Thiết kế thí nghiệm và xây dựng video hướng dẫn tiến hành thí nghiệm ở trường trung học phổ thông phần dòng điện không đổi

- Trong một số môi trường dẫn điện ví dụ trong dung dịch điện phân, plasma,..., các hạt tích điện trái dấu ví dụ các ion âm và dương có thể chuyển động cùng lúc, ngược chiều nhau... Do đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG VIDEO HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÍ

Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

PHẦN DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Kim Chung Sinh viên thực hiện khóa luận: Dương Mạnh Tuấn

Hà Nội - 2018

LỜI CẢM ƠN

Sự thành công luôn gắn liền với những sự giúp đỡ, hỗ trợ, dù ít hay nhiều của những người khác, dù là trực tiếp hay gián tiếp Trong suốt thời gian học tập ở giảng đường đại học cho tới nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp

đỡ của thầy cô, bạn bè Vì vậy, với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Khoa Sư phạm Vật Lí – Trường Đại học Giáo Dục đã truyền thụ cho em rất nhiều tri thức quý báu bằng tấm lòng nhiệt huyết trong suốt thời gian qua, giúp em hiểu được sự cao quý trong nghề giáo và giúp em xây dựng được hình ảnh người thầy giáo trong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Kim Chung đã tận tâm hướng dẫn em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp Thầy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho sinh viên chúng em để hoàn thành được khóa luận đúng thời hạn Một lần nữa em xin cảm ơn thầy

Trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, nhận thấy mình đã cố gắng hết sức nhưng vì kiến thức còn hạn hẹp nên vẫn còn nhiều thiếu sót, mong thầy cô bổ sung để bài khóa luận được hoàn thành hơn

Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, tháng 5 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Dương Mạnh Tuấn

MỤC LỤC

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 4

1.1 Vật lý ở phổ thông là thực nghiệm 4

1.2 Phần Dòng điện không đổi: kiến thức từ thực nghiệm 4

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 5

3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 5

4 CẤU TRÚC KHÓA LUẬN 6

Chương 1: CỞ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 7

1.1 Phân tích nội dung chương trình phổ thông phần: Dòng điện không đổi 7

1.1.1 Nội dung kiến thức cơ bản 7

1.1.2 Những yêu cầu của chương trình phổ thông mới 29

1.2 Phân tích logic hình thành kiến thức 32

Chương 2: THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM 43

Thí nghiệm 1: Xác định suất điện động và điện trở trong của pin điện hóa 43

Thí nghiệm 2: Tự tạo một pin điên hóa 46

Chương 3: TRÌNH BÀY KẾT QUẢ CÁC THÍ NGHIỆM 46

Thí nghiệm 1: Xác định suất điện động và điện trở trong của pin điện hóa 46

Thí nghiệm 2: Chế tạo pin điện hóa 48

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

1.1 Vật lý ở phổ thông là thực nghiệm

Vật lí ở trường phổ thông là bộ môn khoa học thực nghiệm, mọi kết luận và thành quả của nó đều được rút ra và kiểm chứng bằng quan sát thí nghiệm, đo lường.Vì vậy, việc đưa thí nghiệm vào dạy học đã làm cho học sinh tiếp cận với con đường nghiên cứu khoa học của các nhà khoa học và tiếp thu các kiến thức một cách nhanh chóng, dễ dàng hơn Thông qua thí nghiệm vật lí, học sinh sẽ được rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo, giáo dục tổng hợp, hình thành tư duy sáng tạo và tinh thần làm việc tập thể

Khi tiến hành thí nghiệm, học sinh được làm quen với phương pháp nghiên cứu khoa học, có một số kĩ năng sử dụng các máy móc thiết bị cơ bản làm cơ

sở cho việc sử dụng những công cụ trong công việc cũng như trong cuộc sống Thí nghiệm vật lí tạo ra sự trực quan sinh động trước mắt học sinh, dẫn tới những tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan, từ đó giúp học sinh có thể tiếp thu được kiến thức mới Thí nghiệm còn có tác dụng giúp cho việc dạy học Vật lí tránh được tính chất giáo điều, hình thức đang phổ biến trong dạy học hiện nay, đồng thời giúp học sinh củng cố niềm tin khoa học nhằm hình thành thế giới quan duy vật biện chứng cho học sinh Chính vì vậy mà việc giảng dạy ở trường phổ thông phải thông qua việc sử dụng rộng rãi thí nghiệm vật lí

