Bài 3. Nguồn điện, năng lượng điện và công suất điện trang 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105 Vật Lí 11 Cánh diều

KĐ

Nếu gắn mỗi đầu của một vật dẫn vào một bản của tụ điện đã tích điện thì chỉ có dòng điện chạy qua vật dẫn trong một khoảng thời gian rất ngắn. Nhưng nếu gắn mỗi đầu của cùng một vật dẫn vào một cực của pin hoặc acquy thì dòng điện duy trì được lâu hơn nhiều.

Vì sao lại như vậy? Làm thế nào để duy trì được dòng điện tích dịch chuyển có hướng qua một vật dẫn?

Phương pháp giải:

Dựa vào kiến thức về tụ điện và nguồn điện.

Lời giải chi tiết:

Để duy trì được dòng điện tích dịch chuyển có hướng qua một vật dẫn, cần duy trì một hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn. Đối với tụ điện thì trong quá trình phóng điện, hiệu điện thế giữa hai bản giảm rất nhanh về 0 nên chỉ có dòng điện chạy trong thời gian ngắn, còn acquy hay pin duy trì được hiệu điện thế lâu hơn nhiều nên dòng chạy qua được duy trì lâu hơn.

CH 1

Một đèn mắc nối tiếp với một pin như Hình 3.3.

Nêu sự biến đổi năng lượng xảy ra trong pin và trong đèn khi đóng khóa K.

Phương pháp giải:

Khi đóng khóa K, có dòng điện chạy qua đèn và đèn sáng.

Lời giải chi tiết:

Ban đầu, khi K mở, năng lượng được lưu trữ trong pin, đèn không có năng lượng. Khi đóng khóa K, năng lượng của pin được truyền đi và chuyển hóa một phần thành năng lượng làm đèn phát sáng.

CH 2

Từ biểu thức 3.1, chứng minh rằng suất điện động có cùng đơn vị với hiệu điện thế.

Phương pháp giải:

Công thức 3.1 \(\xi  = \frac{A}{q}\). Công của lực điện \(A = qEd = qU\).

Lời giải chi tiết:

Công của lực điện tác dụng lên một điện tích trong điện trường đều giữa hai bản có hiệu điện thế U là \(A = qEd = qU\). Do đó: \(U = \frac{A}{q}\) tương đương với công thức 3.1 \(\xi  = \frac{A}{q}\). Do đó, suất điện động có cùng đơn vị với hiệu điện thế.

LT

Nêu điểm giống và khác nhau giữa suất điện động của nguồn điện và hiệu điện thế giữa hai điểm trong mạch điện.

Phương pháp giải:

So sánh suất điện động và hiệu điện thế.

Lời giải chi tiết:

Giống nhau: Suất điện động và hiệu điện thế đều là các đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công, được tính bằng công thực hiện để dịch chuyển một điện tích đơn vị.

Khác nhau: Suất điện động đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện. Trong khi hiệu điện thế đặc trưng cho khả năng thực hiện công của điện trường tạo ra bởi nguồn điện.

CH

Nối mỗi cực của một pin với mỗi cực của một vôn kế có điện trở rất lớn. Số chỉ của vôn kế có ý nghĩa gì?

Phương pháp giải:

Ý nghĩa của số chỉ vôn kế.

Lời giải chi tiết:

Nối mỗi cực của pin với mỗi cực của vôn kế có điện trở rất lớn thì số chỉ vôn kế là suất điện động của pin.

CH 1

Mô tả ảnh hưởng của điện trở trong của nguồn điện lên hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn.

Phương pháp giải:

Điện trở trong của nguồn điện càng lớn thì hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn sẽ thay đổi như thế nào.

Lời giải chi tiết:

Điện trở trong của nguồn điện làm hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn bé hơn suất điện động của nó.

Điện trở trong càng lớn, hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn càng nhỏ.

CH 2

Trong trường hợp nào, hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động của nó?

Phương pháp giải:

Các trường hợp hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động của nó.

Lời giải chi tiết:

Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động của nó khi điện trở trong của nó bằng 0 hoặc mạch hở, không có dòng điện chạy qua nguồn.

CH 3

Bạn hãy tìm hiểu thêm tại sao cá chình không bị chết vì dòng điện mà nó phóng ra và đi qua chính nó.

