Bài 27A: Xác định điện trở suất của vật dẫn
MỤC ĐÍCH
Xác định điện trở suất của kim loại làm nên dây dẫn điện, khảo sát sự phụ thuộc của điện trở dây dẫn theo chất liệu, chiều dài và tiết diện.
ĐIỆN TRỞ SUẤT
Một dây dẫn hình trụ với tiết diện không đổi có điện trở được tính theo công thức:
\[R=\rho\frac{l}{A},\tag{1}\]
trong đó \(\rho\) – điện trở suất, \(l\) – chiều dài dây dẫn, \(A\) – tiết diện dây dẫn. Với dây tiết diện tròn:
\[A=\frac{\pi d^2}{4},\]
với \(d\) – đường kính dây.
NGUYÊN LÝ PHÉP ĐO
Đối tượng khảo sát là sợi dây dẫn điện tiết diện đều, làm từ hợp kim ni-crôm, đấu với nguồn điện theo sơ đồ mạch bên dưới.
Ni-crôm có thành phần chính gồm ni-ken và crôm, cùng một số phụ gia khác như sắt, man-gan, si-lic… Hợp kim này có điện trở suất cao, nằm trong khoảng \(1.0 –1.5\cdot 10^{-6}\,\mathrm{\Omega m}\), không rỉ sét và chịu được nhiệt độ cao. Do đó ni-crôm thường được dùng để chế tạo các thiết bị gia nhiệt như lò nung, máy sấy, các thiết bị tiếp xúc nhiệt. Ni-crôm cũng được sử dụng để chế tạo các điện cực hàn, các sợi đốt, cắt gỗ.
Nguồn có chiết áp giúp điều chỉnh dòng điện \(I\) chạy trong dây ni-crôm \(AB\). Am-pe kế mắc nối tiếp với dây ni-crôm để quan sát dòng điện \(I\) qua sợi dây. Vôn kế giúp đo hiệu điện thế \(U\) trên đoạn dây \(AC\), với đầu \(A\) cố định, còn đầu \(C\) có thể di chuyển dọc theo sợi dây để chọn lấy chiều dài \(l\) bất kì. Điện trở trên mỗi đoạn dây dài \(l\) như thế tính theo chỉ số của vôn kế và am-pe kế:
\[R=\frac{U}{I}.\tag{2}\]
Từ đó suy ra điện trở suất theo công thức (1):
\[\rho=R\frac{\pi d^2}{4l}.\tag{3}\]
QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM
Đảm bảo mạch điện có cấu tạo như hình 1. Lưu ý rằng đầu COM của vôn kế kẹp cố định vào chốt \(A\) của mạch, đầu đo còn lại tạm thời để tự do.
Ta sẽ tiến hành thí nghiệm với 3 giá trị dòng điện khác nhau qua dây dẫn. Mỗi trường hợp lập bảng dữ liệu như bên dưới. Các giá trị \(I\) lấy từ giáo viên và ghi vào bảng số liệu.
Bảng 1: Số liệu thực nghiệm
\[ \text{\(I=\ldots\)}\\ \begin{array}{c|c|c|c} \hline \text{\(l\) (cm)} & \text{\(U\) (V)} & \text{\(R\,(\Omega)\)} & \text{\(\rho\,(\Omega m)\)} \\ \hline \text{5} & & & \\ \hline \text{10} & & & \\ \hline \text{15} & & & \\ \hline … & & \\ \hline \end{array}\\ \text{\(\overline{\rho}=\ldots\)} \]Ta sẽ đo hiệu điện thế trên đoạn dây \(AC\) có chiều dài \(l\) lần lượt bằng 5cm, 10cm… cho đến hết dây. Để đo hiệu điện thế này, cần chạm đầu đo tự do của vôn kế lên dây ni-crôm, cách đầu \(A\) một đoạn \(l\)
XỬ LÝ DỮ LIỆU
Từ các giá trị dòng điện và hiệu điện thế trong bảng dữ liệu, tính điện trở của mỗi đoạn dây dài \(l\) theo công thức (2):
\[R=\frac{U}{I}.\]
Tính điện trở suất theo công thức (3):
\[\rho=R\frac{\pi d^2}{4l}.\]
Tính giá trị trung bình của \(\rho\) và sai số.
CÂU HỎI KIỂM TRA
- Nêu nguyên lý đo điện trở suất của dây dẫn.
- Tại sao các điện trở chịu nhiệt, cả trong thí nghiệm này, cần làm từ kim loại có điện trở suất cao?
- Ni-crôm là gì? Hãy kể ra vài ứng dụng của nó.