Tuy nhiên, qua tìm hiểu tình hình dạy học môn Vật lí ở trường phổ thông, kết quả chỉ ra rằng: thực trạng dạy học Vật lí hiện nay không đáp ứng được tính khoa học thực nghiệm của bộ môn Vật lí Tình trạng thiếu thiết bị, dụng cụ hoặc có những chất lượng thấp, không đồng bộ là hiện tượng phổ biến ở hầu hết các trường phổ thông, đây là một trong những nguyên nhân khiến nhiều giáo viên dạy học mà không có thí nghiệm Một số trường có thiết bị nhưng ngay cả thí nghiệm biểu diễn giáo viên cũng ít làm vì nhiều lý do, học sinh thường chẳng bao giờ được làm thí nghiệm trực diện mà chủ yếu là học

“chay” Do đó không phát huy được tính tích cực, tự lực và sáng tạo, giảm tính hấp dẫn của bộ môn Vật lí đối với học sinh Nhờ vậy, lí luận và thực tiễn

đã chỉ ra rằng, các thí nghiệm thực hành vật lí đóng vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình giảng dạy

1.2 Phần Dòng điện không đổi: kiến thức từ thực nghiệm

Đây là chương nối tiếp kiến thức chương “Điện tích – Điện trường”, đồng thời

là nền tảng để nghiên cứu các phần khác trong chương trình vật lí phổ thông như: dòng điện trong các môi trường, từ trường, dòng điện xoay chiều

Phần lớn các kiến thức của chương rất gần gũi và có nhiều ứng dụng trong đời sống và kỹ thuật Dòng điện một chiều có thể dùng để thắp sáng, các nguồn điện một chiều cũng được sử dụng rộng rãi Trong các trường hợp dùng đến dòng điện không đổi ở hiệu điện thế nhỏ, nguồn điện đóng vai trò quan trọng, chẳng hạn đèn pin cầm tay, trên ô tô, xe máy … đều dùng các bình acquy để thực hiện việc “đề máy”, thắp sáng hệ thống đèn chiếu sáng, đèn tín hiệu Điện năng có thể dễ dàng chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác Đó là một đặc tính có tầm quan trọng đặc biệt, nhờ đó năng lượng điện được sử dụng rộng rãi trong đời sống và kỹ thuật Các mạch điện dùng trong thực tế là tương đối phức tạp, hầu hết các thiết bị điện đều có sự chuyển hóa năng lượng điện thành nhiều dạng năng lượng khác nhau Kiến thức về định luật Ôm cho mạch kín và cho các loại đoạn mạch giúp ta tính chính xác khi thiết kế và lắp ráp mạch điện Việc sử dụng các nguồn điện thích hợp và mắc chúng thành bộ một cách hợp lí sẽ nâng cao được hiệu suất sử dụng

Hệ thống bài tập của chương rất đa dạng và phong phú, phù hợp với những trình độ khác nhau của HS

Những lý do trên khiền đề tài “ Thiết kế thí nghiệm và xây dựng video hướng dẫn tiến hành thí nghiệm ở trường THPT phần: Dòng điện không đổi” là hết sức cần thiết

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Xây dựng bài thí nghiệm phần Dòng điện không đổi sử dụng dạy học ở phổ

thông theo chương trình phổ thông

3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

Để đạt được mục đích đề ra, đề tài có những nhiệm vụ chủ yếu sau:

• Nghiên cứu cơ sở lí luận chương trình phổ thông phần: Dòng điện xoay chiều Nghiên cứu lí luận về thiết kế và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong phòng thí nghiệm

• Nghiên cứu nội dung chương trình Vật lí THPT phần: Dòng điện xoay chiều,

để từ đó xác định và xây dựng các bài thí nghiệm cần tiến hành trong dạy học các kiến thức đó

• Nghiên cứu cách thức sử dụng thiết bị thí nghiệm hiện có trong phòng thí nghiệm, tìm ra ưu điểm, nhược điểm từ đó tiến hành thí nghiệmvà xây dựng video nhằm đáp ứng được các yêu cầu về khoa học kĩ thuật và khoa học sư phạm đối với các thiết bị thí nghiệm Trên cơ sở đó, tiếp thu, hoàn thiện thiết bị thí nghiệm đã thiết kế, bổ sung tiến trình dạy học sao cho đạt được mục đích của đề tài

