Bài 16. Dòng điện. Cường độ dòng điện trang 98, 99, 100, 101, 102 Vật lý 11 Chân trời sáng tạo: Khi bật công tắc, ta thấy bóng đèn sáng lên gần như ngay lập tức...

Câu hỏi:

Khi bật công tắc, ta thấy bóng đèn sáng lên gần như ngay lập tức. Phải chẳng các hạt tải điện trong dây dẫn nối với bóng đèn đã di chuyển với vận tốc rất lớn? Có thể ước tính vận tốc này bằng cách nào? Ngoài ra, 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 (Hình 16.1). Yếu tố nào của dòng điện đã tạo nên sự khác biệt này?

Lời giải chi tiết :

- Các hạt mang điện không chuyển động trong mạch điện với tốc độ cao.

- Trong dây dẫn kim loại, ở mọi vị trí trong dây đều có electron tự do nên khi bật công tắc đèn, các electron đồng loạt chịu tác dụng của điện trường làm chúng chuyển động có hướng và cho dù dây dẫn có thể rất dài thì hầu như bóng đèn đều sáng ngay lập tức. Đại lượng này được xác định bằng lượng điện tích dịch chuyển qua tiết diện thẳng S trong một đơn vị thời gian.

- Cường độ dòng điện làm ảnh hưởng đến độ sáng của bóng đèn.

Câu hỏi:

Dựa vào bộ dụng cụ trong Hình 16.2, em hãy đề xuất phương án thí nghiệm khác để kiểm chứng tính mạnh yếu của dòng điện. Tiến hành thí nghiệm (nếu có điều kiện).

Lời giải chi tiết :

* 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 biển trở, Biến trở tăng thì cường độ dòng điện giảm, độ sáng bóng đèn giảm và ngược lại.

Câu hỏi:

Khi nói về dòng điện, chúng ta thường nhắc tới chiều của nó. Theo em, cường độ dòng điện I là đại lượng vectơ hay vô hướng?

Lời giải chi tiết :

Ta có: \(I = \frac{{\Delta q}}{{\Delta t}}\) vì cả Δq, Δt đều là đại lượng vô hướng nên cường độ dòng điện I là đại lượng vô hướng.

Câu hỏi:

Dựa vào công thức (16.1), hãy lập luận để dẫn dắt ra định nghĩa đơn vị đo điện lượng culông.

Lời giải chi tiết :

Từ công thức (16.1), 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.

Trong chương trình môn Khoa học tự nhiên 8, các em đã được học đơn vị của cường độ dòng điện trong hệ SI (A) đơn được chọn là đơn vị cơ bản, do đó đơn vị của điện tích (C) được định nghĩa lại như sau: 1 culông (1 C) 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.

1C= 1A.1s = 1As

Câu hỏi:

Hãy so sánh cường độ của hai dòng điện không đổi sau:

Dòng điện 1: Cứ mỗi giây có 1,25.10¹⁹ hạt electron chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn.

Dòng điện 2: Cứ mỗi phút có điện lượng 150 C chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn.

Lời giải chi tiết :

Dòng điện 1 có cường độ dòng điện là:

\({I_1} = \frac{{\Delta q}}{{\Delta t}} = 1,{25.10^{19}}.1,{6.10^{ - 19}} = 2A\)

Dòng điện 2 có cường độ dòng điện là: \({I_2} = \frac{{\Delta q}}{{\Delta t}} = \frac{{150}}{{60}} = 2,5A\)

⇒ dòng điện 2 có cường độ dòng điện lớn hơn.

Câu hỏi:

Mỗi khi trời mưa hay giông bão thường kèm theo các tia sét, đó là các dòng điện phóng từ đám mây xuống mặt đất với cường độ trung bình cỡ 300 000 A. Tia sét kéo dài 1,5 s. Hãy tính điện lượng đã di chuyển giữa đám mây và mặt đất trong mỗi tia sét.

