Bài 16: Dòng điện. Cường độ dòng điện

- Các hạt tải điện trong dây dẫn di chuyển với vận tốc rất nhỏ, nhưng khi bật công tắc ta thấy bóng đèn sáng gần như ngay lập tức vì bản chất bên trong dây dẫn kim loại có chứa rất nhiều các electron tự do, khi bật công tắc tức là đã tạo ra một điện trường, các electron này lập tức di chuyển thành dòng tạo thành dòng điện nên ta có cảm giác đèn sáng ngay lập tức.

- Ước tính vận tốc bằng cách sử dụng công thức 

- Khi so sánh độ sáng hai bóng đèn sợi đốt cùng loại nhưng được đặt vào hai hiệu điện thế khác nhau ta thấy có sự khác biệt. Cường độ dòng điện đã tạo nên sự khác biệt này.

* Mục đích:

Kiểm chứng tác dụng mạnh hay yếu của dòng diện.

* Dụng cụ:

– Pin (1), các dây nối (2) và khoá K (3).

– Biến trở (là điện trở có giá trị có thể thay đổi được) (4).

– Ampe kế (5).

– Bóng đèn sợi đốt (6).

* Tiến hành thí nghiệm

Bước 1: Bố trí thí nghiệm như sơ đồ trong Hình 16.3.

Bước 2: Đóng khoá K, điều chỉnh biến trở. Ứng với mỗi giá trị của biến trở, ghi nhận giá trị cường độ dòng điện được đo bởi ampe kế và nhận xét về độ sáng của bóng đèn.

* Báo cáo kết quả thí nghiệm:

Nhận xét về mối liên hệ giữa độ sáng của đèn và số chỉ của ampe kế khi thay đổi giá trị của biến trở.

Cường độ dòng điện I là đại lượng vô hướng vì nó đặc trưng cho độ mạnh yếu của dòng điện.

Từ công thức (16.1) \(I=\frac{Δq}{Δt}\), ta thấy cường độ dòng điện được định nghĩa thông qua tỉ số giữa điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng và khoảng thời gian để thực hiện sự dịch chuyển đó. Đơn vị của cường độ dòng điện I là Ampe (A), của thời gian là giây (s), của điện tích là Culong (C).

Định nghĩa đơn vị đo điện lượng: 1 culong (1C) là điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong 1 s khi có dòng điện không đổi cường độ 1 A chạy qua.

1 C = 1 A.1 s = 1 A.s

Cường độ dòng điện: \(I=\frac{q}{t}=\frac{n . e}{t}\)
\(I=\frac{n . e}{t}=\frac{1,25 \cdot 10^{19} \cdot 1,6 \cdot 10^{-19}}{1}=2 A\)
Dòng điện 2: Cứ mỗi phút có điện lượng 150 C chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn.
\(I=\frac{q}{t}=\frac{150}{2.60}=1,25 \mathrm{~A}\)
Vậy cường độ dòng điện 1 lớn hơn cường độ dòng điện 2.

Điện lượng cần tìm: q = I.t = 300000 . 1,5 = 450000 C

Vì các hạt tải điện chuyển động hỗn loạn, không tạo thành dòng, không theo một hướng nhất định.

Điều này không mâu thuẫn với hiện tượng đèn gần như sáng "tức thì", vì khi bật công tắc, có điện trường ngoài, các hạt tải điện vừa chuyển động nhiệt vừa chuyển động có hướng tạo thành dòng diện. Các hạt tải điện chuyển động va đập vào nhau liên tục nhưng theo một phương ưu tiên.

Hạt tải điện của chất khí là electron, ion dương và ion âm.
Cường độ dòng điện: \(I=\frac{q}{t}=\frac{n . e}{t}=\frac{3,1 \cdot 10^{18} \cdot 1,6 \cdot 10^{-19}}{1}=0,496 \mathrm{~A}\)
Chiều của dòng điện ngược chiều chuyển động của electron.

a) Cường độ dòng điện đi vào lớn hơn cường độ dòng điện đi ra khỏi quả cầu nên số electron (hạt tải điện chính) giảm theo thời gian.
Số electron giảm theo thời gian: \(n=\frac{q}{e}=\frac{I t}{e}=\frac{2 \cdot 10^{-6} \cdot t}{1,6 \cdot 10^{-19}}=1,25 \cdot 10^{13} \cdot t\)
b) Thời gian để quả cầu tăng (hoặc giảm) một lượng 1000 tỉ electron:
\(t=\frac{n}{1,25.10^{13}}=\frac{1000.10^9}{1,25.10^{13}}=0,08 s\)

Vận tốc trôi: \(v=\frac{I}{n S e}=\frac{4 I}{n \pi\left(\frac{d}{2}\right)^2 e}=\frac{4 \cdot 4,2}{8,5 \cdot 10^{28} \cdot \pi \cdot\left(\frac{2,5 \cdot 10^{-3}}{2}\right)^2 \cdot 1,6 \cdot 10^{-19}}=2,52 \cdot 10^{-4} \mathrm{~m} / \mathrm{s}\)
Thời gian trung bình mỗi electron dẫn di chuyển hết chiều dài đoạn dây:
\(t=\frac{l}{v}=\frac{0,8}{2,52 \cdot 10^{-4}}=3174,6(s)\)