Vật liệu dẫn điện như lõi dây bằng đồng thì điện trở của nó như thế nào

Vật liệu dẫn điện là gì?

Khi ở trạng thái bình thường, vật liệu dẫn điện (là các vật chất) mang điện tích tự do, các điện tích này sẽ chuyển động theo hướng xác định và tạo thành dòng điện khi ở trong một trường điện. Người ta gọi vật liệu đó có tính dẫn điện.

Vật liệu dẫn điện có thể là chất rắn, chất lỏng và trong một số điều kiện phù hợp có thể là chất khí.

Kim loại và hợp kim có tính dẫn điện tốt được sử dụng để chế tạo thành dây và

cáp điện như đồng, nhôm, thép …, còn các kim loại và hợp kim có điện trở suất lớn thường được sử dụng để chế tạo các thiết bị dùng để sưởi, đốt nóng như vonfram…

Đồng, nhôm, thép là kim loại có thuộc tính dễ gia công áp lực (nóng cũng như

nguội). Để có tính dẫn điện cao, các kim loại này cần có độ tinh khiết bắt buộc, trong các tạp chất cho phép không được có oxy. Các oxit kim loại làm giảm cơ lý tính của vật liệu.

Vật liệu dẫn điện như lõi dây bằng đồng thì điện trở của nó như thế nào

Cấu tạo của vật dẫn điện

Mục lục

  • 1 Định nghĩa
    • 1.1 Trường hợp lý tưởng
    • 1.2 Đại lượng vô hướng tổng quát
    • 1.3 Tenxơ điện trở suất
  • 2 Điện dẫn suất và hạt mang điện
    • 2.1 Quan hệ giữa mật độ dòng điện và vận tốc dòng điện
  • 3 Điện trở suất và điện dẫn suất của một số vật liệu
  • 4 Xem thêm
  • 5 Ghi chú
  • 6 Tham khảo
  • 7 Đọc thêm
  • 8 Liên kết ngoài

Định nghĩaSửa đổi

Trường hợp lý tưởngSửa đổi

Một miếng vật liệu có tiếp điểm điện ở hai đầu.

Trong trường hợp lý tưởng, thành phần vật lý và tiết diện của vật liệu được xem xét đồng đều trên toàn bộ vật mẫu, còn điện trường và mật độ dòng điện song song và không đổi. Nhiều điện trở và chất dẫn điện thực tế có tiết diện đồng đều, dòng điện không đổi, và được làm bằng một vật liệu duy nhất, nên mô hình này cũng tương đối chính xác. Trong trường hợp này, điện trở suất ρ có thể được tính bằng:

trong đó

R là điện trở của một mẫu vật liệu đồng đều là chiều dài mẫu vật liệu A là diện tích tiết diện của mẫu vật liệu

Cả điện trở và điện trở suất đều biểu diễn khả năng cản trở dòng điện của một chất, nhưng không như điện trở, điện trở suất là một tính chất bên trong. Điều này nghĩa là mọi dây dẫn bằng đồng nguyên chất (có cấu trúc tinh thể không bị biến dạng, v.v.), bất kể hình dạng và kích thước, đều có cùng điện trở suất, nhưng một dây đồng dài, mảnh có điện trở lớn hơn nhiều so với một dây đồng ngắn, dày. Mỗi vật liệu đều có điện trở suất của riêng nó. Ví dụ, cao su có điện trở suất cao hơn đồng rất nhiều.

Trong một tương quan thủy lực, dòng điện chạy qua vật liệu có điện trở suất cao giống như nước chảy qua một ống dẫn chứa cát— trong khi dòng điện chạy qua vật liệu có điện trở suất thấp giống như nước chảy qua một ống rỗng. Nếu các ống đều có cùng hình dạng và chiều kích, một ống dẫn nhiều cát sẽ cản trở dòng chảy nhiều hơn. Tuy nhiên, sự cản trở đó không hoàn toàn phụ thuộc vào việc ống có cát hay không, mà còn phụ thuộc và chiều dài và chiều rộng của ống: ống ngắn hay rộng cản trở kém hơn ống dài hoặc mảnh.

