phân tích những kiến thức cơ bản dòng điện không đổi

Quy ước này có thể chấp nhận được, vì một hạt mang điện tích dương chuyển động từ trái sangphải có cùng một tác dụng như một hạt điện tích âm chuyển động từ phải sang trái.[2] Quỹ đạo củ

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, chương trình và sách giáo khoa đã được bộ giáo dục và đào tạo biên soạn lại và đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy và học, đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục theo chủ trương của ngành giáo dục nước nhà Vì vậy việc nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức,và cách thể hiện nội dung kiến thức trong sách giáo khoa vật lí là cần thiết.Với yêu cầu của môn học, trong tiểu luận này, tôi chỉ đi sâu nghiên cứu và phân tích làm rõ kiến thức vật lý trong chương chương “ Dòng điện không đổi “ “ ở sách giáo khoa vật lý 11 nâng cao

“Dòng điện không đổi” là một phần của điện học, nghiên cứu các vấn đề cơ bản

về dòng điện không đổi, bao gồm các khái niệm liên quan đến dòng điện, nguồn điện, điều kiện để có dòng điện Trong đó, định luật Ôm là một nội dung quan trọng nhất của chương, bao gồm định luật Ôm đối với đoạn mạch chỉ chứa điện trở R, định luật Ôm đối với toàn mạch, định luật Ôm đối với các loại đoạn mạch Những vấn đề này là cơ sở để nghiên cứu các vấn đề khác về dòng điện

Để hoàn thành tiểu luận này, tôi chọn phương pháp nghiên cứu là: Đọc các tài liệu vật lí phổ thông, vật lí đại cương, sách giáo khoa vật lí trung học phổ thông lớp 11, các tài liệu có nội dung liên quan; tìm kiếm thông tin trên mạng internet; lựa chọn các thông tin theo yêu cầu của tiểu luận và trình bày các thông tin đó theo các vấn đề đặt ra ở trên.

Trong cách trình bày các kiến thức cơ bản tôi đã cố gắng quan tâm nhiều đến ý nghĩa vật lý của kiến thức, hạn chế sử dụng các công cụ toán học phức tạp để phù hợp với trình độ của học sinh THPT.

NGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC PHẦN DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI

I Đặc điểm của phần dòng điện không đổi

Phần dòng điện không đổi đề cập đến các vấn đề cơ bản về dòng điện không đổi, bao gồm các kháiniệm liên quan đến dòng điện, nguồn điện, điều kiện để có dòng điện Ngoài ra, định luật Ôm cũng làmột nội dung rất quan trọng của chương, bao gồm định luật Ôm đối với đoạn mạch chỉ chứa điện trở R,định luật Ôm đối với toàn mạch, định luật Ôm đối với các loại đoạn mạch Những vấn đề này là cơ sở đểnghiên cứu các vấn đề khác về dòng điện Một số kiến thức trong chương đã được trình bày trong sáchgiáo khoa THCS như dòng điện, chiều dòng điện, cường độ dòng điện, định luật Ôm và định luật Jun -Len-xơ Tuy nhiên, ở trình độ học sinh THCS, các vấn đề này chỉ được giới thiệu sơ lược, chưa sâu vàchưa được hệ thống hóa Vì vậy, trong chương trình Vật lí 11 THPT, chúng được trình bày lại một cáchđầy đủ với mức độ chính xác cần thiết trong chương “Dòng điện không đổi” Ngoài ra, một số vấn đềmới như nguồn điện, về sự tạo thành suất điện động của các nguồn điện, về máy thu điện và suất phảnđiện, đặc biệt là việc thiết lập và vận dụng định luật Ôm cho các loại đoạn mạch cũng được trình bày khá

- Nguồn điện - Suất điện động

- Điện trở - đi n trở suấtện trở suất

- Công - công suất

1.2 Các định luật

- Định luật Ôm

Hình 1.1 Sét

- Định luật Jun - Len-xơ

- Định lu t Kiếc-xốpật Kiếc-xốp

“Dòng điện là dòng dịch chuyển có hướng của các hạt tải điện” [4]

* Hạt tải điện là các hạt mang điện có thể di chuyển được trong những khoảng lớn hơn kích thước

phân tử của vật Các hạt tải điện là các electron tự do,các ion dương và ion âm gây nên dòng điện

Ví dụ: Dòng đi n thường thấy là dòng trong cácện trở suấtdây dẫn trong nhà, trong các bóng đèn và các dụng cụđiện quen thuộc trong gia đình, là các dòng điện mạnhtạo nên sét (hình 1.1) Dòng đi n cũng có thể là các hạtện trở suấttích điện với cả hai dấu chuyển động trong không khí đã

bị ion hóa của đèn huỳnh quang, trong các pin của cácđài trandito và trong các bình acquy ôtô Các dòng điệnqua chất bán dẫn trong máy tính bỏ túi và trong các

