Lý thuyết và bài tập về nguồn điện - Lý 11

Tác giả Hoàng Uyên 11:30 21/10/2024 56,870 Tag Lớp 11

Điện sử dụng thường ngày không phải tự nhiên mà có, mà cần phải có nguồn điện mới sản sinh ra điện được. Bởi vậy bài viết dưới đây đã tổng hợp đầy đủ lý thuyết liên quan đến nguồn điện và ảnh hưởng của điện trở trong của nguồn điện đến hiệu điện thế.

Lý thuyết và bài tập về nguồn điện - Lý 11

Mục lục bài viết

Mục lục bài viết x

1. Nguồn điện:

1.1 Khái niệm nguồn điện

- Nguồn điện chính là một thiết bị giúp tạo ra và duy trì được hiệu điện thế, để duy trì được dòng điện ở trong mạch. Mỗi nguồn điện một chiều đều sẽ có hai cực đó là cực dương (kí hiệu +), cực âm (kí hiệu -).

- Hiệu điện thế trong hai cực của nguồn điện được duy trì ngay cả lúc có dòng điện đi qua những vật dẫn nối liền với hai cực của nó, có nghĩa là sự tích điện khác nhau giữa các cực của nguồn điện vẫn tiếp tục được duy trì.

- Để tạo ra được các điện cực như thế, trong nguồn điện cần phải có lực thực hiện công nhằm tách các electron ra khỏi nguyên tử, sau đó chuyển những electron hoặc ion dương đã được hình thành như vậy ra khỏi mỗi cực. Khi đấy, một cực thừa electron sẽ được gọi là cực âm, còn cực còn lại bị thiếu electron hoặc thừa ít electron hơn so với cực kia thì gọi là cực dương. Việc tách những electron ra khỏi nguyên tử không phải vì lực điện thực hiện mà phải do những lực có bản chất khác so với lực điện thực hiện, các lực đó được gọi là các lực lạ.

1.2 Suất điện động của nguồn điện

Suất điện động trong nguồn điện chính là đại lượng vật lí giúp đặc trưng cho khả năng sinh công trong nguồn điện, nó được đo bởi tỉ số giữa công của lực lạ kí hiệu là A làm di chuyển lượng điện tích q > 0 từ cực âm tới cực dương ở bên trong nguồn điện và điện tích q.

$\large \xi=\frac{A}{q}$

Trong hệ SI, suất điện động sẽ được tính bằng đơn vị là vôn (V).

Số vôn ghi ở trên mỗi nguồn điện thể hiện trị số của suất điện động trong nguồn điện đó. Đó cũng chính là giá trị của hiệu điện thế của hai cực trong nguồn điện với trường hợp mạch điện hở.

1.3 Cách ghép nguồn điện

Đại lượng đặc trưng cho sự cản trở quá trình dịch chuyển của những điện tích bên trong chính là điện trở trong của nguồn điện hay còn được gọi là điện trở trong của nguồn, thường được kí hiệu là r.

Hiệu điện thế U trong hai cực của nguồn điện sẽ có suất điện động kí hiệu E và điện trở trong r khi phát dòng điện với cường độ I đi qua nguồn được xác định bởi công thức:

$\large U=\xi -Ir$

a. Nguồn điện ghép song song:

- Suất điện động trong bộ nguồn điện được xác định bởi công thức dưới đây:

$\large \xi _{b}=\xi _{1}=\xi _{2}=\xi _{3}=...=\xi _{n}$

- Điện trở trong trong bộ nguồn điện được xác định bởi công thức công thức dưới đây:

$\large r_{b}=\frac{r}{n}$

b. Nguồn điện ghép nối tiếp

- Suất điện động trong bộ nguồn điện được xác định bởi công thức dưới đây:

$\large \xi _{b}=\xi _{1}+\xi _{2}+\xi _{3}+...+\xi _{n}$

- Điện trở trong trong bộ nguồn điện được xác định bởi công thức dưới đây:

$\large r_{b}=r_{1}+r_{2}+r_{3}+...+r_{n}$

c. Nguồn điện ghép hỗn hợp đối xứng:

- Suất điện động trong bộ nguồn điện được xác định bởi công thức sau đây:

$\large \xi_{b} =m\xi$

- Điện trở trong trong bộ nguồn điện được xác định bởi công thức sau đây:

$\large r_{b}=\frac{mr}{n}$

Đăng ký ngay để được các thầy cô tổng hợp kiến thức và xây dựng lộ trình học và ôn thi ngay từ sớm nhé!

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

2.1 Điện trở trong của nguồn

Trong mạch kín, dòng điện sẽ chạy qua cả mạch ngoài lẫn mạch trong. Vì thế, nguồn điện cũng chính là một vật dẫn và cũng mang điện trở. Điện trở như vậy được biết đến là điện trở trong của nguồn điện. Nguồn điện sẽ được đặc trưng bởi suất điện động E cùng với điện trở trong r trong nguồn.

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

- Cường độ dòng điện đi trong mạch điện kín sẽ tỉ lệ thuận với suất điện động trong nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần trong mạch điện ấy.

$\large I=\frac{E}{R+r}$

- Công của nguồn điện được tính bằng: A = q.E = E.I.t

- Hiệu điện thế mạch ngoài được tính bằng: U = E - I.r

- Độ giảm thế mạch ngoài được tính bằng: U = I.R

Hiện tượng đoản mạch (hay ngắn mạch) diễn ra lúc nguồn điện được nối với mạch ngoài với điện trở không đáng kể hoặc điện trở bằng 0. Nguyên nhân là do việc chập mạch điện nên điện trở mạch ngoài bằng 0, khi ấy cực âm của nguồn sẽ kết nối trực tiếp với cực dương của nguồn mà không thông qua bất kỳ thiết bị điện nào.

3. Bài tập về nguồn điện

Bài 1: Ta đã biết được nguồn điện có khả năng giúp cung cấp nguồn năng lượng điện để hình thành dòng điện sử dụng trong cuộc sống. Vậy nguồn điện đó là gì? Vi sao nguồn điện lại có thể tạo ra được dòng điện?

Lời giải:

Nguồn điện chính là một thiết bị giúp tạo ra và duy trì được hiệu điện thế, để duy trì được dòng điện trong mạch. Mỗi nguồn điện đều sở hữu hai cực là cực dương (kí hiệu +) và cực âm (kí hiệu -). Hiệu điện thế giữa hai cực của một nguồn điện được duy trì ngay cả lúc có dòng điện đi qua những vật dẫn nối liền giữa hai cực của nó, điều này có nghĩa là sự tích điện khác nhau của các cực trong nguồn điện vẫn tiếp tục được duy trì.

Bài 2: Tại sao dòng điện trong hình dưới đây chỉ tồn tại được trong khoảng thời gian vô cùng ngắn? Làm sao để duy trì được dòng điện trong trường hợp này lâu hơn?

Lời giải:

Dòng điện ở trong trường hợp này chỉ có thể tồn tại trong một khoảng thời gian rất ngắn do các điện tích âm đi từ quả cầu tích điện âm sang quả cầu tích điện dương làm cho quả cầu xảy ra hiện tượng trung hoà về điện. Do đó, thời gian duy trì sự dịch chuyển của điện tích xảy ra vô cùng ngắn. Muốn duy trì, ta cần phải kéo dài thời gian di chuyển của những điện tích âm từ quả cầu tích điện âm qua quả cầu tích điện dương.

Nắm trọn kiến thức, các công thức và phương pháp giải mọi dạng bài tập môn vật lý thi THPT Quốc Gia ngay!

Bài 3: Dòng điện đem đến rất nhiều lợi ích trong cuộc sống con người cũng như cho sự phát triển của toàn xã hội. Ở chương trình cấp Trung học cơ sở, trong một số thí nghiệm cần có dòng điện, các em có thể đã được làm quen với một số nguồn điện ở hình dưới đây và cách sử dụng chúng. Vậy vì sao nguồn điện lại có thể tạo ra và duy trì được dòng điện một cách lâu dài? Những đại lượng vật lí nào giúp đặc trưng cho nguồn điện?

Lời giải:

Vì nguồn điện sẽ tạo ra và duy trì được sự chênh lệch về điện thế của hai đầu đoạn mạch

Và bên trong của nguồn điện, những hạt tải điện dương sẽ chuyển động từ vị trí có hiệu điện thế thấp (là cực âm) đến vị trí có hiệu điện thế cao (là cực dương) ngược với chiều của lực điện trường trong hai cực.

Những đại lượng vật lí giúp đặc trưng cho nguồn điện bao gồm suất điện động và điện trở trong của nguồn.

