Nếu một phần tử tự nó hay khi chịu các tác động không có bản chất điện từ, có khả năng tạo ra điện áp hay dòng điện ở một điểm nào đó của mạch điện thì nó được gọi là một nguồn sức điện động [sđđ]. Hai thông số đặc trưng cho một nguồn sđđ là :
- Giá trị điện áp giữa hai đầu lúc hở mạch [khi không nối với bất kì một phần tử nào khác từ ngoài đến hai đầu của nó] gọi là điện áp lúc hở mạch của nguồn kí hiệu là Uhm
- Giá trị dòng điện của nguồn đưa ra mạch ngoài lúc mạch ngoài dẫn điện hoàn toàn: gọi là giá trị dòng điện ngắn mạch của nguồn kí hiệu là Ingm .
Một nguồn s.đ.đ được coi là lý tưởng nếu điện áp hay dòng điện do nó cung cấp cho mạch ngoài không phụ thuộc vào tính chất của mạch ngoài [mạch tải].
Trên thực tế, với những tải có giá trị khác nhau, điện áp trên hai đầu nguồn hay dòng điện do nó cung cấp có giá trị khác nhau và phụ thuộc vào tải. Điều đó chứng tỏ bên trong nguồn có xảy ra quá trình biến đổi dòng điện cung cấp thành giảm áp trên chính nó, nghĩa là tồn tại giá trị điện trở bên trong gọi là điện trở trong của nguồn kí hiệu là Rng
Rng = Uhm / Ingm [1]
Nếu gọi U và I là các giá trị điện áp và dòng điện do nguồn cung cấp khi có tải hữu hạn
0 < Rt< ∞ thì: Rng = [Uhm – U] / I [2]
Từ [1] và [2] suy ra: Ingm = [U/Rng] + 1 [3]
Từ các hệ thức trên, ta có các nhận xét sau:
- Nếu Rng→ 0. thì từ hệ thức [2] ta có U → Uhm khi đó nguồn s.đ.đ là một nguồn điện áp lý tưởng. Nói cách khác một nguồn điện áp càng gần lí tưởng khi điện trở trong Rng của nó có giá trị càng nhỏ.
- Nếu Rng → ∞, từ hệ thức [3] ta có I → Ingm nguồn sđđ khi đó có dạng là một nguồn dòng điện lí tưởng hay một nguồn dòng điện càng gần lí tưởng khi Rng của nó càng lớn.
- Một nguồn sđđ trên thực tế được coi là một nguồn điện áp hay nguồn dòng điện tùy theo bản chất cấu tạo của nó để giá trị Rng là nhỏ hay lớn. Việc đánh giá Rng tùy thuộc tương quan giữa nó với giá trị điện trở toàn phần của mạch tải nối tới hai đầu của nguồn xuất phát từ các hệ thức [2] và [3] có hai cách biểu diễn kí hiệu nguồn [sđđ] thực tế như trên hình a và b
Một bộ phận bất kì của mạch có chứa nguồn, không có liên hệ hỗ cảm với phần còn lại của mạch mà chỉ nối với phần còn lại này ở hai điểm, luôn có thể thay thế bằng một nguồn tương đương với một điện trở trong là điện trở tương đương của bộ phận mạch đang xét. Trường hợp riêng, nếu bộ phận mạch bao gồm nhiều nguồn điện áp nối với nhiều điện trở theo một cách bất kì, có 2 đầu ra sẽ được thay thế bằng chỉ một nguồn điện áp tương đương với một điện trở trong tương đương [định lí về nguồn tương đương của Tevơnin]
a] Biểu diễn tương đương nguồn điện áp; b] nguồn dòng điện
Tóm lại:
1] Nguồn dòng là nguồn luôn cấp ra một dòng điện không đổi không phụ thuộc tải hay không phụ thuộc dòng điện chạy qua. [VD: nguồn điện lưới, pin, mạch nguồn dùng Zenner diode, mạch gương [current mirror],… ]
2] Nguồn áp là nguồn luôn cấp ra một điện áp không đổi không phụ thuộc tải.
Nguồn dòng và nguồn áp đều là lý tưởng, trong thực tế không có nguồn nào như thế khi mà nội trở bằng không [với nguồn áp] và bằng vô cùng [với nguồn dòng] mà người ta chỉ tạo ra các bộ nguồn gần với lý thuyết.
Ứng dụng:
- Nguồn dòng cho tín hệu khi cần truyền đi xa: để tránh sai số do điện trở đường dây, nhiễu điện áp cảm ứng…
- Nguồn dòng trong các mạch nạp xả tụ điện nhằm tuyến tính hóa điện áp nạp và xả.
- Nguồn dòng trong các mạch cấp điện cho diode zenner, để có điện áp ổn định.
- Nguồn dòng cho các mạch đo lường kiểu điện trở, như RTD, …
- Nguồn dòng cố định: cho dòng ra ổn định và không thay đổi.
- Nguồn dòng phụ thuộc: cho dòng ra tỷ lệ với một áp điều khiển đầu vào.
Xem thêm các sách tham khảo liên quan:
Giải Bài Tập Vật Lí 11 – Bài 9: Định luật Ôm đối với toàn mạch giúp HS giải bài tập, nâng cao khả năng tư duy trừu tượng, khái quát, cũng như định lượng trong việc hình thành các khái niệm và định luật vật lí:
C1 trang 51 SGK: Trong thí nghiệm hình 9.2 trang 50 SGK, mạch điện phải như thế nào để cường độ dòng điện I =0 và tương ứng U=Uo?
Taị sao Uo có giá trị lớn nhất và bằng suất điện động ℰ của nguồn điện : Uo=E.
Trả lời:
Khi mạch ngoài để hở hoặc mạch ngoài có điện trở vô cùng lớn thì cường độ dòng điện I=0 và tương ứng U=Uo
Ta có: U=IR= ℰ -Ir
Khi I=0 thì U=Uo=E=Umax
C2 trang 51 SGK: Từ hệ thức:UN=I.RN= ℰ -Ir, hãy cho biết trong những trường hợp nào thì hiệu điện thế U giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động E nó?
Trả lời:
-Khi điện trở trong của nguồn điện bằng không [r = 0];
-Khi cường độ dòng điện trong mạch bằng không [I = 0] nếu điện trở ngoài RN rất lớn.
C3 trang 52 SGK: Một pin có số ghi trên vỏ là 1,5V và có điện trở trong là 1,0 Ω. Mắc một bóng đèn có điện trở R=4Ω vào hai cực của pin này để thành mạch điện kín. Tính cương độ dòng điện chạy qua đèn khi đó và hiệu điện thế giữa hai đầu của nó.
Trả lời:
Cường độ dòng điện qua đèn:
Hiệu điện thế giữa hai đầu bóng đèn: U = I.R = 0,3.4 = 1,2[V]
Đáp số: I = 0,3A ; U=1,2V
C4 trang 52 SGK: Hãy cho biết vì sao rất nguy hiểm nếu để xảy ra hiện tượng đoản mạch xảy ra đối với mạng điện ở gia đình. Biện pháp nào được sử dụng để tránh không xảy ra hiện tượng này?
Trả lời:
Sẽ rất nguy hiểm nếu xảy ra hiện tượng đoạn mạch đối với mạng điện gia đình vì khi đó cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn điện và các thiết bị điện rất lớn sẽ làm hư hỏng thiết bị và thậm chí gây cháy nổ các thiết bị đó dẫn đến gây nguy hiểm đến tính mạng con người.
Biện pháp phòng tránh:
-Mỗi thiết bị điện cần sử dụng công tắc riêng:
-Tắt các thiết bị điện [rút phích cắm] ngay khi không còn sử dụng:
-Nên lắp cầu trì ở mỗi công tắc, nó có tác dụng ngắt mạch ngay khi cường độ dòng điện qua cầu chì quá lớn
C5 trang 53 SGK: Từ công thức :
Hãy chứng tỏ rằng trong trường hợp mạch ngoài chỉ gồm điện trở thuần RN thì hiệu suất của nguồn điện có điện trở trong r được tính bằng công thức:
Trả lời:
Nếu mạch ngoài chỉ có điện trở thuần:
Ta có: UN = I.RN và E = I.[RN + r]
Hiệu suất của nguồn điện khi này:
Lời giải:
*Định luật ôm đối với toàn mạch đề cập tới loại mạch điện kín đơn giản nhất gồm nguồn điện có suất điện động ℰ và điện trở trong r, mạch ngoài gồm các vật dẫn có điện trở tương đương RN
*Phát biểu định luật
Cường độ dòng điện chạy trong mạch điện kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch đó.
*Hệ thức biểu thị định luật :
Lời giải:
*Độ giảm điện thế trên một đoạn mạch là tích của cường độ dòng điện chạy trong mạch với điện trở của mạch
UN=I.RN
*Mối quan hệ giữa suất điện động của nguồn điện và các độ giảm điện thế của các đoạn mạch trong mạch điện kín:
Suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tổng các độ giảm điện thế ở mạch ngoài và mạch trong.
ℰ =I.RN+I.r
Lời giải:
Hiện tượng đoản mạch xảy ta khi nối hai cực của một nguồn điện bằng một dây dẫn có điện trở rất nhỏ . Khi đó dòng điện trong mạch có cường độ rất lớn và có hại
Biện pháp phòng tránh:
– Mỗi thiết bị điện cần sử dụng công tắc riêng;
– Tắt các thiết điện [rút phích cắm] ngay khi không còn sử dụng;
Nên lắp cầu chì ở mỗi công tắc. nó có tác dụng ngắt mạch ngay khi cường độ dòng điện qua cầu chì quá lớn
Trong mạch điện kín, hiệu điện thế mạch ngoài UN phụ thuộc như thế nào vào điện trở RN của mạch ngoài?
A. UN tăng khi RN tăng
B. UN giảm khi RN giảm
C. UN không phụ thuộc vào RN
D. UN lúc đầu giảm, sau đó tăng dần khi RN tăng dần từ 0 đến vô cùng.
Lời giải:
Đáp án: A
Ta có:
Khi RN tăng thì
giảm, do đó UN tăng.a] Tính cường độ dòng điện chạy trong mạch và suất điện động của nguồn điện.
b] Tính công suất mạch ngoài và công suất của nguồn điện khi đó.
Lời giải:
a] Cường độ dòng điện trong mạch: I = UN/R = 8,4/14 = 0,6A
Suất điện động của nguồn điện: E = UN + I.r = 8,4 + 0,6.1 = 9V
b] Công suất mạch ngoài : Ρmạch = U.I = 8,4.0,6 = 5,04 W
Công suất của nguồn điện: Ρnguồn = E. I = 9.0,6 = 5,4 W
Đáp án: a]I = 0,6A; b] E = 9V; c] Ρmạch = 5,04W ; Ρnguồn = 5,4 W
a]Hãy chứng tỏ rằng bóng đèn khi đó gần như sáng bình thường và tính công suất tiêu thụ điện thực tế của bóng đèn khi đó.
b]Tính hiệu suất của nguồn điện trong trường hợp này.
Lời giải:
a]
Bóng đèn có ghi 12V- 5W → Uđm = 12V, Pđm = 5W
→ Điện trở bóng đèn:
Cường độ dòng điện chạy qua đèn:
Hiệu điện thế hai đầu bóng đèn khi này: U = I.R = 0,4158.28,8 = 11,975V
Giá trị này gần bằng hiệu điện thế định mức ghi trên bóng đèn, nên ta sẽ thấy đèn sáng gần như bình thường.
Công suất tiêu thụ của bóng đèn khi này là: P = U.I = 11,975.0,4158≈ 4,98W
b] Hiệu suất của nguồn điện là:
Đáp án: a] P ≈ 4,98W ; b] H = 99,8%
a]Tính công suất tiêu thụ điện của mỗi bóng đèn .
b]Nếu tháo bỏ một bóng đèn thì bóng đèn còn lại sáng mạnh hơn hay yếu hơn so với trước đó.
Lời giải:
a] Điện trở tương đương của hai bóng đèn:
Cường độ dòng điện trong mạch:
Vì hai đèn giống nhau mắc song song nên cường độ dòng điện qua mỗi đèn là: Iđ1 = Iđ2 = I/2 = 0,3A
Công suất tiêu thụ của mỗi bóng đèn: Pđ1 = Pđ2 = Rđ1.I2đ1 = 6. 0,32 = 0,54W
b] Nếu tháo bỏ một bóng đèn [giả sử tháo bỏ đèn 2]:
Cường độ dòng điện trong mạch:
Công suất tiêu thụ của bóng đèn 1: Pđ1 = Rđ1.I2đ1 = 6. 0,3752 ≈ 0,84W
Vậy đèn còn lại sẽ sáng hơn lúc trước
Đáp án: a] Pđ = 0,54W; b]sáng mạnh hơn lúc đầu