1. Trang chủ
  2. » Tất cả

VLA2_Bai 3_Dong dien khong doi

42 7 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 42
Dung lượng 395,86 KB

Nội dung

106 Th.S Đỗ Quốc Huy_ Bài giảng Vật lý ñại cương 2: Điện – Từ Bài 3: DỊNG ĐIỆN KHƠNG ĐỔI 3.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 3.1.1 Dịng điện, chiều dịng điện 3.1.2 Cường độ dịng điện 3.1.3 Mật độ dịng điện 3.1.4 Nguồn điện, suất điện động 3.2 ĐỊNH LUẬT OHM 3.2.1 Dạng vi phân ñịnh luật Ohm 3.2.2 Định luật Ohm ñối với ñoạn mạch ñồng chất 3.2.3 Định luật Ohm cho toàn mạch (mạch kín) 3.2.4 Định luật Ohm tổng quát 3.2.5 Ghép ñiện trở 3.2.6 Ghép nguồn ñiện 3.3 PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC CỦA DÒNG ĐIỆN 3.4 QUI TẮC KIRCHHOFF 3.4.1 Các khái niệm 3.4.2 Các quy tắc Kirchhoff 3.4.3 Vận dụng quy tắc Kirchhoff ñể phân giải mạch ñiện 3.5 ĐỊNH LUẬT JOULE - LENZ 3.6 CÔNG VÀ CÔNG SUẤT CỦA DỊNG ĐIỆN 3.7 CƠNG SUẤT VÀ HIỆU SUẤT CỦA NGUỒN ĐIỆN 3.8 PHÂN GIẢI MỘT SỐ DẠNG MẠCH ĐIỆN 3.8.1 Vận dụng ñịnh luật Ohm quy tắc Kirchhoff 3.8.2 Mạch – tam giác 3.8.3 Mạch cầu 3.8.4 Đo điện trở cầu Wheatstone Bài 3: DỊNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI 107 3.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 3.1.1 Dịng điện, chiều dịng điện Trong mơi trường dẫn, tức mơi trường có điện tích tự do, khơng có điện trường ngồi, hạt mang điện tự ln ln chuyển động nhiệt hỗn loạn Khi có điện trường ngồi đặt vào, tác dụng lực ñiện → I → trường F = q E , điện tích dương chuyển động → theo chiều vectơ cường độ điện trường E , cịn ñiện → tích âm chuyển ñộng ngược chiều với vectơ E tạo nên dịng điện Hình 3.1: Chiều dịng ñiện chiều chuyển ñộng có hướng ñiện tích dương Vậy, dịng điện dịng chuyển dời có hướng hạt mang điện Chiều dịng điện ñược quy ước chiều chuyển ñộng hạt mang điện dương Trong mơi trường dẫn khác chất dịng điện khác Bản chất dịng điện kim loại dịng chuyển dời có hướng electron tự do; chất điện phân dịng chuyển dời có hướng ion dương ion âm; chất khí dịng chuyển dời có hướng electron, ion dương âm (khi chất khí bị ion hóa); chất bán dẫn dịng chuyển dời có hướng electron lỗ trống Tuy có chất khác nhau, song dịng điện mơi trường ln có tác dụng đặc trưng giống nhau, tác dụng nhiệt, tác dụng từ, tác dụng hóa học tác dụng sinh lí 3.1.2 Cường độ dịng ñiện Để ñịnh nghĩa cường ñộ dòng ñiện cách xác, ta xét diện tích S vng góc với hướng chuyển động điện tích hình 3.2 (diện tích S cịn gọi tiết diện ngang) Trong thời gian ∆t, điện lượng chuyển qua diện tích S ∆Q tỉ số I= ∆Q ∆t (3.1) gọi cường độ dịng điện trung bình qua diện tích S S S Hình 3.2: Cường độ dịng ñiện ñại lượng vô hướng, ño ñiện lượng chuyển qua tiết diện S ñơn vị thời gian Nếu xét thời gian ∆t đủ nhỏ giới hạn tỉ số ∆Q/∆t ñược gọi cường độ dịng điện tức thời qua diện tích