Bài học

Dòng điện không đổi — cường độ dòng điện

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em định nghĩa được dòng điện không đổi, viết đúng công thức cường độ dòng điện $I = q/t$ , và tính được điện lượng hoặc cường độ dòng điện khi biết đại lượng còn lại, kể cả khi đề cho thời gian bằng phút.

Sau bài này, em định nghĩa được dòng điện không đổi, viết đúng công thức cường độ dòng điện $I = q/t$, và tính được điện lượng hoặc cường độ dòng điện khi biết đại lượng còn lại, kể cả khi đề cho thời gian bằng phút.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 9, em đã học cách đo cường độ dòng điện $I$ bằng ampe kế mắc nối tiếp, đo hiệu điện thế $U$ bằng vôn kế mắc song song, và dùng thương số $U/I$ để định nghĩa điện trở $R$ của một dây dẫn (prior-grade review). Cách nhìn đó xuất phát từ hai phép đo trên một đoạn mạch. Ví dụ, ở lớp 9, một dây dẫn có $U=6$ V và $I=0{,}5$ A thì điện trở $R=U/I=12$ Ω; con số 12 Ω đó không đổi cho dây dẫn ấy dù $U$ và $I$ có thay đổi. Bài này quay lại đúng đại lượng cường độ dòng điện $I$ , nhưng nhìn nó từ một góc khác: không phải như thương số $U/I$ nữa, mà từ chính bản chất vật lý của dòng điện, tức là dòng chuyển dời của các hạt mang điện.

Ở lớp 9, em đã học cách đo cường độ dòng điện $I$ bằng ampe kế mắc nối tiếp, đo hiệu điện thế $U$ bằng vôn kế mắc song song, và dùng thương số $U/I$ để định nghĩa điện trở $R$ của một dây dẫn (prior-grade review). Cách nhìn đó xuất phát từ hai phép đo trên một đoạn mạch. Ví dụ, ở lớp 9, một dây dẫn có $U=6$ V và $I=0{,}5$ A thì điện trở $R=U/I=12$ Ω; con số 12 Ω đó không đổi cho dây dẫn ấy dù $U$ và $I$ có thay đổi. Bài này quay lại đúng đại lượng cường độ dòng điện $I$, nhưng nhìn nó từ một góc khác: không phải như thương số $U/I$ nữa, mà từ chính bản chất vật lý của dòng điện, tức là dòng chuyển dời của các hạt mang điện.

Khởi động

Một dây tóc bóng đèn có dòng điện chạy qua trong một khoảng thời gian nhất định. Nếu em biết chính xác có bao nhiêu điện tích đã chạy qua tiết diện của dây trong khoảng thời gian đó, em có tính ra được cường độ dòng điện hay không? Thử đoán công thức trước khi đọc phần tiếp theo.

Kiến thức trọng tâm

Quy ước chọn chiều dòng điện là chiều điện tích dương có từ thời kỳ đầu của điện học, trước khi các nhà khoa học xác định được chính electron mới là hạt di chuyển trong kim loại. Quy ước này vẫn được giữ nguyên cho đến nay vì tính nhất quán: mọi công thức, mọi cách mắc ampe kế và vôn kế trong sách giáo khoa đều dựa trên chiều dòng điện quy ước, không phải chiều electron. Vì vậy khi mắc ampe kế vào mạch, em phải mắc đúng chiều quy ước, chốt dương của ampe kế nối về phía cực dương của nguồn, để kim đồng hồ quay đúng chiều thay vì quay ngược về phía âm.

