SGK Vật Lí 11 - Bài 9. Định luật Ôm đối với toàn mạch
9 Định LUẬT ÔM ĐỐI VỚI TOÀN MẠCH Như đã biết, khi pin Lơ-clan-sê (pin thường dùng) được sứ dụng một thời gian dài thì điện trở trong cúa pin tăng lên đáng kể và dòng điện mà pin sinh ra trong mạch điện kín trớ nên khá nhó. Vậy cường độ dòng điện chạy trong mạch điện kín có mối quan hệ như thế nào với điện trở trong của nguồn điện cũng như với các yếu tố khác của mạch điện ? Bài học này sẽ chỉ ra mối quan hệ đó. Toàn mạch là mạch điện kín đơn giản nhất có sơ đồ như Hình 9.1, trong đó nguồn điện có suất điện động % và điện trở trong r, còn y?N là điện trở tương . đương của mạch ngoài bao gồm các vật dẫn nối liền hai cực của nguồn điện. Định luật Ôm đối với toàn mạch biểu thị mối liên hệ giữa cường độ dòng điện I chạy trong mạch điện kín nói trên với suất điện động ỹ của nguồn điện và với điện trở toàn phần /?N + r của mạch điện kín này. THÍ NGHIỆM /(A) Ị 0 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 Ư(V) 3,05 2,90 2,80 ỉ L 2,75 2,70 2,55 2,50 Bảng 9.1 Mắc mạch điện như sơ đồ Hình 9.2, trong đó ampe kế (có điện trở rất nhỏ) đo cường độ I của dòng điện chạy trong mạch điện kín. vôn kế (có điện trở rất lớn) đo hiệu điện thế mạch ngoài t/N và biến trở cho phép thay đổi điện trở mạch ngoài. Thí nghiệm được tiến hành với mạch điện này cho các giá trị đo l và C/N như Bảng 9.1 và được thể hiện trên đồ thị Hình 9.3. - ĐỊNH LUẬT ÔM ĐỐI VỚI TOÀN MẠCH Thí nghiệm trên đây và nhiều thí nghiệm khác cho kết quả tương tự. Từ đồ thị Hình 9.3, có thể viết hệ thức liên hệ giữa hiệu điện thế mạch ngoài Í/N và cường độ dòng điện chạy qua mạch điện kín là : Í/N = UQ-aI = %-aI (9.1) trong đó, a là hệ số tỉ lệ dương và Uq là giá trị lớn nhất của Hiệu điện thế mạch ngoài và như đã nêu ở bài 7, nó đúng bằng suất điện động của nguồn điện. . Để tìm hiểu ý nghĩa của hệ số a trong hệ thức (9.1), ta hãy xét mạch điện kín có sơ đồ Hình 9.2. Áp dụng định luật Ôm cho mạch ngoài chỉ chứa điện trở tương đương /?N, ta có : í/N = ơlB = ^ (9.2) Tích của cường độ dòng điện và điện trở được gọi là độ giảm điện thế, do đó, tích /7?N còn được gọi là độ giảm điện thế mạch ngoài. i-F: Trong thí nghiệm ở trên, mạch điện phải như thế nào để cường độ dòng điện I = 0 và tương ứng u = Ưg ? Tại sao khi đó uo có giá trị lớn nhất và bằng suất điện động ỹ của nguồn điện : ƯQ = ? Từ các hệ thức (9.1) và (9.2), ta có : . t/N + ữ/ = /(/?N + a) Điều này cho thấy ứ cũng có đơn vị của điện trở. Đối với toàn mạch, /?N là điện trở tương đương của mạch ngoài, nên a chính là điện trở trong r của nguồn điện. Do đó : \ ỹ = /(/?N + r) = IRn + Ir (9.3) Như vậy, suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tổng các độ giảm điện thế ở mạch ngoài và mạch trong. Từ hệ thức (9.3), suy ra : và / = — /ỉN+r (9.5) ra ra Từ hệ thức (9.4), hãy cho biết trong những trường hợp nào thì hiệu điện thế ƯAB giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động e của nó ? UN = IRN=$-Ir (9.4) Tổng /?N + r là tổng điện trở tương đương /?N của mạch ngoài và điện trở trong r của nguồn điện, được gọi là điện trở toàn phần của mạch điện kín. Hệ thức (9.5) biểu thị định luật Ôm đối với toàn mạch và được phát biểu như sau : Cường độ dòng điện chạy trong mạch điện kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn __ , điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần-của Một pin có sô' ghi trên vỏ là 1,5 V và có điện trở trong là 1,0 Q. Mắc một bóng đèn có điện trở R - 4,0 Q vào hai cực của pin này để thành mạch điện kín. Tính cường độ dòng điện chạy qua đèn khi đó và hiệu điện thế -HÂN XÉT giữa hai đầu của nó. . * * Hiện tượng đoản mạch Từ hệ thức (9.5) ta thấy, cường độ dòng điện chạy trong mạch điện kín đạt giá trị lớn nhất khi điện trở /?N của mạch ngoài không đáng kể (/?N = 0), nghĩa là khi nối hai cực của nguồn điện bằng dây dẫn có điện trở rất nhỏ. Khi đó ta nói rằng nguồn điện bị đoản mạch và Pin Lơ-clan-sê có điện trở trong khá lớn (khoảng vài ôm) nên khi bị đoản mạch, dòng điện chạy qua pin không quá lớn, nhưng