I. LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Năng lượng điện

Dòng điện có năng lượng, gọi là điện năng (năng lượng điện). Năng lượng điện có thể chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác: tác dụng nhiệt chuyển điện năng thành nhiệt năng (bàn là, bếp điện), tác dụng phát sáng chuyển thành quang năng (đèn), tác dụng cơ học chuyển thành cơ năng (quạt điện, máy bơm)…

Năng lượng điện trên một đoạn mạch được xác định bởi:

$$\boxed{W = U \cdot I \cdot t}$$

Trong đó:

• $W$: năng lượng điện, đơn vị jun (J)
• $U$: hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch (V)
• $I$: cường độ dòng điện (A)
• $t$: thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch (s)

Các công thức biến đổi (kết hợp định luật Ohm $U = IR$):

$$W = U \cdot I \cdot t = I^2 \cdot R \cdot t = \dfrac{U^2}{R} \cdot t$$

Đơn vị khác: kilôoát giờ (kWh): $1 \text{ kWh} = 3{,}6 \times 10^6 \text{ J}$

2. Công suất điện

Công suất điện là năng lượng của dòng điện chạy qua một đoạn mạch trong một đơn vị thời gian.

$$\boxed{\mathscr{P} = U \cdot I}$$

Trong đó:

• $\mathscr{P}$: công suất điện, đơn vị oát (W)
• $U$: hiệu điện thế (V)
• $I$: cường độ dòng điện (A)

Các công thức biến đổi:

$$\mathscr{P} = U \cdot I = I^2 \cdot R = \dfrac{U^2}{R}$$

Mối liên hệ năng lượng và công suất:

$$W = \mathscr{P} \cdot t$$

Bội số: $1 \text{ kW} = 1\,000 \text{ W}$; $1 \text{ MW} = 1\,000\,000 \text{ W}$.

3. Công suất điện định mức

Trên các thiết bị tiêu thụ điện (bóng đèn, bếp điện, bàn là…) thường ghi hai giá trị: hiệu điện thế định mức và công suất điện định mức.

Công suất điện định mức là công suất mà thiết bị tiêu thụ khi hoạt động bình thường (đúng hiệu điện thế định mức).

Ví dụ: Bóng đèn ghi “220 V – 60 W” nghĩa là khi mắc vào hiệu điện thế 220 V, bóng đèn hoạt động bình thường với công suất tiêu thụ 60 W.

Ý nghĩa các chỉ số ghi trên thiết bị:

• Bóng đèn pin: 2,5 V – 2,5 W → mắc vào HĐT 2,5 V, công suất 2,5 W.
• Bàn là điện: 220 V – 1 000 W → mắc vào HĐT 220 V, công suất 1 000 W.

4. Công tơ điện

Công tơ điện (đồng hồ đo điện năng) là thiết bị đo năng lượng điện tiêu thụ. Đơn vị trên công tơ điện là kWh (kilôoát giờ). Mỗi số đếm trên công tơ ứng với 1 kWh.

$$1 \text{ kWh} = 3{,}6 \times 10^6 \text{ J}$$

II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP

Dạng 1: Tính năng lượng điện và công suất điện

Phương pháp:

• $\mathscr{P} = UI = I^2R = \dfrac{U^2}{R}$
• $W = UIt = \mathscr{P} \cdot t = I^2Rt = \dfrac{U^2}{R} \cdot t$
• Luôn đổi thời gian về giây (s) khi dùng đơn vị J; hoặc đổi về giờ khi dùng đơn vị kWh.
• Nếu bài cho thiết bị hoạt động đúng định mức → dùng $U_{đm}$ và $\mathscr{P}_{đm}$ để tính.

Ví dụ 1: Tính công suất điện của một bóng đèn và năng lượng điện mà bóng đèn tiêu thụ trong 3 h. Biết hiệu điện thế hai đầu bóng đèn là 220 V, cường độ dòng điện qua bóng đèn là 0,3 A.

Lời giải:

Công suất điện:

$$\mathscr{P} = U \cdot I = 220 \times 0{,}3 = 66 \text{ W}$$

Năng lượng điện tiêu thụ trong 3 h:

Đổi: $t = 3$ h $= 3 \times 3\,600 = 10\,800$ s.

$$W = \mathscr{P} \cdot t = 66 \times 10\,800 = 712\,800 \text{ J} = 712{,}8 \text{ kJ}$$

Hoặc tính theo kWh: $W = 0{,}066 \times 3 = 0{,}198$ kWh.

Đáp số: $\mathscr{P} = 66$ W; $W = 712\,800$ J $\approx 0{,}198$ kWh.

Ví dụ 2: Hiệu điện thế hai đầu dây tóc một bóng đèn sợi đốt là 3,5 V, điện trở dây tóc khi phát sáng là 12 Ω. Năng lượng điện mà bóng đèn tiêu thụ trong 4 phút là bao nhiêu?

Lời giải:

Đổi: $t = 4$ phút $= 240$ s.

$$W = \dfrac{U^2}{R} \cdot t = \dfrac{3{,}5^2}{12} \times 240 = \dfrac{12{,}25}{12} \times 240 \approx 1{,}021 \times 240 \approx 245 \text{ J}$$

Đáp số: $W \approx 245$ J.

Dạng 2: Công suất định mức — Tính cường độ dòng điện, năng lượng tiêu thụ

Phương pháp:

• Từ $\mathscr{P}_{đm}$ và $U_{đm}$ → tính $I_{đm} = \dfrac{\mathscr{P}_{đm}}{U_{đm}}$.
• Năng lượng tiêu thụ: $W = \mathscr{P}_{đm} \cdot t$
• Điện trở khi hoạt động định mức: $R = \dfrac{U_{đm}^2}{\mathscr{P}_{đm}}$.

Ví dụ 3: Một bóng đèn điện ghi 220 V – 60 W. Nếu dùng đúng công suất định mức, tính năng lượng điện mà bóng đèn tiêu thụ trong 4 giờ và cường độ dòng điện chạy qua bóng đèn.

Lời giải:

Năng lượng điện tiêu thụ trong 4 h:

$$W = \mathscr{P} \cdot t = 60 \times 4 \times 3\,600 = 864\,000 \text{ J} = 864 \text{ kJ}$$

Hoặc: $W = 0{,}06 \times 4 = 0{,}24$ kWh.

Cường độ dòng điện:

$$I = \dfrac{\mathscr{P}}{U} = \dfrac{60}{220} \approx 0{,}273 \text{ A}$$

Đáp số: $W = 864\,000$ J $= 0{,}24$ kWh; $I \approx 0{,}27$ A.

Dạng 3: Bài toán hiệu suất — Đun nước kết hợp nhiệt học

Phương pháp:

• Điện năng tiêu thụ (nhiệt lượng toàn phần): $Q_{tp} = \mathscr{P} \cdot t = UIt = I^2Rt = \dfrac{U^2}{R} \cdot t$
• Nhiệt lượng có ích (nước thu vào): $Q_{ci} = m \cdot c \cdot \Delta t = m \cdot c \cdot (t_2 – t_1)$
  • Với $c_{nước} = 4\,200$ J/(kg·K); $m = D \cdot V$ (nếu cho thể tích).
• Hiệu suất: $H = \dfrac{Q_{ci}}{Q_{tp}} \times 100\%$
• Tìm thời gian đun: $t = \dfrac{Q_{ci}}{H \times \mathscr{P}}$ (khi biết hiệu suất).

Ví dụ 4: Một bếp điện có ghi 220 V – 1 000 W được mắc vào hiệu điện thế 220 V.

a) Tính điện năng bếp tiêu thụ trong 1 giờ.

b) Dùng bếp đun sôi 1 kg nước từ 20 °C. Biết nhiệt dung riêng của nước $c = 4\,200$ J/(kg·K), hiệu suất bếp 80%. Tính thời gian đun sôi nước.

Lời giải:

a) Bếp hoạt động đúng định mức nên $\mathscr{P} = 1\,000$ W.

$$W = \mathscr{P} \cdot t = 1\,000 \times 3\,600 = 3\,600\,000 \text{ J} = 3\,600 \text{ kJ}$$

b) Nhiệt lượng nước cần thu vào:

$$Q_{ci} = m \cdot c \cdot (t_2 – t_1) = 1 \times 4\,200 \times (100 – 20) = 336\,000 \text{ J}$$

Hiệu suất 80% nên: $Q_{tp} = \dfrac{Q_{ci}}{H} = \dfrac{336\,000}{0{,}8} = 420\,000$ J.

Thời gian đun:

$$t = \dfrac{Q_{tp}}{\mathscr{P}} = \dfrac{420\,000}{1\,000} = 420 \text{ s} = 7 \text{ phút}$$

Đáp số: a) $W = 3\,600\,000$ J; b) $t = 420$ s $= 7$ phút.