Để đo mức độ mạnh yếu của một dòng điện, người ta dùng đại lượng cường độ dòng điện, kí hiệu $I$ , xác định bằng điện lượng $q$ dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong một đơn vị thời gian:

$I = \frac{q}{t}$

trong đó $q$ là điện lượng (đơn vị coulomb, C), $t$ là thời gian dịch chuyển (đơn vị giây, s), và $I$ có đơn vị ampe (A). Công thức này đúng cho dòng điện không đổi, tức là dòng điện có cường độ $I$ không thay đổi theo thời gian, cả chiều lẫn độ lớn đều giữ nguyên trong suốt quá trình dòng điện chạy qua. Đây là loại dòng điện đơn giản nhất, và cũng là loại dòng điện các mạch điện một chiều (mạch dùng pin, acquy) tạo ra khi chưa có gì thay đổi trong mạch. Cần lưu ý dòng điện không đổi khác với dòng điện xoay chiều dùng trong lưới điện sinh hoạt: dòng điện xoay chiều đổi chiều và độ lớn liên tục theo thời gian, nên công thức $I=q/t$ ở dạng đơn giản này không áp dụng trực tiếp cho nó, mà cần công cụ toán học khác sẽ học ở phần sau của chương trình.

Trong hệ đơn vị quốc tế SI, ampe (A) là một trong bảy đơn vị cơ bản, không phải đơn vị suy ra từ coulomb và giây như công thức $I=q/t$ có thể khiến em nghĩ; ngược lại, chính coulomb mới là đơn vị dẫn xuất, được định nghĩa qua $1$ C $= 1$ A $\times 1$ s. Điều này không làm thay đổi cách tính toán, nhưng giúp em hiểu vì sao ampe kế đo trực tiếp được $I$ mà không cần đo riêng $q$ và $t$ rồi chia cho nhau.

Cần phân biệt rõ hai đại lượng $q$ và $I$ . Điện lượng $q$ là tổng lượng điện tích đã đi qua, cộng dồn theo thời gian; còn cường độ dòng điện $I$ cho biết tốc độ dịch chuyển đó, tức là lượng điện tích đi qua trong mỗi giây. Cùng một điện lượng $q$ có thể ứng với nhiều cặp $(I, t)$ khác nhau: dòng điện lớn chạy trong thời gian ngắn có thể cho cùng $q$ như dòng điện nhỏ chạy trong thời gian dài, miễn là tích $I \cdot t$ bằng nhau.

Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. Trong kim loại, hạt mang điện là electron tự do, mang điện tích âm; trong dung dịch điện phân, hạt mang điện là các ion dương và ion âm chuyển động ngược chiều nhau. Vì hai loại hạt di chuyển trái chiều nhau, người ta cần một quy ước thống nhất để nói về chiều dòng điện: chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của các điện tích dương. Trong kim loại, chiều dòng điện quy ước do đó ngược với chiều chuyển động thật của electron. Quy ước chọn chiều dòng điện là chiều điện tích dương có từ thời kỳ đầu của điện học, trước khi các nhà khoa học xác định được chính electron mới là hạt di chuyển trong kim loại. Quy ước này vẫn được giữ nguyên cho đến nay vì tính nhất quán: mọi công thức, mọi cách mắc ampe kế và vôn kế trong sách giáo khoa đều dựa trên chiều dòng điện quy ước, không phải chiều electron. Vì vậy khi mắc ampe kế vào mạch, em phải mắc đúng chiều quy ước, chốt dương của ampe kế nối về phía cực dương của nguồn, để kim đồng hồ quay đúng chiều thay vì quay ngược về phía âm. Để đo mức độ mạnh yếu của một dòng điện, người ta dùng đại lượng cường độ dòng điện, kí hiệu $I$, xác định bằng điện lượng $q$ dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong một đơn vị thời gian: $$I = \frac{q}{t}$$ trong đó $q$ là điện lượng (đơn vị coulomb, C), $t$ là thời gian dịch chuyển (đơn vị giây, s), và $I$ có đơn vị ampe (A). Công thức này đúng cho dòng điện không đổi, tức là dòng điện có cường độ $I$ không thay đổi theo thời gian, cả chiều lẫn độ lớn đều giữ nguyên trong suốt quá trình dòng điện chạy qua. Đây là loại dòng điện đơn giản nhất, và cũng là loại dòng điện các mạch điện một chiều (mạch dùng pin, acquy) tạo ra khi chưa có gì thay đổi trong mạch. Cần lưu ý dòng điện không đổi khác với dòng điện xoay chiều dùng trong lưới điện sinh hoạt: dòng điện xoay chiều đổi chiều và độ lớn liên tục theo thời gian, nên công thức $I=q/t$ ở dạng đơn giản này không áp dụng trực tiếp cho nó, mà cần công cụ toán học khác sẽ học ở phần sau của chương trình. Trong hệ đơn vị quốc tế SI, ampe (A) là một trong bảy đơn vị cơ bản, không phải đơn vị suy ra từ coulomb và giây như công thức $I=q/t$ có thể khiến em nghĩ; ngược lại, chính coulomb mới là đơn vị dẫn xuất, được định nghĩa qua $1$ C $= 1$ A $\times 1$ s. Điều này không làm thay đổi cách tính toán, nhưng giúp em hiểu vì sao ampe kế đo trực tiếp được $I$ mà không cần đo riêng $q$ và $t$ rồi chia cho nhau. Cần phân biệt rõ hai đại lượng $q$ và $I$. Điện lượng $q$ là tổng lượng điện tích đã đi qua, cộng dồn theo thời gian; còn cường độ dòng điện $I$ cho biết tốc độ dịch chuyển đó, tức là lượng điện tích đi qua trong mỗi giây. Cùng một điện lượng $q$ có thể ứng với nhiều cặp $(I, t)$ khác nhau: dòng điện lớn chạy trong thời gian ngắn có thể cho cùng $q$ như dòng điện nhỏ chạy trong thời gian dài, miễn là tích $I \cdot t$ bằng nhau.

