- Trang chủ >>
- Khoa Học Tự Nhiên >>
- Vật lý
CHƯƠNG II: DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI pptx
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.29 MB, 28 trang )
“
(Albert Einstein)
1
CHƯƠNG II: DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI
I. MỤC TIÊU
- SV hiểu rõ và sâu sắc những kiến thức Vật lí được trình bày trong chương theo tinh
thần của vật lí học phổ thông
- SV có được những kỹ năng về thiết kế bài dạy và tổ chức dạy học theo tinh thần đổi
mới hiện nay.
II. GIỚI THIỆU CHUNG
Ở chương này, SV có điều kiện tìm hiểu và làm sâu sắc thêm những kiến thức vật lí
liên quan đến ―Dòng điện không đổi‖ theo tinh thần của Vật lí học phổ thông có trong
chương. Những kiến thức này, phần lớn được khai thác từ Internet.
Công việc quan trọng là sinh viên thiết kế các bài dạy học cụ thể trong chương, cùng
nhau thảo luận, trao đổi để tìm được phương án thiết kế tối ưu nhất.
Thời gian cho chương này là 1 buổi (4 tiết)
III. TÀI LIỆU VÀ THIẾT BỊ ĐỂ HỌC TẬP
Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11, Tài liệu bồi dưỡng thay sách giáo khoa Vật
lí 11, Phụ lục
IV. HOẠT ĐỘNG
Hoạt động 1: Phân tích kiến thức có trong chương
Nhiệm vụ:
- GgV giới thiệu cấu trúc Phụ lục 4a
- HV làm việc theo nhóm bằng cách đọc tài liệu có trong phần phụ lục và thảo luận
Thông tin cho hoạt động:
-Phụ lục
Hoạt động 2: Thiết kế bài dạy học
Nhiệm vụ:
- GgV giới thiệu một phương án cụ thể về thiết kế bài dạy học trong chương được
trình bày trong Phụ lục .
- Mỗi nhóm HV chọn một bài bất kỳ trong chương rồi cùng nhau thiết kế
Thông tin cho hoạt động:
- Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11, Phụ lục
Hoạt động 3: Các nhóm trình bày bản thiết kế của nhóm mình
Nhiệm vụ:
- Mỗi nhóm cử đại diện lên trình bày bản thiết kế của nhóm mình
- Các nhóm khác góp ý, bổ sung
Thông tin cho hoạt động:
- Bản thiết kế có được từ các nhóm
V. ĐÁNH GIÁ
“
(Albert Einstein)
2
- GgV đánh giá tinh thần và thái độ làm việc của các nhóm cũng như sản phẩm mà
các nhóm có được.
- Thông tin phản hồi của đánh giá môđun: Ý kiến thảo luận và các bản thiết kế bài
dạy học.
PHỤ LỤC
2. Dòng điện không đổi
2
Khái niệm cùng với khái niệm được Ampe đưa vào vật lí
học lần đầu tiên vào năm 1826 trong công trình mang tên "
". Thời đó, dòng điện chưa được định nghĩa
đầy đủ như hiện nay:
2.1.1.
Trong môi trường dẫn điện, các hạt mang điện tự do luôn luôn chuyển động nhiệt
hỗn lọan. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, chúng sẽ chuyển động có hướng: các hạt
mang điện dương sẽ chuyển động theo chiều điện trường
E
, các hạt mang điện âm sẽ
chuyển động theo chiều ngược lại. Dòng các hạt mang điện chuyển động có hướng như
vậy gọi là . Dòng điện tuy là dòng của hạt mang điện chuyển động nhưng không
phải mọi điện tích chuyển động đều tạo nên dòng điện. Ví dụ: Các electron dẫn trong một
đoạn dây đồng cô lập về điện chuyển động hỗn loạn với vận tốc rất lớn nhưng không có sự
truyền điện tích thực sự theo một hướng nào nên không có dòng điện.
Các hạt mang điện tích khác dấu nhau chuyển
động theo chiều ngược nhau nên ta phải chọn một
trong hai dòng điện tích để biểu thị chiều dòng điện.
Theo quy ước lịch sử, chiều của dòng điện là chiều
dịch chuyển của các hạt tải điện dương (hay ngược
với chiều chuyển động của hạt mang điện âm). Như
vậy, trong dây dẫn kim loại, chiều dòng điện ngược
với chiều dịch chuyển của các electron tự do. Quy
ước này có thể chấp nhận được, vì một hạt mang
điện tích dương chuyển động từ trái sang phải có
cùng một tác dụng như một hạt điện tích âm chuyển
động từ phải sang trái. Quỹ đạo của hạt điện được gọi là đường dòng. Tập hợp các đường
dòng tựa trên các đường cong kín tạo thành một ống dòng (Hình 1.3).
Dòng điện có chiều và cường độ không đổi theo thời gian gọi là .
Bản chất của dòng điện trong các môi trường khác nhau thì khác nhau.
2
Tùy theo môi trường dòng điện đi qua sẽ sinh ra những tác dụng khác nhau: tác dụng
hoá, tác dụng nhiệt, tác dụng sinh lí…
-Tác dụng từ: Đây là tác dụng đặc trưng và cơ bản nhất của dòng điện. Biểu hiện tác
dụng từ của dòng điện là bất kỳ dòng điện trong môi trường nào cũng gây ra từ trường
trong khoảng không gian xung quanh nó. Vì vậy, tác dụng từ là dấu hiệu đặc trưng nhất để
nhận biết dòng điện. Có thể quan sát được tác dụng từ trong mọi trường hợp khác nhau của
dòng điện, không phụ thuộc bản chất vật dẫn. Dựa trên tác dụng này người ta chế tạo các
thiết bị điện, các dụng cụ dùng điện như đồng hồ đo điện, nam châm điện, chuông điện
-Tác dụng hóa học: Khi dòng điện đi qua dung dịch chất điện phân thì chất này bị
phân li thành các ion dương và âm, đó là tác dụng hóa học của dòng điện. Ví dụ: Khi dòng
.
“
(Albert Einstein)
3
điện đi qua dung dịch CuSO
4
thì đồng bị tách ra khỏi dung dịch để tạo lớp đồng bám trên
thỏi than nối với cực âm.Tác dụng hóa học của dòng điện là cơ sở của việc mạ điện như
mạ vàng, mạ đồng, mạ bạc để chống gỉ và làm đồ trang sức. Khi đó vật cần được mạ
dùng làm cực âm, kim loại dùng để mạ làm cực dương, còn chất điện phân là dung dịch
muối của kim loại dùng để mạ.
-Tác dụng nhiệt: Khi dòng điện truyền qua vật dẫn thì làm vật dẫn nóng lên và tỏa
nhiệt ra xung quanh. Bàn là, bếp điện là những dụng cụ được chế tạo dựa trên tác dụng
nhiệt của dòng điện.
-Ngoài ra, các tác dụng trên dẫn đến tác dụng cơ học và sinh lí của dòng điện. Nếu để
dòng điện đi qua cơ thể người thì dòng điện sẽ làm các cơ co giật, có thể làm tim ngừng
đập, ngạt thở và thần kinh tê liệt. Như vậy, dòng điện có thể gây nguy hiểm đến tính mạng
của con người. Do đó phải hết sức thận trọng khi sử dụng điện, đặc biệt là các mạng điện
có điện áp lớn như mạng điện sinh hoạt. Tuy nhiên, trong y học người ta sử dụng tác dụng
sinh lí của dòng điện thích hợp để chữa một số bệnh.
2.1.3.
Để đặc trưng cho độ mạnh, yếu và phương, chiều
của dòng điện, người ta đưa ra hai đại lượng vật lí là
và .
-Cường độ dòng điện: được xác định bằng
thương số giữa điện lượng
q
dịch chuyển tiết diện
thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian
t
và
khoảng thời gian đó:
t
q
I
(2)
(
t
: khoảng thời gian điện lượng
q
chuyển qua).
“
(Albert Einstein)
4
Cường độ dòng điện theo định nghĩa
trên là một đại lượng vô hướng vì cả điện
tích và thời gian ở trong phương trình đó
đều là vô hướng. Khi biểu thị dòng điện
trong một dây dẫn, nó thường được đánh
dấu bằng một mũi tên chỉ chiều chuyển
động của hạt tải điện. Lịch sử đã quy ước:
chiều dòng điện được vẽ theo chiều chuyển
động của hạt tải điện dương. Tuy nhiên,
các mũi tên vẽ như vậy không phải là vectơ
vì chúng không tuân theo các quy tắc về
cộng vectơ.
Khi một vật dẫn tách thành hai nhánh
ở chỗ tiếp xúc hình bên, do điện tích được
bảo toàn, độ lớn của các dòng trong nhánh rẽ cộng lại phải bằng độ lớn của dòng trong
nhánh chính hay
I
1
= I
2
+ I
3
(3)
Nếu bẻ cong hoặc định hướng lại các dây trong không gian thì vẫn không làm thay
đổi tính đúng đắn của công thức (3). Các mũi tên dòng
điện không phải là các vectơ; chúng chỉ cho biết chiều của
đường dòng dọc theo một dây dẫn chứ không phải chiều
trong không gian.
Nói chung, chiều và cường độ dòng điện có thể thay
đổi theo thời gian. Trong giới hạn của chương trình
THPT, chúng ta chỉ nghiên cứu về dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi theo
thời gian gọi là . Đối với dòng điện không đổi, công thức cường độ
dòng điện (2) trở thành:
t
q
I
(4)
trong đó q là điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng
thời gian t.
Trong hệ SI, đơn vị cường độ dòng điện là ampe (A). Để đo dòng điện trong mạch
trong mạch người ta sử dụng ampe kế và mắc nối tiếp với đoạn mạch cần đo dòng điện.
R
A B
Có các loại ampe kế sau:
-Amper kế nhiệt
Cấu tạo dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện.
Gồm những bộ phận sau: Dây kim loại 1 làm bằng vật
liệu đàn hồi không bị ô-xi hóa, hai đầu được gắn vào
các mấu kim loại 2 và 3. Sợi dây 4 vắt qua ròng rọc 5
nối điểm giữa của dây 1 với lò xo 6. Trên ròng rọc 5 có
gắn một kim chỉ thị 7 quay trên bảng chia độ 8 (Hình 4)
1
2
3
4
6
5
8
7
.
“
(Albert Einstein)
5
Khi có dòng điện chạy qua dây 1 thì nó bị nóng lên và dãn ra kéo theo dây 4 dịch
chuyển và làm quay ròng rọc 5. Kim chỉ thị sẽ quay lệch một góc nào đó. Cường độ dòng
điện trong mạch là số chỉ của kim trên thang chia độ.
-Ampe kế truyền thống
Ampe kế truyền thống, còn
gọi là Gavanô kế, là một bộ chuyển
đổi từ cường độ dòng điện sang
chuyển động quay trong một cung
của một cuộn dây nằm trong từ
trường.Thường dùng ampe kế này để
đo cường độ của dòng điện một
chiều chạy trong một mạch điện.
Cấu tạo: Bộ phận chính là một cuộn dây dẫn, có thể quay quanh một trục, nằm trong
từ trường của một nam châm vĩnh cửu. Cuộn dây được gắn với một kim chỉ góc quay trên
một thước hình cung. Để cho kim ở vị trí số không khi chưa có dòng điện ta dùng lò xo
xoắn kéo cuộn dây (hoặc có thể dùng cuộn dây được gắn với một miếng sắt, chịu lực hút
của các nam châm). Khi dòng điện một chiều chạy qua cuộn dây, dòng điện chịu lực tác
động của từ trường (do các điện tích chuyển động bên trong dây dẫn chịu lực Lo-ren) và bị
kéo quay về một phía, xoắn lò xo làm quay kim. Số chỉ của đầu kim trên thước đo cho giá
trị của cường độ dòng điện qua cuộn dây.
Để làm tắt nhanh dao động của kim khi cường độ dòng điện thay đổi, để cho kim
quay nhẹ nhàng theo sự thay đổi của dòng điện mà không bị rung cần một cơ chế giảm dao
động. Cơ chế thường được dùng là ứng dụng sự chuyển hóa năng lượng dao động sang
nhiệt năng nhờ dòng điện Fu-cô. Cuộn dây được gắn cùng một đĩa kim loại nằm trong từ
trường của nam châm. Mọi dao động của cuộn dây và đĩa sinh ra dòng Fu-cô trong đĩa.
Dòng này làm nóng đĩa lên, tiêu hao năng lượng dao động và dập tắt dao động.
Để giảm điện trở của ampe kế, cuộn dây trong nó được làm rất bé. Cuộn dây đó chỉ
chịu được dòng điện nhò, nếu không cuộn dây sẽ bị cháy. Để đo được dòng điện lớn, người
ta mắc song song với cuộn dây này một điện trở nhỏ hơn, gọi là sơn (shunt). Các thang đo
cường độ dòng điện khác nhau ứng với các điện trở sơn khác nhau. Trong các ampe kế
truyền thống, các điện trở sơn được thiết kế để cường độ dòng điện tối đa qua cuộn dây
không quá 50mA.
Để khắc phục việc đọc kết quả không chính xác do kim chỉ trên thước nếu nhìn lệch,
một số ampe kế lắp thêm gương tạo ra ảnh của kim nằm sau thước đo. Với ampe kế loại
này, kết quả đo chính xác được đọc khi nhìn thấy ảnh của kim nằm trùng với kim.
-Ampe kế sắt từ
. th 1: nam
“
(Albert Einstein)
6
Cấu tạo từ hai thanh sắt non nằm bên trong một ống dây. Một thanh được cố định
còn thanh kia gắn trên trục quay, và gắn với kim chỉ góc quay trên một thước hình cung.
Khi có dòng điện qua ống dây, dòng điện sinh ra một từ trường trong ống. Từ trường này
gây nên cảm ứng sắt từ trên hai thanh sắt, biến chúng thành các nam châm cùng chiều. Hai
nam châm cùng chiều luôn đẩy nhau, không phụ
thuộc vào chiều dòng điện qua ống dây. Vì lực đẩy
này, thanh nam châm di động quay và góc quay tương
ứng với cường độ dòng điện qua ống dây. Ampe kế
sắt từ có thể đo dòng xoay chiều, do góc quay của kim
không phụ thuộc chiều dòng điện
Đồng hồ vạn năng điện tử có thể dùng làm
ampe kế (Ampe kế điện tử). Bản chất hoạt động của
loại ampe kế này có thể mô tả là một vôn kế điện tử
đo hiệu điện thế do dòng điện gây ra trên một điện trở
nhỏ gọi là sơn. Các thang đo khác nhau được điều
chỉnh bằng việc chọn các sơn khác nhau. Cường độ
dòng điện được suy ra từ biểu thức của định luật Ôm
qua việc đo được hiệu điện thế.
-Ampe kế kìm: Trong dòng điện xoay chiều, từ
trường biến thiên sinh ra bởi dòng điện có thể gây cảm
ứng điện từ lên một cuộn cảm nằm gần dòng điện. Đây
là cơ chế hoạt động của Ampe kế kìm. (Hình 1.7.
Ampe kế kìm)
- Mật độ dòng điện: Mật độ dòng điện j là đại lượng đo bằng điện tích đi qua một
đơn vị diện tích mặt của vật dẫn trong một đơn vị thời gian. Mật độ dòng điện j là đại
lượng vectơ. Về độ lớn
S
I
j
, trong đó S là tiết diện ngang của vật dẫn. Trong hệ SI, đơn
vị của mật độ dòng điện là ampe trên mét vuông (A/m
2
).
2.1.4.
Dòng điện có chiều nhất định nhưng các hạt tải
điện đơn lẻ trong dòng điện không nhất thiết chuyển
động thẳng theo 1 đường. Ví dụ như trong kim loại,
electron chuyển động zigzag (Hình1.8), va đập từ
nguyên tử này sang nguyên tử khác; chỉ quan sát trên
tổng thể mới thấy xu hướng chung của chúng là dịch
chuyển có hướng theo sự định hướng của điện trường.
Vận tốc trôi của electron được xác định bởi:
d
d
nAev
x
exnA
t
q
I
)(
(5)
. Ampe k
i
H 1.8
“
(Albert Einstein)
7
trong đó: I là cường
độ dòng điện (A),
x
là
chiều dài đoạn dây được
xét (m), n là số hạt
electron trong một đơn vị
thể tích, A là diện tích
tiết diện của dây dẫn
điện (m
2
), v
d
là tốc độ
trôi của các hạt tải điện
(m/s).
Từ công thức trên có
thể tính được tốc độ dịch
chuyển của các electron
dẫn trong dây đồng có
đường kính 1,8mm mang
dòng điện I=1,3A là
v=3,8.10
-5
m/s (=14cm/h) nhỏ hơn rất nhiều với vận tốc của electron chuyển động nhiệt
hỗn loạn (cỡ 10
6
m/s). Người ta cũng tính toán được các electron chuyển động trong đèn
bóng hình của tivi theo đường gần thẳng với tốc độ cỡ 1/10 tốc độ ánh sáng (=3.10
7
m/s).
