Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch điện 1 chiều

Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch điện 1 chiều

Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch điện 1 chiều.

1. Định luật Ôm

1. Định luật ôm cho đoạn mạch

Dòng điện trong 1 đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp 2 đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch.

* Công thức: I = U/R => U = I.R

Điện áp đặt vào điện trở ( còn gọi là sụt áp trên điện trở) tỷ lệ thuận với trị số điện trở và dòng điện qua điện trở.

2. Định luật ôm cho toàn mạch

Có mạch điện không phân nhánh như hình vẽ:

  • Nguồn điện có sức điện động là E, điện trở trong của nguồn là r0
  • Phụ tải có điện trở R
  • Điện trở đường dây Rd r0

Áp dụng định luật ôm cho đoạn mạch ta có:

  • Sụt áp trên phụ tải: U = R
  • Sụt áp trên đường dây Ud = Rd
  • Sụt áp trên điện trở trong của nguồn U0 = r0

Muốn duy trì được dòng điện I thì sức điện động của nguồn phải cân bằng với các sụt áp trong mạch E = U +U1 +U0 = I.( R + Rd + r0) = I. ∑ R

∑ R = R + Rd + r0

Vậy dòng điện trong mạch tỉ lệ thuận với sức điện động của nguồn và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn mạch.

Phát biểu định luật Ôm: Dòng điện qua một đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp hai đầu đoạn mạch, tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch.

2. Công suất và điện năng trong mạch một chiều

2.1. Công của dòng điện

Công của dòng điện là công của lực điện chuyển dịch các điện tích trong mạch điện. Giả sử trên một đoạn mạch có điện áp là U , dòng điện là I , trong thời gian t lượng điện tích chuyển qua đoạn mạch là: q = I.t.

Từ định nghĩa về điện áp ta thấy công của lực bằng tích của điện tích di chuyển qua đoạn mạch.

A = q.U = U.I.t

Trong đo lường ta thường dùng đon vi ̣của công là Jun ký hiêu là J.

Vậy: Công của dòng điện sản ra trên một đoạn mạch tỷ lê ̣với điện áp hai đầu đoạn mạch, dòng điện qua mạch và thời gian duy trì dòng điện.

2.2. Công suất của dòng điện

Công suất của dòng điện là công của dòng điện thực hiện được trong 1 đơn vị thời gian

Vậy, công suất của dòng điện trên một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp ở hai đầu đoạn mạch và dòng điện qua mạch điện.

Đơn vi ̣của công suất người ta dùng đơn vi ̣đo là: Oát ký hiệu W, KW, MW.

2.3. Công suất của nguồn điện

Công của nguồn điện là số đo năng lương chuyển hóa các dạng năng lượng khác thành điện năng, và được tính theo công thức:

Pt = E.I

Vâỵ: công suất của nguồn bằng tích số giữa sức điện động nguồn và dòng điện qua nguồn.

2.4. Điện năng trong mạch điện 1 chiều

Điện năng tiêu thụ trong mạch điện 1 chiều ký hiệu là A: A = P.t

Trong đó:

  • P: là công suất của mạch điện (W)
  • t: là thời gian dòng điện đi trong mạch (h)

Vì vậy đơn vị của điện năng là oát-giờ (Wh), KWh, MWh.

Ví dụ 1: Một bóng đèn ghi 220 V, 100W.

  • Giải thích ký hiệu đó.
  • Tính điện trở bóng đèn (ở trạng thái làm việc).
  • Nếu bóng đèn đó đặt vào điện áp U‟ = 110V thì công suất tiêu thụ của bóng đèn là bao nhiêu? giả thiết khi đó điện trở của bóng đèn là không đổi?

Giải

1/ Bóng đèn ghi 220V, 100W nghĩa là điện áp làm việc ứng với 220V thì đèn làm việc bình thường, đảm bảo các tính năng kỹ thuật theo quy định của nhà chế tạo và khi đó công suất tiêu thụ là 100W.

  • 220V – là điện áp định mức của bóng đèn, kí hiệu Uđm.
  • 100W – là công suất định mức của đèn kí hiệu là Pđm.

2/ Điện trở của đèn ở trạng thái làm việc bình thường được tính theo công thức:

3/ Gọi công suất tiêu thụ ứng với điện áp U‟ là P‟ và ứng với điện áp định mức là Pđm thì khi đó ta có:

Với khi ta giả thiết là r không đổi.

Vậy công suất tiêu thụ của đèn ứng với điện áp U‟ = 110V là

P‟ = Pđm.k2 = 100.(110/220)2 = 25W.