Quy trình giải một bài toán cường độ dòng điện không đổi.

Ví dụ

Tính cường độ dòng điện từ điện lượng

1
Trong $t = 4$ s, có điện lượng $q = 12$ C dịch chuyển qua tiết diện thẳng của một dây dẫn. Tính cường độ dòng điện không đổi chạy qua dây.
Trong $t = 4$ s, có điện lượng $q = 12$ C dịch chuyển qua tiết diện thẳng của một dây dẫn. Tính cường độ dòng điện không đổi chạy qua dây.
2
Ta có $I = q/t = 12/4 = 3$ (A).
Ta có $I = q/t = 12/4 = 3$ (A).
3
Thử lại theo chiều ngược: nếu $I=3$ A chạy trong $t=4$ s thì điện lượng dịch chuyển là $q=I \cdot t = 3 \times 4 = 12$ (C), đúng bằng số liệu đề bài, nên kết quả $I=3$ A là hợp lý.
Thử lại theo chiều ngược: nếu $I=3$ A chạy trong $t=4$ s thì điện lượng dịch chuyển là $q=I \cdot t = 3 \times 4 = 12$ (C), đúng bằng số liệu đề bài, nên kết quả $I=3$ A là hợp lý.
4
Vậy cường độ dòng điện không đổi chạy qua dây là $I = 3$ A.
Vậy cường độ dòng điện không đổi chạy qua dây là $I = 3$ A.

