giải bài tập vật lý 1 cơ bản chương 04

Cường độ dòng điện là đại lượng đo bằng thương số của điện lượng ∆ q dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian nhỏ ∆ t và khoảng thời gian đó: q I t ∆ ∆ Trong

Chương 4: NHỮNG ĐỊNH LUẬT CỦA DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI

Bài 19: DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI - NGUỒN ĐIỆN

Chiều quy ước của dòng điện là chiều dịch chuyển của các điện tích dương.

Trong dây dẫn kim loại chiều dòng điện ngược với chiều dịch chuyển của các electron.

Cường độ dòng điện là đại lượng đo bằng thương số của điện lượng ∆ q dịch chuyển qua tiết diện

thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian nhỏ ∆ t và khoảng thời gian đó:

q I t

∆

∆

Trong thực tế có khi dòng điện không đổi là dòng điện một chiều.

b) Đơn vị cường độ dòng điện

Trong hệ SI: cường độ dòng điện là ampe, ký hiệu A.

mA miliampe A

A microampe A

c) Đo cường độ dòng điện

Người ta dùng ampe kế để đo cường độ dòng điện.

Quy tắc dùng ampe kế:

+ Chọn ampe kế có giới hạn đo và thang đo thích hợp.

+ Mắc ampe kế nối tiếp với vật dẫn cần đo cường độ dòng điện.

+ Mắc ampe kế vào mạch sao cho dòng điện đi vào chốt dương của ampe kế và đi ra chốt âm của ampe kế.

3 Nguồn điện

Nguồn điện là thiết bị tạo ra hiệu điện thế nhằm duy trì dòng điện trong mạch.

Nguồn điện luôn có hai cực là cực dương (+) và cực âm (-); giữa hai cực đó có duy trì một hiệu điện thế.

Khi ta nối hai cực của nguồn điện bằng một vật dẫn, tạo thành mạch kín, thì trong mạch có dòng điện Các electron từ cực âm của nguồn điện chạy qua vật dẫn đến cực dương Bên trong nguồn điện các hạt tải điện ngoài lực Coulomb thì còn chịu tác dụng của lực lạ Lực lạ có tác dụng duy trì dòng điện trong mạch kín.

Bên trong nguồn điện các hạt tải điện đi từ cực âm đến cực dương, chuyển động này ngược với chiều của lực điện trường giữa hai cực.

Do đó phải có nguồn năng lượng bên trong nguồn điện, nguồn năng lượng này tạo ra lực lạ đó là hóa năng trong pin, acquy, năng lượng bức xạ Mặt Trời (pin Mặt Trời), …

4 Suất điện động của nguồn điện

Suất điện động của nguồn điện là đại lượng đo bằng thương số của công A mà nguồn thực hiện để làm dịch chuyển điện tích dương q trong mạch kín: ξ =A q

Đơn vị: von, ký hiệu V.

Bên trong suất điện động có điện trở gọi là điện trở trong của nguồn điện.

5 Một số nguồn điện

a) Pin

Pin Volta là nguồn điện được chế tạo đầu tiên và duy trì khá lâu.

Pin thông dụng hiện nay là pin Leclanché Pin có cực âm là kẽm, cực dương là thanh than bao bọc xung quanh bằng một hỗn hợp đã nén chặt gồm mângn dioxit MnO2 và graphit để khử cực và tăng độ dẫn điện Dung dịch điện phân là dung dịch amoni clorua Suất điện động của pin khoảng 1,5 V.

Để tiện dùng người ta chế tạo pin Leclanché dưới dạng pin khô Khi đó dung dịch NH4Cl được trộn với một loại hồ đặc rồi đóng vào trong một vỏ pin bằng kẽm, vỏ pin này là cực âm.

Cường độ dòng điện là đại lượng đo bằng thương số của điện lượng ∆ q dịch chuyển qua tiết diện

thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian nhỏ ∆ t và khoảng thời gian đó: I q

Chiều quy ước của dòng điện là chiều dịch chuyển của các điện tích dương.