4 CẤU TRÚC KHÓA LUẬN

Mở đầu

Chương 1 Cơ sở lí luận của đề tài

Chương 2: Thiết kế các thí nghiệm

Chương 3: Kết quả

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Chương 1: CỞ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Phân tích nội dung chương trình phổ thông phần: Dòng điện

không đổi

1.1.1 Nội dung kiến thức cơ bản

1.1.1.1 Dòng điện không đổi Nguồn điện

a Định nghĩa dòng điện

Khái niệm dòng điện cùng với khái niệm hiệu điện thế được Ampe đưa vào vật

lí học lần đầu tiên vào năm 1826 trong công trình mang tên "Lý thuyết các hiện

tượng điện động lực học, rút ra thuần tuý bằng thí nghiệm" Thời đó, dòng điện

chưa được định nghĩa đầy đủ như hiện nay

Trong môi trường dẫn điện, các hạt điện tự do luôn luôn chuyển động nhiệt hỗn lọan Dưới tác dụng của điện trường ngoài, chúng sẽ chuyển động có hướng: các hạt mang điện dương sẽ chuyển động theo chiều điện trường E

, các hạt mang điện âm sẽ chuyển động theo chiều ngược lại Dòng các hạt mang điện chuyển động có hướng như vậy gọi là dòng điện

Dòng điện phát sinh trong vật dẫn, khi trong đó tồn tại điện trường, gọi là dòng

điện dẫn (tuy nhiên, về sau ta gọi tắt là dòng điện)

Vậy, dòng điện là dòng các điện tích dịch chuyển có hướng

b Chiều của dòng điện

Dưới tác dụng của điện trường trong vật dẫn, các điện tích dương và âm

chuyển động ngược chiều nhau Thí nghiệm chứng tỏ rằng sự chuyển động về hai hướng ngược nhau của các điện tích dương và âm tạo thành những dòng điện tương đương nhau về mọi phương diện Do đó ta có thể lý luận như thể dòng điện chỉ gây bởi sự dịch chuyển của các điện tích dương Theo quy ước lịch sử, chiều của dòng điện là chiều dịch chuyển của các điện tích dương

Nó được đưa ra để thống nhất quy ước về chiều dòng điện trong các trường hợp phức tạp như:

- Trong kim loại, thực tế các proton (tích điện dương) chỉ có các dao động tại chỗ, còn các electron (tích điện âm) chuyển động Chiều

chuyển động của electron, do đó, ngược với chiều dòng điện quy ước

- Trong một số môi trường dẫn điện (ví dụ trong dung dịch điện phân, plasma, ), các hạt tích điện trái dấu (ví dụ các ion âm và dương) có thể chuyển động cùng lúc, ngược chiều nhau

- Trong bán dẫn loại p, mặc dù các electron thực sự chuyển động, dòng điện được miêu tả như là chuyển động của các hố điện tử tích điện

dương

c Bản chất của dòng điện

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

- Trong kim loại, các nguyên tử liên kết chặt chẽ với nhau, sắp xếp thành

mạng tinh thể nên các nguyên tử này không chuyển động có hướng dưới tác dụng của điện trường ngoài để tạo thành dòng điện Tuy nhiên, có một

số electron do liên kết yếu với hạt nhân nên dễ dàng thoát khỏi sự liên kết với hạt nhân và trở thành e tự do, chuyển động hỗn loạn trong khoảng không gian giữa các mạng tinh thể Dưới tác dụng của điện trường ngoài các e tự do này đã chuyển động có hướng để tạo thành dòng điện

Hình 1.1.1.1.c

Do đó bản chất của dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có

hướng của các electron tự do ngược chiều điện trường

- Trong chất điện phân, các chất điện phân chẳng hạn muối, axit, bazo

được hòa tan vào trong nước chúng dễ dàng tách ra thành các ion trái dấu hoặc chuyển động nhiệt mạnh trong các muối hay bazo nóng chảy cũng làm các phân tử phân li thành các ion tự do như các dung dịch

Khi chưa có điện trường ngoài, các ion chuyển động nhiệt hỗn loạn

Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các iôn này sẽ chuyển động theo hai hướng ngược nhau: các ion dương chuyển động theo chiều điện

trường, các ion âm chuyển động ngược chiều điện trường để tạo thành

dòng điện

Do đó bản chất của dòng điện trong chất điện phân là dòng dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường

- Trong chất khí, ở trạng thái bình thường, chất khí hầu như chỉ gồm

những nguyên tử hay phân tử trung hòa về điện Khi có kích thích bên ngoài, các phân tử khí bị ion hóa , trong chất khí xuất hiện những hạt mang điện tự do: electron, ion âm và ion dương Dưới tác dụng của điện trường ngoài , các ion dương, ion âm và electron đều chuyển động có

hướng tạo thành dòng điện

Do đó bản chất của dòng điện trong chất khí là dòng dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm electron ngược chiều điện trường

