Áp dụng hệ thức hiệu điện thế của đoạn mạch chứa nguồn điện và định luật ơm đối với tồn mạch để xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hoá.
Sử dụng các đồng hồ đo điện đa năng hiện số (Digital Multimeter) để đo hiệu điện thế và cƣờng độ dòng điện trong mạch.
2.2.2. Cơ sở lý thuyết
Xét mạch kín gồm một pin điện hố có suất điện động E và điện trở trong r mắc nối tiếp với điện trở bảo vệ R0, miliampe kế RA và biến trở núm xoay R.
Áp dụng công thức hiệu điện thế của đoạn mạch MN có chƣa nguồn điện E ta có: UMN= U= E - I(r +R0). (1)
Muốn xác định giá trị của E và r, ta phải mắc thêm vôn kế V vào 2 đầu đoạn mạch MN để đo giá trị của hiệu điện thế U. Nhƣng nếu vơn kế V có điện trở khơng lớn, thì khi mắc nó vào 2 đầu đoạn mạch MN, cƣờng độ dòng điện I sẽ tăng lên và hiệu điện thế U sẽ bị giảm nhỏ so với các giá trị cần đo.
Để khắc phục khó khăn trên, ngƣời ta dùng vơn kế hiện số V có điện trở trong RV rất lớn (cỡ mêgaôm) sao cho cƣờng độ dòng điện I chạy trong đoạn
dịng điện chay qua vơn kế có cƣờng độ rất nhỏ, khơng thể bỏ qua). Nhƣ vậy, ta có thể mắc vơn kế hiện số V vào 2 đầu của một đoạn mạch bất kỳ trong mạch kín mà khơng làm ảnh hƣởng đến cƣờng độ dịng điện I và hiệu điện thế U của đoạn mạch đó.
Hơn nữa, cần phải chọn giá trị thích hợp của điện trở Ro để dịng điện chạy qua pin điện hố có cƣờng độ I đủ nhỏ, sao có cho chất ơxi hố có thể khử kịp sự phân cực của pin. Khi đó, giá trị điện trở trong r hầu nhƣ không bị thay đổi.
Nếu thay hiệu điện thế U= I(R+R0) đối với đoạn mạch MN chứa biến trở R và miliampe kế A vào công thức (1), ta nhận dƣợc công thức của định luật ơm đối với tồn mạch:
A 0 E I R R R r (2) 2.2.3. Dụng cụ thí nghiệm (hình 7)
1. Một đồng hồ đo điện đa năng hiện số (DT- 830B) dùng làm miliampe kế một chiều A.
2. Đồng hồ đo điện đa năng hiện số (DT- 830B) dùng làm vôn kế 1 chiều V.
3. Điện trở bảo vệ R0 (10 5W).
4. Biến trở núm xoay R (10 10 0,5w). 5. Biến trở con chạy (100 0,5A). 6. Bảng lắp ráp mạch điện.
7. Bộ dây nối mạch điện có 2 đầu phích. 8. Một pin con thỏ hoặc 1 pin con ó.
2.4.Tiến hành thí nghiệm
1. Mắc pin điện hoá E vào mạch điện nhƣ hình 8.
Hình 7 1 8 2 7 3 4 6
- Biến trở ở vị trí điện trở R 10 . - Miliampe kế hiện số A ở vị trí DCA 200m, cực dƣơng (+) là lỗ cắm “ V mA ”, cực âm (-) là lỗ cắm ''COM''. 2. Gạt núm bật tắt của miliampe kế A và vơn kế sang vị trí “ON”. Ghi gía trị
ổn định của cƣờng độ cƣờng độ dòng điện I trên miliampe kế A và của hiệu điện thế U trên vôn kế V vào bảng thực hành.
3. Thực hiện lại động tác 2 nêu trên ứng với mỗi giá trị điện trở của biến trở R bằng cách vặn núm xoay của nó sang nấc sau để giảm điện trở của biến trở từ giá trị R 100 xuống tới 30, mỗi lần giảm 10.
