Điện học

Nhấn công tắc thì đèn sáng. Sau khoảnh khắc đó là một chuỗi quá trình: điện tích bị đẩy bởi hiệu điện thế, đi qua dây dẫn và linh kiện, truyền năng lượng từ nhà máy điện đến bóng đèn. Tài liệu tham khảo này bao gồm AQA GCSE Vật lý 8463, chủ đề 4.2 Điện.

Bắt đầu với một câu hỏi đơn giản: một pin, công tắc và đèn tạo thành một mạch nối tiếp. Tại sao mở công tắc lại ngăn dòng điện liên tục? Khi đóng công tắc, đèn có tiêu thụ hết điện tích?

Công tắc phải hoàn thành một đường dẫn điện, và pin cung cấp hiệu điện thế. Trong vòng nối tiếp ổn định, dòng điện trước và sau bóng đèn như nhau. Bóng đèn chuyển giao năng lượng; điện tích không bị tiêu thụ. Các phép tính sau liên kết $Q=It$, $E=QV$, $P=VI$ và $E=Pt$.

Tài liệu tham khảo này sử dụng ký hiệu mạch tiêu chuẩn và Tờ công thức Vật lý khi được cung cấp cho kỳ thi. Hãy sử dụng tờ công thức phát hành cho kỳ thi của bạn; luyện tập cách chọn và biến đổi công thức thay vì giả định rằng mọi đề thi tương lai đều có cùng hỗ trợ. AQA sử dụng “hiệu điện thế” trong câu hỏi và chấp nhận việc sử dụng đúng “voltage”. Điện tĩnh và điện trường là nội dung chỉ dành cho vật lý.

Sơ đồ mạch sử dụng ký hiệu tiêu chuẩn. Hãy nhớ những ký hiệu này: pin, bình pin, công tắc (mở, đóng), đèn, điện trở, biến trở, ampe kế, vôn kế, diode, LED, nhiệt điện trở, LDR và cầu chì. Ampe kế mắc nối tiếp; vôn kế mắc song song qua linh kiện.

Để điện tích chảy qua, mạch phải khép kín và bao gồm nguồn tạo hiệu điện thế. Dòng điện là sự chuyển động của điện tích, và độ lớn của nó là tốc độ dòng chảy:

• $Q$ lượng điện tích chảy qua tính bằng coulomb, C; $I$ cường độ dòng điện tính bằng ampe, A; $t$ thời gian tính bằng giây, s.
• Cường độ dòng điện có cùng giá trị tại mọi điểm trong một mạch nối tiếp đơn.
• Dòng điện quy ước chạy từ + đến −; electron di chuyển theo chiều ngược lại.

Lý luận hướng dẫn: điện tích không phải là dòng điện

Giáo viên viết: 4.0 C đi qua một điểm trong 2.0 s trong mạch nối tiếp ổn định. Dòng điện là dòng điện tích mỗi giây:

Một ampere nghĩa là một coulomb mỗi giây. Cùng một 4.0 C đi qua một điểm khác của vòng quay ổn định đó trong cùng 2.0 s. Nếu cùng một điện tích mất 4.0 s thay vì vậy:

Gấp đôi thời gian đối với cùng một lượng điện tích sẽ làm giảm một nửa dòng điện.

Bài tập thực hành dòng điện: thử trước khi xem đáp án

Do giáo viên soạn: một bộ sạc cung cấp dòng điện không đổi 0.90 A trong 25 phút. Tính điện tích theo coulomb, sau đó dự đoán tác động của việc tăng gấp đôi thời gian với cùng cường độ dòng điện.

Kiểm tra: hãy dùng đơn vị giây, vì ampe đo coulomb trên giây.

Gấp đôi thời gian sẽ cho gấp đôi điện tích, khi cường độ dòng điện không đổi.

Tính toán đề thi thực tế: tìm cường độ dòng điện từ dòng điện tích

AQA GCSE Physics Tháng Sáu 2024 Giấy 1H Câu10.3 cho biết dây cầu chì nóng chảy khi 2.0 C đi qua trong 400 ms. Hãy tính cường độ dòng điện trước khi kiểm tra đáp án.

Kiểm tra: khi đã có điện tích và thời gian, hãy sử dụng $Q=It$, biến đổi để tìm cường độ dòng điện.

