Câu hỏi mở đầu trang 102

Đề bài: Ta đã biết nguồn điện có khả năng cung cấp năng lượng điện để tạo ra và duy trì dòng điện sử dụng trong đời sống. Vậy nguồn điện là gì? Vì sao nguồn điện có thể tạo ra và duy trì dòng điện?

Lời giải:

• Nguồn điện là thiết bị dùng để tạo ra và duy trì hiệu điện thế, nhằm duy trì dòng điện trong mạch. Mỗi nguồn điện một chiều đều có hai cực: cực dương (+) và cực âm (−).
• Nguyên nhân nguồn điện duy trì được dòng điện: bên trong nguồn điện có lực lạ thực hiện công để tách các electron ra khỏi nguyên tử, rồi chuyển các electron (hoặc ion dương) về các cực. Nhờ đó, sự tích điện khác nhau ở hai cực được duy trì liên tục, tạo ra hiệu điện thế ổn định giữa hai cực và duy trì dòng điện trong mạch.

I. Nguồn điện. Suất điện động của nguồn điện

Câu hỏi trang 102

Đề bài: Tại sao dòng điện trong trường hợp mô tả ở Hình 24.1 chỉ tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn? Làm thế nào để duy trì dòng điện trong trường hợp này lâu dài?

Lời giải:

• Vì sao dòng điện chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn: Ban đầu hai quả cầu A và B có điện tích trái dấu nên giữa chúng có hiệu điện thế $U_{AB} = V_A – V_B$. Khi nối hai quả cầu bằng dây dẫn, electron dịch chuyển từ B sang A tạo thành dòng điện. Tuy nhiên quá trình này làm điện tích hai quả cầu giảm dần, đến khi $V_A = V_B$ thì hiệu điện thế bằng 0 → dòng điện ngừng chạy.
• Cách duy trì dòng điện lâu dài: phải có một thiết bị liên tục bù lại điện tích đã mất ở mỗi quả cầu, tức là phải có lực thực hiện công để tách electron và chuyển chúng về lại cực âm, đồng thời duy trì điện tích dương ở cực dương. Thiết bị đó chính là nguồn điện.

Câu hỏi trang 103

Đề bài: Khi dùng vôn kế để đo hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện thì số chỉ trên vôn kế và số vôn ghi trên nhãn của nguồn điện có mối liên hệ như thế nào? Điều đó cho biết có gì tồn tại bên trong của nguồn điện?

Lời giải:

• Số vôn ghi trên nhãn của nguồn điện chính là giá trị suất điện động $\mathscr{E}$ của nguồn, cũng là hiệu điện thế giữa hai cực khi mạch hở.
• Khi nguồn đang hoạt động (có dòng điện chạy qua), số chỉ trên vôn kế (hiệu điện thế mạch ngoài U) thường nhỏ hơn số vôn ghi trên nhãn.
• Điều này cho thấy: bên trong nguồn điện có điện trở trong (kí hiệu r), gây ra một độ giảm thế $I \cdot r$ làm hiệu điện thế giữa hai cực bị giảm đi so với suất điện động.

II. Ảnh hưởng của điện trở trong của nguồn điện lên hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn

Câu hỏi trang 104

Đề bài: Từ công thức (24.5) $U = \mathscr{E} – Ir$, hãy:

1. Mô tả ảnh hưởng của điện trở trong của nguồn điện lên hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn.
2. So sánh suất điện động và hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch.
3. Trường hợp nào thì hiệu điện thế U giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động $\mathscr{E}$ của nguồn?

Lời giải:

1. Từ công thức $U = \mathscr{E} – Ir$:

Khi nguồn có dòng điện I chạy qua, điện trở trong r gây ra độ giảm thế $I \cdot r$ bên trong nguồn. Vì vậy, hiệu điện thế U giữa hai cực của nguồn luôn nhỏ hơn suất điện động $\mathscr{E}$ một lượng đúng bằng $I \cdot r$.

→ r càng lớn hoặc I càng lớn thì U càng nhỏ so với $\mathscr{E}$.

2. Hiệu điện thế U giữa hai đầu đoạn mạch ngoài luôn nhỏ hơn suất điện động $\mathscr{E}$ của nguồn (khi mạch kín có dòng điện chạy qua), do $U = \mathscr{E} – Ir < \mathscr{E}$.

3. Hiệu điện thế U bằng suất điện động $\mathscr{E}$ khi $I \cdot r = 0$, tức là khi:

• I = 0 (mạch ngoài hở, không có dòng điện), hoặc
• r = 0 (nguồn điện lí tưởng, không có điện trở trong).

Câu hỏi trang 105

Đề bài: Vì sao sẽ rất nguy hiểm nếu hiện tượng đoản mạch xảy ra đối với mạng điện ở gia đình?

Lời giải:

Khi xảy ra đoản mạch, điện trở mạch ngoài R ≈ 0, áp dụng định luật Ohm cho toàn mạch:

$$I = \dfrac{\mathscr{E}}{R + r}$$

→ Cường độ dòng điện I sẽ tăng lên rất lớn (vì mẫu số chỉ còn r rất nhỏ).

Dòng điện quá lớn gây ra các hậu quả nguy hiểm:

• Làm nóng chảy dây dẫn và các thiết bị điện do nhiệt lượng tỏa ra $Q = I^2 R t$ rất lớn.
• Gây cháy nổ, có thể dẫn đến hỏa hoạn trong nhà.
• Hư hỏng các thiết bị điện đang sử dụng trong mạch.

→ Vì vậy, mạng điện gia đình luôn cần có cầu chì hoặc aptomat để tự ngắt mạch khi dòng điện vượt quá mức cho phép.

Bài tập luyện tập trang 105

Bài 1

Đề bài: Cho mạch điện như Hình 24.6. Suất điện động $\mathscr{E} = 10$ V, bỏ qua điện trở trong của nguồn. Các giá trị điện trở $R_1 = 20 ; \Omega$, $R_2 = 40 ; \Omega$, $R_3 = 50 ; \Omega$.

a) Tính cường độ dòng điện chạy qua điện trở $R_1$.

b) Tính cường độ dòng điện I chạy qua mạch chính.

Lời giải:

Vì $R_1$, $R_2$, $R_3$ mắc song song, nên hiệu điện thế hai đầu mỗi điện trở đều bằng nhau và bằng suất điện động của nguồn (do r = 0):

$$U_1 = U_2 = U_3 = \mathscr{E} = 10 ; \text{V}$$

a) Cường độ dòng điện qua $R_1$:

$$I_1 = \dfrac{U_1}{R_1} = \dfrac{10}{20} = 0{,}5 ; \text{A}$$

b) Cường độ dòng điện qua mạch chính:

Tính dòng qua $R_2$ và $R_3$:

$$I_2 = \dfrac{U_2}{R_2} = \dfrac{10}{40} = 0{,}25 ; \text{A}$$

$$I_3 = \dfrac{U_3}{R_3} = \dfrac{10}{50} = 0{,}2 ; \text{A}$$

Vì các điện trở mắc song song, dòng điện mạch chính bằng tổng dòng các nhánh:

$$I = I_1 + I_2 + I_3 = 0{,}5 + 0{,}25 + 0{,}2 = 0{,}95 ; \text{A}$$

Bài 2

Đề bài: Cho mạch điện như Hình 24.7. Các giá trị điện trở $R_1 = 3 ; \Omega$, $R_2 = 4 ; \Omega$ và $R_3 = 6 ; \Omega$. Suất điện động của nguồn $\mathscr{E} = 12$ V, điện trở trong của nguồn $r = 0{,}6 ; \Omega$. Tính:

a) Điện trở của đoạn mạch AB.

b) Cường độ dòng điện chạy qua các điện trở $R_1$, $R_2$, $R_3$ và hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở.

