Năng lượng điện, công suất và đo nguồn

Với đoạn mạch một chiều có hiệu điện thế $U$, dòng điện $I$ chạy trong thời gian $t$: $$A=UIt,\qquad P=\frac{A}{t}=UI.$$ Nếu đoạn mạch là điện trở thuần tuân theo định luật Ohm thì còn có $P=I^2R=U^2/R$. Một kilôoát giờ là điện năng mà thiết bị công suất $1$ kW tiêu thụ trong $1$ giờ: $1$ kWh $=3{,}6\times10^6$ J. kW là đơn vị công suất, còn kWh là đơn vị năng lượng.

Dùng pin điện hóa, biến trở, điện trở bảo vệ, ampe kế, vôn kế và công tắc. Ampe kế nối tiếp nhánh tải; vôn kế nối song song hai cực pin. Khi coi dòng qua vôn kế không đáng kể, số chỉ ampe kế gần bằng dòng pin phát. Chọn thang đo và cực tính đúng; ban đầu đặt tải lớn để dòng nhỏ. Đóng công tắc trong thời gian đủ đọc, ghi I và U rồi ngắt, thay tải cho lần đo tiếp. Không để pin cấp dòng lớn quá lâu vì pin nóng hoặc suy giảm làm ε, r thay đổi trong lúc đo. Hình biểu diễn cách nối; điện trở bảo vệ luôn nối tiếp biến trở, không nối ampe kế trực tiếp qua hai cực pin. Nếu vôn kế có điện trở hữu hạn đáng kể, phải tính thêm dòng qua vôn kế khi đề yêu cầu.

Quan sát hình cùng phần giải thích bên dưới.

Khi nguồn phát điện, hiệu điện thế hai cực và cường độ dòng điện liên hệ bởi: $$U=\varepsilon-rI.$$ Đo nhiều cặp $(I,U)$ rồi vẽ đồ thị $U$ theo $I$. Nếu mô hình $\varepsilon$ và $r$ gần như không đổi, các điểm nằm gần một đường thẳng: giao điểm với trục $U$ cho suất điện động $\varepsilon$, còn độ lớn của độ dốc cho điện trở trong $r$. Dùng nhiều điểm và một đường gần đúng giúp giảm ảnh hưởng của sai số đọc. Ampe kế mắc nối tiếp, vôn kế mắc song song với hai cực nguồn. Chọn đúng thang và cực tính, ngắt mạch trước khi đổi cách mắc; không nối ampe kế trực tiếp vào hai cực pin để “đo dòng của pin”.

Bảng minh họa trong miền nguồn phát gần tuyến tính: | I (A) | U (V) | |---|---| | 0,10 | 1,50 | | 0,20 | 1,40 | | 0,30 | 1,30 | | 0,40 | 1,20 | Chọn trục ngang I, trục đứng U. Đường thẳng U = 1,60 − 1,00I đi qua các điểm: giao trục U cho ε = 1,60 V; độ lớn độ dốc cho r = 1,00 Ω. Có thể kiểm bằng r = (1,50 − 1,20)/(0,40 − 0,10) = 1 Ω rồi ε = U + rI. Số liệu thật thường không nằm đúng một đường. Vẽ đường gần các điểm, chọn hai điểm cách xa nhau trên đường ấy để tính dốc; không ép đường qua gốc và không tùy ý xóa điểm chỉ vì lệch. Kiểm cách mắc, thang đo, tiếp xúc và tình trạng pin trước khi kết luận.

Nếu đồ thị hoặc đề cho miền độ dốc phù hợp từ −1,1 đến −0,9 V/A, ta có thể biểu diễn r khoảng (1,0 ± 0,1) Ω theo cách ước lượng ấy. Suất điện động lấy từ giao trục U và miền giao điểm phù hợp; không gán sai số r cho ε vì chúng khác đại lượng và đơn vị. Khi đề cung cấp công thức xử lí bảng hoặc sai số cụ thể, xác định từng kí hiệu rồi thay số theo công thức đó. Không cần tự thiết lập hồi quy. Hai điểm đo xác định được một đường thẳng nhưng chưa đủ đánh giá độ phân tán; nhiều lần đo giúp nhận ra sự không ổn định. Điện áp mạch hở gần ε nếu vôn kế có điện trở rất lớn. Không dùng thang đo điện trở trực tiếp qua pin đang có điện để tìm r; đó không phải phép đo phù hợp cho nguồn hoạt động.