7. Cấu trúc luận văn
2.1.3.1.Grap nội dung chơng‘’Dòng điện không đổi’’ vật lí 11 nâng cao
2.1.3.2. Kiến thức cơ bản của chơng “Dòng điện không đổi”
Chơng “dòng điện không đổi” chơng trình nâng cao là chơng chiếm một thời l- ợng tơng đối lớn của chơng trình vật lí 11. Chơng gồm 7 bài đợc học trong 13 tiết. Nội dung của chơng rất phong phú về cả hai mặt định tính và định lợng. Kiến thức cơ bản trong chơng có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và kỹ thuật. Dòng điện một chiều có thể dùng thắp sáng, các nguồn điện một chiều dợc sử dụng rộng rãi. Trong các trờng hợp dùng đến dòng điện không đổi ở hiệu điện thế (HĐT) nhỏ, nguồn điện đóng vai trò quan trọng, chẳng hạn đèn pin cầm tay, trên ô tô, xe máy... đều dùng các bình Acquy để thực hiện việc “đề máy”, thắp sáng hệ thống đèn chiếu sáng, đèn hiệu. Các nguồn điện có một u điểm nổi bật là có thể “Nạp điện” khi đã dùng hết nên có thể dùng ở những nơi cha có đờng dây tải điện đi qua.
Điện năng có thể dễ dàng chuyển hoá thành các dạng năng lợng khác, đó là một đặc tính có tầm quan trọng đặc biệt, nhờ đó năng lợng điện đợc sử dụng rộng rãi trong đời sống và kỹ thuật. Các mạch điện dùng trong thực tế là tơng đối phức tạp, hầu hết các thiết bị điện đều có sự chuyển hoá năng lợng điện thành nhiều dạng năng lợng khác nhau. Kiến thức về định luật Ôm cho mạch kín và cho các loại đoạn mạch giúp ta tính chính xác khi thiết kế và lắp ráp mạch điện .
Việc sử dụng các nguồn điện thích hợp và mắc chúng thành bộ một cách hợp lí sẽ nâng cao đợc hiệu suất sử dụng. Mặt khác kiến thức của chơng là cơ sở của phần điện học, làm nền móng để học các chơng tiếp theo của chơng trình lớp 11, và lên lớp 12 các em đợc nghiên cứu về dòng điện xoay chiều.
Nội dung cơ bản của chơng đợc tóm tắt nh sau:
a)Phần1 : Các khái niệm cơ bản về dòng điện
Phần này trình bày các khái niệm cơ bản về dòng điện
* Định nghĩa dòng điện:
Dòng điện là dòng các điện tích dịch chuyển có hớng.
* Tác dụng của dòng điện:
Tác dụng đặc trng là tác dụng từ, ngoài ra còn có tác dụng nhiệt, tác dụng hoá học,...
* Cờng độ dòng điện:
- Cờng độ dòng điện đặc trng cho tác dụng mạnh hay yếu của dòng điện, đợc xác định bằng thơng số giữa điện lợng ∆q dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian ∆t và khoảng thời gian đó:
t q I ∆ ∆ = (1.1)
-Dòng điện có chiều và cờng độ không thay đổi theo thời gian gọi là dòng điện không đổi.
t q
I = (1.2)
b) Phần 2: Nguồn điện:
Kiến thức phần này chủ yếu ở dạng định tính, trình bày về nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của nguồn điện một chiều đặc biệt là Pin và Acquy.
* Nguồn điện:
- Nguồn điện là thiết bị để tạo ra hiệu điện thế nhằm duy trì dòng điện trong mạch. - Nguồn điện nào cũng có hai cực, cực dơng và cực âm. Các lực lạ bên trong nguồn điện có tác dụng làm cho hai cực của nguồn điện đợc tích điện khác nhau và do đó duy trì HĐT giữa hai cực của nó.
- Suất điện động của nguồn điện đặc trng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện và đo bằng thơng số giữa công A của lực lạ làm di chuyển điện tích dơng q bên trong nguồn điện từ cực âm đến cực dơng và điện tích dơng q đó.
E = qA (1.3)
* Pin và Acquy.
- Nếu một thanh kim loại tiếp xúc với một chất điện phân, thì trên mặt kim loại và dung dịch điện phân có xuất hiện hai loại điện tích trái dấu. Khi đó giữa kim loại và chất điện phân có một HĐT xác định, gọi là HĐT điện hoá.
- Nguồn điện đợc chế tạo đầu tiên, sinh ra dòng điện và duy trì khá lâu là pin Vôn- ta . Pin Vôn-ta gồm một cực kẽm (Zn) và một cực bằng đồng (Cu ) nhúng trong dung dịch
axit sunfuric (H2SO4) loãng. Một loại Pin điện hoá rất thông dụng là pin Lơ-clan-sê có cực âm là kẽm, cực dơng là một thanh than bao bọc xung quanh bằng một hỗn hợp gồm mangan điôxit (MnO2) và graphit để khử cực và tăng độ dẫn điện. Dung dịch điện phân là dung dịch amôni clorua. Suất điện động của pin này khoảng 1,5 V.
- Acquy đơn giản là acquy chì ( còn gọi là acquy axit) gồm bản cực dơng bằng chì điôxit (PbO2) và bản cực âm bằng chì (Pb); cả hai bản đợc nhúng trong dung dịch axit sunfuric loãng. Ngời ta còn dùng acquy kiềm, có hiệu suất nhỏ hơn acquy axit, nhng lại tiện lợi vì nhẹ hơn.
Acquy là nguồn điện hoá học hoạt động dựa trên phản ứng hoá học thuận nghịch: nó tích trữ năng lợng dới dạng hoá năng (lúc nạp ), để rồi giải phóng năng lợng ấy dới dạng điện năng ( lúc phát điện).
C) Phần 3: Các định luật cơ bản của dòng điện không đổi.
Nội dung phần này chủ yếu là mang tính định lợng , đây là nội dung trọng tâm của ch- ơng, nó gồm hai phần chính là: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Điện năng. Công và công suất điện. Định luật Jun- Len-xơ - Định luật Ôm.
* Điện năng. Công và công suất diện. Định luật Jun- Len-xơ. - Công và công suất của dòng điện chạy qua một đoạn mạch:
+ Công của dòng điện chạy qua một đoạn mạch (Cũng là điện năng tiêu thụ ở đoạn mạch) bằng tích của HĐT giữa hai đầu đoạn mạch với cờng độ dòng điện (CĐDĐ ) và thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch đó:
A = qU = UIt (1.4)
+ Công suất của dòng điện chạy một đoạn mạch bằng tích của HĐT giữa hai đầu đoạn mạch với CĐDĐ chạy qua đoạn mạch đó:
P =UI (1.5)
- Định luật Jun- Len-xơ:
+ Nhiệt lợng toả ra trên một vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trở của vật dẫn, với bình phơng cờng độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua vật dẫn đó: Q =
RI2t ( 1.6 )
+ Công suất toả nhiệt ở vật dẫn khi có dòng điện chạy qua đợc xác định bằng nhiệt l- ợng toả ra ở vật dẫn đó trong khoảng thời gian 1 giây:
Pnh= RI2 =
R U2
( 1.7 )
- Công và công suất của nguồn điện:
+ Công của nguồn điện: Nguồn điện sinh công A làm dịch chuyển các điện tích trong toàn mạch, công này bao gồm công của lực tĩnh điện và công của lực lạ:
Ang = Eq =EIt( 1.8 )
+ Công suất của nguồn điện:
Png = EI ( 1.9 )
Công và công suất của nguồn điện bằng điện năng và công suất điện tiêu thụ trong toàn mạch.