Ví dụ

Tính điện lượng và số electron dịch chuyển

1
Một dòng điện không đổi có cường độ $I = 0{,}5$ A chạy qua một dây dẫn trong $t = 2$ phút. Tính điện lượng $q$ đã dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây, và số electron $n$ đã dịch chuyển qua đó, biết điện tích của một electron có độ lớn $e = 1{,}6 \times 10^{-19}$ C.
Một dòng điện không đổi có cường độ $I = 0{,}5$ A chạy qua một dây dẫn trong $t = 2$ phút. Tính điện lượng $q$ đã dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây, và số electron $n$ đã dịch chuyển qua đó, biết điện tích của một electron có độ lớn $e = 1{,}6 \times 10^{-19}$ C.
2
Ta có $t = 2$ phút $= 2 \times 60 = 120$ (s).
Ta có $t = 2$ phút $= 2 \times 60 = 120$ (s).
3
Áp dụng $I = q/t$ , suy ra $q = I \cdot t = 0{,}5 \times 120 = 60$ (C).
Áp dụng $I = q/t$, suy ra $q = I \cdot t = 0{,}5 \times 120 = 60$ (C).
4
Điện lượng $q$ chính là tổng điện tích của $n$ electron dịch chuyển qua tiết diện dây, nên $q = n \cdot e$ , suy ra $n = q/e = 60/(1{,}6 \times 10^{-19}) = 3{,}75 \times 10^{20}$ (electron).
Điện lượng $q$ chính là tổng điện tích của $n$ electron dịch chuyển qua tiết diện dây, nên $q = n \cdot e$, suy ra $n = q/e = 60/(1{,}6 \times 10^{-19}) = 3{,}75 \times 10^{20}$ (electron).
5
Đơn vị của $q$ ra coulomb, còn $n$ ra một số nguyên dương rất lớn, đúng như dự đoán vì điện tích của một electron cực kỳ nhỏ. Vậy $q = 60$ C và có khoảng $3{,}75 \times 10^{20}$ electron đã dịch chuyển qua dây trong 2 phút đó.
Đơn vị của $q$ ra coulomb, còn $n$ ra một số nguyên dương rất lớn, đúng như dự đoán vì điện tích của một electron cực kỳ nhỏ. Vậy $q = 60$ C và có khoảng $3{,}75 \times 10^{20}$ electron đã dịch chuyển qua dây trong 2 phút đó.
6
Dù cường độ dòng điện chỉ $0{,}5$ A, một giá trị nhỏ so với dòng điện trong các thiết bị công nghiệp, số electron dịch chuyển qua tiết diện dây trong 2 phút đã lên tới hàng trăm tỉ tỉ hạt. Điều này cho thấy điện tích của một electron nhỏ bé đến mức nào so với những đại lượng điện ta thường gặp trong đời sống.
Dù cường độ dòng điện chỉ $0{,}5$ A, một giá trị nhỏ so với dòng điện trong các thiết bị công nghiệp, số electron dịch chuyển qua tiết diện dây trong 2 phút đã lên tới hàng trăm tỉ tỉ hạt. Điều này cho thấy điện tích của một electron nhỏ bé đến mức nào so với những đại lượng điện ta thường gặp trong đời sống.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em quên đổi đơn vị thời gian sang giây trước khi thay vào công thức $I = q/t$ , dẫn đến kết quả sai hàng chục hoặc hàng trăm lần. Một sai lầm khác là nhầm chiều dòng điện quy ước với chiều chuyển động thật của electron trong kim loại: hai chiều này ngược nhau, và đề thi thường hỏi đúng vào điểm này.

Nhiều em quên đổi đơn vị thời gian sang giây trước khi thay vào công thức $I = q/t$, dẫn đến kết quả sai hàng chục hoặc hàng trăm lần. Một sai lầm khác là nhầm chiều dòng điện quy ước với chiều chuyển động thật của electron trong kim loại: hai chiều này ngược nhau, và đề thi thường hỏi đúng vào điểm này.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Cường độ dòng điện không đổi được tính bằng $I = q/t$ , với $q$ là điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây trong thời gian $t$ . Luôn đổi thời gian sang giây trước khi thay số, và nhớ chiều dòng điện quy ước ngược với chiều chuyển động của electron trong kim loại.

Cường độ dòng điện không đổi được tính bằng $I = q/t$, với $q$ là điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây trong thời gian $t$. Luôn đổi thời gian sang giây trước khi thay số, và nhớ chiều dòng điện quy ước ngược với chiều chuyển động của electron trong kim loại.

Bài tiếp theo trả lời câu hỏi vì sao dòng điện lại chạy được liên tục trong một mạch kín: đó là nhờ nguồn điện, một thiết bị thực hiện công để duy trì dòng điện, đặc trưng bởi đại lượng suất điện động.