Ví dụ 2: Một pin có sđđ E = 6V cung cấp cho bóng đèn có R = 10 W . Dòng điện qua đèn I = 0,4A. Tính công suất tổn hao trên điện trở trong của pin và trị số điện trở đó. Điện trở dây nối không đáng kể.

Giải

  • Công suất phát của nguồn PPt = I = 6. 0,4 =2,4W
  • Công suất tiêu thụ trên bóng đèn P = I2.R = 0,42.10 = 1,6 W
  • Công suất tổn hao trên điện trở bóng: P0 = PPt – P = 2,4 -1,6 =0,8 W
  • Điện trở trong của pin: r0 = P0 / I2 = 0,8/0,42 = 5Ω

3. Định luật Jun – Lenxơ

Định luật này do hai nhà Bác học là Jun (người Anh) và Lenxơ (người Nga) tìm ra bằng thực nghiệm năm 1844 nên người ta gọi là định luật Jun – Lenxơ.

Phát biểu định luật: Nhiệt lượng do dòng điện toả ra trên một điện trở tỷ lệ với bình phương dòng điện, với trị số điện trở và thời gian dòng điện chạy qua.

Q = 0,24A = 0,24.I2.R.t (Calo)

1J = 0,24 calo ⇒ Q = R.I2.t (Jun)

Ứng dụng: Tác dụng nhiệt của dòng điện được ứng dụng rất rộng rãi để làm các dụng cụ đốt nóng bằng dòng điện như đèn điện có sợi nung, bếp điện, bàn là điện, lò sấy và lò luyện bằng điện tử,…. Nguyên tắc có bản của các dụng cụ này là dùng một phần tử đốt nóng để cho dòng điện chạy qua. Nhiệt toả ra ở các phần tử đốt nóng sẽ gia nhiệt các bộ phận chính của dụng cụ, hoặc sẽ phát sáng ở các đèn sợi nung.

Dòng điện đi qua dây dẫn sẽ toả nhiệt theo định luật Jun – Lenxơ. Nhiệt lượng này sẽ đốt nóng dây dẫn, khi dây dẫn nóng lên nhiệt độ của nó cao hơn nhiệt độ bên ngòai môi trường. Dây càng nóng thì nhiệt độ toả ra ngoài môi trường càng lớn. Đến một lúc nào đó nhiệt lượng toả ra môi trường trong một giây bằng nhiệt lượng sinh ra của dòng điện thì nhiệt độ dây dẫn không tăng nữa, ta gọi là nhiệt độ ổn định hay nhiệt độ làm việc của dây dẫn.

4. Định luật Faraday

* Hiện tượng điện phân

Khi có dòng đi qua dung dịch muối ăn anion Cl đi về cực dương (anốt) còn cation Na+ đi về cực âm (catốt). Tại cực dương Cl nhường bớt điện tử cho điện cực trở thành nguyên tử Cl trung hoà. Tại cực âm Na+ thu thêm điện tử ở điện cực trở thành nguyên tử Na giải phóng ở cực âm. Kết quả là phần tử muối ăn bị dòng điện phân tích thành Cl ở cực dương và Na ở cực âm.

Nếu dung dịch điện phân là muối của đồng thì ở cực âm thu được kim loại đồng.

Như vậy: Khi dòng điện qua chất điện phân, sẽ xảy ra hiện tượng phân tích chất điện phân, giải phóng kim loại hoặc hiđrô ở cực âm. Đó là hiện tượng điện phân

* Định luật Farday: Khối lượng của chất thoát ra ở mỗi cực điện tỷ lệ với điện tích đã chuyển qua chất điện phân:

m = k.q = k.I.t

Ở đây, m là khối lượng chất thoát ra ở điện cực ; q = I.t là điện tích qua dung dịch (Culông) ; k : Là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng.

Nếu q = 1 Culông thì k = m. Vậy đương lượng điện hóa của một chất là khối lượng chất đó thoát ra ở điện cực khi có 1 Culông qua dung dịch.

Ứng dụng của hiện tượng điện phân

* Luyện kim:

Trong luyện kim, hiện tượng điện phân được ứng dụng để tinh chế và điều chế một số kim loại.

Muốn tinh chế kim loại, người ta ứng dụng hiện tượng cực dương ta. Chẳng hạn, để tinh chế đồng, người ta dùng thanh đồng cần tinh chế làm điện cực dương, dung dịch điện phân là muối đồng tan. Khi dòng điện qua dung dịch, thanh đồng bị hòa tan dần, và ở điện cực sẽ hình thành một lớp đồng tinh khiết.

Để điều chế kim loại (luyện kim) bằng dòng điện, người ta tiến hành điện phân quạng kim loại nóng chảy hoặc các dung dịch muối của chúng. Chẳng hạn, để luyện nhôm, người ta điện phân quạng bâu xít (nhôm ô xít Al2O3) nóng chảy trong criolit, để luyện natri người ta điện phân muối ăn (NaCl) nóng chảy.

* Mạ điện:

Mạ điện là phương pháp dùng dòng điện để phủ lên các đồ vật một lớp kim loại không gỉ như bạc, vàng, ..

Muốn mạ một vật nào đó, cần làm sạch bề mặt cần mạ, rồi nhúng vào bình điện phân làm thành cực âm. Cực dương là thỏi kim loại của lớp mạ (như bạc, vàng, ..). Dung dịch điện phân là một muối tan của kim loại mạ. Khi dòng điện qua dung dịch, một lớp kim loại mạ sẽ phủ kín bề mặt vật cần mạ, còn cực dương bị mòn dần. Tùy theo cường độ và thời gian dòng điện qua mà ta có lớp kim loại phủ mỏng hay dầy.

5. Hiện tượng nhiệt điện

Hiện tượng nhiệt điện

Mỗi kim loại đều có mật độ điện tử tự do (tức là số điện tử tự do trong một đơn vị thể tích) nhất định. Mật độ này ở các kim loại khác nhau sẽ khác nhau. Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc là K1 và K2 thì có sự khuếch tán điện tử qua chỗ tiếp xúc.

Giả sử kim loại K1 có mật độ điện tử tự do lớn hơn K2. Khi đó, điện tử tự từ K1 sẽ khuếch tán sang K2 kết quả là K1 sẽ tích điện dương (vì thiếu điện tử), K2 sẽ tích điện âm (vì thừa điện tử), và hình thành nên một điện trường tại mặt tiếp xúc, có một hiệu điện thế Utx gọi là hiệu điện thế tiếp xúc.

Hiệu điện thế tiếp xúc phụ thuộc vào các yếu tố sau:

  • Bản chất kim loại tiếp xúc K1, K2. Kim loại khác nhau thì mật độ điện tử khác nhau, và do đó mức độ khuếch tán điện tử qua lớp tiếp xúc cũng khác
  • Nhiệt độ chỗ tiếp xúc. Khi nhiệt độ tăng thì mức độ khuếch tán cũng tăng lên. Bằng thực nghiệm người ta thấy trong khoảng nhiệt độ không lớn lắm, hiệu điện thế tiếp xúc tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xúc:

Utx = C.T

Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xúc, oK:

T(oK) ≈ 273 + θ(oC)

C là hệ số nhiệt điện, phụ thuộc vào kim loại tiếp xúc, chẳng hạn:

  • Tiếp xúc đồng – côngstangtan, C = 41,8mV/độ ;
  • Tiếp xúc Platin- Platinpharod, C = 6,4mV/độ.

Để lấy được hiệu điện thế tiếp xúc, ta phải nối kín mạch cả hai dầu và hình thành 2 mối nối tiếp xúc A, B. Gọi nhiệt độ mối A là T1, mối B là T2 thì hiệu điện thế tiếp xúc ở các mối là:

Utx1 = CT1 = C.(273 + θ1)

Utx2 = CT2 = C(273 + θ2)

Trong mạch kín sẽ có một sức điện động gọi là sức điện động nhiệt điện E bằng hiệu của hai điện thế tiếp xúc:

E = Utx1 – Utx2 = C.(T1 – T2) = C.(θ1 – θ2)

Sức điện động nhiệt điện tỷ lệ thuận với độ chênh nhiệt độ của hai đầu tiếp xúc và phụ thuộc vào bản chất các kim loại tiếp xúc: Nếu θ1 = θ2 thì Etx = 0. Chính vì thế, nếu coi các mối tiếp xúc A và B cùng nhiệt độ thì sức điện động nhiệt điện do hai mối đó tạo ra bằng không.

Ứng dụng hiện tượng nhiệt điện – Pin nhiệt điện

Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để chế tạo ra các pin nhiệt điện hay cặp nhiệt điện. Pin nhiệt điện gồm có hai thanh kim loại (hay bán dẫn) khác nhau, được hàn với nhau ở một đầu, đặt vào nơi có nhiệt độ cao (gọi là đầu nóng), còn đầu kia đặt ở nơi có nhiệt độ thấp (gọi là đầu lạnh), sức điện động nhiệt đện của pin được dùng để đo lường hay phát điện.Trên hình vẽ một nhiệt kế dùng pin nhiệt điện. Đầu a đặt vào nơi có nhiệt độ cần đo, đầu b tiếp xúc với môi trường. Coi nhiệt độ của môi trường là không đổi thì sức điện động của pin sinh ra tỉ lệ với nhiệt độ của điểm a, nên cơ cấu đo G sẽ cho biết nhiệt độ cần đo.

Share this post

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *