CHỦ ĐỀ 4. DÒNG ĐIỆN, MẠCH ĐIỆN. BÀI 3. NGUỒN ĐIỆN, NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ CÔNG SUẤT ĐIỆN
Ảnh
Ảnh
Trang bìa
Trang bìa
CHỦ ĐỀ 4. DÒNG ĐIỆN, MẠCH ĐIỆN. BÀI 3. NGUỒN ĐIỆN, NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ CÔNG SUẤT ĐIỆN
Ảnh
KHỞI ĐỘNG
Học xong bài học này, bạn có thể
• Định nghĩa được suất điện động qua năng lượng dịch chuyển một điện tích đơn vị theo vòng kín. • So sánh được suất điện động và hiệu điện thế. • Mô tả được ảnh hưởng của điện trở trong của nguồn điện lên hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn. • Nêu được năng lượng điện tiêu thụ của đoạn mạch được đo bằng công của lực điện thực hiện khi dịch chuyển các điện tích; công suất tiêu thụ năng lượng điện của một đoạn mạch là năng lượng điện mà đoạn mạch tiêu thụ trong một đơn vị thời gian. • Tính được năng lượng điện và công suất tiêu thụ năng lượng điện của đoạn mạch. • Thảo luận để thiết kế phương án hoặc lựa chọn phương án và thực hiện phương án, đo được suất điện động và điện trở trong của pin hoặc acquy (battery hoặc accumulator) bằng dụng cụ thực hành.
Khởi động
Nếu gắn mỗi đầu của một vật dẫn vào một bản của tụ điện đã tích điện thì chỉ có dòng điện chạy qua vật dẫn trong một khoảng thời gian rất ngắn. Nhưng nếu gắn mỗi đầu của cùng một vật dẫn đó vào một cực của pin hoặc acquy thì dòng điện được duy trì lâu hơn nhiều. Vì sao lại như vậy? Làm thế nào để duy trì được dòng điện tích dịch chuyển có hướng qua một vật dẫn?
Ảnh
I. NGUỒN ĐIỆN
1. Suất điện động của nguồn điện
Để duy trì dòng điện tích dịch chuyển có hướng qua một vật dẫn, cần tạo ra và duy trì giữa hai đầu của nó một hiệu điện thế. Nguồn điện là thiết bị thực hiện công lên các hạt mang điện làm cho chúng dịch chuyển trong nguồn điện để tạo ra và duy trì giữa hai cực của nó một hiệu điện thế. Vì thế, khi gắn mỗi đầu của vật dẫn vào một cực của nguồn điện thì dòng điện được duy trì. Ví dụ trên Hình 3.2a cho thấy một nguồn điện trong một mạch điện đơn giản. Điện cực ở phía trên được tích điện dương (+) và điện cực ở dưới tích điện âm (-).
Định nghĩa 1
Trong nguồn điện, các hạt tích điện dương chuyển động từ nơi có điện thế thấp (ở cực âm) đến nơi có điện thế cao hơn (ở cực dương). Chuyển động này ngược với chiều của điện trường giữa các cực (hướng từ cực dương đến cực âm). Do đó phải có một năng lượng nào đó ở bên trong nguồn điện, cho phép nó thực hiện công lên các điện tích và buộc chúng chuyển động ngược chiều điện trường để duy trì dòng điện trong mạch. Năng lượng đó có thể là năng lượng hoá học, như trong acquy hoặc pin, có thể là năng lượng mặt trời như trong pin mặt trời,...
Định nghĩa 2
Như vậy, công của nguồn điện phải làm cho một lượng điện tích dương đi vào nguồn điện ở đầu có điện thế thấp và đi ra ở đầu có điện thế cao. Khả năng thực hiện công của nguồn điện lên các hạt tải điện được đặc trưng bởi một đại lượng là suất điện động của nguồn điện, kí hiệu là . Mũi tên trên Hình 3.2a biểu diễn chiều mà theo đó nguồn điện làm cho các hạt mang điện tích dương (một dòng điện) chuyển động qua nó. Nguồn điện cũng làm cho dòng điện chạy trong mạch theo cùng chiều đó (chiều kim đồng hồ ở trong hình 3.2a).
Định nghĩa 3
Suất điện động của nguồn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện, được đo bằng thương số giữa công A do nguồn điện thực hiện làm dịch chuyển một điện tích dương q bên trong nguồn điện từ cực âm đến cực dương và độ lớn của điện tích đó. E=A/q Đơn vị của suất điện động là vôn, kí hiệu là V với 1 V = 1 J/C. Công của nguồn điện chuyển thành năng lượng điện trong mạch. Vì thế, suất điện động được xác định bằng công của nguồn điện dịch chuyển một điện tích đơn vị theo một vòng kín của mạch điện. Khi mạch ngoài hở, suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng hiệu điện thế giữa hai cực của nó.
