Dòng điện một Chiều - Công ty TNHH Tam Hùng

Dòng điện một Chiều

Chủ nhật - 20/01/2013 21:31
Để có thể tiếp cận được với những kiến thức mới, ta cần nhắc lại một số định nghĩa cơ bản từng được biết và một số định nghĩa cơ bản về điện như dưới đây...
 

2./.     DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU

 

      Dòng điện và cường độ dòng điện

·        Khái niệm về dòng điện

Khi có sự tiếp xúc giữa một vật mang điện (hoặc có khả năng phóng thích ra các hạt mang điện tự do) với một vật bất kỳ có khả năng dẫn điện hoặc có khả năng cảm ứng điện (kim loại) hoặc với một vật khác cũng mang điện (hoặc có khả năng phóng thích ra các hạt mang điện), nếu hai vật này có sự khác về điện thế thì giữa hai vật sẽ tạo ra một sự dịch chuyển các hạt mang điện từ vật có điện thế cao sang vật có điện thế thấp nhằm tạo nên sự cân bằng điện thế giữa chúng và hình thành dòng điện.

Kết hợp hai vật khác điện thế lại thành một cặp ta sẽ tạo ra một nguồn điện với suất điện động được xác định bởi:


E = V1 – V2

 

·        Ký hiệu và qui ước của nguồn điện

Như vậy, nguồn điện thực chất là một “hệ thống” được tạo bởi một cặp của hai vật có điện thế khác nhau. Mỗi vật có điện thế tương ứng sẽ trở thành cực của nguồn điện. Cực có điện thế cao sẽ trở thành cực dương và cực có điện thế thấp sẽ trở thành cực âm của nguồn điện.

 

Chú ý: Đối với các nguồn điện bất kỳ (được gọi là pin, ắc – qui hoặc các máy phát điện một chiều...) thì cực dương được qui định là vật có độ âm điện ít nhất (theo nguyên lý tương đối, độ âm điện ít tức là độ dương điện sẽ lớn) và ngược lại cực âm sẽ được qui định là vật có độ âm điện nhiều hơn (theo nguyên lý tương đối thì độ âm điện càng nhiều thì độ dương điện càng ít). Tương ứng, vật có độ âm điện ít được qui định là có điện thế cao hơn và vật có độ âm điện nhiều sẽ có điện thế thấp hơn.

 

·        Công suất của nguồn điện

Công suất của nguồn điện là đại lượng để biểu thị mức độ mạnh yếu theo khả năng đáp ứng mức năng lượng cung cấp cho mạch ngoài (được gọi là tải). Theo lý giải, mặc dù hiệu điện thế của nguồn bị suy giảm theo mức tiêu thụ của tải (nếu cường độ dòng điện tiêu thụ của tải càng lớn thì hiệu điện thế của nguồn sẽ càng giảm), nhưng căn cứ vào mức hiệu điện thế xác định trên tải và cường độ dòng điện qua tải thì ta có thể xác định công suất nguồn điện như sau:

P = U.I

Trong đó, P: Công suất của nguồn điện được tính theo đơn vị là Watt (W), U: Hiệu điện thế xác định trên tải được tính theo đơn vị là Volt (V),    I: Cường độ dòng điện qua tải được tính theo đơn vị là Ampere (A):

Cường độ dòng điện trung bình được hình thành giữa hai vật khác điện thế là I được xác định bởi:

I = Q/t

Trong đó, I: Cường độ dòng điện trung bình được tính bằng Ampere (A), Q: Tổng điện lượng dịch chuyển giữa hai vật khác điện thế được tính bằng Coulomp (C), t: Thời gian biểu kiến (thời gian xác định sự dịch chuyển điện tích) được tính bằng Sec (S) kể từ khi dòng điện được tạo ra cho đến khi dòng điện bị triệt tiêu do hai vật đã cân bằng điện thế.
 

 

 Hiệu điện thế


Hiệu điện thế được hình thành do sự khác nhau về điện thế giữa hai vật có khả năng mang điện hoặc có khả năng phóng thích các hạt mang điện tự do khác nhau. 