Có thể quan sát được tác dụng từ trong mọi trường hợp khác nhau của dòng điện, không phụ thuộc bản chất vật dẫn Dựa trên tác dụng này 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 tích,

đó là tác dụng hóa học của dòng điện

Tác dụng hóa học của dòng điện là cơ sở của việc mạ điện như mạ vàng, mạ đồng, mạ bạc để chống gỉ và làm đẹp Khi đó vật cần được mạ dùng làm cực

âm, kim loại dùng để mạ làm cực dương, còn chất 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 tác dụng nhiệt của dòng điện

Dựa trên tác dụng này, chế tạo ra các thiết bị dùng điện như bàn là, bếp điện, đèn điện

Ngoài ra, dòng điện còn có các tác dụng khác như tác dụng cơ học, tác dụng sinh lí Nếu để dòng điện đi qua cơ thể người thì dòng điện sẽ làm các cơ co giật, có thể làm tim ngừng đập, ngạt thở và thần kinh tê liệt Như vậy, dòng điện có thể gây nguy hiểm đến tính mạng của con người Do đó phải hết sức thận trọng 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

e Mật độ dòng điện

Những đường mà dọc theo đó có các hạt điện tích chuyển động gọi là đường dòng Chiều của đường dòng được coi là chiều chuyển động của các điện tích dương Nhờ các đường dòng chúng ta có ngay khái niệm trực quan về chuyển động của các electron và ion tạo nên dòng điện

Nếu bên trong vật dẫn có dòng điện, chúng ta hãy tách ra một cách tưởng tượng một ống mà mặt bên của nó lập bởi những đường dòng, thì điện tích khi chuyển động sẽ không cắt mặt bên của ống, nghĩa là các điện tích trong trong ống không ra khỏi ống và các điện tích ngoài ống cũng không vào trong ống

Người ta gọi ống như vậy là ống dòng (Hình e.1) Mặt của vật dẫn kim loại

đặt cô lập là một trong các ống dòng

Hình e.1

Để đặc trưng định lượng dòng điện người ta dùng hai đại lượng cơ bản: mật

độ dòng và cường độ dòng điện

Mật độ dòng bằng độ lớn điện tích chuyển qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với đường dòng trong một đơn vị thời gian

Hình e.2

Bên trong vật dẫn ta tách ra một diện tích S bằng một đơn vị, đặt vuông góc với đường dòng, nghĩa là đặt vuông góc với vận tốc v của điện tích

(Hình e.2) Ta vẽ một hình hộp đáy S và cạnh bên bằng v Khi đó số điện tích qua S trong một đơn vị thời gian bằng số điện tích bên trong hình hộp Nếu n0

là mật độ các hạt điện tích (số hạt trong đơn vị thể tích) thì số hạt bên trong hình hộp là n0v, còn điện tích là n0ev, trong đó e là điện tích của một hạt

I dq

dt

= (2) Biểu thức (2) cho ta giá trị tức thời của cường độ dòng điện

Nếu sau những khoảng thời gian dt bằng nhau có các điện tích khác nhau qua tiết diện ngang của vật, nghĩa là dq const

dt  thì ta có dòng điện biến thiên

theo thời gian Dòng điện xoay chiều hình sin là trường hợp riêng của dòng điện biến thiên

g Dòng điện không đổi

Nếu vectơ mật độ dòng và cường độ dòng điện không thay đổi theo thời gian, nghĩa là dq const

dt = thì ta nói rằng trong vật dẫn có dòng điên không đổi hay dòng điện dừng Dòng điện không đổi có cường độ như nhau ở mọi tiết diện của vật dẫn Thật vậy, giả sử cường độ dòng điện qua hai tiết diện bất kỳ S1 và S2 khác nhau thì số điện tích nằm trong hai tiết diện sẽ thay đổi theo thời gian bởi vì điện lượng qua S1 không bằng điện lượng qua S2 Kết quả là điện

trường trong vật dẫn thay đổi và dòng điện trong vật dẫn không thể là dòng điện dừng

Đối với dòng điện không đổi ta viết công thức (2) dưới dạng

bố cân bằng điện tích trên vật dẫn Dòng điện tiếp tục đến chừng nào mọi điểm của vật dẫn có điện thế như nhau Vậy trong vật dẫn có trường tĩnh điện được tạo ra bởi các electron tích trên vật B và các ion dương tích trên vật A Các lực tương tác Culông giữa các điện tích luôn luôn dẫn tới sự phân bố lại các điện tích tự do, trường tĩnh điện trong vật dẫn mất đi và điện thế tại mỗi điểm trở nên bằng nhau Vì thế trường của các lực Culông không thể duy trì dòng điện lâu dài được