“chip” điện tử

Hình 1.2 Tia vũ trụ

Hình 1.3 Hình ảnh ống dòng

Trên quy mô toàn cầu, các hạt tích điện bị bắt

trên các vành đai bức xạ Van Allen chuyển động

trên bầu khí quyển giữa các cực từ Bắc Nam Trên

quy mô của hệ Mặt Trời, các dòng khổng lồ của

proton, electron và ion bay theo đường bán kính từ

Mặt Trời tạo nên gió mặt trời Ở quy mô Thiên Hà,

các tia vũ trụ (hình 1.2) là các proton có năng lượng

cao phóng qua Thiên Hà.[2]

Dòng điện tuy là dòng của điện tích chuyển

động nhưng không phải mọi điện tích chuyển động

đều tạo nên dòng điện Ví dụ:

* Các electron dẫn trong một đoạn dây đồng cô lập về điện chuyển động hỗn loạn với vận tốc rấtlớn nhưng không có sự truyền điện tích thực sự theo một hướng nào nên không có dòng điện

* Sự chảy của nước qua một ống cũng là sự chuyển động có hướng của các proton trong phân tửnước với tốc độ chừng vài triệu Culông trong một giây Tuy nhiên, không có sự chuyển điện tích thực sự

vì đồng thời cũng có sự chuyển động của các electron trong phân tử nước với cùng tốc độ và cùng mộtchiều với các proton Do đó, lượng điện tích tổng cộng chuyển dịch qua tiết diện của ống theo mộthướng xác định là bằng không và vì thế không có dòng điện

2.1.2 Chiều của dòng điện

Vì các hạt mang điện tích khác dấu nhau chuyển động theo chiều ngược nhau nên ta phải chọn mộttrong hai dòng điện tích để biểu thị chiều dòng điện Theo quy ước lịch sử, chiều của dòng điện là chiềudịch chuyển của các điện tích dương Như vậy, trong dây dẫn kim loại,chiều dòng điện ngược với chiềudịch chuyển của các electron tự do

Quy ước này có thể chấp nhận được, vì một hạt mang điện tích dương chuyển động từ trái sangphải có cùng một tác dụng như một hạt điện tích âm chuyển động từ phải sang trái.[2]

Quỹ đạo của hạt điện được gọi là đường dòng Tập hợp

các đường dòng tựa trên các đường cong kín tạo thành một

ống dòng (hình 1.3)

2.1.3 Bản chất của dòng điện

Trong môi trường dẫn điện, các hạt điện tự do luôn luôn chuyển động nhiệt hỗn loạn Dưới tácdụng của điện trường ngoài, chúng sẽ chuyển động có hướng: các hạt mang điện dương sẽ chuyển độngtheo chiều của vectơ cường độ điện trường ⃗ E , các hạt mang điện âm sẽ chuyển động theo chiều

ngược lại

Bản chất của dòng điện trong các môi trường khác nhau thì khác nhau Cụ thể:

- Trong kim loại, các nguyên tử sắp xếp theo một trật tự nhất định tạo thành mạng tinh thể liên kếtchặt chẽ với nhau.Vì thế, dưới tác dụng của điện trường ngoài, các nguyên tử này không chuyển động cóhướng để tạo thành dòng điện Tuy nhiên, có một số electron do liên kết yếu với hạt nhân nên dễ dàngthoát khỏi sự liên kết với hạt nhân và trở thành electron tự do, chuyển động hỗn loạn trong khoảngkhông gian giữa các mạng tinh thể Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các electron tự do chuyểnđộng có hướng và tạo thành dòng điện

Hình 1.4

- Trong chất điện phân, khi chưa có điện trường ngoài, các phân tử đã tương tác với nhau và tựphân li thành các iôn dương và iôn âm Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các iôn này sẽ chuyểnđộng theo hai hướng ngược nhau: các ion dương chuyển động theo chiều điện trường, các ion âmchuyển động ngược chiều điện trường để tạo thành dòng điện

- Trong chất khí, ở trạng thái bình thường, các phân tử khí hầu như không tương tác với nhau và do

đó đều ở trạng thái trung hòa điện Khi có kích thích bên ngoài, các phân tử khí bị ion hóa tạo thành iondương và ion âm Dưới tác dụng của điện trường, các ion dương, ion âm và electron đều chuyển động

có hướng tạo thành dòng điện

- Tác dụng từ

Đây là dấu hiệu tổng quát và cơ bản nhất của dòng điện Biểu hiện tác dụng từ của dòng điện là bất

kỳ dòng điện nào cũng gây ra từ trường trong khoảng không gian xung quanh nó Thí nghiệm chứng tỏrằng tác dụng từ là tác dụng đặc trưng nhất để nhận biết dòng điện Có thể quan sát được tác dụng từtrong mọi trường hợp khác nhau của dòng điện, không phụ thuộc bản chất vật dẫn Dựa trên tác dụngnày người ta chế tạo các thiết bị điện, các dụng cụ dùng điện như đồng hồ đo điện, nam châm điện,chuông điện

