CHUYÊN VẬT LÝ
2.1. Nội dung kiến thức chương Những định luật cơ bản của dịng điện khơng đổi đổi
2.1.1. Cấu trúc nội dung chương Những định luật cơ bản của dịng điện khơng đổi khơng đổi
Nội dung chính của chương “Những định luật cơ bản của dòng điện
khơng đổi” trong chương trình vật lí trường chun có thể chia ba phần chính sau: Định luật Ohm đối với đoạn mạch chứa điện trở, định luật Ohm đối với toàn mạch – đối đoạn mạch chứa nguồn và định luật Kia rơ khốp.
Trong phần định luật Ohm nghiên cứu ba vấn đề chính:
Định luật Ohm đối với đoạn mạch chứa điện trở. Mối quan hệ giữa cường độ dòng điện I với hiệu diện thế hai đầu đoạn mạch và điện trở.
Định luật Ohm đối với toàn mạch.Mối quan hệ giữa cường độ dòng
điện I chạy trong mạch kín đó với suất điện động E của nguồn điện và điện trở toàn phần của mạch điện kín ( R + r ). Định luật Ohm đối với đoạn
mạch trong có nguồn điện.
Trong phần định luật Kia rơ khốp: Định luật nút (Dựa vào định luật bảo tồn dịng điện) . Định luật về vịng kín ( Dựa vào định luật bảo toàn năng lượng).
Sau đây là sơ đồ cấu trúc nội dung chương:
Sơ đồ 1.1 Cấu trúc nội dung chương Những định luật cơ bản của dịng điện khơng đổi
2.1.2. Phân tích sơ lược nội dung chương Những định luật cơ bản của dịng điện khơng đổi. dịng điện khơng đổi.
2.1.2.1. Định luật Ohm đối đoạn mạch chứa điện trở.
Xét một đoạn mạch chứa điện trở R, hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch là U. Thì cường độ dịng điện chạy trong mạch là I có dạng:
U I
R
2.1.2.2. Định luật Ohm đối với toàn mạch – đối với đoạn mạch chứa nguồn. Định luật Ohm cho tồn mạch.
Một mạch kín đơn giản nhất được vẽ ở hình 1 bao gồm một nguồn điện
( E , r ) và điện trở R nối giữa hai
điện cực ở phía ngồi nguồn điện.
Định luật cơ bản của dịng điện khơng đổi
Định luật Ohm Định luật Kiarơkhốp
Định luật Ohm đối với đoạn mạch chứa nguồn Định luật nút Định luật vịng kín Định luật Ohm Định luật Ohm đối với toàn mạch Định luật Ohm đối đoạn mạch chứa điện trở
Định luật Ohm cho toàn mạch biểu thị mối quan hệ giữa cường độ
dịng điện I chạy trong mạch kín đó với suất điện động E của nguồn điện và điện trở tồn phần của mạch điện kín ( R + r ).Dạng cường độ dòng
điện: E I R r (1.1) Dạng hiệu điện thế: AB ( ) IR=Ir+U EI rR Ir (1.2)
Ta có thể phát biểu : Cường độ dịng điện trong mạch kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch kín. Suất điện động của nguồn có giá trị bằng tổng các độ giảm thế
trong Ir và giảm thế ngoài IR .
Hiệu điện thế hai cực bộ nguồn UAB có giá trị bằng độ giảm thế ở mạch ngoài và nhỏ hơn giá trị suất điện động :
UAB= IR = E – Ir (1.3)
Hiệu điện thế hai cực bộ nguồn có giá trị bằng suất điện động E của bộ
nguồn UAB = E trong hai trường hợp:
Khi mạch ngồi hở, khơng có dịng điện chạy trong mạch I = 0 cũng
có nghĩa là khơng có dòng điện chạy qua nguồn điện. Ngược lại, khi nào thấy hiệu điện thế hai cực một nguồn bằng suất điện động UAB=E thì ta biết khơng có dịng điện và có thể bỏ nguồn điện đó đi mà khơng ảnh hưởng đến phần cịn lại của mạch điện. Ta gặp “nghịch lý” vui: một đoạn mạch có hiệu điện thế hai đầu khác khơng UAB ≠0 mà trong đoạn mạch lại khơng có
Nếu mạch ngồi kín, có dịng điện I chạy trong mạch thì UAB=E khi R=0 nguồn điện có điện trở trong nhỏ khơng đáng kể. Như vậy khi có cường độ dịng điện chạy qua nguồn điện mà hiệu điện thế hai cực bằng suất điện động UAB=E thì nguồn điện đó có điện trở trong nhỏ khơng đáng kể. Ngược lại, một hiệu điện thế không đổi U ln có thể xem như một
nguồn có suất điện động E bằng hiệu điện thế khơng đổi đó: E=U0 với điện trở trong nhỏ không đáng kể r ≈ 0.