Lời giải chi tiết :

Điện lượng đã di chuyển giữa đám mây và mặt đất trong mỗi tia sét là:

Q=I.t=300000.1,5=450000(C)

Câu hỏi:

Vì sao khi chưa có điện trường ngoài, các hạt tải điện trong dây dẫn chuyển động nhiệt không ngừng với tốc độ cỡ 10⁶ m/s mà không có dòng điện trong dây dẫn?

Lời giải chi tiết :

Khi chưa có điện trường ngoài, các hạt tải điện chuyển động nhiệt hỗn loạn theo tất cả các hướng, không có hướng nào là ưu tiên, vì vậy trong vật dẫn không có dòng điện.

Câu hỏi:

Kết quả tính toán trong ví dụ cho thấy độ lớn vận tốc trôi rất nhỏ (cỡ 0,04 mm/s). Điều này có mâu thuẫn gì với hiện tượng đèn gần như sáng “tức thì” ngay khi bật công tắc hay không?

Lời giải chi tiết :

Điều này không có gì mâu thuẫn với hiện tượng đèn gần như sáng “tức thì” ngay khi bật công tắc, vì vận tốc trôi của các hạt tải điện tỉ lệ với cường độ dòng điện chạy trong vật dẫn, chỉ cần cường độ dòng điện đủ lớn thì đèn vẫn có thể gần như sáng "tức thì” ngay khi bật công thức.

Câu hỏi:

Một ống chứa khí hydrogen bị ion hoá đặt trong điện trường mạnh giữa hai điện cực làm xuất hiện dòng điện. Các electron chuyển động về cực dương, các proton chuyển động về cực âm. Biết mỗi giây có 3,1.10¹⁸electron và 1,1.10¹⁸ proton chuyển động qua một tiết diện của ống. Hãy tính cường độ dòng điện và xác định chiều của nó.

Lời giải chi tiết :

Ta có, chiều dòng điện trong ống phóng điện là từ cực dương sang cực âm của ống.

Cường độ dòng điện qua ống:

\(I = \frac{q}{t} = \frac{{({n_e} + {n_p})e}}{t} = \frac{{(3,{{1.10}^{18}} + 1,{{1.10}^{18}}).1,{{6.10}^{ - 19}}}}{1} = 0,672A\)

Câu hỏi:

Một quả cầu bằng đồng cô lập. Một dây dẫn kim loại mang dòng điện đi vào nó và một dây dẫn kim loại khác mang dòng điện đi ra khỏi nó. Biết cường độ dòng điện đi vào lớn hơn cường độ dòng điện đi ra khỏi quả cầu là 2 μA.

a) Hỏi số electron của quả cầu tăng hay giảm theo thời gian?

b) Tính thời gian để quả cầu tăng (hoặc giảm) một lượng 1 000 tỉ electron.

Lời giải chi tiết :

a) Vì cường độ dòng điện đi vào lớn hơn cường độ dòng điện đi ra khỏi quả cầu là 2 μA nên số electron của quả cầu giảm theo thời gian.

b) Thời gian để quả cầu giảm một lượng 1 000 tỉ electron là:

\(t = \frac{{{n_e}.e}}{I} = \frac{{{{1000.10}^9}.1,{{6.10}^{ - 19}}}}{{{{2.10}^{ - 6}}}} = 0,08s\)

Câu hỏi:

Cho dòng điện 4,2 A chạy qua một đoạn dây dẫn bằng kim loại dài 80 cm có đường kính tiết diện 2,5 mm. Mật độ electron dẫn của kim loại này là 8,5.10²⁸electron/m³. Hãy tính thời gian trung bình mỗi electron dẫn di chuyển hết chiều dài đoạn dây.

Lời giải chi tiết :

Ta có:

\(I = nSve \Rightarrow v = \frac{I}{{nSe}} \Rightarrow \frac{l}{t} = \frac{{4I}}{{n\pi {d^2}e}} \Rightarrow t = \frac{{ln\pi {d^2}e}}{{4I}} = \frac{{0,8.8,{{5.10}^{28}}.0,{{0025}^2}\pi .1,{{6.10}^{ - 19}}}}{{4.2,4}} = 4047,619s\)