MỤC TIÊU
- Lấy ví dụ để chứng tỏ được dòng điện có năng lượng.
- Nêu được công suất điện định mức của dụng cụ điện (công suất mà dụng cụ tiêu thụ khi hoạt động bình thường).
- Tính được năng lượng của dòng điện và công suất điện trong trường hợp đơn giản.
TÓM TẮT KIẾN THỨC
Khởi động
Trên nhãn của một chiếc đèn bàn có ghi các thông số 220 V, 15 W. Những con số này có ý nghĩa gì?
1. Năng lượng điện
1.1. Tìm hiểu một số ví dụ chứng tỏ dòng điện có năng lượng
- Điện có vai trò vô cùng quan trọng trong cuộc sống hằng ngày của con người. Hiện nay, phần lớn những thiết bị trong gia đình đều cần điện để hoạt động. Mỗi thiết bị điện khi hoạt động đều chuyển hoá năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác như: nhiệt năng, quang năng, cơ năng, ..
- Ví dụ: Khi hoạt động, máy khoan (Hình 11.1a) chuyển hoá năng lượng điện chủ yếu thành cơ năng; nồi cơm điện, mỏ hàn (Hình 11.1 b, c) chuyển hoá năng lượng điện chủ yếu thành nhiệt năng.
- Các ví dụ trên và nhiều ví dụ khác chứng tỏ dòng điện có năng lượng.
- Trong hệ SI, đơn vị đo năng lượng điện (điện năng) là jun (J).
Thảo luận
Câu hỏi 1: Nêu một số ví dụ khác chứng tỏ dòng điện có năng lượng.
- Phương pháp giải:
Vận dụng kiến thức từ hiểu biết đời sống và tìm hiểu thông tin qua sách báo, internet.
- Lời giải chi tiết:
+ Khi bóng đèn sáng, năng lượng điện đã chuyển hóa thành quang năng.
+ Khi hoạt động, bàn là chuyển hóa năng lượng điện chủ yếu thành nhiệt năng.
1.2. Tìm hiểu công thức tính năng lượng điện
- Năng lượng điện mà đoạn mạch điện tiêu thụ được xác định theo biểu thức:
- Trong đó W (J) là năng lượng điện mà đoạn mạch điện tiêu thụ, U (V) là hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch, I (A) là cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch và t (s) là thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch.
- Năng lượng điện mà các hộ gia đình, trường học, xưởng sản xuất, ... tiêu thụ được đo bằng đồng hồ đo điện năng (công tơ điện) (Hình 11.2).
- Đơn vị đo năng lượng điện ghi trên đồng hồ đo điện năng là kilôoát giờ (kWh). Mỗi số đếm của đồng hồ đo điện năng cho biết năng lượng điện đã sử dụng là 1 kWh.
Ví dụ 1:
Một quạt điện hoạt động liên tục trong 45 phút với hiệu điện thể 220 V và cường độ dòng điện 0,15 A. Tính năng lượng điện mà quạt điện tiêu thụ theo đơn vị J và kWh.
Dữ kiện: U = 220 V; I = 0,15 A; t = 45 min = 2 700 s.
Lời giải
Năng lượng điện mà quạt điện tiêu thụ:
Củng cố kiến thức Cho đoạn mạch điện như hình bên dưới. Biết R1 = 40 Ω. Số chỉ của vôn kế và ampe kế lần lượt là 12V và 0,4 A. a) Tính điện trở R2. b) Tính năng lượng điện mà đoạn mạch điện tiêu thụ trong thời gian 15 phút.
- Tóm tắt
- R1 = 40 Ω
- U = 12 V
- I = 0,4 A
a. R2 = ? Ω
b. W = ? (kWh)
- Phương pháp giải:
Vận dụng kiến thức đã học về mạch điện mắc nối tiếp:
+ Điện trở tương đương của đoạn mạch: Rtđ = R1 + R2
+ Cường độ dòng điện trong mạch: I = I1 = I2
+ Hiệu điện thế: U = U1 + U2
+ Năng lượng điện tiêu thụ: W = UIt
- Lời giải chi tiết:
a) Mạch AB gồm hai điện trở mắc nối tiếp:
b) Hiệu điện thế của điện trở R1 là:
Ghi nhớ:
- Năng lượng điện mà đoạn mạch điện tiêu thụ được xác định theo biểu thức:
W = UIt- Trong đó W (J) là năng lượng điện mà đoạn mạch điện tiêu thụ, U (V) là hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch, I (A) là cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch và t (s) là thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch.
- Ngoài ra, năng lượng điện W còn được đo bằng đơn vị kWh.
1 kWh = 3 600 000 J.
Mở rộng
- Nếu đoạn mạch chỉ chứa điện trở như ấm điện, bếp điện, lò sưởi diện, ... thì toàn bộ năng lượng diện được chuyển hoá thành nhiệt năng.
Nhiệt lượng toả ra ở vật dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của vật dẫn và thời gian dòng điện chạy qua:
Q = I2Rt- Trong đó Q (J) là nhiệt lượng toả ra ở vật dẫn, I (A) là cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn, R (Ω) là điện trở của vật dẫn, t (s) là thời gian dòng điện chạy qua vật dẫn.
- Nội dung trên còn được gọi là định luật Joule – Lenz, định luật này mang tên hai nhà khoa học James Prescott Joule (1818 – 1889, người Anh) và Heinrich Lenz (1804 – 1865, người Đức).
2. Công suất điện
2.1. Tìm hiểu công thức tính công suất điện
- Công suất điện của một đoạn mạch điện là năng lượng điện mà đoạn mạch điện đó tiêu thụ trong một đơn vị thời gian:
\[P = \frac{W}{t} = UI\]- Trong đó P (W) là công suất điện của đoạn mạch, W (J) là năng lượng điện mà đoạn mạch điện tiêu thụ và t (s) là thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch đó.
Công suất điện của một đoạn mạch điện được xác định bởi tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch đó và cường độ dòng điện chạy.
Thảo luận Câu hỏi 2: Chứng minh rằng đối với đoạn mạch điện chỉ chứa điện trở thì công suất điện của điện trở còn được xác định bởi biểu thức: \[P = R{I^2} = \frac{{{U^2}}}{R}\]
Ta có Công suất điện của một đoạn mạch điện là năng lượng điện mà đoạn mạch điện đó tiêu thụ trong một đơn vị thời gian:
\[P = \frac{W}{t} = UI(1)\] Mà: \[U = IR\] \[I = \frac{U}{R}\] Thay vào (1) ta được: \[P = UI = IRI = {\rm{R}}{{\rm{I}}^{\rm{2}}}{\rm{ = R}}{\left( {\frac{U}{R}} \right)^2} = \frac{{{U^2}}}{R}\]Ví dụ 2:
Cho đoạn mạch điện AB như Hình 11.3. Biết R1 = 40 Ω, R2 = 60 Ω và hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch điện là UAB = 24 V.
a) Tính điện trở tương đương của đoạn mạch điện AB.
b) Tính công suất điện của đoạn mạch điện AB.
Dữ kiện: R1 = 40 Ω, R2 = 60 Ω, UAB = 24 V.
- Tóm tắt
R1 = 40 Ω
R2 = 60 Ω
UAB = 24 V
a. RAB = ? A
b. PAB = ? W
- Giải
Đoạn mạch điện AB gồm: R1 song song R2
a. Điện trở tương đương của đoạn mạch điện AB:
\[\frac{1}{{{R_{AB}}}} = \frac{1}{{{R_1}}} + \frac{1}{{{R_2}}} = \frac{1}{{40}} + \frac{1}{{60}} = \frac{1}{{24}}\]
\[ \Rightarrow {R_{{\rm A}{\rm B}}} = 24(\Omega )\]
b. Công suất điện của đoạn mạch điện AB:
\[{P_{AB}} = {U_{AB}}{I_{AB}} = {U_{AB}}\left( {\frac{{{U_{AB}}}}{{{R_{AB}}}}} \right) = \frac{{{U^2}_{AB}}}{{{R_{AB}}}} = \frac{{{{24}^2}}}{{24}} = 24(W)\]
Củng cố kiến thức
Cho đoạn mạch điện AB như Hình 11.3. Biết R1 = 40 Ω, R2 = 60 Ω và hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch điện là UAB = 24 V.
a) Tính điện trở tương đương của đoạn mạch điện AB.
b) Tính công suất điện của đoạn mạch điện AB.
Ví dụ 3:
Một ấm điện dùng để đun nước có công suất 1 000 W. Thời gian dùng ấm mỗi ngày là 30 phút. Tính năng lượng điện mà ấm điện tiêu thụ trong một tháng (30 ngày) theo đơn vị kWh.
Dữ kiện: P = 1 000 W = 1 kW; t = 0,5 × 30 = 15 h.
Lời giải
Năng lượng điện mà ấm điện tiêu thụ trong một tháng (30 ngày):
2.2. Tìm hiểu giá trị định mức của dụng cụ điện
Trên nhãn của mỗi dụng cụ điện thường có ghi hiệu điện thế định mức và công suất điện định mức.