Lời giải:

a) Điện trở đoạn mạch AB:

Vì $R_2$ // $R_3$, điện trở tương đương của cụm này là:

$$R_{23} = \dfrac{R_2 \cdot R_3}{R_2 + R_3} = \dfrac{4 \cdot 6}{4 + 6} = \dfrac{24}{10} = 2{,}4 ; \Omega$$

Vì $R_1$ nối tiếp với $R_{23}$, điện trở đoạn mạch AB là:

$$R_{AB} = R_1 + R_{23} = 3 + 2{,}4 = 5{,}4 ; \Omega$$

b) Cường độ dòng điện và hiệu điện thế trên mỗi điện trở:

• Cường độ dòng điện mạch chính (áp dụng định luật Ohm cho toàn mạch):

$$I = \dfrac{\mathscr{E}}{R_{AB} + r} = \dfrac{12}{5{,}4 + 0{,}6} = \dfrac{12}{6} = 2 ; \text{A}$$

• Vì $R_1$ nối tiếp với cụm $R_2 // R_3$ nên dòng điện qua $R_1$ chính là dòng mạch chính:

$$I_1 = I = 2 ; \text{A}$$

$$U_1 = I_1 \cdot R_1 = 2 \cdot 3 = 6 ; \text{V}$$

• Hiệu điện thế hai đầu cụm $R_2 // R_3$ (cũng là hiệu điện thế hai đầu $R_2$ và $R_3$):

$$U_2 = U_3 = I \cdot R_{23} = 2 \cdot 2{,}4 = 4{,}8 ; \text{V}$$

• Cường độ dòng điện qua $R_2$ và $R_3$:

$$I_2 = \dfrac{U_2}{R_2} = \dfrac{4{,}8}{4} = 1{,}2 ; \text{A}$$

$$I_3 = \dfrac{U_3}{R_3} = \dfrac{4{,}8}{6} = 0{,}8 ; \text{A}$$

Kiểm tra: $I_2 + I_3 = 1{,}2 + 0{,}8 = 2 ; \text{A} = I_1$ ✓ (đúng quy tắc nút).

Em có thể

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

Lời giải:

Hiệu điện thế U giữa hai cực của nguồn điện được xác định bởi công thức:

$$U = \mathscr{E} – I \cdot r$$

Trong đó $I \cdot r$ là độ giảm thế trên điện trở trong của nguồn.

• Khi mạch hở (I = 0): $U = \mathscr{E}$ → hiệu điện thế giữa hai cực bằng suất điện động.
• Khi mạch kín có dòng điện chạy qua: $U < \mathscr{E}$ và hiệu chênh lệch chính là $I \cdot r$.
• r càng lớn hoặc I càng lớn thì U càng giảm so với $\mathscr{E}$.

→ Như vậy, điện trở trong r là nguyên nhân làm cho hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn khi hoạt động luôn nhỏ hơn giá trị suất điện động ghi trên nhãn của nguồn.

Xác định được suất điện động, điện trở trong của pin

Lời giải:

Gợi ý cách xác định bằng thực nghiệm:

Bước 1. Mắc pin cần đo nối tiếp với một biến trở R và một ampe kế tạo thành mạch kín, dùng vôn kế đo hiệu điện thế U giữa hai cực của pin.

Bước 2. Thay đổi giá trị biến trở R, mỗi lần ghi lại cặp giá trị (I, U) tương ứng.

Bước 3. Áp dụng công thức $U = \mathscr{E} – I \cdot r$:

• Khi vẽ đồ thị U theo I, ta được một đường thẳng có dạng $U = \mathscr{E} – r \cdot I$.
• Suất điện động $\mathscr{E}$ = giá trị U khi I = 0 (giao điểm của đường thẳng với trục U).
• Điện trở trong r = độ dốc của đường thẳng (lấy dấu dương): $r = \dfrac{\Delta U}{\Delta I}$.

Ví dụ: Đo được hai cặp giá trị $(I_1 = 0{,}2$ A; $U_1 = 2{,}9$ V$)$ và $(I_2 = 0{,}5$ A; $U_2 = 2{,}6$ V$)$. Khi đó:

$$\begin{cases} 2{,}9 = \mathscr{E} – 0{,}2 \cdot r \\ 2{,}6 = \mathscr{E} – 0{,}5 \cdot r \end{cases}$$

Giải hệ ta được $\mathscr{E} = 3$ V và $r = 1 ; \Omega$.

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