SGK Vật Lí 11 - Bài 7. Dòng điện không đổi. Nguồn điện

  • Bài 7. Dòng điện không đổi. Nguồn điện trang 1
  • Bài 7. Dòng điện không đổi. Nguồn điện trang 2
  • Bài 7. Dòng điện không đổi. Nguồn điện trang 3
  • Bài 7. Dòng điện không đổi. Nguồn điện trang 4
  • Bài 7. Dòng điện không đổi. Nguồn điện trang 5
  • Bài 7. Dòng điện không đổi. Nguồn điện trang 6
  • Bài 7. Dòng điện không đổi. Nguồn điện trang 7
  • Bài 7. Dòng điện không đổi. Nguồn điện trang 8
  • Bài 7. Dòng điện không đổi. Nguồn điện trang 9
  • Bài 7. Dòng điện không đổi. Nguồn điện trang 10
 Dòng điện không đổi / Nguồn ĐIỆN
ỞTHCS, ta đã biết dòng điện là gì, biết nguồn điện tạo ra dòng điện chạy trong mạch điện kín và có nhiều hiểu biết khác về dòng điện. Trong bài này, ta sẽ biết dòng điện không đối là gì và vì sao nguồn điện có thể tạo ra dòng điện chạy khá lâu trong mạch điện kín.
DÒNG ĐIỆN
Nhớ lại các kiến thức đã học ở THCS và trả lời các càu hỏi dưới đây :
Dòng điện là gì ?
Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các hạt điện tích nào ?
Chiều của dòng điện được quy ước như thế nào ? Chiều quy ước của dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại cùng chiều hay ngược chiều với chiều dịch chuyển có hướng của các hạt điện tích ?
Hình 7.1
Các điện tích dịch chuyển qua tiết diện thẳng s của vật dẫn theo phuơng vuông góc với tiết diện này.
Dòng điện chạy qua các vật dẫn có thể gây ra những tác dụng nào ? Đối với mỗi tác dụng hãy kể tên một dụng cụ mà hoạt động của nó dựa chủ yếu vào tác dụng đó của dòng điện.
Trị số của đại lượng nào cho biết mức độ mạnh, yếu của dòng điện ? Đại lượng này được đo bằng dụng cụ nào và bằng đơn vị gì ?
- CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN. DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI
Cường độ dòng điện
Các điện tích dương hoặc điện tích âm dịch chuyển có hướng đều tạo thành dòng điện. Hình 7.1 mô tả trường hợp các điện tích dương dịch chuyển theo phương vuông góc vói tiết diện thẳng s của vật dẫn. Rõ ràng là dòng điện càng mạnh, tức là có cường độ cằng lớn, nếu càng có nhiều điện tích dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong một đơn vị thời gian.
Nếu có một lượng điện tích (điện lượng) Aợ dịch chuyển qua tiết diện thẳng s của vật dẫn trong khoảng thời gian At thì cường độ dòng điện ỉ được xác định là :
JVậy, cường độ dòng điện là đại lượng đặc trưng cho tác dụng mạnh, yếu của dòng điện. Nó được xác định bằng thương so của điện lượng Aq dịch chuyến qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian At và khoảng thời gian đó.
Cường độ dòng điện có thể thay đổi theo thời gian. Vì vậy, công thức (7.1) cho giá trị trung bình của cường độ dòng điện trong khoảng thời gian At. Nếu lấy Aí càng nhỏ thì công thức (7.1) cho giá trị càng chính xác của cường độ dòng điện tại một thời điểm (được gọi là cường độ dòng điện tức thời).
Dòng điện không đổi
KI Nêu một ví dụ về một mạch điện trong đó có dòng điện không đổi chạy qua.
Dòng điện không đổi là dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi the othò'i gian. HI
K Đo cường độ dòng điện bằng dụng cụ gì ? Mắc dụng cụ đó như thế nào vào mạch ?
Thay cho công thức (7.1), cường độ dòng điện không đổi được tính theo công thức :
trong đó, q là điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian t. K
Trong ngôn ngữ thường ngày, có khi người ta gọi dòng điện không đổi là dòng điện một chiều. Cần chú ý ràng, dòng điện không đổi là dòng điện một chiều, nhưng có những dòng điện một chiều lại có cường độ thay đổi theo thời gian (ví dụ : dòng điện chạy qua dây dẫn nối hai bản của một tụ điện đã được tích điện trước đó).
