Mật độ êlectron trong kim loại là gì

Bài toán cơ bản về dòng điện trong kim loại là những bài liên quan đến điện trở và điện trở suất. Bạn đọc hãy tìm hiểu những bài tập có lời giải chi tiết dưới đây để biết cách làm bài nhé.

• Lý thuyết và bài tập hay về dòng điện trong kim loại
• Tóm tắt lý thuyết và ví dụ dòng điện trong các môi trường khác

Xem thêm: Dòng điện trong kim loại

KIẾN THỨC HAY VỀ DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI

I – TÓM TẮT KIẾN THỨC

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

- Trong chuyển động, các êlectron tự do luôn va chạm với các ion ở nút mạng và truyền một phần động năng cho chúng. Sự va chạm này là nguyên nhân gây ra điện trở của dây dẫn kim loại.

- Cường độ dòng điện chạy qua một dây dẫn \[I=n_{0}.e.S.v\].

Trong đó:

n0 là mật độ êlectron tự do [hạt/m3 hay m-3].

e là điện tích của 1 electron [ e = 1,6.10-19C]

v là vận tốc trung bình của các e tự do [m/s].

S là tiết diện dây dẫn [m2].

- Điện trở dây dẫn :\[R=\frac{1}{n_{0}.e.\mu _{e}}.\frac{l}{S}=\rho .\frac{l}{S}\]

Trong đó:

l là chiều dài dây dẫn [m]

μe là độ linh động của êlectron tự do trong kim loại làm dây dẫn.

\[\rho\] là điện trở suất của kim loại [Ω.m].

S là tiết diện dây dẫn [m2]

- Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ:\[\rho =\rho _{0}[1+\alpha [t-t_{0}]]\]

a là hệ số nhiệt điện trở [đơn vị K-1]; \[\rho\]0 là điện trở suất ở 00C

- Vật liệu siêu dẫn là vật liệu có điện trở giảm đến 0 khi nhiệt độ T≤Tc. Trong đó Tc là nhiệt độ tới hạn của chất siêu dẫn.

- Suất điện động nhiệt điện: \[\xi\]= aT [T1 – T2]

II – MỘT SỐ LƯU Ý KHI GIẢI BÀI TẬP

- Tính các đại lượng có liên quan đến chuyển động có hướng của êlectrôn tự do trong kim loại. Áp dụng công thức:\[I=n_{0}.e.S.v;\Delta q=I.\Delta t\]

- Chiều dịch chuyển có hướng của e tự do ngược với chiều của dòng điện.

- Ngoài ra, còn sử dụng các công thức:\[n_{0}=\frac{N}{V} ; R=\rho .\frac{l}{S} ; \rho =\rho _{0} [1+\alpha [t-t_{0}]]\] hay\[R=R_{0} [1+\alpha [t-t_{0}]];R=\frac{U^{2}}{P}\]

Ví dụ 1: Một dây dẫn bằng đồng, đường kính tiết diện là d = 2mm, có dòng điện cường độ I = 5A chạy qua. Cho biết mật độ êlectrôn tự do là n0 = 8,45.1028m-3. Hãy tính vận tốc trung bình của các êlectrôn trong chuyển động có hướng của chúng?

Giải:

Xét trong khoảng thời gian ∆t, các êlectrôn dịch chuyển qua tiết diện S được một đoạn là ∆s = v.∆t.

=>Điện tích chuyển qua tiết diện S trong khoảng thời gian ∆t là:\[\Delta q=N.e=n_{0}.V.e=n_{0}.S.v.\Delta t.e\]

Do đó cường độ dòng điện là: \[I=\frac{\Delta q}{\Delta t}=n_{0}.S.v.e\]

Thay số vào ta được:

Ví dụ 2: Một bóng đèn [220V – 100W] khi sáng bình thường thì nhiệt độ dây tóc là 25000C. Xác định điện trở của đèn khi thắp sáng bình thường và khi không thắp sáng, biết rằng nhiệt độ môi trường là 200C. Cho biết: dây tóc được làm bằng vônfram [a = 4,5.10-3K-1].