Như vậy, các electron dẫn có thể dịch chuyển nhanh hoặc chậm phụ thuộc vào đặc điểm
của vật dẫn và cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn đó.
Lưu ý: Vận tốc trôi của electron không phải là của nó. Theo điện
động lực học lượng tử, các electron truyền tương tác với nhau thông qua hạt photon. Vì
vậy, tốc độ truyền thông tin của dòng điện trong dây dẫn nhanh gần bằng tốc độ ánh sáng.
Sự dịch chuyển, có thể là nhanh hoặc chậm, của một electron ở một đầu dây sẽ nhanh
chóng được biết đến bởi một electron ở đầu dây bên kia thông qua sự truyền tương tác này.
Ví dụ như khi bật công tắc đèn, đèn sáng ngay lập tức. Điều này có nghĩa là tốc độ truyền
thông tin của dòng điện là rất lớn, gần như tức thời, còn chuyển động của các electron
trong dây dẫn chậm hơn rất nhiều so với tốc độ này.
2.1.5.
Năm 1826 nhà bác học người Đức G.S Ôm
(1789-1854) đã thiết lập được bằng thực nghiệm định
luật Ôm cho đoạn mạch vật dẫn:
:
I=GU. Hệ số tỉ lệ G được gọi là của vật
dẫn, còn đại lượng tỉ lệ nghịch của độ dẫn điện gọi là
của vật dẫn: R=
G
1
và công thức định luật Ôm
là:
R
U
I
Trong công thức do Ôm tìm ra, điện trở R có
giá trị là một hằng số đối với một vật dẫn đã cho và
không phụ thuộc vào hiệu điện thế đặt vào đoạn mạch.
Đặc tuyến vôn-ampe của nó là một đường thẳng.
Nội dung định luật Ôm cho đoạn mạch thuần điện trở được phát biểu đầy đủ như
sau:
"
G.S. -1854)
H9
“
(Albert Einstein)
8
:
R
U
I
(6)
IRVVU
BA
(7)
Tích IR được gọi là độ giảm điện thế (độ giảm thế) trên điện trở R
Mọi vật liệu dẫn điện tuân theo định luật khi điện trở suất của nó không phụ vào
độ lớn và chiều của điện trường đặt lên nó. Tất cả các vật liệu đồng chất bất kể là chất dẫn
điện như đồng hay là chất bán dẫn như silic (sạch hay pha tạp) đều tuân theo định luật Ôm
trong một khoảng giá trị nào đó của điện trường. Định luật Ôm không còn đúng khi vật dẫn
là điốt bán dẫn có chuyển tiếp p-n hoặc khi điện trường trong vật dẫn quá mạnh.
Thí nghiệm chứng tỏ giữa điện trở R của một đoạn dây dẫn đồng tính tiết diện đều
tỉ lệ thuận với chiều dài l và tỉ lệ nghịch với tiết diện vuông góc S của đoạn dây dẫn:
S
l
R
, trong đó
gọi là điện trở suất của chất làm dây dẫn đó.
Điện trở suất của một chất là đại lượng đặc trưng cho tính dẫn điện của chất đó.
Giá trị của nó biến thiên theo nhiệt độ. Đối với đa số kim loại, sự phụ thuộc này được diễn
tả theo qui luật
)1( t
o
trong đó
o
là điện trở suất ở 0
o
C,
là điện trở suất ở t
o
C,
273
1
là hệ số nhiệt điện trở (với kim loại:
>0, với chất điện phân:
<0). Nếu viết
theo thang nhiệt độ tuyệt đối T thì
T
o
. Từ đó có thể biểu diễn sự phụ thuộc của
điện trở vật dẫn vào nhiệt độ theo công thức
)1( tRR
o
hay
TRR
o
(R
o
, R là điện
trở của vật dẫn ở 0
o
C và t
o
C). Trong hệ SI, đơn vị của điện trở là ôm (Ω), đơn vị của điện
trở suất là ômmét (Ωm).
I
O U
-ampe
“
(Albert Einstein)
9
Sự phụ thuộc của điện trở vật dẫn vào nhiệt độ được dùng để chế tạo nhiệt kế
nhiệt điện để đo nhiệt độ. Với dụng cụ này ta có thể đo được nhiệt độ trong một phạm vi
rộng hơn nhiều so với nhiệt kế thuỷ ngân, đặc biệt nó cho phép ta dễ dàng khống chế, điều
khiển nhiệt độ từ xa.
2.2. Nguồn điện
2
Như đã biết, muốn có sự cân bằng điện tích trong vật dẫn thì hiệu điện thế giữa hai
điểm bất kỳ (V
A
– V
B
) của vật dẫn phải bằng không. Nếu điều kiện này bị vi phạm thì sự
cân bằng điện tích không còn nữa và trong vật dẫn xảy ra sự dịch chuyển điện tích tạo ra
dòng điện. Như vậy, muốn có dòng điện trong vật dẫn thì phải tạo ra ở hai đầu vật dẫn một
hiệu điện thế.
Tuy nhiên, trong một số ít trường hợp ở môi trường dẫn điện không đồng nhất (do
phân bố mật độ hạt tải điện không đều, hoặc do nhiệt độ không đồng đều) sẽ có sự khuếch
tán của các êlectron tự do tạo ra các dòng điện cục bộ. Cơ chế để tạo ra hiệu điện thế nhằm
duy trì dòng điện đó là nguồn điện hay máy phát điện và nguyên nhân tác dụng trong
nguồn gọi là suất điện động.
Nguồn điện bao giờ cũng có hai cực luôn luôn ở trạng thái nhiễm điện trái dấu và giữa
hai cực đó có một hiệu điện thế. Để tạo ra các cực nhiễm điện như vậy cần thực hiện một
công để tách các êlectron ra khỏi nguyên tử trung hòa, rồi chuyển các êlectron và ion
dương được tạo thành như thế ra khỏi mỗi cực. Vì lực điện tác dụng giữa các êlectron và
ion dương là lực hút nên để tách chúng ra xa nhau cần phải có những lực mà bản chất
không phải là lực tĩnh điện, nên ta gọi là ―lực lạ‖. Nếu xét theo quan điểm năng lượng thì
ta cũng thấy rằng cần phải có "lực lạ" để duy trì dòng điện. Ta đã biết điện trường tĩnh là
trường thế, nên công của lực điện trường khi dịch chuyển điện tích theo một đường cong
kín là bằng không, thế nhưng dòng điện chạy trong dây dẫn làm dây dẫn nóng lên tức là
tỏa năng lượng. Vì vậy, cần phải có nguồn điện, trong đó ngoài lực culông ra còn có một
lực khác mà công của lực này dọc theo đường cong kín là khác không, lực ấy ta gọi là lực
lạ, nghĩa là lực này cung cấp năng lượng cho các hạt mang điện để chúng nhường cho vật
dẫn khi chuyển dời trong vật dẫn. Trong các loại nguồn điện khác nhau thì lực lạ có bản
chất khác nhau và quá trình thực hiện công của lực lạ đó gắn liền với quá trình chuyển hóa
Một số loại điện trở
“
(Albert Einstein)
10
từ một dạng năng lượng nào đó thành năng lượng điện. Năng lượng đó có thể là hoá năng
như trong pin, acquy: lực lạ là lực tương tác phân tử (). Trong máy phát điện,
lực lạ là lực điện từ tác dụng lên các electron chuyển động trong dây dẫn. Đó có thể là cơ
năng như trong máy phát tĩnh điện hoặc nhiệt năng như trong pin nhiệt điện. Đó có thể là
quang năng như trong pin quang điện (pin mặt trời). Bây giờ nếu nối hai cực của nguồn
điện đó với nhau bằng vật dẫn để tạo thành mạch kín thì trong mạch sẽ có dòng điện.
2.2.2.
Để đặc trưng cho khả năng sinh công của lực lạ bên trong nguồn điện, người ta đưa ra
khái niệm suất điện động của nguồn điện kí hiệu là:
q
A
ε
Vậy suất điện động của nguồn điện là đại lượng đo bằng thương số của công A của
các lực lạ làm di chuyển điện tích dương q bên trong nguồn điện và độ lớn của điện tích
dương q đó. Nguồn điện đầu tiên sinh ra dòng điện không đổi khá lớn và tồn tại cho đến
ngày nay là pin và acquy, gọi chung là nguồn điện hóa học.
2.3. Pin và acqui
2.3.