Ví dụ 5: Một bếp điện sử dụng ở hiệu điện thế 220 V, dòng điện qua bếp có cường độ 3 A. Dùng bếp đun sôi 2 kg nước từ 20 °C trong 20 phút. Biết $c = 4\,200$ J/(kg·K). Tính hiệu suất bếp.

Lời giải:

Điện năng bếp tiêu thụ (nhiệt lượng toàn phần):

$$Q_{tp} = UIt = 220 \times 3 \times 20 \times 60 = 792\,000 \text{ J}$$

Nhiệt lượng nước thu vào (có ích):

$$Q_{ci} = mc\Delta t = 2 \times 4\,200 \times (100 – 20) = 672\,000 \text{ J}$$

Hiệu suất:

$$H = \dfrac{Q_{ci}}{Q_{tp}} \times 100\% = \dfrac{672\,000}{792\,000} \times 100\% \approx 84{,}8\%$$

Đáp số: $H \approx 84{,}8\%$.

Dạng 4: Tính tiền điện

Phương pháp:

• Điện năng tiêu thụ (kWh): $W = \mathscr{P} (\text{kW}) \times t (\text{h})$
• Tiền điện = Số kWh × Đơn giá.
• Lưu ý đổi đơn vị: W → kW (chia 1 000); phút → giờ (chia 60).

Ví dụ 6: Một bình nóng lạnh hoạt động ở hiệu điện thế 230 V với công suất 9,5 kW.

a) Tính cường độ dòng điện qua bình nóng lạnh.

b) Mỗi ngày sử dụng bình 90 phút. Giá điện 2 500 đồng/kWh. Tính tiền điện phải trả mỗi ngày và ước tính trong 1 tháng (30 ngày).

Lời giải:

a) Cường độ dòng điện:

$$I = \dfrac{\mathscr{P}}{U} = \dfrac{9\,500}{230} \approx 41{,}3 \text{ A}$$

b) Điện năng tiêu thụ mỗi ngày:

$$W = \mathscr{P} \times t = 9{,}5 \times \dfrac{90}{60} = 9{,}5 \times 1{,}5 = 14{,}25 \text{ kWh}$$

Tiền điện mỗi ngày:

$$T_{ngày} = 14{,}25 \times 2\,500 = 35\,625 \text{ đồng}$$

Tiền điện 1 tháng (30 ngày):

$$T_{tháng} = 35\,625 \times 30 = 1\,068\,750 \text{ đồng}$$

Đáp số: a) $I \approx 41{,}3$ A; b) Mỗi ngày: 35 625 đồng; 1 tháng: 1 068 750 đồng.

III. SƠ ĐỒ TƯ DUY

1. Năng lượng điện

• 1.1. $W = UIt = \mathscr{P}t = I^2Rt = \dfrac{U^2}{R} \cdot t$
• 1.2. Đơn vị: J (jun); 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J
• 1.3. Chuyển hóa: điện năng → nhiệt năng, quang năng, cơ năng…

2. Công suất điện

• 2.1. $\mathscr{P} = UI = I^2R = \dfrac{U^2}{R}$
• 2.2. Đơn vị: W (oát); 1 kW = 1 000 W

3. Công suất định mức

• 3.1. Là công suất tiêu thụ khi hoạt động bình thường (đúng HĐT định mức)
• 3.2. Ghi trên thiết bị: “HĐT định mức – Công suất định mức”
• 3.3. $I_{đm} = \dfrac{\mathscr{P}_{đm}}{U_{đm}}$; $R = \dfrac{U_{đm}^2}{\mathscr{P}_{đm}}$

4. Bài toán kết hợp nhiệt học

• 4.1. $Q_{ci} = mc\Delta t$ (nhiệt lượng có ích)
• 4.2. $Q_{tp} = \mathscr{P} \cdot t$ (điện năng tiêu thụ)
• 4.3. Hiệu suất: $H = \dfrac{Q_{ci}}{Q_{tp}} \times 100\%$

5. Tính tiền điện

• 5.1. $W (\text{kWh}) = \mathscr{P} (\text{kW}) \times t (\text{h})$
• 5.2. Tiền điện = Số kWh × Đơn giá

IV. SAI LẦM THƯỜNG GẶP

Cô Trần Thị Thanh Thảo

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS

Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu