Công thức vật lý 11 chương 2: dòng điện không đổi

$\mathcal{E}=\frac{A}{q}$

Khái niệm: Suất điện động $\mathcal{E}$ của nguồn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện, được đo bằng thương số giữa công $A$ của lực lạ thực hiện khi dịch chuyển một điện tích dương $q$ ngược chiều điện trường bên trong nguồn điện và độ lớn của điện tích $q$ đó.

Chú thích:

$\mathcal{E}$: suất điện động $(V, J/C)$

$A$: công của lực lạ $\left(J\right)$

$q$: độ lớn của điện tích $\left(C\right)$

Điện trở trong của nguồn điện: Nguồn điện cũng là một vật dẫn và cũng có điện trở. Điện trở này được gọi là điện trở trong của nguồn điện.

Ký hiệu: $r$ $\left(\Omega \right)$

$I=\frac{q}{t}$

Khái niệm: Dòng điện không đổi (dòng điện một chiều) là dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi theo thời gian. 

Viết tắt: 1C hay DC.

Chú thích:

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$q$: điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn $\left(C\right)$

$t$: thời gian $\left(s\right)$

Ứng dụng:

Khi cúp điện chúng ta thường dùng đèn pin dạng sạc hoặc đèn pin sử dụng pin tiểu để chiếu sáng. Đây cũng chính là nguồn sử dụng pin 1 chiều phổ biến nhất.

Điện thoại di động chúng ta thường dùng hàng ngày cũng chính là một thiết bị dùng điện một chiều bởi vì nó được cắm sạc trực tiếp từ nguồn điện xoay chiều. Đầu cắm sạc chính là đầu chuyển nguồn AC (xoay chiều) thành DC (một chiều) trước khi vào điện thoại.

Một ứng dụng đang được sử dụng rộng rãi và càng ngày càng nhân rộng chính là tấm Pin thu năng lượng mặt trời để biến thành điện năng sử dụng. Quá trình nãy cũng cần phải có thiết bị biến tần để biến điện năng một chiều thành điện xoay chiều 220VAC để sử dụng.

Ngoài ra acquy và pin cũng là những nguồn điện cho ra dòng điện một chiều.

$I=\frac{∆q}{∆t}$

Khái niệm: Cường độ dòng điện là đại lượng đặc trưng cho tác dụng mạnh hay yếu của dòng điện. Nó được xác định bằng thương số giữa điện lượng $∆q$ dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn và khoảng thời gian $∆t$ đó.

Chú thích:

$I$: cường độ dòng điện trung bình trong khoảng thời gian $∆t$ $\left(A\right)$

$∆q$: điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn $\left(C\right)$

$∆t$: thời gian $\left(s\right)$

Cách mắc Ampere kế (dùng để đo cường độ dòng điện trong mạch): mắc nối tiếp sao cho chốt dương nối với cực dương, chốt âm nối với cực âm.

$A=Uq=UIt$

Phát biểu: Lượng điện năng mà một đoạn mạch tiêu thụ khi có dòng điện chạy qua để chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác được đo bằng công của lực điện thực hiện khi dịch chuyển có hướng các điện tích.

Chú thích: 

$A$: điện năng tiêu thụ của đoạn mạch ($J)$

$U$: hiệu điện thế $\left(V\right)$

$q$: độ lớn của điện tích $\left(C\right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$t$: thời gian $\left(s\right)$

Vận dụng: Điện năng tiêu thụ thông thường được đo bằng đồng hồ điện, hay còn gọi là công tơ điện.

Đơn vị đo: 1 $kWh$ = 3600000 $Ws$ = 3600000 $J$ 

$\mathcal{P}=\frac{Q}{t}=R{I}^2$

Phát biểu: Công suất tỏa nhiệt $\mathcal{P}$ ở vật dẫn khi có dòng điện chạy qua đặc trưng cho tốc độ tỏa nhiệt của vật dẫn đó và được xác định bằng nhiệt lượng tỏa ra ở vật dẫn trong một đơn vị thời gian.

Chú thích:

$\mathcal{P}$: công suất tỏa nhiệt $\left(W\right)$

$Q$: nhiệt lượng tỏa ra của dây dẫn $\left(J\right)$

$t$: thời gian $\left(s\right)$

$R$: điện trở của vật dẫn $\left(\Omega \right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$A_{ng}=\mathcal{E}q=\mathcal{E}It$

Phát biểu: Công của nguồn điện bằng điện năng tiêu thụ trong toàn mạch.

Chú thích: 

$A_{ng}$: công của nguồn điện $\left(J\right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn điện $\left(V\right)$

$q$: điện lượng $\left(C\right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$t$: thời gian (s)

${\mathcal{P}}_{ng}=\frac{A_{ng}}{t}=\mathcal{E}I$

Phát biểu: Công suất ${\mathcal{P}}_{ng}$ của nguồn điện đặc trưng cho tốc độ thực hiện công của nguồn điện đó và được xác định bằng công của nguồn điện thực hiện trong một đơn vị thời gian. Công suất này cũng chính bằng công suất tiêu thụ điện năng của toàn mạch.

