Mạch thực tế và điện trở trong
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| internal resistance/ɪnˈtɜːnl rɪˈzɪstəns/ | điện trở trong |
| terminal potential difference/ˈtɜːmɪnl pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ | hiệu điện thế hai cực |
| lost volts/lɒst vəʊlts/ | điện áp hao phí |
| short circuit/ʃɔːt ˈsɜːkɪt/ | ngắn mạch |
| parallel/ˈpærəlel/ | nối song song |
| ammeters/ˈæmiːtəz/ | amppe kế |
| voltmeters/ˈvəʊltmiːtəz/ | vôn kế |
| series/ˈsɪəriːz/ | nối nối tiếp |
Tại sao đèn pha bị mờ đi
- Khi khởi động xe, đèn pha sẽ bị mờ trong chốc lát.
- Động cơ khởi động tiêu thụ dòng điện rất lớn, khiến điện áp của pin tự nó bị tụt xuống.
- Mọi nguồn thực tế đều có một điện trở trong nào đó.
e.m.f. và p.d.
- e.m.f. $\varepsilon$ — năng lượng mà mỗi coulomb được cung cấp bởi nguồn.
- p.d. — năng lượng mà mỗi coulomb tỏa ra cho một linh kiện. Cả hai đều đo bằng volt.
Một mạch điện thực được xây dựng trên bảng breadboard, đang được đo bằng đồng hồ đa năng
Điện trở trong
V = ε − I·r
Hiệu điện thế đầu cực giảm theo dòng điện: bắt đầu từ suất điện động ε và giảm đi I·r.
Suất điện động là năng lượng cung cấp cho mỗi đơn vị điện tích bởi ____.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Nguồn (pin, cell, máy phát) cung cấp năng lượng cho điện tích; một linh kiện lấy năng lượng đó ra (hiệu điện thế).
Điện trở trong
- Một nguồn thực có điện trở trong $r$, nên một phần năng lượng bị thất thoát bên trong nó.
- Hiệu điện thế đầu cực (hiệu điện thế ngoài) cung cấp ra bên ngoài là $V = \varepsilon - Ir$.
- Phần $Ir$ này gọi là điện áp hao hụt — năng lượng mỗi coulomb chuyển thành nhiệt bên trong nguồn.
Một pin có suất điện động $12\ \text{V}$ và điện trở trong $0.50\ \Omega$ tạo ra dòng điện $2.0\ \text{A}$. Hiệu điện thế đầu cực là bao nhiêu?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$V = \varepsilon - Ir = 12 - 2.0 \times 0.50 = 11\ \text{V}$.
Những gì xảy ra khi dòng điện thay đổi
- Không có dòng điện ($I = 0$): hiệu điện thế đầu cực bằng e.m.f.
- Dòng điện lớn hơn: hiệu điện thế đầu cực giảm (phần $Ir$ thất thoát tăng lên).
- Ngắn mạch ($R_{\text{ext}} \to 0$): $I = \dfrac{\varepsilon}{r}$ — một dòng điện lớn.
Một pin có suất điện động $6.0\ \text{V}$ và điện trở trong $0.50\ \Omega$ bị chập mạch. Dòng điện chạy qua là bao nhiêu?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Với $R_{\text{ext}} \to 0$, $I = \dfrac{\varepsilon}{r} = \dfrac{6.0}{0.50} = 12\ \text{A}$.
Ví dụ minh họa: pin và hai bóng đèn
Một pin có e.m.f. $6.0\ \text{V}$ và điện trở trong $0.80\ \Omega$ tạo ra dòng điện $1.5\ \text{A}$ chạy qua hai bóng đèn X và Y mắc song song. X có điện trở $4.0\ \Omega$.
- Hiệu điện thế đầu cực: $V = \varepsilon - Ir = 6.0 - 1.5 \times 0.80 = 4.8\ \text{V}$.
- Dòng điện trong X: các bóng đèn song song chia sẻ hiệu điện thế đầu cực, nên $I_{\text{X}} = \dfrac{4.8}{4.0} = 1.2\ \text{A}$.
- Dòng điện trong Y: Định luật Kirchhoff thứ nhất tại nút: $I_{\text{Y}} = 1.5 - 1.2 = 0.30\ \text{A}$.
- Công suất trong Y: $P = VI = 4.8 \times 0.30 = 1.4\ \text{W}$.
- Kiểm tra: $1.2\ \text{V}$ bị hao hụt bên trong pin, nên chỉ có $4.8\ \text{V}$ trong số $6.0\ \text{V}$ đến được các bóng đèn. Cả hai bóng đèn chịu cùng một hiệu điện thế vì chúng mắc song song.
