Suất điện động

Khái niệm: Suất điện động $\mathcal{E}$ của nguồn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện, được đo bằng thương số giữa công $A$ của lực lạ thực hiện khi dịch chuyển một điện tích dương $q$ ngược chiều điện trường bên trong nguồn điện và độ lớn của điện tích $q$ đó.

Chú thích:

$\mathcal{E}$: suất điện động $(V, J/C)$

$A$: công của lực lạ $\left(J\right)$

$q$: độ lớn của điện tích $\left(C\right)$

Điện trở trong của nguồn điện: Nguồn điện cũng là một vật dẫn và cũng có điện trở. Điện trở này được gọi là điện trở trong của nguồn điện.

Ký hiệu: $r$ $\left(\Omega \right)$

Phát biểu: Công của nguồn điện bằng điện năng tiêu thụ trong toàn mạch.

Chú thích: 

$A_{ng}$: công của nguồn điện $\left(J\right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn điện $\left(V\right)$

$q$: điện lượng $\left(C\right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$t$: thời gian (s)

Phát biểu: Công suất ${\mathcal{P}}_{ng}$ của nguồn điện đặc trưng cho tốc độ thực hiện công của nguồn điện đó và được xác định bằng công của nguồn điện thực hiện trong một đơn vị thời gian. Công suất này cũng chính bằng công suất tiêu thụ điện năng của toàn mạch.

Chú thích:

${\mathcal{P}}_{ng}$: công suất của nguồn điện $\left(W\right)$

$A_{ng}$: công của nguồn điện $\left(J\right)$

$t$: thời gian $\left(s\right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn $\left(V\right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

Phát biểu: Suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tổng các độ giảm điện thế ở mạch ngoài và mạch trong.

Chú thích:

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn điện $\left(V\right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$R_N$: điện trở tương đương của mạch ngoài $\left(\Omega \right)$

$r$: điện trở trong của nguồn điện $\left(\Omega \right)$

Phát biểu định luật Ohm đối với toàn mạch: Cường độ dòng điện chạy trong mạch điện kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch đó.

Chú thích: 

$I$: cường độ dòng điện trong mạch kín $\left(A\right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn điện $\left(V\right)$

$R_N$: điện trở tương đương của mạch ngoài $\left(\Omega \right)$

$r$: điện trở trong của nguồn điện $\left(\Omega \right)$

Cường độ dòng điện đạt giá trị lớn nhất khi điện trở mạch ngoài không đáng kể ($R_N$=0), lúc này $I_m=\frac{\mathcal{E}}{r}$. Khi đó ta nói rằng, nguồn điện bị đoản mạch.

Tích của cường độ dòng điện chạy qua một đoạn mạch và điện trở của nó được gọi là "độ giảm điện thế" trên đoạn mạch đó. Kết quả các thí nghiệm cho thấy, suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tổng các độ giảm điện thế ở mạch ngoài và mạch trong:

$\mathcal{E}=I.(R_N+r)=I{R}_N+Ir$

Định luật Ohm đối với toàn mạch hoàn toàn phù hợp với định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.

Phát biểu: Hiện tượng đoản mạch xảy ra khi nối hai cực của một nguồn điện chỉ bằng dây dẫn có điện trở rất nhỏ (tức $R_N\approx 0$). Khi đoản mạch, dòng điện chạy qua mạch có cường độ lớn và có hại.

Chú thích:

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn điện $\left(V\right)$

$r$: điện trở trong của nguồn điện $\left(\Omega \right)$

Hiện tượng đoản mạch: 

Trong đời sống, hiện tượng đoản mạch ở mạch điện thông thường có thể dẫn đến đứt cầu chì, gây cháy nổ và làm hư hỏng các thiết bị điện. Thậm chí, gây nguy hiểm đến con người nếu ở gần, có thể gây bỏng hoặc thiệt hại đến tính mạng (do cường độ dòng điện trong mạch tăng lên quá lớn nên tỏa ra nhiệt lượng rất cao).

Biện pháp phòng trách hiện tượng đoản mạch (ngắn mạch):

- Khi không sử dụng thiết bị điện cần tắt hoàn toàn, an toàn hơn thì hãy rút phích cắm khỏi nguồn điện.

- Sử dụng dây dẫn điện có tiết diện phù hợp với dòng điện. Lắp cầu chì ở mỗi công tắc để ngắt mạch ngay khi cường độ dòng điện qua cầu chì quá lớn.

- Hạn chế các tác nhân ảnh hưởng đến nguồn điện trong gia đình như va đập cơ học, nhiệt độ môi trường cao. Lắp đặt công tắc điện ở vị trí thông thoáng, trách các khu vực ẩm ướt hoặc nhiệt độ cao như nhà vệ sinh hoặc khu vực bếp nấu nướng.

Chú thích:

$U_N$: hiệu điện thế của mạch ngoài $\left(V\right)$

$I$: cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$R_N$: điện trở tương đương của mạch ngoài $\left(\Omega \right)$

$r$: điện trở trong của nguồn $\left(\Omega \right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn $\left(V\right)$

Phát biểu:

- Suất điện động ${\mathcal{E}}_b$ của bộ nguồn ghép nối tiếp bằng tổng các suất điện động của các nguồn có trong bộ.

- Điện trở trong $r_b$ của bộ nguồn điện ghép nối tiếp bằng tổng các điện trở trong của các nguồn có trong bộ.

Chú thích:

$\mathcal{E}$: suất điện động của nguồn điện $\left(V\right)$

$r$: điện trở trong của nguồn điện $\left(\Omega \right)$

Với $n$ là số nguồn được ghép nối tiếp trong bộ nguồn.

Ưu điểm và khuyết điểm của ghép nối tiếp:

Ghép nối tiếp lợi về sức điện động nhưng thiệt về nội trở. 

Lưu ý thêm:

Trong trường hợp tất cả các pin đang ghép là cùng 1 loại duy nhất. Ta có:

${\mathcal{E}}_b=n.\mathcal{E} và r_b=n.r$

Bên trong viên pin 9V bản chất là 6 viên pin 1,5V được ghép nối tiếp lại với nhau.

Phát biểu: Bộ nguồn song song là bộ nguồn gồm $n$ nguồn điện giống nhau được ghép song song với nhau.

- Khi mạch ngoài hở, hiệu điện thế $U_{AB}$ bằng suất điện động của mỗi nguồn và bằng suất điện động của bộ nguồn.

- Điện trở trong của bộ nguồn là điện trở tương đương của $n$ điện trở $r$ mắc song song.

Chú thích:

${\mathcal{E}}_b$: suất điện động của bộ nguồn $\left(V\right)$

$r_b$: điện trở trong của bộ nguồn $\left(\Omega \right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của mỗi nguồn điện thành phần $\left(V\right)$

$r$: điện trở trong của mỗi nguồn điện thành phần $\left(\Omega \right)$

Với $n$ là số nguồn giống nhau được ghép song song trong bộ nguồn.

Ưu điểm và khuyết điểm của ghép song song:

Ghép song song lợi về nội trở nhưng thiệt về sức điện động.

Phát biểu: Bộ nguồn hỗn hợp đối xứng là bộ nguồn gồm $n$ dãy ghép song song với nhau, mỗi dãy gồm $m$ nguồn điện giống nhau ghép nối tiếp.

Chú thích: 

${\mathcal{E}}_b$: suất điện động của bộ nguồn $\left(V\right)$

$r_b$: điện trở trong của bộ nguồn $\left(\Omega \right)$

$\mathcal{E}$: suất điện động của mỗi nguồn điện thành phần $\left(V\right)$

$r$: điện trở trong của mỗi nguồn điện thành phần $\left(\Omega \right)$

Với $n$ là số dãy ghép song song và $m$ là số nguồn điện giống nhau ghép nối tiếp trên mỗi dãy.

Ưu điểm và khuyết điểm của ghép các bộ nguồn thành hỗn hợp đối xứng:

Ghép hỗn hợp đối xứng lợi về nội trở lẫn suất điện động nhưng thiệt về chi phí.

Cách ghép hỗn hợp đối xứng trong thực tế. 

Cách ghép hỗn hợp đối xứng trong thực tế. Ảnh chụp tại hải đăng Nam Du.

$I_{AB}$ dòng điện trên đoạn AB

$U_{AB}$ hiệu điện thế giữa hai đầu AB

Ta chọn chiều dòng điện A đến B

Nếu dòng điện đi vào cực dương thì ta lấy $-\mathcal{E}$ và ngược lại ta lấy $+\mathcal{E}$.

Khi tính toán: $I>0$ thì dòng điện đúng chiều ban đầu chọn và ngược lại $I<0$ thì ngược chiều so với chiều đã chọn.

Ứng dụng: Dùng để tính hiệu điện thế giữa hai điểm.

Công suất tiêu thụ trên mạch ngoài:

$P = R{I}^2 = R.{\left(\frac{\mathcal{E}}{R\hspace{0.17em}+ r}\right)}^2 = \frac{R.{\mathcal{E}}^2}{R^2 + 2Rr + r^2}=\frac{{\mathcal{E}}^2}{\left(R + {\displaystyle \frac{r^2}{R}}\right) + 2r}$

Áp dụng bất đẳng thức Cauchy:

$$\begin{gathered} R + \frac{r^2}{R}\ge 2\sqrt{R . \frac{r^2}{R}} \\ \Rightarrow R + \frac{r^2}{R}\ge 2r \end{gathered}$$

Vậy $P_{max} = \frac{{\mathcal{E}}^2}{4r}$

Dấu “=” xảy ra khi $R = \frac{r^2}{R}\Rightarrow R = r$

=> Nếu R = r thì công suất tiêu thụ ở mạch ngoài là cực đại.