Nguồn điện – Suất điện động và điện trở trong | Vật lí 11

Phân biệt suất điện động với hiệu điện thế, tính mạch kín và ghép nguồn. Lý thuyết Vật lí 11, sơ đồ, ví dụ và bài tập nguồn điện có lời giải.

Mục tiêu: hiểu nguồn điện cấp năng lượng thế nào

Pin không tạo ra điện tích từ hư không. Pin dùng năng lượng hóa học để duy trì sự phân li điện tích và chênh lệch điện thế giữa hai cực. Khi nối tải thành mạch kín, điện tích chuyển động và nhận năng lượng từ nguồn rồi truyền năng lượng cho tải.

1. Nguồn điện và lực lạ

Nguồn điện tạo và duy trì chênh lệch điện thế để cấp dòng trong mạch kín. Tác nhân bên trong nguồn thực hiện công chống lại xu hướng cân bằng điện thế được gọi là lực lạ. Trong pin và ắc quy phát điện, tác nhân này gắn với phản ứng hóa học; trong máy phát điện, nó gắn với quá trình điện từ chuyển cơ năng thành điện năng.

Ở mạch ngoài, điện trường làm điện tích dịch chuyển có hướng. Nguồn bổ sung năng lượng, chứ không bổ sung một lượng điện tích thuần mới cho mạch.

2. Suất điện động khác hiệu điện thế như thế nào?

ℰ = ${\displaystyle \frac{A_{\text{nguồn}}}{q}}$ là công của lực lạ trên một đơn vị điện tích, đơn vị V = J/C. Từ đó A nguồn = ℰq = ℰIt nếu ℰ và I không đổi.

Số vôn ghi trên pin thường là điện áp danh định. Điện áp thực tế phụ thuộc trạng thái pin và tải. Khi đề cho mô hình ℰ bằng giá trị danh định, dùng đúng giả thiết đó. Ah đo điện lượng; muốn tính năng lượng còn cần điện áp hoặc suất điện động và mô hình biến thiên của nó.

3. Điện trở trong và định luật Ohm toàn mạch

Nguồn thực có điện trở trong r. Với nguồn đang phát điện cho tải thuần trở R, bỏ qua điện trở dây nối:

I = ${\displaystyle \frac{ℰ}{R+r}}$; U = IR = ℰ − Ir.

r tính bằng Ω; Ir là độ giảm điện thế trong nguồn. Khi hở mạch và không bị tải bởi dụng cụ đo, I = 0 nên U = ℰ. Khi phát điện với I > 0 và r > 0 thì U < ℰ. Khi nguồn đang được nạp, dòng vào cực dương và quan hệ theo độ lớn có thể là U = ℰ + Ir; không áp công thức phát điện cho mọi trường hợp.

Trong giới hạn đoản mạch R gần 0, I gần ${\displaystyle \frac{ℰ}{r}}$ và có thể rất lớn. Đây là mô hình để hiểu quá dòng, không phải thao tác cần thực hiện với pin.

4. Ghép nguồn trong mô hình mạch điện

Công thức song song đơn giản đòi hỏi các nguồn giống nhau và cùng cực tính. Nguồn không cùng suất điện động có thể tạo dòng tuần hoàn hoặc một nhánh nhận điện; khi ấy phải dùng phương trình dòng từng nhánh. Các bài ghép nguồn là mô hình tính toán, không mặc định mọi loại pin thực đều cho phép tự ghép hoặc nạp.

5. Quy trình giải mạch nguồn

1. Xác định cực tính và cách ghép nguồn, tính ℰb và rb.
2. Nhận dạng nút, tính R mạch ngoài; xét điện trở đồng hồ nếu được cho.
3. Tính I nguồn = ${\displaystyle \frac{ℰb}{R+rb}}$, rồi U = ℰb − Irb.
4. Tính dòng nhánh, điện áp phần tử. Kiểm tra tổng dòng tại nút và tổng sụt áp quanh vòng.

6. Ví dụ có lời giải

Ví dụ 1: Từ công đến điện lượng

Nguồn ℰ = 12 V thực hiện công 6 J: q = ${\displaystyle \frac{A}{ℰ}}$ = 0,5 C. Nếu nguồn cấp dòng 2 A thì thời gian tương ứng là ${\displaystyle \frac{q}{I}}$ = 0,25 s.

Ví dụ 2: Phân biệt U và ℰ

Điện trở ngoài 6 Ω có U = 12 V, nguồn có r = 1 Ω.

1. I = ${\displaystyle \frac{U}{R}}$ = ${\displaystyle \frac{12}{6}}$ = 2 A.
2. ℰ = U + Ir = 12 + 2×1 = 14 V.
3. Không dùng ${\displaystyle \frac{12}{6+1}}$, vì 12 V là điện áp mạch ngoài, không phải suất điện động.

Ví dụ 3: Ba pin đổi cách ghép

Ba pin giống nhau nối tiếp thành bộ 7,5 V và 3 Ω. Mỗi pin có ℰ = 2,5 V và r = 1 Ω. Ghép song song cùng cực, bộ mới có ℰb = 2,5 V; rb = ${\displaystyle \frac{1}{3}}$ Ω.

Ví dụ 4: Vôn kế có điện trở hữu hạn

Nguồn (2 V; 1 Ω) cấp cho R₁ = 10 Ω nối tiếp R₂ = 10 Ω, vôn kế RV = 10 Ω mắc song song R₂.

1. R₂V = ${\displaystyle \frac{10\times 10}{10+10}}$ = 5 Ω.
2. I = ${\displaystyle \frac{2}{10+5+1}}$ = 0,125 A.
3. Số chỉ vôn kế = U₂V = 0,125×5 = 0,625 V. Vôn kế đã làm thay đổi tải, nên không được coi lí tưởng.

Ví dụ 5: Đọc đồ thị nguồn

Bộ nguồn có U = 9 V khi I = 0 và U = 3 V khi I = 2 A. Từ U = ℰb − rbI: ℰb = 9 V; rb = ${\displaystyle \frac{9-3}{2}}$ = 3 Ω. Nếu bộ gồm ba pin nối tiếp giống nhau, mỗi pin có ℰ = 3 V và r = 1 Ω.

7. Lỗi thường gặp và tự kiểm tra

• Bỏ quên r khi tính dòng toàn mạch.
• Cộng suất điện động khi các nguồn mắc song song.
• Nhầm dung lượng mAh với năng lượng Wh.
• Tính điện áp giữa hai điểm mà bỏ qua thứ tự: UAB = VA − VB.