sẽ làm hỏng pin nếu để đoản mạch trong thời gian dài. Hãy cho biết vì sao sẽ rất nguy hiểm nếu hiện tượng đoản mạch xảy ra đối với mạng điện ở gia đình. Biện pháp nào được sử dụng để tránh không xảy ra hiện tượng này ? Acquy chì có điện trở trong khá nhỏ, vào khoảng vài phần trăm ôm, nên khi bị đoản mạch lâu, dòng điện chạy qua acquy cỡ hàng trăm ampe sẽ làm hỏng acquy. Chẳng hạn acquy của xe máy hay ô tô, bị đoản mạch khi khởi động hoặc khi bóp còi. Do đó, để sử dụng acquy bền lâu thì chỉ được ấn công tắc khởi động hoặc bóp còi mỗi lần trong khoảng vài giây và không quá hai, ba lần. EE Định luật Ôm đối với toàn mạch và định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng Theo công thức (8.5), công của nguồn điện sản ra trong mạch điện kín khi dòng điện không đổi có cường độ I chạy qua trong thời gian t là : A = %It (9.7) Trong thời gian đó, theo định luật Jun - Len-xơ, nhiệt lượng toả ra ở mạch ngoài và mạch trong là : Q = Ơ?N + >-)/2í (9.8) Theo định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng thì A = Q, do đó, từ các công thức (9.7) và (9.8), suy ra các hệ thức (9.3) và (9.5) biểu thị định luật Ôm đối với toàn mạch đã thu được ở trên : ỹ=/(«N + r) và í= V-—; rtN +7 ra Từ công thức (9.9), hãy chứng tỏ rằng, trong trường hợp mạch ngoài chỉ gồm điện trở Rn thì hiệu suất của nguồn điện có điện trở trong r được tính bằng công thức : Như vậy, định luật Ôm đối với toàn mạch hoàn toàn phù hợp với định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Hiệu suất của nguổn điện Các hệ thức (9.7) và (9.8) cho thấy rằng, công của nguồn điện bằng tổng điện năng tiêu thụ ở mạch ngoài và ở mạch trong, trong đó điện năng tiêu thụ ở mạch ngoài là điện năng tiêu thụ có ích. Từ đó, ta có công thức tính hiệu suất H của nguồn điện là : ỊJ _ Aróích _ /ọ Q\ A % It % ’ ra Định luật Ôm đối với toàn mạch : cường độ dòng điện chạy trong mạch điện kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch đó. ,/ = X- ' • RN+r Tích của cường độ dòng điện chạy qua một đoạn mạch và điện trở của nó được gọi là độ giảm điện thê trên đoạn mạch đó. Suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tồng các độ giảm điện thê ở mạch ngoài và mạch trong. ^=/ffN + /r Hiện tượng đoản mạch xảy ra khi nối hai cực của một nguồn điện chỉ bằng dây dẫn có điện trở rất nhỏ. Khi đoản mạch, dòng điện chạy qua mạch có cường độ lớn và có hại. Định luật Ôm đối với toàn mạch hoàn toàn phù hợp với định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Định luật Ôm đối với toàn mạch đé cập tới loại mạch điện kín nào ? Phát biểu định luật và viết hệ thức biểu thị định luật đó. Độ giảm điện thế trên một đoạn mạch là gì ? Phát biểu mối quan hệ giữa suất điện động của nguồn điện và các. độ giảm điện thế của các đoạn mạch trong mạch điện kín. Hiện tuọng đoản mạch xảy ra khi nào và có thể gây ra những tác hại gì ? Có cách nào để tránh đuợc hiện tuợng này ? ▼ Trong mạch điện kín, hiệu điện thế mạch ngoài UN phụ thuộc nhu thế nào vào điện trở RN của mạch ngoài ? ƯN tăng khi RN tăng. UN tăng khi RN giảm. c. UN không phụ thuộc vào RN. D. ƯN lúc đầu giảm, sau đó tăng dần khi RN tăng dần tù 0 tới vô cùng. Mắc một điện trở 14 Q vào hai cục của một nguồn điện có điện trở trong là 1 Q thì hiệu điện thế giũa hai cục của nguồn là 8,4 V. Tính cuờng độ dòng điện chạy trong mạch và suất điện động của nguón điện. Tính công suất mạch ngoài và cóng suất của nguồn điện khi đó. Điện trở trong của một acquy là 0,06 Q và trên vỏ của nó có ghi 12 V. Mắc vào hai cục của acquy này một bóng đèn có ghi 12 V - 5 w. Hãy chứng tỏ rằng bóng đèn khi đó gần nhu sáng bình thuờng và tính công suất tiêu thụ điện thục tế của bóng đèn khi đó. Tính hiệu suất của nguồn điện trong truòng họp này. Nguồn điện có suất điện động là 3 V và có điện trở trong là 2 Q. Mắc song song hai bóng đèn nhu nhau có cùng điện trở là 6 Q vào hai cục của nguổn điện này. Tính công suất tiêu thụ điện của mỗi bóng đèn. Nếu tháo bỏ một bóng đèn thì bóng đèn còn lại sáng mạnh hon hay yếu hon so với truớc đó ?