Nếu sự khác biệt về điện thế giữa hai vật càng lớn thì ta nói rằng nguồn điện có suất điện động càng lớn. Và nếu sự phóng thích điện tích Q giữa hai vật khác điện thế càng lớn thì ta nói rằng năng lượng của nguồn càng mạnh.
Nhờ có sự khác nhau về điện thế giữa hai vật mà có thể hình thành dòng điện giữa hai vật như đã được trình bày trên đây. 

Hiệu điện thế trên tải sẽ được xác định bởi hệ thức gần đúng dưới đây:

 

U = I.R

Hệ thức trên chỉ là hệ thức gần đúng vì hai lý do:

Thứ nhất là vì cường độ dòng điện qua tải chỉ là cường độ dòng điện được tính trung bình theo thời gian chứ không phải là cường độ tức thời;

          Thứ hai là R là giá trị thuần trở (điện trở thuần của mạch ngoài) tức là lúc bấy giờ ta coi mạch ngoài (được gọi là tải) như là một điện trở thuần tuý, trên thực tế, cấu trúc của mạch ngoài gồm rất nhiều phần tử có tính chất về điện khác nhau nên điện trở và trở kháng của chúng rất phức tạp.

 

·        Điện thế tương đối

Theo các lý giải nói trên, ta thấy rằng, việc tạo thành các điện cực trong một nguồn điện không thuần tuý theo nghĩa âm dương một cách tuyệt đối mà nó phải được hiểu theo cả hai nghĩa vừa có tính tương đối và vừa có tính tuyệt đối.

Trong điện học, ta cần phải chú ý rõ hai khái niệm điện thế tương đối và điện thế tuyệt đối:

 

ü     Khái niệm âm và dương

Như trên vừa có đề cập về khái niệm cực âm và cực dương của một nguồn điện, ta có thể định nghĩa như sau: Cực dương được tạo bởi vật có độ âm điện ít và cực âm được tạo bởi vật có độ âm điện nhiều hơn.

 

*        Cực dương

Vì Vật lý hiện đại đã chứng minh được rằng khi có một tác nhân kích hoạt nào đấy thì từ một vật bất kỳ ban đầu vốn có sự trung hoà về điện sẽ bị mất bớt các điện tử (Electron) tức là mất bớt các hạt mang điện âm mà trở thành vật mang điện dương. Các hạt mang điện dương rất khó mất đi vì chúng là các hạt nhân của các nguyên tử cấu thành nên cấu trúc vật chất nên sự tồn tại của nó cấu trúc vật chất bền vững hơn so với sự tồn tại của các điện tử.

Điều đó có nghĩa là dưới sự kích hoạt đó thì các điện tử vì bị mất đi nên tổng số lượng các điện tử còn lại bên trong vật sẽ ít hơn tổng số các hạt mang điện dương (các Proton).

Vì thế ta nói rằng, vật mang điện dương có lượng điện âm bé hơn lượng điện dương hay cũng còn được gọi là vật ít điện âm hơn. Và cực dương sẽ được qui định bởi vật mang điện dương.

 

*        Cực âm

Tương tự, khi vật nhận thêm các điện tử (hoặc vì những lý do cực kỳ đặc biệt là sẽ bị mất đi một số các hạt mang điện dương) thì tổng số lượng các hạt mang điện âm sẽ nhiều hơn tổng số các hạt mang điện dương nên ta nói rằng vật có điện lượng âm nhiều hơn lượng điện dương hay nói đúng hơn là điện âm nhiều hơn. Vật có điện âm nhiều hơn sẽ được qui định là cực âm.

 

ü     Xác định điện thế tương đối

Khi làm quen với các bộ nguồn trong thực tế như các nguồn pin hoặc ắc – qui hoặc các máy phát điện... ta thường gọi hiệu điện thế của nó ví dụ là 12 Volt.

Vậy thì mối quan hệ giữa các điện thế hay nói cách khác là giá trị đích thực của các điện thế của các cực của nguồn được xác định như thế nào và có cần phải quan tâm hay không?

Ta cũng biết rằng, hiệu điện thế (khi mạch ngoài được khép kín) hay suất điện động của nguồn (khi mạch ngoài hở) được xác định bởi hệ thức dưới đây:

U = V1 – V2

Theo trên, ta hiểu rằng hiệu điện thế của một nguồn điện bất kỳ được xác định bởi sự chênh lệch điện thế giữa hai cực của nguồn.

Như vậy, để xác định được hiệu điện thế của nguồn thì ta cần phải xác định được các điện thế ứng với mỗi cực là V và V2.

Vậy nhưng trên các bộ nguồn trên thực tế không cho biết các giá trị điện thế của các cực của nguồn mà chỉ cho giá trị hiệu điện thế (hay nói đúng hơn là chỉ xác định suất điện động của nguồn) vậy thì lúc này ta có cần xác định các điện thế của nó hay không!? Đó là điều không cần thiết mà thực tế ta chỉ cần quan tâm đến điện thế tương đối giữa hai cực của nguồn mà thôi.

Thực tế ta không cần làm như vậy mà cần phải áp dụng nguyên lý tương đối để xác định điện thế tương đối của các cực mà thôi. Theo ví dụ nói trên, suất điện động của một bộ nguồn là 12 Volt, và theo như ta biết rằng nguồn điện bất kỳ phải có hai cực gồm cực âm và cực dương:

Theo đó, cực dương sẽ có điện thế tương đối so với cực âm là 12 Volt hay cực âm có điện thế tương đối so với cực dương là – 12 Volt?

Câu trả là cả hai trường hợp đều đúng.

Thật vậy, theo nguyên lý tương đối, trong một nguồn điện bất kỳ, ta có thể coi một trong hai cực có điện thế tương đối bằng 0.

U = V1 – V2

Vì theo hệ thức nói trên, ta có thể coi một trong hai cực có giá trị tương đối hoặc là V1 = 0 (ứng với cực có điện thế tuyệt đối V1) hoặc là V2 = 0 (ứng với vật có điện thế tuyệt đối là V2).

Trên cơ sở đó, ta có thể nói rằng cực kia (cực V2) có điện thế tương đối so với cực có điện thế tương đối bằng 0 (cực V1) đúng bằng giá trị tuyệt đối của suất điện động giữa chúng.

 

 

 Sụt áp

Chúng ta đều biết rằng, trong một mạch điện bất kỳ đều luôn có ít nhất ba thành phần bao gồm các phần tử tiêu thụ điện được gọi là tải, nguồn tạo ra điện để cung cấp cho tải được gọi là nguồn điện và thành phần thứ ba là đường truyền điện hay còn gọi là dây tải điện...

Mà trong đó, nguồn điện cũng như dây tải điện đều luôn có một điện trở r nhất định làm cho năng lượng điện do nguồn sản ra cũng như khi được truyền từ nguồn điện đến tải thông qua dây tải điện sẽ bị tổn thất.

Tổn thất này sẽ được qui ra theo hiệu điện thế tương ứng và được gọi là sụt áp: Như vậy, sụt áp là sự suy giảm hiệu điện thế trên đường truyền điện và do nội trở nguồn gây ra làm cho hiệu điện thế mạch ngoài (cung cấp trên tải) bị suy giảm.

Mức độ hay giá trị sụt áp, vì vậy, sẽ được xác định bởi hệ thức dưới đây:

US =  E – Ut

Trong đó, US: Sụt áp trên đường truyền và do nội trở của nguồn gây ra, E: Suất điện động của nguồn sinh ra, Ut: Điện áp mạch ngoài (được cung cấp trên tải).
 

Giáng áp

Vì lý do nói trên, bất kỳ một mạch điện (trên phương diện vi mô) hay bất kỳ mạng điện nào (trên tầm vĩ mô) thì  điện áp hay hiệu điện thế cung cấp được cho tải không bao giờ đúng bằng suất điện động của nguồn điện tạo ra mà luôn bị đường dây tải điện và nội trở (nội kháng) của chính nguồn điện gây tổn thất. Vì vậy, hiệu điện thế này (hiệu điện thế cũng cấp cho tải) được gọi là giáng áp trên tải.

Giáng áp trên tải được xác định bởi hệ thức dưới đây:

Ut = E – US

Trong đó, E: Suất điện động của nguồn điện, US: Tổn thất điện áp do nội trở nguồn và dây tải điện, Ut: Giáng áp trên tải.

 

 

Tác giả bài viết: Dr Trần Phúc Ánh

Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá
Click để đánh giá bài viết

Những tin mới hơn