Định luật ôm đối với toàn mạch, I. Định luật Ôm...
Lý thuyết.Định luật ôm đối với toàn mạch, I. Định luật Ôm với toàn mạch Từ thực nhiệm có thể viết hệ thức liên hệ giữa hiệu...Định luật ôm đối với toàn mạch – Lý thuyết.Định luật ôm đối với toàn mạch. I. Định luật Ôm với toàn mạch Từ thực nhiệm có thể viết hệ thức liên hệ giữa hiệu điện thế mạch ngoài UN và cường độ dòng điện chạy qua mạch kín là:
Advertisements [Quảng cáo]
I. Định luật Ôm với toàn mạch
Từ thực nhiệm có thể viết hệ thức liên hệ giữa hiệu điện thế mạch ngoài UN và cường độ dòng điện chạy qua mạch kín là:
UN = Uo = aI = ξ – aI [9.1]
Trong đó, a là hệ số tỉ lệ dương và Uo là giá trị nhỏ nhất của hiệu điện thế mạch ngoài và nó đúng bằng suất điện động của nguồn điện.
Để tìm hiểu ý nghĩa của hệ số a trong hệ thức [9.1], ta hãy xét mạch điện kín có sơ đồ hình 9.2 Áp dụng định luật Ôm cho mạch ngoài chỉ chứa điện trở tương đương RN, ta có:
UN = UAB = IRN [9.2]
Tích của cường độ dòng điện và điện trở mạch ngoài gọi là độ giảm điện thế. Tích IR N còn được gọi là độ giảm điện thế mạch ngoài.
Từ các hệ thức 9.1 và 9.2 ta có : ξ = UN + aI = I[RN + a]
Điều này cho thấy a cũng có đơn vị của điện trở. Đối với toàn mạch, RN là điện trở tương đương của mạch ngoài, nên a chính là điện trở mạch trng của nguồn điện. Do đó: ξ = I[RN + r] = IRN + Ir [9.3]
Như vậy, suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tổng các độ giảm điện thế ở mạch ngoài và mạch trong .
Từ hệ thức [9.3], suy ra: UN= IRN = ξ – Ir [9.4]
I = ξ/ [RN + r] [9.5]
Tổng RN + r là tổng điện trở tương đương RN của mạch ngoài và điện trở r của nguồn điện được gọi là điện trở trong toàn phần của mạch điện kín.
Hệ thức [9.5] biểu thị định luật ôm với toàn mạch và được phát biểu như sau: Cường độ dòng điện chạy qua mạch kín tỷ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ với điện trở toàn phần của mạch đó.
Advertisements [Quảng cáo]
III. Nhận xét.
1. Hiện tượng đoản mạch
Từ hệ thức 9.5 ta thấy, cường độ dòng điện chạy trong mạch kín đạt giá trị lớn nhất khi điện trở RN của mạch ngoài không đáng kể [ RN ], nghĩa là khi hai cực của nguồn điện bằng dây dẫn có điện trở rất nhỏ, Khi ta nói rằng nguồn điện bị đoản mạch lúc đó:
I = ξ/ r [9.6]
2. Định luật ôm với toàn mạch và định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.
Advertisements [Quảng cáo]
Theo công thức [8.5], công của nguồn điện sản ra trong mạch điện kín khi có dòng điện không đổi có cường độ I chạy qua trong thời gian t là:
A = ξIt [9.7]
Trong thời gian đó, theo định luật Jun Len xơ, nhiệt lượng tỏa ra ở mạch ngoài và mạch trong là:
Q = [RN+ r]I2t [9.8]
Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng thì A = Q, do đó, từ các công thức [9.7] và [9.8], suy ra các hệ thức [9.4] và [9.5] biểu thị định luật ôm đối với toàn mạch đã thu được ở trên:
ξ = I[RN + r] và I = ξ / [RN + r]
Như vậy định luật ôm với toàn mạch phù hợp với định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.
3. Hiệu suất của nguồn điện
Các hệ thức trên cho thấy công của nguồn điện bằng tổng công của dòng điện sản ra ở mạch ngoài và ở mạch trong , trong đó công của dòng điện sản ra ở mạch ngoài có ích, Từ đó, ta có công thức tính hiệu suất của nguồn điện là ;
- Toàn mạch là mạch điện gồm một nguồn điện có suất điện động E và điện trở trong r, hoặc gồm nhiều nguồn điện được ghép thành bộ nguồn có suất điện động Eb, điện trở trong rb và mạch ngoài gồm các điện trở. Cần phải nhận dạng loại bộ nguồn và áp dụng công thức tương ứng để tính suất điện động và điện trở trong của bộ nguồn.
- Mạch ngoài của toàn mạch có thể là các điện trở hoặc các vật dẫn được coi như các điện trở [ví dụ như các bóng đèn dây tóc] nối liền hai cực của nguồn điện. Cần phải nhận dạng và phân tích xem các điện trở này được mắc với nhau như thế nào [nối tiếp hay song song]. Từ đó áp dụng định luật Ôm đối với từng loại đoạn mạch tương ứng cũng như tính điện trở tương đương của mỗi đoạn mạch và của mạch ngoài.
- Áp dụng định luật Ôm đối với toàn mạch để tính cường độ dòng điện mạch chính, suất điện động của nguồn điện hay của bộ nguồn, hiệu điện thế mạch ngoài, công và công suất của nguồn điện, điện năng tiêu thụ của một đoạn mạch, … mà đề bài yêu cầu.
- Các công thức cần sử dụng:
$I = \frac{E}{{{R_N} + r}}$
$E = I[{R_N} + r]$
$U = I{R_N} = E - Ir$
${A_{ng}} = EIt$
${P_{ng}} = EI$
$A = UIt$
$P = UI$
I. Bài tập ví dụ
1. Bài tập 1
- Một mạch điện có sơ đồ như hình vẽ, trong đó nguồn điện có suất điện động E = 6 V và có điện trở trong r = 2Ω, các điện trở R1= 5Ω, R2 = 10Ω và R3= 3 Ω.
a] Tính điện trở RN của mạch ngoài.
b] Tính cường độ dòng điện I chạy qua nguồn điện và hiệu điện thế mạch ngoài U.
c] Tính hiệu điện thế U1 giữa hai đầu điện trở R1.
- Hướng dẫn giải
a] Điện trở mạch ngoài là RN = 18 Ω.
b] Áp dụng định luật Ôm cho toàn mạch, tính được dòng điện mạch chính chạy qua nguồn điện
đương của mạch ngoài này là I = 0,3 A.
Từ đó tính được hiệu điện thế mạch ngoài là U = 5,4 V.
c] Áp dụng định luật Ôm, tính được U1 = 1,5 V.
2. Bài tập 2
- Một mạch điện có sơ đồ như hình vẽ, trong đó nguồn điện có suất điện động E = 12,5 V và có điện trở trong r = 0,4 Ω; bóng đèn Đ1 có ghi số 12V – 6W ; bóng đèn Đ2 loại 6 V – 4,5 W; Rb là một biến trở.
a] Chứng tỏ rằng khi điều chỉnh biến trở Rb có trị số là 8 Ω thì các đèn Đ1 và Đ2 sáng bình thường.
b] Tính công suất Png và hiệu suất H của nguồn điện khi đó.
- Hướng dẫn giải
Để các đèn sáng bình thỖờng thì hiệu điện thế mạch ngoài phải là U= 12 V. Áp dụng định luật Ôm, ta tìm được dòng điện chạy qua nguồn điện có cường độ I = 1,25 A.
Từ đó suy ra dòng điện chạy qua mỗi đèn có cường độ đúng bằng cường độ định mức I1 = 0,5 A; I2 = 0,75 A. Vậy các đèn sáng bình thường.
b] Công suất của nguồn điện khi đó là Png=15,625 W.
Hiệu suất là H = 0,96 = 96%.
3. Bài tập 3
- Có tám nguồn điện cùng loại với cùng suất điện động E = 1,5 V và điện trở trong r = 1 Ω. Mắc các nguồn này thành bộ nguồn hỗn hợp đối xứng gồm hai dãy song song để thắp sáng bóng đèn loại 6V – 6W.
Coi rằng bóng đèn có điện trở như khi sáng bình thường.
a] Vẽ sơ đồ mạch điện kín gồm bộ nguồn và bóng đèn mạch ngoài.
b] Tính cường độ I của dòng điện thực sự chạy qua bóng đèn và công suất điện P của bóng đèn khi đó.
c] Tính công suất Pb của bộ nguồn, công suất Pi của mỗi nguồn trong bộ nguồn và hiệu điện thế Ui giữa hai cực của mỗi nguồn đó.