Phương pháp giải:

Tìm hiểu cấu tạo cơ thể và cách di chuyển của cá chình cho phép nó tránh khỏi dòng điện nó phóng ra.

Lời giải chi tiết:

Nguyên nhân cá chình không bị chính dòng điện trong cơ thể mình giết chết:

+ Cấu tạo cơ thể hợp lí: Thân hình thon và kéo dài khiến cho khả năng dòng điện đi qua và gây hại cho các bộ phận trọng yếu là rất nhỏ. Dòng điện gần như phóng thẳng ra môi trường chứ không truyền trong cơ thể quá lâu.

+ Dòng điện không đủ lâu để giết cá chình: Các nhà khoa học cho rằng cá chình điện có khả năng điều chỉnh điện áp tối đa khó có thể giết chính nó trong khoảng thời gian ngắn mà dòng điện tồn tại, cộng thêm khả năng tạo ra điện và phóng điện vô cùng nhanh.

+ Uốn mình theo những hướng nhất định, do đó cá chình tránh được dòng điện đi qua tim. 

LT 1

Cho mạch điện như Hình 3.6.

Khi mạch hở, vôn kế chỉ 13,0 V.

Khi mạch kín, vô kế chỉ 12,0 V và cường độ dòng điện qua đèn là 3,0 A.

Biết vôn kế có điện trở rất lớn. Tìm suất điện động và điện trở trong của pin

Phương pháp giải:

Khi mạch hở, số chỉ vôn kế là suất điện động của pin. Khi mạch đóng, số chỉ vôn kế là hiệu điện thế giữa hai đầu nguồn điện.

Lời giải chi tiết:

Khi mạch hở, vôn kế chỉ 13,0 V nên suất điện động của pin là \(\xi  = 13,0\)(V).

Khi mạch hở, hiệu điện thế giữa hai đầu pin là: \(U = \xi  - {\rm{Ir}}\)với r là điện trở trong của pin, cường độ dòng điện qua mạch \({\rm{I = 3,0}}\)(A).

Điện trở trong của pin là: \(U = \xi  - {\rm{Ir}} \Rightarrow {\rm{r = }}\frac{{\xi  - U}}{I} = \frac{{13,0 - 12,0}}{3} = \frac{1}{3} \approx 0,33(\Omega )\).

CH

Trong trường hợp đoạn mạch chỉ có điện trở R, phần năng lượng mà đoạn mạch tiêu thụ biến đổi hoàn toàn thành năng lượng nhiệt.

Suy luận biểu thức tính công suất tỏa nhiệt trên điện trở khi có dòng điện với cường độ I chạy qua.

Phương pháp giải:

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng. Đưa biểu thức tính công suất chỉ còn lại R và I.

Lời giải chi tiết:

Trong trường hợp đoạn mạch chỉ có điện trở R, phần năng lượng mà đoạn mạch tiêu thụ biến đổi hoàn toàn thành năng lượng nhiệt và bằng:

\(\wp  = UI\). Mà \(U = {\rm{I}}{\rm{.r}}\)nên \(\wp  = {I^2}R\).

LT 2

Tính công suất điện hao phí dưới dạng nhiệt trên một dây cáp dài 15 km dẫn dòng điện có cường độ 100 A. Biết điện trở trên một đơn vị chiều dài của dây cáp này là \(0,20\Omega /km\).

Phương pháp giải:

Công suất hao phí dưới dạng nhiệt trên dây là: \({\wp _{hp}} = {I^2}R\).

Lời giải chi tiết:

Điện trở của dây cáp là: \(R = 0,20.15 = 3(\Omega )\).

Công suất điện hao phí dưới dạng nhiệt trên dây là: \({\wp _{hp}} = {I^2}R = {100^2}.3 = 30000\)(W).

LT 3

Giải thích tại sao khi điện thoại sắp hết pin, bạn nên giảm độ sáng của màn hình

Phương pháp giải:

Độ sáng của màn hình liên quan đến năng lượng tiêu thụ của điện thoại

Lời giải chi tiết:

Màn hình tiêu thụ nhiều năng lượng điện, màn hình càng sáng thì tiêu thụ càng nhiều năng lượng điện. Do đó, để tiết kiệm năng lượng của pin, nên giảm độ sáng màn hình.

CH

Vì sao có thể xác định điện trở trong bằng biểu thức: \(r = \frac{{\Delta U}}{{\Delta I}}\).

Phương pháp giải:

Điều chỉnh biến trở, ta có hệ hai phương trình liên hệ giữa số chỉ vôn kế với suất điện động, số chỉ ampe kế và điện trở trong. 

Lời giải chi tiết:

Số chỉ vôn kế (hiệu điện thế giữa hai đầu nguồn điện) là \(U = \xi  - {\rm{I}}{\rm{.r}}\)với I là số chỉ ampe kế (là cường độ dòng điện trong mạch)

Điều chỉnh biến trở lần lượt đến hai giá trị R₁ và R₂.

Số chỉ vôn kế và số chỉ ampe kế tương ứng là: U₁, I₁, U₂, I₂.

Ta có: \(\begin{array}{l}{U_1} = \xi  - {{\rm{I}}_1}{\rm{.r}}\\{U_2} = \xi  - {{\rm{I}}_2}{\rm{.r}}\end{array}\) \( \Rightarrow {U_1} - {U_2} = ({I_2} - {I_1}).r\) \( \Rightarrow \Delta U = \Delta I.r\)

LT

Một acquy ô tô 12 V cung cấp dòng điện có cường độ 5 A trong thời gian 2,0 giờ. Năng lượng mà aquy cung cấp trong thời gian này là bao nhiêu jun?

Phương pháp giải:

Năng lượng acquy cung cấp \({\rm{W}} = \wp t = UIt\).

Lời giải chi tiết:

Năng lượng mà aquy cung cấp trong thời gian đã cho là: \({\rm{W}} = \wp t = UIt = 12.5.(2.3600) = 432000\)(J).

VD

Cho mạch điện như Hình 3.8. Con chạy ở vị trí C, chia điện trở R thành \(R = {R_{AC}} + {R_{CB}}\). Tìm biểu thức liên hệ giữa số chỉ của vôn kế, \(\xi \), \({R_{AC}}\)và \({R_{CB}}\).

Phương pháp giải:

Số chỉ của vôn kế là giá trị hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở \({R_{AC}}\).

Lời giải chi tiết:

Cường độ dòng điện trong mạch là: \(I = \frac{\xi }{R} = \frac{\xi }{{{R_{AC}} + {R_{CB}}}}\).

Số chỉ vôn kế là: \({U_{AC}} = I.{R_{AC}} = \frac{\xi }{{{R_{AC}} + {R_{CB}}}}.{R_{AC}} = \xi .\frac{{{R_{AC}}}}{{{R_{AC}} + {R_{CB}}}}\).

Bài 1

Một tia sét truyền dòng điện từ đám mây xuống mặt đất với cường độ trung bình là 30 kA và kéo dài 2 ms. Tính điện lượng truyền qua không khí trong quá trình này.

Phương pháp giải:

Cường độ dòng điện được xác định bằng điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong một đơn vị thời gian.

Lời giải chi tiết:

Điện lượng truyền qua không khí trong quá trình tia sét truyền dòng điện là:

\(I = \frac{{\Delta q}}{{\Delta t}} \Rightarrow \Delta q = I.\Delta t = ({30.10^3}).({2.10^{ - 3}}) = 60\) (C).

Bài 2

Khi bật công tắc đèn, ta cảm thấy đèn sáng ngay lập tức. Điều này có phải vì các electron chuyển động trong mạch điện với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng \({3.10^8}\) m/s.

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức về dòng điện trong kim loại và kiến thức về điện trường để giải thích.

Lời giải chi tiết:

Khi bật công tắc đèn, ngay lập tức, trong mạch điện xuất hiện một điện trường. Electron tự do tồn tại ở mọi vị trí trong dây dẫn, nên dưới tác dụng của điện trường, electron dịch chuyển tạo thành dòng, các electron ở vị trí gần nhất đi qua đèn gần như ngay lập tức khiến đèn sáng lên. (Trên thực tế, tốc độ dịch chuyển có hướng của các electron là rất nhỏ so với tốc độ ánh sáng).

