Xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hoá
2.1.3.1. Mục đích thí nghiệm
- Áp dụng định luật Ôm với toàn mạch để xác định suất điện động và
điện trở trong của một pin điện hóa.
- Sử dụng đồng hồ đo hiện số đa năng để xác định các thông số của mạch điện.
- Hiểu hơn về tính chất hoạt động của một pin điện hóa.
- Rèn luyện kĩ năng thực hành và báo cáo khi làm thí nghiệm.
2.1.3.2. Cơ sở lí thuyết
Một loại pin rất thông dụng là pin Lơclăngsê (Leclanché), có cực âm là kẽm, cực dương là một thanh than bao bọc xung quanh bằng một hỗn hợp đã nén chặt gồm mangan điôxit MnO2 và graphit để tăng độ dẫn điện, dung dịch điện phân là dung dịch amôn clorua (NH4Cl). Suất điện động của pin khoảng
1,5V. Mangan điôxit là một chất ôxi hoá mạnh có tác dụng khử (hấp thụ) khí hiđrô hiện ra ở cực khi pin hoạt động (khí này làm giảm nhanh hiệu điện thế
giữa hai cực). Để tiện dùng người ta chế tạo pin Lơclăngsê dưới dạng pin khô. Khi đó dung dịch NH4Cl được trộn trong một thứ hồ đặc rồi đóng vào trong một vỏ pin bằng kẽm, vỏ pin này là cực âm.
- Pin điện hóa có điện trở trong, kí hiệu là r. Giá trị của r khi pin mới
khá nhỏ, khoảng 1 đến 2 ôm, nhưng tăng dần khi pin cũ (lên hàng chục ôm)
do vậy nó làm giảm dòng điện cung cấp cho tải.
- Khi sử dụng, nếu dòng điện thay đổi thì quá trình điện hóa xảy ra ở
trong pin sẽ làm cho giá trị điện trở trong thay đổi, vì vậy để có thể coi r là hằng số, thì cần thay đổi dòng điện trong phạm vi không chênh lệch quá.
Hiệu điện thế trung bình: Đây là thông số quan trọng thường được ghi
trên pin. Một viên pin ghi hiệu điện thế là 3.7V, có nghĩa là từ lúc đầy pin đến
niken như pin AA, pin C, D v.v... Trên pin ghi là 1.5V, có nghĩa là trung bình của pin từ lúc đầy pin đến lúc hết pin là 1.5V, thực tế khi pin đầy hiệu điện thế
là khoảng 1.6 - 1.7V, và khi pin cạn còn khoảng 1.2 - 1.3V.
Để xác định suất điện động và điện trở trong của pin, cần áp dụng định
luật Ôm cho toàn mạch. Sơ đồ thực hành:
Khi mạch điện hở thì hiệu điện thế
giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động của nguồn. Tuy nhiên khi dùng vôn kế đo 2 cực của nguồn điện thì thực
tế đã có dòng điện trong mạch đo của đồng hồ, tức là đã tạo nên mạch kín. Nhưng dòng điện trong trường hợp này là rất nhỏ, nếu điện trở nội của vôn kế
rất lớn. Theo mức độ chính xác có thể xem U » E. Lúc đó r =
I U
E- , khó xác
định vì E – U » 0 và I » 0.
Để phép đo chính xác hơn và xác định được giá trị của sai số, ta có thể
vận dụng định luật ôm cho toàn mạch để xác định E và r. Có thể có các phương án thực hiện sau:
a) Phương án 1:
Thực hiện đo các giá trị U và I tương ứng khi thay đổi R, ta vẽ đồ thị mô
tả mối quan hệ đó, tức U = f(I).
