Hiện tượng siêu dẫn là gì? Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ – Vật lý 11 bài 13

Vậy các êlectron trong kim loại có đặc điểm gì và nó chi phối tính chất cảu dòng điện trong kim loại ra sao? Hiện tượng siêu dẫn là gì, nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào tới điện trở suất của kim loại? chúng ta cùng tìm hiểu qua nội dung bài viết này.

I. 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 hoá trị trở thành các ion dương. Các ion dương liên kết với nhau một cách có trật tự tạo thành mạng tinh thể kim loại. Chuyển động nhiệt của các ion có thể phá hủy trật tự này.

– Các electron hoá trị tách khỏi nguyên tử thành các electron tự do với mật độ n không đổi. Chúng chuyển động hỗn loạn tạo thành khí electron tự do choán toàn bộ thể tích của khối kim loại và không sinh ra dòng điện nào.

– Điện trường 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, là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại.

– Thuyết Electron về tính dẫn điện của kim loại cho thấy: Hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do. Mật độ của chúng rất cao nên chúng dẫn điện rất tốt.

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

* Bảng điện trở suất và hệ số nhiệt điện trở của một số chất:

Chất ρ0(Ω.m) α (K-1) Bạc 1,62.10-8 4,1.10-3 Bạch kim 10,6.10-8 3,9.10-3 Đồng 1,69.10-8 4,3.10-3 Nhôm 2,75.10-8 4,4.10-3 Sắt 9,68.10-8 6,5.10-3 Silic 0,25.104 -70.10-3 Vonfram 5,25.10-8 4,5.10-3

II. 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 t00C (thường ở 200C)

ρ: là điện trở suất ở nhiệt độ t0C

α: là hệ số nhiệt điện trở, đơn vị đo là K-1

III. Hiện tượng siêu dẫn, Điện trở của kim loại khi ở nhiệt độ thấp

– Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 00K , điện trở của kim loại sạch đều rất bé.

– Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng: Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn T thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. (Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn).

– Nhiệt độ tới hạn của một số chất siêu dẫn:

TT Tên vật liệu Tc(K) 1 Nhôm 1,19 2 Thủy ngân 4,15 3 Chì 7,19 4 Thiếc 3,72 5 Kẽm 0,85 6 Nb3Sn 18 7 Nb3Al 18,7 8 Nb3Ge 23 9 DyBa2Cu3O7 92,5 10 HgBa2Cu3O8 134

– Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn:

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

– Trong tương lai 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

– Hiện tượng nhiệt điện là hiện tượng xuất hiện dòng điện khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu dây dẫn.

– Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác loại nhau hàn dính lại với nhau, một mối hàn giữ ở nhiệt độ cao, một mối hàn ở nhiệt độ thấp. Khi có sự chênh lệnh nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ xuất hiện một suất điện động nhiệt điện ξ.

– Suất điện động nhiệt điện: ξ = αT(T1 – T2)

Trong đó: T1 – T2 là hiệu nhiệt độ ở đầu nóng và đầu lạnh (đơn vị K);

αT là hệ số nhiệt điện động (đơn vị V/K).

V. Bài tập về Dòng điện trong kim loại

* Bài 1 trang 78 SGK Vật Lý 11: Hạt tải điện trong kim loại là loại êlectron nào? Mật độ của chúng vào cỡ nào?

° Lời giải bài 1 trang 78 SGK Vật Lý 11:

– Hạt tải điện trong kim loại là êlectron tự do. Mật độ của chúng rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt.

* Bài 2 trang 78 SGK Vật Lý 11: Vì sao điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng?

° Lời giải bài 2 trang 78 SGK Vật Lý 11:

– Khi nhiệt độ tăng, các ion kim loại ở nút mạng tinh thể dao động mạnh. Do đó độ mất trật tự của mạng tinh thể kim loại tăng làm tăng sự cản trở chuyển động của êlectron tự do.

– Vì vậy, khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất của kim loại cũng tăng dẫn tới điện trở của kim loại tăng.

* Bài 3 trang 78 SGK Vật Lý 11: Điện trở của kim loại thường và siêu dẫn khác nhau như thế nào?

° Lời giải bài 3 trang 78 SGK Vật Lý 11:

¤ Sự khác nhau giữa điện trở của kim loại thường với chất siêu dẫn:

– Đối với kim loại thường: Khi nhiệt độ giảm thì điện trở suất của kim loại thường sẽ giảm đều theo hàm bậc nhất đối với nhiệt độ: ρ = ρ0.[1 + α.(t – t0)]

– Đối với chất siêu dẫn: Khi nhiệt độ giảm xuống thấp hơn nhiệt độ tới hạn TC thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0.