Một pin có suất điện động $9.0\ \text{V}$ và điện trở trong $1.0\ \Omega$ cung cấp $2.0\ \text{A}$ cho hai điện trở mắc song song. Một trong chúng có điện trở $10\ \Omega$, nhận một phần dòng điện. Dòng điện, tính bằng A, chạy qua điện trở kia là bao nhiêu?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Hiệu điện thế đầu cực $= 9.0 - 2.0 \times 1.0 = 7.0\ \text{V}$; điện trở $10\ \Omega$ nhận $\dfrac{7.0}{10} = 0.70\ \text{A}$; điện trở kia nhận $2.0 - 0.70 = 1.3\ \text{A}$.
Đo điện trở trong
- Thay đổi điện trở ngoài và vẽ đồ thị hiệu điện thế đầu cực $V$ theo dòng điện $I$.
- Giao điểm của đường thẳng là $\varepsilon$ và độ dốc là $-r$.
Trên đồ thị hiệu điện thế đầu cực theo dòng điện, ghép mỗi đặc điểm.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Từ $V = \varepsilon - Ir$: tại $I = 0$, $V = \varepsilon$ (giao điểm); độ dốc là $-r$.
Ví dụ minh họa: đọc đồ thị
Đồ thị $V$–$I$ của một cell là một đường thẳng từ $(0,\ 1.5\ \text{V})$ đến $(3.0\ \text{A},\ 0)$. Sau đó, điện trở ngoài được làm nhỏ hơn.
- e.m.f.: giao điểm, $\varepsilon = 1.5\ \text{V}$.
- Điện trở trong: độ dốc $= \dfrac{0 - 1.5}{3.0 - 0} = -0.50\ \dfrac{\text{V}}{\text{A}}$, nên $r = 0.50\ \Omega$.
- Dòng điện ngắn mạch: nơi đường thẳng cắt trục $I$, $\dfrac{\varepsilon}{r} = 3.0\ \text{A}$.
- Điện trở ngoài nhỏ hơn: dòng điện tăng, nên điện áp hao hụt $Ir$ tăng và hiệu điện thế đầu cực giảm — bạn di chuyển xuống dưới dọc theo đường thẳng về phía bên phải.
- Kiểm tra: độ dốc là số âm nhưng điện trở là số dương; hãy viết $r = 0.50\ \Omega$, không phải $-0.50\ \Omega$.
Điện trở ngoài mắc vào pin thực tế bị giảm. Điều gì xảy ra với hiệu điện thế đầu cực, và tại sao?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Điện trở ngoài nhỏ hơn → dòng điện lớn hơn → điện áp mất lớn hơn $Ir$ → hiệu điện thế đầu cực nhỏ hơn $\varepsilon - Ir$. Suất điện động là cố định, nhưng hiệu điện thế đầu cực thì không.
e.m.f. không phải "điện áp của pin" đọc được bởi bất kỳ vôn kế nào. Vôn kế mắc song song với các đầu cực sẽ đọc hiệu điện thế đầu cực, chỉ bằng $\varepsilon$ khi không có dòng điện chảy — tức là chỉ có một vôn kế lý tưởng mắc riêng vào cell. Ngay khi tải được kết nối, giá trị đọc sẽ giảm đi $Ir$. Và độ dốc của đường thẳng $V$–$I$ là $-r$: hãy ghi điện trở dưới dạng số dương.
Khi nào voltmeter mắc giữa hai đầu pin đọc được suất điện động? Chọn tất cả các đáp án đúng.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Độ đọc là $\varepsilon - Ir$. Nó bằng $\varepsilon$ nếu $r = 0$ hoặc nếu $I = 0$. Khi mắc bóng đèn, dòng điện chảy và độ đọc giảm; trên chập mạch nó giảm về không.
Ampe kế, vôn kế và sơ đồ mạch
- Một ampe kế lý tưởng có điện trở bằng không và mắc nối tiếp.
- Một vôn kế lý tưởng có điện trở vô cùng và mắc song song.
- Khi yêu cầu vẽ mạch điện, hãy dùng các ký hiệu chuẩn và biểu diễn điện trở trong như một điện trở nằm cạnh cell.
Các ký hiệu mạch điện chuẩn bạn cần nhận biết và vẽ
Ammeter lý tưởng có:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Ammeter mắc nối tiếp và không thêm điện trở, nên ammeter lý tưởng có điện trở bằng không.
Voltmeter lý tưởng có điện trở vô cùng và mắc song song.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Có — mắc song song, với điện trở vô cùng nên nó không rút dòng điện từ linh kiện đang đo.
Bạn đã nắm vững
- hiệu điện thế đầu cực $V = \varepsilon - Ir$ (giảm khi dòng điện tăng); $Ir$ là điện áp hao hụt
- đồ thị $V$–$I$ cho $\varepsilon$ (giao điểm) và $-r$ (độ dốc); dòng điện ngắn mạch $= \dfrac{\varepsilon}{r}$
- ampe kế lý tưởng: 0 Ω mắc nối tiếp; vôn kế lý tưởng: ∞ Ω mắc song song — nó chỉ đọc $\varepsilon$ khi không có dòng điện