7. Cấu trúc của khóa luận
2.2.3. Định luật Ôm đối với toàn mạch [3, tr.50 – 54]
GV giới thiệu cho HS về mạch kín: Mạch kín là một hệ bao gồm nguồn điện, các thiết bị tiêu thụ điện và các phần tử khác nhau được nối với nhau bằng dây dẫn để cho dòng điện chạy qua. Mạch kín đơn giản nhất là mạch gồm nguồn điện có điện trở trong, suất điện động E và một điện trở ngoài R (Hình 1).
GV có thể đưa ra khái niệm sơ bộ về đoạn mạch để HS có thể phân biệt được đoạn mạch và mạch kín: Đoạn mạch là một phấn tử của mạch kín, gồm một hoặc một vài phần tử của mạch kín.
Ví dụ: Đoạn mạch ABC chứa nguồn, đoạn mạch ADB chứa điện trở R. Tiếp đó, GV thông báo: Thực nghiệm cho thấy, nếu thay đổi một trong các đại lượng E, r, R, I thì các đại lượng còn lại cũng thay đổi. Từ đó, GV đặt vấn đề nghiên cứu mối quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng cho mạch kín và yêu cầu HS giải bài tập 1:
“Cho mạch kín gồm có một nguồn có suất điện động E, điện trở trong r, mạch ngoài có điện trở R.
a) Tính công do nguồn điện sinh ra, điện năng tiêu thụ trên các trở trong thời gian t.
b) Xác định mối quan hệ giữa công sinh ra bởi nguồn điện và điện năng tiêu thụ ở mạch ngoài. Từ đó rút ra mối liên hệ giữa suất điện động E với độ giảm thế ở các đoạn mạch; tìm biểu thức tính cường độ dòng điện chạy trong mạch.” E, r A C B I D R Hình 1
Để giải ý a của bài tập này, HS chỉ cần vận dụng các kiến thức đã học. HS có thể dễ dàng tính được công do nguồn điện sinh ra và điện năng tiêu thụ trên các trở trong thời gian t. Điện năng tiêu thụ trên các trở chuyển thành nhiệt năng.
Nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở R: Q1 =I Rt2 .
Nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở trong của nguồn: Q2 =I rt2
Công của nguồn điện: A EIt=
Để giải ý b, GV yêu cầu HS trả lời câu hỏi: Điện năng do nguồn cung cấp chuyển hóa thành những dạng năng lượng nào? Năng lượng đó được tiêu thụ ở những đâu? Câu trả lời cho câu hỏi này là: Điện năng do nguồn cung cấp được chuyển hóa thành nhiệt năng tỏa ra trên các điện trở nếu bỏ qua điện trở của dây dẫn và mối nối. Sau khi trả lời được câu hỏi đó, HS sẽ thiết lập được các mối quan hệ cần thiết giữa các đại lượng.
Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, năng lượng sinh ra trong một khoảng thời gian phải bằng năng lượng tiêu thụ trong khoảng thời gian đó: A Q= 1+Q2 2 2 EIt I Rt I rt ⇔ = + E IR Ir ⇔ = + (1)
GV thông báo: Tích của cường độ dòng điện và điện trở được gọi là độ giảm thế. IR và Ir lần lượt là độ giảm thế trên các trở R và r. Từ đó, HS sẽ rút ra nhận xét: Suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tổng các độ giảm thế ở mạch trong và mạch ngoài.
Từ (1), HS cũng sẽ rút ra được biểu thức tính cường độ dòng điện chạy trong mạch kín: E I R r = + (2)
GV thông báo: Từ nhiều thí nghiệm chính xác của mình, Ôm đã tìm ra được biểu thức tính cường độ dòng điện trong mạch kín như trên. Biểu thức này chính là biểu thức của định luật Ôm cho toàn mạch. Tiếp đó, GV yêu cầu HS phát biểu định luật: Cường độ dòng điện chạy trong mạch điện kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch đó.
Từ kết quả của bài tập 1, GV yêu cầu HS rút ra một số hệ quả thông qua việc giải bài tập 2:
“Tính hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện và nhận xét kết quả thu được trong các trường hợp sau:
a) Mạch hở.
b) Điện trở trong của nguồn rất nhỏ, có thể bỏ qua (r ≈ 0). c) Điện trở ngoài không đáng kể (R ≈ 0).
Để giải bài tập này, đầu tiên, GV yêu cầu HS xác định xem hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện là hiệu điện thế giữa hai điểm nào (hình 1)? Từ đó, yêu cầu HS rút ra công thức xác định hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện từ biểu thức của định luật Ôm cho toàn mạch.
