2.2.1. Phần lý thuyết
2.2.1.1. Phần lí thuyết cơ bản I.Dòng điện
1. Dòng điện: là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện.
Các hạt tải điện có thể là electron, ion dương, ion âm… Trong kim loại dòng điện xuất hiện khi có sự dịch chuyển có hướng của các electron tự do.
Thực tế các hạt tải điện trong vật dẫn luôn thực hiện hai loại chuyển động: Chuyển động nhiệt hỗn loạn và chuyển động định hướng theo dòng.
2. Cƣờng độ dòng điện.
Cường độ dòng điện là đại lượng vật lý đặc trưng cho tác dụng mạnh hay yếu của dòng điện và được đo bằng thương số giữa điện lượng q dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian t và khoảng thời gian t đó.
q I t (1)
q: là điện lượng (C)chình là tổng đại số điện tìch gửi qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong thời gian t (s).
Hình 2.1
Ở thời điểm: t Ở thời điểm: t + t
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khi t = 1s thì I = q vậy cường độ dòng điện chình là điện lượng gửi qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong 1s.
Nói chung cường độ dòng điện có thể thay đổi theơ thời gian do vậy (1) là biểu thức cường độ dòng điện TB trong khoảng thời gian t. Trong thực tế ta quan tâm đến 2 loại dòng điện: Dòng điện có cường độ và chiều không đổi theo thời gian gọi là dòng không đổi. Dòng điện biến thiên điều hoà theo thời gian gọi là dòng xoay chiều (học ở lớp 12).
Đối với dòng điện không đổi: I q t
(2)
Với q là điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng trong thời gian là t
II. Nguồn điện
1. Cấu tạo và hoạt động của nguồn điện
Hình 2.2: Cấu tạo và hoạt động của nguồn
Ta biết muốn có dòng điện chạy trong một dây dẫn cần có 2 điều kiện: Một là: Vật dẫn đó có hạt mang điện tự do
Hai là: Hạt mang điện này phải chuyển động có hướng
Nếu điều kiện 1 được thoả mãn thí làm thế nào để hạt mang điện CĐ có hướng. Dễ thấy đó là hai đầu vật dẫn cần có sự chênh lệch điện thế. Nói cách khác giữa hai đầu vật dẫn cần có một hiệu điện thế. Để dòng điện trong vật dẫn được duy trí lâu dài thí hiệu điện thế này phải được duy trí lâu dài. Thiết bị thực hiện nhiệm vụ đó chình là nguồn điện.
Mỗi nguồn điện luôn có hai cực. Một là cực (+) cực có điện thế cao hơn. Cực còn lại là cực (-) cực có điện thế thấp hơn. Để luôn duy trí được hai cực như vậy
+ - + + + + + Fl Fd I
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
trong nguồn điện phải tồn tại một lực, lực này phải thực hiện nhiệm vụ tách electron ra khỏi nguyện tử trung hoà ở một cực rồi đem electron hoặc Ion + từ cực đó đến cực còn lại.
Ta nhận thấy lực này trong nguồn điện có bản chất không phải là lực điện ví nếu là lực điện không thể tác dụng lên điện tìch dương kéo điện tìch đó về cực dương hoặc tác dụng lên e kéo nó về cực âm. Lực này người ta gọi là lực lạ.
2.Công của lực lạ
Trong một nguồn điện, nếu gọi q là điện tìch dương mà lực lạ đã làm di chuyển từ cực âm đến cực dương của nguồn thí người ta nhận thấy rằng công này tỉ lệ thuận với điện tìch q đó:
Al = q (3)
trong đó tạm gọi là hệ số tỉ lệ, hệ số này cũng có đơn vị là Vôn (V) sau này ta sẽ gọi nó là suất điện động của nguồn điện.
III. Công của nguồn điện. Suất điện động của nguồn
Xét một mạch điện khép kìn: Ta thấy nguồn điện thực hiện một công toàn phần gồm hai tác dụng:
Tác dụng thứ nhất: Nguồn điện thực hiện công làm cho các hạt mang điện tự do chuyển động có hướng, tạo thành dòng điện. Thành phần công này của nguồn điện người ta gọi là công của dòng điện.
Tác dụng thứ hai: Đối với trong nguồn, nguồn thực hiện công duy trí sự chênh lệch điện thế giữa hai cực của nguồn. Như đã nói đây chình là công của lực lạ.