Phương trình trên có thể được biến đổi, cho ta định luật Pouillet (đặt tên theo Claude Pouillet):

Điện trở của một vật liệu tỷ lệ thuận với chiều dài nhưng tỉ lệ nghịch với diện tích tiết diện. Do đó đơn vị của điện trở suất có thể được biểu diễn bằng "ohmmét" (Ω⋅m)— tức ohm chia cho mét (cho chiều dài) rồi nhân cho mét vuông (cho diện tích tiết diện).

Điện dẫn suất, σ, là nghịch đảo của điện trở suất:

Điện dẫn suất có đơn vị SI là "siemens trên mét" (S/m).

Đại lượng vô hướng tổng quátSửa đổi

Trong những trường hợp kém lý tưởng hơn, ví dụ như hình dạng phức tạp, hoặc dòng điện và điện trường biến thiên ở những nơi khác nhau, cần sử dụng một biểu thức tổng quát hơn, trong đó điện trở suất tại một điểm được định nghĩa là tỉ số giữa điện trường và mật độ dòng điện tại điểm đó:

trong đó

ρ là điện trở suất của vật liệu E là độ lớn của điện trường, J là độ lớn của mật độ dòng điện,

trong đó EJ ở bên trong vật dẫn.

Tương tự, điện dẫn suất là nghịch đảo của điện trở suất, tức

Ví dụ, cao su là vật liệu có ρ lớn và σ nhỏ— điện trường dù rất lớn cũng khó tạo dòng điện bên trong nó. Ngược lại, đồng có ρ nhỏ và σ lớn— một điện trường nhỏ cũng có thể tạo ra dòng điện lớn chạy qua nó.

Trong trường hợp điện trường và mật độ dòng điện không đổi, từ công thức tổng quát ta có thể suy ra công thức lý tưởng ở trên.

Nếu điện trường không đổi, nó bằng hiệu điện thế trên toàn bộ vật dẫn V chia cho chiều dài vật dẫn :

Nếu mật độ dòng điện không đổi, nó bằng cường độ dòng điện chia cho diện tích tiết diện:

Thế các biểu thức cho EJ vào công thức tổng quát, ta được:

Theo định luật Ohm thì V/I=R nên ta có:

Tenxơ điện trở suấtSửa đổi

Khi điện trở suất của vật liệu có thành phần chỉ hướng, phải sử dụng định nghĩa tổng quát nhất, bắt đầu từ dạng vectơ-tenxơ của định luật Ohm, liên hệ giữa điện trường và cường độ dòng điện trong vật dẫn. Tuy là phương trình tổng quát, nhưng độ phức tạp khiến nó chỉ được sử dụng trong những trường hợp dị hướng, khi mà không thể dùng những định nghĩa đơn giản hơn.

Ở đây, dị hướng nghĩa là vật liệu có tính chất khác nhau theo những hướng khác nhau. Ví dụ, một tinh thể than chì gồm các lớp graphit xếp chồng lên nhau, và dòng điện chạy qua một lớp rất dễ dàng, nhưng chạy từ lớp này sang lớp khác thì khó hơn nhiều.[4] Trong những trường hợp đó, dòng điện không hoàn toàn chạy cùng hướng với điện trường, nên phương trình được tổng quát thành dạng tenxơ ba chiều:[5][6]

trong đó điện dẫn suất σ và điện trở suất σ là các tenxơ bậc 2, còn điện trường E và mật độ dòng điện J là các vectơ. Những tenxơ này có thể biểu diễn bằng ma trận 3×3, các vectơ bằng ma trận 3×1, và phép nhân ma trận cho vế phải của phương trình. Dạng ma trận của biểu thức trên là:

trong đó

E là vectơ điện trường, với các thành phần (Ex, Ey, Ez), σ là tenxơ điện trở suất, một ma trận 3×3, J là vectơ mật độ dòng điện, với các thành phần (Jx, Jy, Jz).

Sử dụng ký hiệu Einstein, điện trở suất có thể viết gọn lại thành:

Biểu thức của mỗi thành phần điện trường là:

Do hệ tọa độ có thể chọn tùy ý, quy ước thông dụng là chọn trục x song song với chiều dòng điện để Jy=Jz=0. Khi ấy:

Điện dẫn suất cũng được định nghĩa tương tự:[7]

hoặc bằng ký hiệu Einstein:

Cả hai đều cho ta:

Có thể thấy ρσ là các ma trận nghịch đảo của nhau. Tuy nhiên, trong trường hợp tổng quát, mỗi thành phần ma trận không nhất thiết là nghịch đảo của nhau; ví dụ như σxx không nhất thiết bằng 1/ρxx. Một ví dụ là hiệu ứng Hall, trong đó ρxy khác không. Trong hiệu ứng Hall, do bất biến quay quanh trục z, ρyy = ρxxρyx = −ρxy, nên quan hệ giữa điện trở suất và điện dẫn suất tinh giản thành:[8]

Nếu điện trường song song với dòng điện, ρxyρxz bằng không. Nếu chúng bằng không, chỉ cần ρxx để biểu diễn điện trở suất. Khi ấy ta có thể viết ρ, tương đương với những công thức đơn giản hơn.

Bài 8.4 trang 21 SBT Vật lý 9

Quảng cáo

Đề bài

Một dây dẫn bằng đồng có điện trở \(6,8Ω\) với lõi gồm \(20\) sợi đồng mảnh. Tính điện trở của mỗi sợi dây mảnh này, cho rằng chúng có tiết diện như nhau.

Phương pháp giải - Xem chi tiết

Vận dụng sự phụ thuộc của điện trở vào tiết diện dây dẫn: Điện trở của các dây dẫn có cùng chiều dài và được làm từ cùng một loại vật liệu thì tỉ lệ nghịch với tiết diện của dây.

\(\dfrac{{{S_1}}}{{{S_2}}} = \dfrac{{{R_2}}}{{{R_1}}}\) hay\(R_1S_1=R_2S_2\)

Lời giải chi tiết

Dây dẫn này có thể coi như gồm 20 dây dẫn mảnh giống nhau có cùng chiều dài, có tiết diện bằng 1/20 tiết diện của dây dẫn đầu và được mắc song song với nhau.

\( \Rightarrow {S_2} = \dfrac{1}{{20}}{S_1} \Leftrightarrow {S_1} = 20{{\rm{S}}_2}\)

Do điện trở của dây dẫn đồng loại, cùng chiều dài sẽ tỷ lệ nghịch với tiết diện:

\(\dfrac{{{R_1}}}{{{R_2}}} = \dfrac{{{S_2}}}{{{S_1}}} \Leftrightarrow {R_2} = \dfrac{{{R_1}{S_1}}}{{{S_2}}} = \dfrac{{{{\rm{R}}_1}.20{S_2}}}{{{S_2}}} \\= 20.6,8 = 136\Omega \)

Loigiaihay.com

Bài tiếp theo

Vật liệu dẫn điện như lõi dây bằng đồng thì điện trở của nó như thế nào

  • Bài 8.5 trang 22 SBT Vật lý 9

    Giải bài 8.5 trang 22 SBT Vật lý 9. Một dây nhôm dài l1=200m, tiết diện S1=1mm2 thì có điện trở R1=5,6Ω. Hỏi một dây nhôm khác tiết diện S2=2mm2 và điện trở R2=16,

  • Bài 8.6 trang 22 SBT Vật lý 9

    Giải bài 8.6 trang 22 SBT Vật lý 9. Để tìm hiểu sự phụ thuộc của điện trở dây dẫn vào tiết diện dây dẫn, cần phải xác định và so sánh điện trở của các dây dẫn có những đặc điểm nào?

  • Bài 8.7 trang 22 SBT Vật lý 9

    Giải bài 8.7 trang 22 SBT Vật lý 9. Một dây dẫn đồng chất có chiều dài l, tiết diện đều S có điện trở là 8Ω được gập đôi thành một dây dẫn mới có chiều dài l/2.

  • Bài 8.8 trang 22 SBT Vật lý 9

    Giải bài 8.8 trang 22 SBT Vật lý 9. Hai dây dẫn được làm cùng một vật liệu, dây thứ nhất dài hơn dây thứ hai 8 lần và có tiết diện lớn gấp 2 lần so với dây thứ hai.

