Giải chi tiết Vật lí 11 chân trời mới bài 18: Nguồn điện

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Dòng điện đem lại rất nhiều lợi ích cho cuộc sống con người cũng như sự phát triển của xã hội. Ở chương trình Trung học cơ sở, trong các thí nghiệm cần có dòng điện, các em đã được làm quen với một số nguồn điện (Hình 18.1) và sử dụng chúng. Vì sao nguồn điện có thể tạo ra và duy trì dòng điện lâu dài? Những đại lượng vật lí nào đặc trưng cho nguồn điện?

Hướng dẫn trả lời:

Vì nguồn điện tạo ra và duy trì sự chênh lệch về điện thế giữa hai đầu đoạn mạch
Và bên trong nguồn điện, các hạt tải điện dương chuyển động từ nơi có hiệu điện thế thấp (cực âm) đến nơi có hiệu điện thế cao (cực dương) ngược với chiều của lực điện trường giữa hai cực.
Những đại lượng vật lí nào đặc trưng cho nguồn điện là suất điện động và điện trở trong của nguồn.

NGUỒN ĐIỆN

Câu hỏi 1: Quan sát Hình 18.3, mô tả chiều chuyển động của các hạt mang điện trong dây dẫn và bên trong nguồn điện.

Hướng dẫn trả lời:

Chiều chuyển động của các điện tích âm trong dây dẫn ngược chiều với chiều của điện trường.
Trong nguồn điện dưới tác dụng của lực lạ thì làm các điện tích âm dịch chuyển ngược chiều điện trường, các điện tích dương dịch chuyển cùng chiều điện trường

Câu hỏi 2: So sánh sự giồng và khác nhau của hai khái niệm: suất điên động và hiệu điện thế.

Hướng dẫn trả lời:

Giống nhau: đều là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công.

Khác nhau:

• Suất điện động của một nguồn điện chính là khả năng sinh công của nguồn, công của lực lạ để có thể di chuyển một điện tích dương từ cực âm sang đến cực dương của một nguồn điện (ngược chiều của điện trường).
• Hiệu điện thế là sự chênh lệch về điện thế giữa hai điểm và là công thực hiện được để di chuyển một hạt điện tích trong trường tĩnh điện từ điểm này đến điểm kia.

Vận dụng: Xét một nguồn điện có suất điện động 12 V. Xác định công cần thiết của nguồn điện để dịch chuyển một electron từ cực dương sang cực âm của nguồn.

Hướng dẫn trả lời:

Công cần thiết của nguồn điện để dịch chuyển một electron từ cực dương sang cực âm của nguồn là:
$A=\xi .q=12.1,6.10^{-19}=192.10^{-20} V$

Vận dụng: Hình 18,4 thể hiện một số loại pin và ắc quy trên thị trường. Tìm hiểu và trình bày ngắn gọn thông số của các loại pin và ắc quy này.

Hướng dẫn trả lời:

- Pin kích thước AA (bên trái màu đỏ); suất điện động 1,5 V.

– Pin sạc Ni – MH (pin nickel – hydride kim loại): kích thước AA; suất điện động 1,2 V dung lượng 1 500 mAh.

– Pin Polymer Lithium: suất điện động 9 V; dung lượng 500 mAh.

– Pin sạc Li-ion (có thành phần chính là ion lithium); suất điện động 3,7 V; dung lượng 3 500 mAh.

- Acquy suất điện động 12 V; dung lượng 75 Ah.

Câu hỏi 3: Khi di chuyển bên trong nguồn từ một cực sang cực còn lại dưới tác dụng của lực lạ, sự chuyển động của các điện tích có bị cản trở bởi yếu tố nào không?

Hướng dẫn trả lời:

Khi các điện tích dịch chuyển bên trong nguồn điện về các cực của nguồn dưới tác dụng của lực lạ, chúng luôn va chạm với các hạt vật chất cấu tạo nên nguồn. Do đó, sự dịch chuyển của các diện tích bị cản trở.

Câu hỏi 4: Mắc hai cực nguồn điện với một điện trở qua một khóa K. Mắc hai đầu một vôn kế vào hai cực của nguồn (Hình 18.6). Bằng lập luận, em hãy so sánh số chỉ của vôn kế trong hai trường hợp khóa K đóng và mở.

Hướng dẫn trả lời:

Khi khoá K mở, không có dòng điện trong mạch, khi đó vốn kế chỉ hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn cũng chính bằng suất điện động của nguồn. Khi khoá K đóng, có dòng điện trong mạch, khi đó vôn kế chỉ giá trị nhỏ hơn trường hợp K mở theo công thức: $U= \xi- I . r $ (do có độ giảm thế trên điện trở trong của nguồn).

Luyện tập: Mắc hai cực của một pin có suất điện động 9V vào hai đầu của một mạch chứa điện trở. Cường độ dòng điện trong mạch và hiệu điện thế giữa hai đầu của mạch lần lượt có giá trị đo được là 0,1A và 8,9V. Xác định giá trị điện trở trong của pin.

Hướng dẫn trả lời:

Ta có: $U=\xi -Ir$

Nên điện trở trong của pin là: $r=\frac{\xi -U}{I}=\frac{9-8,9}{0,1}=1\Omega$

Vận dụng: Em hãy giải thích vì sao lời khuyên khi cất giữ pin là cần để pin nơi khô và thoáng mát.

Hướng dẫn trả lời:

Nếu pin bị đặt trong môi trường ẩm ướt thì lớp không khí ẩm bao quanh đóng vai trò vật dẫn nối hai cực của pin thành mạch kín, do vậy luôn có dòng diện chạy từ cực dương qua lớp không khí ẩm bao quanh cục pin về cực âm, vì thế pin rất mau cạn dung lượng. Ngược lại, môi trường không khí khô và thoáng mát có điện trở khá lớn sẽ giúp cất giữ pin tốt hơn.

BÀI TẬP

Bài 1: Một nguồn điện có suất điện động 6V và điện trở trong 0,5Ω. Khi mắc hai cực của nguồn điện với một vật dẫn thì trong mạch xuất hiện dòng điện 1,4 A. Bỏ qua điện trở các dây nối. Tính hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn.

Hướng dẫn trả lời:

Hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn: $U=\xi -Ir=6-1,4.0,5=5,3 V$

Bài 2: Ghép nối tiếp một biến trở R với một điện trở R₀ thành bộ rồi nối hai đầu vào hai cực của một nguồn điện không đổi. Điều chỉnh R, người ta thu được đồ thị đường biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế giữa hai đầu biến trở vào cường độ dòng điện như Hình 18P1.

a) Xác định giá trị suất điện động của nguồn điện.
b) Xác định giá trị biến trở R ứng với điểm M trên đồ thị.

Hướng dẫn trả lời:

a) Ta có: $U=\xi , R_{td}=R+R_{0}$

Từ đồ thị ta thấy khi cường độ dòng điện bằng 0 mà đồ thị cắt trục U(V) tại giá trị 12V nên ta có Suất điện động của nguồn điện là 12V.

b) Từ đồ thị ta có thể suy ra được dạng của đường biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế giữa hai đầu biến trở vào cường độ dòng điện là: $U=12-2,5.I$

Tại M có $I=1,6A \Rightarrow U=8V$

Giá trị biến trở R ứng với điểm M là: $R=\frac{U}{I}=5\Omega$