Đơn vị của cường độ dòng điện và của điện lượng
Đơn vị của cường độ dòng điện trong hệ SI là ampe và được xác định là :
1 c
1 A =	= 1 c/s
1 s
BE Trong thời gian 2 s có một điện lượng 1,50 c dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây tóc một bóng đèn. Tính cường độ dòng điện chạy qua đèn.
Ampe là một trong bảy đơn vị cơ bản của hệ SI và được định nghĩa theo tương tác từ của dòng điện (xem chương IV). CE
Đơn vị của điện lượng là culông (C), được định nghĩa theo đơn vị ampe :
1 c = 1 A.s
ET' Dòng điện chạy qua một dây dẫn bằng kim loại có cường độ là 1 A. Tính số electron dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn này trong khoảng thời gian 1 s.
Culông là điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong thời gian 1 giây khi có dòng điện không đổi cường độ 1 ampe chạy qua dây dẫn này.
III-NGUỒN ĐIỆN
Điểu kiện để có dòng điện
Các vật cho dòng điện chạy qua được gọi là các vật gì ? Các hạt mang điện trong các vật loại này có đặc điểm gì ?
B£ Giữa hai đầu một đoạn mạch hoặc giữa hai đầu bóng đèn phải có điều kiện gì để có dòng điện chạy qua chúng ?
Nhớ lại các kiến thức đã học ở THCS để trả lời C5 và C6.
Kết luận :
Điều kiện để có dòng điện là phầi có một hiệu điện thế đặt vào hai đấu vật dẫn điện.
Hiệu điện thế này tạo ra trong vật dẫn một điện trường. Dưới tác dụng của lực điện, các hạt mang điện vẫn chuyển động hỗn loạn nhưng có thêm chuyển động có hướng. Chuyển động có hướng này tạo thành dòng điện trong vật dẫn.
BẸ Hãy kể tên một số các nguồn điện thường dùng.
Nguồn điện
a) Nhớ lại những kiến thức về nguồn điện đã học. ở THCS để trả lời C7,‘ C8 và C9.
EE Bộ phận nào của mạch điện Hình 7.2 tạo ra dòng điện chạy trong mạch điện này khi đóng công tắc K?
Hình 7.2
FT Nếu mắc mạch điện theo sơ đồ Hình 7.3 thì số chỉ của vôn kế và sô' vôn ghi trên nguồn điện có mối liên hệ gì ? Điều đó cho biết có gì tồn tại giữa hai cực của nguồn điện ?
+1 -
Hình 7.3
b) Sự tồn tại hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện :
Nguồn điện duy trì hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện.
Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện được duy trì ngay cả khi có dòng điện chạy qua các vật dẫn nối liền giữa hai cực của nó, có nghĩa là sự tích điện khác nhau ở các cực của nguồn điện tiếp tục được duy trì. Điều này được thực hiện trong nhiều nguồn điện, bằng cách tách các electron khỏi nguyên tử và chuyển các electron hay ion dương ra khỏi mỗi cực của nguồn điện. Khi đó một cực thừa electron được gọi là cực âm (có điện thế thấp hơn), cực kia thừa ít hoặc thiếu electron được gọi là cực dương (có điện thế cao hơn). Việc tách các êlectron ra khỏi nguyên tử không thể do các lực điện (lực Cu-lông, như đã học ở chương I) thực hiện, mà phải do các lực khác bản chất với lực điện thực hiện và được gọi là các lực lạ.
- SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CỦA NGUỔN ĐIỆN
Công của nguồn điện
Trong mạch điện kín (Hình 7.4), nguồn điện tạo ra hiệu điện thế (hay điện áp) giữa hai đầu mạch ngoài gồm các vật dẫn nối liền hai cực của nguồn điện và do đó tạo ra một điện trường ở mạch ngoài. Dưới tác dụng của lực điện, các điện tích dương ở mạch ngoài dịch chuyển từ cực dương (có điện thế cao hơn) tới cực âm của nguồn điện (có điện thế thấp hơn) tạo thành dòng điện. Để duy trì sự tích điện ở hai cực và do đó duy trì hiệu điện thế giữa hai cực như trước, bên trong nguồn điện (mạch trong) dưới tác dụng của các lực lạ, các điện tích dương dịch chuyển ngược chiều điện trường. Khi đó các lực lạ thực hiện một công thắng công cản của lực điện bên trong nguồn điện.