Giải:

- Điện trở của đèn khi thắp sáng:

ADCT:\[R_{s}=\frac{U^{2}}{P}=\frac{220^{2}}{100}=484\Omega\]

- Điện trở của đèn khi không thắp sáng:

Ta có: Rs = R0.[1 + [2500 – 20].a] và Rt = R0. Do đó:

III – LUYỆN TẬP

Câu 10.1. Chứng minh công thức xác định cường độ dòng điện I chạy qua dây dẫn kim loại có dạng I = e.n.S.v, trong đó e là độ lớn của điện tích êlectron, n là mật độ êlectron trong kim loại, S là tiết diện của dây kim loại và v là vận tốc trôi của êlectron.

Câu 10.2. Một dây bạch kim ở 200C có điện trở suất \[\rho\]0 = 10,6.10-8Ω.m. Tính điện trở suất \[\rho\]của bạch kim ở nhiệt độ 10200C. Hệ số nhiệt điện trở a = 3,9.10-3K-1.

Câu10.3. Nối cặp nhiệt điện đồng – constantan với một milivôn kế thành một mạch kín. Nhúng mối hàn thứ nhất vào nước đá đang tan, mối hàn thứ hai vào nước sôi thì milivôn kế chỉ 4,25mV. Tính hệ số nhiệt điện động aT?

Câu10.4. Khối lượng nguyên tử của đồng là 64g/mol, khối lượng riêng của đồng là 8,9.103kg/m3. Biết mỗi nguyên tử đồng giải phóng 2 êlectrôn dẫn.

a] Tính mật độ êlectron trong đồng.

b] Một dây điện bằng đồng có tiết diện 30mm2, mang dòng điện 40A. Tính tốc độ chuyển động của êlectrôn trong dây dẫn đó?

Câu10.5. Để mắc dây tải điện từ điểm A đến điểm B ta cần phải dụng 1500kg dây nhôm. Nếu thay dây nhôm bằng dây sắt mà vẫn giữ nguyên chất lượng truyền điện thì ta chỉ phải dùng bao nhiêu kg dây sắt. Cho biết khối lượng riêng của nhôm là 2700kg/m3, của sắt là 7800kg/m3; điện trở suất của nhôm là 2,75.10-8Ω.m, của sắt là 9,68.10-8Ω.m.

Câu10.6. Một dây dẫn nhôm có nguyên tử khối là 27g/mol và khối lượng riêng là 2700kg/m3, điện trở suất 2,75.10-8Ω.m. Biết nhôm có hoá trị 3 và mỗi nguyên tử nhôm giải phóng 3 êlectrôn dẫn. Tính mật độ êlectrôn tự do của nhôm?

Câu10.7. Một bóng đèn [220V – 75W] khi sáng bình thường thì nhiệt độ dây tóc là 20000C. Xác định điện trở của đèn khi thắp sáng bình thường và khi nhiệt độ của dây tóc là 5000C. Cho biết dây tóc được làm bằng vônfram [a = 4,5.10-3K-1].

Câu10.8. Một dây dẫn bằng đồng, đường kính tiết diện là d = 1mm, có dòng điện chạy qua với vận tốc 0,12mm/s. Cho biết mật độ êlectrôn tự do là n0 = 8,45.1028 êlectrôn/m3. Hãy tính cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn? Phải dùng một hiệu điện thế 110V để cung cấp dòng điện trong dây dẫn đó, tính chiều dài dây đồng trên? Cho \[\rho\]đồng = 1,7.10-8W.m.

Câu10.9. Một bóng đèn [220V – 75W] có dây tóc làm bằng Vonfram. Điện trở của dây tóc bóng đèn ở 200C là R0 = 121Ω. Tính nhiệt độ t của dây tóc bóng đèn khi đèn sáng bình thường. Cho hệ số nhiệt điện trở là [a = 4,5.10-3K-1].

Câu10.10. Dây tóc bóng đèn [220V – 100W] khi sáng bình thường nhiệt độ của nó là 24850C có điện trở lớn gấp 12,1 lần so với điện trở của nó ở 200C. Tính hệ số nhiệt điện trở a và điện trở R0 của bóng đèn ở 200C.