Chú thích:

${\mathcal{P}}_{ng}$: công suất của nguồn điện $\left(W\right)$

$A_{ng}$: công của nguồn điện $\left(J\right)$

$t$: thời gian $\left(s\right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn $\left(V\right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$\mathcal{P}=\frac{A}{t}=UI$

Phát biểu: Công suất điện của một đoạn mạch là công suất tiêu thụ điện năng của đoạn mạch đó và có trị số bằng điện năng mà đoạn mạch tiêu thụ trong một đơn vị thời gian, hoặc bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch đó.

Chú thích:

$\mathcal{P}$: công suất điện của đoạn mạch $\left(W\right)$

$A$: điện năng tiêu thụ $\left(J\right)$

$t$: thời gian $\left(s\right)$

$U$: hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch $\left(V\right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

Dụng cụ dùng để đo công suất thường dùng là Watt kế.

$Q=R{I}^{\mathit{2}}t$

Phát biểu: Nhiệt lượng tỏa ra ở một vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trở của vật dẫn, với bình phương cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua vật dẫn đó.

Chú thích:

$Q$: nhiệt lượng tỏa ra ở đoạn mạch $\left(J\right)$

$R$: điện trở của đoạn mạch $\left(\Omega \right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$t$: thời gian $\left(s\right)$

Trong đó điện trở $R$ được tính bằng công thức: $R=\rho \frac{l}{S}$.

$R$: điện trở $\left(\Omega \right)$

$\rho$: điện trở suất $\left(\Omega m\right)$

$l$: chiều dài vật dẫn $\left(m\right)$

$S$: tiết diện ngang của vật dẫn $\left(m^2\right)$

Heinrich Lenz (1804 - 1865)

James Prescott Joule (1818 - 1889)

$\mathcal{E}=I(R_N+r)=I{R}_N+Ir$

Phát biểu: Suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tổng các độ giảm điện thế ở mạch ngoài và mạch trong.

Chú thích:

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn điện $\left(V\right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$R_N$: điện trở tương đương của mạch ngoài $\left(\Omega \right)$

$r$: điện trở trong của nguồn điện $\left(\Omega \right)$

$I=\frac{\mathcal{E}}{R_N+r}$

Phát biểu: 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.

Chú thích: 

$I$: cường độ dòng điện trong mạch kín $\left(A\right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn điện $\left(V\right)$

$R_N$: điện trở tương đương của mạch ngoài $\left(\Omega \right)$

$r$: điện trở trong của nguồn điện $\left(\Omega \right)$

$I=\frac{\mathcal{E}}{r}$

Phát biểu: Hiện tượng đoản mạch xảy ra khi nối hai cực của một nguồn điện chỉ bằng dây dẫn có điện trở rất nhỏ (tức $R_N\approx 0$). Khi đoản mạch, dòng điện chạy qua mạch có cường độ lớn và có hại.

Chú thích:

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn điện $\left(V\right)$

$r$: điện trở trong của nguồn điện $\left(\Omega \right)$

Hiện tượng đoản mạch: 

Trong đời sống, hiện tượng đoản mạch ở mạch điện thông thường có thể dẫn đến đứt cầu chì, gây cháy nổ và làm hư hỏng các thiết bị điện. Thậm chí, gây nguy hiểm đến con người nếu ở gần, có thể gây bỏng hoặc thiệt hại đến tính mạng (do cường độ dòng điện trong mạch tăng lên quá lớn nên tỏa ra nhiệt lượng rất cao).

Biện pháp phòng trách hiện tượng đoản mạch (ngắn mạch):

- Khi không sử dụng thiết bị điện cần tắt hoàn toàn, an toàn hơn thì hãy rút phích cắm khỏi nguồn điện.

- Sử dụng dây dẫn điện có tiết diện phù hợp với dòng điện. Lắp cầu chì ở mỗi công tắc để ngắt mạch ngay khi cường độ dòng điện qua cầu chì quá lớn.

- Hạn chế các tác nhân ảnh hưởng đến nguồn điện trong gia đình như va đập cơ học, nhiệt độ môi trường cao. Lắp đặt công tắc điện ở vị trí thông thoáng, trách các khu vực ẩm ướt hoặc nhiệt độ cao như nhà vệ sinh hoặc khu vực bếp nấu nướng.

$H=\frac{A_{có ích}}{A}=\frac{U_{N}It}{\mathcal{E}It}=\frac{U_N}{\mathcal{E}}=\frac{R_N}{R_N+r}$

Phát biểu: 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, hiệu suất $H$ của nguồn điện được tính bằng tỉ số giữa điện năng tiêu thụ có ích $A_{có ích}$ và tổng điện năng tiêu thụ ở mạch ngoài và mạch trong $A$.