Để duy trì dòng điện cần duy trì điện trường bên trong vật dẫn Vì năng lượng của điện trường này bị tiêu hao trong quá trình dịch chuyển điện tích cho nên năng lượng này phải luôn luôn được bổ sung Nói một cách khác, cần một cơ cấu như thế nào đó để biến đổi các dạng năng lượng khác thành năng lượng điện trường Cơ cấu như vậy được gọi là nguồn điện

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 cực nhiễm điện như vậy cần thực hiện một công để tách các

electron ra khỏi nguyên tử trung hòa và buộc các electron và ion dương được tạo thành như thế tách ra khỏi mỗi cực

Trong nguồn điện, các hạt tải điện dương chuyển động từ nơi có điện thế thấp (ở cực âm) đến nơi có điện thế cao hơn (ở cực dương) Chuyển động này ngược với chiều của điện trường giữa các cực (hướng từ cực dương đến cực âm) Do đó phải có một nguồn năng lượng nào đó ở bên trong nguồn điện, cho phép nó thực hiện công lên điện tích và buộc chúng chuyển động theo chiều

đã nói Nguồn năng lượng có thể là hóa năng, như trong một acquy hay pin nhiên liệu Nó có thể là các lực cơ học, như trong một máy gia tốc Van-de-Graaff truyền thống Hay sự chênh lệch nhiệt độ cũng có thể cung cấp năng lượng như trong pin nhiệt điện; hoặc năng lượng Mặt Trời có thể cung cấp năng lượng như trong pin mặt trời

Như vậy, bên trong nguồn điện tồn tại các lực không phải là lực Cu-lông có tác dụng tách các điện tích trái dấu và làm chúng dịch chuyển thắng công của lực điện trường tĩnh bên trong nguồn điện Các lực đó được gọi là các lực lạ Trong các loại nguồn điện khác nhau thì lực lạ có bản 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…

i Suất điện động của nguồn điện

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 E của nguồn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện và đo bằng thương số giữa công A của lực lạ thực hiện khi làm dịch chuyển một điện tích dương q bên trong nguồn điện từ cực âm đến cực dương và độ lớn của điện tích q đó

Nguồn điện lí tưởng là một dụng cụ không có sự cản trở nội đối với chuyển động bên trong của điện tích từ cực này đến cực kia Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện lí tưởng bằng suất điện động của nguồn điện đó Tuy

nhiên, trong thực tế, bên trong nguồn điện nào cũng có sự cản trở nội đối với chuyển động bên trong của điện tích từ cực này đến cực kia Như vậy nguồn điện cũng có điện trở, gọi là điện trở trong của nguồn điện Khi mạch ngoài

hở, hiệu điện thế giữa hai điện cực bằng suất điện động của nó Khi mạch điện kín, hiệu điện thế giữa hai điện cực khác với suất điện động của nó

1.1.1.2 Pin và ăcquy

a 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 thí nghiệm cho thấy khi một thanh kim loại bất kì tiếp xúc với một chất điện phân thì trên thanh kim loại và chất điện phân xuất hiện các điện tích trái dấu Lúc này, đối với chất điện phân, thanh kim loại có một điện thế xác định gọi là thế điện hóa Giữa thanh kim loại và chất điện phân có một hiệu điện thế điện hóa

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 5)

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 Cu2+ 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 phân tiếp xúc với thanh đồng xuất hiện một điện trường Điện trường này ngăn cản sự chuyển động của các ion đồng từ thanh đồng ra dung dịch và tăng cường chuyển động ngược lại của các ion đồng từ dung dịch vào thanh đồng Khi hiệu điện thế của

thanh đồng đối với dung dịch đạt tới một giá trị nào đó thì hai 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 dịch CuSO4

Hiệu điện thế điện hoá có độ lớn và dấu phụ thuộc vào bản chất của kim loại, bản chất và nồng độ dung dịch điện phân Khi hai kim loại khác nhau về

phương diện hóa học được nhúng vào cùng dung dịch điện phân, thì giữa chúng hình thành một hiệu điện thế xác định Đó chính là suất điện động của nguồn điện này

Nguồn điện hoạt động theo nguyên tắc trên còn gọi là nguồn điện hoá học hay pin điện hoá (pin và acquy) ở đây lực hoá học đóng vai trò lực lạ Pin điện hóa gồm hai bản cực có bản chất khác nhau được ngâm trong chất điện phân (dung dịch axit, bazơ, muối…)

a Pin Vônta

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 1.1.1.2.a)