S 108 Th.S Đỗ Quốc Huy_ Bài giảng Vật lý ñại cương 2: Điện – Từ I = lim ∆t → ∆Q dQ = ∆t dt (3.2) Các cơng thức định nghĩa (3.1) (3.2) chứng tỏ rằng, cường độ dịng ñiện ñại lượng vô hướng, ñiện lượng chuyển qua diện tích S đơn vị thời gian Trong hệ ñơn vị SI, ñơn vị ño cường ñộ dịng điện ampe (A) – bảy ñơn vị hệ SI Đối với dòng điện có chiều khơng đổi, ta gọi dịng điện chiều Đối với dịng điện có cường độ I khơng đổi theo thời gian ta gọi dịng điện khơng đổi Dĩ nhiên, với dịng điện khơng đổi chiều dịng điện khơng đổi Từ ñịnh nghĩa (3.2) suy ra, ñiện lượng ∆Q chuyển qua tiết diện S thời gian t2 ∆t = t2 – t1 là: ∆Q = ∫ Idt (3.3) t1 Đối với dịng điện khơng đổi, điện lượng ∆Q chuyển qua tiết diện S thời gian ∆t tính công thức: ∆Q = I.∆t hay Q = It (3.4) Lưu ý, ta nói dịng điện I chạy qua vật dẫn đó, có nghĩa dịng ñiện có cường ñộ I chạy qua tiết diện ngang vật dẫn Chẳng hạn, nói “dịng điện 5A chạy qua bóng đèn”, có nghĩa dịng điện có cường độ I = 5A chạy qua bóng đèn tiết diện ngang dây tóc bóng đèn Cường độ dịng ñiện liên quan ñến chuyển ñộng hạt ñiện Để tìm mối quan hệ này, ta xét dịng điện khơng đổi I chạy qua dây dẫn thẳng hình trụ có tiết diện ngang S (hình 3.3) Trong thời gian ∆t, số hạt mang ñiện N chuyển qua tiết diện S phải nằm hình trụ có chiều cao ∆x = vd.∆t, với vd thành phần vận tốc hạt điện tính dọc theo chiều dịng điện, cịn gọi vận tốc chuyển động có hướng điện tích (xem hình 3.4) Gọi n0 mật độ hay nồng ñộ hạt tải ñiện vật dẫn (tức số hạt tải điện có đơn vị thể tích vật dẫn), ∆V thể tích hình trụ xét S Hình 3.3: Dịng điện chạy qua đoạn dây hình trụ Hình 3.4: Vận tốc chuyển động có hướng electron Bài 3: DỊNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI 109 N = n ∆V = n 0S.∆x = n 0Sv d ∆t Giả sử vật dẫn có loại hạt tải điện ñiện lượng chuyển qua tiết diện S thời gian ∆t là: ∆Q = Nq = n0Svd.∆t.q Do cường độ dịng điện trung bình qua tiết diện S là: I= ∆Q = n qv dS ∆t (3.5) đó, q điện lượng hạt điện Ví dụ 3.1: Giả sử giây có 2.1018 ion dương hóa trị 4.1018 electron chạy qua đèn ống Tính giá trị trung bình cường độ dịng ñiện qua ñèn Giả sử tốc ñộ hạt ñiện ñập vào ñiện cực 2.105 m/s, ñường kính tiết diện ñèn ống 2cm Hãy ước tính nồng độ hạt điện Giải Ta biết, electron có điện lượng e = 1,6.10 – 19 C; ion dương hóa trị có điện lượng 2e Điện lượng ∆Q chuyển qua tiết diện ngang ñèn bao gồm ñiện lượng Q+ hạt ion dương ñiện lượng Q − hạt electron Giá trị ñiện lượng lại tỉ lệ với số hạt ion electron tương ứng Do đó, giá trị trung bình cường độ dịng điện qua đèn là: I= ∆Q Q+ + Q − N + 2e + N − e (2N + + N − )e = = = ∆t ∆t ∆t ∆t I= (2.2.1018 + 4.1018 ).1, 6.10 −19 = 1, 28A Gọi n1 mật ñộ hạt electron n2 mật ñộ ion dương hóa trị có bóng đèn Các điện tích sinh q trình va chạm ion với nguyên tử chất khí nên thỏa mãn định luật bảo tồn điện tích Ta có n1 = 2n2 Mặt khác, theo (3.5) ta có I = (n1e + n 2e)v dS = 4n ev d π d2 Do đó, mật độ hạt ion dương hóa trị là: n2 = I 1, 28 = = 3,2.10 16 hạt/m3 −19 πev d d 3,14.1, 6.10 2.10 0, 02 Mật ñộ hạt electron n1 = 2n2 = 6,4.10 16 hạt/m3 Th.S Đỗ Quốc Huy_ Bài giảng Vật lý ñại cương 2: Điện – Từ 110 3.1.3 Mật độ dịng ñiện Cường ñộ dòng ñiện ñặc trưng cho ñộ mạnh, yếu dịng điện tồn tiết diện S, mà khơng diễn tả độ mạnh, yếu dịng điện ñiểm tiết diện S Để ñặc trưng cho dịng điện điểm tiết diện S, người ta đưa khái niệm mật độ dịng điện Gọi I cường độ dịng điện qua tiết diện S đặt vng góc với hướng chuyển động j= điện tích Tỉ số: I S (3.6) gọi mật độ dịng điện trung bình qua tiết diện ngang S Để tính mật độ dịng điện ñiểm M chất dẫn ñiện, ta xét tiết diện ngang ∆S ñủ nhỏ bao quanh M gọi ∆I cường độ dịng điện qua tiết diện ∆S giới hạn tỉ số ∆I/∆S ∆S tiến tới khơng đuợc gọi mật độ dịng điện M: ∆I dI = ∆S→ ∆S dS j = lim (3.7) Các cơng thức định nghĩa (3.6) (3.7) chứng tỏ rằng, mật độ dịng điện cường độ dịng điện qua đơn vị diện tích S đặt vng góc với hướng chuyển động ñiện tích Trong hệ SI, ñơn vị ño mật ñộ dịng điện ampe mét vng (A/m2) Kết hợp công thức (3.6) (3.7) với (3.5), suy ra, mật độ dịng điện j phụ thuộc vào mật độ hạt ñiện n0 , ñiện lượng q hạt ñiện vận tốc chuyển động có hướng vd hạt điện cơng thức: j = n qv d (3.8) → → j = n q vd hay dạng vectơ: (3.9) Vậy, vectơ mật ñộ dịng điện điểm tỉ lệ thuận với vectơ vận tốc chuyển động có hướng hạt điện điểm Nếu biết mật độ dịng điện, ta tính cường độ dịng điện qua tiết diện ngang S theo công thức: I = ∫ dI = ∫ jdS S (3.10) S → → → Gọi n pháp vectơ đơn vị diện tích dS quy ước d S = dS n ta viết (3.10) dạng: I = ∫ S → → j d S = ∫ j.dS.cos α S (3.11) Bài 3: DỊNG ĐIỆN KHƠNG ĐỔI 111 → → đó, α góc tạo vectơ mật độ dịng điện j với pháp vectơ đơn vị n diện tích S S Cơng thức (3.11) dùng để tính cường độ dịng điện qua mặt cắt có diện tích S bất kì, khơng thiết phải tiết diện ngang Trường hợp mật độ dịng điện phân bố ñều ñiểm diện tích S (giá trị j khơng đổi điểm), ta có: I = j.S.cos α = j.Sn Sn → + α n → + + j Hình 3.5: Vectơ mật độ dịng điện (3.12) đó, Sn hình chiếu diện tích S lên phương vng góc với vectơ mật độ dịng (Sn tiết diện thẳng hay tiết diện ngang) Ví dụ 3.2: Một dây chì tiết diện ngang S = 2mm2, có dịng điện I = 5A chạy qua Tính mật độ dịng điện qua dây chì Dây chì chịu dịng điện tối đa bao nhiêu, mật độ dịng cho phép 450A/cm2? Một động điện có giới hạn dịng 18A phải dùng dây chì có đường kính tiết diện ngang ñể bảo vệ ñộng cơ? Giải Mật độ dịng điện qua dây chì: j = I 5A = = 2, (A/mm2) = 2,5.106 (A/m2) S 2mm Dịng điện tối đa cho phép qua dây chì này: I max = jgh S = 450(A / cm ).0, 02(cm ) = 9(A) Nếu động có giới hạn dịng Imax = 18A tiết diện ngang dây chì là: S= I max 18A = = 0, 04cm = 4mm jgh 450(A / cm ) Để bảo vệ ñộng cơ, phải dùng dây chì có đường kính tiết diện ngang là: S=π d2 4S 4.4 ⇒d= = = 2, 26mm π 3,14 Th.S Đỗ Quốc Huy_ Bài giảng Vật lý ñại cương 2: Điện – Từ 112 3.1.4 Nguồn ñiện, suất ñiện ñộng Xét vật A tích điện dương vật B tích điện âm Dùng dây dẫn, nối A với B thơng qua bóng đèn hình 3.4 Do AB có chênh lệch điện nên có dịng điện I chạy qua bóng đèn làm đèn sáng Tuy nhiên, thời gian tích tắc, A B cân điện dịng điện khơng cịn Nguồn điện Bơm B A Để trì dịng điện qua đèn lâu dài, ta phải giữ cho A ln có điện cao B Muốn vậy, ta phải I “bơm” điện tích dương chạy ngược từ B A Vì X lực điện trường khơng thể làm điện tích dương chạy từ nơi có điện thấp nơi có điện cao nên việc bơm điện tích dương chạy ngược từ B trở Hình 3.6: Nguồn ñiện A ñược thực nguồn lực bên ngồi lực từ, lực hóa học… ta gọi ñó lực “lạ” Cơ cấu tạo trường lực lạ gọi nguồn điện B A ñược gọi hai cực nguồn ñiện, B có ñiện thấp nên gọi cực âm, A có ñiện cao nên gọi cực dương Vậy, nguồn ñiện cấu tạo trường lực lạ ñể trì dịng điện Đặc trưng cho nguồn điện ñó “sức mạnh” nguồn ñiện hay khả bơm điện tích mạnh hay yếu, ta gọi suất ñiện ñộng nguồn ñiện, ñược ñịnh nghĩa là: → → A* = ∫ E* d ℓ q B A ξ= (3.13) đó, A* cơng trường lực lạ sinh dịch chuyển ñiện tích q từ B đến → → A; E* cường ñộ trường lực lạ; d ℓ vi phân đường đi; tích phân đường (3.13) lấy từ cực âm ñến cực dương nguồn ñiện Vậy, suất ñiện ñộng nguồn ñiện ñại lượng ñặc trưng cho khả sinh cơng nguồn điện, đo công trường lực lạ dịch chuyển ñơn vị ñiện tích dương từ cực âm sang cực dương nguồn ñiện Trong hệ ñơn vị SI, ñơn vị đo suất điện động vơn (V), trùng với ñơn vị ño ñiện thế, hiệu ñiện Khi nguồn ñiện làm việc, ñiện tích dương ñược bơm từ cực âm sang cực dương, nghĩa có dịng ñiện chạy qua nguồn ñiện Dòng ñiện làm nguồn điện nóng lên Nói cách khác, ngun tử, phân tử chất cấu tạo nên nguồn Bài 3: DỊNG ĐIỆN KHƠNG ĐỔI 113 điện cản trở dịng ñiện qua nguồn ñiện Như vậy, nguồn ñiện, suất điện động ξ có điện trở nội r ξ, r B A Trên sơ ñồ mạch ñiện, nguồn điện kí hiệu + hình 3.7 Hình 3.7: Kí hiệu nguồn điện 3.2 ĐỊNH LUẬT OHM 3.2.1 Dạng vi phân ñịnh luật Ohm → → Mật ñộ dịng điện j chất phụ thuộc vào cường ñộ ñiện trường E chất chất ñó Đối với số chất, ñặc biệt kim loại, mật độ dịng điện điểm chất dẫn ñiện tỉ lệ thuận với cường ñộ ñiện trường điểm đó: → → j = σE (3.14) Hệ số tỉ lệ σ (3.14) ñặc trưng cho khả dẫn ñiện chất khảo sát nên gọi ñiện dẫn suất chất ñó Sự tỉ lệ thuận mật độ dịng j cường độ điện trường E ñối với kim loại nhiệt ñộ ñịnh ñã ñược phát vào năm 1827 George Simon Ohm (1787 – 1854), nhà vật lý học người Đức, nên ñược gọi ñịnh luật Ohm Các chất tuân theo ñịnh luật Ohm ñược gọi chất dẫn ñiện tuyến tính hay trở; trái lại chất dẫn điện phi tuyến hay khơng trở 3.2.2 Định luật Ohm ñối với ñoạn mạch ñồng chất Xét đoạn mạch đồng chất có ℓ dạng hình trụ, tiết diện ngang S, chiều dài ℓ (hình 3.8) Gọi U hiệu ñiện ñặt vào hai ñầu ñoạn V1 + S + + + mạch điện trường lịng hình trụ điện trường đều, có cường độ E = U Do đoạn mạch ℓ Hình 3.8: Định luật Ohm ñối với ñoạn mạch ñồng chất, tiết diện ñều V2 114 Th.S Đỗ Quốc Huy_ Bài giảng Vật lý ñại cương 2: Điện – Từ ñồng chất nên mật độ dịng điện phân bố tiết diện ngang S đoạn mạch, ta có j = I I U Thay vào (3.14), ta có = σ , hay S S ℓ U  σS  I=  U = kU = R  ℓ  đó, k hệ số tỉ lệ, R = ℓ = k σS (3.15) (3.16) gọi ñiện trở ñoạn mạch ñang xét Vậy, cường ñộ dòng ñiện qua ñoạn mạch tỉ lệ thuận với hiệu ñiện hai ñầu ñoạn mạch Biểu thức (3.15) ñịnh luật Ohm ñối với ñoạn mạch ñồng chất, dùng để định nghĩa điện trở đoạn mạch Điện trở đoạn mạch tỉ số hiệu ñiện áp vào hai đầu mạch với cường độ dịng điện qua nó: R= U I (3.17) Đối với ñoạn mạch hay dây dẫn ñồng chất tiết diện ñều, ñiện trở ñược tính cơng thức: R= ℓ ℓ =ρ σS S (3.18) đó, ρ = 1/σ điện trở suất chất cấu tạo nên ñoạn mạch hay dây dẫn ñang xét Trong hệ SI, ñơn vị ño ñiện trở ơm (Ω), đơn vị đo điện trở suất ôm mét (Ωm), ñơn vị ño ñiện dẫn suất (Ωm) – Điện trở suất kim loại phụ thuộc vào nhiệt ñộ theo quy luật: ρ = ρ0 (1 + αt) (3.19) đó, điện trở vật dẫn biến thiên theo nhiệt ñộ: R = R (1 + αt) (3.20) đó, α hệ số nhiệt điện trở, có đơn vị đo (1/ 0C hay 0C – 1); ρ0, R0 ñiện trở suất, ñiện trở 00C; ρ, R ñiện trở suất, ñiện trở t0C Bài 3: DỊNG ĐIỆN KHƠNG ĐỔI 115 Bảng 3.1 cho biết điện trở suất hệ số nhiệt ñiện trở số chất Bảng 3.2: Điện trở suất 200C hệ số nhiệt ñiện trở số chất Điện trở suất ρ (Ω Ωm) Hệ số nhiệt ñiện trở α (0C – 1) Vàng (Gold) 2,44.10 – 3,4.10 – Bạc (Silver) 1,59.10 – 3,8.10 – Đồng (Copper) 1,7.10 – 3,9.10 – Nhôm (Aluminum) 2,82.10 – 3,9.10 – Sắt (Iron) 10.10 – 5,0.10 – Chì (Lead) 22.10 – 3,9.10 – Tungsten 5,6.10 – 4,5.10 – Platin (Platinum) 11.10 – 3,92.10 – 640 – 75.10 – Chất Silic (Silicon) Ví dụ 3.3: Một cuộn dây điện dài 200 mét, tiết diện đều, nhơm Tính điện trở cuộn dây này, biết đường kính tiết diện ngang dây 0,8 milimét Nếu nối hai ñầu dây với hiệu ñiện U = 6V cường độ mật độ dịng điện sợi dây bao nhiêu? Cho biết ñiện trở suất nhôm 2,82.10 – 8Ωm Giải Cho: ℓ = 200m ; d = 0,8mm = 8.10 – m; U = 6V; ρ = 2,82.10 – Ωm Hỏi: R, I, j? Diện tích tiết diện ngang dây: S=π d2 (8.10 −4 ) = 3,14 = 5, 024.10−7 m 4 Điện trở cuộn dây: R = ρ ℓ 200 = 2,82.10−8 ≈ 11, 23Ω S 5, 024.10 −7 Cường độ dịng điện qua dây dẫn: I = Mật độ dịng điện sợi dây: U = ≈ 0,534A R 11, 23

Ngày đăng: 15/08/2016, 20:04

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

  • Đang cập nhật ...

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w