2 Nêu các tác dụng của dòng điện.

+ Tác dụng từ: đây là tác dụng của mọi dòng điện.

3 Nguồn điện là gì ? Nêu định nghĩa suất điện động của nguồn điện.

Hướng dẫn

Nguồn điện là thiết bị tạo ra hiệu điện thế nhằm duy trì dòng điện trong mạch.

Suất điện động của nguồn điện là đại lượng đo bằng thương số của công A mà nguồn thực hiện để làm dịch chuyển điện tích dương q trong mạch kín: ξ =A q

Đơn vị von, ký hiệu V.

Bên trong suất điện động có điện trở gọi là điện trở trong của nguồn điện.

B.2 Bài tập

1 Tính số electron đi qua tiết diện thẳng của một dây dẫn kim loại trong 1 giây nếu có điện lượng 15 C

chuyển qua tiết diện đó trong 30 giây.

Hướng dẫn

Cường độ dòng điện qua dây dẫn:

19 19

2 Một điện lượng 6,0 mC dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong khoảng thời gian 2,0 s

Tính cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn này.

3 Trong khoảngt thời gian đóng công tắc để chạy một tủ lạnh thì cường độ dòng điện trung bình đo

được là 6 A Khoảng thời gian đóng công tắc là 0,50 s Tính điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn nối với động cơ tủ lạnh.

4 Suất điện động của một pin là 1,5 V Tính công của lực lạ khi dịch chuyển điện tích + 2 C từ cực âm

tới cực dương bên trong nguồn điện.

Hướng dẫn

Công của lực lạ: A = ξ q = 1,5.2 3 = J .

Bài 20: ĐỊNH LUẬT OHM – SỰ THUỘC CỦA ĐIỆN TRỞ VÀO NHIỆT ĐỘ

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Định luật Ohm – Điện trở - Đặc tuyến Volt – Ampe của vật dẫn

a) Định luật Ohm – Điện trở

- Phát biểu định luật Ohm: Cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch đó.

R đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của vật.

- Định luật Ohm chỉ đúng với các vật dẫn kim loại, than chì và dung dịch điện phân với cực dương tan

b) Đặc tuyến Volt – Ampe của vật dẫn

- Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của I và U được gọi là đặc tuyến Volt – Ampe (hay đường đặc trưng Volt – Ampe) của vật dẫn.

- Đối với vật dẫn kim loại ở nhiệt độ không đổi, đặc tuyến Volt – Ampe là đoạn thẳng Nếu đặc tuyến Volt – Ampe kế là đường cong thì điện trở R = U/I có trị số khác nhau đối với các giá trị khác nhau của U và điện trở của vật phụ thuộc hiệu điện thế U đặt vào đó.

2 Điện trở của vật dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ

Bằng thực nghiệm, người ta thiết lập được hệ thức biểu thị sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở suất

và điện trở của kim loại.

ρ ρ tương ứng là trị số của điện trở suất và điện trở ở 00C và ở nhiệt độ t.

α là hệ số nhiệt của điện trở, đơn vị K-1.

Điện trở suất ρ và hệ số α của một số vật liệu

- Khi nhiệt độ hạ xuống dưới một nhiệt độ TC nào đó, điện trở của kim loại (hay hợp kim) đó giảm đột ngột đến giá trị bằng không.

- Hiện tượng này gọi là hiện tượng siêu dẫn Hiện tượng siêu dẫn được ứng dụng trên nhiều lĩnh vực: tạo nam châm điện, …

Vật siêu dẫn có điện trở bằng không, vì vậy nó có thể duy trì dòng điện trong một thời gian dài.

Có tính chất này nên vật siêu dẫn được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật: chế tạo nam châm điện có thể tạo ra từ trường mạnh trong một thời gian dài.