4. Mắc lại vôn kế V vào 2 đầu đoạn mạch BP nhƣ hình vẽ, cực dƣơng nối với B, cực âm nối với P. Đọc giá trị ghi vào bảng các giá trị '
U trên vơn kế V và cƣờng độ dịng điện I trên miliampe kế A để tính giá trị của tổng điện trở:
Hình 9: Mắc vơn kế V vào hai đầu đoạn mạch BP.
A ' 0 U R R I (3)
5. Xác định giá trị suất điện động E và điện trở trong của pin điện hoá theo 2 phƣơng án sau đây:
* Phương án thứ nhất:
Căn cứ các giá trị tƣơng ứng của I và U trong bảng thực hành : Hình 8
a. Vẽ đồ thị U = f(I) biểu diễn quan hệ giữa hiệu điện thế U của đoạn mạch MN chứa nguồn điện phụ thuộc cƣờng độ dịng điện I trong đoạn mạch để nghiệm lại cơng thức (1).
b. Xác định toạ độ U0 và Im của các điểm tại đó đƣờng kéo dài của đồ thị U = f(I) cắt trục tung và trục hoành:
I 0 U0 E (4) U 0 m 0 E I R r (5)
Từ (4) và (5) suy ra giá trị suất điện động E và điện trở trong r của pin điện hố.
* Phƣơng án thứ 2:
Có thể viết cơng thức 2 dƣới dạng : 1 1(R RA R0 r)
I E Hay y 1(x b) E (6) Với y 1 I , x=R, a 1 E , bRA R0 r
Căn cứ các giá trị tƣơng ứng của R và I trong bảng thực hành a. Tính giá trị tƣơng ứng của x, y.
b. Vẽ đồ thị y = f(x) biểu diễn gián tiếp quan hệ cƣờng độ dòng điện I trong mạch kín phụ thuộc điện trở R của biến trở để nghiệm lại địn luật ơm đối với tồn mạch theo công thức 6.
c. Xác định toạ độ y0 và xm của các điểm tại đó đƣờng kéo dài của đồ thị y = f(x)
cắt trục hoành và trục tung.
y 0 xm b (7) x 0 y0 b
E
Giá trị điện trở RO 20 , RA 4,4 xR( ) I (1 3 (10 A) U(V) y 1(1 / A) I 100 11,5 1,22 86,9 90 12,7 1,21 78,7 80 14 1,19 71,4 70 15,6 1,17 64,1 60 17,7 1,14 56,5 50 20,2 1,11 49,5 40 23,7 1,07 42,2 30 28,5 1,01 35,08
Từ 7, 8 suy ra giá trị của suất điện động E và điện trở trong r.
Đồ thị U= f(I) + Nhận xét đồ thị:
Đồ thị U= f(I) có dạng là một đƣờng thẳng.
Đồ thị này chứng tỏ khi cƣờng độ dòng điện I chạy qua nguồn điện càng tăng thì hiệu điện thế U giữa 2 đầu đoạn mạch càng phù hợp với công thức
0
+ Xác định toạ độ các điểm U0 và Im tại các đƣờng kéo dài của đồ thị U= f(I) cắt trục tung và trục hoành : 0 I 0 U E 1,5V m 0 E U 0 I R r 3 73.10 A + Kết quả phép đo: E 1,5V , r0,05.
* Cách tính sai số của đồng hồ đo điện hiện số:
Nếu Im là giá trị giới hạn của thang đo cƣờng độ dịng điện thì độ phân
giải của thang đo tính bằng:
m
I
(A / digit) 2000
Giả sử ΔIm là sai số tuyệt đối của Im. Khi đó, sai số tỉ đối của Im bằng:
m m
ΔI I
Và gọi cấp chính xác của thang đo. Trƣờng hợp này sai số tuyệt đối của cƣờng độ dòng điện I hiển thị trên đồng hồ đo điện đa năng hiện số đƣợc tính theo cơng thức:
ΔI I n
Trong đó, cấp chính xác và số digit n đƣợc quy định bởi nhà chế tạo đối với mỗi thang đo.
Các thông số kĩ thuật của đồng hồ DT – 830B
Chức năng Thang đo (%) N
DVC 200mV 0,5 2 2000mV 20V 200V 1000V 0,8 2 DCA 200 A 1,0 2 2000 A 20mA 200mA 1,2 2
3. CÁC THÍ NGHIỆM VỀ DÕNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƢỜNG 3.1. Hiện tƣợng nhiệt điện
3.1.1. Mục đích
Khảo sát hiện tƣợng nhiệt điện.
3.1.2. Cơ sở lý thuyết
Cặp nhiệt điện là 2 dây kim loại khác bản chất, 2 đầu hàn vào nhau. Khi nhiệt độ 2 mối hàn T1, T2 khác nhau, trong mạch có suất điện động nhiệt điện
1 2
(T T )
.
3.1.3. Dụng cụ thí nghiệm (hình 10)
1. Cặp nhiệt kim loại (cromen alumen hoặc đồng congtan).
2. Giá thí nghiệm gồm đế 3 chân trụ thép, khớp nối đa năng tay đỡ có lỗ cắm điện.
3. Điện kế chứng minh V-A-G. 4. Ngọn đèn cồn.
5. Bộ dây dẫn điện: 2 dây có 2 đầu phích, 2 dây có 1 đầu phích và 1 đầu cốt.
3.1.4. Tiến hành thí nghiệm
1. Lắp cặp nhiệt điện A - B lên giá thí nghiệm. Dùng các dây dẫn có 2 đầu phích nối 2 đầu cặp nhiệt điện A - B với điện kế G tạo thành mạch kín. Vặn nhẹ núm xoay ở phía sau điện kế G để điều chỉnh cho kim chỉ thị trùng với số 0 ở chính giữa thang đo của nó.
2. Giữ đầu mối hàn T2 của cặp nhiệt độ ở nhiệt độ khơng khí trong phịng. Dùng
ngọn đèn cồn đốt nóng đầu mối hàn T1 của cặp nhiệt điện
Quan sát thấy kim của điện kế G bị lệch khỏi vị trí số 0 (về bên phải chẳng hạn). Đốt nóng càng lâu để nhiệt độ cua mối hàn T1 càn cao thì kim điện kế G bị lệch càng mạnh. Điều này chứng tỏ trong mạch kín cua cặp nhiệt điện đã có dịng điện chạy qua điện kế G.
3.Ngừng đốt nóng và làm mối hàn T1 nguội dần thì kim của điện kế G quay dần Hình 10
4 1
5 2
về vị trí số 0, tức là dòng nhiệt điện giảm dần tới giá trị bằng 0, khi 2 đầu mối hàn của nó bằng nhau.
4. Bây giờ đốt nóng mối hàn T2 của cặp nhiệt điện thì thấy kim điện kế G bị lệch khỏi vị trí số 0 của điện kế G nhƣng theo chiều ngƣợc lại.
3.1.5. Kết luận
Dòng nhiệt điện do suất nhiệt điện động sinh ra trong cặp nhiệt điện chỉ tồn tại khi giữa 2 đầu mối hàn của cặp nhiệt điện có 1 hiệu nhiệt độ T2 T1 khác 0.
Suất nhiệt điện động của cặp nhiệt điện tăng khi hiệu nhiệt độ (T1-T2)
tăng.
Chiều của dòng nhiệt điện thay đổi khi đổi lẫn vị trí của 2 mối hàn nóng và lạnh.
3.2. Dịng điện trong chất điện phân
3.2.1. Mục đích thí nghiệm
Khảo sát sự tạo thành dòng điện trong các chất điện phân.
3.2.2. Cơ sở lý thuyết
Dòng điện trong chất điện phân là dịng ion dƣơng và ion âm chuyển động có hƣớng theo 2 chiều ngƣợc nhau.
3.2.3. Dụng cụ thí nghiệm (hình 11)
1. Bình điện phân bằng nhựa có nắp đậy: Bình B1 có 2 điện cực bằng
thép inoc.
2. Muối ăn (NaCl), nƣớc cất. 3. Điện kế chứng minh V- A- G dùng làm chức năng ampe kế 1 chiều A.
4. Biến thế nguồn AC - DC: 3-6- 9-2 V/3A.
5. Bộ dây dẫn nối mạch gồm 2 dây có 2 đầu phích cắm và 2 dây có 1 đầu phích và 1 đầu cốt. Hình 11 4 5 1 2 3
1. Dùng điện kế chứng minh V – A - G, làm chức năng điện kế G. Điều chỉnh núm xoay ở mặt sau của nó để kim chỉ thị trùng với số 0 nằm ở chính giữa thang đo. Thang đo của điện kế G có giới hạn đo 0 100A.
Mắc nối tiếp bình điện phân B1(chứa nƣớc cất) với điện kế G và nguồn điện U 1 chiều 6V-3A thành 1 mạch kín. Bật cơng tắc của nguồn điện U: kim của điện kế G lệch khỏi vị trí số 0 đó đã có dịng điện rất nhỏ chạy qua chất điện phân (10-6
A).
Nguyên nhân là do trong nƣớc cất (không hồn tồn tinh khiết) vẫn có 1 số rất ít các phân tử H2O phân ly thành ion H+
và ion OH-, nên đƣớ tác dụng của điện trƣờng giữa 2 điện cực đã chuyển động có hƣớng tạo thành dịng điện.
Chuyển chức năng của điện kế G thành ampe kế 1 chiều bằng cách nối mạch
sang vị trí 2,5A và điều chỉnh núm xoay ở mặt sau của nó để kim chỉ thị trùng với số 0 nằm ở tận cùng bên trái của thang đo này.
Bật công tắc của nguồn điện U: ampe kế vẫn chỉ số 0. Pha thêm khoảng 2 g muối ăn (NaCl) vào nƣớc cất trong bình B1. Khi đó ampe kế A chỉ cƣờng độ dòng điện đủ lớn khác 0. Điều này chứng tỏ dung dịch NaCl chứa trong bình là chất dẫn điện mạnh.
Nếu tăng lƣợng muối ăn pha vào dung dịch trong bình thì cƣờng độ dịng điện càng tăng.
Đồng thời, quan sát thấy có các bọt khí bám trên mặt 2 điện cực thép inoc (khí Cl2 bám vào anot A, khí H2 bám vào catot K) và dung dịch có mùi nồng hắc.
Trong dung dịch muối ăn, các phân tử NaCl và H2O bị phân li: 2NaCl 2 Na+
+ 2 Cl- 2H2O 2OH-
+ 2H+
Do điện trƣờng giữa 2 điện cực tác dụng, các ion Cl-
chuyển động tới nhƣờng electron cho anot và trở thành khí Cl2, các ion H+ chuyển động tới thu electron của catot và trở thành khí H2
2Cl- -2e Cl
2
2H+ + 2e H2
3. Hiện tƣợng dƣơng cực tan
Khảo sát hiện tƣợng dƣơng cực tan.
3.3.2. Cơ sở lý thuyết
Hiện tƣợng dƣơng cực tan xảy ra khi các anion đi tới anot kéo các ion kim loại của điện cực vào trong dung dịch.
3.3.3. Dụng cụ thí nghiệm (hình 12)
1. Bình điện phân có 2 cực bằng Cu đỏ.
2. Dung dịch CuSO4.
3. Điện kế chứng minh V – A - G làm chức năng ampe kế 1 chiều A.
4. Biến thế nguồn AC-DC: 3-6-9-2V/3A.
5. Bộ dây dẫn nối mạch gồm 2 dây có 2 đầu phích cắm và 2 dây có 1 đầu phích và 1 đầu cốt.
3.3.4. Tiến hành thí nghiệm
Dùng điện kế G làm ampe kế 1 chiều A.
Mắc nối tiếp bình điện phân chứa dung dịch CuSO4 với điện kế G và nguồn điện U 1 chiều 6V-3A thành 1 mạch kín. Bật cơng tắc của nguồn điện U: Khi đó ampe kế A chỉ cƣờng độ dung dịch đủ lớn khác 0. Chứng tỏ dung dịch CuSO4 chứa trong bình cũng là chất dẫn điện.
Nếu tăng thêm lƣợng tinh thể CuSO4 vào dung dịch thì cƣờng độ dịng điện càng tăng. Đồng thời, quan sát thấy trong bình điện phân này có 1 lớp Cu kim loại bám vào mặt catot. Còn mặt của anot bị mòn dần.
Trong dung dịch CuSO4, các phân tử CuSO4 bị phân li: CuSO4 Cu2+
+ SO42-
Do điện trƣờng giữa 2 điện cực tác dụng, các ion Cu2+ chuyển động tới thu thêm electron của catot và trở thành nguyên tử Cu bám vào catot.
Cu2+ + 2e Cu
Trong khi đó các ion SO42- chuyển động tới tập trung ở gần anot đã có tác dụng làm cho các nguyên tử Cu của anot dễ dàng nhƣờng bớt electron cho anot để tan vào dung dịch dƣới dạng các ion Cu2+
. Hình 12 5 3 4 2 1
Cu - 2e Cu2+
3.4. Dịng điện trong chất khí
3.4.1. Mục đích
Khảo sát sự tạo thành dịng điện trong chất khí và tia lửa điện. Từ đó rút ra điều kiện để có dịng điện chạy trong chất khí.
3.4.2. Cơ sở lý thuyết
Dịng điện trong chất khí là dịng chuyển dời có hƣớng của các ion dƣơng theo chiều điện trƣờng và các ion âm, các electron ngƣợc chiều điện trƣờng. Các hạt tải điện này do chất khí bị ion hóa sinh ra.
3.4.3. Dụng cụ thí nghiệm (hình 13)
1. Nguồn điện 1 chiều U=100V, kèm theo mạch khuếch đại dòng.
2. Giá đỡ thí nghiệm: Đế 3 chân, trụ thép inoc, khớp nối đa năng.
3. Tụ điện có 2 bản cực bằng thép inoc. 4. Điện kế chứng minh V – A - G. 5. Ngọn đèn cồn. 6. Bộ 4 dây nối mạch. 3.4.4. Tiến hành thí nghiệm
Thí nghiệm 1: Lắp tụ điện có 2 bản cực bằng thép inoc vào thanh trụ của
giá đỡ. Vặn vít hãm để giữ tụ điện cố định ở độ cao khoảng 15cm. Dùng các dây dẫn (có 2 đầu phích) nối 2 bản cực tụ điện với 2 lỗ cắm 100V của nguồn điện 1 chiều U và nối 2 cực của điện kế G với 2 lỗ cắm của bộ khuếch đại dòng. Vặn núm xoay ở mặt sau của điện kế G để điều chỉnh cho kim chỉ thị của nó nằm tại vị trí số 0 ở chính giữa thang đo.
Cắm phích lấy điện của nguồn điện U vào ổ điện 220V. Bật công tắc K của nguồn điện này để tạo ra điện áp 100V giữa 2 bản cực tụ điện, đồng thời cung cấp điện cho bộ khuếch đại dòng hoạt động. Quan sát thấy ki cả điện kế G khơng bị
Hình 13 3 1 4 2 5 6
lệch khỏi vị trí số 0, tức là khơng có dịng điện chạy trong mạch. Điều này chứng tỏ lớp khơng khí trong khoảng giữa 2 bản cực tụ điện ở điều kiện bình thƣờng khơng dẫn điện, ngay cả khi nó đƣợc đặt trong điện trƣờng tạo bởi nguồn điện 1 chiều