Giải chi tiết Vật lí 11 chân trời mới bài 16: Dòng điện. Cường độ dòng điện

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Khi bật công tắc, ta thấy bóng đèn sáng lên gần như ngay lập tức. Phải chẳng các hạt tải điện trong dây dẫn nối với bóng đèn đã di chuyển với vận tốc rất lớn? Có thể ước tính vận tốc này bằng cách nào? Ngoài ra, khi so sánh độ sáng hai bóng đèn sợi đốt cùng loại nhưng được đặt vào hai hiệu điện thế khác nhau ta thấy có sự khác biệt (Hình 16.1). Yếu tố nào của dòng điện đã tạo nên sự khác biệt này?

Hướng dẫn trả lời: 

- Các hạt tải điện trong dây dẫn di chuyển với vận tốc rất nhỏ, nhưng khi bật công tắc ta thấy bóng đèn sáng gần như ngay lập tức vì bản chất bên trong dây dẫn kim loại có chứa rất nhiều các electron tự do, khi bật công tắc tức là đã tạo ra một điện trường, các electron này lập tức di chuyển thành dòng tạo thành dòng điện nên ta có cảm giác đèn sáng ngay lập tức.
- Trong dây dẫn kim loại, ở mọi vị trí trong dây đều có electron tự do nên khi bật công tắc đèn, các electron đồng loạt chịu tác dụng của điện trường làm chúng chuyển động có hướng và cho dù dây dẫn có thể rất dài thì hầu như bóng đèn đều sáng ngay lập tức. Đại lượng này được xác định bằng lượng điện tích dịch chuyển qua tiết diện thẳng S trong một đơn vị thời gian, vận tốc được xác định bởi công thức: $v=\frac{I}{Sne}$
- Cường độ dòng điện làm ảnh hưởng đến độ sáng của bóng đèn.

1. KHÁI NIỆM DÒNG ĐIỆN

2. CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN

Câu hỏi 1: Dựa vào bộ dụng cụ trong Hình 16.2, em hãy đề xuất phương án thí nghiệm khác để kiểm chứng tính mạnh yếu của dòng điện. Tiến hành thí nghiệm (nếu có điều kiện).

Hướng dẫn trả lời: 

* Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Bố trí thí nghiệm như sơ đồ trong Hình 16.3.

Bước 2: Đóng khoá K, điều chỉnh biến trở. Ứng với mỗi giá trị của biến trở, ghi nhận giá trị cường độ dòng điện được đo bởi ampe kế và nhận xét về độ sáng của bóng đèn.

* Báo cáo kết quả thí nghiệm:

Nhận xét về mối liên hệ giữa độ sáng của đèn và số chỉ của ampe kế khi thay đổi giá trị của biển trở, Biến trở tăng thì cường độ dòng điện giảm, độ sáng bóng đèn giảm và ngược lại.

Câu hỏi 2: Khi nói về dòng điện, chúng ta thường nhắc tới chiều của nó. Theo em, cường độ dòng điện I là đại lượng vectơ hay vô hướng?

Hướng dẫn trả lời: 

Ta có: $I=\frac{\Delta q}{\Delta t}$ vì cả $\Delta q, \Delta t$ đều là đại lượng vô hướng nên cường độ dòng điện $I$ là đại lượng vô hướng. Chúng ta thường nói đến chiều dòng điện, thực chất là chỉ chiều của dòng điện dọc theo dây dẫn, chứ không phải là chiều trong không gian.

Câu hỏi 3: Dựa vào công thức (16.1), hãy lập luận để dẫn dắt ra định nghĩa đơn vị đo điện lượng culông.

Hướng dẫn trả lời:

Từ công thức $I=\frac{\Delta q}{\Delta t}$, ta thấy cường độ dòng điện được định nghĩa thông qua tỉ số giữa điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng và khoảng thời gian để thực hiện sự dịch chuyển đó.

Trong chương trình môn Khoa học tự nhiên 8, các em đã được học đơn vị của cường độ dòng điện trong hệ SI (A) đơn được chọn là đơn vị cơ bản, do đó đơn vị của điện tích (C) được định nghĩa lại như sau: 1 culông (1 C) là điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong 1 s khi có dòng điện không đổi cường độ 1 A chạy qua. 

1C= 1A.1s = 1As

Luyện tập: Hãy so sánh cường độ của hai dòng điện không đổi sau:
Dòng điện 1: Cứ mỗi giây có $1,25.10^{19}$ hạt electron chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn.
Dòng điện 2: Cứ mỗi phút có điện lượng 150 C chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn.

Hướng dẫn trả lời:

Dòng điện 1 có cường độ dòng điện là: $I_{1}=\frac{\Delta q}{\Delta t}=1,25.10^{19}.1,6.10^{-19}=2A$
Dòng điện 2 có cường độ dòng điện là: $I_{2}=\frac{\Delta q}{\Delta t}=\frac{150}{60}=2,5A$
$\Rightarrow$ dòng điện 2 có cường độ dòng điện lớn hơn.

Vận dụng: Mỗi khi trời mưa hay giông bão thường kèm theo các tia sét, đó là các dòng điện phóng từ đám mây xuống mặt đất với cường độ trung bình cỡ 300 000 A. Tia sét kéo dài 1,5 s. Hãy tính điện lượng đã di chuyển giữa đám mây và mặt đất trong mỗi tia sét.

Hướng dẫn trả lời:

Điện lượng đã di chuyển giữa đám mây và mặt đất trong mỗi tia sét là: 
$Q=I.t=300000.1,5=450000 (C)$

3. VẬN TỐC TRÔI

Câu hỏi 4: Vì sao khi chưa có điện trường ngoài, các hạt tải điện trong dây dẫn chuyển động nhiệt không ngừng với tốc độ cỡ $10^{6}$ m/s mà không có dòng điện trong dây dẫn?

Hướng dẫn trả lời:

Khi chưa có điện trường ngoài, các hạt tải điện trong dây dẫn, cụ thể là các electron trong kim loại chuyển động nhiệt không ngừng với tốc độ rất lớn, cỡ 10⁶ m/s. Tuy nhiên, không có dòng điện trong dây dẫn. Nguyên nhân là do chuyển động nhiệt của các hạt mang điện này không có phương ưu tiên, trong cùng một khoảng thời gian, nếu có những electron đi qua một tiết diện nào đó của dây dẫn theo chiều này thì cũng có những electron khác đi qua cùng tiết diện ấy theo chiều ngược lại và kết quả là không có dòng điện xuất hiện trong dây dẫn.

Câu hỏi 5: Kết quả tính toán trong ví dụ cho thấy độ lớn vận tốc trôi rất nhỏ (cỡ 0,04 mm/s). Điều này có mâu thuẫn gì với hiện tượng đèn gần như sáng “tức thì” ngay khi bật công tắc hay không?

Hướng dẫn trả lời:

Chính vì độ lớn vận tốc trôi (tốc độ trôi) có giá trị rất nhỏ nên dễ làm cho ta cảm thấy có sự mâu thuẫn với việc đèn sáng gần như “tức thì” ngay sau khi bật công tắc.
Điều này là do nhầm lẫn giữa tốc độ trôi của các electron và tốc độ lan truyền điện trường trong dây dẫn (cỡ tốc độ ánh sáng). Vì thế, ngay khi vừa bật công tắc thì tất cả các electron hầu như dịch chuyển cùng lúc.
Để dễ hiểu hơn, ta hình dung điều này tương tự như khi chúng ta mở van ống nước để tưới cây trong khi ống đang đầy nước, một sóng áp suất chạy dọc theo ống với tốc độ của âm trong nước nên khoảng thời gian "trễ" từ khi mở vòi đến khi có nước phun ra từ đầu ống chính là thời gian sóng âm truyền từ van đến đầu ống, trong khi tốc độ chảy của nước thì chậm hơn. Ta có thể kiểm chứng điều này dễ dàng bằng cách dùng ống trong suốt và nhuộm màu phần nước gần đầu van.

BÀI TẬP

Bài 1: Một ống chứa khí hydrogen bị ion hoá đặt trong điện trường mạnh giữa hai điện cực làm xuất hiện dòng điện. Các electron chuyển động về cực dương, các proton chuyển động về cực âm. Biết mỗi giây có $3,1.10^{18}$ electron và $1,1.10^{18}$ proton chuyển động qua một tiết diện của ống. Hãy tính cường độ dòng điện và xác định chiều của nó.

Hướng dẫn trả lời:

Ta có, chiều dòng điện trong ống phóng điện là từ cực dương sang cực âm của ống.
Cường độ dòng điện qua ống:
$I=\frac{q}{t}=\frac{(n_{e}+n_{p})e}{t}=\frac{(3,1.10^{18}+1,1.10^{18}).1,6.10^{-19}}{1}=0,672 A$

Bài 2: Một quả cầu bằng đồng cô lập. Một dây dẫn kim loại mang dòng điện đi vào nó và một dây dẫn kim loại khác mang dòng điện đi ra khỏi nó. Biết cường độ dòng điện đi vào lớn hơn cường độ dòng điện đi ra khỏi quả cầu là 2 $\mu A$.