- Hiệu điện thế định mức là hiệu điện thế để dụng cụ điện hoạt động bình thường.
- Công suất điện của thiết bị điện khi hoạt động bình thường được gọi là công suất điện định mức của nó.
Thảo luận
Câu hỏi 3: Xác định hiệu điện thế định mức và công suất điện định mức của bóng đèn trong Hình 11.4.
- Hiệu điện thế định mức của bóng đèn là 220 V.
- Công suất điện định mức của bóng đèn là 20 W.
Ghi nhớ
- Công suất điện của một đoạn mạch là năng lượng điện mà đoạn mạch điện đó tiêu thụ trong một đơn vị thời gian: \[P = \frac{W}{t} = UI\] Trong đó P (W) là công suất điện của đoạn mạch, W (J) là năng lượng điện mà đoạn mạch điện tiêu thụ và t (s) là thời gian dòng điện đi qua đoạn mạch đó.
- Công suất điện định mức của thiết bị điện là công suất của thiết bị điện đó khi hoạt động bình thường.
Củng cố kiến thức
1. Trả lời câu hỏi ở phần Mở đầu bài học.
2. Một bóng đèn compact giá 75 000 đồng có công suất 18 W và thời gian thắp sáng tối đa khoảng 6 000 h. Một bóng đèn LED giá 92 000 đồng có công suất 12 W và thời gian thắp sáng tối đa khoảng 18 000 h. Hai đèn có độ sáng tương đương nhau. Biết giá 1 kWh điện là khoảng 2 000 đồng. Hãy tính chi phí cho việc sử dụng mỗi loại bóng đèn trên trong 18 000 h.
1. - Phương pháp giải:
Vận dụng kiến thức đã học về các đại lượng của điện:
+ Hiệu điện thế định mức: là hiệu điện thế để dụng cụ điện hoạt động bình thường.
+ Công suất điện định mức: là Công suất điện của dụng cụ khi dụng cụ điện hoạt động bình thường.
- Lời giải chi tiết:
+ Thông số 220 V là hiệu điện thế định mức của chiếc đèn bàn.
+ Thông số 15 W là công suất điện định mức của chiếc đèn bàn.
2. - Tóm tắt:
+ Một bóng đèn compact:
Giá = 75 000 đồng
P1 = 18 W
t1 = 6 000 h
+ Một bóng đèn LED:
Giá = 92 000 đồng
P2 = 12 W
t2 = 18 000 h
+ Giá 1 kWh điện là khoảng 2 000 đồng
Tính chi phí cho việc sử dụng mỗi loại bóng đèn trên trong 18 000 h
- Phương pháp giải:
Vận dụng kiến thức đã học về các đại lượng của điện:
+ Năng lượng điện tiêu thụ: \[W = UIt = {I^2}Rt = \frac{{{U^2}}}{R}t = Pt\]
+ Công suất tiêu thụ: \[P = UI = {I^2}R = \frac{{{U^2}}}{R} = \frac{W}{t}\]
- Lời giải chi tiết:
+ Trong 18 000 h, lượng điện mà đèn LED tiêu thụ được là:
\[{W_2} = {P_2}t = 12.18000 = 216000(Wh) = 216(kWh)\]
+ Chi phí cho việc sử dụng đèn LED trong 18 000 h là:
\[{{\rm{T}}_2} = 92000 + {W_2}.2000 = 9200 + 216.2000 = 524000\]
+ Trong 18000 h, lượng điện mà đèn compact tiêu thụ là:
\[{W_1} = {P_1}t = 18.18000 = 324000(Wh) = 324(kWh)\]
+ Do thời gian thắp sáng tối đa của đèn compact là 6 000 h nên để thắp sáng trong 18 000 h, ta cần mua số bóng đèn loại này là:
Mở rộng
Vì sao dây dẫn nối với bóng đèn luôn có vỏ bọc cách điện, tiết diện lớn, trong khi dây tóc bóng đèn được để trần, tiết diện nhỏ?
- Phương pháp giải:
Vận dụng kiến thức từ hiểu biết đời sống và tìm hiểu thông tin qua sách báo, internet.
- Lời giải chi tiết:
Vì dây tóc cần có điện trở lớn. Dòng điện đi qua dây tóc bóng đèn làm dây tóc nóng lên và phát sáng, điện trở của dây càng lớn thì dây càng nóng nên dây tóc bóng đèn cần được để trần và có điện trở lớn. Để điện trở của dây tóc càng lớn thì dây cần có tiết diện nhỏ.
BÀI TẬP
Đang cập nhật