  • Bài 8.9 trang 22 SBT Vật lý 9

    Giải bài 8.9 trang 22 SBT Vật lý 9. Một dây đồng dài 100m, có tiết diện 1mm2 thì có điện trở là 1,7Ω. Một dây đồng khác có chiều dài 200m,

  • Bài 35.1, 35.2, 35.3 trang 76 SBT Vật lí 9
Quảng cáo
Báo lỗi - Góp ý

1. Vật liệu dẫn điện là gì?

Vật liệu dẫn điện là một trong những vật liệu chúng ta sử dụng khá phổ biện hiện nay. Theo đó chúng ta có thể nắm bắt khái niệm vật liệu dẫn diện là gì ngay sau đây.

Vật liệu dẫn điện cho phép dòng điện chạy qua nó theo 1 hướng hoặc nhiều hướng khác nhau. Vật liệu dẫn điện có thể là chất rắn, chất lỏng và chất khí ở điều kiện nhất định. Trong tất cả các loại chất dẫn điện thì kim loại và hợp kim có tính dẫn điện cao nhất. Chúng thường được sử dụng để chế tạo ra dây điện, dây cáp điện như đồng, thép, nhôm…

Vật liệu dẫn điện như lõi dây bằng đồng thì điện trở của nó như thế nào
Vật liệu dẫn điện cho phép dòng điện chạy qua theo 1 hoặc nhiều hướng

Để đảm bảo tính dẫn điện, các kim loại và hợp kim phải có độ tinh khiết cao. Trong những tạp chất cho phép không được có oxy, các oxit kim loại. Bởi vì chúng làm giảm khả năng dẫn điện của sản phẩm.

So sánh dây đồng và nhôm

Chúng ta cùng tìm hiểu về ba loại dây dẫn dưới đây :

Dây dẫn thép

Thép dẫn điện kém, điện trở suất rất lớn. sắt nguyên chất có điện trở suất khoảng 0,098 Q.mm2/m, còn thép do chứa nhiều cacbon, nên điện trở suất đạt tới 0,130 Q.mm2/m.

Khi dùng dây thép trong mạch điện xoay chiều, do hiệu ứng mặt ngoài và hiện tượng từ trễ, điện trở tăng lên chừng 5-6 lần. Ngoài ra, dây thép hay bị ăn mòn trong không khí. Để hạn chế, người ta tráng lớp kẽm bên ngoài.

Ưu điểm cơ bản của dây thép là độ bền kéo rất lớn ơ = 1200 N/mm . Nó được sử dụng ở những nơi sông rộng, vực sâu và đôi khi để dẫn dòng điện công suất nhỏ đi khoảng cách gần. Dây thép dùng cho mạng điện nông thôn khá phù hợp.

Vật liệu dẫn điện như lõi dây bằng đồng thì điện trở của nó như thế nào

Ngoài ra, gần đây, người ta bắt đầu sản xuất loại dây dẫn andrê. Andrê là hợp kim của nhôm có pha một lượng nhỏ (chừng 1,2%). Magie và silic. Độ bền kéo của andrê có thể lớn gấp hai lần nhôm (tới 300 — 200 N/miĩT) còn điện trở suất chỉ tăng 10 – 12%.

Do đó, dùng dây anđrê cho các đường dây trên không có nhiều ưu điểm so với việc dùng dây nhôm.

Dây dẫn đồng

Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất vì nó dẫn điện chỉ kém bạc, mà lại dễ kiếm hơn bạc rất nhiều. Điện trở suất của đồng vào khoảng 0,173 Q.ĩĩim2s/m đối với đồng mềm và 0,017 – 0,018 Q.ĩĩim2s/m đốì với đồng cứng.

Độ bền kéo của đồng khá tốt, bằng 300 – 400 N/mm2(đồng cứng) và 180 — 220 N/mm2(đồng mềm). Dây đồng chịu được ảnh hưởng tác động của môi trường.

Đồng được cán và kéo thành sợi, gọi là đồng cứng, được dùng làm dây dẫn trần. Dây đồng cứng sau khi tôi mềm, dùng làm dây bọc.

Vật liệu dẫn điện như lõi dây bằng đồng thì điện trở của nó như thế nào

Đồng cũng là vật liệu quí, có tính chất hàng chiến lược. Ngoài ứng dụng làm dây dẫn, đồng còn là vật liệu dùng để tạo nhiều chi tiết máy quan trọng của thiết bị điện, các máy móc và trang bị công nghiệp cũng như quốc phòng.