Câu10.11. Cho bảng số liệu về sự phụ thuộc của suất điện động của cặp nhiệt điện sắt - constantan vào hiệu nhiệt độ của hai đầu mối hàn. Tính hệ số nhiệt điện động αT của cặp nhiệt điện này?

Tất cả nội dung bài viết. Các em hãy xem thêm và tải file chi tiết dưới đây:

Tải về

Luyện Bài tập trắc nghiệm môn Vật lý lớp 11 - Xem ngay

Lý thuyết dòng điện trong kim loại

Quảng cáo

I. Bản chất của dòng điện trong kim loại

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

- Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron dưới tác dụng của điện trường.

- Chuyển động nhiệt của mạng tinh thể cản trở chuyển động của hạt tải điện làm cho điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ. Đến gần 0oK, điện trở của kim loại rất nhỏ.

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

Thí nghiệm chứng tỏ điện trở suất p của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất:

\[\rho = {\rho _0}\left[ {1 + \alpha \left[ {t - {t_0}} \right]} \right]\]

Trong đó:

+ ρ0là 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 và chế độ gia công của vật liệu đó.

III. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp

- Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 0oK điện trở của kim loại sạch đều rất bé.

- Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn Tcthì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang 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 dây không còn nữa.

IV. Hiện tượng nhiệt điện

- Thuyết êlectron về tính dẫn điện của kim loại còn cho thấy, nếu sợi dây kim loại có một đầu nóng và một đầu lạnh, thì chuyển động nhiệt của êlectron sẽ làm cho một phần êlectron tự do ở đầu nóng dồn về đầu lạnh. Đầu nóng sẽ tích điện dương, đầu lạnh tích điện âm.

- Giữa đầu nóng và đầu lạnh có một hiệu điện thế nào đấy. Nếu lấy hai dây kim loại khác loại nhau và hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữa ở nhiệt độ cao, một mối hàn ở nhiệt độ thấp, thì hiệu điện thế ở đầu nóng và đầu lạnh của từng dây không giống nhau, khiến trong mạch có một suất điện động ξ.ξ được gọi là suất điện động nhiệt điện, và bộ hai dây dẫn hàn hai đầu và nhau gọi là cặp nhiệt điện:

ξ =αt[T1 – T2]

Trong đó:

+ T1– T2là hiệu nhiệt điện ở đầu nóng và đầu lạnh

+ αt là hệ số nhiệt điện động, phụ thuộc vào bản chất của hai loại vật liệu dùng làm cặp nhiệt điện.

- Suất điện động nhiệt điện tuy nhỏ nhưng rất ổn định theo thời gian và điều kiện thí nghiệm, nên cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ.

Sơ đồ tư duy về dòng điện trong kim loại

Bài tiếp theo

• Câu C1 trang 75 SGK Vật lý 11

  Giải Câu C1 trang 75 SGK Vật lý 11

• Câu C2 trang 76 SGK Vật lý 11

  Giải Câu C2 trang 76 SGK Vật lý 11

• Bài 1 trang 78 SGK Vật lí 11

  Giải bài 1 trang 78 SGK Vật lí 11. Hạt tải điện trong kim loại là loại êlectron nào? Mật độ của chúng vào cỡ nào?

• Bài 2 trang 78 SGK Vật lí 11

  Giải bài 2 trang 78 SGK Vật lí 11. Vì sao điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng?

• Bài 3 trang 78 SGK Vật lí 11

  Giải bài 3 trang 78 SGK Vật lí 11. Điện trở của kim loại thường và siêu dẫn khác nhau như thế nào?

• Lý thuyết Từ trường của dòng điện chạy trong các dây dẫn có hình dạng đặc biệt
• Lý thuyết từ thông, cảm ứng điện từ
• Lý thuyết tự cảm
• Lý thuyết suất điện động cảm ứng

Quảng cáo

Luyện Bài Tập Trắc nghiệm Lí lớp 11 - Xem ngay

Báo lỗi - Góp ý

Dòng điện trong kim loại là gì?

Kim loại là một chất dẫn điện tốt và có điện trở suất rất nhỏ. Dòng điện trong kim loại thực chất là sự dịch chuyển của các electron tự do.