Kết quả này phù hợp với phương án chấm chính thức. Mở rộng do giáo viên soạn: nếu coi 400 ms là 400 s thì mẫu số sẽ lớn hơn 1000 lần và cường độ dòng điện nhỏ hơn 1000 lần. Hãy kiểm tra đơn vị thời gian trước khi thay số vào công thức.

Cường độ dòng điện qua một linh kiện phụ thuộc vào cả hiệu điện thế đặt lên nó và điện trở của linh kiện đó:

• $V$ là hiệu điện thế tính bằng volt (V); $I$ là cường độ dòng điện tính bằng ampe (A); $R$ là điện trở tính bằng ohm (Ω).
• Điện trở càng lớn thì cường độ dòng điện càng nhỏ với cùng một mức hiệu điện thế.

Ví dụ minh họa. Hiệu điện thế 0.45 V tạo ra dòng điện 0.0075 A đi qua đồng xu. Tìm điện trở của đồng xu.

• Đã biết: $V$ và $I$; sắp xếp lại công thức trước khi thay số.
  $$R = \frac{V}{I} = \frac{0.45\ \text{V}}{0.0075\ \text{A}} = 60\ \Omega$$

Thực hành bắt buộc 3: điện trở của dây dẫn và tổ hợp điện trở

Gắn một đoạn dây dẫn (nichrome hoặc constantan) dọc theo thước mét. Đo chiều dài mong muốn giữa hai điểm tiếp xúc thực tế của kẹp cố định và kẹp di chuyển. Ampe kế được mắc nối tiếp với đoạn dây đó; vôn kế được mắc song song với hai điểm tiếp xúc tương ứng.

Sử dụng hiệu điện thế thấp và tắt nguồn giữa các lần đọc để hạn chế nhiệt sinh. Chỉ thay đổi chiều dài: giữ nguyên vật liệu dây, tiết diện ngang và nhiệt độ không đổi. Với mỗi chiều dài, ghi lại hiệu điện thế đo được và dòng điện, sau đó tính $R = V/I$. Lặp lại các lần đọc và tìm hiểu các kết quả không nhất quán.

Ví dụ, những dữ liệu lý tưởng do giáo viên soạn dưới đây minh họa cho phép tính; chúng không phải là số liệu thực nghiệm:

Ở nhiệt độ không đổi, đối với cùng một vật liệu và tiết diện, điện trở tỷ lệ thuận trực tiếp với chiều dài dây. Vẽ đồ thị điện trở tính toán theo chiều dài; một đường thẳng đi qua gốc tọa độ sẽ hỗ trợ mối quan hệ này. Hiệu điện thế đo được không cần giống hệt nhau ở mỗi chiều dài, nên hãy tính điện trở riêng cho từng cặp số liệu đo.

Giao điểm khác 0 cần được kiểm tra. Hãy đảm bảo chiều dài đã được đo giữa các điểm tiếp xúc; điện trở tiếp xúc và điện trở dây dẫn cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả. Đừng ép đồ thị đi qua gốc tọa độ hay trừ bỏ mọi giao điểm như một sai số không mà chưa xác định nguyên nhân.

Trong phần thứ hai của thực hành này, mắc hai điện trở bằng nhau nối tiếp, sau đó mắc song song. Với ampe kế đo tổng dòng điện và vôn kế đo across cả tổ hợp, hãy đo hiệu điện thế tổng và dòng điện tổng rồi tính điện trở tổng. So sánh với một điện trở: nối tiếp có điện trở tổng lớn hơn; nối song có điện trở tổng nhỏ hơn. Đối với hai điện trở 10 Ω bằng nhau, giá trị lý tưởng là 20 Ω khi mắc nối tiếp và 5 Ω khi mắc song song. Kết quả mắc song có thể được giải thích dựa trên việc dòng điện tổng tăng gấp đôi ở cùng hiệu điện thế, mà không cần dùng công thức nghịch đảo điện trở.