Bài 4: So sánh sự giống và khác nhau giữa hai khái niệm là suất điện động và hiệu điện thế.

Lời giải:

- Giống nhau: đều là những đại lượng giúp đặc trưng cho khả năng thực hiện công.

- Khác nhau:

Suất điện động của một nguồn điện thể hiện khả năng sinh công của nguồn, công của lực lạ nhằm di chuyển được một điện tích dương từ cực âm tới cực dương của một nguồn điện (nghĩa là ngược chiều của điện trường).
Hiệu điện thế thể hiện sự chênh lệch giữa điện thế của hai điểm và là công thực hiện được giúp di chuyển một hạt điện tích ở trong trường tĩnh điện từ điểm này tới điểm kia.

Bài 5: Hình dưới đây thể hiện một số loại pin và ắc quy đang có mặt trên thị trường. Hãy tìm hiểu và trình bày một cách ngắn gọn về thông số của những loại pin và ắc quy này.

Lời giải:

Thông số trên các loại pin và ắc quy như sau:

- Pin kích thước AA (pin ở bên trái màu đỏ); có suất điện động là 1,5 V.

- Pin sạc Ni – MH (hay pin nickel – hydride kim loại): kích thước AA; suất điện động là 1,2 V với dung lượng 1 500 mAh.

- Pin Polymer Lithium: có suất điện động là 9 V với dung lượng 500 mAh.

- Pin sạc Li-ion (với thành phần chính là ion lithium); có suất điện động là 3,7 V với dung lượng 3 500 mAh.

- Acquy có suất điện động là 12 V với dung lượng 75 Ah.

Bài 6: Mắc hai cực của nguồn điện với một điện trở đi qua một chiếc khóa kí hiệu là K. Mắc hai đầu của một vôn kế vào hai cực của nguồn như hình dưới đây. Bằng lập luận, em hãy so sánh về số chỉ của vôn kế ở trong hai trường hợp khi khóa K đóng và khi khoá K mở.

Lời giải:

Khi khoá K mở, không xuất hiện dòng điện trong mạch, khi đấy vôn kế chỉ hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn cũng chính là suất điện động của nguồn. Khi khoá K đóng, xuất hiện dòng điện trong mạch, khi đấy vôn kế chỉ giá trị nhỏ hơn với trường hợp K mở dựa vào công thức: $\large U=\xi -Ir$ (vì có độ giảm thế của điện trở trong trong nguồn).

Bài 7: Em hãy giải thích tại sao lời khuyên khi cất pin là cần giữ pin ở nơi khô ráo và thoáng mát.

Lời giải:

Pin là một nguồn điện nên có cả cực âm(-) và cực dương(+), nếu để ở nơi ẩm ướt, khi tiếp xúc nhau thì hơi nước có trong không khí vô tình là một dây dẫn điện, hoặc cực - có thể tiếp xúc với cực + tạo ra một dòng điện khiến pin hư hỏng vì thế cần để pin ở một nơi khô ráo và không tiếp xúc nhau. Và độ ẩm có thể làm ảnh hưởng tới chất cấu tạo ở bên trong pin và sẽ làm tăng điện trở trong của pin đồng thời làm giảm suất điện động.

Bài 8: Cho mạch điện như hình phía dưới. Suất điện động = 10V, coi như điện trở trong của nguồn không đáng kể. Những giá trị điện trở lần lượt R₁ = 20, R₂ = 40 và R₃ = 50

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

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

Lời giải:

Ta thấy: R₁ // R₂ // R₃

Điện trở tương đương trong mạch là:

$\large \frac{1}{R_{td}}=\frac{1}{R_{1}}+\frac{1}{R_{2}}+\frac{1}{R_{3}}\Rightarrow R_{td}=\frac{200}{19}\Omega$

a) Cường độ dòng điện đi qua điện trở R₁ là:

$\large I_{1}=\frac{\xi }{R_{1}}=\frac{10}{20}=0,5(A)$

b) Cường độ dòng điện đi qua mạch điện chính là:

$\large I=\frac{\xi }{R_{td}}=\frac{10}{\frac{200}{19}}=0,95(A)$

Bài 9: Cho mạch điện như hình dưới đây. Những giá trị điện trở lần lượt là R1 = 20, R₂ = 4 và R₃ = 6. Suất điện động trong nguồn $\large \xi$ = 12V, với điện trở trong của nguồn là r = 0,6.

a) Tính điện trở trong đoạn mạch AB.

b) Tính cường độ dòng điện đi qua những điện trở R1, R₂ và R₃ cùng với hiệu điện thế giữa hai đầu của mỗi điện trở.

Lời giải:

Ta thấy R1 nối tiếp với R₂ và R₂ // R₃

a) Điện trở trong đoạn mạch AB là:

$\large R_{td}=R_{1}+\frac{R_{2}R_{3}}{R_{2}+R_{3}}=3+\frac{4.6}{4+6}=5,4\Omega$

b) Do R1 nt R₂ // R₃ cho nên cường độ dòng điện đi trong mạch chính bằng cường độ dòng điện đi qua R1 và bằng với cường độ dòng điện đi qua mạch R₂R₃ :

$\large I=I_{1}=I_{23}=\frac{\xi }{R_{td}+r}=\frac{12}{5,4+0,6}=2A$

Hiệu điện thế của mạch ngoài AB là:

$\large U=IR_{td}=10,8V$

Hiệu điện thế của hai đầu R1 là:

$\large U_{1}=I_{1}R_{1}=2.3=6V$

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

$\large U_{23}=U_{2}=U_{3}=U-U_{1}=10,8-6=4,8V$

Cường độ dòng điện đi qua R₂ là:

$\large \frac{U_{23}}{R_{2}}=\frac{4,8}{4}=1,2A$

Cường độ dòng điện đi qua R₃ là :

$\large \frac{U_{23}}{R_{3}}=\frac{4,8}{6}=0,8A$

Bài 10: Ghép nối tiếp một biến trở kí hiệu R với một điện trở R_o thành một bộ rồi nối hai đầu vào với hai cực của một nguồn điện không thay đổi. Khi điều chỉnh R, người ta đã thu được một đồ thị đường biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế của hai đầu biến trở vào cường độ dòng điện như hình phía dưới.

a) Xác định giá trị của suất điện động trong nguồn điện.
b) Xác định giá trị biến trở R tương ứng với điểm M trong đồ thị.

Lời giải:

a) Ta có: $\large U=\xi .R_{td}=R+R_{o}$

Từ đồ thị ta có thể thấy được khi cường độ dòng điện $\large \xi$ = 0 mà đồ thị cắt trục U(V) ở giá trị 12V nên có thể suy ra suất điện động của nguồn điện chính là 12V.

b) Từ đồ thị ta có thể thấy được dạng của đường biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế trong hai đầu biến trở vào cường độ dòng điện chính là: $\large U=12-2,5I$

Tại điểm M ta có : $\large I=1,6A\Rightarrow U=8V$

Vậy giá trị biến trở R tương ứng với điểm M là:

$\large R=\frac{U}{I}=5\Omega$

PAS VUIHOC – GIẢI PHÁP ÔN LUYỆN CÁ NHÂN HÓA

Khóa học online ĐẦU TIÊN VÀ DUY NHẤT:

⭐ Xây dựng lộ trình học từ mất gốc đến 27+

⭐ Chọn thầy cô, lớp, môn học theo sở thích

⭐ Tương tác trực tiếp hai chiều cùng thầy cô

⭐ Học đi học lại đến khi nào hiểu bài thì thôi

⭐ Rèn tips tricks giúp tăng tốc thời gian làm đề

⭐ Tặng full bộ tài liệu độc quyền trong quá trình học tập

Đăng ký học thử miễn phí ngay!!

Nguồn điện tuy là kiến thức cơ bản nhưng đòi hỏi ai cũng cần phải nắm vững lý thuyết để không mắc phải sai lầm trong những câu bài tập. Bởi vậy bài viết là toàn bộ những kiến thức về nguồn điện bao gồm cả phần lý thuyết lẫn những bài tập thường gặp có đáp án. Các em cùng tham khảo bài viết và tự ôn luyện bài viết này ở nhà. Nếu có bất cứ thắc mắc gì về kiến thức Vật lý 11 và cả các môn học khác, các em hãy truy cập ngay vào trang web Vuihoc.vn để đăng ký khoá học và được giải đáp thắc mắc từ các thầy cô giáo của VUIHOC nhé!

Tham khảo thêm:

⭐Bộ Sách Thần Tốc Luyện Đề Toán - Lý - Hóa THPT Có Giải Chi Tiết

>> Mời bạn xem thêm: