Chuyên đề: Dòng điện trong kim loại (VẬT LÝ 11)

Chuyên đề: Dòng điện trong kim loại VẬT LÝ 11Lý thuyết: Dòng điện trong kim loại Dạng 1:Cách tính điện trở của dây dẫn kim loại Trắc nghiệm: Tính điện trở của dây dẫn kim loại Dạng 2:Sự

Chuyên đề: Dòng điện trong kim loại (VẬT LÝ 11)

Lý thuyết: Dòng điện trong kim loại

Dạng 1:Cách tính điện trở của dây dẫn kim loại

Trắc nghiệm: Tính điện trở của dây dẫn kim loại

Dạng 2:Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ

Trắc nghiệm: Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ

Dạng 3:Hiện tượng nhiệt điện, Suất điện động nhiệt điện

Trắc nghiệm: Hiện tượng nhiệt điện, Suất điện động nhiệt điện

60 bài tập trắc nghiệm Dòng điện trong kim loại có đáp án chi tiết (phần 1)

60 bài tập trắc nghiệm Dòng điện trong kim loại có đáp án chi tiết (phần 2)

Chuyên đề: Dòng điện trong kim loại

Lý thuyết: Dòng điện trong kim loại

Lý thuyết: Dòng điện trong kim loại

A Tóm tắt lý thuyết

1 Bản chất của dòng điện trong kim loại

Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại:

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

Hình 1.1 Mạng tinh thể tạo bởi các ion dương sắp xếp có trật tự và các electron tự

do chuyển động hỗn loạn

+ Các ion dương liên kết với nhau một cách có trật tự tạo thành mạng tinh thểkim loại

+ Các ion dương dao động nhiệt xung quanh nút mạng

- Các electron hóa trị tách khỏi nguyên tử thành các electron tự do với mật độ nkhông đổi Chúng chuyển động hỗn loạn tạo thành khí electron tự do

- Điện trường E→ do nguồn điện ngoài sinh ra đẩy khí electron trôi ngược chiều

điện trường, tạo ra dòng điện

- Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do, lànguyên nhân gây ra điện trở của kim loại

- Hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do Mật độ của chúng rất cao nênkim loại dẫn điện rất tốt

⇒ Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự dodưới tác dụng của điện trường.

2 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: ρ =ρ0[1 + α(t - t0)]

Trong đó:

+ ρ0 là điện trở suất ở nhiệt độ t0oC (thường ở 20oC)

+ ρ là điện trở suất ở nhiệt độ toC

+ 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 vàchế độ gia công của vật liệu đó

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

của kim loại sạch đều rất bé

- Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn Tc thìđiện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0 Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyểnsang trạng thái siêu dẫn

- Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn:

+ Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh.

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

4 Hiện tượng nhiệt điện

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

Electron khuếch tán từ đầu nóng qua đầu lạnh làm đầu nóng tích điện dương

- Suất điện động nhiệt điện:

E = αT(T1 - T2)

Trong đó:

+ T1 là nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ cao hơn (K) + T2 là nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ thấp hơn (K) + αT là hệ số nhiệt điện động (V/K)

- Cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ.Dạng 1:Cách tính điện trở của dây dẫn kim loại

A Phương pháp & Ví dụ

Điện trở của vật dẫn có thể được tính theo công thức:

Trong đó:

• ρ là điện trở suất (Ω.m)

• l là chiều dài vật dẫn (m)

• S là tiết diện thẳng của dây dẫn (m2)

Ví dụ 1: Một đường ray xe điện bằng thép có diện tích tiết diện bằng 56 cm2 Hỏiđiện trở của đường ray dài 10 km bằng bao nhiêu ? cho biết điện trở suất của thép

Hướng dẫn:

Gọi d1 và d2 là đường kính của dây sắt và dây đồng

Gọi S1 và S2 là diện tích tiết diện của dây sắt và dây đồng.

Điện trở của hai dây lần lượt là:

Hai dây có cùng điện trở và chiều dài nên:

Từ (1) và (2) ta có:

Ví dụ 4: Một biến trở con chạy có điện trở lớn nhất là 150Ω Dây điện trở của biến

a) Tính số vòng dây của biến trở này

b) Biết dòng điện lớn nhất mà dây có thể chịu được là 2A Hỏi có thể đặt vào haiđầu dây này một hiệu điện thế lớn nhất là bao nhiêu để biến trở không bị hỏng.Hướng dẫn:

a) Ta có:

Chiều dài của dây là:

+ Chiều dài một vòng quấn: C = 2πR = πd = 0,0785m

b) Điện trở lớn nhất của biến trở là R0 = 150Ω Nên hiệu điện thế lớn nhất có thểđặt vào biến trở là: Umax = Imax.R0 = 2.150 = 300V

B Bài tập

Bài 1 Một dây đồng dài l1 = 1m Tìm chiều dài l2 của dây nhôm để hai dây đồng

Từ (1) và (2)

Bài 2 Một dây nhôm dạng hình trụ tròn được quấn thành cuộn có khối lượng 0,81

khối lượng riêng và điện trở suất lần lượt là 2,7 g/cm3 và 2,8.10-8 Ω.m

Hiển thị lời giải

+ Thể tích của cuộn dây:

+ Chiều dài của dây nhôm:

+ Điện trở của dây cuộn dây nhôm:

Bài 3 Hai vật được chế tạo cùng một vật liệu và có chiều dài bằng nhau Vật dẫn

A là một dây đặc có đường kính 1 mm Vật dẫn B là một ống rỗng có đường kínhngoài 2 mm và đường kính trong 1 mm Hỏi tỉ số điện trở RA / RB đo được giữahai đầu của chúng là bao nhiêu?

Hiển thị lời giải

Điện trở của hai dây lần lượt là:

Hai dây dẫn cùng vật liệu và chiều dài nên:

Từ (1) và (2) ta có:

Bài 4 Để mắc đường dây tải điện từ địa điểm A đến địa điểm B ta cần 1000 kg

2,82.10 – 8 Ω.m mà vẫn đảm bảo chất lượng truyền điện thì phải dùng bao nhiêu

2700 kg/m3

Hiển thị lời giải

Đường dây tải truyền từ A đến B nên có cùng chiều dài: l1 = l2 = 1

Khối lượng dây đồng cần để truyền từ A đến B: m1 = D1V1 = D1l1S1 (1)

Khối lượng dây nhôm cần để truyền từ A đến B: m2 = D2V2 = D2l2S2 (2)

Từ (1) và (2) ta có:

Điện trở của dây đồng:

Điện trở của dây nhôm:

Muốn thay dây đồng bằng dây nhôm mà vẫn đảm bảo chất lượng truyền điện thìđiện trở trên đường dây truyền từ A đến B phải bằng nhau:

Thay (4) vào (3) ta được:

Thay số ta được:

Trắc nghiệm: Tính điện trở của dây dẫn kim loại

Câu 1 Nguyên nhân gây ra hiện tượng toả nhiệt trong dây dẫn khi có dòng điệnchạy qua là:

A Do năng lượng của chuyển động có hướng của electron truyền cho ion(+) khi

va chạm

B Do năng lượng dao động của ion (+) truyền cho eclectron khi va chạm

C Do năng lượng của chuyển động có hướng của electron truyền cho ion (-) khi

va chạm

D Do năng lượng của chuyển động có hướng của electron, ion (-) truyền cho ion(+) khi va chạm

Hiển thị lời giải

Câu 2 Nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại là:

A Do sự va chạm của các electron với các ion (+) ở các nút mạng

B Do sự va chạm của các ion (+) ở các nút mạng với nhau

C Do sự va chạm của các electron với nhau

Câu 3 Phát biểu nào sau đây là không đúng?

A Hạt tải điện trong kim loại là electron

B Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm nếu nhiệt độ trong kim loạiđược giữ không đổi

C Hạt tải điện trong kim loại là iôn dương và iôn âm

D Dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại gây ra tác dụng nhiệt

Hiển thị lời giải

Chọn C

Hạt tải điện trong kim loại là electron Hạt tải điện trong chất điện phân là iondương và ion âm.

Câu 4 Phát biểu nào sau đây là đúng?

Khi cho hai thanh kim loại có bản chất khác nhau tiếp xúc với nhau thì:

A Có sự khuếch tán electron từ chất có nhiều electron hơn sang chất có ít electronhơn

B Có sự khuếch tán iôn từ kim loại này sang kim loại kia

C Có sự khuếch tán eletron từ kim loại có mật độ electron lớn sang kim loại cómật độ electron nhỏ hơn

D Không có hiện tượng gì xảy ra

Hiển thị lời giải

Chọn C

Khi cho hai thanh kim loại có bản chất khác nhau tiếp xúc với nhau thì có sựkhuếch tán eletron từ kim loại có mật độ electron lớn sang kim loại có mật độelectron nhỏ hơn

Câu 5 Chọn phát biểu sai

A Kim loại là chất dẫn điện tốt

B Dòng điện trong kim loại luôn tuân theo định luật Ôm

C Dòng điện qua dây dẫn kim loại gây ra tác dụng nhiệt

D Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ

Hiển thị lời giải

Chọn B

Khi nhiệt độ xuống cực thấp thì dòng điện trong kim loại không tuân theo địnhluật Ohm

Câu 6 Có một lượng kim loại xác định dùng làm dây dẫn Nếu làm dây với đườngkính 1 mm thì điện trở của dây là 16 Ω Nếu làm bằng dây dẫn có đường kính 2

mm thì điện trở của dây thu được là

Câu 7 Người ta cần một điện trở 100 Ω bằng một dây nicrom có đường kính 0,4

mm Điện trở suất nicrom ρ = 110.10-8 Ωm Đoạn dây phải dùng có chiểu dàibằng

Chọn B.

Ta có:

trở của một dây cùng chất dài 4 m, tiết diện 0,5 mm2 là

Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ

A Phương pháp & Ví dụ

+ Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật ôm:

+ Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất: ρ =ρ0[1 + α(t - t0)] , với ρ0 là điện trở suất của kim loại ở t0 oC

r0[1 + α(t - t0)] , với R0: điện trở ở t0 oC; α (K-1): hệ số nhiệt của điện trở

Ví dụ 1: Một dây đồng có điện trở R1 = 2 Ω ở 20oC Sau một thời gian có dòng

Hướng dẫn:

Ví dụ 2: Một thanh than và một thanh sắt có cùng tiết diện thẳng mắ nối tiếp Tìm

tỉ số chiều dài của hai thanh để điện trở của mạch này không phụ thuộc nhiệt độ.Than có ρ1 = 4.10-5 Ωm, α1 = -0,8.10-3 K-1; sắt có ρ2 = 1,2.10-7 Ωm, α2 = -0,6.10-3 K-

Muốn R không phụ thuộc nhiệt độ thì: α1R01 + α2R02 = 0

Ví dụ 3: Một bóng đèn 220V – 100W khi sáng bình thường thì nhiệt độ của dây

4,5.10-3 K-1

Hướng dẫn:

+ Điện trở của dây tóc bóng đèn khi thắp sáng:

+ Điện trở của dây tóc bóng đèn khi không thắp sáng:

R = R0[1 + α(t - t0)]

Ví dụ 4: Dây tóc bóng đèn 220V – 200W khi sáng bình thường ở 2500oC có điện

nhiệt độ này tăng bậc nhất theo nhiệt độ

Hướng dẫn:

+ Điện trở của dây tóc bóng đèn khi đèn sáng bình thường:

Coi rằng điện trở của dây tóc bóng đèn trong khoảng nhiệt độ này tăng bậc nhấttheo nhiệt độ nên ta có:

R = R0[1 + α(t - t0)]

+ Theo đề:

Ví dụ 5: Một bóng đèn loại 220V – 40W làm bằng vonfram Điện trở của dây tóc

Coi điện trở suất của vonfram trong khoảng nhiệt độ này tăng bậc nhất theo nhiệtđộ với hệ số nhiệt điện trở α = 4,5.10-3 K-1

Hướng dẫn:

+ Điện trở của bòng đèn khi đèn sáng bình thường:

+ Ta có: R = R0[1 + α(t - t0)]

B Bài tập

Bài 1 Dựa vào quy luật phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất của dây kim loại, tìmcông thức xác định sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở R của một dây kim loại cóđộ dài l và tiết diện S Giả thiết trong khoảng nhiệt độ ta xét, độ dài và tiết diệncủa dây kim loại không thay đổi

Hiển thị lời giải

+ Ta có: ρ = ρ0[1 + α(t - t0)]

+ Vì coi chiều dài l và S là không đổi nên ta có:

+ Mà:

Vậy: R = R0[1 + α(t - t0)]

khoảng nhiệt độ này tăng bậc nhất theo nhiệt độ

Hiển thị lời giải

+ Điện trở của dây tóc bóng đèn khi đèn sáng bình thường:

+ Ta có: R = R0[1 + α(t - t0)]

+ Theo đề:

Bài 3 Khi hiệu điện thế giữa hai cực bóng đèn là U1 = 20mV thì cường độ dòng

bình thường, hiệu điện thế giữa hai cực bóng đèn là U2 = 240V thì cường độ dòngđiện chạy qua đèn là I2 = 8A Coi điện trở suất của dây tóc bóng đèn trong khoảng

Nhiệt độ t2 của dây tóc đèn khi sáng bình thường là:

Hiển thị lời giải

+ Điện trở của dây tóc bóng đèn khi nhiệt độ là t1 = 25o C là:

+ Điện trở của dây tóc bóng đèn khi nhiệt độ là t2 là:

+ Sự phụ thuộc điện trở của vật dẫn vào nhiệt độ: R2 = R1[1 + α(t2 - t1)]

Bài 4 Đồng có điện trở suất ở 20oC là 1,69.10–8 Ω.m và có hệ số nhiệt điện trở là4,3.10-3 (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 Ω.m thì đồng có nhiệt độbằng bao nhiêu?

Hiển thị lời giải

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

ρ = ρ0[1 + α(t - t0)] = 1,69.10-8[1 + 4,3.10-3(140 - 20)] ⇒ ρ = 2,56.10-8(Ω.m)

b) Ta có: ρ = ρ0[1 + α(t - t0)]

tăng thêm 4000C thì điện trở của dây kim loại là 53,6

a) Tính hệ số nhiệt điện trở của dây kim loại

Bài 6 Dây tỏa nhiệt của bếp điện có dạng hình trụ ở 20oC có điện trở suất ρ =

a) Tính điện trở của sợi dây ở nhiệt độ trên

200oC

Hiển thị lời giải

a) Điện trở của dây dẫn:

+ Vì dây hình trụ nên:

Trắc nghiệm: Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ

Câu 1 Khi nhiệt độ của dây kim loại tăng, điện trở của nó sẽ

A Giảm đi B Không thay đổi

C Tăng lên D Ban đầu tăng lên theo nhiệt độ nhưng sau đó lại giảm dần.Hiển thị lời giải

C Q = I2Rt D ρ = ρ0(1 + α.t)

Hiển thị lời giải

Chọn D

Câu 3 Khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất của thanh kim loại cũng tăng do:

A Chuyển động vì nhiệt của các electron tăng lên

B Chuyển động định hướng của các electron tăng lên

C Biên độ dao động của các ion quanh nút mạng tăng lên

D Biên độ dao động của các ion quanh nút mạng giảm đi

Hiển thị lời giải

Chọn C

Khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất của thanh kim loại cũng tăng do biên độ daođộng của các ion quanh nút mạng tăng lên

Điện trở của sợi dây đó ở 100o C là:

Câu 5 Một sợi dây bằng nhôm có điện trở 120Ω ở nhiệt độ 20oC, điện trở của sợi

A 4,8.10-3K-1 B 4,4.10-3K-1

C 4,3.10-3K-1 D 4,1.10-3K-1

Hiển thị lời giải

Chọn A

Câu 6 Để xác định được sự biến đổi của điện trở theo nhiệt độ ta cần các dụng cụ:

A Ôm kế và đồng hồ đo thời gian

B Vôn kế, ampe kế, cặp nhiệt độ

C Vôn kê, cặp nhiệt độ, đồng hồ đo thời gian

D Vôn kê, ampe kế, đồng hồ đo thời gian

Hiển thị lời giải

Chọn B

Để xác định được sự biến đổi của điện trở theo nhiệt độ ta cần các dụng cụ: vôn

kế, ampe kế, cặp nhiệt độ

Câu 7 Điện dẫn suất σ của kim loại và điện trở suất ρ của nó có mối liên hệ mô tảbởi đồ thị nào dưới đây?

Hiển thị lời giải

Chọn D

Điện trở suất càng nhỏ thì độ dẫn điện càng tăng.

trở α = 4,5.10-2K-1 Ở nhiệt độ 20oC thì điện trở của dây này là

mV thì cường độ dòng điện qua đèn là I1 = 8 m Khi sáng bình thường, hiệu điệnthế giữa hai cực của bóng đèn là U2 = 240 V thì cường độ dòng điện chạy qua đènlà I2 = 8 A Biết hệ số nhiệt điện trở của dây tóc làm bóng đèn là α = 4,2.10-3 K-1.Nhiệt độ của dây tóc bóng đèn khi đèn sáng bình thường là

A 2699oC B 2426 oC

Dạng 3:Hiện tượng nhiệt điện, Suất điện động nhiệt điện

Suất điện động nhiệt điện

A Phương pháp & Ví dụ

Biểu thức suất điện động nhiệt điện: ζ = αT(T1 - T2) = αT (to 1 - t o 2)

Trong đó:

+ αT là hệ số nhiệt điện động (μV/K)

+ T1 và T2 lần lượt là nhiệt độ của đầu nóng và đầu lạnh

Ví dụ 1: Một mối hàn của cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động αT = 6,5 μV/K

b) Để suất điện động nhiệt điện là 2,6 mV thì nhiệt độ t2 là bao nhiêu?

Hướng dẫn:

a) Suất điện động nhiệt điện khi t2 = 200oC:

E = αT(T2 - T1) = 6,5(200 - 20) = 1170(μV) = 1,17(mV)

b) Ta có: E = αT(T2 - T1) = αT (to 2 - t o 1)

Ví dụ 2: Một mối hàn của cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động αT = 65 μV/K

Hướng dẫn:

Đáp án: E = αT(T2 – T1) = 0,0195 V

Ví dụ 3: Một mối hàn của cặp nhiệt điện nhúng vào nước đá đang tan, mối hàn kiađược nhúng vào hơi nước sôi Dùng milivôn kế đo được suất nhiệt điện động củacặp nhiệt điện là 4,25 mV Tính hệ số nhiệt điện động của cặp nhiệt điện đó

Hướng dẫn:

Ví dụ 4: Nhiệt kế điện thực chất là một cặp nhiệt điện dùng để đo nhiệt độ rất caohoặc rất thấp mà ta không thể dùng nhiệt kế thông thường để đo được Dùng nhiệt

kế điện có hệ số nhiệt điện động αT = 42 μV/K để đo nhiệt độ của một lò nung với

milivôn kế chỉ 50,2 mV Tính nhiệt độ của lò nung

Hướng dẫn:

B Bài tập

Bài 1 Một mối hàn của một cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động là 32,4 μV/K

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 trong không khí

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

Hiển thị lời giải

a) Ta có: E = αT(T2 - T1) = αT(to 2 - t o 1)

b) Ta có: E = αT(T2 - T1) = αT(to 2 - t o 1)

150o

Bài 2 Cặp nhiệt điện Sắt – Constantan có hệ số nhiệt điện động αT = 50,4 μV/K

điện kế G là

Hiển thị lời giải

+ Suất nhiệt điện động: ET = αT|T2 - T1| = 50,4(327 - 27) = 15120(μV) =15,12(mV)

+ Dòng điện qua điện kế:

Bài 3 Hai dây dẫn có hệ số nhiệt điện trở α1, α2 ở 0oC có điện trở R01, R02 Tìm hệ

số nhiệt điện trở chung của hai dây khi chúng mắc:

a) Nối tiếp

b) Song song

Hiển thị lời giải

Điện trở 2 dây dẫn ở nhiệt độ t: R1 = R01(1 + α1t); R2 = R02(1 + α2t) (với α1t, α2t <<1)

hai dây dẫn Điện trở chung của hai dây dẫn ở nhiệt độ t là: R = R0(1 + αt) (1)a) Khi mắc nối tiếp: R = R1 + R2 = R01(1 + α1t) + R02(1 + α2t)

⇒ R = (R01 + R02) + (R01α1 + R02α2)t

Từ (1) và (2) suy ra:

b) Khi mắc song song: