Giải SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 24: Nguồn điện

Khởi động

Câu hỏi SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 102): Em 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 và duy trì dòng điện?

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

Câu hỏi SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 102): 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?

Trả lời:

- Dòng điện mô tả ở hình trên chỉ tồn tại trong thời gian ngắn vì sau một khoảng thời gian, electron tự do đã di chuyển hết sang cực dương không còn electron tự do di chuyển trong mạch nữa nên dòng điện cũng mất dần. Điện tích dịch chuyển ở hai quả cầu gần như trung hòa, nên điện thế V_A = V_B, dẫn đến không có sự chênh lệch điện thế. Dòng điện gần như bằng 0. Do vậy, thời gian duy trì sự dịch chuyển điện tích xảy ra rất ngắn.

- Để duy trì dòng điện phải kéo dài thời gian di chuyển của điện tích âm từ quả cầu tích điện âm sang quả cầu tích điện dương, tạo ra được sự chênh lệch điện thế giữa A và B bằng cách điện tích giữa A và B phải có sự khác nhau.

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

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

Câu 1 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 104): 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?

Trả lời:

- Số chỉ vôn kế khi này sẽ giống số vôn ghi trên nguồn điện. Khi dùng vôn 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 đó có nghĩa là giữa hai đầu của nguồn điện tồn tại một hiều điện thế, nếu mắc vào đó một bóng đèn thì đèn sẽ sáng. Từ đó cho thấy bên trong nguồn đã có tiêu hao năng lượng chứng tỏ rằng bên trong nguồn có tồn tại điện trở.

Câu 2 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 104): 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?

Trả lời:

1. Hiệu điện thế giữa hai cực nhỏ hơn so với suất điện động ban đầu của nguồn điện do điện trở trong gây ra làm giảm độ thế ở mạch trong.

2. Một đoạn mạch có nguồn và các vật tiêu thụ điện. Mạch ngoài gồm có các vật tiêu thụ điện, mạch trong gồm có các nguồn. Trong mạch kín, dòng điện chạy qua cả mạch ngoài và mạch trong nên nguồn điện cũng là một vật dẫn điện và như vậy nguồn sẽ có điện trở.

=> Suất điện động bao gồm hiệu điện thế mạch ngoài cộng với điện thế mạch trong. Hiệu điện thế mạch trong bằng Ir, hiệu điện thế mạch ngoài là U = IR. Suất điện động và hiệu điện thế có cùng đơn vị là Vôn.

3. Trong trường hợp khi đo hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động của nguồn thì điện trở trong rất nhỏ hoặc bằng 0.

Câu 3 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 105): Vì sao sẽ rất nguy hiểm nếu hiện tượng đoản mạch xảy ra đối với mạng điện ở gia đình?

Trả lời:

- Mạng điện ở gia đình thường có hiệu điện thế lớn (220V), sẽ rất nguy hiểm nếu xảy ra hiện tượng đoạn mạch đối với mạng điện gia đình vì khi đó cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn điện và các thiết bị điện tăng lên quá lớn có thể làm làm hư hỏng thiết bị và thậm chí gây cháy nổ, cháy vỏ bọc cách điện và các bộ phận khác tiếp xúc nó hoặc gần nó.  Các thiết bị đó dẫn đến gây hoả hoạn, chập cháy điện trong gia đình,  gây nguy hiểm đến tính mạng con người.

3. Bài tập luyện tập

Bài 1 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 105): Cho mạch điện như Hình 24.5. Suất điện động ξ = 10V, bỏ qua điện trở trong của nguồn. Các giá trị điện trở R₁ = 20 Ω, R₂ = 40 Ω, R₃ = 50 Ω

a) Tính cường độ dòng điện chạy qua điện trở R₁.

b) Tính cường độ dòng điện I chạy qua mạch chính.

Trả lời:

a) Do bỏ qua điện trở trong của nguồn nên suất điện động của nguồn bằng hiệu điện thế mạch ngoài: U = 10 V

Do ba điện trở mắc song song nên:  U₁ = U₂ = U₃ = U = 10V

Cường độ dòng điện chạy qua R₁ là: $I_{1}=\frac{U_{1}}{R_{1}}=\frac{10}{20}=0,5A$

b) Tính cường độ dòng điện I chạy qua mạch chính.

* Cách 1:

Cường độ dòng điện chạy qua mạch điện chính: $I=\frac{\zeta }{R_{td}}=\frac{10}{\frac{200}{19}}=0,95A$

* Cách 2:

Ta có ba điện trở R₁ // R₂ // R₃ nên điện trở tương đương mạch ngoài là:

$\frac{1}{R_{N}}=\frac{1}{R_{1}}+\frac{1}{R_{2}}+\frac{1}{R_{3}}=\frac{1}{20}+\frac{1}{40}+\frac{1}{50}\Rightarrow R_{N}=\frac{200}{19}\Omega$

=> Cường độ dòng điện chạy qua mạch chính: $I=\frac{E}{R_{N}}=\frac{10}{\frac{200}{19}}=0,95A$

Bài 2 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 105): Cho mạch điện như Hình 24.6. Các giá trị điện trở R₁ = 3Ω, R₂ = 4Ωvà R₃ = 6Ω. Suất điện động của nguồn E = 12 V, điện trở trong của nguồn r = 0,6Ω.

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.

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) Tính cường độ dòng điện chạy qua các điện trở R₁, R₂, R₃

* Cách 1:

Cường độ dòng điện qua mạch chính: $I=\frac{E}{R_{N+r}}=\frac{12}{5,4+0,6}=2A$

Cường độ dòng điện qua điện trở R₁: I₁ = I = 2A ⇒U₁=I₁R₁=2.3=6V

U₂=U₃=U₂₃=U−U₁=I.RN−I₁R₁=2.5,4−2.3=4,8V

Cường độ dòng điện qua R₂, R₃: $I_{2}=I_{3}=\frac{U_{23}}{R_{23}}=\frac{U_{23}}{\frac{R_{2}.R_{3}}{R_{2}+R_{3}}}=\frac{4,8}{\frac{4.6}{4+6}}=2A$

* Cách 2:

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 = 10,8V

Hiệu điện thế giữa hai đầu R₁ là U₁ = I₁.R₁ = 2.3 = 6V

Hiệu điện thế giữa hai đầu R₂R₃ bằng hiệu điện thế giữa hai đầu R₂ và R₃ là:

U₂₃ = U₂ = U₃ =U − U₁ = 10,8⁻⁶ = 4,8V

Cường độ dòng điện chạy qua R₂ là: $\frac{U_{23}}{R_{2}}=\frac{4,8}{4}=1,2A$

Cường độ dòng điện chạy qua R₃ là: $\frac{U_{23}}{R_{3}}=\frac{4,8}{6}=0,8A$