Khái niệm dòng điện trong kim loại

Dòng điện trong kim loại chính là một dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới ảnh hưởng của điện trường. Hệ số của nhiệt điện trở không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà nó còn phụ thuộc vào cả độ tinh khiết và chế độ gia công của vật liệu đó. Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại sẽ giảm liên tục.

Bản chất của dòng điện trong kim loại

Các nguyên tử trong khối kim loại khi bị mất electron hoá trị sẽ trở thành các ion dương. Các ion dương này sẽ tự liên kết với nhau một cách trật tự, tạo thành một mạng tinh thể trong kim loại. Khi mạng tinh thể này càng trở nên mất trật tự thì sự chuyển động của các ion sẽ càng mạnh.

Các electron hoá trị sau khi tách khỏi nguyên tử sẽ trở thành các electron tự do với mật độ n không đổi [n là hằng số]. Chúng chuyển động một cách hỗn loạn tạo ra khí electron tự do.

Dòng điện được sinh ra khi điện trường được sinh ra bởi nguồn điện đẩy khí Electron trôi ngược chiều điện trường.

Trong kim loại sự đảo lộn trật tự của các tinh thể sẽ cản trở đến chuyển động của electron tự do. Đây là nguyên nhân tạo nên điện trở kim loại. Hay nói cách khác dòng điện trong kim loại được sinh ra trong điều kiện có sự va chạm của các electron tự do với các ion dương của mạng tinh thể. Sự biến dạng tinh thể do biến dạng cơ học và các nguyên tử lạ lẫn bên trong kim loại sẽ khiến điện trở của kim loại thay đổi.

Từ thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại cho chúng ta thấy tất cả hạt tải điện trong kim loại đều là electron tự do. Kim loại dẫn điện rất tốt vì mật độ của chúng rất cao. Rất nhiều tính chất khác của dòng điện ở trong kim loại cũng có thể suy ra từ thuyết electron này. Tóm lại, dòng điện trong kim loại là sự chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của môi trường điện trường.

Dòng điện trong kim loại là gì ? Vật lý lớp 7, lớp 11 với nội dung đầy đủ, chi tiết

admin.ta

22 Tháng Tám, 2021

0

Dòng điện trong kim loại trong Vật lý được định nghĩa như thế nào ? Hãy cùng Đồng Hành Cho Cuộc Sống Tốt Đẹp khám phá ngay những nội dung vô cùng thú vị dưới bài viết này nhé !

Tham khảo bài viết khác:

• Phương trình cân bằng nhiệt Vật Lý lớp 8 là gì ? Bài tập có lời giải chi tiết
• Nhiệt lượng là gì ? Công thức tính nhiệt lượng là gì ? Đặc điểm và bài tập

Bản chất của dòng điện trong kim loại

1. Trong kim loại, các nguyên tử bị mất êlectron hoá trị trở thành các ion dương.

+ Các ion dương liên kết với nhau một cách trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại.

+ Chuyển động nhiệt của các ion càng mạnh, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự

2. Các êlectron hoá trị tách khỏi nguyên tử, trở thành các êlectron tự do với mật độ n không đổi [n = hằng số]. Chúng chuyển động hỗn loạn tạo thành khí êlectron tự do choán toàn bộ thể tích của khối kim loại và không sinh ra dòng điện nào

3. Điện trường do nguồn điện ngoài sinh ra, đẩy khí êlectron trôi ngược chiều điện trường, tạo ra dòng điện

4. Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của êlectron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở kim loại. Các loại mất trật tự thường gặp là chuyển động nhiệt của các ion trong mạng tinh thể, sự méo mạng tinh thể do biến dạng cơ học và các nguyên tử lạ lẫn trong kim loại. Điện trở của kim loại rất nhạy cảm với các yểu tố trên.

Thuyết êlectron về tính dẫn điện của kim loại cho thấy hạt tải điện trong kim loại là êlectron tự do. Mật độ của chúng rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt. Nhiều tính chất khác của dòng điện trong kim loại cũng có thể suy ra từ thuyết này.

Vậy, dòng điện trong kim loại là chuyển dời có hướng của các êlectron tự do dưới tác dụng của điện trường

công thức dòng điện trong kim loại | Dương Lê

04/09/2021 01:29 818

Nội dung bài viết