Bài 3

Bảng mạch in (Hình 1) được sử đụng để kết nối các linh kiện điện tử với nhau nhờ các đường dẫn bằng đồng được in sẵn trên một tấm vật liệu cách điện.

Xét một đường dẫn bằng đồng có tiết diện \({5.10^{ - 8}}\)m², có dòng điện 3,5 mA chạy qua. Mật độ electron trong đồng là \({10^{29}}{m^{ - 3}}\). Tính tốc độ dịch chuyển của các electron trên đường dẫn này.

Phương pháp giải:

Áp dụng công thức tính tốc độ dịch chuyển có hướng của hạt mang điện \(v = \frac{I}{{Sne}}\)

Lời giải chi tiết:

Tốc độ dịch chuyển của các electron trên đường dẫn là: \(v = \frac{I}{{Sne}} = \frac{{3,{{5.10}^{ - 2}}}}{{{{5.10}^{ - 8}}{{.10}^{29}}.1,{{6.10}^{ - 19}}}} = 4,{375.10^{ - 5}}\)(m/s).

Bài 4

Hình 2 mô tả đường đặc trưng I – U của hai vật dẫn: sơi đốt bóng đèn và một đoạn dây thép.

a) Đường đặc trưng B tương ứng với vật dẫn nào?

b) Ở hiệu điện thế nào thì hai vật dẫn có cùng điện trở? Tính giá trị điện trở này?

Phương pháp giải:

Dựa vào hình dạng của đường đặc trưng để suy ra sự thay đổi của điện trở, từ đó suy ra vật dẫn tương ứng. Quan sát đồ thị, xác định tại hiệu điện thế nào hai vật dẫn có cùng cường độ dòng điện đi qua (cắt nhau tại đâu) vì khi đó thì điện trở \(R = \frac{U}{I}\)của hai vật dẫn là bằng nhau, xác định giá trị của R.

Lời giải chi tiết:

a) Đường đặc trưng của B là đường thẳng đi qua gốc tọa độ, biểu thị hàm số bậc nhất hay \(R = \frac{U}{I} = const\), điện trở là hằng số. Do đó, vật dẫn B là đoạn dây thép.

b) Từ đồ thị, ta thấy, hai đường đặc trưng cắt nhau tại điểm (8;3,4). Tại đó \(U = 8\)V và \(I = 3,4\)V.

Điện trở của mỗi vật dẫn ở hiệu điện thế này là: \(R = \frac{U}{I} = \frac{8}{{3,4}} = 2,35(\Omega )\).

Bài 5

Làm một pin đơn giản bằng các dụng cụ sau: mảnh đồng, mảnh tôn, một quả chanh và các dây dẫn điện. Dùng đồng hồ điện đa năng để đo hiệu điện thế giữa mảnh đồng và mảnh tôn. Đề xuất biện pháp để tăng suất điện động của pin này.

Phương pháp giải:

Cách mắc bộ nguồn để tăng suất điện động, thay đổi vật liệu để tăng hiệu năng.

Lời giải chi tiết:

Để làm pin từ chanh, cắm mảnh đồng và mảnh nhôm vao quả chanh sao cho hai mảnh này tách rời, không chạm vào nhau. Nối dây dẫn điện với hai mảnh kim loại. Dùng đồng hồ đa năng đo hiệu điện thế giữa mảnh đồng và mảnh nhôm.

Để tăng suất điện động của pin này, có thể tạo ra nhiều pin và mắc nối tiếp thành một bộ nguồn.

Có thể thay bằng các mảnh kim loại khác có hiệu năng cao hơn như magnesi – đồng

Bài 6

Hình 3 mô tả đèn điện tử chân không, bao gồm bóng đèn thủy tinh đã hút chân không (áp suất trong bóng đèn còn khoảng \({10^{ - 6}}\)mmHg). Bên trong bóng đèn có hai cực: anode là một bản kim loại, còn cathode là dây vonfram bị đốt nóng, làm bật ra các electron tự do hay còn gọi là các điện tử tự do. Nối anode và cathode với nguồn điện một chiều thì các electron chuyển động thành dòng và tạo thành dòng điện có cường độ 4,5 mA.

a) Tính điện lượng chuyển qua ampe kế trong 3 phút.

b) Tính số electron di chuyển qua anode trong 3 phút.

c) Cho biết hiệu điện thế giữa anode và cathode là 75V. Tính năng lượng một electron thu được khi nó di chuyển từ cathode đến anode?