Bài 21: ĐIỆN NĂNG VÀ CÔNG SUẤT ĐIỆN – ĐỊNH LUẬT JOULE – LENZ

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Công và công suất của dòng điện ở một đoạn mạch điện – Định luật Joule – Lenz

a) Công và công suất của dòng điện

Công suất của dòng điện ở một đoạn mạch điện: P=UI

Công dòng điện sinh ra trên đoạn mạch: A=Pt=UIt

b) Định luật Joule – Lenz

Nhiệt lượng tỏa ra trên một vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trở của vật dẫn, với bình phương cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua.

2

Q=RI t

2 Công và công suất của nguồn điện

a) Công và công suất của nguồn điện

Công của nguồn điện: A= ξq= ξIt

Công suất của nguồn điện: P ξI

b) Hiệu suất của nguồn điện

'

P H P

=

3 Công suất của các dụng cụ tiêu thụ điện

a) Công suất của dụng cụ tỏa nhiệt

Điện năng tiêu thụ: 2 U2

q

ξ =

- Nếu q = 1 C thì ξ = ' A ' Như vậy suất phản điện của máy thu điện được xác định bằng điện năng mà dụng cụ chuyển hóa thành dạng năng lượng khác (không phải nhiệt năng) khi có một đơn vị điện tích dương chuyển qua máy.

- Đơn vị: V.

- Khi máy thu điện là nguồn điện đang được nạp điện thì suất phản điện có trị số bằng suất điện động của nguồn lúc phát điện, dòng điện nạp đi vào cực dương của máy thu điện.

c) Điện năng và công suất tiêu thụ của máy thu điện

Điện năng tiêu thụ của máy thu điện trong thời gian t: A=A' +Q' = ξ 'It+r I t' 2 =UIt

Với:

Q’: điện năng cung cấp cho máy chuyển hóa thành nhiệt ở điện trở r’ của máy.

A’: phần điện năng còn lại.

U: hiệu điện thế đặt vào máy thu điện.

Công suất của máy thu điện: P A 'I r I' 2

t ξ

Trong đó: P ' = ξ ' I là công suất có ích của máy thu điện.

d) Hiệu suất của máy thu điện

Hiệu suất của máy thu điện: H 1 r'I

U

= −

U: hiệu điện thế đặt vào máy thu điện.

I: dòng điện đi qua máy thu điện.

Dòng điện chạy trong vật siêu dẫn không gây ra tác dụng nhiệt vì điện trở của vật siêu dẫn bằng không.

3 Suất phản điện của máy thu điện là gì ?

Hướng dẫn

Xem phần 3b mục tóm tắt lý thuyết.

4 Cùng một dòng điện chạy qua dây dẫn và dây tóc bóng đèn Tại sao dây tóc thì nóng đến sáng trắng

mà dây dẫn lại hầu như không nóng lên?

Hướng dẫn

Cùng một dòng điện chạy qua dây dẫn và dây tóc của bóng đèn nhưng điện trở của dây tóc rất lớn còn điện trở của dây dẫn nhỏ nên công suất tỏa nhiệt (P = RI2) trên dây tóc lớn làm nó nóng đến sáng trắng còn dây dẫn hầu như không nóng lên.

B.2 Bài tập

1 Hai bóng đèn có công suất định mức lần lượt là 25 W và 100 W đều làm việc bình thường ở hiệu

điện thế 110 V Hỏi:

a) Cường độ dòng điện qua bóng đèn nào lớn hơn?

b) Điện trở của bóng đèn nào lớn hơn?

c) có thể mắc nối tiếp hai bóng đèn này vào mạng điện có hiệu điện thế 220 V được không? Đèn nào sẽ

Vậy dòng điện qua bóng đèn có công suất 100 W lớn hơn bóng có công suất định mức 50 W.

b) Điện trở của hai bóng:

2 Hai bóng đèn có các hiệu điện thế định mức lần lượt là U1 = 110 V ; U2 = 220 V Tìm tỉ số các điện trở của chúng nếu công suất định mức của hai bóng đó bằng nhau.

3 Để bóng đèn loại 120 V – 60 W sáng bình thường ở mạng điện có hiệu điện thế là 220 V, người ta

mắc nối tiếp với nó một điện trở phụ R Tìm điện trở phụ đó.

4 Tính điện năng tiêu thụ và công suất điện khi dòng điện có cường độ 1 A chạy qua dây dẫn trong 1

giờ, biết hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn này là 6 V.

Hướng dẫn

Điện năng tiêu thụ : A = UIt = 6.1.3600 = 21600 J.

5 Trên nhãn của một ấm điện có ghi 220 V – 1000 W.

a) Cho biết ý nghĩa các số ghi trên đây.

b) Sử dụng ấm điện với hiệu điện thế 220 V để đun sôi 2 lít nước từ nhiệt độ 250 C Tính thời gian đun nước, biết hiệu suất của ấm là 90 % và nhiệt dung riêng của nước là 4190 J/kgK.

Hướng dẫn

a) 220 V là hiệu điện thế định mức của ấm điện ; 1000 W là công suất định mức của ấm điện.

b) Muốn đun sôi 2 lít nước từ 250C cần nhiệt lượng :

6 Một nguồn điện có suất điện động là 12 V Khi mắc nguồn điện thành mạch điện kín thì nó cung cấp

một dòng điện có cường độ là 0,8 A Tính công của nguồn điện này sinh ra trong thời gian 15 phút và tính công suất của nguồn điện khi đó.

Bài 22 : ĐỊNH LUẬT OHM ĐỐI VỚI CÁC LOẠI MẠCH ĐIỆN

2 Định luật Ohm cho toàn mạch

Đối với một mạch điện kín gồm nguồn điện ξ và điện trở R: I

R r

ξ

= +

Định luật Ohm cho toàn mạch : Cường độ dòng điện trong mạch kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở tổng cộng của mạch.

3 Định luật Ohm đối với đoạn mạch chứa máy thu điện

Xét đoạn mạch AB có chứa máy thu điện ( ξ ', ' r ) và điện trở R Hiệu điện thế hai đầu mạch là UAB = U,

* Chú ý: dòng điện đi vào cực dương của máy thu điện.

4 Hệ thức tổng quát của định luật Ohm đối với các loại mạch điện

Xét đoạn mạch AB có pin (acquy), ta có định luật Ohm cho các loại mạch điện:

ξ < : khi IAB chạy qua pin (acquy) từ cực dương đến cực âm.

5 Mắc điện trở phụ trong các dụng cụ đo điện

- Mắc sơn cho ampe kế (Rs song song Rg): (1 g)

g s

R

I I

R

I : cường độ dòng điện đi vào ampe kế; Ig: dòng điện đi vào điện kế.

- Mắc điện trở phụ cho vôn kế (Rp nối tiếp với Rg): (1 p)

p g

B.1 Câu hỏi

1 Thiết lập định luật Ohm cho đoạn mạch chứa nguồn điện và cho đoạn mạch chứa máy thu điện.

Hướng dẫn

+ Đoạn mạch chứa nguồn điện:

Xét mạch điện kín gồm nguồn điện ξ và các điện trở R, R1 mắc nối tiếp.

Giả sử trong thời gian t có điện lượng q chuyển qua mạch Nguồn điện đã thực hiện công: A q = ξ ξ = It .

Cũng trong thời gian t đó, nhiệt lượng tỏa ra ở điện trở R, R1 và r là: 2 2

1

Q = R R I t rI t + + . Theo định luật Bảo toàn năng lượng, ta có:

ξ ξ

Đó là định luật Ohm cho đoạn mạch AB có chứa nguồn điện.

