Thư Viện Công Thức Vật Lý

Công suất tiêu thụ trên mạch ngoài:

$P = R{I}^2 = R.{\left(\frac{\mathcal{E}}{R\hspace{0.17em}+ r}\right)}^2 = \frac{R.{\mathcal{E}}^2}{R^2 + 2Rr + r^2}=\frac{{\mathcal{E}}^2}{\left(R + {\displaystyle \frac{r^2}{R}}\right) + 2r}$

Áp dụng bất đẳng thức Cauchy:

$$\begin{gathered} R + \frac{r^2}{R}\ge 2\sqrt{R . \frac{r^2}{R}} \\ \Rightarrow R + \frac{r^2}{R}\ge 2r \end{gathered}$$

Vậy $P_{max} = \frac{{\mathcal{E}}^2}{4r}$

Dấu “=” xảy ra khi $R = \frac{r^2}{R}\Rightarrow R = r$

=> Nếu R = r thì công suất tiêu thụ ở mạch ngoài là cực đại.

Phát biểu: Suất đàn hồi (Suất Young) đặc trưng cho tính đàn hồi của chất rắn.

Chú thích:

$E$: suất đàn hồi $\left(Pa\right)$

$∆l$: độ dài phần giãn ra hay nén lại của vật $\left(m\right)$

$l_0$: chiều dài tự nhiên ban đầu của vật $\left(m\right)$

$\sigma$: ứng suất tác dụng vào vật đó $\left(Pa\right)$

$\alpha$: hệ số tỉ lệ phụ thuộc chất liệu của vật rắn

Suất đàn hồi của một số chất rắn:

Đặc điểm lực đàn hồi của lò xo:

+ Lực đàn hồi xuất hiện khi lò xo bị biến dạng và tác dụng lên các vật tiếp xúc hoặc gắn với hai đầu của nó.

+ Lực đàn hồi có:

* Phương: dọc theo trục của lò xo.

* Chiều: ngược với ngoại lực gây ra biến dạng. Tức là khi lò xo bị dãn, lực đàn hồi của lò xo hướng vào trong còn khi bị nén, lực đàn hồi của lò xo hướng ra ngoài.

* Độ lớn: tuân theo định luật Hooke.

Định luật Hooke:

+ Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo.

$F_{dh}=k.\left|∆l\right|$

Trong đó

+ k là hệ số đàn hồi (độ cứng của lò xo) (N/m): phụ thuộc vào bản chất và kích thước của lò xo.

+$∆l=\left|l-l_0\right|$ : độ biến dạng của lò xo (m);

+ l: chiều dài khi biến dạng (m).

+ l_o: chiều dài tự nhiên (m).

+ F_đh: lực đàn hồi (N).

Lực đàn hồi trong những trường hợp đặc biệt:

- Đối với dây cao su hay dây thép: lực đàn hồi chỉ xuất hiện khi bị kéo dãn nên gọi là lực căng dây.

- Đối với các mặt tiếp xúc: lực đàn hồi xuất hiện khi bị ép có phương vuông góc với bề mặt tiếp xúc gọi là phản lực đàn hồi.

Phát biểu: Trong giới hạn đàn hồi, độ biến dạng tỉ đối của vật rắn đồng chất, hình trụ tỉ lệ thuận với ứng suất tác dụng vào vật đó.

Chú thích: 

$\epsilon$: độ biến dạng tỉ đối của vật rắn (bị kéo hoặc nén)

$∆l$: độ dài phần giãn ra hay nén lại của vật $\left(m\right)$

$l_0$: chiều dài tự nhiên ban đầu của vật $\left(m\right)$

$\sigma$: ứng suất tác dụng vào vật đó $\left(Pa\right)$

$\alpha$: hệ số tỉ lệ phụ thuộc chất liệu của vật rắn

$F:$ lực tác dụng lên vật rắn $\left(N\right)$

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

Nhận xét về độ biến dạng tỉ đối của các vật liệu:

- Vật liệu dẻo như sắt, thép, đồng,... có độ biến dạng tỉ đối cao.

- Vật liệu giòn như gang, thủy tinh, gốm,... có độ biến dạng tỉ đối thấp.

- Vật liệu polyme có độ biến dạng tỉ đối rất cao. Polyme có thể kéo dài thành sợi nhỏ và mảnh.

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.

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.

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.

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 $\left(V\right)$

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.

Phát biểu định luật Ohm 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.

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 $\left(\Omega \right)$

Cường độ dòng điện đạt giá trị lớn nhất khi điện trở mạch ngoài không đáng kể ($R_N$=0), lúc này $I_m=\frac{\mathcal{E}}{r}$. Khi đó ta nói rằng, nguồn điện bị đoản mạch.

Tích của cường độ dòng điện chạy qua một đoạn mạch và điện trở của nó được gọi là "độ giảm điện thế" trên đoạn mạch đó. Kết quả các thí nghiệm cho thấy, suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tổng các độ giảm điện thế ở mạch ngoài và mạch trong:

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

Định luật Ohm đối với toàn mạch hoàn toàn phù hợp với định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.