Dòng điện mạnh hay yếu được đo bằng gì?
Khi đóng mạch, đèn có thể sáng gần như tức thời dù các electron trong dây chỉ trôi có hướng với tốc độ rất nhỏ. Vì vậy cần phân biệt tốc độ truyền tác dụng điện trong mạch với tốc độ trôi của hạt tải, đồng thời dùng cường độ dòng điện để mô tả dòng mạnh hay yếu.
Điện lượng qua tiết diện và cường độ dòng điện
Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của hạt mang điện. Với dòng không đổi:
$$I=\frac{\Delta q}{\Delta t},\qquad q=It.$$
I tính bằng ampere, q bằng coulomb, t bằng giây. Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động điện tích dương; electron trong kim loại dịch chuyển có hướng ngược chiều dòng điện.
Nếu dây có tiết diện S, mật độ hạt tải n, độ lớn điện tích mỗi hạt e và tốc độ trôi v:
$$I=nSev.$$
n có đơn vị m⁻³, S phải tính bằng m². Tốc độ trôi là chuyển động có hướng trung bình chồng lên chuyển động hỗn loạn; không phải tốc độ truyền tín hiệu điện dọc dây.
Vì sao có công thức I = nSev?
Trong thời gian Δt, các hạt trôi có hướng được quãng đường vΔt. Thể tích phần dây tương ứng là SvΔt. Có n hạt trong mỗi mét khối nên số hạt qua tiết diện là N = nSvΔt; điện lượng có độ lớn Δq = Ne. Chia Δt được I = nSev.
Ví dụ n = 8,0 × 10²⁸ m⁻³, S = 1,0 mm² = 10⁻⁶ m², e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C, I = 1,28 A. Suy ra v = I/(nSe) = 10⁻⁴ m/s = 0,10 mm/s. Tốc độ nhỏ này là tốc độ trôi trung bình, không phải tốc độ chuyển động nhiệt hoặc truyền tín hiệu.
Nếu đề cho đường kính d, tiết diện tròn là S = πd²/4. Không dùng πd² như thể d là bán kính. Nếu I không đổi trong cùng dây, đổi S mà vẫn giữ n thì v thay đổi ngược với S; khác giả thiết giữ v của một bài khác.
Ví dụ: tính điện lượng và số electron
Dòng 0,5 A chạy trong 2 phút. Đổi t = 120 s; $q=0{,}5\times120=60$ C. Nếu quy về số electron đi qua tiết diện, lấy e = $1{,}6\times10^{-19}$ C, được $N=q/e=3{,}75\times10^{20}$.
Áp dụng
Dòng 2 A chạy trong 5 s đưa điện lượng qua tiết diện là
Không lấy I/t.
Không lấy t/I.
Đúng theo định nghĩa cường độ dòng điện.
Không cộng hai đại lượng khác đơn vị.
Lời giải
$q=I\Delta t=2\times5=10$ C.
Áp dụng
Trong mô hình $I=nSev$, giữ mật độ hạt tải $n$, độ lớn điện tích $e$ và tốc độ trôi $v$ không đổi. Tăng tiết diện dây $S$ gấp đôi thì cường độ dòng điện thay đổi thế nào?
Tăng $S$ khi các đại lượng khác giữ nguyên làm $I$ tăng.
Tiết diện chỉ xuất hiện bậc nhất trong công thức.
Đúng theo đúng giả thiết giữ $n,e,v$.
Trong giả thiết này $I$ tỉ lệ với $S$.
Lời giải
Từ $I=nSev$, khi $n,e,v$ giữ nguyên thì $I$ tỉ lệ với $S$. $S$ tăng gấp đôi nên $I$ cũng tăng gấp đôi; không tự áp dụng kết luận này nếu thay dây làm các điều kiện khác đổi. Chọn C.
Điện lượng từ bảng hoặc đồ thị
Nếu đồ thị điện lượng q theo t là đường thẳng, cường độ dòng không đổi bằng độ tăng q chia độ tăng t. Ví dụ q tăng từ 2 C đến 8 C trong khoảng t = 1 s đến 4 s thì I = (8 − 2)/(4 − 1) = 2 A. Không lấy 8/4 nếu đồ thị không đi qua gốc.
Nếu I = 0,50 A trong 4 s đầu và I = 0,20 A trong 6 s tiếp, điện lượng là 0,50 × 4 + 0,20 × 6 = 3,2 C. Trên đồ thị I–t, ta cộng diện tích các hình chữ nhật; các đoạn thẳng biến thiên có thể dùng diện tích hình thang khi đề nêu đúng mô hình.
Tại một chỗ nối, nếu điện tích không tích tụ thì lượng điện đi vào bằng lượng đi ra trong cùng thời gian. Ví dụ mỗi giây có 0,8 C đi vào, một nhánh mang đi 0,3 C thì nhánh còn lại mang đi 0,5 C, tương ứng 0,5 A. Không coi dòng điện bị tiêu hao sau khi qua một điện trở.
Dung lượng 2 000 mAh tương ứng 2 Ah = 7 200 C. Đây là lượng điện tích theo điều kiện định mức, không phải trực tiếp năng lượng; muốn ước tính năng lượng còn cần điện áp phù hợp.
Những điều cần nhớ
Chiều dòng điện là quy ước. Đổi phút sang giây và mm² sang m² đúng bậc.
Đang học