Thí nghiệm bắt buộc 4 đo dòng điện qua điện trở, bóng đèn sợi đốt và diốt ở nhiều mức hiệu điện thế đo được khác nhau trên mỗi linh kiện. Nối ampe kế nối tiếp và vôn kế song song với linh kiện. Biến đổi hiệu điện thế bằng nguồn một chiều biến thiên, hoặc điện trở biến nối tiếp. Bắt đầu từ không và nằm trong giới hạn định mức của linh kiện. Ghi lại các cặp số liệu trong khoảng phù hợp; lặp lại và tìm hiểu các số liệu không nhất quán. Tắt nguồn trước khi đảo ngược kết nối nguồn để lấy giá trị âm, sử dụng đồng hồ có thể đọc độ phân cực đảo ngược. Vẽ dòng điện theo phương dọc và hiệu điện thế theo phương ngang.

Đối với cuộc điều tra bóng đèn trong AQA Tháng Sáu 2023 8463/1H Câu06.1, Hình 6 bao gồm dải từ −6 V đến +6 V với các điểm đọc tại các khoảng 1 V. Thu thập các giá trị dương, sau đó đảo ngược nguồn để lấy các giá trị âm; các cài đặt này thuộc về cuộc điều tra bóng đèn cụ thể đó, chứ không phải mọi loại linh kiện có thể.

Đối với diode, hãy sử dụng điện trở bảo vệ phù hợp mắc nối tiếp để giới hạn dòng điện và máy đo miliampe để đo dòng điện nhỏ. Điện trở bảo vệ, chứ không phải máy đo miliampe, mới là thiết bị bảo vệ diode. Đo hiệu điện thế (pd) chỉ trên bản thân diode, loại bỏ điện trở bảo vệ. Giữ cho điện trở thuần có nhiệt độ gần như không đổi; sự thay đổi nhiệt độ dây tóc của bóng đèn là một phần của hiện tượng đang được khảo sát.

• Dẫn điện ôhm (điện trở cố định ở nhiệt độ không đổi): cường độ dòng điện tỉ lệ thuận với hiệu điện thế; điện trở không đổi. Đồ thị là đường thẳng đi qua gốc tọa độ.
• Bóng đèn dây tóc: điện trở tăng khi nhiệt độ dây tóc tăng. Dòng điện tăng không tỷ lệ thuận với hiệu điện thế (pd), nên đường cong I–V dẹt dần ra xa gốc tọa độ theo cả hai hướng.
• Diode: dẫn điện theo chiều thuận; dòng ngược không đáng kể trong mô hình này, do đó điện trở ngược rất cao. Đừng giả định mọi diode đều có cùng điện áp thuận chính xác.

Tại điểm hoạt động đã chọn, tính điện trở theo $R=V/I$. Trên đồ thị biểu diễn dòng điện theo điện áp, điện trở không phải là độ dốc. Đối với đường thẳng đi qua gốc tọa độ, độ dốc là $I/V=1/R$; đối với đặc tuyến cong, hãy sử dụng tọa độ của điểm đã chọn, thay vì độ dốc của tiếp tuyến.

Ví dụ minh họa, điều chỉnh từ AQA tháng Sáu 2023 8463/1H Q06.2. Tại +3.0 V, đồ thị bóng đèn chính thức cho khoảng 0.16 A:

Tại 6.0 V, đề bài cũng đưa ra 0.21 A (Q06.3). Là phần mở rộng dành cho giáo viên, hãy so sánh điện trở:

Điện trở lớn hơn phù hợp với dây tóc nóng hơn: sự dao động mạng tinh thể tăng lên làm chuyển động của electron gặp khó khăn hơn. Dòng điện vẫn tăng, nhưng theo tỷ lệ nhỏ hơn so với hiệu điện thế (pd).

• Nhiệt điện trở (Thermistor): ở loại yêu cầu ở đây, điện trở giảm khi nhiệt độ tăng — được dùng làm cảm biến nhiệt độ trong bộ điều khiển nhiệt.
• LDR: điện trở giảm khi cường độ ánh sáng tăng — được dùng làm cảm biến ánh sáng trong mạch chiếu sáng tự động.

Một cảm biến không tự nó quy định thời điểm thiết bị bật. Ví dụ, bộ điều khiển được cài đặt để bật bóng đèn khi điện trở LDR cao sẽ bật nó trong bóng tối. Bộ điều khiển làm mát có thể được sắp xếp để bật khi điện trở nhiệt điện trở giảm do nhiệt độ tăng. Hãy nêu quy tắc bộ điều khiển đã cho và theo dõi sự thay đổi thông qua nó. Chỉ khi cùng hiệu điện thế (pd) đặt lên cảm biến thì điện trở giảm mới ngụ ý dòng điện tăng theo $I=V/R$; nguồn cố định không đảm bảo hiệu điện thế (pd) trên cảm biến không đổi trong mạch nối tiếp.

Trong mạch nối tiếp, các thành phần chia sẻ một vòng khép kín không phân nhánh. Trong mạch song song, các thành phần được kết nối trên các nhánh riêng biệt giữa cùng hai nút giao. Hãy theo dõi các đường đi này trong sơ đồ trước khi áp dụng các quy tắc về dòng điện và hiệu điện thế.

Đối với các linh kiện mắc nối tiếp:

• Cường độ dòng điện qua mỗi linh kiện là như nhau;
• Hiệu điện thế nguồn được chia sẻ giữa các linh kiện;
• Điện trở tổng bằng tổng cộng: $R_{total} = R_1 + R_2$.

Đối với các linh kiện mắc song song:

• Hiệu điện thế đặt lên mỗi linh kiện là như nhau;
• Cường độ dòng điện tổng bằng tổng cộng các dòng điện nhánh;
• Điện trở tổng của hai điện trở luôn nhỏ hơn điện trở đơn lẻ nhỏ nhất.

Bạn phải giải thích cả hai chiều: việc thêm điện trở vào mạch nối tiếp tạo thêm sự cản trở trong cùng một đường dẫn dẫn điện không phân nhánh, do đó tổng điện trở tăng; trong mạch song song, mỗi điện trở mở ra một đường dẫn bổ sung cho điện tích, nên nhiều dòng điện hơn chạy qua cho cùng một hiệu điện thế và tổng điện trở giảm.

Bạn không cần tính toán điện trở tương đương của hai điện trở mắc song song — chỉ cần so sánh và giải thích.

Ví dụ đã giải. Một pin 6.0 V dẫn dòng qua bóng đèn nối tiếp với điện trở biến được thiết lập ở 6.0 Ω. Bóng đèn có điện trở 12 Ω tại điểm hoạt động này.

• Đã biết: hiệu điện thế nguồn và cả hai điện trở tại điểm hoạt động này. Giữ nguyên giá trị dòng điện chưa làm tròn khi tìm phần chia điện áp.

Các phần chia cộng lại thành 6.0 V. Phần chia bằng nhau chỉ xảy ra khi các điện trở bằng nhau tại điểm hoạt động; các thành phần nối tiếp không luôn chia điện áp đều nhau.

So sánh viết bởi giáo viên với điện trở cố định. Hai điện trở 8.0 Ω được kết nối với nguồn lý tưởng 12 V. Trong mạch nối tiếp, $R_{total}=R_1+R_2=16\ \Omega$ và $I=V/R_{total}=0.75\ \text{A}$; mỗi điện trở có $V=IR=6.0\ \text{V}$. Trong mạch song song, mỗi nhánh có 12 V, nên dòng điện mỗi nhánh là $I=V/R=1.5\ \text{A}$ và $I_{total}=I_1+I_2=3.0\ \text{A}$. Thêm một điện trở song song nữa sẽ tạo thêm một đường dẫn dòng điện và tăng tổng dòng điện ở cùng hiệu điện thế nguồn. Không cần công thức nghịch đảo điện trở ở đây.

Đối với các nhánh song song độc lập trên nguồn có hiệu điện thế (pd) không đổi lý tưởng, việc ngắt một nhánh sẽ dừng dòng điện trong nhánh đó; nhánh khác vẫn giữ nguyên hiệu điện thế (pd). Việc ngắt đường nối duy nhất sẽ dừng dòng điện qua cả hai thành phần. Nếu hiệu điện thế (pd) nguồn thay đổi dưới tải, đừng giả định dòng điện của nhánh kia không thay đổi.

Ví dụ giải tích hợp, điều chỉnh từ AQA tháng 6 2024 8463/1H Q05.5. Tại 20 °C, đồ thị nhiệt điện trở của câu hỏi cho khoảng 80 Ω. Nó mắc nối tiếp với điện trở cố định 400 Ω qua nguồn 12 V. Tính hiệu điện thế giữa hai đầu nhiệt điện trở.

Điện trở cố định nhận phần còn lại 10 V. Ví dụ này sử dụng giá trị đọc từ đồ thị đã cung cấp ở trên; đề thi hoàn chỉnh cũng yêu cầu đọc điện trở đó từ đồ thị. Hiệu điện thế nguồn không đổi không có nghĩa là hiệu điện thế giữa hai đầu nhiệt điện trở bằng hiệu điện thế nguồn.

Nguồn điện lưới nhà nước Anh là xoay chiều (ac): hiệu điện thế liên tục thay đổi cực tính. Tần số của nó là 50 Hz, nghĩa là 50 chu kỳ đầy đủ mỗi giây, và hiệu điện thế được ghi chú là khoảng 230 V. Pin cung cấp hiệu điện thế trực lưu (dc) với một cực tính duy nhất. Hiệu điện thế trực lưu không cần phải hoàn toàn không đổi về độ lớn; hướng của nó không bị đảo ngược.

Nhớ lại đề thi thực tế: AQA Tháng 6 2024 8463/1H Q05.1 yêu cầu tần số và hiệu điện thế lưới điện Anh: 50 Hz và 230 V tương ứng. Năm mươi chu kỳ mỗi giây không có nghĩa là chỉ năm mươi lần thay đổi hướng mỗi giây: một chu kỳ hình sin bao gồm một nửa chu kỳ dương và một nửa chu kỳ âm.

Trung tính và đất có chức năng khác nhau dù thường đều gần mức điện thế đất. Trung tính mang dòng tải bình thường; dây đất bảo vệ cung cấp đường đi cho dòng sự cố.

Tại sao công tắc mở không khiến toàn bộ dây công trình an toàn

Công tắc mở ngăn dòng điện đi qua bóng đèn trong mạch lý tưởng này. Điểm A vẫn được nối với nguồn pha, khoảng 230 V so với đất. Một người tạo ra kết nối dẫn điện từ điểm pha này xuống đất có thể bị điện giật. Đừng suy luận rằng từ một thiết bị không sáng thì mọi bộ phận của mạch đều cách ly. Điều này không có nghĩa là điểm B sau công tắc pha mở được đấu đúng cũng phải vẫn mang điện.

Nguy hiểm phụ thuộc vào dòng điện qua cơ thể, đường đi và thời gian. Cơ thể người không phải dây dẫn không điện trở, nhưng dòng điện nhỏ hơn nhiều so với định mức cầu chì thiết bị thông thường vẫn có thể gây thương tích nghiêm trọng. Cầu chì thiết bị không đảm bảo an toàn khi chạm vào dây công trình.

Dây đất bảo vệ và cầu chì trong sự cố vỏ kim loại

Đối với mô hình sự cố lớp học, giả sử dây công trình chạm vào vỏ kim loại lộ ra có kết nối đất bảo vệ tốt. Dây đất cung cấp đường đi sự cố có điện trở thấp; dòng điện lớn sinh ra làm nóng và làm tan chảy cầu chì được định mức phù hợp trong dây công trình, ngắt nguồn công trình. Không có kết nối đất đó, vỏ có thể trở nên mang điện mà không đủ dòng để kích hoạt cầu chì. Bảo vệ của cầu chì chống quá dòng khác với tuyên bố rằng mọi dòng điện giật có thể đều sẽ làm nó cháy.

Evaluate a broken-neutral fault

Mẫu lý tưởng do giáo viên viết: một bóng đèn được nối vào nguồn điện một pha gồm dây nóng và dây trung hòa. Dây trung hòa bị đứt đoạn giữa bóng đèn và nguồn. Đầu nối trung hòa phía sau vẫn kết nối với dây nóng thông qua bóng đèn; không có đường hồi nào khác. Không có dòng điện tải bình thường nào chảy, nhưng đầu nối trung hòa phía sau đó có thể mang điện thế của dây nóng.

Mẫu lý tưởng này giải thích hiện tượng bóng đèn không sáng nhưng đầu nối phía sau vẫn nguy hiểm. Cả hai đầu nối của bóng đèn đều ở mức điện thế xấp xỉ bằng nhau, nên điện áp trên bóng đèn gần bằng không; tuy nhiên, mỗi đầu nối vẫn có thể có điện áp lớn so với đất. Việc gán đồng thời 230 V cho cả điện áp trên bóng đèn lý tưởng không sáng này và điện áp từ mỗi đầu nối của nó xuống đất trong mô hình một pha đã nêu là không nhất quán.

Các thiết bị điện chuyển năng lượng từ pin hoặc lưới điện. Động cơ chuyển năng lượng cơ học sang vật thể chuyển động; máy sưởi chuyển năng lượng vào kho nhiệt năng của môi trường xung quanh. Công suất là tốc độ truyền năng lượng: 1 W nghĩa là 1 J mỗi giây. Định mức chỉ ra tốc độ này tại hiệu điện thế hoạt động quy định; nó không phải là tổng năng lượng tiêu thụ.

Sử dụng giây với watt để thu được joule. Sử dụng ampe, vôn, ohm và coulomb với các phương trình này. Đối với mô hình điện trở, thay thế $V=IR$ vào $P=VI$ cho ra $P=(IR)I=I^2R$. Nếu dòng điện chưa biết, biến đổi $I^2=P/R$ và lấy căn bậc hai: $I=\sqrt{P/R}$, không phải $P/R$.

Ví dụ hướng dẫn — AQA Tháng Sáu 2023 8463/1H Q06.3. Một bóng đèn có dòng điện 0.21 A ở hiệu điện thế 6.0 V trong 30 phút. Tính năng lượng đã truyền. Dòng điện và điện áp cho công suất; công suất và thời gian cho năng lượng.

Chuyển đổi thời gian: $30\ \text{min}=30\times60\ \text{s}=1800\ \text{s}$.

Cách tiếp cận thay thế sử dụng điện tích. Cùng một dòng điện và thời gian sẽ tạo ra điện tích; mỗi coulomb sẽ truyền 6.0 J đi qua bóng đèn.

Cả hai cách đều tương đồng và được chấp nhận trong phương án chính thức. Giữ nguyên giá trị trung gian cho đến khi có đáp án cuối cùng; ghi J cho năng lượng, không phải W.

Ví dụ đã giải — AQA tháng 6 2025 8463/1H Q09.2. Đề bài cho công suất bơm-motor là 4.86 W và điện trở là 6.0 Ω, yêu cầu tính lượng điện tích di chuyển trong 30 phút. Sử dụng mô hình $P=I^2R$ mà đề bài quy định; đây không phải là khẳng định chung rằng toàn bộ điện năng đầu vào vào motor đang chạy thực tế đều thành nhiệt do điện trở. Công suất và điện trở cho ta dòng điện; dòng điện và thời gian cho ta lượng điện tích.

So sánh định mức công suất — do giáo viên viết. Hai thiết bị truyền cùng một lượng năng lượng đầu vào là 120 kJ với công suất không đổi lần lượt là 1.0 kW và 2.0 kW. Chuyển 120 kJ sang 120 000 J và chuyển kW sang W trước khi sử dụng $t=E/P$.

Trong cùng một khoảng thời gian, thiết bị 2.0 kW chuyển hai lần năng lượng. Với mức năng lượng đầu vào bằng nhau đã nêu, nó chỉ mất một nửa thời gian. Một công suất định mức lớn hơn không tự động chứng minh việc tiêu thụ năng lượng hoặc chi phí tổng thể cho một công việc cao hơn: thời gian và, đối với công dụng hữu ích, hiệu suất đều quan trọng. Đối với cùng một vật liệu và lượng nước, công suất gia nhiệt hữu ích lớn hơn làm tăng nhiệt độ nhanh hơn khi các tổn thất tương đương.

Lưới điện quốc gia truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến người dùng thông qua dây cáp và máy biến áp.

Máy biến áp tăng áp nâng cao hiệu điện thế trước khi truyền tải. Đối với cùng một công suất đi vào đường dây, hiệu điện thế ở đầu phát cao hơn có nghĩa là dòng điện nhỏ hơn: $I=P_{\text{in}}/V$. Với cùng điện trở dây cáp, tổn thất nhiệt $P_{\text{loss}}=I^2R$ sẽ nhỏ hơn. Nhiều năng lượng đầu vào hơn đến được người dùng, nên hiệu suất tăng lên. Tổn thất được giảm thiểu, chứ không loại bỏ hoàn toàn.

Máy biến áp giảm áp hạ thấp hiệu điện thế truyền tải dành cho người dùng; các thiết bị gia đình tại Vương quốc Anh sử dụng khoảng 230 V. Đây là giá trị thấp hơn và phù hợp hơn so với hiệu điện thế truyền tải; tuy nhiên, nó vẫn có thể gây ra điện giật nguy hiểm. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy biến áp được giảng dạy trong chủ đề 4.7; phần này giải thích vai trò của chúng ở cấp hệ thống.

