Năng lượng mà bạn không thể nhìn thấy
Nhấn công tắc và phòng đèn sáng. Giữa nhà máy điện và bóng đèn nằm toàn bộ nội dung trong phần này: cách dây điện dân dụng giữ an toàn, điện áp đẩy dòng điện qua mạch, và — (P) — cách electron bị cọ xát từ bề mặt này sang bề mặt khác tạo ra điện tích thu hút, đẩy nhau và đôi khi gây tia lửa.
Vật lý Edexcel International GCSE 4PH1, Phần 2 (nội dung 2.1–2.28P). Đơn vị: ampere (A), coulomb (C), joule (J), ohm (Ω), volt (V), watt (W). Các nội dung có hậu tố P là phần mở rộng chỉ dành cho Vật lý, được đánh giá trong Bài thi 2P.
Điện lưới
Điện lưới là dòng điện xoay chiều (a.c.) — chiều đảo ngược nhiều lần mỗi giây; pin cung cấp dòng điện một chiều (d.c.) — chỉ đi theo một hướng duy nhất.
An toàn: cách điện trên dây; cách điện kép (vỏ nhựa, không cần nối đất); nối đất (đường dẫn điện trở thấp để dòng sự cố làm đứt cầu chì); cầu chì và công tắc tự động (chảy tan hoặc kích hoạt khi quá tải, bảo vệ dây dẫn và con người). Dòng điện qua điện trở chuyển năng lượng điện thành nhiệt năng — đây là nguyên lý của ấm đun nước và máy sưởi, cũng là lý do tại sao định mức cầu chì lại quan trọng:
Kiểm tra hướng dẫn (chọn cầu chì). Máy sưởi 230 V, 1.15 kW tiêu thụ $I = P/V = 1150/230 = 5$ A — cần cầu chì 13 A (mức định mức tiêu chuẩn tiếp theo cao hơn dòng điện); cầu chì 3 A sẽ bị cháy khi sử dụng bình thường.
Mạch điện
Nối tiếp phù hợp với chuỗi đèn (công tắc, ampe kế, đèn trang trí) — cùng dòng điện ở mọi nơi, điện áp cộng dồn, và một hỏng hóc sẽ làm hỏng toàn bộ. Nối song phù hợp với chiếu sáng dân dụng — mỗi bóng đèn nhận đủ điện áp nguồn, hoạt động độc lập, và dòng điện cộng dồn tại các điểm phân nhánh (điện tích được bảo toàn tại một nút giao).
Dòng điện là sự di chuyển của các electron mang điện âm trong kim loại. Điện áp là năng lượng truyền tải trên mỗi đơn vị điện tích (1 V = 1 J/C). Hai điện trở nối tiếp: $R = R_1 + R_2$; nối song điện trở tương đương nhỏ hơn bất kỳ điện trở nào riêng lẻ.
Ví dụ minh họa (điện tích và năng lượng). Bộ sạc điện thoại cung cấp 2.0 A ở 5.0 V trong 30 phút. Thời gian tính bằng giây: $t = 30 \times 60 = 1800$ s. Điện tích: $Q = It = 2.0 \times 1800 = 3600$ C. Năng lượng: $E = QV = 3600 \times 5.0 = 18\,000$ J. Kết quả tương tự cũng thu được từ $E = IVt = 2.0 \times 5.0 \times 1800$.
Đặc tuyến I–V: dây dẫn ohmic ở nhiệt độ không đổi tạo thành đường thẳng đi qua gốc tọa độ (điện trở không đổi); bóng đèn sợi đốt có đồ thị cong khi nhiệt độ tăng làm điện trở tăng; diode chỉ dẫn điện theo một chiều. LDR: điện trở giảm khi ánh sáng tăng. Nhiệt điện trở: điện trở giảm khi nhiệt độ tăng (hoặc tăng khi lạnh — thường dùng trong cảm biến nhiệt độ). Bóng đèn và LED chỉ thị dòng điện.
Ví dụ minh họa (cảm biến nhiệt độ). Một nhiệt điện trở và một điện trở cố định 4.0 kΩ mắc nối tiếp trên nguồn điện 12 V. Vôn kế đo hiệu điện thế giữa hai đầu nhiệt điện trở.
- Phòng ấm, nhiệt điện trở 2.0 kΩ: tổng $R = 6.0$ kΩ, nên $I = 12 \div 6000 = 0.0020$ A. Hiệu điện thế giữa hai đầu nhiệt điện trở là $= IR = 0.0020 \times 2000 = 4.0$ V.
- Phòng lạnh, nhiệt điện trở 8.0 kΩ: tổng $R = 12$ kΩ, nên $I = 0.0010$ A. Hiệu điện thế giữa hai đầu nhiệt điện trở là $= 0.0010 \times 8000 = 8.0$ V.
