Lực lạ · Suất điện động · Điện trở trong · Hiệu điện thế hai cực
Trình bày được vai trò của nguồn điện và lực lạ; nêu định nghĩa suất điện động, điện trở trong; giải thích vì sao khi nguồn cấp điện thì hiệu điện thế hai cực nhỏ hơn suất điện động.
Vẽ sơ đồ nguồn thực; tính \(\mathcal E=A/q\), \(I=\mathcal E/(R+r)\), \(U=\mathcal E-Ir\); đọc đồ thị \(U-I\), nhận ra điện áp hở mạch và điện trở trong.
Nếu chỉ nối hai vật dẫn tích điện trái dấu bằng dây, dòng điện tồn tại ngắn rồi dừng khi hiệu điện thế bị triệt tiêu. Nguồn điện tạo và duy trì hiệu điện thế giữa hai cực, chuyển hóa năng lượng hóa học, cơ học hoặc dạng khác thành năng lượng điện để duy trì dòng điện trong mạch kín.
Lực lạ là lực bên trong nguồn, không phải lực tĩnh điện, có khả năng đưa điện tích dương từ cực âm về cực dương (theo cách xét dòng điện quy ước). Suất điện động đặc trưng cho công của lực lạ trên một đơn vị điện tích.
Sơ đồ nguyên lí: mô hình nguồn lí tưởng có suất điện động ℰ nối tiếp điện trở trong r; điện trở ngoài R nối vào hai cực nguồn.
Suất điện động \(\mathcal E\) của nguồn là đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của nguồn, không đồng nhất với điện áp trên tải khi nguồn cấp dòng. Mạch hở có \(I=0\) nên \(Upprox\mathcal E\). Khi có dòng điện trong mạch kín, sụt áp bên trong nguồn là \(Ir\), do đó \(U=\mathcal E-Ir\).
Điện trở trong làm nguồn nóng lên khi dòng điện lớn; không nối tắt hai cực nguồn thật. Khi đọc đồ thị có trục hoành I và trục tung U, tung độ tại I=0 chính là suất điện động, còn độ lớn độ dốc là r nếu nguồn ổn định.
| Đại lượng | Kí hiệu | Đơn vị | Chú ý |
|---|---|---|---|
| Suất điện động | ℰ | V | Công lực lạ / điện tích |
| Điện trở trong | r | Ω | Sụt áp bên trong nguồn khi phát điện |
| Điện áp hai cực | U | V | U = ℰ − Ir khi phát điện |
| Điện trở ngoài | R | Ω | Tải thuần trở nối với nguồn |
| Công lực lạ | A | J | A = ℰq |
| Đại lượng và đơn vị | Alạ: công lực lạ (J); q > 0 là điện lượng dịch chuyển qua nguồn (C); suất điện động đo bằng V = J/C. |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | q > 0; mô tả công lực lạ bên trong nguồn để vận chuyển điện tích ngược xu hướng do lực điện. |
| Đại lượng và đơn vị | I tính bằng A, thời gian Δt bằng s, q bằng C. |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Dòng điện không đổi trong khoảng Δt. |
| Đại lượng và đơn vị | U, ℰ đo bằng V; I đo bằng A; r là điện trở trong (Ω). |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Nguồn thực phát điện; I ≥ 0 theo chiều phát điện, ℰ và r không đổi. |
| Đại lượng và đơn vị | R là điện trở tải ngoài (Ω), r là điện trở trong (Ω). |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Mạch kín chỉ gồm nguồn và tải R mắc nối tiếp; bỏ qua điện trở dây và thiết bị đo. |
| Đại lượng và đơn vị | U_R đo bằng V; R > 0 là điện trở tải. |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Nguồn đang phát điện cho tải thuần trở R; UR cũng là điện áp giữa hai cực nguồn. |
| Đại lượng và đơn vị | Suất điện động ℰ và điện áp hở mạch U đo bằng V. |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Vôn kế có điện trở đủ lớn để dòng qua vôn kế xem như bằng 0. |
| Đại lượng và đơn vị | Dòng đoản mạch tính bằng A, khi r > 0. |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Chỉ để tính trong mô hình nguồn có r không đổi; chập pin thật rất nguy hiểm và mô hình có thể không phù hợp khi quá nhiệt. |
| Đại lượng và đơn vị | Đồ thị trục hoành I (A), trục tung U (V), hệ số góc có đơn vị Ω. |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Nguồn có ℰ, r không đổi và đang phát điện; dữ liệu đo lấy trong cùng điều kiện hoạt động. |
Nguồn ℰ = 6 V vận chuyển điện lượng q = 2 C. Tính công lực lạ.
Lời giải: \[A=\mathcal E q=6\cdot2=12\,\mathrm J.\]
Lực lạ thực hiện công 9 J để vận chuyển 1,5 C qua nguồn. Tính ℰ.
Lời giải: \[\mathcal E=9/1{,}5=6\,\mathrm V.\]
Nguồn ℰ = 12 V, r = 1 Ω mắc với R = 5 Ω. Tìm I.
Lời giải: \[I=12/(5+1)=2\,\mathrm A.\]
Nguồn ℰ = 9 V, r = 0,5 Ω cấp dòng I = 2 A. Tính U.
Lời giải: \[U=9-2\cdot0{,}5=8\,\mathrm V.\]
Pin ℰ = 1,5 V, r = 0,3 Ω. So sánh U khi hở mạch và khi I = 0,5 A.
Lời giải: \[U_{\text{hở}}=1{,}5\,\mathrm V;\quad U_{\text{tải}}=1{,}5-0{,}5\cdot0{,}3=1{,}35\,\mathrm V.\]
Đồ thị đi qua (I = 0 A, U = 6 V) và (I = 2 A, U = 5 V). Tìm ℰ và r.
Lời giải: \[\mathcal E=6\,\mathrm V;\quad r=(6-5)/(2-0)=0{,}5\,\Omega.\]
Nguồn ℰ = 12 V, r = 1 Ω có dòng I = 1,5 A. Tính R ngoài.
Lời giải: \[R=\mathcal E/I-r=12/1{,}5-1=7\,\Omega.\]
Nguồn ℰ = 6 V, r = 0,4 Ω. Tính dòng đoản mạch theo mô hình nguồn không đổi.
Lời giải: \[I_{\mathrm{đm}}=6/0{,}4=15\,\mathrm A.\ \text{Không tiến hành đoản mạch pin thật.}\]
1. Nguồn 12 V có r = 1 Ω, mắc R = 5 Ω thì ampe kế chỉ bao nhiêu? 2. Nếu tăng R rất lớn, U có tiến gần ℰ không? 3. Với cùng ℰ, r càng lớn thì sụt áp khi có dòng điện càng tăng hay giảm?
Thay đổi suất điện động, điện trở trong, tải và khóa K. Mạch hở hiển thị U = ℰ; trạng thái R = 0 chỉ là mô phỏng tình huống nguy hiểm.
| Lần | ℰ (V) | r (Ω) | R (Ω) | I (A) | U (V) |
|---|---|---|---|---|---|
| Chưa ghi số liệu. | |||||
Chỉ dùng mô hình điện trở trong không đổi, không mô tả đầy đủ sự biến đổi nhiệt độ và hóa học khi đoản mạch.
Tung độ gốc là ℰ; độ lớn hệ số góc là r. Đặt hai con trỏ đo trên đồ thị và kiểm chứng chênh lệch điện áp.
Mỗi pin có cùng ℰ₀ = 1,5 V và r₀ = 0,5 Ω. Quan sát suất điện động tổng, điện trở trong tổng và điện áp tải khi tăng số pin.
Nhập đáp số không kèm đơn vị, dùng dấu phẩy hoặc dấu chấm; có thể xem lời giải sau khi tự làm. Bài có ghi rõ giả thiết nguồn phát điện và điện trở trong không đổi.
8 câu ABCD (2 điểm), 4 câu Đúng/Sai bốn ý (4 điểm), 8 câu trả lời ngắn (2 điểm), 2 câu tự luận (2 điểm theo rubric). Đáp án không hiện trước khi nộp.
Kết nối khái niệm, công thức và giới hạn áp dụng; trên điện thoại có thể vuốt ngang sơ đồ.
Pin biến đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Điện áp danh định ghi trên nhãn không đảm bảo điện áp đầu cực giữ nguyên khi tải thay đổi; giá trị thực còn phụ thuộc trạng thái nạp và điện trở trong.
Có thể ước lượng ℰ và r trong một khoảng làm việc bằng việc đo nhiều cặp (I,U), vẽ đường hồi quy U=ℰ−rI. Không ép mô hình thẳng nếu nguồn thay đổi đáng kể theo dòng và nhiệt độ.
Khi R ngoài gần 0, dòng điện bị giới hạn chủ yếu bởi điện trở trong và các yếu tố khác. Nhiệt sinh ra có thể gây bỏng, rò rỉ hoặc cháy. Không tự đo dòng đoản mạch pin.