- Tác dụng hóa học

Khi dòng điện truyền qua dung dịch chất điện phân thì chất này bị phân li thành các ion dương và

âm, đó là tác dụng hóa học của dòng điện Ví dụ: Khi dòng điện đi qua dung dịch muối đồng thì đồng bịtách ra khỏi dung dịch để tạo lớp đồng bám trên thỏi than nối với cực âm

Tác dụng hóa học của dòng điện là cơ sở của việc mạ điện như mạ vàng, mạ đồng, mạ bạc đểchống gỉ và làm đẹp Khi đó vật cần được mạ dùng làm cực âm, kim loại dùng để mạ làm cực dương, cònchất điện phân là dung dịch muối của kim loại dùng để mạ

- Tác dụng nhiệt

Khi dòng điện truyền qua vật dẫn thì làm vật dẫn nóng lên và tỏa nhiệt ra xung quanh Đó là tácdụng nhiệt của dòng điện Khi dòng điện chạy qua vật siêu dẫn chẳng hạn nó không gây ra tác dụng

nhiệt Bàn là, bếp điện là những dụng cụ được chế tạo dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện

Ngoài ra, các tác dụng trên dẫn đến tác dụng cơ học và sinh lí của dòng điện Nếu để dòng điện điqua cơ thể người thì dòng điện sẽ làm các cơ co giật, có thể làm tim ngừng đập, ngạt thở và thần kinh têliệt Như vậy, dòng điện có thể gây nguy hiểm đến tính mạng của con người Do đó phải hết sức thậntrọng khi sử dụng điện, đặc biệt là các mạng điện có điện áp lớn như mạng điện sinh hoạt Tuy nhiên,trong y học người ta sử dụng tác dụng sinh lí của dòng điện thích hợp để chữa một số bệnh

2.1.5 Những đại lượng đặc trưng của dòng điện

Để đặc trưng cho độ mạnh và phương, chiều của dòng điện, người ta đưa ra hai đại lượng vật lí làcường độ dòng điện và mật độ dòng điện

2.1.5.1 Cường độ dòng điện

Hình 1.5

Sử dụng mô hình tương tự giữa dòng điện và dòng nước: có hai vòi nước cho lượng nước

chảy nhiều, ít khác nhau trong cùng một khoảng thời gian thì dòng nước chảy qua vòi nào mạnh hơn? Nước chảy qua vòi tương tự như điện tích dịch chuyển qua tiết diện của dây dẫn Vậy có thể đo dòng điện mạnh yếu khác nhau căn

cứ vào lượng điện tích dịch chuyển qua tiết diện của dây dẫn Từ đó, định nghĩa cường độ dòng điện được đưa ra như sau:

* Cường độ dòng điện qua một bề mặt được định nghĩa là lượng điện tích di chuyển qua bề mặt đó trong một đơn vị thời gian (hình 5), đặc trưng cho tác dụng mạnh yếu của dòng điện Nó thường được ký hiệu bằng chữ I, từ chữ tiếng Đức Intensität, nghĩa là cường độ Trong hệ SI , cường độ dòng điện có đơn vị ampe [8]

I = q

t =

q1+q2+ +qn

t (1)

* Cường độ dòng điện trung bình trong một khoảng thời gian được định nghĩa bằng thương

số giữa điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian đó hay:

I= Δqq Δqt (2)trong đó I tb là cường độ dòng điện trung bình có đơn vị là A (ampe), Δqq là điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian Δqt, đơn vị là C (coulomb) và Δqt là khoảng thời gian

được xét, đơn vị là s (giây)

* Cường độ tức thời của dòng điện trong vật dẫn được định nghĩa là số lượng điện tích dq chuyển qua tiết diện ngang của vật dẫn trong khoảng thời gian rất bé dt.

i= limΔqt →0

Δqq Δqt =

dq

dt [7] (3)

Trong phạm vi của V t lí học cổ điển, chủ yếu chỉ xét các dòng đi n ật Kiếc-xốp ện trở suất dừng của các electron chuyển

đ ng qua các dây dẫn kim loại, trừ trường hợp dòng đi n chạy bên trong các nguồn đi n Trong m tện trở suất ện trở suấtmạch đi n kín, ngay sau khi đóng công tắc m t thời gian thì trạng thái dừng của dòng đi n được thiếtện trở suất ện trở suất

l p và khi đó hi n tượng hoàn toàn tương tự như sự chảy thành dòng của chất lỏng Trong trường hợpật Kiếc-xốp ện trở suất

Hình 5

Cường độ dòng điện theo định nghĩa trên là một đại lượng vô hướng vì cả điện tích và thời gian ởtrong phương trình đó đều là vô hướng Mặc dù khi biểu thị dòng điện trong một dây dẫn, nó thườngđược đánh dấu bằng một mũi tên chỉ chiều chuyển động của điện tích Tuy nhiên, các mũi tên như vậykhông phải là vectơ vì chúng không tuân theo các định

luật về cộng vectơ

Khi một vật dẫn tách thành hai nhánh ở chỗ tiếp

xúc (hình 1.6), do điện tích được bảo toàn, độ lớn của

các dòng trong nhánh cộng lại phải bằng độ lớn của

dòng trong vật dẫn, hay

I 1 = I 2 + I 3 (4)

Nếu bẻ cong hoặc định hướng lại các dây trong

không gian thì vẫn không làm thay đổi tính đúng đắn

của công thức (4) Các mũi tên dòng không phải là các

vectơ; chúng chỉ cho biết chiều của dòng dọc theo

một dây dẫn chứ không phải chiều trong không gian

Nói chung, cường độ dòng điện có thể thay đổi theo thời gian Trong giới hạn, nhi m vụ của đề tàiện trở suất

chỉ nghiên cứu về dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi theo thời gian gọi là dòng điện không

đổi Đối với dòng điện không đổi, công thức cường độ dòng điện (2) trở thành:

I= q

t (5)trong đó q là điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật

dẫn trong khoản thời gian t

2.1.5.2 Mật độ dòng điện

Như đã trình bày, cường độ dòng điện đặc trưng cho độ mạnh, yếu của dòng điện qua một tiết diệncho trước về mặt định lượng nhưng không đặc trưng cho độ mạnh yếu tại từng điểm của môi trường có

dòng điện chạy qua Ngoài ra, cường độ dòng điện I còn chưa cho ta biết đến phương chiều của dòng điện Vì vậy, ngoài cường độ dòng điện I, người ta còn đưa vào một đại lượng là vectơ mật độ ⃗ j .

Một cách tổng quát, mật độ dòng chảy bất kỳ là cường độ dòng qua đơn vị diện tích mặt cắt

dòng được gọi là mật độ dòng điện.

Theo định nghĩa: vectơ mật độ ⃗ j là đại lượng đo bằng cường độ dòng điện đi qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với hướng chuyển động của các hạt mang điện tích dương:

j= dI

dSn (6)trong đó dS n là hình chiếu của diện tích dS trên mặt phẳng vuông góc với đường dòng, dI là cường độ dòng điện đi qua diện tích dS.

Mật độ dòng điện ⃗ j là đại lượng vectơ, có gốc tại điểm đang xét, có phương, chiều là phương,

chiều chuyển động của hạt điện dương đi qua điểm đó

Trong hệ SI, đơn vị của mật độ dòng điện là ampe trên mét vuông (A/m2)

Từ định luật Ôm, có thể suy ra hệ thức giữa mật độ dòng điện ⃗ j và cường độ điện trường ⃗ E

(điện trường gây ra sự dịch chuyển có hướng của các hạt tải điện)

Thực vậy, xét một hình trụ nhỏ có trục song song với vectơ ⃗ j , có đáy ΔSS, chiều cao ΔSl Theo định

luật Ôm,

ΔqI = ΔqU

ΔqR (7), trong đó ΔSI là cường độ dòng điện chạy qua hình trụ, ΔSU là hiệu điện thế giữa

hai đáy hình trụ, ΔSR là điện trở của hình trụ ΔqR=ρ Δql

ΔqS (8) Từ đó, ta có:

j ΔqS= ΔqU

ρ Δql ΔqS

ΔqU Δql (10)

Trong đó ρ là đi n trở suất của v t dẫn (ện trở suất ật Kiếc-xốp Ω m )

2.1.5.3 Tốc độ dịch chuyển (v n tốc trôi) ận tốc trôi)

Dòng điện chảy theo một hướng, nhưng các điện tích đơn

lẻ trong dòng chảy không nhất thiết chuyển động thẳng theo dòng Ví dụ như trong kim loại , electron chuyển động zigzag (hình1.8), va đập từ nguyên tử này sang nguyên tử khác; chỉ quan sát trên tổng thể mới thấy xu hướng chung của chúng là dịch chuyển có hướng theo sự định hướng của điện trường

bởi công thức:

I = Δqq Δqt=

(nA Δqx )e Δqx

ν d

=nAev d

(14) trong đó: I là cường độ dòng điện (A), Δqx là chiều

dài đoạn dây được xét (m), n là số hạt tích điện trong

một đơn vị thể tích , A là diện tích tiết diện của dây

dẫn điện (m2), vd là tốc độ dịch chuyển vĩ mô của các

hạt tích điện (m/s)

Từ công thức (14) có thể tính được tốc độ dịch chuyển của các electron dẫn trong dây đồng có đường kính 1,8mm mang

dòng điện I = 1,3A là v= 3,8.10-5m/s Người ta cũng tính toán được các electron chuyển động

trong bóng hình của tivi theo đường gần thẳng với tốc độ cỡ 1/10 tốc độ ánh sáng Như vậy, các electron dẫn có thể dịch chuyển nhanh hoặc chậm phụ thuộc vào đặc điểm của vật dẫn và cường

độ dòng điện chạy qua vật dẫn đó.

Lưu ý: Tốc độ dịch chuyển vĩ mô của dòng điện không phải là tốc độ truyền thông tin của

nó Theo lý thuyết điện động lực học lượng tử, các electron truyền tương tác với nhau thông qua

ánh sáng Sự dịch chuyển, có thể là nhanh hoặc chậm, của một electron ở một đầu dây sẽ nhanh chóng được biết đến bởi một electron ở đầu dây kia thông qua sự truyền tương tác này Ví dụ như khi bật công tắc đèn, đèn sáng ngay lập tức Điều này có nghĩa là tốc độ truyền thông tin của dòng điện là rất lớn, gần như tức thời, còn chuyển động của các electron trong dây dẫn chậm hơn rất nhiều so với tốc độ này.

2.1.6 Dụng cụ đo cường độ dòng điện

Để đo cường độ dòng điện trong mạch người ta dùng ampe kế Ampe kế là một điện kế có mắc sơn.Tên của dụng cụ đo lường này được đặt theo đơn vị đo cường độ dòng điện là ampe

Dựa vào cách đo cường độ dòng điện của mỗi loại mà người ta có thể phân thành 2 loại ampe kếsau:

2.1.6.1 Ampe kế can thiệp

Ampe kế can thiệp là các loại ampe kế khi đo dòng điện chạy trong một dây điện phải được mắc nốitiếp với dây điện

Một số loại ampe kế can thiệp:

* Ampe kế truyền thống (còn gọi là Gavanô kế)

Ampe kế truyền thống là một bộ chuyển đổi cường độ dòng điện sang chuyển động quay, trong một cung, của một cuộn dây nằm trong từ trường

Hình1.9

Hình 1.11 Ampe kế nhiệt

Cấu tạo: Bộ phận chính là một cuộn dây dẫn có

thể quay quanh một trục nằm trong từ trường của

chỉ góc quay trên một thước hình cung Một lò xo kéo

cuộn và kim về vị trí số không khi không có dòng điện

Trong một số dụng cụ, cuộn dây được gắn với một

miếng sắt, chịu lực hút của các nam châm và cân bằng

tại vị trí số không

Cơ chế hoạt động: Khi dòng điện một chiều

chạy qua cuộn dây, dòng điện chịu lực tác động của từ trường và bị kéo quay về một phía làm xoắn lò xo và quay kim Vị trí của đầu kim trên thước đo tương ứng với cường độ dòng điện qua cuộn dây

Ứng dụng: Loại ampe kế truyền thống này thường dùng để đo cường độ dòng điện một

* Các ampe kế điện cơ khác

- Ampe kế sắt từ:

Cấu tạo: Ampe kế sắt từ gồm hai thanh sắt non nằm bên trong một ống dây Một thanh được

cố định còn thanh kia gắn trên trục quay, và gắn với kim chỉ góc quay trên một thước hình cung

Cơ chế hoạt động: Khi cho dòng điện qua ống dây, dòng điện sinh ra một từ trường trong ống Từ trường này gây nên cảm ứng sắt từ trên hai thanh sắt, biến chúng thành các nam châm

cùng chiều luôn đẩy nhau và không phụ thuộc vào chiều dòng điện qua ống dây Vì lực đẩy này, thanh nam châm di động quay và góc quay tương ứng với cường độ dòng điện qua ống dây Ứng dụng: Do góc quay của kim không phụ thuộc chiều dòng điện, ampe kế sắt từ có thể đo dòng xoay chiều.

- Ampe kế nhiệt

Cấu tạo: Bộ phận chính là một thanh kim loại mảnh và dài

được cuộn lại giống như lò xo xoắn với một đầu gắn cố định, còn

đầu kia gắn với một kim chuyển động trên nền một thước hình

cung

Hình 1.10 Ampe kế truyền thống

Hình 1.12 Ampe kế đi n tửện trở suất

Cơ chế hoạt động: Khi dòng điện chạy qua, thanh xoắn nóng lên đến nhiệt độ cân bằng và

cường độ dòng điện.

- Ampe kế điện tửVạn năng kế điện tử có thể dùng làm ampe kế (ampe kế điện tử).Bản chất hoạt động của loại ampe kế này có thể mô tả là một vôn

kế điện tử đo hiệu điện thế do dòng điện gây ra trên một điện trở nhỏgọi là sơn Các thang đo khác nhau được điều chỉnh bằng việc chọncác sơn khác nhau Cường độ dòng điện được suy ra từ biểu thức củađịnh luật Ôm qua việc đo được hiệu điện thế

2.1.6.2 Ampe kế không can thiệp

Ampe kế can thiệp có nhược điểm là phải được lắp đặt như một thành phần trong mạch điện.

Do đó, chúng không dùng được cho các mạch điện đã được chế tạo khó thay đổi Đối với các mạch điện loại này, người ta có thể đo dòng điện thông qua từ trường do tác dụng của chính dòng điện đó sinh ra Với phương pháp đo như vậy, ưu điểm nổi bật của loại ampe kế này là không gây ảnh hưởng đến mạch điện, an toàn, nhưng đôi khi độ chính xác không cao bằng phương pháp can thiệp.

Một số loại ampe kế can thiệp

- Đầu dò hiệu ứng Hall

Cơ chế hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall để tạo ra một hiệu điện thế tỷ lệ thuận với cường

Hình 1.13 Đầu dò hiệu ứng Hall

Hình 1.14 Ampe kế kìm

Cách đo: Chỉ cần cuốn một hoặc vài vòng dây cần đo dòng điện quanh một lõi sắt từ của đầu

đo là ta có được từ trường đủ để kích thích hoạt động của đầu đo, thậm chí đôi khi chỉ cần kẹp lõi sắt cạnh đường dây là đủ.

Các ưu điểm:

 Hiệu điện thế tiêu thụ trên đoạn dây cuốn vào đầu đo chỉ chừng vài mV

 Hệ thống rất an toàn do được cách điện với mạch điện

 Hệ thống có thể đo dòng điện xoay chiều có tần số từ 0 (tức là điện một chiều) đến 100kHz

Nhược điểm: hiện tượng từ trễ không tuyến tính trong sắt từ có thể làm giảm độ chính xác của phép đo.

Hệ thống này cũng được ứng dụng trong vạn năng kế điện tử, hay dao động kế

- Ampe kế kìm

Cơ chế hoạt động: Trong dòng điện xoay chiều, từ trường biến thiên sinh ra bởi dòng điện có thể gâycảm ứng điện từ lên một cuộn cảm nằm gần dòng điện

Ứng dụng: đo cường độ dòng điện xoay chiều

2.1.7 Điều kiện để có dòng điện

Chuyển động định hướng của các hạt mang điện tự do trongvật dẫn là do tác dụng của điện trường bên trong vật dẫn Như vậyđiều kiện cần để có ra dòng điện trong vật dẫn là phải có điệntrường, hay nói cách khác là giữa hai đầu vật dẫn phải tồn tại một

hiệu điện thế

2.2 Khái niệm nguồn điện – suất đi n đ ng ện động ộng

2.2.1 Nguồn điện

Theo trên, để có dòng điện trong vật dẫn thì phải tạo ra ở

hai đầu vật dẫn một hiệu điện thế Giả sử có hai quả cầu kim

loại mang điện A và B có cùng độ lớn điện tích nhưng trái dấu

nhau, có điện thế lần lượt là VA và VB với VA> VB Đặt hai quả

cầu gần nhau thì giữa chúng sẽ tồn tại một điện trường tĩnh

Hình 2.2

hướng từ A sang B Nối hai quả cầu bằng một dây dẫn kim loại thì các electron tự do trong dây dẫn sẽchuyển động từ B sang A do tác dụng của điện trường, tạo nên dòng điện (hình 11) Do sự dịch chuyểnnày mà các điện tích trái dấu nhau trên hai quả cầu dần trung hòa, điện trường trong dây dẫn mất đi, vàhai quả cầu có cùng hiệu điện thế Lúc này, điều kiện để có dòng điện không tồn tại nữa, điện tích trongvật dẫn được cân bằng Như vậy, lực tĩnh điện Cu-lông không thể duy trì được dòng điện không đổi Haynói cách khác, nếu chỉ có trường tĩnh điện thì dòng điện chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn

Muốn duy trì dòng điện bên trong vật dẫn cần có một tác nhân giữ cho hiệu điện thế VA-VB có giá trịkhông đổi Thiết bị đóng vai trò tạo ra và duy trì hiệu điện thế, nhằm duy trì dòng điện trong mạch gọi lànguồn điện (hình 13) Do đó, nguồn điện luôn có hai cực: cực dương (+) luôn nhiễm điện dương và cực

âm (-) luôn nhiễm điện âm; giữa hai cực đó bao giờ cũng duy trì một hiệu điện thế Để tạo ra các cựcnhiễm điện như vậy cần thực hiện một công để tách các electron ra khỏi nguyên tử trung hòa và buộccác electron và ion dương được tạo thành như thế tách ra khỏi mỗi cực Các hạt tải điện dương chuyểnđộng từ cực âm đến cực dương để bù lại điện tích cho A và B Chuyển động này ngược với chiều điệntrường giữa các cực Vì lực Cu-lông tác dụng lên electron và ion dương là lực hút nên loại lực để táchchúng ra xa nhau và chuyển động ngược chiều điện trường phải có bản chất khác với lực tĩnh điện Cáclực đó người ta gọi là lực lạ

Xét theo quan điểm năng lượng thì cũng thấyrằng, để duy trì dòng điện cần phải có một lực lạ.Thực vậy, điện trường tĩnh là trường thế, công củalực điện trường khi di chuyển theo một đườngcong kín là bằng không Tuy nhiên, dòng điện chạyqua dây dẫn lại làm đây dẫn nóng lên, nghĩa là đãtỏa năng lượng dưới dạng nhiệt năng Do đó, cầnphải có nguồn điện mà bên trong nó, ngoài lực Cu-lông còn có một lực khác mà công của lực này dọctheo đường cong kín là khác không, nghĩa là lựcnày cung cấp năng lượng cho các hạt mang điện

để chúng tỏa nhiệt cho vật dẫn khi chuyển động bên trong vật dẫn Lực đó được gọi là lực lạ Như vậy,nguồn điện không có tác dụng tạo thêm các điện tích mà có vai trò như một “máy bơm điện tích” [5][6].Hay nói cách khác, nguồn điện là nguồn năng lượng Trong các loại nguồn điện khác nhau thì lực lạ cóbản chất khác nhau Ví dụ: trong pin và acquy, lực lạ là lực tương tác phân tử; trong các máy phát điện

dùng hiện tượng cảm ứng điện từ, lực lạ là lực điện từ… Quá trình thực hiện công của lực lạ đó gắn liềnvới quá trình chuyển hóa từ một dạng năng lượng nào đó thành điện năng Nguồn năng lượng đó có thể

là hóa năng, như trong pin hoặc acquy nhiên liệu Đó có thể là cơ năng như trong máy phát tĩnh điện,cũng có thể là nhiệt năng như trong pin nhiệt điện, hoặc cũng có thể là năng lượng Mặt Trời trong pinmặt trời

Có thể tưởng tượng cơ chế hoạt động của nguồn điện thông qua mô hình bơm nước để đưa nước

lên cao trong một mạch nước Trong mạch nước này, trọng lực luôn có tác dụng làm cho áp suất tại cácđiểm ở cùng độ cao của mạch nước bằng nhau Vì thế, nước không tự chảy lên cao để tạo ra dòng nướcchảy liên tục trong mạch nước này Khi hoạt động, máy bơm nước tác dụng lực cơ học để thắng công

của trọng lực và thực hiện công lên dòng nước khi đẩy nó lên cao Vì thế, máy bơm nước không tạo ra

thêm nước mà chỉ có tác dụng thực hiện công lên dòng nước và tạo ra dòng nước chảy liên tục trong

mạch.[2][6]

Trong mạch điện kín, lực điện trường tĩnh ở mạch ngoài luôn có tác dụng làm cân bằng điện thế,tương tự như trọng lực làm cân bằng áp suất tại các điểm có cùng độ cao trong mạch nước Bên trongnguồn điện, tồn tại các lực không phải là lực Cu-lông có tác dụng tách các điện tích trái dấu và làm chúngdịch chuyển thắng công của lực điện trường tĩnh bên trong nguồn điện Như vậy, nguồn điện cũng làmột nguồn năng lượng và tạo ra giữa hai cực của nó một hiệu điện thế hay một điện áp, tương tự như

sự chênh lệch áp suất giữa đầu vào và đầu ra của máy bơm nước Nguồn điện cũng không tạo ra thêm

các điện tích mà chỉ có tác dụng như một máy bơm điện tích Do có khả năng thực hiện công lên các hạt

tải điện nên mỗi nguồn điện có một suất điện động

2.2.2 Suất đi n đ ngện trở suất

Khi nối nguồn điện bằng một vật dẫn tạo thành mạch kín thì trong mạch xuất hiện dòng điện Nguồn điện có khả năng thực hiện công lên một các hạt tải điện nên mỗi nguồn điện có một suất điện

động đặc trưng cho khả năng sinh công của lực lạ bên trong nguồn điện Định nghĩa suất điện động của

một nguồn điện là công mà nguồn điện thực hiện trên một đơn vị điện tích để dịch chuyển điện tích từ cực có điện thế thấp đến cực có đi n thế cao ện thế cao

(15)

Đối với dòng điện một chiều:

ξ= dA dq

Tuy nhiên, trong thực tế, bên trong nguồn điện nào cũng có sự cản trở nội đối với chuyển động bêntrong của điện tích từ cực này đến cực kia Như vậy nguồn điện cũng có điện trở, gọi là điện trở trongcủa nguồn điện Khi mạch ngoài hở, hiệu điện thế giữa hai điện cực bằng suất điện động của nó Khimạch điện kín, hiệu điện thế giữa hai điện cực khác với suất điện động của nó.