* Bài 4 trang 78 SGK Vật Lý 11: Do đâu mà trong cặp nhiệt điện có suất điện động?

° Lời giải bài 4 trang 78 SGK Vật Lý 11:

– Với một sợi dây dẫn kim loại có một đầu nóng và một đầu lạnh, thì chuyển động nhiệt của êlectron sẽ làm cho một số êlectron ở đầu nóng dồn về đầu lạnh. Khi đó đầu nóng tích điện dương, đầu lạnh tích điện âm. Giữa đầu nóng và đầu lạnh có một hiệu điện thế.

– Như vậy, cặp nhiệt điện gồm hai dây dẫn điện khác loại được hàn nối với nhau thành một mạch kín và hai mối hàn của nó được giữ ở hai nhiệt độ khác nhau (1 nóng – 1 lạnh). Điều này làm cho mạch sẽ xuất hiện một suất điện động gọi là suất điện động nhiệt điện.

* Bài 5 trang 78 SGK Vật Lý 11: Phát biểu nào là chính xác? Các kim loại đều:

A. dẫn điện tố,có điện trở suất không thay đổi

B. dẫn điện tốt, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ

C. dẫn điện tốt như nhau, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ

D.dẫn điện tốt, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ giống nhau.

° Lời giải bài 5 trang 78 SGK Vật Lý 11:

¤ Chọn đáp án: B. dẫn điện tốt, có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ.

* Bài 6 trang 78 SGK Vật Lý 11: Phát biểu nào là chính xác? Hạt tải điện trong kim loại là:

A. các êlectron của nguyên tử.

B. êlectron ở lớp trong cùng của nguyên tử.

C. các êlectron hóa trị đã bay tụ do ra khỏi tinh thể.

D. các êlectron hóa trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể.

° Lời giải bài 6 trang 78 SGK Vật Lý 11:

¤ Chọn đáp án: D. các êlectron hóa trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể.

– Hạt tải điện trong kim loại là các êlectron hóa trị chuyển động tự do trong mạng tinh thể.

* Bài 7 trang 78 SGK Vật Lý 11: Một bóng đèn 220V-100W khi sáng bình thường thì nhiệt độ của dây tóc đèn là 2000oC . Xác định điện trở của đèn khi thắp sáng và khi không thắp sáng, biết răng nhiệt độ môi trường là 20oC và dây tóc đèn làm bằng vonfam.

° Lời giải bài 7 trang 78 SGK Vật Lý 11:

– Điện trở của bóng đèn khi sáng bình thường (ở t = 2000oC):

– Mặt khác ta có: R = R0.[1 + α.(t – t0)]

⇒ Điện trở bóng đèn khi không thắp sáng (ở t0 = 20oC) là:

– Kết luận: R = 484(Ω); R0 = 48,84(Ω).

* Bài 8 trang 78 SGK Vật Lý 11: Khối lượng mol nguyên tử của đồng là 64.10-3 kg/mol. Khối lượng riêng của đồng là 8,9.103kg/m3. Biết rằng mỗi nguyên tử đồng đóng góp một êlectron dẫn.

a) Tính mật độ êlectron tự do trong đồng.

b) Một dây tải điện bằng đồng, tiết diện 10mm2 mang dòng điện 10A. Tính tốc độ trôi của êlectron dẫn trong dây dẫn đó.

° Lời giải bài 8 trang 78 SGK Vật Lý 11:

a) Ta xét 1(mol) đồng:

– Vì mỗi nguyên tử đồng đóng góp một êlectron dẫn nên số electron tự do trong 1 mol đồng là: Ne = NA = 6,02.1023 hạt

⇒ Khối lượng mol nguyên tử của đồng là m = 64.10-3 kg/mol

⇒ Thể tích của 1 mol đồng là:

– Mật độ êlectron tự do trong đồng bằng mật độ nguyên tử đồng:

b) Coi dây tải hình trụ có tiết diện S = 10mm2 = 10.10-6m2, thể tích của 1mol đồng là V (m3) thì chiều dài sợi dây là:

– Lượng điện tích chạy qua sợi dây trong thời gian Δt là: Δq = Ne.e (e là điện tích của 1 electron)

⇒ Cường độ dòng điện qua sợi dây là:

– Gọi v là vận tốc trôi của electron dẫn trong dây dẫn (vận tốc cuốn của electron theo điện trường).

– Kết luận: ne = 8,37.1028(m-3); v = 7,46.10-5(m/s).