Vì thế, việc sử dụng đồng làm dây dẫn cần hết sức tiết kiệm. Dây dẫn đồng đa phần được sử dụng trong dân dụng, trong các thiết bị điện, các hộ gia đình

Vật liệu dẫn điện như lõi dây bằng đồng thì điện trở của nó như thế nào
Ổn áp Standa 7,5KVA DR

>>> Tìm hiểu ngay ổn áp Standa 5KVA DR (90V-250V) dây đồng bảo hành 04 năm

Dây dẫn nhôm

Nhôm dẫn điện kém hơn đồng, điện trở suất vào khoảng 0,083 – 0,280 Q.mm2/m. Nhôm có đặc điểm là rất khó hàn và mối hàn lại không chắc chắn.

Độ tinh khiết của nhôm ảnh hưởng rất nhiều đến điện trỏ suất và tính chống ăn mòn của nó.

Nhôm dùng làm dây dẫn phải có độ tinh khiết 99,5%. Độ bền kéo của nhôm kém, đôi với nhôm cứng, độ bền kéo bằng 160 N/m2, còn ỏ nhôm mềm, độ bền kéo bằng 80 N/mm2.

Để tăng cao độ bền cho dây nhôm trần, người ta chế tạo loại dây nhôm lõi thép, gồm có một số sợi thép ở giữa làm lõi chịu kéo, xung quanh bện các dây nhôm làm vỏ ngoài dẫn điện.

Vật liệu dẫn điện như lõi dây bằng đồng thì điện trở của nó như thế nào

Dây nhôm lõi thép được sử dụng rất rộng rãi làm dây dẫn điện trên không.

Ưu điểm của nhôm là nhẹ, rẻ, khá bền vững trong không khí ít lẫn hơi hóa học ăn mòn. Nhôm nhẹ hơn đồng đến 2,5 lần, trong khi điện dẫn suất của nó bằng 60% của đồng, nên dễ dẫn cùng một dòng điện trên cùng một độ dài, dây nhôm giảm được hơn 30% khôi lượng so với đồng.

Nhôm là vật liệu rất dễ kiếm, và nước ta có khá nhiều quặng boxit để luyện nhôm.

Vì thế, việc sử dụng dây dẫn nhôm thay thế dây đồng có một ý nghĩa rất quan trọng, thường được sử dụng trong ngành điện lực để truyền tải điện năng.

1.Ưu điểm của dây dẫn đồng và dây dẫn nhôm

  • Dây dẫn đồng: có điện trở xuất nhỏ, dẫn điện tốt thứ 2 chỉ kém bạc do đó ít hao tổn về điện năng. Ngoài ra, đồng có khả năng chịu được các tác động của điều kiện môi trường. Vì vậy, đồng thường được dùng trong 1 số chi tiết máy móc quan trọng.
  • Dây dẫn nhôm: dẫn điện bằng 2/3 đồng nhưng lại nhẹ hơn 2,5 lần đồng, rẻ và bền vững ít bị ăn mòm trong không khí. Vì vậy các dây điện dài sử dụng nhôm làm dây dẫn sẽ giảm được 30% trọng lượng. Nhôm là vật liệu dễ kiếm hơn, nước ta cũng có khá nhiều quặng boxit.

2. Nhược điểmcủa dây đồng và dây nhôm

  • Dây dẫn Đồng: Đồng là vật liệu quá mang tính chất hàng chiến lược nên việc sử dụng đồng rất hạn chế, giá đồng khá cao. Đây là lí do tại sao các nhà sản xuất dây và cáp điện thường hạn chế sử dụng đồng để cắt giảm chi phí. Ngoài ra, dây đồng khá nặng nếu sử dụng làm dây dẫn đường dài sẽ phải sử dụng các cột điện to hơn.
Vật liệu dẫn điện như lõi dây bằng đồng thì điện trở của nó như thế nào
Dây dẫn đồng dẫn điện tốt hơn dây dẫn nhôm
  • Dây dẫn nhôm: nhômrất khó hàn nên các mối hàn bằng nhôm thường không bền, dây nhôm dễ bị đứt khi kéo vì vậy người ta thường làm dây nhôm có lõi thép ở giữa để tăng độ bền cho các đường dây điện trên cao.
Vật liệu dẫn điện như lõi dây bằng đồng thì điện trở của nó như thế nào
Dây dẫn điện đồng nguyên chất Tai Sin