Giải thích đề thi thực tế — AQA Tháng Sáu 2022 8463/1H Q06.1–06.2. Đề bài đặt máy biến áp X trước các dây dẫn truyền tải trên không và Y trước người dùng. X nâng cao hiệu điện thế, giảm dòng điện, giảm truyền nhiệt ra môi trường xung quanh và tăng hiệu suất truyền tải. Y hạ hiệu điện thế xuống mức an toàn hơn cho người dùng. Đừng thay thế lời giải thích về X chỉ bằng “nó hiệu quả hơn”: hãy nêu rõ chuỗi vật lý liên kết.

So sánh hai hiệu điện thế đầu phát

So sánh đơn giản hóa do giáo viên viết. Giữ cố định công suất đầu vào ở đầu phát là 500 kW và tổng điện trở dây cáp là 2.0 Ω. So sánh hiệu điện thế đầu phát 10 kV với 20 kV. Sử dụng mô hình điện trở một đường dây đơn giản và máy biến áp lý tưởng; đây không phải là phép tính cho mạng lưới ba pha thực tế của Vương quốc Anh. Chuyển đổi kW và kV sang W và V.

Tại 10 kV:

Tại 20 kV:

Hiệu điện thế đầu phát gấp đôi mang lại dòng điện bằng một nửa và tổn thất dây cáp bằng một phần tư. Công suất đầu vào không đổi; công suất đầu ra tăng lên vì ít bị hao hụt hơn. Phép tính dòng điện và điện trở cho ra tổn thất, nhưng không thể tự thân đưa ra hiệu suất: cần biết cả tổng công suất hoặc năng lượng đầu vào.

So sánh Sheet 2.7. Tại 2000 A đi qua 40 Ω, kết quả là $P_{\text{loss}}=I^2R=(2000\ \text{A})^2\times40\ \Omega=1.6\times10^8\ \text{W}$. Tại 500 A đi qua cùng điện trở đó, kết quả là $P_{\text{loss}}=I^2R=(500\ \text{A})^2\times40\ \Omega=1.0\times10^7\ \text{W}$. Dòng điện giảm xuống một phần tư, nên tổn hao giảm xuống một phần mười sáu. Không có dữ liệu đầu vào được nêu rõ, đừng khẳng định các tổn hao này chiếm tỷ lệ nhỏ so với tổng năng lượng.

Tính toán hiệu suất thực tế — AQA Tháng Sáu 2023 8463/1H Q01.5. Năng lượng đầu vào là 34.2 GJ và hiệu suất là 0.992. Sử dụng $\eta=E_{\text{useful}}/E_{\text{in}}$ và biến đổi trước khi thay số. Cả hai đại lượng năng lượng đều dùng đơn vị GJ ở đây, nên tỷ số không cần chuyển đổi sang J.

Khi hai vật liệu cách điện được cọ xát vào nhau, electron — những điện tích âm — sẽ bị cọ khỏi vật này sang vật kia:

• vật nhận thêm electron sẽ mang điện tích âm;
• vật mất đi electron sẽ để lại một điện tích dương bằng nhau.

Các vật mang điện tác dụng lực mà không tiếp xúc: điện tích cùng dấu đẩy nhau; điện tích khác dấu hút nhau — một lực không tiếp xúc. Hiệu điện thế lớn có thể tạo ra điện trường mạnh xuyên qua khe hở không khí nhỏ. Nếu điện trường đủ mạnh, không khí sẽ trở thành chất dẫn điện (phá vỡ điện), và điện tích sẽ chảy ngắn gọn qua khe hở dưới dạng tia lửa. Vật dẫn nối đất có thể nhận tia lửa; việc nối đất không loại bỏ nguồn điện áp cao gần đó.

Một vật mang điện tạo ra điện trường xung quanh nó: một vùng mà một điện tích khác sẽ chịu tác dụng lực.

Electron di chuyển; điện trường chỉ ra lực. Điện trường mạnh nhất ở gần vật và yếu dần khi ra xa.

Bạn phải vẽ sơ đồ trường của một quả cầu mang điện cô lập: các đường thẳng hướng tâm chỉ ra khỏi điện tích dương (hoặc vào điện tích âm), cách nhau xa hơn khi ra xa quả cầu.