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 thừa êlectron nên tích điện âm Giữa thanh kẽm và dung dịch có một điện trường hướng từ dung dịch đến thanh kẽm Điện trường này ngăn cản sự dịch chuyển tiếp theo của các ion Zn2+ từ thanh kẽm vào dung dịch đồng thời tăng cường

sự dịch chuyển ngược lại của các ion Zn2+ từ dung dịch vào thanh kẽm Sự cân bằng điện hóa được thiết lập khi số ion đi ra khỏi thanh kẽm và số ion đi vào thanh kẽm bằng nhatu Lúc đó giữa thanh kẽm và dung dịch có hiệu điện thế điện hóa khoảng U1 = - 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 đồng mất êlectron nên tích điện dương Khi cân bằng hóa học được thiết lập, giữa thanh đồng và dung dịch có hiệu điện thế khoảng U2 = 0,34V Kết quả là giữa hai cực của pin Vôn-ta có hiệu điện thế xác định E= U_2-

U_1≈1,1V Đó chính là suất điện động của pin Vôn-ta

Khi nối các cực của pin Vôn-ta với nhau (hay với điện trở ngoài) thành mạch kín người ta thấy sau một thời gian cường độ dòng điện trong mạch bị giảm dần Nguyên nhân là do khi pin hoạt động, iôn dương H+ trong dung dịch

H2SO4 di chuyển theo hướng từ cực kẽm sang cực đồng, hiện ra trên cự đồng

và gây ra hai tác dụng Một là Hiđrô cũng giống như kim loại có khả năng phóng các iôn của nó ngược lại vào dung dịch, vì thế xuất hiện một suất điện động phụ hướng ngược chiều với suất điện động của pin Có thể nói rằng trước khi đóng mạch điện của pin ta có các cực đồng và kẽm nhưng sau khi đóng kín mạch pin một thời gian ta lại có các cực hiđrô và kẽm Vì thế điện hóa của hiđrô nhỏ hơn thế điện hóa của đồng là 0,34V nên khi pin hoạt động suất điện động của nó giảm từ trị số ban đầu 1,1V xuống còn khoảng 0,8V Hơn nữa, màng hiđrô bao bọc quanh cực dương làm tăng điện trở trong của pin và vì vậy cường độ dòng điện giảm đi Hiện tượng trên gọi là sự phân cực của pin

Để khử hiện tượng phân cực có hại nói trên phải tìm cách ngăn để hiđrô không

tụ lại trên cực dương Hiện nay có hai phương pháp thường dùng để khử cực pin là :

Dùng hai dung dịch điện phân để không xảy ra sự biến đổi cấu tạo của cực Đó là trường hợp của pin Đa-ni-en có cấu tạo gồm một cực kẽm nhúng trong dung dịch ZnSO4 và một cực đồng nhúng trong dung dịch CuSO4, hai dung dịch này được ngăn với nhau bằng một vách xốp để hai dung dịch này không trộn vào nhau nhưng không ngăn cản sự chuyển động của các iôn Lúc này cực đồng lại hiện ra Cu và cực kẽm thì tan dần vào dung dịch, nghĩa là cấu tạo các cực của pin không thay đổi khi nó hoạt động

Dùng chất khử cực hóa học, đó là những chất ôxi hóa mạnh để khử hiđrô hiện ra ở cực Đó là trường hợp của pin Lơ-clan-sê có cực âm là kẽm và cực dương là một thanh than bao bọc xung quanh bởi một hỗn hợp đã nén chặt gồm MnO2 và graphít (để tăng độ dẫn điện) Dung dịch điện phân là NH4Cl

Để tiện sử dụng, người ta chế tạo pin Lơ-lan-sê dưới dạng pin khô Dung dịch NH4Cl được trộn trong một thứ hồ đặc rồi được đóng vào trong một vỏ pin bằng kẽm, vỏ pin này là cực âm

a Acquy chì

Acquy chì (acquy axít) là loại acquy đơn giản được nhà bác học Pháp stông Plăng-tê (Gaston Planté) phát minh vào năm 1859 Cấu tạo của nó gồm bản cực dương làm bằng PbO2 màu đỏ và bản cực âm làm bằng Pb màu xám

Ga-và được nhúng trong dung dịch H2SO4 loãng (nồng độ 20-30%)

Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho acqui Lúc này acqui đóng vai trò như một máy thu điện, nó tích trữ điện năng dưới dạng hóa năng Khi nạp điện cho acqui người ta cho dòng điện một chiều đi vào acqui Dung dịch H2SO4 bị điện phân, làm xuất hiện hiđrô và ôxi ở hai bản cực Hai bản cực được tích điện trở thành hai cực của acqui Giữa chúng có một hiệu điện thế Acqui hoạt động giống như một pin điện hóa có suất điện động vào

khoảng 2V

Khi nối hai cực của acqui đã nạp điện bằng một dây dẫn thì sẽ có dòng điện chạy trong dây dẫn ngược chiều với dòng điện lúc nạp vào acqui Do tác dụng hóa học, các bản cực của acqui bị biến đổi Bản cực dương có lõi là PbO2 nhưng được phủ một lớp PbSO4 do phản ứng hóa học :

PbO2+H2SO4+2e -> PbSO4+SO42-+2H2O

Bản cực âm có lõi là Pb cũng được phủ một lớp PbSO4 do phản ứng hóa học: Pb+SO42—2e -> PbSO4

Sau một thời gian sử dụng, hai bản cực của acqui có lõi vẫn khác nhau nhưng

có lớp vỏ ngoài giống nhau, đều là PbSO4 Do đó suất điện động của acqui giảm dần Khi suất điện động này giảm xuống còn 1,85V thì người ta lại nạp điện cho acqui để tiếp tục sử dụng

Như vậy acqui là một nguồn điện có thể nạp lại để sử dụng nhiều lần dựa trên phản ứng hóa học thuận nghịch: nó tích trữ năng lượng dưới dạng hóa năng (lúc nạp điện) để rồi giải phóng năng lượng ấy dưới dạng điện năng (lúc phát điện)

Muốn acquy bền lâu thường xuyên kiểm tra dung dịch điện phân và không nên để acquy phóng hết điện rồi mới nạp điện

Dung lượng của acquy được đo bằng ampe giờ (A.h) 1A.h = 3600C.Mỗi acqui có một dung lượng xác định, đó là điện lượng lớn nhất mà acqui có thể cung cấp được khi nó phát điện

Ngoài ra còn có các nguồn điện hóa học khác như pin Đanien, pin Lơclăngsê, acqui kiềm, acqui liti-ion, pin nhiên liệu…

1.1.1.3 Điện năng và công suất điện Định luật Jun – Len-xơ

a Công của dòng điện chạy qua một đoạn mạch

Khi điện tích q di chuyển từ điểm A đến điểm B đặt dưới hiệu điện thế

U=VA-VB thì lực điện tác dụng lên các điện tích tự do (hạt tải điện) trong mạch sẽ thực hiện một công là

A=qU

Với dòng điện không đổi, ta có: q= It

Lúc đó công của dòng điện có cường độ I trong đoạn mạch có hiệu điện thế U đặt vào A = UIt (4)

Đó cũng chính là công của lực điện tác dụng lên các hạt tải điện

trong đó, U là hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch, I là cường độ dòng điện chạy qua mạch và t là thời gian dòng điện chạy qua

Vậy: Công của dòng điện chạy qua một đoạn mạch là công của lực điện làm di chuyển các điện tích tự do trong đoạn mạch và bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch đó

Theo định luật bảo toàn năng lượng, công của dòng điện chạy qua một đoạn mạch cũng chính là điện năng mà đoạn mạch đó tiêu thụ

Đơn vị của công là jun (J) còn đơn vị của điện năng thường là kilôoát.giờ (kW.h) với: 1kW.h=3.600.000J

b Công suất của dòng điện chạy qua đoạn mạch

Công suất của dòng điện chạy qua một đoạn mạch là đại lượng đặc trưng cho tốc độ sinh công của dòng điện Theo định nghĩa nó bằng công của dòng điện thực hiện trong một đơn vị thời gian:

P A UI 5 ( )

t

= =

Vậy: Công suất của dòng điện chạy qua một đoạn mạch bằng tích của hiệu điện

thế giữa hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch đó

Công suất của dòng điện chạy qua một đoạn mạch cũng là công suất điện tiêu thụ của đoạn mạch đó

Đơn vị của công suất là oát (W)

c Công của nguồn điện

Trong một mạch điện kín, nguồn điện thực hiện công làm di chuyển các điện tích tự do có trong mạch tạo thành dòng điện Công này bao gồm công của lực điện và công của lực lạ Trong một điện kín công của lực điện trường bằng 0,

do đó công của nguồn điện chỉ còn là công của lực lạ:

d Công suất của nguồn điện

Công suất của nguồn điện có giá trị bằng công của nguồn điện thực hiện trong một đơn vị thời gian:

e Máy thu điện

Các dụng cụ ( hay thiết bị) tiêu thụ chuyển hóa điện năng thành các dạng năng lượng khác ( nội năng, hóa năng, cơn năng, )