Lời giải của bài tập: Trong trường hợp mạch điện có sơ đồ như hình vẽ ở bài tập 1, hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện là hiệu điện thế giữa A và B hay chính là độ giảm thế ở mạch ngoài: UAB = IR
Theo biểu thức của định luật Ôm cho toàn mạch:
AB
U = IR
= −E Ir
a) Nếu mạch hở, trong mạch không có dòng điện chạy qua (I = 0). Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện là:
AB
Nhận xét: Khi mạch ngoài hở, hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn bằng suất điện động của nguồn.
b) Khi mạch ngoài hở hoặc điện trở trong của nguồn nhỏ không đánh kể (r
≈0) thì hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn là:
AB
U = − =E Ir E
Nhận xét: Nếu điện trở trong của nguồn nhỏ không đáng kể thì điện thế giữa hai cực của nguồn cũng bằng suất điện động của nguồn.
GV thông báo: Để đo suất điện động của nguồn, ta có thể đo hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn khi điện trở mạch ngoài rất lớn (R ? r).
c) Khi điện trở mạch ngoài không đánh kể (R = 0), theo biểu thức của định luật Ôm cho toàn mạch, cường độ dòng điện trong mạch:
E E
I
R r r
= =
+
Nhận xét: Cường độ dòng điện trong mạch chỉ phụ thuộc vào suất điện động và điện trở trong của nguồn. Và lúc này, cường độ dòng điện đặt giá trị lớn nhất.
GV thông báo: Khi điện trở mạch ngoài không đáng kể (R = 0), ta nói rằng nguồn bị đoản mạch. Khi xảy ra đoản mạch, cường độ dòng điện rất lớn, nếu điện trở trong của nguồn nhỏ có thể gây hỏng nguồn, các dây dẫn bị đốt cháy. GV có thể đưa ví dụ về hiện tượng đoản mạch của acquy ôtô, xe máy khi khởi động hoặc khi bóp còi. Để sử dụng acquy bền hơn thì chỉ ấn công tắc khởi động hoặc bóp còi mỗi lần khoảng vài giây và không quá hai, ba lần.
GV đặt vấn đề nghiên cứu định luật Ôm đối với cả đoạn mạch có chứa máy thu: Ở trên, chúng ta mới chỉ thành lập biểu thức của định luật Ôm cho đoạn mạch đơn giản. Nếu đoạn mạch còn chứa cả máy thu thì định luật Ôm cho đoạn mạch sẽ như thế nào?
Đối với HS học chương trình chuẩn, do không nghiên cứu về khái niệm suất phản điện và điện năng tiêu thụ của máy thu nên GV có thể thông báo cho HS: Đối với đoạn mạch có chứa cả nguồn và máy thu ghép nối tiếp, biểu thức của định luật Ôm cho toàn mạch có dạng:
i i i i E I R r = +
∑
∑
Với quy ước dấu: Ei > 0 nếu đó là nguồn và Ei < 0 nếu đó là máy thu; ri là điện trở trong của nguồn hoặc máy thu.
Đối với HS học chương trình nâng cao, để trả lời câu hỏi đặt ra ở trên, GV ý HS giải bài tập 3:
“Bằng cách áp dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, tìm biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch kín có chứa máy thu (Hình 2)."
Bài tập này giải tượng tự như bài tập 1. HS phải tính năng lượng do nguồn cung cấp và năng lượng tiêu thụ trên các thiết bị.
Năng lượng do nguồn cung cấp trong thời gian t:
A EIt=
Nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở trong của nguồn và điện trở mạch ngoài: 2( )
Q I R r t= +
Năng lượng tiêu thụ trên máy thu: A'= E It I r t' + 2 '
Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, năng lượng do nguồn cung cấp bằng năng lượng tiêu thụ trên tất cả các thiết bị trong cùng một thời gian: A Q A= + ' 2( ) ' 2 ' EIt I R r t E It I r t ⇔ = + + + Hình 2 I E’, r’ E, r R
' ( ') E E I R r r ⇔ − = + + ⇔ ' ' E E I R r r − = + +
GV có thể tổng kết kết quả bài tập 1 và bài tập 3: Khi tính toán, ta có thể xem máy thu là một nguồn điện có suất điện động âm.
Như vậy biểu thức của định luật Ôm cho toàn mạch có các nguồn mắc nối
tiếp là: i i i i E I R r = +
∑
∑
Trong đó, Ei và ri là suất điện động và điện trở trong của các nguồn, R là điện trở tổng cộng của mạch ngoài.
Cuối cùng, GV cần lưu ý với HS quy ước: Dòng điện có chiều đi ra ở cực dương và đi vào ở cực âm của nguồn điện; đi vào ở cực dương và đi ra ở cực âm của máy thu.