2.3 M t số nguồn đi n ộng ện động

2.3.1 Nguồn đi n hóa học ện hóa học

2.3.1.1 Hiệu điện thế điện hóa

Xét một mạch điện gồm kim loại (vật dẫn loại 1) và dung dịch điện phân (vật dẫn loại 2) Kết quả thínghiệm cho thấy khi một thanh kim loại bất kì tiếp xúc với một chất điện phân thì trên thanh kim loại vàchất điện phân xuất hiện các điện tích trái dấu Lúc này, đối với chất điện phân, thanh kim loại có mộtđiện thế xác định gọi là thế điện hóa Giữa thanh kim loại và chất điện phân có một hiệu điện thế điệnhóa

Sự xuất hiện thế điện hóa được giải thích như sau: Lấy

trường hợp cụ thể là thanh đồng (Cu) trong dung dịch đồng

sunfat (CuSO4) (hình 3.1) Vì phân tử nước là những phân tử có

mômen lưỡng cực lớn nên đã kéo các ion Cu2+ và SO42- tách ra

khỏi các phân tử CuSO4 trong dung dịch và đến bao quanh các

iôn Cu+2 của kim loại, kéo chúng ra khỏi thanh đồng Đồng thời,

các ion Cu2+ trong quá trình chuyển động nhiệt đến gặp thanh

đồng và nhập vào thanh đồng

Thí nghiệm chứng tỏ rằng, lúc đầu dòng ion Cu đi từ thanh đồng ra dung dịch lớn hơn dòng ion

Cu2+ đi ngược lại, do đó thanh đồng tích điện âm Như vậy, trong một lớp mỏng của dung dịch điện phântiếp xúc với thanh đồng xuất hiện một điện trường Điện trường này ngăn cản sự chuyển động của cácion đồng từ thanh đồng ra dung dịch và tăng cường chuyển động ngược lại của các ion đồng từ dungdịch vào thanh đồng Khi hiệu điện thế của thanh đồng đối với dung dịch đạt tới một giá trị nào đó thìhai dòng ion đó sẽ bằng nhau, giữa thanh đồng và dung dịch điện phân thiết lập một sự cân bằng động.Hiệu điện thế ứng với sự cân bằng động đó chính là hiệu điện thế điện hóa của đồng đối với dung dịchCuSO4

Thế điện hóa phụ thuộc vào bản chất của kim loại và nồng độ của dung dịch điện phân Với nồng độdung dịch như nhau, thế điện hóa chỉ phụ thuộc vào bản chất của kim loại và đặc trưng cho khả năngnhả ion của nó vào dung dịch Thế điện hóa của kim loại đối với dung dịch có nồng độ chuẩn (chứa mộtmol kim loại trong một lít dung dịch) được gọi là thế điện hóa chuẩn tuyệt đối Vch

Do hiệu điện thế điện hóa giữa mỗi vật và dung dịch điện phân là khác nhau nên khi nhúng hai vậtdẫn kim loại khác nhau về phương diện hóa học vào dung dịch điện phân, thì giữa hai vật đó có một hiệuđiện thế xác định Dựa trên cơ sở đó người ta chế tạo các nguồn điện hóa học là các pin điện hóa, trong

đó lực hóa học đóng vai trò là lực lạ

Hình 3.2 Một số pin và acqui điện hóa

Hình 3.3

Hình 3.4

Các loại pin điện hóa đơn giản là pin Vôn-ta, pin Lơ-clan-sê và acquy chì Ngoài ra hi n nay, m tện trở suấtloại pin đi n hóa đang được nghiên cứu và đưa vào sửện trở suất

dụng là pin nhiên li u.ện trở suất

2.3.1.2 Pin Vôn-ta và pin Lơ-clan-sê

Pin Vôn-ta là nguồn điện hóa học được chế tạo

đầu tiên (năm 1795) Nó gồm hai cực, một cực bằng kẽm

(Zn) và một cực bằng đồng (Cu) nhúng trong dung dịch

axit sunfuric (H2SO4) loãng (hình 3.3)

Do tác dụng hóa học, các ion Zn2+ từ thanh kẽm

đi vào dung dịch H2SO4 làm cho lớp dung dịch tiếp giáp với thanh kẽm tích điện dương Thanh kẽm thừaêlectron nên tích điện âm Giữa thanh kẽm và dung dịch có một điện trường hướng từ dung dịch đếnthanh kẽm Điện trường này ngăn cản sự dịch chuyển tiếp theo của các ion Zn2+ từ thanh kẽm vào dungdịch đồng thời tăng cường sự dịch chuyển ngược lại của các ion Zn2+ từ dung dịch vào thanh kẽm Sự cânbằng điện hóa được thiết lập khi số ion đi ra khỏi thanh kẽm và số ion đi vào thanh kẽm bằng nhau Lúc

đó giữa thanh kẽm và dung dịch có hiệu điện thế điện hóa khoảng U 1 = - 0,74V Còn ở thanh đồng thì các

ion H+ có trong dung dịch tới bám vào cực dồng và thu lấy các êlectron có trong thanh đồng, thanh đồngmất êlectron nên tích điện dương Khi cân bằng hóa học được thiết lập, giữa thanh đồng và dung dịch có

hiệu điện thế khoảng U 2 = 0,34V Kết quả là giữa hai cực của pin Vôn-ta có hiệu điện thế xác định khoảng

U = U - U ¿ 1,1V Đó chính là suất điện động của pin Vôn-ta.