Hệ thức UAB = IR cho thấy ta đang khảo sát mạch ngồi có R . Cịn
hệ thức UAB =E-IR nói lên rằng ta đang khảo sát mạch trong nguồn. → Ta cần chú ý rằng ý nghĩa của hai hệ thức đó là khác nhau.
Định luật Ohm đối với đoạn mạch chứa nguồn điện
Mở rộng định luật ohm cho toàn mạch.
Trong phần định luật Ohm cho toàn mạch, ta đã xét mạch kín như hình 2 và đã có:
UAB=RIAB, khi xét mạch ngồi ARB .
UAB=E-Ir ,khi xét đoạn mạch trong có nguồn điện.
Ta sẽ mở rộng đẳng thức thứ hai này khi xét một đoạn mạch tổng qt bất kì, trên đó ngồi các điện trở thuần cịn có các nguồn điện với các chiều mắc tùy ý.
Như vậy ta thấy rằng định luật Ohm cho mạch kín chỉ là một trường hợp riêng của định luật Ohm tổng qt. Thực vậy, đối với mạch kín thì chỉ điểm A trùng với điểm B, khi đó VA=VB và RAB=R là điện trở của cả mạch kín bao gồm cả điện trở của nguồn (gọi là điện trở trong) và điện trở bên ngoài
nguồn (thường gọi là điện trở ngoài Rn): R=R + r, còn E là tổng đại số các
suất điện động có trong mạch kín. Ta có: E =IR .
Nguồn điện
Các nguồn phát điện : như trong ví dụ ở hình 2, dịng điên I đi từ
cực dương của nguồn đi ra, hay nói khác đi dịng điện đi qua nguồn từ cực
âm sang cực dương. Nguồn điện ( E , r ) trong trường hợp này cung cấp điện
cho toàn mạch. Ở mạch ngồi dịng điện có thể làm bóng đèn sáng, chạy động cơ điện,… Điện năng dự trữ trong nguồn sẽ chuyển hóa dần thành nhiệt năng, cơ năng, hóa năng… Ta nhắc lại rằng ở các nguồn phát điện,
dòng điện đi ra từ cực dương của nguồn điện. Các nguồn thu điện:
Xét mạch điện nạp cho acquy như hình 3.
Một nguồn điện mạch E phát dòng điện I
ra mạch ngồi. Mạch ngồi gồm có một
acquy e′ và một biến trở Rbt để điều chỉnh
dòng nạp điện. Đối với acquy đang nạp
điện,dòng điện nạp I đi vào cực dương
acquy. Hay nói cách khác thì dịng nạp điện đi từ cực dương acquy qua cực âm.
Trong acquy được nạp điện, dòng điện I sinh cơng gây ra các phản
ứng hóa học các lực hóa học kéo các electron và ion âm về điện cực âm acquy, kéo các ion dương về điện cực dương đi ngược chiều của lực điện trong lịng acquy. Kết quả là các điện tích dương và điện tích âm được tích tụ ở hai điện cực tạo nên một hiệu điện thế giữa hai điện cực acquy. Nhắc lại rằng nguồn thu điện thì dịng điện đi vào cực dương.
Nếu viết biểu thức của dòng điện I trong mạch nạp acquy nói trên. Ta
có: ' ' E e I r r R (2.1)
Trước suất điện động acquy e′ có dấu trừ. Suất điện động nguồn nạp E bị giảm bớt một lượng bằng e’ . Do đó ta gọi e′ trong trường hợp này là
suất phản điện. Cơng của dịng điện I ngồi phần gây tỏa nhiệt trên r’ cịn có phần chuyển thành hóa năng dự trữ trong acquy.
Trong trường hợp các động cơ điện hoặc bình điện phân khơng có hiện tượng cực dương tan, ngồi phần gây tỏa nhiệt trên điện trở thuần của
các dụng cụ có phần cơng dịng điện W′′ chuyển thành cơ năng hay hóa năng. Do đó với các dụng cụ điện này ta cũng nói rằng động cơ, bình điện
phân (khơng có dương cực tan) có suất phản điện e′ tương tự như acquy
được nạp điện với:
' '
' W W
q It
e
Chúng là các nguồn thu điện.
2.1.2.3. Định luật Kia rơ khốp
Định luật Kiếchốp I : (Dựa vào định luật bảo tồn điện tích)
Định luật Kiếchốp I được phát biểu như sau :
“Tổng số học các dòng điện đến một nút phải bằng tổng số học các dòng điện rời khỏi nút” .
Nếu ta quy ước dòng điện hướng tới nút là dương , dịng điện rời nút là âm , ta có định luật Kirchhoff tổng quát như sau :
Tổng đại số các dịng điện đến một nút bằng khơng” : I0. (1) Định luật Kiếchốp II : (Dựa vào định luật bảo toàn năng lượng)
Xét một vịng kín của mạch điện , định luật Kiếchốp II được phát biểu như sau :
Theo một vịng kín , tổng đại số các suất điện động bằng tổng đại số các độ giảm thế : E( rI. ) (2)