1. Công, công suất của dòng điện a. Công của dòng điện
Chỉ xét mạch ngoài (Từ cực này đến cực kia của nguồn) công của dòng điện có tác dụng làm Ion dương chạy từ cực dương sang cực âm hoặc là electron chạy từ cực âm sang cực dương. Công này chình là công của lực điện trường vậy nên ta có:
Adđ = q.U (4) Trong đó:
U: là hiệu điện thế giữa hai đầu mạch ngoài (V)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
q = I.t
Adđ = U.I.t (5)
Công của dòng điện chạy qua đoạn mạch là công của lực điện làm di chuyển các điện tìch tự do trong đoạn mạch và bằng tìch của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch đó.
Công này cũng chình là điện mà đoạn mạch đó đã tiêu thụ
Nếu xét mạch điện khép kìn (tình cả nguồn điện) ta có công của dòng điện bằng không (công của lực điện trên một đường khép kìn thí bằng không)
b. Công suất của dòng điện
P = Adđ/t = UI (6)
Công suất (W) của dòng điện chạy qua đoạn mạch bằng tìch của hiệu điện thế (V) giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện (A) chạy qua đoạn mạch đó.
III.2 Suất điện động của nguồn. a. Công của nguồn.
Từ nhận xét ban đầu ta có: An = Adđ + Al nhưng trong một mạch khép kìn ta có Adđ = 0 nên => An = Al. Vậy ta có:
An = q (7)
Ta nhận thấy: Để có thể duy trí được hiệu điện thế ở mạch ngoài không đổi thí hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn phải không đổi. Muốn vậy trong quá trính có dòng chạy qua mạch kìn có bao nhiêu electron bị chuyển từ cực âm sang cực dương thí bên trong nguồn điện lực lạ phải làm công việc ngược lại đó là tách từ cực dương ra bấy nhiêu electron rồi đưa về cực âm của nguồn. Vậy điện tìch q trong biểu thức (4) có trị số đúng bằng điện tìch q đã dịch chuyển qua mạch trong thời gian t. Ta có : q = I.t. Vậy biểu thức tình công của nguồn điện là:
An = It (8)
Công của nguồn điện chình là công của dòng điện chạy trong toàn mạch đó cũng là điện năng sản ra trong toàn mạch.
Công suất của nguồn điện: P = An/t = I (9)
b. Suất điện động của nguồn điện
Từ (3) ta thấy: = An/q
Ta nhận thấy: với 2 nguồn khác nhau để dịch chuyển cùng một điện tìch +q từ cực âm đến cực dương của nguồn bên trong nguồn. Nguồn nào có lớn hơn nguồn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
đó có khả năng thực hiện công nhiều hơn. Vậy có thể đặc trưng cho nguồn điện về khả năng thực hiện công – nó được gọi là suất điện động của nguồn.
Vậy: Suất điện động của nguồn điện là đại lượng vật lý đặc trưng cho nguồn điện về khả năng thực hiện công của nguồn điện và đo bằng thương số giữa công A của lực lạ thực hiện khi làm dịch chuyển một điện tìch dương q bên trong nguồn điện từ cực âm đến cực dương và độ lớn của điện tìch q đó.
Mỗi nguồn điện chỉ có một suất điện động nhất định và không đổi. Ví : 1đơn vị của sđđ = 1J/1C nên đơn vị của sđđ cũng là vôn(V)
Trong nguồn điện còn có một điện trở r gọi là điện trở trong của nguồn.
VI.Định luật Jun – Lenxo. Công suất của các dụng cụ tiêu thụ điện 1. Định luật Jun – Lenxo
Trong trường hợp đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R. Công của dòng điện chỉ có tác dụng làm tăng nội năng của điện trở kết quả là điện trở này toả nhiệt ra môi trường.
Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: Adđ = Q = > Q = UIt (10).
Mặt khác đối với đoạn mạch chỉ có R theo kiến thức ở bậc THCS ta đã có: I = U/R vậy nhiệt lượng toả ra trên R khi có dòng điện I chạy qua trong thời gian t có thể được xác định là:
Q = I2Rt (11)
2. Công suất của các dụng cụ tiêu thụ điện
Các dụng cụ điện thực hiện việc chuyển hoá điện năng thành các dạng năng lượng khác nhau. Có hai loại dụng cụ điện: Dụng cụ điện chỉ toả nhiệt và dụng cụ điện biết điện năng thành các dạng năng lượng khác không phải là nhiệt năng - dụng cụ này gọi là máy thu điện.
2.1. Công suất của dụng cụ toả nhiệt
Điện năng tiêu thụ của dụng cụ toả nhiệt chình bằng nhiệt lượng mà nó toả ra môi trường khi có dòng chạy qua trong khoảng thời gian t. Vậy theo địnhluật bảo toàn năng lượng và định luật Jun – Len xo ta có:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Công suất của dụng cụ toả nhiệt là:
P = A/t = UI = RI2 = U2/R (13)
2.2. Máy thu điện - Suất phản điện của máy thu điện
Với một máy thu điện điện năng được biến đổi dưới hai dang:
Có ìch: A’ – Năng lượng không phải nhiệt năng: Bằng thực nghiệm và lý thuyết ngưòi ta chứng minh được phần năng lượng này tỉ lệ với điện lượng chạy qua máy thu:
Vô ìch: Q’ - Nhiệt lượng toả ra trên máy thu (Chiếm phần nhỏ): Q’ = rp.I2.t (14)
trong đó rp là điện trở của máy thu.
a. Suất phản điện của máy thu
Bằng thực nghiệm và lý thuyết ngưòi ta chứng minh được phần năng lượng có ìch của máy thu tỉ lệ với điện lượng chạy qua máy thu:
A’ = p.q = A’ = p.I.t (15) Từ (11) => p = A’/q (16).
Ta thấy với cùng điện lượng q chuyển qua máy thu, máy thu nào có p càng lớn thí phần công có ìch do máy thu chuyển hoá từ điện năng thành càng nhiều vậy đại lượng này sẽ đặc trưng cho máy thu về khả năng chuyển hoá điện năng thành năng lượng có ìch (không phải là nhiệt năng) của nó. Đại lượng này người ta gọi là suất phản điện của máy thu. Suất phản điện cũng có đơn vị là Vôn – V.
Trong trường hợp máy thu điện là nguồn điện đang được nạp điện thí suất phản điện của máy thu điện là nguồn điện đang nạp điện này có trị số đúng bằng suất điện động của nguồn đó lúc nó phát điện. Dòng điện nạp đi vào nguồn từ cực dương và đi ra từ cực âm.
b. Điện năng và công suất tiêu thu của máy thu điện
Công tổng cộng A mà dòng điện đã thực hiện ở máy thu điện là: A = A’+ Q’ = A’ = p.I.t + I2rp t = UIt (17) Công suất của máy thu điện là:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
c. Hiệu suất của máy thu điện
H= A’/A = p.I.t /UIt = p/U (19) = A’/A = (UIt – I2rpt)/UIt = 1- (rp/U).I (20)
Chú ý: Trên các dụng cụ dùng điện, người ta thường ghi 2 chỉ số, đó là công suất điện Pd (công suất định mức) của dụng cụ, và hiệu điện thế định mức Uđ cần đặt vào để nó hoạt động bính thường. Khi hiệu điện thế đặt vào đúng bằng Uđ thì công suất tiêu thụ Pd và cường độ dòng điện qua dụng cụ d
d d P I U là dòng điện định mức.
V. Định luật ôm đối với toàn mạch
1. Định luật
Xét mạch điện như hính vẽ:
Hình 2.3: Mạch chứa nguồn và máy thu
Ta nhận thấy năng lượng tiêu thụ trên toàn mạch bao gồm nhiệt lượng toả ra trên điện trở mạch ngoài QR, nhiệt lượng toả ra trên điện trở trong của nguồn Qr, năng lượng tiêu thụ trên máy thu: Vậy ta có
A = QR + Qr + Amt
Thay: A = It; QR = I2Rt; Qr = I2r t; Amt = p.I.t + I2rp t vào ta được
It= I2Rt + I2r t + p.I.t + I2rp t => I= p p R r r (21)
Nếu trong mạch chỉ có nguồn thí (21) thành I=
R r
Cường độ dòng điện trong mạch kìn tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch.
Nếu trong mạch có nhiều nguồn và nhiều máy thu thí: là tổng s.đ.đ của tất cả các nguồn còn p là tổng suất phản điện của tất cả các máy thu.
,r p,r p R + -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2. Hiện tượng đoản mạch
Nếu trong mạch ngoài không có tải tiêu thụ khi đó (21) trở thành:
I r
(22)
Khi này I đạt tới cực đại và chỉ phụ thuộc vào và r. Ta nói nguồn điện bị đoản mạch. Hiện tượng đoản mạch có thể làm hỏng pin hoặc hỏng ắc quy.
3. Hiệu suất của nguồn điện
H = Acó ích/ A = Angoài / A = UIt/It = U/ (23)
V.Định luật ôm cho các loại đoạn mạch
1. Trường hợp tổng quát
Xét đoạn mạch AB có chứa một nguồn điện (,r), một máy thu (p, rp), một điện trở R. Gọi I là cường độ dòng điện trong mạch do nguồn (,r) phát ra, chạy theo chiều từ A đến B (dòng điện chạy ra từ cực dương của nguồn, vào từ cực âm của nguồn).
Hình 2.4: Đoạn mạch chứa nguồn và máy thu
Trong khoảng thời gian t nguồn sẽ thực hiện một công A = It, công này sử dụng vào các công việc sau:
Biến thành nhiệt năng do hiệu ứng Jun – Lenxo trên các điện trở R của mạch ngoài, r trong của nguồn (I2Rt + I2r t)
Năng lượng tiêu thụ ở máy thu (p.I.t + I2rp t)
Năng luợng cung cấp cho bên ngoài mạch điện, công này có tác dụng làm Ion dương chạy từ cực dương sang cực âm (trong dung dịch) hoặc là electron chạy từ cực âm sang cực dương (trong dây dẫn kim loại) tạo ra dòng điện trong mạch (UBAIt)
Vậy theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:
It =( I2Rt + I2r t )+ (p.I.t + I2rp t ) + UBAIt
từ đó suy ra: UBA = - p – (R+r+rp)IAB Thay UBA = -UAB ta đuợc: UAB = (R+r+rp)IA - + p (24)
,r p,r p
R
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn => AB AB p p U +ξ-ξ I = R+r+r (25)
(24) chình là biểu thức định luật ôm cho đoạn mạch AB chứa cả nguồn và máy thu. Nếu mạch có nhiều nguồn và nhiều máy thu thí biểu thức định luật là:
n m AB i j 1 1 AB n m i j 1 1 U + ξ - ξ I = (26) R+ r - r Công thức (26) có thể viết gọn: AB AB U + I = R+r
Với quy ước là giá trị đại số : nhận giá trị dương khi dòng điện chạy qua pin (acquy) từ cực âm đến cực dương, tức là pin (acquy) đóng vai trò là nguồn, nhận giá trị âm khi pin (acquy) đóng vai trò là máy thu, dòng điện đi từ cực dương đến cực âm.
2. Một số trường hợp riêng
a. Đoạn mạch AB chỉ chứa nguồn điện
AB AB
U +ξ I =
R+r (27)
Ta thấy nếu điện trở trong của nguồn rất nhỏ r 0 hoặc nếu mạch hở (I = 0) thì Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn (UAB) bằng suất điện động của nguồn. Vậy nếu dùng Vôn kế đo trực tiếp hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn (Không có mạch ngoài) thí giá trị đo được chình là suất điện động của nguồn đó.
b. Đoạn mạch không chứa nguồn
AB AB U - ξ I = R+r p (28)
c. Nghiệm lại định luật ôm cho toàn mạch.
Nếu nối hai điểm A,B lại với nhau tạo thành mạch kìn thí ta có: UAB =UAA = 0 suy ra ta được: p AB p ξ-ξ I = R+r+r Đây chình là công thức định ôm cho toàn mạch (16) Nếu trong mạch kìn không có tải tiêu thụ R thí:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
AB
ξ I =
r
Đây chình là công thức xác định cường độ dòng chạy qua nguồn trong trường hợp đoản mạch (22)
3. Mắc nguồm thành bộ
a, Mắc nối tiếp nguồn điện thành bộ:
Mắc nối tiếp nguồn điện thành bộ là cách mắc các nguồn điện mà cực dương của nguồn này mắc với cực âm của nguồn kia liên tiếp thành một dãy không phân nhánh.(như hính vẽ)
Hình 2.5: Các nguồn mắc nối tiếp
Suất điện động của bộ nguồn là: b 1 2 3 ....n (29)