Hình 3.2
Ảnh
2. So sánh suất điện động và hiệu điện thế
Suất điện động là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện và được đo bằng công của nguồn điện dịch chuyển một điện tích đơn vị theo một vòng kín của mạch điện. Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của điện trường tạo ra bởi nguồn điện và được đo bằng công làm một đơn vị điện tích di chuyển từ điểm A đến điểm B.
3. Điện trở trong và hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện
Trong mạch điện kín, dòng điện chạy qua mạch ngoài nguồn điện và nguồn điện. Trên thực tế, nguồn điện cũng có điện trở, gọi là điện trở trong của nguồn, kí hiệu là r. Như vậy, mỗi nguồn điện được đặc trưng bằng suất điện động và điện trở trong 7 của nó. Để dễ hình dung, ta có thể xem nguồn điện có ắ và r bao gồm một nguồn điện lí tưởng có suất điện động “ ghép nối tiếp với điện trở trong ở như biểu diễn trên Hình 3.4. Dùng sơ đồ mạch điện ở Hình 3.4, ta có thể tìm được mối liên hệ giữa suất điện động, điện trở trong của nguồn điện và hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở mạch ngoài R.
Hình 3.4.
Ảnh
Định nghĩa
Năng lượng của nguồn điện chuyển thành năng lượng điện tiêu thụ ở điện trở R và r. Do năng lượng bảo toàn nên ta có: E=UR+Ur (3.2) Từ (3.2) suy ra: UR=E-Ur (IR=E-Ir) (3.3) Từ đây, ta có thể thấy điện trở trong có ảnh hưởng đến hiệu điện thế giữa hai cực nguồn điện. + Do nguồn điện có điện trở (r>0) nên U, < % Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn luôn nhỏ hơn suất điện động của nó khi mạch điện kín. Lượng U = % - Un được gọi là độ giảm điện thể trong. Điện trở trong của nguồn điện càng lớn thì độ giảm điện thế này càng lớn, hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn càng nhỏ. + Ở một mạch điện với một nguồn điện xác định, cường độ dòng điện trong mạch càng lớn, độ giảm điện thế trong cũng càng lớn và do đó hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn càng nhỏ. + Có thể xác định suất điện động qua đo hiệu điện thế U giữa hai cực của nguồn điện và cường độ dòng điện I chạy trong mạch.
Câu hỏi 1
Câu hỏi 1 trang 98 Vật Lí 11: Một đèn mắc nối tiếp với một pin như Hình 3.3.
Câu hỏi 2
Câu hỏi 2 trang 98 Vật Lí 11: Từ biểu thức 3.1, chứng minh suất điện động có cùng đơn vị với hiệu điện thế.
Luyện tập 1
Luyện tập 1 trang 99 Vật Lí 11: Nêu điểm giống và khác nhau giữa suất điện động của nguồn điện và hiệu điện thế giữa hai điểm trong mạch điện.
Câu hỏi 3
Câu hỏi 3 trang 99 Vật Lí 11: Nối mỗi cực của một pin với mỗi cực của một vôn kế có điện trở rất lớn.
Câu hỏi 4
Câu hỏi 4 trang 100 Vật Lí 11: Mô tả ảnh hưởng của điện trở trong của nguồn điện lên hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn.
II. NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ CÔNG SUẤT ĐIỆN
1. Năng lượng điện
Khi đặt hiệu điện thế U vào giữa hai đầu một đoạn mạch tiêu thụ điện, lực điện sẽ thực hiện công làm cho các điện tích tự do trong đoạn mạch chuyển động có hướng, tạo thành dòng điện với cường độ I. Sau thời gian t, sẽ có một lượng điện tích q = It dịch chuyển trong đoạn mạch. Công của lực điện thực hiện trong thời gian t là: A = Uq= Ult (3.4) Khi chạy qua đoạn mạch, dòng điện có thể gây ra các tác dụng khác nhau. Trong quá trình đó, năng lượng điện sẽ chuyển hoá thành các dạng năng lượng khác. Phần năng lượng điện mà một đoạn mạch tiêu thụ khi có dòng điện chạy qua được đo bằng công của lực điện làm các điện tích dịch chuyển có hướng.
2. Công suất điện
Công suất tiêu thụ năng lượng điện P của đoạn mạch được tính bằng: P=A/t=UI (3.5) Công suất tiêu thụ năng lượng điện của đoạn mạch có giá trị bằng năng lượng điện mà đoạn mạch tiêu thụ trong một đơn vị thời gian, được tính bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch đó. Công suất P được đo bằng oát, kí hiệu là W. 1 W = 1V × 1A
3. Công và công suất của nguồn điện
Nhờ năng lượng ở bên trong nên nguồn điện thực hiện công để buộc các điện tích chuyển động ngược chiều điện trường. Khi mạch điện kín, nguồn điện thực hiện công làm các điện tích tự do di chuyển trong toàn mạch để tạo nên dòng điện và năng lượng của nguồn điện chuyển thành năng lượng điện. Công của nguồn điện An, khi tạo ra dòng điện có cường độ I chạy trong mạch sau một khoảng thời gian t được tính bằng An=Eq=EIt (3.6) Công suất của nguồn điện đặc trưng cho tốc độ thực hiện công của nguồn điện đó. Công suất Pn của nguồn điện bằng công suất tiêu thụ năng lượng điện của toàn mạch. Pn=An/t=EI (3.7)
Luyện tập 2
Luyện tập 2 trang 101 Vật Lí 11: Cho mạch điện như Hình 3.6. Khi mạch hở, vôn kế chỉ 13,0 V. Khi mạch kín, vôn kế chỉ 12,0 V và cường độ dòng điện qua đèn là 3,0 A. Biết vôn kế có điện trở rất lớn. Tìm suất điện động và điện trở trong của pin.
Ảnh
Câu hỏi 6
Câu hỏi 6 trang 101 Vật Lí 11: Trong trường hợp đoạn mạch chỉ có điện trở R, phần năng lượng điện mà đoạn mạch tiêu thụ biến đổi hoàn toàn thành năng lượng nhiệt.
Luyện tập 3
Luyện tập 3 trang 101 Vật Lí 11: Tính công suất điện hao phí dưới dạng nhiệt trên một dây cáp dài 15 km dẫn dòng điện có cường độ 100 A. Biết điện trở trên một đơn vị chiều dài của dây cáp này là 0,20 Ω/km.
III. ĐO SUẤT ĐIỆN ĐỘNG VÀ ĐIỆN TRỞ TRONG CỦA PIN
Định nghixa
Có thể dùng đồng hồ đo điện đa năng để đo suất điện động và điện trở trong của pin hoặc acquy theo sơ đồ mạch điện như ở Hình 3.7.
Ảnh
Định nghĩa 2
Áp dụng biểu thức (3.3), ta có: U = Umn = E – Ur = E - Ir Sau đây là hai phương án thường dùng để đo suất điện động và điện trở trong của pin. 1. Phương án 1 Điều chỉnh biến trở đến hai vị trí bất kì. Đọc các số đo tương ứng ở vôn kế và ampe kế U1, I1, và U2, I2. Lập hệ phương trình: U1 = E – I1r U2 = E – I2r Từ hai phương trình trên, tính được E và r.
Định nghĩa 3
2. Phương án 2 Dựa vào đồ thị biểu diễn liên hệ U = E - Ir Đo các giá trị của U và I. Vẽ đồ thị biểu diễn liên hệ U= E - Ir với trục nằm ngang biểu thị các giá trị của I, trục thẳng đứng biểu thị các giá trị của U. Kéo dài đồ thị này thì giao điểm với trục thẳng đứng cho ta giá trị của E . Chọn hai điểm trên đồ thị, xác định các giá trị U và I tương ứng với hai điểm này, ta sẽ tính được điện trở trong bằng biểu thức: R = ∆U/∆I Trong đó, ∆U=U2-U1,∆I=I2-I1.
Luyện tập 5
Luyện tập 5 trang 103 Vật Lí 11: Một acquy ô tô 12 V cung cấp dòng điện có cường độ 5 A trong thời gian 2,0 giờ. Năng lượng mà acquy cung cấp trong thời gian này là bao nhiêu jun?
Luyện tập 6
Luyện tập 6 trang 103 Vật Lí 11: Cho mạch điện như Hình 3.8. Con chạy ở vị trí C, chia điện trở R thành R = RAC + RCB.
DẶN DÒ
DẶN DÒ
DẶN DÒ
+ Ôn lại các kiến thức vừa học. + Làm thêm bài tập trong sách bài tập. + Chuẩn bị trước bài sau.
CẢM ƠN
CẢM ƠN CÁC BẠN ĐÃ CHĂM CHÚ NGHE BÀI GIẢNG.