Liên kết lời giải thích với các câu hỏi thi thực tế

AQA tháng 6 2022 8463/1H Q05.1: electron di chuyển từ vải sang thanh; vì electron mang điện tích âm, nên vải sẽ dư điện tích dương. Đừng mô tả sự truyền tải điện tích dương. Q05.4: hiệu điện thế lớn có thể gây phóng điện trong không khí; electron chảy qua không khí từ thanh mang điện âm sang vật dẫn nối đất.

AQA tháng 6 2024 8463/1H Q04.1–04.3: electron chuyển sang học sinh, các sợi tóc của cô ấy nhận cùng một điện tích âm, và các điện tích giống nhau sẽ đẩy nhau. Điện trường là vùng không gian mà tại đó một vật mang điện khác chịu tác dụng của lực; độ mạnh của nó giảm theo khoảng cách.

Q04.4: tia lửa truyền 0.60 J với 2.0 microcoulomb điện tích. Chuyển đổi $Q=2.0\times10^{-6}\ \mathrm{C}$. Chọn $E=QV$ và biến đổi:

Mở rộng đối tượng trung hòa cho Sheet 2.8. Một thanh mang điện có thể hút giấy trung hòa vì nó làm phân tách nhẹ nhàng điện tích dương và âm bên trong giấy. Các điện tích trái dấu ở gần hơn chịu lực hút mạnh hơn so với lực đẩy của các điện tích cùng dấu ở xa hơn. Trong tường cách điện, các điện tích bị giới hạn chỉ dịch chuyển nhẹ; đừng giả sử electron tự do chảy qua nó. Lực hút đơn thuần không chứng minh được hai vật mang điện tích ngược dấu. Trong câu hỏi về thanh trên sheet, tất cả các thanh đều được nêu là mang điện, nên quy tắc điện tích khác dấu áp dụng.

• Vẽ các ký hiệu tiêu chuẩn; đặt ampe kế nối tiếp, vôn kế mắc song song.
• Sử dụng $Q = It$, $V = IR$, $P = VI$, $P = I^2R$, $E = Pt$, $E = QV$ — chọn từ các từ trong đề bài.
• Mô tả RP3: $R \propto L$, điều khiển, điểm cắt trục và kiểm tra gia nhiệt; RP4: mạch điện và dạng đường cong I–V.
• Nêu quy luật dòng điện, hiệu điện thế và điện trở mắc nối tiếp/nối song song; giải thích xu hướng thay đổi của điện trở.
• Nhắc lại nguồn điện lưới: 230 V, 50 Hz, xoay chiều; màu sắc dây và chức năng; giải thích nguy hiểm từ dây nóng (dây pha).
• Giải thích tính hiệu quả của Lưới điện Quốc gia với $P = I^2R$.
• (chỉ vật lý) Giải thích quá trình nhiễm điện do ma sát bằng electron, và vẽ trường hướng tâm của quả cầu mang điện.

Lỗi thường gặp

• Nói rằng dòng điện bị tiêu hao bởi bóng đèn. Trong mạch nối tiếp, cường độ dòng điện giống nhau tại mọi vị trí; năng lượng được truyền tải, chứ không phải điện tích.
• Thêm điện trở song song như thể chúng mắc nối tiếp. Hai điện trở mắc song song có điện trở tổng nhỏ hơn điện trở nhỏ nhất trong chúng.
• Đặt vôn kế nối tiếp hoặc ampe kế song song. Ampe kế mắc trong mạch; vôn kế mắc song song với linh kiện.
• Để lại dòng điện ở đơn vị mA hoặc thời gian ở phút: $75\ \text{mA} = 0.075\ \text{A}$, $30\ \text{min} = 1800\ \text{s}$.
• Nhầm lẫn giữa công suất và năng lượng. $P = VI$ cho đơn vị watt; bạn cần $E = Pt$ hoặc $E = QV$ để tính ra joule.
• Đọc ngược xu hướng của cảm biến. Điện trở của thermistor giảm khi nhiệt độ tăng; điện trở của LDR giảm khi cường độ ánh sáng tăng.
• Nói rằng dây đất mang dòng điện liên tục. Dây chỉ mang dòng điện nếu có sự cố khiến dây nóng chạm vào vỏ kim loại.