Năng Lượng Và Công Suất Điện
Công thức $A = UIt$, $\mathscr{P} = UI$, định luật Jun – Lenz, định mức của thiết bị và bài toán hiệu suất, tiền điện
Khi đặt hiệu điện thế $U$ vào hai đầu một đoạn mạch tiêu thụ điện, lực điện làm các điện tích tự do chuyển động có hướng → tạo dòng điện. Năng lượng điện tiêu thụ chính là công của lực điện thực hiện trong quá trình này.
Trong đó:
- $A$ (hoặc $W$) – năng lượng điện tiêu thụ (J – jun).
- $U$ – hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch (V).
- $I$ – cường độ dòng điện qua mạch (A).
- $t$ – thời gian dòng điện chạy qua mạch (s).
▸ Đơn vị thực tế: kilôoát giờ (kW.h)
Trong đời sống, người ta thường dùng đơn vị kW.h (kilôoát-giờ) — còn gọi là "số điện" — để tính lượng điện tiêu thụ.
Chứng minh: $1$ kW.h $= 1000$ W $\times 3600$ s $= 3\,600\,000$ J $= 3{,}6 \times 10^6$ J.
Công tơ điện là dụng cụ đo năng lượng điện tiêu thụ; đơn vị trên công tơ là kW.h (số điện).
Đối với đoạn mạch thuần điện trở (chỉ có điện trở $R$, không có động cơ hay nguồn nạp), toàn bộ năng lượng điện tiêu thụ chuyển hoàn toàn thành nhiệt năng toả ra ở điện trở.
Trong đó: $Q$ – nhiệt lượng (J); $I$ – cường độ dòng điện (A); $R$ – điện trở (Ω); $t$ – thời gian (s); $U$ – hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch (V).
▸ Sự chuyển hoá năng lượng điện
Khi dòng điện chạy qua thiết bị, năng lượng điện chuyển hoá thành các dạng năng lượng khác nhau tuỳ thiết bị:
| Thiết bị | Chuyển hoá thành |
|---|---|
| Xe đạp điện, quạt điện | Cơ năng (chủ yếu) |
| Ấm đun nước, bàn là | Nhiệt năng (chủ yếu) |
| Bóng đèn sợi đốt | Nhiệt năng (~95%) + Quang năng (~5%) |
| Bóng đèn LED | Quang năng (~80%) + Nhiệt năng (ít) |
Đối với đoạn mạch thuần điện trở $R$:
Đơn vị: Oát (W). $1$ kW $= 1000$ W.
▸ Mối quan hệ giữa $\mathscr{P}$ và $A$
- Khi $t$ tính bằng giây (s) và $\mathscr{P}$ bằng W → $A$ bằng J.
- Khi $t$ tính bằng giờ (h) và $\mathscr{P}$ bằng kW → $A$ bằng kW.h.
Trên mỗi thiết bị điện thường ghi 2 thông số định mức (ví dụ: "220 V – 100 W"):
| Đại lượng | Ý nghĩa |
|---|---|
| $U_{đm}$ – Hiệu điện thế định mức | Hiệu điện thế mà thiết bị cần được cung cấp để hoạt động bình thường. |
| $\mathscr{P}_{đm}$ – Công suất định mức | Công suất thiết bị tiêu thụ khi hoạt động đúng hiệu điện thế định mức. |
• $U > U_{đm}$ → công suất lớn hơn → thiết bị có thể cháy hỏng.
• $U < U_{đm}$ → công suất nhỏ hơn → thiết bị hoạt động yếu hơn bình thường.
▸ Tính điện trở và cường độ định mức của thiết bị
Coi điện trở thiết bị không đổi, từ thông số định mức ta tính được:
▸ Hiệu suất của thiết bị điện
Trong thực tế, không phải toàn bộ năng lượng điện đều biến thành năng lượng có ích — một phần bị mất do toả nhiệt ra môi trường. Tỉ số giữa năng lượng có ích và năng lượng điện tiêu thụ gọi là hiệu suất:
Với bài toán đun nước/gia nhiệt, nhiệt lượng có ích là nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ của chất:
Trong đó: $m$ – khối lượng (kg); $c$ – nhiệt dung riêng (J/kg.K); $\Delta t$ – độ tăng nhiệt độ (°C hoặc K). Nước có $c = 4200$ J/kg.K.
▸ Tính tiền điện
Số kW.h tiêu thụ = $\mathscr{P}$ (kW) $\times t$ (h).
▸ So sánh bóng đèn LED và bóng đèn sợi đốt
| Tiêu chí | Đèn sợi đốt 100 W | Đèn LED 20 W |
|---|---|---|
| Điện năng/giây | 100 J | 20 J |
| Hiệu suất phát sáng | ~ 5% | ~ 80% |
| Tổn hao nhiệt | ~ 95% | ~ 20% |
| Tuổi thọ | ~ 1 000 h | ~ 30 000 h |
Kết luận: Với cùng độ sáng, đèn LED tiết kiệm điện hơn rất nhiều so với đèn sợi đốt do hiệu suất phát sáng cao hơn (80% so với 5%).
| Công thức | Ý nghĩa |
|---|---|
| $A = UIt$ | Năng lượng điện tiêu thụ. |
| $A = \mathscr{P} \cdot t$ | Năng lượng theo công suất. |
| $Q = I^2 R t = \dfrac{U^2}{R} t$ | Nhiệt lượng (định luật Jun–Lenz). |
| $\mathscr{P} = UI$ | Công suất điện. |
| $\mathscr{P} = I^2 R = \dfrac{U^2}{R}$ | Công suất trên điện trở. |
| $R = \dfrac{U_{đm}^2}{\mathscr{P}_{đm}}$ | Điện trở từ định mức. |
| $I_{đm} = \dfrac{\mathscr{P}_{đm}}{U_{đm}}$ | Cường độ định mức. |
| $H = \dfrac{Q_{\text{có ích}}}{A} \times 100\%$ | Hiệu suất thiết bị. |
| $1$ kW.h $= 3{,}6 \times 10^6$ J | Quy đổi đơn vị. |
▸ Lỗi sai thường gặp
| Lỗi | Khắc phục |
|---|---|
| Nhầm J và kW.h | $1$ kW.h $= 3{,}6 \times 10^6$ J. Đổi đơn vị trước khi tính. |
| Quên đổi đơn vị thời gian | Khi tính $A$ (J): $t$ phải tính bằng giây. Phút → ×60, giờ → ×3600. |
| Nhầm $\mathscr{P}_{đm}$ với $\mathscr{P}$ thực tế | $\mathscr{P}_{đm}$ chỉ đạt được khi $U = U_{đm}$. |
| Nhầm công thức hiệu suất | $H = Q_{\text{có ích}}/A$ (có ích / toàn phần). |
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 25 – Năng lượng và Công suất 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