Bài giảng Vật lí đại cương - Chương VIII: Dòng điện không đổi

Nội dung text: Bài giảng Vật lí đại cương - Chương VIII: Dòng điện không đổi

1. Chương VIII. DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI §1. BẢN CHẤT CỦA DÒNG ĐIỆN Dòng các hạt điện chuyển động có hướng gọi là dòng điện, còn các hạt điện được gọi chung là hạt tải điện. - Trong kim loại: có electron hoá trị là hạt tải điện - Trong chất điện phân: ion dương và các ion âm là các hạt tải điện. - Trong chất khí: hạt tải điện là ion âm, ion dương và electron.
2. Quy ước về chiều của dòng điện: là chiều chuyển động của các hạt điện dương dưới tác dụng của điện trường, hay ngược chiều với chiều chuyển động của các hạt điện âm. Chú ý: Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các hạt điện tự do sẽ chuyển động có hướng. Quỹ đạo của hạt điện trong môi trường dẫn được gọi là đường dòng. Tập hợp các đường dòng tựa trên một đường cong kín tạo thành một ống dòng
3. §2. NHỮNG ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG ĐIỆN 1. Cường độ dòng điện Định nghĩa: Cường độ dòng điện qua điện tích S là một đại lượng có trị số bằng điện lượng chuyển qua diện tích ấy trong một đơn vị thời gian. dq i dt trong đó dq là điện lượng chuyển qua diện tích S trong thời gian dt. Điện lượng q chuyển qua diện tích S trong khoảng thời gian t : t t q dq idt 0 0
4. Nếu phương, chiều và cường độ của dòng điện không thay đổi theo thời gian thì dòng điện được gọi là dòng điện không đổi. t q I dt It 0 Nếu dòng điện trong vật dẫn do hai loại điện tích trái dấu tạo nên (điện tích dương chuyển động theo chiều điện trường, còn điện tích âm thì ngược lại) thì cường độ dòng điện qua diện tích S sẽ bằng: i = dq1/dt + dq2/dt
5. 2. Véctơ mật độ dòng điện : đặc trưng cho phương, chiều và độ mạnh của dòng điện tại từng điểm của môi trường có dòng điện chạy. Xét diện tích nhỏ dSn đặt tại điểm M và vuông góc với phương chuyển động của dòng các hạt điện qua diện tích Định nghĩa: Véctơ mật độ dòng điện tại một điểm M là một véctơ có: - Điểm đặt tại điểm M. - Hướng (phương, chiều) là hướng chuyển động của các hạt điện tích dương đi qua tiết diện dSn. - Độ lớn bằng cường độ dòng điện qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với hướng ấy: j = dI/dSn Đơn vị: Trong hệ SI A/m2.
6. Để tính cường độ dòng điện qua một diện tích bất kỳ của môi trường  I dI jdS s s
7. Mối liên hệ giữa véctơ mật độ dòng điện với mật độ hạt tải điện n0, điện tích của hạt tải điện q và vận tốc trung bình có hướng của hạt tải điện . Xét vật dẫn có một loại hạt tải điện. Trong một đơn vị thời gian, số hạt tải điện dn đi qua diện tích dSn là số hạt nằm trong một đoạn ống dòng có đáy là dSn có chiều dài dl v dn n0 vdSn Gọi dI là cường độ dòng điện qua diện tích dSn dI qdn =n0 q vdSn dI j n q v j n q v dt 0 0
8. Nếu trong vật dẫn có cả hai loại hạt tải điện q1 > 0 và q2 < 0 thì biểu thức mật độ dòng sẽ là: j n01 q 1 v 1 n 02 q 2 v 2
9. §3. ĐỊNH LUẬT OHM VỚI ĐOẠN MẠCH THUẦN TRỞ 1. Định luật Ohm Xét một đoạn dây dẫn kim loại đồng chất AB có điện trở là R và có dòng điện chạy qua nó với cường độ là I. Gọi V1 và V2 lần lượt là điện thế ở hai đầu A và B. VV I 1 2 R l R Sn Trong đó hệ số gọi là điện trở suất, phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của dây dẫn.
10. 2. Dạng vi phân của định luật Ohm Định luật Ohm áp dụng với mỗi điểm của dây dẫn. Xét hai diện tích nhỏ dSn nằm vuông góc với các đường dòng và cách nhau một khoảng nhỏ dl. Gọi V và V + dV là điện thế tại hai diện tích ấy (dV < 0), dI là cường độ dòng điện chạy qua chúng. V V dV dV dI RR Mà R = dl/dSn dV 1 dV dI dSn R dl dI1 dV E j  E j  E dSn dl
11. §4. SUẤT ĐIỆN ĐỘNG 1. Nguồn điện Xét hai vật dẫn A và B mang điện trái dấu: A mang điện dương, B mang điện âm, giữa A và B xuất hiện điện trường tĩnh hướng theo chiều A đến B. Nếu nối A với B bằng vật dẫn M thì các hạt tải điện dương sẽ chuyển động theo chiều từ A về B, còn các hạt tải điện âm thì ngược lại. Kết quả là trong vật dẫn M xuất hiện dòng điện theo chiều từ A sang B, điện thế của A giảm xuống, điện thế của B tăng lên.
12. Cuối cùng, khi điện thế của A và B bằng nhau thì dòng điện sẽ ngừng lại. Muốn duy trì dòng điện trong vật dẫn M ta phải đưa các hạt tải điện dương từ B trở về lại A (và các hạt tải điện âm từ A trở về lại B) để làm cho VA > VB. Điện trường tĩnh không làm được việc này. Vì vậy phải tác dụng lên hạt tải điện dương một lực làm cho nó chạy ngược chiều điện trường tĩnh, tức là từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao. Lực này không thể là lực tĩnh điện mà là lực phi tĩnh điện, hay lực lạ. Trường lực gây ra lực lạ ấy gọi là trường lạ E*. Nguồn tạo ra trường lạ ấy gọi là nguồn điện.
13. 2. Suất điện động của nguồn điện Đặc trưng cho khả năng sinh công của nguồn điện “Suất điện động của nguồn điện là một đại lượng có giá trị bằng công của lực điện trường do nguồn tạo ra làm dịch chuyển một đơn vị điện tích dương một vòng quanh mạch kín của nguồn đó”. A  q Xét mạch kín C có chứa nguồn điện và mạch ngoài. Suy ra suất điện động của nguồn là: A  E E * dl E * dl q C C
14. Nghĩa là: Suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng công của lực lạ trong sự dịch chuyển một đơn vị điện tích dương một vòng quanh mạch kín của nguồn đó. Nhận xét: Nếu trường lạ chỉ tồn tại trên một đoạn L giữa hai cực của nguồn điện nên  E* dl L
15. 3. Định luật Ohm đối với một đoạn mạch có nguồn Xét một đoạn mạch AB trong đó có một nguồn điện với suất điện động , điện trở trong r mắc nối tiếp với một điện trở R UAB = I(R +r)  I lấy dấu" +" khi dòng điện có chiều từ A đến B và lấy dấu "–" trong trường hợp ngược lại.  lấy dấu" +" khi đi từ A đến B gặp cực dương của nguồn và lấy dấu " – " khi đi từ A đến B từ cực âm của nguồn.
16. §5. ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF (KIẾC - HỐP) 1. Các khái niệm cơ bản về mạch điện a. Mạch phân nhánh :Là mạch điện phức tạp, gồm nhiều nhánh. Mỗi nhánh có một hay nhiều phân tử (nguồn, điện trở, tụ điện, máy thu.v.v ) mắc nối tiếp. b. Nút: Là chỗ nối các đầu nhánh (giao điểm của ba nhánh trở lên). c. Vòng kín: Là tập hợp các nhánh nối liền nhau tạo thành một vòng kín (đơn liên) trong mạch điện. 2. Định luật Kirchhoff a. Định luật 1 (về nút) Tại mỗi nút của mạch điện, tổng cường độ các dòng điện đi vào nút bằng tổng cường độ các dòng điện từ nút đi ra:
17. b. Định luật 2 (về vòng kín) Trong một vòng kín, tổng đại số các độ giảm thế trên các phần tử bằng tổng đại số các suất điện động trong vòng. Muốn viết phương trình cho một vòng kín cụ thể, ta phải chọn cho vòng kín một chiều thuận (cùng chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ). Dòng điện Ii sẽ mang dấu (+) nếu nó cùng chiều với chiều thuận và mang dấu (- ) trong trường hợp ngược lại. Suất điện động j mang dấu (+) nếu chiều thuận đi vào cực âm, đi ra từ cực dương của nguồn và mang dấu (-) trong trường hợp ngược lại.