Th.S Đỗ Quốc Huy BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 Chuyên đề: DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI (Để download tài liệu này, hãy đăng nhập vào diễn đàn của trang web champhay.com) MỤC TIÊU Sau khi học xong chương này, SV phải : – Nêu được khái niệm cường độ, mật độ dòng điện. – Vận dụng được các định luật Ohm, Kirchhoff để giải mạch điện. – Tính được công suất của dòng điện, nguồn điện. NỘI DUNG I – Các khái niệm cơ bản về dòng điện II – Định luật Ohm III – Định luật Kirchhoff IV – Công, công suất của dòng điện V – Công suất, hiệu suất của nguồn điện VI – Ghép các nguồn điện giống nhau I – CÁC K/N CƠ BẢN VỀ DÒNG ĐIỆN: 1 – Dòng điện, chiều của dòng điện: Dòng điện: là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích Chiều của dòng điện: được qui ước là chiều chuyển động của các điện tích dương. 2 – Cường độ dòng điện: I  dq DĐKĐ 3 – Mật độ dòng điện: j  dI p/b đều dt dSn S Sn + + + dSn   j n o q v q I t I j Sn I – CÁC K/N CƠ BẢN VỀ DÒNG ĐIỆN: Ví dụ 1: Mỗi giây có 2.1018 ion dương hóa trị 2 và 4.1018 electron chạy qua đèn ống có đường kính tiết diện d = 2,0cm. Tính cường độ dòng điện và trị số trung bình của mật độ dòng điện j qua đèn. Giải q q  q I  t t 2.1018.2.1, 6.10  19  4.1018.1, 6.10  19   1, 28A 1 I I 4I 4.1, 28 3 2 j  2  2  4, 08.10 A / m 2 Sn d / 4 d 3,14.(0, 02) I – CÁC K/N CƠ BẢN VỀ DÒNG ĐIỆN: Ví dụ 2: Một dây chì có tiết diện S = 2mm2, có dòng điện 5A chạy qua. Tính mật độ dòng điện qua dây chì. Dây chì này có thể chịu được dòng điện tối đa là bao nhiêu, nếu mật độ dòng cho phép là 450A/cm2? Một động cơ điện có giới hạn dòng là 18A thì phải dùng dây chì có đường kính tiết diện bao nhiêu để bảo vệ động cơ? Giải I 5 j   2,5 (A / mm 2 ) S 2 I max I max  jmax .S 4,5.2 9A d 2  jmax .S  jmax . 4 4I max 4.18  d  2, 26mm .jmax 3,14.4,5 I – CÁC K/N CƠ BẢN VỀ DÒNG ĐIỆN: 4 – Nguồn điện, suất điện động: Nguồn điện: cơ cấu để duy trì dòng điện. , r + - Pum X Suất điện động của nguồn điện: đặc trưng cho khả năng Làm sao để sinh công củaduy nguồn điện, đo trì dòng bằng: điện* lâu dài?  X A   q *  E d  2cuc II – ĐỊNH LUẬT OHM: 1 – Đối với mạch điện thuần trở: I Dạng vi phân: R + U I kU  R  R  S  0 (1  t) - Ghép nối tiếp R i i 1 n U j  E Ghép song song 1 1  Rt Ri i 1  I  I n I Ii U 1    n n Rt   i i 1 i U U i i 1 NX: ghép nt Rt tăng; ghép // Rt giảm. 2 nhánh // thì: R 1R 2 Rt  R1  R 2 II – ĐỊNH LUẬT OHM: 1 – Đối với mạch điện thuần trở: Ví dụ: cho đoạn mạch như hình vẽ A + - R1 R2 C M R3 R5 R4 I D N R1 = 8; R2 = 6; R3 = 14; R4 = 10; R5 = 20; UAB = 24V a) Tính Rtđ b) Tính cđdđ qua mỗi R c) Tính UAM; UAN; UMN B Giải R 23 R 2  R 3 20 R 45 R 4  R 5 30 R 23 .R 45 R 2345  12 R 23  R 45 R td R1  R 2345 20 U AB I1 I  1, 2A R td U CD I.R 2345 14, 4V U CD 14, 4 I 2 I3   0, 72A R 23 20 I 4 I5 I  I 2 0, 48A II – ĐỊNH LUẬT OHM: 2 – Đối với mạch điện kín: , r + - Ví dụ: + A R1 R2 I R  I R r C , r - B R M 3 R4 I D R1 = 5; R2 = 30; R3 = 20; R4 = 50; r = 2;  = 32V. Tính cuờng độ dòng điện qua mỗi điện trở. II – ĐỊNH LUẬT OHM: 2 – Đối với mạch điện kín: Giải: R 23 R 2  R 3 50 R 23 .R 4 R 234  25 R 23  R 4 R td R1  R 234 30 I1 I   32  1A R  r 30  2 U CD I.R 234 25V U I 4  CD 0,5A R4 I 2 I3  U CD 0,5A R 23 + A R1 R2 C , r - B R M 3 R4 I D R1 = 5; R2 = 30; R3 = 20; R4 = 50; r = 2;  = 32V. Tính cuờng độ dòng điện qua mỗi điện trở. II – ĐỊNH LUẬT OHM: 3 – Tổng quát:   U AB  i  i i Ii R i + A , r - R1 R2 B R I Qui ước: Đi từ A đến B, gặp cực M 3 dương của nguồn nào trước thì SĐĐ D C R 4 của nguồn đó mang dấu +; đi cùng chiều dòng điện của nhánh nào thì R1 = 5; R2 = 30; R3 CĐDĐ của nhánh đó mang dấu +; = 20; R4 = 50; r = trái lại chúng mang dấu - . Ví dụ: 2;  = 32V. Tính UAB, UAM, UBM trong sơ đồ hình bên III – ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF: 1 – Các khái niệm cơ bản: Mạch phân nhánh: Mạch điện phức tạp gồm nhiều nhánh, trong mỗi nhánh chỉ gồm các phần tử mắc nối tiếp và chỉ có một dòng điện đi theo một chiều duy nhất Nút mạng: Nơi giao nhau của ít nhất 3 nhánh. Mắt mạng: Tập hợp các nhánh liên tiếp tạo thành một vòng kín. R1 1 , r1 + - R R2 + -  2 , r2 III – ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF: 2 - Định luật Kirchhoff thứ nhất (ĐL K1): Qui ước: dòng đi tới Tổng đại số các dòng điện n I k 0 nút là dương, dòng tại một nút bất kì luôn đi ra khỏi nút là âm. bằng không. k 1  Hay: Tổng các dòng điện đi tới một nút mạng bất kì bằng tổng các dòng điện đi ra khỏi nút mạng đó.   I toi  I ra I2 I1 I3 I4 I5 I3  I 2 I5  I 4  I1 III – ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF: 3 - Định luật Kirchhoff thứ hai (ĐL K2): Trong một mắt mạng bất kì, tổng đại số các suất điện động và các độ giảm thế trên các điện trở luôn bằng không. i  Ii R i 0 R1 I1 I A I2 + 1 R2 1 , r1 i - R +   - 2  2 , r2 i Qui ước: B Mắt (1): 1  I1 (R1  r1 )  IR 0 Mắt (2):  2  I 2 (R 2  r2 )  IR 0 Mắt (3):   2  1  I 2 (R 2  r2 )  I1 (R1  r1 ) 0 III – ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF: 4 – Vận dụng các đl Kirchhoff để giải mạch điện: Các bước: B1: Giả định chiều dòng điện trong các nhánh. B2: Viết các phương trình cho nút mạng (nếu có n nút thì viết (n – 1) phương trình). B3: Viết các phương trình còn lại cho mắt mạng. B4: Giải hệ phương trình và biện luận kết quả (dòng nào âm thì có chiều ngược với chiều đã chọn trên hình vẽ). III – ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF: 5 – Ví dụ: Tính cường độ dòng điện trong các nhánh của sơ đồ sau. Nguồn nào phát, nguồn nào thu? I1 + A I2 - R I + 1 6V;  2 3V; 1 , r1 -  2 , r2 r1 r2 1; R 2 B Giải Giả sử dòng điện có chiều như hình vẽ. III – ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF: I1 + I A I2 1 1 , r1 Ad định luật K1: - R Nút A: B 2 + (1) Ad định luật K2: Mắt (1): 1  I1r1  IR 0  6  I1  2I 0 (2) - Mắt (2):  2  I 2 r2  IR 0  2 , r2 Giải (1), (2), (3) ta được: I1 2, 4A  I 2  0, 6A I 1,8A  I1  I 2 I   3  I 2  2I 0 (3) Chiều dòng I2 ngược với trên hình vẽ. Nguồn 2 thu điện, nguồn 1 phát điện. IV – CÔNG, CÔNG SUẤT CỦA DĐ: 1 – Công của dòng điện trong một đoạn mạch: R + A qU UIt 2 – Định luật Joule - Lenz: 2 Q I Rt 3 – Công suất của dòng điện trong một đoạn mạch: A P  UI t + I  ', r + - Mạch chỉ có R Mạch chỉ có máy thu - 2 U P I R  R 2 2 P  'I  I r V – C/SUẤT, HIỆU SUẤT CỦA NGUỒN ĐIỆN: 1 – Công suất của nguồn điện: 2 – Hiệu suất của nguồn điện: Pn I + I , r + P U R H   Pn  R  r - - R 3 – ĐK để nguồn phát ra mạch ngoài c/s cực đại: 2 2  R  P I 2 R   2 (R  r) 4r 2 Pmax  khi R r  4r Lưu ý: Luôn có 2 giá trị R tiêu thụ c/s P < Pmax : R1R 2 r 2 V – C/SUẤT, HIỆU SUẤT CỦA NGUỒN ĐIỆN: P 2  4r + , r I + R P O R1 r Tóm lại: - R2 R 2 Khi R r thì Pmax   4r Khi R1R 2 r 2 thì P1 P2  Pmax - V – C/SUẤT, HIỆU SUẤT CỦA NGUỒN ĐIỆN: , r Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ.  = 6V; r = 2; R = 4  a) Tính cường độ dđ, công suất tiêu thụ của R, c/s và hiệu suất của nguồn điện. b) Thay R’ thấy công suất của mạch ngoài vẫn không đổi. Tính R’. c) Phải thay R = ? để nguồn phát ra công suất lớn nhất? Tính giá trị Pmax. + I + - R - VI – GHÉP CÁC NGUỒN ĐIỆN GIỐNG NHAU: 1 – Ghép nối tiếp: + R  b n0 rb nr0 I , r + - - R Ví dụ: 5 cục pin loại (3V, 0,2) ghép nối tiếp sẽ tương đương với một nguồn có SĐĐ và điện trở trong bao nhiêu? ĐS: 15V và 1 VI – GHÉP CÁC NGUỒN ĐIỆN GIỐNG NHAU: 2 – Ghép song song: + I , r + - - R R  b 0 r0 rb  n Ví dụ: 5 cục pin loại (6V, 2) ghép song song sẽ tương đương với một nguồn có SĐĐ và điện trở trong bao nhiêu? ĐS: 6V và 0,4 VI – GHÉP CÁC NGUỒN ĐIỆN GIỐNG NHAU: 3 – Ghép hỗn hợp đối xứng: m  nguồn    nối tiếp  n dãy   song   song   R  b 1day m0 r1day mr0 rb   soday n + I , r + - - R Ví dụ: 6 cục pin loại (3V; 1,5) có bao nhiêu cách ghép thành bộ đối xứng? Tính SĐĐ và điện trở trong của bộ nguồn tương đương trong mỗi cách đó. VII – MẠCH TAM GIÁC - SAO: A RC A rA  RB rB RA B C R AB/  R AB/Y  R AC/  R AC/Y R  BC/  R BC/Y o B  (R A  R B )R C rA  rB  RA  RB  RC  (R A  R C )R B  rA  rC RA  RB  RC  (R B  R C )R A rB  rC  RA  RB  RC rC C VII – MẠCH TAM GIÁC - SAO: A RC A rA  RB rB RA B C B o rC C Ví dụ: RA = 5, RB = 2, RC = 3  R B .R C rA  RA  RB  RC thì rA = 0,6; rB = 1,5, rC = 1   R A R B R C R R A .R C R rA rB rC  rB  RA  RB  RC 3   R A .R B rC  RA  RB  RC  VIII – MẠCH CẦU: R1 R2 M B A + - R5 R4 R3 N R1 M R4 R3 R1 R 2  R3 R4 (CẦU CÂN BẰNG) Khi đó: I5 = 0 và VM = VN chập M với N bỏ R5 R2 A + TH1: R2 R1 B A - + M R3 B N R4 N Ví dụ: có 5 điện trở bằng nhau và bằng R được ghép thành mạch cầu. Tính Rtđ ĐS: Rtđ = R - VIII – MẠCH CẦU: R1 R2 M TH2: B A + Ví dụ: R4 R3 R1 R2 A B A + rM N M R5 - rA N M R2 B R5 + R4 rN N R4 R3 (CẦU 0 CÂN BẰNG) Biến đổi mạch  → Y - R5 R1 R 2  R3 R4 ĐS: Rtđ = R = 130 K R6 R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R =130. Tính Rtđ khi K mở và khi K đóng. 11R R td  110 13 VIII – MẠCH CẦU: Ứng dụng: đo điện trở bằng cầu Wheastone: RX Rx: điện trở cần đo R0 G A R0: điện trở chuẩn, đã biết C I + - , r B Di/c con chạy C đến khi điện kế G chỉ số 0. Khi đó cầu cân bằng. Ta có tỉ số: R AC R0 RX  R X R 0  R BC R AC R BC AC Vậy: R X R 0 BC Ví dụ: AB = 100cm; AC = 25cm; R0 = 90. Tính RX ĐS: RX = 30 VIII – MẠCH CẦU: VÍ DỤ: Các điện trở đều bằng R = 120. Tính Rtđ khi dđ: A B 2 A 2 7 6 1 O 1 3 5 D C D 3 8 5 4 B 4 C 2R  3 a) Vào A ra C R AC b) Vào A ra B R AB  b) Vào A ra B R AB  c) Vào B ra D R BD c) Vào A ra O a) Vào A ra C R AC R 5R 8 R  2 R AO 8R 15 7R  15 BÀI TẬP VÍ DỤ: Cho đoạn mạch như hình vẽ: E1 = 3V, E2 = 6V, r1 = r2 = 1, R1 = R2 = 5, RA = 0. I1 A E1 , r 1 B I I2 1 A 2 D E2, r2 a) Tính số chỉ của ampe kế và UBD. b) Thay ampe kế bằng vôn kế có điện trở rất lớn thì vôn kế chỉ bao nhiêu? R2 R1 C c) Đảo cực của nguồn E2 tìm lại kết của câu a và b.