Nguồn điện, năng lượng điện và công suất điện SVIP

I. NGUỒN ĐIỆN

1. Suất điện động của nguồn điện

➤ Nguồn điện

Nguồn điện là thiết bị dùng để tạo ra và giữ ổn định hiệu điện thế, từ đó duy trì dòng điện trong mạch.

Mỗi nguồn điện một chiều có hai cực: cực dương (+) và cực âm (–). Hiệu điện thế giữa hai cực được duy trì ngay cả khi có dòng điện trong mạch.

Để tạo ra hai cực như vậy, nguồn điện phải có lực tách electron ra khỏi nguyên tử, sau đó đưa các electron hoặc ion dương đến từng cực khác nhau. Lực làm tách electron này không phải lực điện, mà là lực có bản chất khác, được gọi là lực lạ.

- Cực âm: nơi tích tụ nhiều electron.

- Cực dương: nơi thiếu electron hoặc có ít electron hơn cực âm.

 Sự dịch chuyển của các điện tích dương và electron

➤ Suất điện động

- Khi nối hai cực nguồn điện bằng vật dẫn tạo mạch kín, dòng điện xuất hiện.

- Trong kim loại, electron tự do dịch chuyển từ cực âm sang cực dương.

- Bên trong nguồn, lực lạ đẩy hạt mang điện dương ngược chiều điện trường, thực hiện công để duy trì hiệu điện thế.

Suất điện động của nguồn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện:

\(\xi=\dfrac{A}{q}\)

Đơn vị của suất điện động là vôn, kí hiệu là V.

 Giá trị suất điện động của một nguồn điện

Số vôn ghi trên nguồn điện cho biết suất điện động của nó. Đây cũng là hiệu điện thế giữa hai cực khi mạch hở.

2. So sánh suất điện động và hiệu điện thế

Suất điện động đặc trưng cho khả năng sinh công của nguồn điện khi dịch chuyển một đơn vị điện tích trong mạch kín.

Hiệu điện thế giữa hai điểm đặc trưng cho khả năng thực hiện công của điện trường khi dịch chuyển điện tích giữa hai điểm đó.

Khi mạch ngoài hở, suất điện động của nguồn bằng hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn.

3. Điện trở trong và hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện

 Điện trở trong $r$ của nguồn điện trong sơ đồ mạch điện

Để dễ hình dung, ta có thể xem điện trở trong \(r\) như được tách ra bên ngoài, khi đó nguồn điện tương đương với một suất điện động mắc nối tiếp với điện trở \(r\).

Công $A$ mà nguồn điện thực hiện trong khoảng thời gian $t$ có điện lượng \(q=It\) chuyển qua mạch là:

\(A=q\xi=\xi It\)     (1)

Nhiệt lượng tỏa ra ở điện trở ngoài $R$ và điện trở trong $r$ trong thời gian đó là:

\(Q=RI^2t+rI^2t\)     (2)

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

\(\xi It=RI^2t+rI^2t\)

hay \(\xi=IR+Ir=I\left(R+r\right)\)      (3)

Suy ra, suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tổng các độ giảm thế ở mạch ngoài và mạch trong.

Nếu gọi \(U=IR\) là hiệu điện thế mạch ngoài (hiệu điện thế giữa hai cực dương và âm của nguồn điện) thì công thức (3) được viết thành:

\(U=\xi-Ir\)

❗ Em có biết

Hiện tượng đoản mạch xảy ra khi mạch ngoài có điện trở rất nhỏ hoặc bằng 0, ví dụ như khi chập mạch, làm cực âm nối trực tiếp với cực dương mà không qua thiết bị điện. Khi đó, dòng điện trong mạch tăng đột ngột và có thể gây nguy hiểm.

II. NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ CÔNG SUẤT ĐIỆN

1. Năng lượng điện

Năng lượng điện tiêu thụ của đoạn mạch bằng công của lực điện thực hiện khi di chuyển các điện tích.

\(W=A=Uq=UIt\)

Trong đó:

• $U$ là hiệu điện thế hai đầu mạch điện (V).
• $I$ là cường độ dòng điện (A).
• $t$ là thời gian dòng điện chạy trong mạch (s).
• $W$ là năng lượng điện tiêu thụ của đoạn mạch (J).
• $A$ là công của lực điện (J).
• $q$ là điện tích (C).

❗Ngoài đơn vị jun, năng lượng điện tiêu thụ còn dùng đơn vị kilôoát giờ (kW.h) để đo năng lượng điện tiêu thụ: 1 kW.h = 3,6.10³ kJ.

❗Công tơ điện là thiết bị dùng để đo năng lượng điện tiêu thụ. Trong đó 1 kW.h là 1 số điện.

 Công tơ điện

2. Công suất điện

Năng lượng điện mà mạch tiêu thụ trong một đơn vị thời gian gọi là công suất điện.

\(P=\dfrac{A}{t}=UI\)

Đơn vị của công suất điện là oát, kí hiệu là W.

3. Công và công suất của nguồn điện

Công của nguồn điện

Khi mạch điện kín, nguồn điện thực hiện công làm các điện tích tự do di chuyển trong toàn mạch để tạo nên dòng điện và năng lượng của nguồn điện chuyển thành năng lượng điện. Công của nguồn điện \(A_n\) khi tạo ra dòng điện có cường độ $I$ chạy trong mạch sau khoảng thời gian $t$ được tính bằng:

\(A_n=\xi q=\xi It\)

Công suất của nguồn điện

Công suất của nguồn điện đặc trưng cho tốc độ thực hiện công của nguồn điện đó. Công suất \(P_n\) của nguồn điện bằng công suất tiêu thụ năng lượng điện của toàn mạch.

\(P_n=\dfrac{A_n}{t}=\xi I\)