Có hai loại dụng cụ tiêu thụ điện là

- Dụng cụ tỏa nhiệt: là thiết bị chuyển hóa toàn bộ điện năng thành các

dạng năng lượng khác (Ví dụ: bàn là, bếp điện )

- Máy thu điện: là thiết bị mà phần lớn điện năng được chuyển hóa thành

năng lượng khác, không phải là nhiệt năng (Ví dụ: động cơ điện, acqui

đang nạp điện )

f Công của máy thu điện

Công tổng cộng A mà dòng điện thực hiện ở máy thu điện bằng:

A = A’ + Q = E p It + r p I 2 t = UIt (9)

trong đó:

A’ là phần năng lượng được chuyển hoá thành dạng năng lượng khác không

phải nhiệt; Q’ là nhiệt lượng toả ra; U là hiệu điện thế đặt vào máy thu điện

Công A cũng là điện năng tiêu thụ của máy thu điện trong khoảng thời gian t

g Suất phản điện của máy thu điện

Trong máy thu điện, chỉ có một phần Q’ của điện năng A cung cấp cho máy

chuyển hóa thành nhiệt ở điện trở rp của máy:

Như vậy suất phản điện của máy thu điện được xác định bằng điện năng mà dụng cụ chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác, không phải nhiệt, khi có một đơn vị điện tích dương chuyển qua máy

Suất phản điện có đơn vị là vôn (V)

Trong trường hợp máy thu điện là nguồn điện đang được nạp điện, thì suất phản điện có trị số bằng suất điện độngcủa nguồn lúc phát điện Dòng điện nạp đi vào cực dương của máy thu điện

h Công suất của máy thu điện

Công suất tiêu thụ điện của máy thu điện :

( )

2 10

Năm 1827, nhà vật lí Ôm dùng cặp nhiệt điện

đồng-bismut, các dây dẫn và một cân xoắn để

đo tác dụng từ của dây dẫn lên kim nam châm

Kết quả ông thu được phương trình:

x b

a X

+

=

trong đó, X là cường độ tác dụng từ của dây

dẫn; x là chiều dài dây dẫn;

a là hằng số phụ thuộc vào khả năng sinh điện

của dây dẫn và

b là hằng số phụ thuộc vào điện trở của các bộ phận khác trong mạch

Nếu hiểu hiện tượng theo qui luật hiện nay của vật lí học thì về bản chất, ta có

thể thay X bằng cường độ dòng điện I; thay a bằng suất điện động ; thay b +

x bằng điện trở tổng cộng của toàn mạch R + r, ta được:

Đây chính là công thức của định luật Ôm cho toàn mạch

a Nội dung định luật

Xét mạch điện kín gồm một nguồn điện (pin, ắc qui ) có suất điện động , điện trở trong r và điện trở R là điện trở mạch ngoài bao gồm các vật dẫn nối liền hai cực của nguồn điện

Định luật Ôm đối với toàn mạch nêu lên mối liên hệ giữa suất điện động , cường độ dòng điện I chạy trong toàn mạch và điện trở toàn phần R+r của toàn mạch được phát biểu như sau:

“Cường độ dòng điện trong mạch kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch”

Nội dung định luật Ôm cho đoạn mạch mặc dù được xây dựng từ thực

nghiệm, song nó vẫn có thể được suy ra từ định luật bảo toàn năng lượng và định luật Jun – Len-xơ (cũng tìm được từ thực nghiệm)

Hiệu điện thế mạch ngoài cũng là hiệu điện thế UAB giữa cực dương và cực

âm của nguồn điện

- Khi điện trở trong của nguồn điện rất nhỏ, không đáng kể (r 0), hoặc nếu mạch hở (I = 0), thì hiệu điện thế giữa hai cực nguồn điện bằng suất điện động của nguồn điện đó U = 

- Khi điện trở của mạch ngoài nhỏ không đáng kể (R 0) thì biểu thức định luật Ôm cho toàn mạch được viết lại thành:I

r



=

Khi đó, cường độ dòng điện sẽ lớn nhất và chỉ phụ thuộc vào suất điện động 

và điện trở trong r của chính nguồn điện đó Trong trường hợp này nguồn điện

c Hiệu suất của nguồn điện

Hiệu suất của nguồn điện theo công thức:

trong đó, Acó ích là công của dòng điện sản ra ở mạch ngoài

Nếu mạch ngoài chỉ có điện trở RN thì công thức tính hiệu suất của nguồn điện

là

N N

R H