CHỦ ĐỀ 2: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN

A.   LÝ THUYẾT CƠ BẢN:

1. Bản chất dòng điện trong chất điện phân

Dòng điện trong chất điện phân là dòng iôn dương và iôn âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau.

Ion dương chạy về phía catốt nên gọi là cation. Ion âm chạy về phía anốt nên gọi là anion.

2. Các hiện tượng diễn ra ở điện cực. Hiện tượng dương cực tan

+ Khi xảy ra hiện tượng điện phân, các ion tới điện cực trao đổi điện tích với các điện cực để trở thành nguyên tử hay phân tử trung hòa bám vào điện cực hay bay ra khỏi dung dịch hoặc gây các phản ứng hóa học phụ

+ Hiện tượng cực dương tan xảy ra khi điện phân một muối kim loại mà anôt làm bằng chính kim loại của muối ấy.

+ Bình điện phân dương cực tan không khác gì một điện trở nên cũng áp dụng đươc định luật Ôm cho đoạn mạch chỉ có điện trở 

3. Định luật Fa-ra-day

• Định luật Fa-ra-day thứ nhất

Khối lượng vật chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó : m = kq

Với k là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng ở điện cực

• Định luật Fa-ra-day thứ hai

Đương lượng điện hóa k của một nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam A/n của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là 1/F, trong đó F gọi là số Fa-ra-day: \(k=\frac{1}{F}.\frac{A}{n}\)

 \(\rightarrow\) Khối lượng của chất giải phóng ra ở điện cực bình điện phân \(m=\frac{1}{F}\frac{A}{n}It\)

Trong đó :

 m : Khối lượng (g); A: Số khối hay khối lượng mol nguyên tử

 I : Cường độ dòng điện (A); t: Thời gian dòng điện chạy qua (s)

 n : Hóa trị; F = 96500 C/mol: số Faraday

4. Ứng dụng hiện tượng điện phân

          Hiện tượng điện phân được áp dụng trong các công nghệ luyện kim, hóa chất, mạ điện, đúc điện…..

B. BÀI TẬP:

Công thức cần nhớ.

- Công thức Faraday:

- Thể tích của vật: V = S.d

- Khối lượng của vật: m = V.d = S.d.D \(\rightarrow d=\frac{m}{SD}\)

Chú ý: 1 mm = 10^-3 m; 1 cm = 10^-2 m; 1 cm² = 10^-4  m²; 1 mm = 10^-6 m; 1 g = 10^-3 kg

Bài 1: Chiều dày của lớp Niken phủ lên 1 tấm kim loại d = 0,1mm sau khi điện phân trong 1h. Diện tích mặt phủ của tấm kim loại là 60cm². Xác định cường độ dòng điện chạy qua bình điện phân. Cho biết Niken có khối lượng riêng D = 8.9.10³kg/m³, A = 58 và n = 2.  

ĐS: I = 4,94(A)

Giải:

………………………………………………………………………………………………………………………

Bài 2: Một bộ nguồn điện gồm 30pin mắc thành 3 nhóm nối tiếp, mỗi nhóm có 10pin mắc song song; mỗi pin có suất điện động bằng 0,9V và điện trở trong r = 0,6\(\Omega\). Một bình điện phân có điện trở R = 205\(\Omega\) được mắc vào 2 cực của bộ nguồn nói trên. Tính khối lượng đồng bám vào catốt của bình trong thời gian 50 phút.

ĐS: 0,013g.

Giải:

………………………………………………………………………………………………………………………

CHỦ ĐỀ 3: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ

1. Chất khí là môi trường cách điện:

     Chất khí không dẫn điện, vì phân tử khí trung hòa điện. Trong chất khí không có hạt tải điện.

2. Sự dẫn điện của chất khí trong điều kiện thường:

a) Sự ion hóa chất khí và tác nhân ion hóa

_Khi chất khí bị tác nhân ion hóa (đốt nóng bằng ngọn đèn ga, chiếu tia lửa điện,…) thì chất khí xuất hiện các hạt tải điện: ion âm, ion dương và các electron gọi là sự ion hóa chất khí

b) Bản chất dòng điện trong chất khí

Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm, các electron ngược chiều điện trường . Các hạt tải điện này do chất khí bị ion hóa sinh ra

c) Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí

- Quá trình dẫn điện của chất khí xảy ra khi phải dùng tác nhân ion hóa từ bên ngoài để tạo ra hạt tải điện gọi là quá trình dẫn điện không tự lực, khi ngừng tác nhân ion hóa thì chất khí không dẫn điện

- Quá trình dẫn điện không tực lực trong chất khí không tuân theo định luật Ohm.

3. Quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí và điều kiện để tạo ra quá trình dẫn điện tự lực

- Quá trình dẫn điện của chất khí có thể tự duy trì, không cần ta chủ động tạo ra hạt tải điện, gọi là quá trình dẫn điện (phóng điện) tự lực.

- Muốn có quá trình dẫn điện tự lực thì trong hệ gồm chất khí và các điện cực phải tự tạo ra các hạt tải điện mới để bù vào số hạt tải điện đi đến điện cực và biến mất

Có bốn cách chính tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí:

      + Dòng điện chạy qua chất khí làm nhiệt độ khí tăng rất cao, khiến phân tử khí bị ion hóa.

      + Điện trường trong chất khí rất lớn, khiến phân tử khí bị ion hóa ngay khi nhiệt độ thấp.

      + Catốt bị dòng điện nung nóng đỏ, làm phát xạ nhiệt electron.

      + Catốt không bị nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào, làm bật electron ra khỏi ca tốt và trở thành hạt tải điện.

4. Tia lửa điện và điều kiện tạo ra tia lửa điện

a) Định nghĩa

     Tia lửa điện là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí khi đặt giữa hai điện cực điện trường đủ mạnh để biến phân tử khí trung hòa thành ion dương và electron tự do

b) Điều kiện tạo ra tia lửa điện: Phải có điện trường đủ mạnh vào khoảng 3.10⁶V/m

c) Ứng dụng:

Tia lửa điện dùng trong động cơ nổ để đốt các hỗn hợp nổ (bugi)

Sét là tia lửa điện khổng lồ hình thành giữa đám mây mưa và mặt đất hoặc giữa các đám mây tích điện trái dấu. 

4. Hồ quang điện và điều kiện tạo ra hồ quang điện:

a) Định nghĩa

      Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp đặt giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn.

      Hồ quang điện có thể kèm theo tỏa nhiệt và tỏa sáng rất mạnh (nhiêt độ lên đến 3500^oC).

b) Điều kiện tạo ra hồ quang điện:

- Phải làm nóng điện cực để phát xạ nhiệt electron

- Điện trường phải mạnh làm ion hóa chất khí

c) Ứng dụng hồ quang điện: hàn điện, làm đèn chiếu sáng, nấu chảy kim loại