Chú thích: 

$H$: hiệu suất của nguồn điện 

$A_{có ích}$: điện năng tiêu thụ có ích $\left(J\right)$

$A$: tổng điện năng tiêu thụ ở mạch ngoài và mạch trong $\left(J\right)$

$U_N=I.R_N=\mathcal{E}-I.r$

Chú thích:

$U_N$: hiệu điện thế của mạch ngoài $\left(V\right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$R_N$: điện trở tương đương của mạch ngoài $\left(\Omega \right)$

$r$: điện trở trong của nguồn $\left(\Omega \right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn $\left(V\right)$

${\mathcal{E}}_b=\mathcal{E}$

$r_b=\frac{r}{n}$

Phát biểu: Bộ nguồn song song là bộ nguồn gồm $n$ nguồn điện giống nhau được ghép song song với nhau.

- Khi mạch ngoài hở, hiệu điện thế $U_{AB}$ bằng suất điện động của mỗi nguồn và bằng suất điện động của bộ nguồn.

- Điện trở trong của bộ nguồn là điện trở tương đương của $n$ điện trở $r$ mắc song song.

Chú thích:

${\mathcal{E}}_b$: suất điện động của bộ nguồn $\left(V\right)$

$r_b$: điện trở trong của bộ nguồn $\left(\Omega \right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của mỗi nguồn điện thành phần $\left(V\right)$

$r$: điện trở trong của mỗi nguồn điện thành phần $\left(\Omega \right)$

Với $n$ là số nguồn giống nhau được ghép song song trong bộ nguồn.

Ưu điểm và khuyết điểm của ghép song song:

Ghép song song lợi về nội trở nhưng thiệt về sức điện động.

${\mathcal{E}}_b={\mathcal{E}}_1+{\mathcal{E}}_2+...+{\mathcal{E}}_n$

$r_b=r_1+r_2+...+r_n$

 

Phát biểu:

- Suất điện động ${\mathcal{E}}_b$ của bộ nguồn ghép nối tiếp bằng tổng các suất điện động của các nguồn có trong bộ.

- Điện trở trong $r_b$ của bộ nguồn điện ghép nối tiếp bằng tổng các điện trở trong của các nguồn có trong bộ.

Chú thích:

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn điện $\left(V\right)$

$r$: điện trở trong của nguồn điện $\left(\Omega \right)$

Với $n$ là số nguồn được ghép nối tiếp trong bộ nguồn.

Ưu điểm và khuyết điểm của ghép nối tiếp:

Ghép nối tiếp lợi về sức điện động nhưng thiệt về nội trở. 

Lưu ý thêm:

Trong trường hợp tất cả các pin đang ghép là cùng 1 loại duy nhất. Ta có:

${\mathcal{E}}_b=n.\mathcal{E} và r_b=n.r$

Bên trong viên pin 9V bản chất là 6 viên pin 1,5V được ghép nối tiếp lại với nhau.

${\mathcal{E}}_b=m\mathcal{E}$

$r_b=\frac{mr}{n}$

Phát biểu: Bộ nguồn hỗn hợp đối xứng là bộ nguồn gồm $n$ dãy ghép song song với nhau, mỗi dãy gồm $m$ nguồn điện giống nhau ghép nối tiếp.

Chú thích: 

${\mathcal{E}}_b$: suất điện động của bộ nguồn $\left(V\right)$

$r_b$: điện trở trong của bộ nguồn $\left(\Omega \right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của mỗi nguồn điện thành phần $\left(V\right)$

$r$: điện trở trong của mỗi nguồn điện thành phần $\left(\Omega \right)$

Với $n$ là số dãy ghép song song và $m$ là số nguồn điện giống nhau ghép nối tiếp trên mỗi dãy.

Ưu điểm và khuyết điểm của ghép các bộ nguồn thành hỗn hợp đối xứng:

Ghép hỗn hợp đối xứng lợi về nội trở lẫn suất điện động nhưng thiệt về chi phí.

Cách ghép hỗn hợp đối xứng trong thực tế. 

Cách ghép hỗn hợp đối xứng trong thực tế. Ảnh chụp tại hải đăng Nam Du.

$\frac{1}{R_{tđ}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+...+\frac{1}{R_n}$

$I=I_1+I_2+...+I_n$

$U=U_1=U_2=...=U_n$

Chú thích: 

$R$: điện trở $\left(\Omega \right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$U$: hiệu điện thế $\left(V\right)$

$R_{tđ}=R_1+R_2+...R_n$

$I=I_1=I_2=...=I_n$

$U=U_1+U_2+...+U_n$

Chú thích: 

$R$: điện trở $\left(\Omega \right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$U$: hiệu điện thế $\left(V\right)$