Phương pháp giải:

Điện lượng chuyển qua ampe kế \(\Delta q = I.\Delta t\). Năng lượng electron thu được khi di chuyển từ cathode đến anode là \({\rm{W}} = qEd = qU\).

Lời giải chi tiết:

a) Điện lượng chuyển qua ampe kế trong 3 phút là: \(\Delta q = I.\Delta t = 4,{5.10^{ - 3}}.(3.60) = 0,81\) (C).

b) Số electron di chuyển qua anode trong 3 phút là:

\(N = \frac{{\Delta q}}{{\left| {{q_e}} \right|}} = \frac{{0,81}}{{1,{{6.10}^{ - 19}}}} = 5,{0625.10^{18}}\) (electron).

c) Năng lượng một electron thu được khi nó di chuyển từ cathode đến anode là: \({\rm{W}} = \left| {{q_e}} \right|U = 1,{6.10^{ - 19}}.75 = 1,{2.10^{ - 17}}\)(J).

Bài 7

Các công ti điện lực sử dụng đơn vị kWh để đo năng lượng điện tiêu thụ cà tính tiền điện. 1 kWh là năng lượng điện mà một thiết bị điện có công suất 1 kW tiêu thụ trong 1 giờ. Một bình nóng lạnh đang hoạt động ở hiệu điện thế 230 V với công suất 9,5 kW.

a) Tính cường độ dòng điện qua bình nóng lạnh. Giải thích tại sao nên sử dụng đường dây riêng và cầu chì/cầu dao tự động riêng cho bình nóng lạnh.

b) Giả sử mỗi ngày, một gia đình sử dụng bình nóng lạnh trong 90 phút. Nếu giá bán điện là 2 500 đồng/kWh thì số tiền điện gia đình phải trả mỗi ngày để sử dụng bình nóng lạnh là bao nhiêu? Ước tính số tiền phải trả trong một tháng; đề xuất biện pháp tiết kiệm chi phí tiền điện phải trả do sử dụng bình nóng lạnh.

Phương pháp giải:

Áp dụng công thức tính công suất \(\wp  = UI \Rightarrow I = \frac{\wp }{U}\), tính cường độ dòng điện I. Từ độ lớn của cường độ dòng điện đưa giải thích về việc nên dùng đường dây riêng và cầu chì riêng. Tính năng lượng điện tiêu thụ mỗi biện pháp tiết kiệm điện tháng theo đơn vị kWh để ước tính số tiền phải trả. Dựa vào hiểu biết thực tế đề xuất.

Lời giải chi tiết:

a) Cường độ dòng điện qua bình nóng lạnh là I.

\(\wp  = UI \Rightarrow I = \frac{\wp }{U} = \frac{{9500}}{{230}} = \frac{{950}}{{23}} = 41,3\)(A). Cường độ dòng điện này là rất lớn nên cần sử dụng đường dây riêng và cầu chì/cầu dao tự động riêng cho bình nóng lạnh để tránh trường hợp cháy nổ gây ảnh hưởng đến các thiết bị điện khác.

b) t = 90 phút = 1,5 h

Năng lượng điện tiêu thụ mỗi ngày là: \({\rm{W}} = \wp t = 9,5.1,5 = 14,25\)(kWh).

Năng lượng điện tiêu thụ mỗi tháng là: \({{\rm{W}}_t} = N.{\rm{W = 30}}{\rm{.14,25 = 427,5}}\)(kWh).

Số tiền phải trả trong một tháng là: \({\rm{2500}}{\rm{.}}{{\rm{W}}_t} = 2500.{\rm{427,5}} = 1068750\)(đồng).

Biện pháp tiết kiệm chi phí tiền điện:

- Lựa chọn loại bình nóng lạnh được thiết kế tiết kiệm điện.

- Lựa chọn bình nóng lạnh có công suất và dung tích phù hợp với nhu cầu sử dụng của gia đình.

- Không bật bình nóng lạnh khi không cần thiết, vào những ngày nóng.