Nguồn Điện
Suất điện động $\xi$, điện trở trong $r$, định luật Ohm cho toàn mạch, hiệu điện thế mạch ngoài và hiện tượng đoản mạch
▸ Điều kiện để có dòng điện
Khi nối hai vật mang điện tích trái dấu bằng một dây dẫn kim loại, dưới tác dụng của lực điện, electron tự do dịch chuyển → tạo thành dòng điện. Tuy nhiên, dòng điện này không kéo dài — khi điện thế hai vật cân bằng thì dòng điện dừng lại.
① Hiệu điện thế (tạo lực điện trường làm dịch chuyển hạt mang điện).
② Điện tích tự do (các hạt mang điện có thể dịch chuyển được).
▸ Nguồn điện là gì?
Mỗi nguồn điện một chiều có hai cực: cực dương (+) và cực âm (−). Hiệu điện thế giữa hai cực được duy trì ngay cả khi có dòng điện chạy qua mạch ngoài.
▸ Cơ chế hoạt động của nguồn điện
• Electron được đưa về một cực → cực thừa electron = cực âm.
• Ion dương đưa về cực còn lại → cực thiếu electron = cực dương.
⇒ Hai cực có sự tích điện khác nhau → tạo ra hiệu điện thế.
Để đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện, người ta đưa ra đại lượng suất điện động, kí hiệu là $\xi$ (đọc là "ksi") hoặc $E$.
Trong đó:
- $\xi$ – suất điện động (V – vôn).
- $A$ – công của lực lạ (J – jun).
- $q$ – điện lượng dịch chuyển qua nguồn (C – culông).
Công thức suy ra:
Ý nghĩa của số vôn ghi trên nguồn điện: Số vôn ghi trên mỗi nguồn điện cho biết trị số của suất điện động của nguồn đó. Đó cũng là hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn khi mạch ngoài hở ($I = 0$).
▸ Điện trở trong của nguồn
Trong mạch kín, dòng điện chạy qua cả mạch ngoài và bên trong nguồn. Vì nguồn điện cũng là vật dẫn nên cũng có điện trở — gọi là điện trở trong của nguồn, kí hiệu $r$.
Vì vậy, mỗi nguồn điện được đặc trưng bởi hai đại lượng:
- Suất điện động $\xi$ (đặc trưng khả năng sinh công).
- Điện trở trong $r$ (đặc trưng sự cản trở dòng điện bên trong nguồn).
▸ Định luật Ohm cho toàn mạch
Thiết lập công thức (áp dụng định luật bảo toàn năng lượng):
• Công của nguồn: $A = \xi q = \xi It$.
• Nhiệt lượng toả ra trên mạch ngoài $R$ và mạch trong $r$: $Q = RI^2 t + rI^2 t$.
• Bảo toàn năng lượng: $A = Q \Rightarrow \xi I t = (R+r)I^2 t$
⇒ $\xi = I(R + r)$.
Phát biểu: Cường độ dòng điện trong mạch kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần $(R + r)$ của mạch.
▸ Hiệu điện thế mạch ngoài
Từ định luật Ohm toàn mạch: $\xi = IR + Ir$, gọi $U = IR$ là hiệu điện thế mạch ngoài (cũng là HĐT giữa hai cực của nguồn), ta có:
Người ta gọi $I \cdot r$ là độ giảm thế bên trong nguồn. Như vậy:
- Suất điện động = tổng các độ giảm thế: $\xi = IR + Ir$.
- HĐT mạch ngoài $U$ nhỏ hơn suất điện động $\xi$ (vì có $I \cdot r > 0$).
▸ So sánh ξ và U
| Trường hợp | Hiệu điện thế mạch ngoài $U$ |
|---|---|
| Mạch hở ($I = 0$) | $U = \xi$ (đo bằng vôn kế lý tưởng). |
| Nguồn lý tưởng ($r = 0$) | $U = \xi$ với mọi $I$. |
| Mạch kín với $r > 0$ | $U = \xi - Ir < \xi$. |
▸ Hiện tượng đoản mạch (ngắn mạch)
Đoản mạch xảy ra khi nguồn điện nối với mạch ngoài có điện trở $R \approx 0$ (chập 2 cực không qua thiết bị). Khi đó:
Để giải bài toán mạch điện có nguồn, làm theo các bước:
Bước 2: Tính điện trở tương đương mạch ngoài $R_N$.
Bước 3: Áp dụng định luật Ohm toàn mạch: $I = \dfrac{\xi}{R_N + r}$.
Bước 4: Tính HĐT mạch ngoài: $U_N = \xi - Ir$ (hoặc $U_N = I \cdot R_N$).
Bước 5: Tính $I$ và $U$ qua từng điện trở:
• Nối tiếp: $I_1 = I_2 = I$ và $U = U_1 + U_2$.
• Song song: $U_1 = U_2 = U$ và $I = I_1 + I_2$.
Công thức ghép điện trở:
| Mắc | Điện trở tương đương | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Nối tiếp | $R_{td} = R_1 + R_2 + ...$ | Cùng $I$, $U$ cộng. |
| Song song | $\dfrac{1}{R_{td}} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} + ...$ | Cùng $U$, $I$ cộng. |
| Hai điện trở song song | $R_{td} = \dfrac{R_1 \cdot R_2}{R_1 + R_2}$ | Công thức rút gọn. |
| Công thức | Ý nghĩa |
|---|---|
| $\xi = \dfrac{A}{q}$ | Định nghĩa suất điện động. |
| $A = \xi \cdot q$ | Công của lực lạ. |
| $I = \dfrac{\xi}{R + r}$ | Định luật Ohm cho toàn mạch. |
| $U = \xi - Ir$ | Hiệu điện thế mạch ngoài. |
| $\xi = I(R + r)$ | Suất điện động = tổng độ giảm thế. |
| $I_{đm} = \dfrac{\xi}{r}$ | Dòng đoản mạch (khi $R \approx 0$). |
▸ Lỗi sai thường gặp
| Lỗi | Khắc phục |
|---|---|
| Nhầm đơn vị $\xi$ là Jun (J) | $\xi$ có đơn vị Vôn (V). Jun là đơn vị của công $A$. |
| Cho rằng $U$ luôn bằng $\xi$ | $U = \xi$ chỉ khi mạch hở ($I = 0$) hoặc $r = 0$. Mạch kín: $U = \xi - Ir < \xi$. |
| Nhầm $U = \xi + Ir$ | Công thức đúng là $U = \xi - Ir$ (dấu trừ). |
| Quên điện trở trong $r$ | Định luật Ohm toàn mạch: $I = \dfrac{\xi}{R + r}$, không phải $\dfrac{\xi}{R}$. |
Sơ đồ tư duy, bảng tóm tắt công thức, các dạng bài tập có hướng dẫn giải chi tiết, mẹo giải nhanh và lỗi sai thường gặp.
Sau khi đã nắm vững lý thuyết, các em hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát chương trình SGK Kết Nối Tri Thức!
Cùng luyện Bài 24 – Nguồn điện!
25 câu: 19 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
Tuyệt vời!
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn