Giải chi tiết Vật lí 11 kết nối mới bài 24: Nguồn điện

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Ta đã biết nguồn điện có khả năng cung cấp năng lượng điện để tạo ra dòng điện sử dụng trong đời sống. Vậy nguồn điện là gì? Vi sao nguồn điện có thể tạo ra dòng điện?

Hướng dẫn trả lời: 

Nguồn điện là thiết bị để tạo ra và duy trì hiệu điện thế, nhằm duy trì dòng điện trong mạch. Mỗi nguồn điện đều có hai cực là cực dương (+) và cực âm (-). Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện được duy trì ngay cả khi có dòng điện chạy qua các vật dẫn nối liền giữa hai cực của nó, có nghĩa là sự tích điện khác nhau ở các cực của nguồn điện tiếp tục được duy trì.

I. NGUỒN ĐIỆN. SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CỦA NGUỒN ĐIỆN

1. Điều kiện để duy trì dòng điện

Câu hỏi: 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?

Hướng dẫn trả lời:

Dòng điện trong trường hợp này chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn vì các điện tích âm di chuyển từ quả cầu tích điện âm sang quả cầu tích điện dương làm cho quả cấu trung hoà về điện. Do vậy, thời gian duy trì sự dịch chuyển điện tích xảy ra rất ngắn. Muốn duy trì, ta phải kéo dài thời gian di chuyển của điện tích âm từ quả cầu tích điện âm sang quả cầu tích điện dương.

2. Nguồn điện

3. Suất điện động của nguồn điện

II. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN TRỞ TRONG CỦA NGUỒN ĐIỆN LÊN HIỆU ĐIỆN THẾ GIỮA HAI CỰC CỦA NGUỒN

1. Điện trở trong của nguồn

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

Câu hỏi 1: 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?

Hướng dẫn trả lời:

Khi dùng vốn kế để đo hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện thì số chỉ trên vôn kế luôn nhỏ hơn số vốn ghi trên nhãn của nguồn điện. Điều này cho thấy bên trong nguồn đã có tiêu hao năng lượng chứng tỏ rằng bên trong nguồn có tồn tại điện trở.

Câu hỏi 2: Từ biểu thức (24.5), 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 ξ của nguồn?

Hướng dẫn trả lời:

1. Điện trở trong của nguồn điện gây ra độ giảm thế (một lượng u=Ir).
2. Suất điện động của nguồn điện luôn lớn hơn và hiệu điện thế giữa hai đầu của đoạn mạch một lượng chính bằng độ giảm thể do điện trở trong của nguồn gây ra.
3. Trường hợp điện trở trong của nguồn r=0 thì hiệu điện thế U giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động của nguồn.

Câu hỏi 3: Vì sao sẽ rất nguy hiểm nếu hiện tượng đoản mạch xảy ra đối với mạng điện ở gia đình?

Hướng dẫn trả lời: 

Khi xảy ra hiện tượng đoản mạch, cường độ dòng điện tăng lên quá lớn có thể làm cháy hoặc làm cháy vỏ bọc cách điện và các bộ phận khác tiếp xúc nó hoặc gần nó. Từ đó có thể gây hoả hoạn, chập cháy điện trong gia đình.

3. Bài tập luyện tập

Bài tập luyện tập 1: Cho mạch điện như Hình 24.6. Suất điện động $\xi$= 10V, bỏ qua điện trở trong của nguồn. Các giá trị điện trở R₁ = 20 $\Omega $, R₂ = 40 $\Omega$, R₃ = 50 $\Omega$
a) Tính cường độ dòng điện chạy qua điện trở R₁.
b) Tính cường độ dòng điện I chạy qua mạch chính.

Hướng dẫn trả lời:

Ta có: R₁ // R₂ // R₃
Điện trở tương đương của mạch là: $\frac{1}{R_{td}}=\frac{1}{R_{1}}+\frac{1}{R_{2}}+\frac{1}{R_{3}}\Rightarrow R_{td}= \frac{200}{19} \Omega $
a) Cường độ dòng điện chạy qua điện trở R1: $I_{1}=\frac{\xi }{R_{1}}=\frac{10}{20}=0,5(A)$
b) Cường độ dòng điện chạy qua mạch điện chính: $I=\frac{\xi }{R_{td}}=\frac{10}{\frac{200}{19}}=0,95(A)$

Bài tập luyện tập 2: Cho mạch điện như Hình 24.7. Các giá trị điện trở R1 = 20$\Omega$, R2 = 4$\Omega$ và R3 = 6$\Omega$. Suất điện động của nguồn $\xi$=12V, điện trở trong của nguồn r = 0,6 $\Omega$.
a) Tính điện trở của đoạn mạch AB.
b) Tính cường độ dòng điện chạy qua các điện trở R1, R2, R3 và hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở.

Hướng dẫn trả lời:

Ta có: R₁ nt R₂ // R₃
a) Điện trở của đoạn mạch AB là: $R_{td}=R_{1}+\frac{R_{2}R_{3}}{R_{2}+R_{3}}=3+\frac{4.6}{4+6}=5,4\Omega $
b) Vì R₁ nt R₂ // R₃ nên cường độ dòng điện chạy trong mạch bằng cường độ dòng điện chạy qua R1 bằng cường độ dòng điện chạy qua mạch R2R3 : 
$I=I_{1}=I_{23}=\frac{\xi }{R_{td}+r}=\frac{12}{5,4+0,6}=2A$
Hiệu điện thế mạch ngoài AB là: $U=IR_{td}=10,8 V$
Hiệu điện thế giữa hai đầu R₁ là $ U_{1}=I_{1}.R_{1}=2.3=6V$
Hiệu điện thế giữa hai đầu R₂R₃ bằng hiệu điện thế giữa hai đầu R₂ và R₃ là:
$ U_{23} = U_{2}=U_{3}= U - U_{1}=10,8 - 6 = 4,8 V$
Cường độ dòng điện chạy qua R₂ là $ \frac{U_{23}}{R_{2}}=\frac{4,8}{4}=1,2 A$
Cường độ dòng điện chạy qua R₃ là $ \frac{U_{23}}{R_{3}}=\frac{4,8}{6}=0,8 A$