- Công suất của các dụng cụ tiêu thụ điện
+ Công suất tiêu thụ của dụng cụ chỉ toả nhiệt
Điện năng tiêu thụ của dụng cụ toả nhiệt: A = UIt = RI2t = t
R U2
( 1.10 ) Công suất của dụng cụ toả nhiệt:
P = t A = UI = RI2 = R U2 ( 1.11 )
Trong máy thu điện, chỉ có một phần điện năng Q’ của điện năng A cung cấp cho máy chuyển hoá thành nhiệt ở điện trở rp của máy: Q’=rpI2t. Phần điện năng còn lại A’ đợc chuyển hoá thành dạng năng lợng có ích khác. Phần điện năng A’ này tỉ lệ với điện lợng q chuyển qua máy thu điện : A’=Epq.
Đại lợng Ep đặc trng cho máy thu điện, đợc gọi là suất phản điện của máy thu điện: Ep= Aq' (1.12 )
+ Công suất tiêu thụ của máy thu điện
Công tổng cộng A mà dòng điện thực hiện ở máy thu điện bằng: A = A’ + Q = EpIt + rpI2t = UIt (1.13)
Với U là HĐT đặt vào máy thu điện. Đó cũng là điện năng tiêu thụ của máy thu điện trong thời gian t. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Công suất của máy thu điện:
P = =
t A
EpI + rpI2 (1.14 )
Trong đó P = EpI là công suất có ích của máy thu điện.
- Hiệu suất của máy thu điện
Hiệu suất của máy thu điện là: H= I U r A A p − =1 ' (1.15)
- Chú ý: Trên các dụng cụ tiêu thụ điện ngời ta thờng ghi hai chỉ số là công suất điện Pđ ( công suất định mức ) của dụng cụ, và HĐT Uđ (HĐT định mức ) cần phải đặt vào dụng cụ để nó hoạt động bình thờng. Khi HĐT đặt vào dụng cụ có giá trị đúng bằng chỉ số Uđ, thì công suất tiêu thụ của dụng cụ đúng bằng Pđ và dòng điện chạy qua dụng cụ có cờng độ bằng Iđ =
d d
U P
( cờng độ định mức ).
- Đo công suất điện và điện năng tiêu thụ
Muốn xác định công suất tiêu thụ ở một đoạn mạch, ngời ta dùng một ampe kế để đo cờng độ dòng điện chạy qua đoạn mạch và dùng một vôn kế để đo HĐT hai đầu đoạn mạch . Từ đó tính công suất của dòng điện trên đoạn mạch theo công thức (1.5) .
Trong kĩ thuật, ngời ta chế tạo ra dụng cụ dùng để đo công suất, gọi là oát kế. Độ lệch của kim chỉ thị trên mặt chia độ cho ta biết công suất tiêu thụ trong đoạn mạch. Để đo công suất dòng điện tức là điện năng tiêu thụ trong một đơn vị thời gian, ngời ta dùng máy đếm điện năng hay công tơ điện. Điện năng tiêu thụ thờng đợc tính ra kilôoat. giờ: 1 KW.h =3 600 000 J.
* Định luật Ôm
- Định luật Ôm cho toàn mạch
Xét mạch điện kín gồm nguồn điện ( E, r ) và điện trở ngoài R (h. 4 ). Định luật Ôm viết là:
E = I(R + r) hay (1.16)
+Định luật : Cờng 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 đoạn mạch.
+ Hiện tợng đoản mạch:
Nếu điện trở mạch ngoài nhỏ không đáng kể : I =Er ( 1.17) Ta nói rằng, nguồn điện bị đoản mạch ( hay ngắn mạch).
+ Trờng hợp mạch ngoài có máy thu điện:
Xét mạch điện kín gồm nguồn điện ( E, r ) và điện trở ngoài R mắc nối tiếp với một máy thu điện có suất phản điện Ep và điện trở trong rp (h. 5). Định luật Ôm viết là:
120 A B R E, r I h. 4 r R I + = E R E, r I Ep, rp
p r r R I + + = E-Ep ( 1.18 )
+ Hiệu suất của nguồn điện:
E
U A A
H = coich = ( 1.19 ) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Định luật Ôm đối với đoạn mạch có chứa nguồn điện
Xét đoạn mạch có chứa nguồn điện nh hình vẽ ( h. 6a ) Hệ thức UAB = VA -VB = E - rI (1. 20a) hay r U r U I E- AB BA+E = = (1.20b )
Các hệ thức trên biểu thị định luật Ôm cho đoạn mạch chứa nguồn điện .
Cần chú ý rằng, ở đây dòng điện chạy từ cực âm sang cực dơng của nguồn và VA > VB. Ta nhận thấy HĐT giữa hai cực của nguồn nhỏ hơn suất điện động của nguồn điện. Nếu đoạn mạch còn có thêm điện trở R (h. 6b ) thì các hệ
thức trên trở thành: UAB = VA - VB = E - ( r+R)I
r R U r R U I AB BA + + = + = E- E ( 1.21 )
- Định luật Ôm đối với đoạn mạch chứa máy thu điện
Xét đoạn mạch chỉ có máy thu điện nh hình vẽ (h. 7a ). Hệ thức: UAB = VA - VB = Ep +rpI (1. 22a ) Hay p p AB r U I = - E (1.22b)
Các hệ thức trên biểu thị định luật Ôm cho đoạn mạch chứa máy thu điện. ở đây dòng điện đi vào cực dơng của máy thu điện.
Nếu trên đoạn mạch còn có thêm điện trở R (h. 7b), thì các hệ thức trên trở thành:
121 A I E, r B h. 6a A I E, r R B h.6b A I Ep, rp B h. 7a A I Ep, rp B R h.7b
UAB = VA- VB = Ep + (rp+R)I Hay I U r R p p AB + = - E (1.23 )
- Công thức tổng quát đối với các loại đoạn mạch
Hệ thức tổng quát sau đây của định luật Ôm, áp dụng cho các loại đoạn mạch điện: VA - VB = ( R+r )IAB - E ( 1.24 )
Với quy ớc E là đại lợng đại số, nhận giá trị dơng khi dòng điện chạy qua pin (acquy ) từ cực âm đến cực dơng, tức là khi pin (acquy ) đóng vai trò là nguồn điện, và nhận giá trị âm khi dòng điện I chạy qua pin (acquy ) từ cực dơng đến cực âm tức là khi pin (acquy) đóng vai trò máy thu điện.
D) Phần 4. Mắc các nguồn điện thành bộ. - Mắc nối tiếp
Mắc nối tiếp các nguồn điện (E1, r1 ), (E2, r2 )... (En, rn ) thành bộ nguồn nh hình vẽ (h.8 ).
- Suất điện động của bộ nguồn: Eb = E1 + E2 + + E… n ( 1. 25a )
- Điện trở trong của bộ nguồn: rb = r1 + r2 +...+ rn (1. 25b )
- Mắc xung đối
Ghép hai nguồn (E1, r1), (E2, r2) thành bộ nguồn theo sơ đồ nh hình vẽ ( h. 9) ( Ghép xung đối ).
- suất điện động của bộ nguồn: Eb = E1 -E2 ( 1. 26a ) - Điện trở trong của bộ nguồn:
A E1, r1 E2, r2 En, rn B
h. 8
A E1, r1 E2, r2 B
rb = r1 + r2 ( 1. 26b )
- Mắc song song
Mắc song song n nguồn điện có cùng suất điện động E và điện trở trong r nh hình vẽ ( h. 10 ).
- Suất điện động và điện trở trong của bộ nguồn là: Eb = E (1. 27a ) rb = n r ( 1. 27b ) - Mắc hỗn hợp đối xứng
Mắc N nguồn điện giống nhau thành m dãy, mỗi dãy có n nguồn mắc nối tiếp ( h.11). Suất điện động và điện trở trong của bộ nguồn là : Eb = nE (1. 28a ) rb = m nr ( 1.28b ) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});