Xét một mạch điện gồm kim loại (vật dẫn loại 1) và dung
dịch điện phân (vật dẫn loại 2) ( ).
Pin Lithium
“
(Albert Einstein)
11
(Electrochemical Cells). Thí nghiệm chứng tỏ
rằng khi một thanh kim loại bất kì tiếp xúc với
một chất điện phân thì trên thanh kim loại và chất
điện phân xuất hiện các điện tích trái dấu. Khi đó,
thanh kim loại có một điện thế xác định đối với
chất điện phân gọi là thế điện hóa. Giữa thanh
kim loại và chất điện phân có một hiệu điện thế
điện hóa.
Có thể giải thích sự xuất hiện hiệu điện
thế điện hóa như sau: Xét một thanh kim loại
nhúng trong dung dịch muối của kim loại đó, ví
dụ thanh kẽm (Zn) trong dung dịch kẽm sunfat
(ZnSO
4
) (H). Vì các phân tử nước là những
phân tử có mômen lưỡng cực lớn, đến bao quanh
các iôn Zn
+2
của kim loại và kéo chúng ra khỏi
thanh kẽm, giống như chúng đã kéo các ion Zn
2+
và SO
4
2-
tách ra khỏi các phân tử ZnSO
4
trong dung dịch. Song song với quá trình đó có quá trình ngược lại, các ion Zn
2+
có trong
dung dịch chuyển động nhiệt hỗn loạn đến gặp thanh kẽm và nhập vào thanh kẽm.
Thí nghiệm chứng tỏ rằng, lúc đầu dòng ion Zn
2+
đi từ thanh kẽm ra dung dịch
lớn hơn dòng ion Zn
2+
đi ngược lại và thanh kẽm được tích điện âm. Như vậy, trong một
lớp mỏng của dung dịch điện phân tiếp xúc với thanh kẽm xuất hiện một điện trường. Điện
trường này ngăn cản sự chuyển động của các ion kẽm từ thanh kẽm ra dung dịch và tăng
cường chuyển động ngược lại của các ion kẽm từ dung dịch vào thanh kẽm. Khi điện thế
của thanh kẽm đối với dung dịch đạt tới một giá trị nào đó thì hai dòng ion đó sẽ bằng
nhau, giữa thanh kẽm và dung dịch điện phân thiết lập một sự cân bằng động. Điện thế ứng
với sự cân bằng động đó là thế điện hóa của kẽm đối với dung dịch ZnSO
4
.
Thế điện hóa có độ lớn và dấu phụ thuộc vào bản chất của kim loại, bản chất dung
dịch và nồng độ của dung dịch điện phân. Với nồng độ dung dịch như nhau, thế điện hóa chỉ
phụ thuộc vào bản chất của kim loại và đặc trưng cho khả năng nhả ion của nó vào dung
dịch. Khi chọn một dung dịch có nồng độ chuẩn tức là chứa một mol kim loại trong một lít
dung dịch thì thế điện hóa của kim loại đối với dung dịch đó gọi là thế điện hóa chuẩn tuyệt đối
V
ch
. Biết thế điện hóa chuẩn tuyệt đối của kim loại ta có thể tính được thế điện hóa của nó đối
với một dung dịch có nồng độ tùy ý. Dưới đây là bảng các giá trị thế điện hóa chuẩn tuyệt đối
của một số kim loại:
V
ch
(V)
V
ch
(V)
Na
-2,7
Pb
-0,13
Zn
-0,74
Cu
0,34
Cd
-0,4
Ag
0,8
Khi nhúng hai thanh kim loại khác nhau vào dung dịch điện phân, do thế điện hóa
của các kim loại khác nhau là khác nhau nên giữa hai thanh đó có một hiệu điện thế điện
hóa xác định. Trên cơ sở đó, người ta chế tạo các loại pin điện hóa (nguồn điện hóa học)
trong đó lực hóa học đóng vai trò là lực lạ. Ta xét hai loại pin điện hóa đơn giản là pin
Vôn-ta và acqui chì.
Zn
Hình 21
Z
n
ZnSO
4
“
(Albert Einstein)
12
2.3.2. -ta
Pin Vôn-ta là nguồn điện hóa học được chế tạo đầu tiên (năm 1795). Nó gồm hai
cực, một cực bằng kẽm (Zn) và một cực bằng đồng (Cu) nhúng trong dung dịch axit
sunfuric (H
2
SO
4
) loãng.
Do tác dụng hóa học, các ion Zn
2+
từ thanh kẽm đi vào
dung dịch H
2
SO
4
làm cho lớp dung dịch tiếp giáp với thanh kẽm
tích điện dương. Thanh kẽm thừa electron nên tích điện âm.
Giữa thanh kẽm và dung dịch có một điện trường hướng từ dung
dịch đến thanh kẽm. Điện trường này ngăn cản sự dịch chuyển
tiếp theo của các ion Zn
2+
từ thanh kẽm vào dung dịch đồng thời
tăng cường sự dịch chuyển ngược lại của các ion Zn
2+
từ dung
dịch vào thanh kẽm. Sự cân bằng điện hóa được thiết lập khi số
ion đi ra khỏi thanh kẽm và số ion đi vào thanh kẽm bằng nhau.
Lúc đó giữa thanh kẽm và dung dịch có hiệu điện thế điện hóa
khoảng U
1
=-0,74V.
Còn ở thanh đồng (Cu) thì các ion H
+
có trong dung dịch tới bám vào cực đồng
và thu lấy các electron có trong thanh đồng, thanh đồng mất electron nên tích điện dương.
Khi cân bằng hóa học được thiết lập, giữa thanh đồng và dung dịch có hiệu điện thế
khoảng U
2
=0,34V. Kết quả là giữa hai cực của pin Vôn-ta có hiệu điện thế xác định
khoảng U=U
2
-U
1
1,1V. Đó chính là suất điện động của pin Vôn-ta.
Khi nối các cực của pin Vôn-ta với nhau (hay với điện trở ngoài) thành mạch kín
người ta thấy sau một thời gian cường độ dòng điện trong mạch bị giảm dần. Nguyên nhân
là do khi pin hoạt động, iôn dương H
+
trong dung dịch H
2
SO
4
di chuyển theo hướng từ cực
kẽm sang cực đồng, bám vào cực đồng tạo thành bọt khí hydrô bao quanh cực đồng gây ra
2 tác dụng :
Một là hiđrô cũng giống như kim loại có khả năng phóng các iôn của nó ngược lại
vào dung dịch, vì thế xuất hiện một suất điện động phụ hướng ngược chiều với suất
điện động của pin. Có thể nói rằng trước khi đóng mạch điện của pin ta có các cực
đồng và kẽm nhưng sau khi đóng kín mạch pin một thời gian ta lại có các cực hiđrô
và kẽm. Vì thế điện hóa của hiđrô nhỏ hơn thế điện hóa của đồng là 0,34V nên khi
pin hoạt động suất điện động của nó giảm từ trị số ban đầu 1,1V xuống còn khoảng
0,8V.
Hai là, màng hiđrô bao bọc quanh cực dương làm tăng điện trở trong của pin và vì
vậy cường độ dòng điện giảm đi. Hiện tượng trên gọi là sự phân cực của pin.
Để khử hiện tượng phân cực (khử hiđrô bao quanh cực đồng) có hại nói trên phải
tìm cách ngăn để hiđrô không tụ lại trên cực dương (Cu). Hiện nay có hai phương pháp
thường dùng để khử sự phân cực của pin là :
- để không xảy ra sự biến đổi cấu tạo của cực. Đó
là trường hợp của pin Daniell (Đanien) có cấu tạo gồm một cực đồng Cu nhúng trong dung
dịch CuSO
4
và một cực kẽm Zn nhúng trong dung dịch ZnSO
4
, Hai dung dịch này được
ngăn với nhau bằng một vách xốp để hai dung dịch này không trộn vào nhau nhưng không
ngăn cản sự chuyển động của các iôn. Lúc này cực đồng lại hiện ra Cu và cực kẽm thì bị ăn
mòn và tan dần vào dung dịch, nghĩa là cấu tạo các cực của pin không thay đổi khi nó hoạt
động.
Zn
Cu
Zn
2+
H
2
SO
4
H
2
SO
4
Pin Vnta
“
(Albert Einstein)
13
-, đó là những chất ôxi hóa mạnh để khử hiđrô. Đó
là trường hợp của pin Leclancé (Lơclăngsê) có cực âm là kẽm và cực dương là một thanh
than bao bọc xung quanh bởi một hỗn hợp đã nén chặt gồm MnO
2
(Mangan Oxide) và
graphít (để khử cực và tăng độ dẫn điện). Dung dịch điện phân là NH
4
Cl (Ammonium
Chloride).