+ Đoạn mạch chứa máy thu điện:

Xét đoạn mạch AB có chứa máy thu điện ( ξ',r'), hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế

UAB = U.

Công suất điện cung cấp cho mạch: P = UABI

Công suất P gồm hai phần ξ'I là công suất có ích, ( r R I'+ ) 2 là công suất tỏa nhiệt.

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng: 2

Đó là định luật Ohm cho đoạn mạch AB chứa máy thu điện.

2 Thiết lập định luật Ohm cho đoạn mạch điện kín gồm một nguồn điện ( ξ , r ), một máy thu điện (

do nguồn điện cung cấp, tức là:

B.2 Bài tập

1 Một nguồn điện có điện trở trong 0,1 Ω được mắc nối tiếp với điện trở 4,8 Ω thành mạch kín Khi

đó hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện là 12 V Tính suất điện động của nguồn và cường độ dòng điện trong mạch.

Hướng dẫn

Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn: 12 2,5 ( )

4,8

AB AB

U

R

Định luật Ohm cho mạch kín: ξ = + ( r R I ) = (0,1 4,8).2,5 12, 25 ( ) + = V

2 Một bộ acquy được nạp điện với cường độ dòng nạp điện là 3 A và hiệu điện thế đặt vào hai cực của

bộ acquy là 12 V Xác định điện trở trong của bộ acquy, biết suất phản điện của bộ acquy khi nạp điện bằng 6 V.

a) Tính cường độ dòng điện chạy trong mạch và suất điện động của nguồn điện.

b) Tính công suất của mạch ngoài và công suất của nguồn điện khi đó.

Suất điện động của nguồn: ξ = UN+ = Ir 8, 4 0,6.1 9 + = V .

b) Công suất của mạch ngoài: PN = R IN 2 = 14.0,62 = 5,04 W .

Công suất của nguồn điện: PN = ξ I = 9.0,6 5, 4 = W .

4 Điện trở trong của một acquy là 0,06 Ω và trên vỏ của nó ghi 12 V Mắc vào hai cực của acquy này một bóng đèn có ghi 12 V – 5 W.

a) Hãy chứng tỏ rằng bóng đèn khi đó gần như gần như sáng bình thường và tính công suất tiêu thụ điện thực tế của bóng đèn khi đó.

b) Tính hiệu suất của nguồn điện trong trường hợp này.

U R P

Cường độ dòng điện định mức của đèn: 0

5

0, 4167 12

Nhận xét: I ≈ I0 nên đèn hầu như sáng bình thường.

Công suất tiêu thụ thực tế của đèn : P = R0.I2 = 28,8.0,4162 = 4,98 W.

b) Hiệu suất của nguồn:

a) Tính công suất tiêu thụ của mỗi bóng đèn.

b) Nếu tháo bỏ một bóng đèn thì bóng đèn còn lại sáng mạnh hai yếu so với trước đó.

Hướng dẫn

a) Vì hai bóng mắc song song nên điện trở tương đương của mạch ngoài : 6 3

1 2 D.1 6.0,3 0,54

P = P = R I = = W .

b) Nếu tháo bỏ một bóng đèn thì điện trở của mạch ngoài là RD = 6 Ω

Cường độ dòng điện qua đèn : ' 6 2 3 0,375

Bài 23: CÁCH GHÉP NGUỒN ĐIỆN

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Ghép nối tiếp

+ Ghép nối tiếp:

Ta có suất điện động tương đương: ξb = ξ ξ 1 + 2 + + ξn

Điện trở trong tương đương: r b= + + +r1 r2 r n

Ghép song song n nguồn giống nhau:

Suất điện đông của bộ nguồn: ξb = ξ

Điện trở trong của bộ nguồn rb = r

B BÀI TẬP

B.1 Câu hỏi

1 Trình bày các cách ghép nguồn điện Nêu nhận xét từng cách ghép (về dòng điện, hiệu điện thế cung

cấp cho mạch ngoài có điện trở R).

Hướng dẫn

+ Ghép nối tiếp:

Suất điện động tương đương: ξb = ξ ξ 1 + 2 + + ξn

Điện trở trong tương đương: r b= + + +r1 r2 r n

Nếu mắc bộ nguồn trên vào mạch ngoài có điện trở R:

Cường độ dòng điện trong mạch:

r

n I

R n

ξ

= + . Hiệu điện thế mạch ngoài: AB 1

n

U IR

nr R

ξ

+ + Ghép xung đối:

Ghép hai nguồn ξ ξ1, 2 thành bộ theo hình.

Ta có: ξb = ξ ξ1− 2

Đầu A là cực dương bộ nguồn, nếu ξ ξ1> 2, là cực âm nếu ξ ξ1< 2.

Điện trở trong của bộ nguồn: rb = + r r1 2.

Cường độ dòng điện mạch ngoài: 1 2

ξ ξ −

+ + Ghép song song n nguồn giống nhau:

Suất điện động của bộ nguồn: ξb = ξ

Điện trở trong của bộ nguồn: rb = r

n

Cường độ dòng điện mạch ngoài: I r

R n

ξ

= +

Hiệu điện thế mạch ngoài: UAB IR 1

r nR

ξ

+ + Ghép hỗn hợp:

Ghép N nguồn giống nhau thành bộ như hình bên (ghép kiểu hỗn hợp đối xứng) gồm m dãy, mỗi dãy gồm n nguồn ghép nối tiếp.

Suất điện động và điện trở trong của bộ nguồn: b n r ; b nr

m

ξ = ξ =

Cường độ dòng điện mạch ngoài:

b b

n I

ξ

+

B.2 Bài tập

1 Hai pin được ghép với nhau theo các sơ đồ ở hình bên Tìm cường độ dòng điện và hiệu điện thế giữa hai

điểm A, B trong các trường hợp:

a) Hai pin ghép nối tiếp có suất điện động bằng nhau và bằng ξ , còn điện trở trong r1, r2 khác nhau.

b) Hai pin ghép xung đối có suất điện động và điện trở trong tương ứng là ξ1, , , r1 ξ2 r2 ( ξ ξ1 > 2)

Hướng dẫn

a) Theo hình vẽ ta thấy trong trường hợp này hai nguồn mắc nối tiếp

Cường độ dòng điện trong mạch:

Áp dụng định luật Ohm cho đoạn mạch, ta có: 1 2 1

Cường độ dòng điện trong mạch: 1 2

Áp dụng định luật Ohm cho đoạn mạch, ta có: 1 1 1 2 2 1

1 2

Ir

AB

r r U

r r

ξ = ξ = ξ =

3 Cho mạch điện như hình vẽ.

Mỗi pin có ξ = 1,5 ; V r = Ω 1 Điện trở mạch ngoài R = 3,5 Ω Tìm cường độ dòng điện ở mạch ngoài.

Hướng dẫn

Suất điện động của bộ nguồn: ξb = + = ξ ξ1 2 3 ξ + 2 ξ = 3.1,5 2.1,5 7,5 ( ) + = V

Điện trở trong của bộ nguồn: rb = + = + = r r1 2 3 r r 4 ( ) Ω

Theo định luật Ohm cho đoạn mạch kín: 7,5 1 ( )

4 3,5

b b

a) Các đèn có sáng bình thường không ? Vì sao ?

b) Tính hiệu suất của bộ nguồn.

c) Tính hiệu điện thế giữa hai cực của mỗi pin.

d) Nếu tháo bớt một đèn thì đèn còn lại sáng mạnh hay yếu hơn so với trước đó ? Tại sao ?

U R P

U

Vì I1 = I2 < Iđm nên các đèn đều sáng yếu hơn bình thường.

b) Hiệu suất của bộ nguồn: