phân tích những kiến thức cơ bản dòng điện không đổi

MỞ ĐẦU Trong năm qua, chương trình sách giáo khoa giáo dục đào tạo biên soạn lại đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy học, đáp ứng yêu cầu đổi giáo dục theo chủ trương ngành giáo dục nước nhà Vì việc nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức,và cách thể nội dung kiến thức sách giáo khoa vật lí cần thiết.Với yêu cầu môn học, tiểu luận này, sâu nghiên cứu phân tích làm rõ kiến thức vật lý chương chương “ Dòng điện không đổi “ “ sách giáo khoa vật lý 11 nâng cao “Dòng điện không đổi” phần điện học, nghiên cứu vấn đề dòng điện không đổi, bao gồm khái niệm liên quan đến dòng điện, nguồn điện, điều kiện để có dòng điện Trong đó, định luật Ôm nội dung quan trọng chương, bao gồm định luật Ôm đoạn mạch chứa điện trở R, định luật Ôm toàn mạch, định luật Ôm loại đoạn mạch Những vấn đề sở để nghiên cứu vấn đề khác dòng điện Để hoàn thành tiểu luận này, chọn phương pháp nghiên cứu là: Đọc tài liệu vật lí phổ thông, vật lí đại cương, sách giáo khoa vật lí trung học phổ thông lớp 11, tài liệu có nội dung liên quan; tìm kiếm thông tin mạng internet; lựa chọn thông tin theo yêu cầu tiểu luận trình bày thông tin theo vấn đề đặt Trong cách trình bày kiến thức cố gắng quan tâm nhiều đến ý nghĩa vật lý kiến thức, hạn chế sử dụng công cụ toán học phức tạp để phù hợp với trình độ học sinh THPT NGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC PHẦN DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI I Đặc điểm phần dòng điện không đổi Phần dòng điện không đổi đề cập đến vấn đề dòng điện không đổi, bao gồm khái niệm liên quan đến dòng điện, nguồn điện, điều kiện để có dòng điện Ngoài ra, định luật Ôm nội dung quan trọng chương, bao gồm định luật Ôm đoạn mạch chứa điện trở R, định luật Ôm toàn mạch, định luật Ôm loại đoạn mạch Những vấn đề sở để nghiên cứu vấn đề khác dòng điện Một số kiến thức chương trình bày sách giáo khoa THCS dòng điện, chiều dòng điện, cường độ dòng điện, định luật Ôm định luật Jun Len-xơ Tuy nhiên, trình độ học sinh THCS, vấn đề giới thiệu sơ lược, chưa sâu chưa hệ thống hóa Vì vậy, chương trình Vật lí 11 THPT, chúng trình bày lại cách đầy đủ với mức độ xác cần thiết chương “Dòng điện không đổi” Ngoài ra, số vấn đề nguồn điện, tạo thành suất điện động nguồn điện, máy thu điện suất phản điện, đặc biệt việc thiết lập vận dụng định luật Ôm cho loại đoạn mạch trình bày hệ thống II Phân tích nội dung kiến thức chương Một số kiến thức 1.1 Các khái niệm - Dòng điện - Nguồn điện - Suất điện động - Điện trở - điện trở suất - Công - công suất 1.2 Các định luật - Định luật Ôm - Định luật Jun - Len-xơ - Định luật Kiếc-xốp 1.3 Các ứng dụng kĩ thuật - Pin acquy - Chế tạo thiết bị điện, dụng cụ dùng điện - Mạ điện Phân tích nội dung kiến thức 2.1 Dòng điện 2.1.1 Định nghĩa “Dòng điện dòng dịch chuyển có hướng hạt tải điện” [4] * Hạt tải điện hạt mang điện di chuyển khoảng lớn kích thước phân tử vật Các hạt tải điện electron tự do, ion dương ion âm gây nên dòng điện Ví dụ: Dòng điện thường thấy dòng dây dẫn nhà, bóng đèn dụng cụ điện quen thuộc gia đình, dòng điện mạnh tạo nên sét (hình 1.1) Dòng điện hạt tích điện với hai dấu chuyển động không khí bị ion hóa đèn huỳnh quang, pin đài trandito bình acquy ôtô Các dòng điện qua chất bán dẫn máy tính bỏ túi “chip” điện tử Hình 1.1 Sét Trên quy mô toàn cầu, hạt tích điện bị bắt vành đai xạ Van Allen chuyển động bầu khí cực từ Bắc Nam Trên quy mô hệ Mặt Trời, dòng khổng lồ proton, electron ion bay theo đường bán kính từ Mặt Trời tạo nên gió mặt trời Ở quy mô Thiên Hà, tia vũ trụ (hình 1.2) proton có lượng cao phóng qua Thiên Hà.[2] Dòng điện dòng điện tích chuyển động điện tích chuyển động tạo Hình 1.2 Tia vũ trụ nên dòng điện Ví dụ: * Các electron dẫn đoạn dây đồng cô lập điện chuyển động hỗn loạn với vận tốc lớn truyền điện tích thực theo hướng nên dòng điện * Sự chảy nước qua ống chuyển động có hướng proton phân tử nước với tốc độ chừng vài triệu Culông giây Tuy nhiên, chuyển điện tích thực đồng thời có chuyển động electron phân tử nước với tốc độ chiều với proton Do đó, lượng điện tích tổng cộng chuyển dịch qua tiết diện ống theo hướng xác định không dòng điện 2.1.2 Chiều dòng điện Vì hạt mang điện tích khác dấu chuyển động theo chiều ngược nên ta phải chọn hai dòng điện tích để biểu thị chiều dòng điện Theo quy ước lịch sử, chiều dòng điện chiều dịch chuyển điện tích dương Như vậy, dây dẫn kim loại,chiều dòng điện ngược với chiều dịch chuyển electron tự Quy ước chấp nhận được, hạt mang điện tích dương chuyển động từ trái sang phải có tác dụng hạt điện tích âm chuyển động từ phải sang trái.[2] Quỹ đạo hạt điện gọi đường dòng Tập hợp đường dòng tựa đường cong kín tạo thành ống dòng (hình 1.3) Hình 1.3 Hình ảnh ống dòng 2.1.3 Bản chất dòng điện Trong môi trường dẫn điện, hạt điện tự luôn chuyển động nhiệt hỗn loạn Dưới tác dụng điện trường ngoài, chúng chuyển động có hướng: hạt mang điện dương chuyển động theo chiều vectơ cường độ điện trường  E , hạt mang điện âm chuyển động theo chiều ngược lại Bản chất dòng điện môi trường khác khác Cụ thể: - Trong kim loại, nguyên tử xếp theo trật tự định tạo thành mạng tinh thể liên kết chặt chẽ với nhau.Vì thế, tác dụng điện trường ngoài, nguyên tử không chuyển động có hướng để tạo thành dòng điện Tuy nhiên, có số electron liên kết yếu với hạt nhân nên dễ dàng thoát khỏi liên kết với hạt nhân trở thành electron tự do, chuyển động hỗn loạn khoảng không gian mạng tinh thể Dưới tác dụng điện trường ngoài, electron tự chuyển động có hướng tạo thành dòng điện  E Hình 1.4 - Trong chất điện phân, chưa có điện trường ngoài, phân tử tương tác với tự phân li thành iôn dương iôn âm Dưới tác dụng điện trường ngoài, iôn chuyển động theo hai hướng ngược nhau: ion dương chuyển động theo chiều điện trường, ion âm chuyển động ngược chiều điện trường để tạo thành dòng điện - Trong chất khí, trạng thái bình thường, phân tử khí không tương tác với trạng thái trung hòa điện Khi có kích thích bên ngoài, phân tử khí bị ion hóa tạo thành ion dương ion âm Dưới tác dụng điện trường, ion dương, ion âm electron chuyển động có hướng tạo thành dòng điện 2.1.4 Tác dụng dòng điện Tuy có chất khác dòng điện có tác dụng đặc trưng giống tác dụng hoá, tác dụng nhiệt, tác dụng từ… - Tác dụng từ Đây dấu hiệu tổng quát dòng điện Biểu tác dụng từ dòng điện dòng điện gây từ trường khoảng không gian xung quanh Thí nghiệm chứng tỏ tác dụng từ tác dụng đặc trưng để nhận biết dòng điện Có thể quan sát tác dụng từ trường hợp khác dòng điện, không phụ thuộc chất vật dẫn Dựa tác dụng người ta chế tạo thiết bị điện, dụng cụ dùng điện đồng hồ đo điện, nam châm điện, chuông điện - Tác dụng hóa học Khi dòng điện truyền qua dung dịch chất điện phân chất bị phân li thành ion dương âm, tác dụng hóa học dòng điện Ví dụ: Khi dòng điện qua dung dịch muối đồng đồng bị tách khỏi dung dịch để tạo lớp đồng bám thỏi than nối với cực âm Tác dụng hóa học dòng điện sở việc mạ điện mạ vàng, mạ đồng, mạ bạc để chống gỉ làm đẹp Khi vật cần mạ dùng làm cực âm, kim loại dùng để mạ làm cực dương, chất điện phân dung dịch muối kim loại dùng để mạ - Tác dụng nhiệt Khi dòng điện truyền qua vật dẫn làm vật dẫn nóng lên tỏa nhiệt xung quanh Đó tác dụng nhiệt dòng điện Khi dòng điện chạy qua vật siêu dẫn chẳng hạn không gây tác dụng nhiệt Bàn là, bếp điện dụng cụ chế tạo dựa tác dụng nhiệt dòng điện Ngoài ra, tác dụng dẫn đến tác dụng học sinh lí dòng điện Nếu để dòng điện qua thể người dòng điện làm co giật, làm tim ngừng đập, ngạt thở thần kinh tê liệt Như vậy, dòng điện gây nguy hiểm đến tính mạng người Do phải thận trọng sử dụng điện, đặc biệt mạng điện có điện áp lớn mạng điện sinh hoạt Tuy nhiên, y học người ta sử dụng tác dụng sinh lí dòng điện thích hợp để chữa số bệnh 2.1.5 Những đại lượng đặc trưng dòng điện Để đặc trưng cho độ mạnh phương, chiều dòng điện, người ta đưa hai đại lượng vật lí cường độ dòng điện mật độ dòng điện 2.1.5.1 Cường độ dòng điện Sử dụng mô hình tương tự dòng điện dòng nước: có hai vòi nước cho lượng nước chảy nhiều, khác khoảng thời gian dòng nước chảy qua vòi mạnh hơn? Nước chảy qua vòi tương tự điện tích dịch chuyển qua tiết diện dây dẫn Vậy đo dòng điện mạnh yếu khác vào lượng điện tích dịch chuyển qua tiết diện dây dẫn Từ đó, định nghĩa cường độ dòng điện đưa sau: Hình 1.5 * Cường độ dòng điện qua bề mặt định nghĩa lượng điện tích di chuyển qua bề mặt đơn vị thời gian (hình 5), đặc trưng cho tác dụng mạnh yếu dòng điện Nó thường ký hiệu chữ I, từ chữ tiếng Đức Intensität, nghĩa cường độ Trong hệ SI, cường độ dòng điện có đơn vị ampe.[8] I= q q1 + q2 + + qn = t t (1) * Cường độ dòng điện trung bình khoảng thời gian định nghĩa thương số điện lượng chuyển qua bề mặt xét khoảng thời gian hay: I= Hình I tb ∆q ∆t (2) cường độ dòng điện trung bình có đơn vị A (ampe), Δq điện lượng chuyển qua bề mặt xét khoảng thời gian Δt, đơn vị C (coulomb) Δt khoảng thời gian xét, đơn vị s (giây) * Cường độ tức thời dòng điện vật dẫn định nghĩa số lượng điện tích dq chuyển qua tiết diện ngang vật dẫn khoảng thời gian bé dt ∆q dq = ∆t → ∆t dt i = lim [7] (3) Trong phạm vi Vật lí học cổ điển, chủ yếu xét dòng điện dừng electron chuyển động qua dây dẫn kim loại, trừ trường hợp dòng điện chạy bên nguồn điện Trong mạch điện kín, sau đóng công tắc thời gian trạng thái dừng dòng điện thiết lập tượng hoàn toàn tương tự chảy thành dòng chất lỏng Trong trường hợp này, bảo toàn điện tích nên lượng điện tích chuyển qua mặt cắt dây dẫn vị trí khoảng thời gian Dưới điều kiện dừng, electron vào đầu dây dẫn phải có electron khác đầu dây dẫn Vì mà cường độ dòng điện vị trí đoạn dây dẫn không phân nhánh Cường độ dòng điện theo định nghĩa đại lượng vô hướng điện tích thời gian phương trình vô hướng Mặc dù biểu thị dòng điện dây dẫn, thường đánh dấu mũi tên chiều chuyển động điện tích Tuy nhiên, mũi tên vectơ chúng không tuân theo định luật cộng vectơ Khi vật dẫn tách thành hai nhánh chỗ tiếp xúc (hình 1.6), điện tích bảo toàn, độ lớn dòng nhánh cộng lại phải độ lớn Dòng vào dòng vật dẫn, hay Dòng I1 = I2 + I3 (4) Nếu bẻ cong định hướng lại dây không gian không làm thay đổi tính đắn Hình 1.6 công thức (4) Các mũi tên dòng vectơ; chúng cho biết chiều dòng dọc theo dây dẫn chiều không gian Nói chung, cường độ dòng điện thay đổi theo thời gian Trong giới hạn, nhiệm vụ đề tài nghiên cứu dòng điện có chiều cường độ không thay đổi theo thời gian gọi dòng điện không đổi Đối với dòng điện không đổi, công thức cường độ dòng điện (2) trở thành: I= q t (5) Hình 1.7 q điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng vật dẫn khoản thời gian t 2.1.5.2 Mật độ dòng điện Như trình bày, cường độ dòng điện đặc trưng cho độ mạnh, yếu dòng điện qua tiết diện cho trước mặt định lượng không đặc trưng cho độ mạnh yếu điểm môi trường có dòng điện chạy qua Ngoài ra, cường độ dòng điện I chưa cho ta biết đến phương chiều dòng  j điện Vì vậy, cường độ dòng điện I, người ta đưa vào đại lượng vectơ mật độ Một cách tổng quát, mật độ dòng chảy cường độ dòng qua đơn vị diện tích mặt cắt vuông góc với dòng đó, với dòng dòng điện, dòng nước, Đối với dòng điện, mật độ dòng gọi mật độ dòng điện j Theo định nghĩa: vectơ mật độ đại lượng đo cường độ dòng điện qua đơn vị diện tích đặt vuông góc với hướng chuyển động hạt mang điện tích dương: j= dI dSn (6) dSn hình chiếu diện tích dS mặt phẳng vuông góc với đường dòng, dI cường độ dòng điện qua diện tích dS  j Mật độ dòng điện đại lượng vectơ, có gốc điểm xét, có phương, chiều phương, chiều chuyển động hạt điện dương qua điểm Trong hệ SI, đơn vị mật độ dòng điện ampe mét vuông (A/m 2) j Từ định luật Ôm, suy hệ thức mật độ dòng điện trường gây dịch chuyển có hướng hạt tải điện) cường độ điện trường  E (điện  j Thực vậy, xét hình trụ nhỏ có trục song song với vectơ ∆I = luật Ôm, ∆U ∆R (7), ΔI cường độ dòng điện chạy qua hình trụ, ΔU hiệu điện ∆R = ρ hai đáy hình trụ, ΔR điện trở hình trụ j.∆S = j= ∆l ∆S (8) Từ đó, ta có: ∆U ∆U ∆S = ∆l ρ ∆l ρ ∆S (9) ∆U ρ ∆l Suy ra: Mặc khác , có đáy ΔS, chiều cao Δl Theo định (10) ∆U =E ∆l j= E ρ (11) nên  j (12) Vì  E hướng, có hệ thức:   j= E ρ (13) ρ Trong điện trở suất vật dẫn ( Ωm ) 2.1.5.3 Tốc độ dịch chuyển (vận tốc trôi) Dòng điện chảy theo hướng, điện tích đơn lẻ dòng chảy không thiết chuyển động thẳng theo dòng Ví dụ kim loại, electron chuyển động zigzag (hình1.8), va đập từ nguyên tử sang nguyên tử khác; quan sát tổng thể thấy xu hướng chung chúng dịch chuyển có hướng theo định hướng điện trường Hình1.8 người, vùng trí nhớ, vùng sợ hãi, hay vùng làm người vui vẻ Bằng phương pháp này, bác sĩ chữa bệnh liên quan đến tâm thần 2.4 Điện trở- điện trở suất Nếu đặt hai đầu giống hình học, thủy tinh, kẽm hiệu điện hai dây dẫn có dòng điện khác Đặc trưng cho cản trở dòng điện dây dẫn điện trở Ta xác định điện trở vật dẫn hai điểm R= cách đặt hiệu điện hai điểm đo cường độ dòng điện I Khi : R điện trở vật dẫn Đơn vị R ôm ( Ω I= Từ công thức trên, ta viết lại : U I (17), với ) U R (18) Nghĩa là, với hiệu điện cho trước, cản trở dòng lớn, dòng điện nhỏ Như vậy, thuật ngữ “điện trở” mang ý nghĩa cản trở dòng điện xác Điện trở vật dẫn phụ thuộc vào cách đặt hiệu điện lên Muốn đo điện trở người ta dùng ôm kế Các điện trở ghép lại với tạo thành mạch điện Khi ghép nối tiếp điện trở tương đương đoạn mạch là: R = R1 + R2 + (19) Khi ghép song song điện trở tương đương đoạn mạch là: 1 = + + R R1 R2 (20) R1, R2 điện trở thành phần ρ Tuy nhiên, để có nhìn tổng quát, điện trở suất xét đến thay cho điện trở vật liệu Từ ρ công thức (13), định nghĩa sau : ρ= E j (21) ρ Đơn vị ôm-mét ( Ωm ) Các phương trình với vật liệu đẳng hướng, vật liệu mà tính chất điện chúng theo chiều Thí nghiệm chứng tỏ điện trở R đoạn dây dẫn đồng tính tiết diện tỉ lệ thuận với R=ρ chiều dài l tỉ lệ nghịch với tiết diện vuông góc S đoạn dây dẫn: l S ρ (22), gọi điện trở suất chất làm dây dẫn Điện trở suất chất đại lượng đặc trưng cho tính dẫn điện chất Giá trị biến thiên theo nhiệt độ Đối với đa số kim loại, phụ thuộc diễn tả theo qui luật: ρ = ρ o [1 + α (t − t0 )] (23) ρo α≈ ρ 0 điện trở suất t0 ( C) (thường lấy 20 C), điện trở (với kim loại: α >0, với chất điện phân: α điện trở suất toC, 273 hệ số nhiệt [...]... tìm những con cá khác mà không cần đến gần con mồi Một loại cá khác có khả năng phát điện là cá kình điện Cá kình điện phát ra dòng điện bằng các bản điện Bộ nguồn điện của cá kình điện Nam Mĩ (hình 3.12) gồm các bản điện (nguồn) được xếp thành 140 dãy, mỗi dãy chứa 5000 bản điện ghép nối tiếp, mỗi bản này có suất điện động 0,15V, và điện trở trong r = 0,25 Ω Nếu nước có điện trở R = 800 Ω , thì dòng. .. điện không tồn tại nữa, điện tích trong vật dẫn được cân bằng Như vậy, lực tĩnh điện Cu-lông không thể duy trì được dòng điện không đổi Hay nói cách khác, nếu chỉ có trường tĩnh điện thì dòng điện chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn Muốn duy trì dòng điện bên trong vật dẫn cần có một tác nhân giữ cho hiệu điện thế V A-VB có giá trị không đổi Thiết bị đóng vai trò tạo ra và duy trì hiệu điện thế,... (36) Với dòng điện không đổi, q = It (37) Lúc đó công của dòng điện có cường độ I trong đoạn mạch có hiệu điện thế U đặt vào là: A = UIt (38) Đó cũng chính là công của lực điện tác dụng lên các hạt tải điện Vậy: Công của dòng điện chạy qua một đoạn mạch là công của lực điện làm di chuyển các điện tích tự do trong đoạn mạch và bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện và... kìm Cơ chế hoạt động: Trong dòng điện xoay chiều, từ trường biến thiên sinh ra bởi dòng điện có thể gây cảm ứng điện từ lên một cuộn cảm nằm gần dòng điện Ứng dụng: đo cường độ dòng điện xoay chiều 2.1.7 Điều kiện để có dòng điện Chuyển động định hướng của các hạt mang điện tự do trong vật dẫn là do tác dụng của điện trường bên trong vật dẫn Như vậy điều kiện cần để có ra Hình 1.14 Ampe kế kìm dòng điện. .. kim loại và chất điện phân xuất hiện các điện tích trái dấu Lúc này, đối với chất điện phân, thanh kim loại có một điện thế xác định gọi là thế điện hóa Giữa thanh kim loại và chất điện phân có một hiệu điện thế điện hóa Sự xuất hiện thế điện hóa được giải thích như sau: Lấy trường hợp cụ thể là thanh đồng (Cu) trong dung dịch đồng sunfat Cu (CuSO4) (hình 3.1) Vì phân tử nước là những phân tử có mômen... ứng với cường độ dòng điện - Ampe kế điện tử Vạn năng kế điện tử có thể dùng làm ampe kế (ampe kế điện tử) Bản chất hoạt động của loại ampe kế này có thể mô tả là một vôn kế điện tử đo hiệu điện thế do dòng điện gây ra trên một điện trở nhỏ Hình 1.12 Ampe kế điện tử gọi là sơn Các thang đo khác nhau được điều chỉnh bằng việc chọn các sơn khác nhau Cường độ dòng điện được suy ra từ biểu thức của định luật... ôxi ở hai bản cực Hai bản cực được tích điện trở thành hai cực của acquy Giữa chúng có một hiệu điện thế Acquy hoạt động giống như một pin Hình 3.7 Acquy chì điện hóa có suất điện động vào khoảng 2V Khi nối hai cực của acquy đã nạp điện bằng một dây dẫn thì sẽ có dòng điện chạy trong dây dẫn ngược chiều với dòng điện lúc nạp vào acquy Do tác dụng hóa học, các bản cực của acquy bị biến đổi Bản cực dương... hạt tải điện nên mỗi nguồn điện có một suất điện động 2.2.2 Suất điện động Khi nối nguồn điện bằng một vật dẫn tạo thành mạch kín thì trong mạch xuất hiện dòng điện Nguồn điện có khả năng thực hiện công lên một các hạt tải điện nên mỗi nguồn điện có một suất điện động đặc trưng cho khả năng sinh công của lực lạ bên trong nguồn điện Định nghĩa suất điện động của một nguồn điện là công mà nguồn điện thực... năng lượng khác, không phải là nhiệt khi có một đơn vị điện tích dương chuyển qua máy Trong trường hợp 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 ξ 2.5.3.3 Công thức tổng quát của định luật Ôm đối với các loại đoạn mạch P Từ các công thức (31), (32) ta suy ra công thức tổng quát... điện thế giữa hai điện cực bằng suất điện động của nó Khi mạch điện kín, hiệu điện thế giữa hai điện cực khác với suất điện động của nó 2.3 Một số nguồn điện 2.3.1 Nguồn điện hóa học 2.3.1.1 Hiệu điện thế điện hóa Xét một mạch điện gồm kim loại (vật dẫn loại 1) và dung dịch điện phân (vật dẫn loại 2) Kết quả thí nghiệm cho thấy khi một thanh kim loại bất kì tiếp xúc với một chất điện phân thì trên thanh