Thế điện hóa của MnO
2
là 0,71V và của Zn là -0,77V nên suất điện động của pin
Lơclăngsê là E=1,5V. Khi pin hoạt động, NH
4
Cl bị phân li như sau :
NH
4
Cl NH
4
+
+Cl
-
Các iôn Cl
-
đi về phía cực kẽm, kết hợp với iôn Zn
2+
do cực kẽm phóng ra tạo
thành ZnCl
2
: 2Cl
-
+ Zn
2+
ZnCl
2
Các iôn NH
4
+
lại bị phân tích : NH
4
+
NH
3
+ H
+
Các iôn H
+
đi về phía cực MnO
2
kết hợp với các iôn O
2-
do MnO
2
nhả ra tạo thành
H
2
O : 2H
+
+ O
2-
H
2
O
Như vậy, hiđrô đã bị MnO
2
ôxi hóa. MnO
2
phóng các iôn O
2-
ra dần dần và biến
thành MnO. Như vậy khi pin Leclancé hoạt động thì cực Zn mòn dần và MnO
2
biến
thành MnO.
Để tiện sử dụng, người ta chế tạo pin Leclancé dưới dạng pin khô. Dung dịch
NH
4
Cl được trộn trong một thứ hồ đặc rồi được đóng vào trong một vỏ pin bằng kẽm, vỏ
pin này là cực âm (xem hình dưới).
2.3.3.
Acqui chì (acqui axít) là loại acqui đơn giản được nhà bác học Pháp Gaston Planté
phát minh vào năm 1859.
“
(Albert Einstein)
14
Cấu tạo của acquy chì gồm bản cực dương làm bằng dioxid chì (PbO
2
) màu đỏ
nằm phía ngoài và bản cực âm làm bằng chì nguyên chất Pb màu xám, nằm phía trong và
được nhúng trong dung dịch H
2
SO
4
loãng (nồng độ 20-30%).
Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho acqui. Lúc này acqui đóng
vai trò như một máy thu điện, nó tích trữ điện năng dưới dạng hóa năng. Khi nạp điện cho
acqui người ta cho dòng điện một chiều đi vào acqui. Dung dịch H
2
SO
4
bị điện phân, làm
xuất hiện hiđrô và ôxi ở hai bản cực. Hai bản cực được tích điện trở thành hai cực của
acqui. Giữa chúng có một hiệu điện thế. Acqui hoạt động giống như một pin điện hóa có
suất điện động vào khoảng 2V.
Khi nối hai cực của acqui đã nạp điện bằng một dây dẫn thì sẽ có dòng điện chạy
trong dây dẫn ngược chiều với dòng điện lúc nạp vào acqui. Do tác dụng hóa học, các bản
cực của acqui bị biến đổi.
Bản cực dương có lõi là PbO
2
được phủ một lớp PbSO
4
do phản ứng hóa học
PbO
2
+H
2
SO
4
+2e PbSO
4
+SO
4
2-
+2H
2
O
Bản cực âm có lõi là Pb cũng được phủ một lớp PbSO
4
do phản ứng hóa học:
Pb+SO
4
2—
2e PbSO
4
Sau một thời gian sử dụng, hai bản cực của acqui có lõi vẫn khác nhau nhưng có
lớp vỏ ngoài giống nhau, đều là PbSO
4
. Do đó suất điện động của acqui giảm dần. Khi suất
điện động này giảm xuống còn 1,85V thì người ta lại nạp điện cho acqui để tiếp tục sử
dụng.
Như vậy acqui là một nguồn điện có thể nạp lại để sử dụng nhiều lần dựa trên
phản ứng hóa học thuận nghịch: nó tích trữ năng lượng dưới dạng hóa năng (lúc nạp điện)
để rồi giải phóng năng lượng ấy dưới dạng điện năng (lúc phát điện). Mỗi acqui có một
dung lượng xác định, đó là điện lượng lớn nhất mà acqui có thể cung cấp được khi nó phát
điện. Dung lượng của acqui được đo bằng ampe.giờ (kí hiệu A.h). Ampe.giờ là điện lượng
“
(Albert Einstein)
15
đo được do dòng điện có cường độ 1A tải đi trong một giờ: 1A.h=3600C. Hiện nay người
ta sản xuất acquy khô (AGM). Đó là vẫn acquy chì axit (H
2
SO
4
) được chế tạo dưới dạng
keo và cố định vào chất mang có độ xốp lớn (SiO
2
) hoặc được chế tạo thành tấm ―điện li‖
xốp có độ dẫn điện tương đương như dung dịch điện phân lỏng, hoạt động như một khoang
chứa chất điện phân dự trữ cho quá trình phóng nạp của acquy. Ưu điểm của acquy khô là
là không phải bổ sung nước và khi làm việc thì không rò rĩ dung dịch điện phân nên acquy
khô ít phải bảo dưỡng hơn so với acquy dùng dung dịch điện phân lỏng. (AGM)
Absorptive Glass Micro-Fibre batteries are also sometimes called "starved electrolyte" or
"dry", because the fibreglass mat is only 95% saturated with Sulfuric acid and there is no
excess liquid.
2.3.
Hiện nay trên thị trường người ta đang sử dụng phổ biến các loại nguồn điện hóa
học khác như pin sạc (Rechargeable batteries or secondary cells),
Pin Zinc Carbon 1.5V Đây là loại pin đã có từ
rất lâu. Pin carbon kẽm có giá rất rẻ. Đây là lựa
chọn tốt cho các thiết bị tiêu thụ ít điện năng
(đèn pin và đồ chơi). Các loại pin trong nước sản
xuất như pin con thỏ , con ó thường thuộc loại
này. Do có điện trở trong cao, bạn không sử
dụng loại pin này cho các thiết bị như máy ảnh
được. Pin có thể duy trì cho các thiết bị có dòng
nhỏ như đồ chơi, bảng điều khiển. Chú ý rằng,
nếu dùng lâu mà không kiểm tra, dung dịch điện
phân trong pin có thể sẽ chảy ra phá hỏng các
tiếp điểm gá pin, nếu chảy vào mạch điện, có thể
gây chập, hỏng mạch. Nên kiểm tra thường xuyên
2-3 tháng hoặc thay luôn khi thấy có hiện tượng
vỏ pin ẩm hoặc phồng (Có thể pin vẫn còn cung
cấp được điện, nhưng nếu để dùng tiếp, pin sẽ
chảy). Mức tự xả của pin tròn carbon kẽm tối đa
là 4%/năm.
Pin Alkaline . Có thể mua được
pin loại này khá dễ dàng. Nếu bạn dùng với máy
ảnh số thì thời gian sử dụng sẽ ngắn. Tuy vậy với
giá khá rẻ pin Alkaline vẫn là lựa chọn của nhiều
người. Pin Alkaline có chất lượng tốt trên thị
trường do các hãng danh tiếng như Fuji hay
Duracell sản xuất. Khi sử dụng điện áp và khả
năng chịu tải của pin alkaline giảm dần dần. Nhờ vậy,
người dùng có thể nhận biết được thời điểm hết pin. Pin
alkaline có nội trở nhỏ, khả năng chịu tải cao, có thể
bảo quản trong nhiều năm, suy yếu trung bình
2%/năm. Pin có thể sử dụng tốt cho những thiết bị tiêu
thụ dòng nhỏ như đồng hồ treo tường hoặc điều khiển
các loại như Tivi, điều hòa
Pin Niken Cadimi (Ni-Cd) 1.2V: Pin Ni-Cd, là pin
“
(Albert Einstein)
16
có nội trở nhỏ do đó rất phù hợp khi dùng
với máy ảnh số, đèn flash Pin này có số
lần sạc lại nhiều nhất, lên tới 1000 lần, tuy
nhiên bạn phải cẩn thận khi sử dụng vì pin
Ni-Cd rất độc. Một trong số các yếu điểm
của pin Ni-Cd là điện thế giảm đột ngột ở
cuối chu kỳ xả. Sự giảm đột ngột này
không nhanh bằng pin Ni-MH nhưng thấy
rõ so với pin Alkaline. Vì vậy, để tránh
―cái chết đột ngột này‖ bạn nên có pin dự
phòng khi đi xa hay làm những việc quan
trọng. Một đặc điểm Ni-Cd là hiệu ứng
nhớ (memory effect). Đây là hiện tượng
suy giảm tuổi thọ nhanh chóng nếu không sử dụng pin đúng cách. Hiện tượng này được
giải thích như sau: khi bạn sạc pin Ni-Cd với dòng sạc nhỏ hoặc dùng pin không kiệt đã
sạc lại thì một số hợp chất hoá học sẽ tích tụ ở cực âm của pin. Nếu bạn tiếp tục sạc kiểu
này, các hợp chất tích tụ ngày càng nhiều thêm và làm giảm khả năng tích lũy năng lượng.
Cách tốt nhất để tránh hiện tượng này là dùng pin cho đến hết hay xả trước khi sạc. Các bộ
sạc pin Ni-Cd tốt thường có nút bấm để xả pin rồi tự động sạc khi điện áp tụt đến mức
thấp nhất.
+Pin Ni-MH (Nickel Metal Hidride) 1.2V: Pin Ni-MH dạng ―AA‖ có thể dùng với hầu
như tất cả các thiết bị đang dùng pin Alkaline và Ni-Cd. Pin Ni-MH có khả năng lưu trữ
năng lượng tốt và nội trở nhỏ. Đây là lực chọn phổ biến vì pin Ni-MH có hiệu ứng nhớ ít
hơn Ni-Cd và dung lượng pin cao hơn hai lần pin Ni-Cd. Với pin này bạn có thể sạc bất cứ
lúc nào mà không cần phải xả pin.Tuy nhiên nếu dùng liên tục trong tình trạng đó, pin vẫn
bị chai. Ngoài ra nó có thể bị hỏng vì nhiệt nếu sạc quá lâu. Bạn nên sử sụng bộ sạc pin
chất lượng cao. Có điều khiển tự động để tránh điều này.Khi mua pin Ni-MH, bạn nên mua
các loại có dung lượng cao (cỡ 1800mAh trở lên). Một lưu ý nữa là không nên dùng sạc
của pin Ni-Cd cho pin Ni-MH để tránh cháy, nổ pin nhất là khi dùng bộ sạc nhanh. Sau khi
sạc, bỏ pin khỏi bộ sạc để tránh hao điện.
Pin Silver oxide Đôi khi ta thấy Pin này có điện áp 6V hoặc 12V. Đó là
do có nhiều pin nhỏ nối tiếp ở bên trong. Pin này hoạt động được trong môi trường nhiệt
độ thấp, nội trở nhỏ và có khả năng chịu tải xung. Pin oxit bạc có độc tính cao không
thông dụng do giá rất đắt. Bạn có thể thấy loại pin này trong một số loại đồng hồ, máy trợ
thính, và các máy ảnh tiêu thụ ít năng lượng. Ngoài ra, do pin khi hết không chảy nước nên
rất được ưa chuộng khi gắn trực tiếp lên bo
mạch như CMOS.
“
(Albert Einstein)
17
Pin Lithium-lon (Li-lon)
3.7V
Pin Li-ion hiện nay được sử dụng
trong nhiều trong các thiết bị cao
cấp như điện thoại di động, PDA,
máy ảnh đắt tiền và máy tính xách
tay nó có thể lưu trữ nhiều năng
lượng hơn pin Ni-Cd và Ni-MH trên
cùng một dung tích, nhưng cũng đắt
hơn nhiều do công nghệ chế tạo và
chất liệu được sử dụng. Trong mỗi
viên pin Li-ion thường có mạch
điều khiển quá trình sạc và bảo vệ
pin. Một khối Pin máy tính xách tay
có thể có nhiều viên Pin (Cell) ghép
lại để có được điện áp và dòng đủ
lớn. Ví dụ pin có điện áp 14.8V tức là có 4 viên Pin 3.7V nối tiếp nhau (4 cells). Pin Li-ion
suy giảm chất lượng theo thời gian bất kể bạn dùng hay không dùng nó. Vì vậy khi mua
pin, bạn cần được đảm bảo rằng pin mới được sản xuất. Bạn có thể sạc pin bất cứ lúc nào,
đầy hay hết không quan trọng nhưng Pin sẽ giảm chất lượng sau mỗi lần sạc. Đó là lý
do tại sao các chương trình kiểm tra pin (Battery monitoring) trên máy tính xách tay đếm
cả số lần sạc pin. Thường thì tuổi thọ của pin khoảng 500 lần sạc, nhưng khi đó pin chỉ còn
20-30% dung lượng so với ban đầu.
Pin Lithium-Polymer (Li-Po) 3.7V là thế hệ
pin mới và cũng đắt tiền nhất nên chỉ xuất
hiện trong các thiết bị PDA và điện thoại di
động cao cấp. Pin Li-Po có chất điện phân
dạng rắn khác với điện phân lỏng như hầu hết
các loại pin khác. Điều đó có nghĩa nó có
trọng lượng nhẹ hơn nhiều so với các loại pin
khác và nhà sản xuất có thể chế tạo pin Li-Po
với bất kỳ hình dạng nào. Như Pin theo hình
bên là Pin cho PDA SONY NR70V. Pin chỉ
có chiều dày 2mm. Đựng trong túi Polimer và
có dòng cung cấp tới 1200mAh. Pin Li-Po nhẹ
và có khả năng lưu trữ năng lượng nhiều hơn
bất kỳ loại pin nào kể trên vì vậy rất được ưa chuộng và sử dụng phổ biến trong các thiết bị
cầm tay hiện nay.
Hiện nay. người ta còn chế tạo pin nhiên liệu (fuel cell) để sử dung trong quân sự hay du
hành vũ trụ.
/>87u
“
(Albert Einstein)
18
2.4. Điện năng và công suất điện. Định luật Joule-Lenz
Trong một mạch điện kín bao giờ cũng có hai sự chuyển hóa năng lượng: một ở
trong nguồn điện, một ở ngoài nguồn điện. Trong nguồn điện có một dạng năng lượng nào
đó (hóa năng, cơ năng, nội năng…) được chuyển hóa thành điện năng. Ở ngoài nguồn điện
(và cả bên trong nguồn điện) điện năng này lại chuyển hóa thành những năng lượng tương
đương thuộc dạng khác (nội năng, hóa năng, cơ năng…). Số đo năng lượng ấy biểu thị
công của dòng điện.
2.4.1. ;
Khi hạt tải điện q di chuyển từ điểm A đến điểm B đặt dưới hiệu điện thế U=V
A
-
V
B
thì lực điện tác dụng lên các hạt tải điện trong mạch sẽ thực hiện một công là: A=qU
Với dòng điện không đổi, ta có q=It còn U là hiệu điện thế đặt vào đoạn mạch
khảo sát. Lúc đó công của dòng điện có cường độ I trong đoạn mạch có hiệu điện thế U đặt
vào là:
UItA
. Đó cũng chính là công của lực điện tác dụng lên các hạt tải điện.
Vậy:
.
Theo định luật bảo toàn năng lượng, công của dòng điện chạy qua một đoạn mạch
cũng chính là điện năng mà đoạn mạch đó tiêu thụ.
UItA
Đơn vị của công là jun (J) còn đơn vị của điện năng thường là kilôoát.giờ (kW.h)
với: 1kW.h=3.600.000J
Công suất của dòng điện chạy qua một đoạn mạch là đại lượng đặc trưng cho tốc
độ sinh công của dòng điện. Theo định nghĩa nó bằng công của dòng điện thực hiện trong
một đơn vị thời gian:
UI
t
A
P
.
Công suất của dòng điện chạy qua một đoạn mạch cũng là công suất điện tiêu thụ
của đoạn mạch đó. Đơn vị của công suất là oát (W).
2.4oule-Lenx
2.4.2.1.Lịch sử phát minh
Năm 1841 nhà vật lí người Anh Jun
(1818-1889) đã tiến hành một số thí nghiệm
nghiên cứu về lượng nhiệt toả ra trên các dây
dẫn và đã rút ra kết luận: "
". Thời đó,
do các thí nghiệm của Jun chỉ mới thực hiện
trong phạm vi hẹp nên kết luận của Jun chưa
được công nhận. Đến năm 1844, viện sĩ Viện
Hàn lâm khoa học Nga Lenxơ (1804-1865) đã
thực hiện rất nhiều thí nghiệm chính xác và cũng đưa ra kết luận như Jun. Vì thế, ngày nay
định luật này được gọi là định luật Jun-Lenxơ.
“
(Albert Einstein)
19
2.4.2.2.Nội dung định luật
Khi đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R thì công của lực điện chỉ có tác dụng làm
tăng nội năng của vật dẫn. Kết quả là vật dẫn nóng và tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh,
đó là tác dụng nhiệt của dòng điện. Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:
A=Q=UIt=RI
2
t
Vậy:
.
tRIQ
2
Nhiệt lượng tỏa ra trên vật dẫn trong thời gian một giây gọi là công suất nhiệt, kí
hiệu P
n
với
2
RI
t
A
P
n
Đơn vị của nhiệt lượng có thể là J hoặc calo (cal), với 1J=0,24cal.
Sự toả nhiệt trong các vật dẫn điện có dòng điện chạy qua (gọi là -
) giữ một vai trò quan trọng trong kĩ thuật. Tất cả các dụng cụ dùng để đốt nóng
bằng điện đều dựa vào hiệu ứng Jun-Lenxơ: bếp điện, bàn là điện, lò sưởi điện, hàn điện,
đúc điện Ðèn điện nóng sáng là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của hiệu ứng.
Tuy nhiên, hiệu ứng này cũng có mặt tác hại: đó là sự toả nhiệt làm hao phí vô ích trong
nguồn điện, trong các dây dẫn tải điện năng từ chỗ cung cấp đến nơi tiêu thụ v.v
2.4.
Xét một mạch điện kín chứa nguồn điện. Công của nguồn điện làm di chuyển các
điện tích tự do trong mạch tạo thành dòng điện bao gồm công của lực điện và công của lực
lạ: A=A
đ
+A
lạ
. Theo tính chất công của lực điện trường trong mạch kín, ta có A
đ
=0 còn
A
lạ
=qE=EIt
Vậy công của nguồn điện là
EItA
. Đó cũng chính là công của dòng điện chạy
trong toàn mạch và cũng là điện năng sản ra trong toàn mạch.
Theo định nghĩa, công suất của nguồn điện có giá trị bằng công của nguồn điện
thực hiện trong một đơn vị thời gian:
EI
t
A
P
. Đó cũng chính là công suất của dòng
điện chạy trong toàn mạch và cũng là công suất điện sản ra trong toàn mạch.
2.4.
Các dụng cụ (hay thiết bị) tiêu thụ điện chuyển hóa điện năng thành các dạng
năng lượng khác nhau như nội năng, hóa năng, cơ năng Có hai loại dụng cụ tiêu thụ điện
là dụng cụ tỏa nhiệt (bàn là, bếp điện ) và máy thu điện. Máy thu điện là dụng cụ mà
phần lớn điện năng được chuyển hóa thành dạng năng lượng khác không phải là nhiệt
năng, gọi tắt là máy thu (động cơ điện, acqui đang nạp điện ).
Đối với các dụng cụ chỉ tỏa nhiệt, toàn bộ điện năng cung cấp cho dụng cụ được
chuyển hóa thành nhiệt. các dụng cụ loại này chỉ chứa các điện trở thuần. Vì thế điện năng
tiêu thụ của loại dụng cụ này được tính theo công thức A=UIt=RI
2
t=
t
R
U
2
và công suất tiêu
thụ của nó được tính theo công thức:
R
U
RIUI
t
A
P
2
2
“
(Albert Einstein)
20
Đối với máy thu điện, ta đi xét đại lượng đặc trưng cho máy thu là suất phản
điện. Theo định luật bảo toàn năng lượng phần điện năng cung cấp cho máy thu điện một
phần nhỏ dùng để tỏa nhiệt còn phần lớn dùng để chuyển hóa thành các dạng năng lượng
khác: A=Q+A' với Q được tính bằng công thức của định luật Jun-Lenxơ Q=r
p
I
2
t còn phần
điện năng A' được xác định từ kết quả thí nghiệm A'=E
p
q và E
p
được gọi là suất phản điện
của máy thu
q
A
E
p
'
. Suất phản điện của máy thu có ý nghĩa là đại lượng đặc trưng cho
máy thu và được xác định bằng điện năng mà dụng cụ chuyển hóa thành dạng năng lượng
khác, không phải là nhiệt, khi có một đơn vị điện tích dương chuyển qua máy. Trong
trường hợp máy thu điện đang được nạp điện thì suất phản điện có trị số bằng suất điện
động của nguồn lúc phát điện khi đó dòng điện di vào cực dương của máy thu điện. Đơn
vị của suất phản điện là vôn (V). Đối với động cơ điện một chiều DC thì suất phản điện
phụ thuộc vào tốc độ quay ( số vòng n trong 1 phút)
I (A)
n
V
p
6
2340
429
12
1580
421
18
1300
417
24
1150
402
Từ công thức A=Q+A', thay các giá trị tính Q và A' như trên ta được A=E
p
It+r
p
I
2
t.
Từ đó suy ra công thức tính công suất của máy thu điện:
2
IrIE
t
A
P
pp
với P'=E
p
I là công suất có ích của máy thu; U=E
p
+r
p
I là hiệu điện thế đặt vào máy
thu. Hiệu suất của máy thu được được suy ra từ công thức tính hiệu suất:
I
U
r
IrE
E
A
A
H
p
pp
p
1
'
Để đo công của dòng điện người ta dùng máy đếm điện năng hay công tơ điện.
Điện năng tiêu thụ thường được tính bằng kilôoát.giờ (kW.h) với 1kWh=3.600.000J còn để
đo công suất của dòng điện trên một đoạn mạch người ta có thể dùng một trong hai cách:
+ : Dùng ampe kế để đo cường độ dòng điện qua mạch và dùng
vôn kế để đo hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch rồi tính công suất của dòng điện bằng
công thức P=UI.
+: Dùng oát kế để đo trực tiếp công suất của dòng điện trên đoạn
mạch. Số chỉ trên oát kế cho ta giá trị công suất cần đo.
Trên các dụng cụ tiêu thụ điện nói chung người ta thường ghi hai chỉ số: công suất
định mức P
đ
và hiệu điện thế định mức U
đ
. Đó là các giá trị để các dụng cụ trên hoạt động
bình thường. Khi sử dụng các dụng cụ tiêu thụ điện chúng ta cần chú ý các chỉ số này.
2.5. Định luật Ôm đối với toàn mạch (mạch kín)
2.5.1.
Định luật được nhà vật lí Đức Ôm (1789-1854)
E
R
“
(Albert Einstein)
21
phát minh bằng thực nghiệm vào năm 1827. Ông dùng cặp nhiệt điện đồng-bismut, các dây
dẫn và một cân xoắn để đo tác dụng từ của dây dẫn lên kim nam châm. Kết quả ông thu
được phương trình:
xb
a
X
Với X là cường độ tác dụng từ của dây dẫn; x là chiều dài dây dẫn; a là hằng số
phụ thuộc vào khả năng sinh điện của dây dẫn; b là hằng số phụ thuộc vào điện trở của các
bộ phận khác trong mạch. Về bản chất, nếu hiểu hiện tượng theo qui luật hiện nay của vật
lí học, thay X bằng cường độ dòng điện I; thay a bằng SĐĐ E; thay b+x bằng điện trở tổng
cộng của toàn mạch R+r, ta được:
rR
E
I
Đó là công thức của định luật Ôm cho toàn mạch.
2.5.2. Nội dung định luật
Xét mạch điện kín gồm nguồn điện có suất điện động E, điện trở trong r. Mạch
ngoài có điện trở R. Gọi I là cường độ dòng điện chạy trong mạch.
Trong thời gian t nguồn điện thực hiện một công là: A=EIt.
Cũng trong thời gian đó, nhiệt lượng tỏa ra trên toàn mạch là: Q=RI
2
t+rI
2
t
Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có: EIt=RI
2
t+rI
2
t
Suy ra
rR
E
I
Vậy:
.
Khi r
0
hoặc khi I=0 thì U
E: Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện bằng
suất điện động của nguồn điện đó. Còn khi R
0
thì I=I
max
=
r
E
, lúc đó ta nói nguồn điện bị
đoản mạch.
Trường hợp mạch kín có chứa máy thu điện
( ). Gọi E
p
và r
p
là suất phản điện và điện trở
trong của máy thu.
Năng lượng do nguồn điện cung cấp cho toàn
mạch là A=EIt
Năng lượng tiêu thụ trên toàn mạch gồm nhiệt lượng tỏa ra trên các điện trở R, r,
r
p
: Q=RI
2
t+rI
2
t+r
p
I
2
t và điện năng tiêu thụ ở máy thu A'=E
p
It.
Theo định luật bảo toàn năng lượng: A=Q+A'
hay EIt=RI
2
t+rI
2
t+r
p
I
2
t+E
p
It
Suy ra
p
p
rrR
EE
I
. Đó là công thức biểu thị định luật Ôm cho toàn mạch trong
trường hợp mạch kín chứa cả nguồn điện và máy thu điện mắc nối tiếp.
Nếu mạch ngoài gồm nhiều điện trở mắc với nhau thì R là điện trở tương đương
E
E
p
R
8
“
(Albert Einstein)
22
của cả mạch ngoài.
2.6. Định luật Ôm đối với các loại mạch điện
2.6.1.
Có thể xây dựng công thức của định luật Ôm đối với đoạn mạch có chứa nguồn
điện bằng hai cách: hoặc là dùng bằng cách tách mạch kín thành hai nhánh trên và
dưới rồi áp dụng các công thức định luật Ôm cho đoạn mạch điện trở và công thức tính
hiệu điện thế hai đầu mạch ngoài của mạch kín; hoặc là dùng , phân tích kết quả
thu được và xây dựng biểu thức của định luật. Cả hai cách thiết lập đều đưa đến kết quả:
r
EU
r
UE
I
BAAB
Đó là công thức biểu thị định luật Ôm đối với đoạn mạch chứa nguồn điện với
chú ý rằng V
A
>V
B
và dòng điện vào nguồn từ cực âm và ra khỏi nguồn từ cực dương.
Nếu trên đoạn mạch có thêm điện trở R thì công thức trên trở thành:
rR
UE
I
AB
2.6
Có thể dùng hai cách sau để thiết lập định luật Ôm cho loại đoạn mạch chứa máy
thu điện: hoặc là dùng công thức tính hiệu điện thế giữa hai cực của máy thu điện như đã
biết U
AB
=E
p
+r
p
I hoặc là dùng định luật bảo toàn năng lượng và định luật Jun-Lenxơ để
thiết lập. Cả hai cách thiết lập cũng đều đưa ra kết quả như sau:
p
pAB
p
p
r
EU
r
EU
I
Đó là công thức biểu thị định luật Ôm đối với đoạn mạch chứa máy thu điện.
Nếu trên đoạn mạch AB còn có thêm điện trở R thì công thức trên trở thành:
p
AB
rR
EU
I
2.6
Xét đoạn mạch AB chứa cả nguồn điện (suất điện động E, điện trở trong r) và máy thu điện
(suất phản điện E
p
và điện trở trong r
p
). Gọi R là điện trở mạch ngoài.
E r E r R
A B A
B
I I
29 30
E
p
r E
p
r R
A B A B
1 2
E r E
p
r
p
R
A B
C
3
“
(Albert Einstein)
23
Áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch AC ():
EIrU
r
EU
I
AC
AC
Áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch CB ():
ppCB
p
pCB
ERrIU
Rr
EU
I
)(
Suy ra:
AB
R
pAB
p
pAB
EEU
Rrr
EEU
I
với R
AB
=r+r
p
+R là điện
trở tương đương của đoạn mạch AB.
Công thức trên có thể viết lại như sau:
AB
R
iAB
EU
I
với
i
E
là suất điện động
tương đương của cả đoạn mạch, E
i
mang dấu dương nếu đó là nguồn điện và mang dấu âm
nếu đó là máy thu điện.
Từ đó có thể suy ra cho các trường hợp cụ thể đã biết:
R: vì
i
E
=0 nên
R
U
R
U
I
AB
AB
AB
: vì
i
E
=E nên
Rr
EUEU
I
ABAB
AB
R
: vì
i
E
=-E
p
nên
Rr
EUEU
I
p
pABpAB
AB
R
: vì U
AB
=0 nên
R
EE
E
I
p
i
pAB
rrR
Khi sử dụng công thức của định luật Ôm cho các loại đoạn mạch ta phải biết
trên mạch đang xét. Nếu được chiều dòng điện ta phải dòng
điện chạy theo một chiều nào đó trên đoạn mạch ấy rồi dựa vào qui ước sau để xác định
đâu là , đâu là
Nếu theo chiều dòng điện đã chọn, dòng điện đi vào nguồn từ cực âm (-) và ra
khỏi nguồn từ cực dương (+) thì đó là nguồn điện và ngược lại là máy thu điện.
Nếu giá trị cường độ dòng điện tính ra mang giá trị nghĩa là ta đã chọn
dòng điện thực tế còn nếu tính ra cường độ dòng điện có giá trị thì ta phải
dòng điện trong mạch.
2.7. Mắc các nguồn điện thành bộ
Có hai cách mắc cơ bản các nguồn điện thành bộ nguồn điện là mắc nối tiếp và
mắc song song. Ngoài ra có thể phối hợp hai cách mắc nối tiếp và song song thành cách
mắc đặc biệt là mắc hỗn hợp đối xứng
2.7
“
(Albert Einstein)
24
Mắc nối tiếp là nối liên tiếp các nguồn sao cho cực âm của nguồn này mắc với cực dương
của nguồn kế tiếp.
- Suất điện động của bộ nguồn còn gọi là suất điện động tương đương, kí hiệu E
b
và được xác định qua công thức:
21
EEE
b
- Điện trở trong của các bộ nguồn còn
gọi là điện trở trong tương đương, kí hiệu r
b
và
được xác định bởi công thức:
21
rrr
b
-Nếu có n nguồn giống nhau, mỗi
nguồn có suất điện động e, điện trở trong r thì
suất điện động và điện trở trong của bộ nguồn
là:
nrneE
b
b
r ;
-Khi có hai nguồn điện mắc liên tiếp
nhau sao cho hai cực cùng tên mắc với nhau thì
ta nói hai nguồn đó mắc xung đối. Khi đó suất
điện động và điện trở trong của bộ nguồn này
là:
2121
; rrreeE
bb
(với e
1
> e
2
)
2.7g song
Mắc song song là mắc các cực cùng tên của các nguồn lại với nhau rồi nối vào
cùng một điểm. Trường hợp có n nguồn giống nhau, mỗi nguồn có suất điện động e, điện
trở trong r mắc song song thì suất điện động và điện trở trong của cả bộ nguồn là:
n
r
reE
bb
;
Nếu các nguồn không giống nhau
mắc song song (E
1
, r
1
; E
2
, r
2
) thì ta có các
công thức liên hệ để tính suất điện động và
điện trở trong của bộ nguồn như sau:
2
2
1
1
r
E
r
E
r
E
b
b
;
111
21
rrr
b
2.7.5
Nếu bộ nguồn gồm các nguồn điện
giống nhau mắc thành n hàng, mỗi hàng có
m nguồn mắc nối tiếp thì ta nói bộ nguồn
trên mắc hỗn hợp đối xứng. Có thể suy ra
công thức tính suất điện động và điện trở
trong của bộ nguồn này như sau:
n
mr
rmeE
bb
;
A E
1
E
2
E
n
B
4.
E
1
r
1
E
2
r
2
E
n
r
n
5.
6.
“
(Albert Einstein)
25
2.8. Thiết kế bài dạy học
BÀI 13. ĐỊNH LUẬT ÔM ĐỐI VỚI TOÀN MẠCH
A. MỤC TIÊU
+Kiến thức
-Phát biểu định luật Ôm đối với đoạn mạch và viết hệ thức biểu thị định luật này.
+ Kỹ năng
-Tính được hiệu suất của nguồn điện.
-Vận dụng được hệ thức I=
rR
hay U=
-Ir để giải được các bài tập đối với
toàn mạch.
B. CHUẨN BỊ
1. Giáo viên
+Dụng cụ thí nghiệm
-Bộ thí nghiệm về định luật Ôm.
-Một số hình vẽ phóng to trong sách giáo khoa.
+Địa chỉ một số trang web có thể khai thác để thiết kế bài dạy học
htttp://phyicsclassrom.com/
+Phiếu học tập
Câu 1: Đối với mạch điện kín gồm nguồn điện với mạch ngoài là điện trở
thì hiệu điện thế mạch ngoài sẽ:
a. tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy trong mạch.
b. tăng khi cường độ dòng điện trong mạch tăng.
c. giảm khi cường độ dòng điện trong mạch tăng.
d. tỉ lệ nghịch với cường độ dòng điện chạy trong mạch.
Câu 2. Một nguồn điện khi có r = 0.1
được mắc với điện trở R=4,8
thành mạch kín. Khi hiệu điện thế giữa hai cực nguồn điện là 12V thì cường độ dòng
điện trong mạch là
A 12 (A)
B. 1, 2 (A)
C. 2,5 (A)
D. 25 (A)
Câu 3: Một nguồn điện có suất điện động là 10V. Nếu hiệu điện thế giữa hai
cực giảm còn một nửa giá trị lúc đầu thì độ giảm điện thế mạch trong tăng gấp 3 lần.
Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện lúc đầu là
A 9V
B. 8 V
C. 2 V
D. 6V