Tương tự như vậy, trong trường hợp ở mạch ngoài là sự chuyển dịch của các điện tích 'âm (các electron) từ cực âm tới cực dương dưới tác dụng của lực điện thì ở mạch trong các điện tích âm dịch chuyển từ cực dương tới cực âm dưới tác dụng của các lực lạ.
Công của các lực lạ thực hiện làm dịch chuyển các điện tích qua nguồn được gọi là còng của nguồn điện.
Như vậy, nguồn điện không có tác dụng tạo thêm các điện tích mà có vai trò như một “máy bơm điện tích”.
Nguồn điện là một nguồn năng lượng, vì nó có khả năng thực hiện công khi dịch chuyển .các điện tích dương bên trong nguồn điện ngược chiều điện trường, hoặc dịch chuyển các điện tích âm bên trong nguồn điện cùng chiều điện trường.
Suât điện động của nguồn điện
a) Định nghĩa
Suất điện động của một nguồn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện và được đo bằng thương'sô giữa công A của lực lạ thực hiện khỉ dịch chuyến một điện tích dương q ngược chiều điện trường bên trong nguồn điện và độ lớn của điện tích q đó.
b) Công thức
Đơn vị
Từ định nghĩa và công thức (7.3), ta thấy suất điện động có cùng đơn vị với điện thế và hiệu điện thế là vôn (V) :
1V=1J/C (lvôn= l--Un )
1 culông
Số vón ghi trên mỗi nguồn điện cho biết trị số của suất điện động của nguồn điện đó. Như đã biết ở THCS, số vôn này cũng là giá trị của hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện khi mạch ngoài hở. Vì vậy, suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng hiệu điện thế giữa hai cực của nó khi mạch ngoài hở.
Trong mạch điện kín, dòng điện chạy qua mạch ngoài và cả mạch trong. Như vậy, nguồn điện cũng là một vật dẫn và cũng có điện trở. Điện trở này được gọi là điện trở trong của nguồn điện. Vì vậy, mỗi nguồn điện được đặc trưng bằng suất điện động 'ễ và điện trở trong r của nó.
- PIN VÀ ACQUY
Pin điện hoá
Cấu tạo chung của các pin điện hoá là gồm hai cực có bản chất hoá học khác nhau được ngâm trong chất điện phân (dung dịch axit, bazơ hoặc muối...). ME
a) Pin Vôn-ta (Volta)
Pin Vôn-ta là nguồn điện hoá học được chế tạo đầu tiên gồm một cực bằng kẽm (Zn) và một cực bằng đồng (Cu) được ngâm trong dung dịch axit sunfuric (H2SO4) loãng (Hình 7.6).
Do tác dụng hoá học, các ion kẽm Zn2+ từ thanh kẽm đi vào dung dịch axit sunfuric. Thanh kẽm thừa electron nên tích điện âm.
Mặt khác, các ion H+ có trong dung dịch tới bám vào cực đồng và thu lấy các electron có trong thanh đồng. Do đó, thanh đồng mất electron nên tích điện dương. Kết quả là giữa hai cực của pin Vôn-ta có một hiệu điện thế xác định và là giá trị của suất điện động của pin Vôn-ta :
Mdi Hãy làm thí nghiệm với pin điện hoá tự tạo : cắm hai mảnh kim loại khác loại (chẳng hạn một mảnh đồng và một mảnh tôn) vào một nửa quả quất hay nửa quả chanh đã được bóp nhũn cả quả trước đó và đo hiệu điện thế giữa hai mảnh kim loại này (Hình 7.5).
Mảnh Mảnh
Zn	Cu
Dung dịch HzSO4
Hình 7.6
r = U2~ƠJ = 1,1 V
e
©—
K
Hình 7.7
Khi nối hai cực của pin Vôn-ta thành mạch kín (Hình 7.7), thì dòng điện ở mạch ngoài là dòng các electron tự do chạy từ cực kẽm tới cực đồng,-làm mất bớt điện tích âm của cực kẽm và giảm điện tích dương của cực đồng. Tác dụng hoá học lại bứt các ion kẽm Zn2+- khỏi thanh kẽm, kéo chúng đi vào dung dịch, đồng thời các ion dương H+ từ bên trong dung dịch chạy tới cực đồng, thu lấy các electron ở cực đồng. Kết quả là có một dòng điện chạy liên tục ở mạch ngoài và mạch trong của pin. Tác dụng hoá học đóng vai trò của lực lạ tạo ra và duy trì sự tích điện khác nhau ở hai cực của pin, do đó duy trì hiệu điện thế giữa chúng và tạo ra suất điện động của pin.
Mũ đồng
Thanh than
MnO2 được trộn với than chì
NH4CI được trộn với hồ đặc
• +
Vỏ kẽm
Hình 7.8
b) Pin Lơ-cỉan-sê (Leclanché)
Pin Lơ-clan-sê là loại pin hiện nay còn đang được sử dụng khá phổ biến. Cực dương của pin là thanh than được bọc xung quanh bằng chất mangan điôxit (MnO-,) có trộn thêm than chì để khử bọt khí hiđrô bám vào cực than và tăng độ dẫn điện. Dung dịch chất điện phân là amôni clorua (NPỊịO) được trộn với một loại hồ đặc và được đóng trong hộp kẽm dùng làm vỏ pin và vỏ kẽm này đồng thời là cực âm của pin (Hình 7.8).
Do tác dụng hoá học, thanh than và vỏ kẽm được tích điện khác nhau và giữa chúng có một hiệu điện thế. Hiệu điện thế này vào khoảng 1,5 V và đó cũng là giá trị của suất điện động của pin.
Mangan điôxit là chất ôxi hoá mạnh, tác dụng vói khí hiđrô xuất hiện ở cực than khi pin hoạt động, nhờ đó hạn chế sự tăng nhanh điện trở trong của pin.
Trong thời gian pin phát điện, vỏ kẽm mòn dần, mangan điôxit và dung dịch amôni clorua bị biến đổi thành chất khác, lượng nước tạo thành trong pin tăng dần. Điện trở trong của pin tăng lên đáng kể, nên cường độ dòng điện mà pin sinh ra trong mạch điện kín giảm đáng kể, tới mức pin không dùng được nữa.
Acquy
a) Ac quy chì
Acquy chì gồm bản cực dương bằng chì điôxit (PbO9) và bản cực âm bằng chì (Pb) (Hình 7.9). Chất điện phân là dung dịch axit sunfuric (H2SO4) loãng.
Jnap
1 -
—1 1
1' 1	
PbO2
Pb
+
Dung dịch
H2SO4
Hình 7.10
Do tác dụng với dung dịch điện phân, hai bản cực của acquy được tích điện khác nhau và hoạt động giống như một pin điện hoá. Suất điện động của acquy axit vào khoảng 2 V.
Khi cho acquy phát điện, do tác dụng hoá học, các bản cực của acquy bị biến đổi. Bản cực dương có lõi là chì điôxit nhưng được phủ một lớp chì sunfat. Bản cực ãm có lõi là chì cũng được phủ một lớp chì sunfat.
Sau một thời gian sử dụng, hai bản cực của acquy có lõi vẫn khác nhau nhưng có lớp vỏ ngoài giống nhau, đều là chì sunfat. Do đó suất điện động của acquy giảm dần. Khi suất điện động này giảm xuống tới 1,85 V thì người ta phải nạp điện cho acquy để tiếp tục sử dụng.
Khi nạp điện cho acquy, người ta dùng một nguồn điện khác để tạo ra dòng điện một chiều đi vào bản cực dương (PbO2) và đi khỏi cực âm của nó (Pb) (Hình 7.10). Khi đó, lớp chì sunfat ở hai bản cực mất dần, bản cực dương của acquy biến đổi trở lại thành PbOọ và bản cực âm của nó trở lại thành Pb. Khi quá trình biến đổi này kết thúc, acquy lại có khả năng phát điện như trước.
Như vậy, acquy là nguồn điện có thể nạp lại để sử dụng nhiều lần dựa trên phản ứng hoá học thuận nghịch : nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng khi nạp vấ giải phóng năng lượng ấy dưới dạng điện năng khi phát điện.
b) Acquy kiềm
Một loại acquy kiềm được dùng phổ biến là acquy cađimi - kền. Nó có cực dương được làm bằng kền hiđrôxit Ni(OH)2, còn cực âm được làm bằng cađimi hiđrôxit Cd(OH)2 ; các cực này được ngâm trong dung dịch kiềm KOH hoặc NaOH. Acquy này có suất điện động lạ 1,25 V. Acquy kiềm có suất điện động và hiệu suất nhỏ hơn so với acquy axit, nhưng nhẹ hơn, thời gian sử dụng lâu hơn và đặc biệt là chịu được dòng điện có cường độ lớn (ví dụ như khi khởi động xe máy, ô tô...).
Dòng điện là dòng các điện tích (các hạt tải điện) dịch chuyển có hướng. Chiểu quy ước của dòng điện là chiều dịch chuyển có hướng của các điện tích dương.
cường độ dòng điện được xác định bằng thương số của điện lượng Aq dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian Át và khoảng thời gian đó.
/ =
At
Dòng điện không đổi là dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi theo thời gian.
cường độ của dòng điện không đổi được tính bằng công thức: I = f.
Các lực lạ bên trong nguồn điện có tác dụng làm cho hai cực của nguồn điện được tích điện khác nhau và do đó duy trì hiệu điện thế giữa hai cực của nó.
Suất điện động của nguồn điện đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện và được đo bằng công của lực lạ khi dịch chuyển một đơn vị điện tích dương ngược chiều điện trường bên trong nguồn điện.
Điện trở của nguồn điện được gọi là điện trở trong của nó.
Cấu tạo chung của các pin điện hoá là gồm hai cực có bản chất hoá học khác nhau, được ngâm trong chất điện phân (dung dịch axit, bazơ hoặc muối...). Do tác dụng hoá học, các cực của pin điện hoá được tích điện khác nhau và giữa chúng có một hiệu điện thế bằng giá trị của suất điện động của pin. Khi đó năng lượng hoá học chuyển thành điện năng dự trữ trong nguồn điện. .
Acquy là nguồn điện hoá học hoạt động dựa trên phàn ứng hoá học thuận nghịch : nó tích trữ năng lượng lúc nạp diện và giải phóng năng lượng này khi phát điện.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
£1
Khi có dòng điện chạy qua vật dẫn thì các hạt mang điện tham gia vào chuyển động có hướng dưới tác dụng của lực nào ?
Bằng những cách nào để biết có dòng điện chạy qua một vật dẫn ?
Cường độ dòng điện được xác định bằng công thức nào ?
Bằng cách nào mà các nguồn điện duy trì sự tích điện khác nhau ở hai cực của nguồn điện và do đó duy trì hiệu điện thế giữa hai cực của nó ?
Đại lượng nào đặc trưng cho khả năng thực hiện công của lực lạ bên trong nguồn điện ? Đại lượng này được xác định như thế nào ?
Cường độ dòng điện được đo bằng dụng cụ nào sau đây ?
A. Lực kế.	B. Công tơ điện,
c. Nhiệt kế.	D. Ampe kế.
Đo cường độ dòng điện bằng đơn vị nào sau đây ?
A. Niutơn (N).	B. Ampe (A).
c. Jun (J).	D. Oát (W).
Chọn câu đúng.
Pin điện hoá có
hai cực là hai vật dẫn cùng chất.
hai cực là hai vật dẫn khác chất.
c. một cực là vật dẫn và cực kia là vật cách điện. D. hai cực đều là các vật cách điện.
Hai cực của pin điện hoá được ngâm trong chất điện phân là dung dịch nào sau đây ?
Chỉ là dung dịch muối.
Chỉ là dung dịch axit. c. Chỉ là dung dịch bazơ.
D. Một trong các dung dịch kể trên.
Trong các pin điện hoá có sự chuyển hoá từ năng lượng nào sau đây thành điện năng ?
A. Nhiệt năng. B. Thế năng đàn hồi. c. Hoá năng.	D. Cơ năng.
Suất điện động được đo bằng đơn vị nào sau đây ?
A. Culông (C). B. Vôn (V). c. Héc (Hz).	D. Ampe (A).
Tại sao có thể nói acquy là một pin điện hoá ? Acquy hoạt động như thế nào để có thể sử dụng được nhiều lần ?
Một điện lượng 6,0 mC dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong khoảng thời gian 2,0 s. Tính cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn này.
Trong khoảng thời gian đóng công tắc để chạy một tủ lạnh thì cường độ dòng điện trung bình đo được là 6 A. Khoảng thời gian đóng công tắc là 0,50 s. Tính điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn nối với động cơ của tủ lạnh.
Suất điện động của một pin là 1,5 V. Tính công của lực lạ khi dịch chuyển điện tích +2 c từ cực âm tới cực dương bên trong nguồn điện.