Nhiệt độ thấp hơn nghĩa là điện trở nhiệt điện trở cao hơn, nên nó nhận được phần lớn hơn trong tổng 12 V. Giá trị đọc của vôn kế có thể kích hoạt máy sưởi khi vượt quá ngưỡng cài sẵn. Kiểm tra: trong mỗi trường hợp, hai hiệu điện thế cộng lại bằng 12 V ($4.0 + 8.0$ và $8.0 + 4.0$).
Ví dụ minh họa. Hai điện trở, 4 Ω và 6 Ω, mắc nối tiếp qua 10 V: tổng 10 Ω, $I = 10/10 = 1$ A; điện áp 4 V và 6 V. Mắc song song qua 10 V: mỗi nhánh tiêu thụ 10/4 = 2.5 A và 10/6 ≈ 1.67 A — tổng ≈ 4.17 A, điện trở tương đương ≈ 2.4 Ω (nhỏ hơn cả hai).
Điện tích (P)
Chất dẫn điện (kim loại) cho phép dòng điện chạy qua; chất cách điện (nhựa) thì không.
Frott một vật cách điện chuyển electron: vật mất electron trở nên dương, vật nhận electron trở nên âm — proton không di chuyển. Điện tích khác dấu hút nhau; cùng dấu đẩy nhau. Một thanh mang điện hút giấy không mang điện nhỏ vì nó cảm ứng sự phân tách điện tích. Nguy cơ: tia lửa khi bơm nhiên liệu cho máy bay và xe bồn — dây nối đất an toàn thoát điện. Ứng dụng: máy sao chép và máy in phun điều hướng toner hoặc giọt mực mang điện.
Lỗi thường gặp
- Để nguyên thời gian ở đơn vị phút hoặc giờ thay vì $Q = It$ hay $E = IVt$. Hãy sử dụng giây.
- Nói rằng dòng điện bị tiêu thụ bởi bóng đèn. Trong mạch nối tiếp, dòng điện như nhau tại mọi điểm; chính năng lượng mới được truyền tải.
- Cộng các điện trở mắc song song. Điện trở tương đương của cặp mắc song song luôn nhỏ hơn điện trở nhỏ nhất trong cặp.
- Chọn mức định mức cầu chì bằng hoặc ngay dưới dòng điện làm việc. Nó phải lớn hơn dòng điện làm việc, nếu không sẽ nóng chảy trong điều kiện sử dụng bình thường.
- Nói rằng điện trở LDR tăng trong ánh sáng mạnh, hoặc nhiệt điện trở tăng khi nóng. Cả hai đều giảm: ánh sáng càng sáng hoặc nhiệt độ càng cao thì điện trở càng thấp.
- (P) Nói rằng các điện tích dương di chuyển khi cọ xát vật cách điện. Chỉ có electron được chuyển giao.
Tự kiểm tra
- Nêu sự khác biệt giữa dòng điện xoay chiều (a.c.) và dòng điện một chiều (d.c.) và nêu một nguồn cung cấp của mỗi loại.
- Giải thích cách nối đất và cầu chì hoạt động kết hợp để bảo vệ người dùng.
- Một ấm đun 230 V có công suất định mức 2.0 kW. Tính dòng điện và cầu chì tốt nhất.
- Nêu hai lý do hệ thống chiếu sáng trong nhà được đấu nối song song.
- Nêu dạng đồ thị I–V đối với dây dẫn, bóng đèn sợi đốt và điốt.
- Điện trở của LDR thay đổi thế nào trong ánh sáng mạnh?
- Định nghĩa điện áp theo năng lượng và điện tích.
- Tính điện tích truyền qua khi 2 A chạy trong 30 s.
- (P) Giải thích cách cọ xát que polythene với vải làm cho nó mang điện âm.
- (P) Nêu một nguy cơ và một ứng dụng của điện tích tĩnh.
Đáp án: 1 a.c. đảo ngược hướng liên tục — từ lưới điện; d.c. chảy theo một hướng — pin hoặc bình điện; 2 dây nối đất tạo đường đi điện trở thấp, nên dòng điện sự cố lớn chảy xuống đất và làm nóng chảy cầu chì, ngắt nguồn trước khi người dùng chạm vào vỏ mang điện; 3 $I = 2000/230 = 8.7$ A — cầu chì 13 A; 4 mỗi bóng đèn nhận đủ điện áp lưới; một bóng hỏng không ảnh hưởng đến các bóng còn lại (và công tắc điều khiển độc lập); 5 đường thẳng qua gốc tọa độ; đường cong hình chữ S (độ dốc giảm khi nhiệt độ tăng); bằng không cho đến ngưỡng thuận rồi tăng đột biến (chỉ một chiều); 6 nó giảm; 7 điện áp là năng lượng truyền trên mỗi đơn vị điện tích (1 volt = 1 joule trên coulomb); 8 $Q = 2 \times 30 = 60$ C; 9 (P) ma sát chuyển electron từ vải sang que — que nhận thêm electron và mang điện âm, vải mất electron và mang điện dương; 10 (P) nguy cơ — tia lửa khi bơm nhiên liệu cho máy bay/xe bồn; ứng dụng — máy sao chép hoặc máy in phun.