Áp dụng phương pháp xử lí kết quả đo được bằng đồ thị, ta vẽ được đường biểu diễn. (Ở đây dự đoán là một đường thẳng có dạng y=ax+b). Đường thẳng này sẽ cắt trục tung tại U0 và
cắt trục hoành tại Im. Xác định giá trị của U0 và Im trên các trục. Đồ thị vẽ được có dạng như hình vẽ:
Theo phương trình đồ thị, dựa vào công thức của định luật Ôm cho toàn mạch ta có:
V A E, r K R0 R U I U0 Im
U = E – I(R0 + r) Khi I = 0 à U0 = E Khi U0 = 0 à r R E Im + = 0 Từ đó ta tính ra được E và m m I R I E r= - 0 b) Phương án 2:
Có thể sử dụng công thức định luật Ôm:
r R R R E I A+ + + = 0 Và viết dưới dạng: R R R r E I = 1 ( + 0+ A+ 1 ) Hay (x b) E 1 y= + với y = 1/I; b = R0 + RA + r; x = R
Như vậy, căn cứ vào các giá trị của
Rx và I đo được ta suy ra giá trị của x và y
để vẽ đồ thị. Áp dụng phương pháp xử lí
kết quả đo được bằng đồ thị, ta vẽ được đường biểu diễn. Ở đây dự đoán là một đường thẳng có dạng y=ax+b (hình vẽ )
Sau đó kéo dài đường thẳng của đồ thị cắt trục tung tại y0 và trục hoành tại xm. Xác định toạ độ y0 và xm, đưa vào điều kiện của phương trình y = f(x), ta có:
y = 0 à x = xm = b x = 0 à y = y0 = b/E
Như vậy ta có thể xác định E và r.
Bổ sung phương án 3:
Trong công thức định luật Ôm cho toàn mạch: U = E – Ir, U = IRN là hiệu điện thế mạch ngoài, theo sơ đồ thì RN = R0 + Rx đã cho thấy mạch điện
y
x y0
thể xác định được E và r, ta cần thực hiện các cặp giá trị U1, I1 và U2, I2 lúc này ta có 2 phương trình: î í ì - = - = 2 2 1 1 rI E U rI E U ® E = U1 + rI1
® U2 = U1 + rI1- rI2 = U1 + r (I1- I2) Þ r = 2 1 1 2 I I U U - - và E = U1 + rI1 Mạch điện: 2.1.3.3. Dụng cụ
1. Hộp dụng cụ có bảng lắp ráp và khay linh kiện, cần lựa chọn các linh kiện
sau:
- 2 pin 1.5V và đế (1 pin mới và 1 pin cũ).
- Điện trở 10W và đế tương ứng với R0 trên sơ đồ.
- Biến trở có các mức biến đổi từ 10W đến 100W, tương ứng với Rx trên
sơ đồ.
- Bộ dây cắm phích đàn hồi F4mm.
2. Hai đồng hồ vạn năng, một dùng ở thang Vôn, một dùng ở thang Ampe.
2.1.3.4. Giới thiệu đồng hồ đo điện đa năng
1. Đồng hồ đo điện đa năng hiện số
Đồng hồ đo điện đa năng hiện số DT- 830B có nhiều thang đo ứng với các chức năng khác nhau như : đo điện áp, đo cường độ dòng
điện 1 chiều, xoay chiều, đo điện trở, … .
V A E, r K R0 Rx
2. Những điểm cần chú ý khi thực hiện
+ Vặn núm xoay của nó đến vị trí tương ứng với chức năng và thang đo cần
chọn. Sau đó nối các cực của đồng hồ vào mạch rồi gạt nút bật – tắt sang vị trí “ON”.
+ Nếu chưa biết rỏ giá trị giới hạn của đại lượng cần đo, ta phải chọn thang đo
có giá trị lớn nhất phù hợp với chức năng đã chọn.
+ Không do cường độ dòng điện và hiệu điện thế vượt quá thang đo đã chọn.
+ Không chuyển đổi chức năng thang đo khi đang có dòng điện chạy qua nó.
+ Không dùng nhầm thang đo cường độ dòng điện để đo hiệu điện thế.
+ Khi sử dụng xong các phép đo phải gạt nút bật – tắt về vị trí “OFF”
+ Phải thay pin 9V bên trong nó khi pin yếu (góc phải hiễn thị kí hiệu ) + Phải tháo pin ra khỏi đồng hồ khi không sử dụng trong thời gian dài.
2.1.3.5. Các bước tiến hành thí nghiệm
Mạch điện và bảng số liệu cho Phương án 1và 2:
- Dùng bộ dây nối có chốt cắm và các linh kiện mắc mạch theo như trên sơ đồ (theo bảng lắp ráp mạch điện của lớp 11).
- Sau khi kiểm tra kĩ mạch lắp ráp, chọn vị trí biến trở ở vị trí 100W,
đồng hồ Vôn chọn thang DCV 20, còn đồng hồ Ampe chọn thang 200mA DC (Hai đồng hồ đều là loại vạn năng hiện số).
-Đóng công tắc, và đọc các giá trị trên hai đồng hồ tương ứng với vị trí
của biến trở (Rx). V A E, K R0 Rx
- Tiếp tục với các vị trí của biến trở 100W, 90W, 80W, 70W, 60W, 50W, 40W, 30W, 20W, 10W, xác định các giá trị tương ứng trên các đồng hồ. Mỗi
lần thực hiện đều sử dụng công tắc để ngắt mạch điện và chờ vài giây sau mới đóng mạch để quá trình điện hóa ở trong pin ổn định và biến trở không bị
dòng điện làm tăng nhiệt độ liên tục.
- Ghi các giá trị vào bảng số liệu để xử lí theo các phương án 1 và 2.
Bảng 2.1
Rx 100W 90W 80W 70W 60W 50W 40W 30W 20W 10W U
I
1. Xử lí kết quả phương án 1:
Dùng kết quả trong bảng 2.1 để vẽ đồ thị theo hệ trục tọa độ U và I. Hệ
trục tọa độ cần lấy tỷ lệ xích chính xác để xác định các đại lượng U0 và Im. Từ phương trình của đường thẳng U = E – I(R0 + r) sẽ cắt hệ trục tọa độ
tại hai điểm:
Khi I = 0 à U0 = E là giá trị đọc được trên trục tung. Khi U0 = 0 à r R E Im + = 0
là giá trị đọc được trên trục hoành
Từ đó ta tính ra được E và m m I R I E r= - 0
Đó là kết quả cần thực hành trong bài thí nghiệm này.
2. Xử lí kết quả phương án 2:
Cũng với bảng 2.1 số liệu của bài này, hãy thực hiện vẽ đồ thị và tính
toán theo phương trình y = f(x).
Các điểm của đồ thị là: Bảng 2.2 x = Rx 100W 90W 80W 70W 60W 50W 40W 30W 20W 10W I U y =1/I
y = 0 à x = xm = b (xác định trên đồ thị)
x = 0 à y = y0 = b/E (xác định trên đồ thị)
Dùng đồng hồ Vôn đo điện áp hai đầu của đồng hồ Ampe để xác định
RA = U/I (trong lý thuyết thì RA thường cho là 0) Với các kết quả thu được ta tính r theo biểu thức sau:
b = R0 + RA + r à r = b – (R0 + RA) Còn E = b/y0
3. Mạch điện và bảng số liệu phương án 3: - Mắc mạch điện theo sơ đồ trên: chú ý các cực và thang đo của đồng hồ. Đối
với vị trí của vôn kế, đồng hồ đặt ở thang
DCV mức 20, còn với vị trí ampe kế đồng
hồ đặt ở thang DCA mức 10A (cực âm ở COM, cực dương ở 10A DC của đồng hồ DT 830B).
- Điều chỉnh biến trở Rx ở vị trí giữa để có giá trị khoảng 50W. Đóng
công tắc, gạt núm bật (power) của A và V sang vị trí ON. Chờ thời gian ngắn
khi giá trị số đo trên Ampe kế và Vôn kế ổn định đọc và ghi kết quả vào bảng. Sau đó gạt công tắc các đồng hồ về OFF.
- Ghi kết quả vào bảng sau:
Bảng 2.3
RN=10W +50W Lần 1 Lần 2 Lần 3 I1
U1
- Điều chỉnh biến trở Rx ở vị trí tận cùng tức lấy toàn bộ giá trị của biến
trở là 100W. Đóng công tắc, gạt công tắc của các đồng hồ về ON. Chờ ổn định và đọc ghi kết quả vào bảng sau. Sau đó gạt công tắc đồng hồ về OFF và ngắt
công tắc chạy của mạch.
V A E, r K R0 Rx
Bảng 2.4
RN=10W +100W Lần 1 Lần 2 Lần 3 I2
U2
Với bảng 2 và bảng 3 số liệu của bài thí nghiệm, dựa theo hệ phương
trình sau để tính toán kết quả:
î í ì - = - = 2 2 1 1 rI E U rI E U ® E = U1 + rI1
® U2 = U1 + rI1- rI2 = U1 + r (I1- I2) Þ r = 2 1 1 2 I I U U - - và E = U1 + rI1