1. Khái niệm Dòng Điện Không Đổi và Nguồn Điện
Dòng điện là dòng chuyển động có hướng của các hạt mang điện. Chiều quy ước của dòng điện là chiều dịch chuyển của các điện tích dương, ngược với chiều dịch chuyển của electron. Dòng điện đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng thực tế của cuộc sống.
Cường độ dòng điện, ký hiệu là I, được định nghĩa bằng điện lượng Δq dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian Δt:
Trong đó, Δq là điện lượng (đơn vị Coulomb – C) và Δt là thời gian (đơn vị giây – s). Đơn vị của cường độ dòng điện là Ampere (A).
Dòng điện Không đổi là dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi theo thời gian. Đây là một trường hợp đặc biệt của dòng điện và có nhiều ứng dụng quan trọng. Công thức tính cường độ dòng điện không đổi là:
Trong đó I là cường độ dòng điện không đổi (A), q là điện lượng (C) và t là thời gian (s).
Nguồn điện tạo ra và duy trì hiệu điện thế giữa hai cực của nó, cung cấp năng lượng cho các hạt mang điện chuyển động trong mạch điện. Các lực lạ bên trong nguồn điện có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự khác biệt điện tích giữa hai cực.
Suất điện động (ký hiệu E) của nguồn điện đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện, được đo bằng công của lực lạ khi dịch chuyển một đơn vị điện tích dương ngược chiều điện trường bên trong nguồn điện:
Trong đó, A là công của lực lạ (J) và q là điện tích (C).
Điện trở bên trong của nguồn điện, ký hiệu là r, ảnh hưởng đến khả năng cung cấp dòng điện của nguồn. Nguồn điện có điện trở trong càng nhỏ thì càng lý tưởng.
2. Điện Năng và Công Suất Điện trong Mạch Dòng Điện Không Đổi
Điện năng tiêu thụ của một đoạn mạch được tính bằng công thức: A = UIt
Trong đó:
- A là điện năng tiêu thụ (Joule – J)
- U là hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch (Volt – V)
- I là cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch (Ampere – A)
- t là thời gian dòng điện chạy qua (giây – s)
Công suất điện của một đoạn mạch được tính bằng công thức: P = UI
Trong đó:
- P là công suất điện (Watt – W)
- U là hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch (Volt – V)
- I là cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch (Ampere – A)
Công suất tỏa nhiệt trên vật dẫn khi có dòng điện không đổi chạy qua được xác định bằng nhiệt lượng tỏa ra trên vật dẫn trong một đơn vị thời gian:
Công của nguồn điện bằng điện năng tiêu thụ trong toàn mạch:
Công suất của nguồn điện bằng công suất tiêu thụ điện năng của toàn mạch:
3. Định Luật Ôm cho Toàn Mạch và Các Loại Đoạn Mạch
Định luật Ôm cho toàn mạch phát biểu rằng cường độ dòng điện chạy trong mạch kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch đó:
Trong đó:
- I là cường độ dòng điện trong mạch (A)
- E là suất điện động của nguồn điện (V)
- R là điện trở tương đương của mạch ngoài (Ω)
- r là điện trở trong của nguồn điện (Ω)
Độ giảm thế trên một đoạn mạch được định nghĩa là tích của cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch và điện trở của nó. Suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tổng các độ giảm điện thế ở mạch ngoài và mạch trong: E = I.RN + I.r = U + I.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, cường độ dòng điện trong mạch tăng đột ngột, gây nguy hiểm.
Hiệu suất của nguồn điện được tính bằng tỉ số giữa công suất mạch ngoài và công suất toàn mạch:
Định luật Ôm cho đoạn mạch chứa nguồn điện (máy phát):
Dòng điện đi vào cực âm và đi ra từ cực dương. UAB: tính theo chiều dòng điện đi từ A đến B qua mạch (UAB = -UBA).
Định luật Ôm cho đoạn mạch chứa máy thu điện:
Đối với máy thu Et: dòng điện đi vào cực dương và đi ra từ cực âm. UAB: tính theo chiều dòng điện đi từ A đến B qua mạch.
Hiệu suất của máy thu điện:
4. Ghép Các Nguồn Điện Thành Bộ
Khi ghép các nguồn điện thành bộ, ta cần quan tâm đến suất điện động và điện trở trong của bộ nguồn.
Đối với đoạn mạch có chứa nguồn điện (nguồn phát), dòng điện có chiều đi ra từ cực dương và đi tới cực âm. Hiệu điện thế UAB giữa hai đầu A và B của đoạn mạch, trong đó đầu A nối với cực dương của nguồn điện: UAB = ξ – I(r + R).
Mắc nối tiếp:
Eb = E1 + E2 + … + En
rb = r1 + r2 + … + rn
Nếu có n bộ giống nhau (E, r):
Mắc xung đối:
Mắc song song:
Nếu có n bộ giống nhau:
Mắc hỗn hợp xung đối:
Với m là số nhánh, n là số nguồn trong mỗi nhánh.
5. Bài Tập Vận Dụng về Dòng Điện Không Đổi
(Lưu ý: Các bài tập dưới đây chỉ mang tính chất tham khảo và có thể cần điều chỉnh cho phù hợp với trình độ của học sinh.)
Câu 1: Trong thời gian 2 giây, có một điện lượng 6C dịch chuyển qua tiết diện thẳng của một dây dẫn. Tính cường độ dòng điện không đổi chạy trong dây dẫn đó.
Câu 2: Một bóng đèn có ghi 6V – 3W. Tính cường độ dòng điện chạy qua đèn khi đèn sáng bình thường và điện trở của đèn khi đó.
Câu 3: Một nguồn điện có suất điện động 12V và điện trở trong 1Ω. Mạch ngoài là một điện trở 5Ω. Tính cường độ dòng điện trong mạch và hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện.
Câu 4: Cho mạch điện gồm nguồn điện có suất điện động E = 12V, điện trở trong r = 2Ω và mạch ngoài gồm hai điện trở R1 = 4Ω và R2 = 6Ω mắc nối tiếp. Tính cường độ dòng điện trong mạch và hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở.
Câu 5: Một bình điện phân chứa dung dịch CuSO4 với điện cực bằng đồng. Cho dòng điện không đổi 5A chạy qua bình trong thời gian 30 phút. Tính khối lượng đồng bám vào catot. (Cho biết Cu = 64, n = 2).
