Bài giảng Vật lý đại cương - Chương: Mạch điện dòng một chiều

Mạch điện dòng một
chiều
1. Dòng điện không đổi
1.1. Bản chất dòng điện: dòng các hạt điện
chuyển động có h−ớng, chiều của hạt 
d−ơng
-
-- -
-
Trong kim
loại
Trong dung 
dịch điện phân
-
-
- -
Trong chất
khí
E
r
I
-
-
-
-
-e
e e
e
e
+
+ +
+
+
+
+
+
+
Trong Chõn khụng, chất bỏn dẫn ?
1.2. Những đại l−ợng đặc tr−ng:
• C−ờng độ dòng điện= điện l−ợng qua S/s 
dt
dqI = ItIdtdqq
t
0
t
0
=== ∫∫ 1C=1A.1s
• Véc tơ mật độ dòng điện
tai điểm M có gốc tại M, 
chiều chuyển động hạt 
d−ơng, giá trị
ndS
dIJ =
dSn
J
r
M
SdJJdSdI n
rr==
∫∫ ==
SS
SdJdII
rrA/m2
ống dòng điện: n0, |e|, , dSnv
dSn
J
r+ v
r
+
Số hạt điện đi qua dSn trong
một đơn vị thời gian:
)dSv(ndn n0=
)dSv(n|e|dn|e|dI n0==
v|e|ndS/dIJ 0n ==
venJ 0
rr =
Dòng nhiều loại hạt: ∑=
i
iii0 venJ
rr
1.3 Định luật Ohm đối với một đoạn mạch điện
trở thuần
A B
V1 > V2
E
r
I
r
I=(V1 -V2)/R
Độ dẫn của đoạn mạch: 
g=1/R
• Điện trở vμ điện trở suất:
R=(V1 -V2)/I Thứ nguyên:Ω=V/AR=ρl/Sn
TR
R
Δ
Δ=αPhụ thuộc của điện trở vμo nhiệt độ:
RT=R0(1+α.ΔT).
RT Điện trở tại nhiệt độ T
R0 Điện trở tại nhiệt độ T0ΔT=T-T0.
ρ106Ωm α103K-1
Ag 0,016 3,8
Al 0,027 4,7
Cu 0,017 3,9
Tại 20oC
)
dl
dV(1
dS
dIJ
n
−ρ== EJ σ=
EJ
rr σ=
Tại một điểm bất kì có dòng điện chạy qua véc
tơ mật độ dòng điện tỷ lệ với véctơ c−ờng độ
điện tr−ờng tại điểm đó.
dI=[V-(V+dV)]/R=-dV/R
• Dạng vi phân định luật
Ohm dSn
V V+dV
E
r
J
r
dlR=ρdl/dSn
2.1. Suất điện động
• Nguồn điện: Duy trì cực
d−ơng, âm 
→ Đẩy điện tích âm từ cực
d−ơng sang cực âm vμ
+-
-
+
-
=>Lực lạ đẩy điện tích trong nguồn: T−ơng tác
phân tử, cảm ứng điện từ, lực điện từ => Tr−ờng
lạ
C
2. Mạch điện một chiều
đẩy điện tích d−ơng từ cực âm sang cực d−ơng.

 Đây không phải lực tĩnh điện!
• Suất điện động của nguồn điện:
lμ đại l−ợng có giá trị bằng công của lực
điện tr−ờng dịch chuyển điện tích +1 một
vòng quanh mạch kín của nguồn đó.
q/A=ζ ∫ +=
C
sd)*EE(qA
rrr
E
r
*E
r Véc tơ c−ờng độ tr−ờng tĩnh điện
Véc tơ c−ờng độ điện tr−ờng lạ
∫ ∫+==ζ
C C
* sdEsdEq/A r
rrr
0sdE
C
=∫ rr
Trong pin tại bề mặt điện
cực có hiệu thế nhảy vọt: 
SĐĐ trong pin=tổng các
hiệu điện thế nhảy vọt ΔV
 Suất điện động của nguồn
điện =L−u số của tr−ờng lạ
 Suất điện động của nguồn điện: lμ đại 
l−ợng có giá trị bằng công của lực điện
tr−ờng lạ dịch chuyển điện tích +1 một
vòng quanh mạch kín của nguồn đó.
∫=ζ
C
* sdE r
r
+-
v ΔV ΔV
2. 2 Định luật Kirchhoff
 Định luật: Tổng hiệu điện thế của toμn mạch 
kín bằng không
Chiều dịch chuyển
+- ba
Uab=Vb-Va=+ζ
+
Chiều dịch chuyển
- ba
Uba=Va-Vb=-ζ
• Tụ
+- ba
Uab= Vb-Va=+ Q/C
+- ba
Uba= Va-Vb=- Q/C
• Nguồn:
0UV i ==Δ ∑∑
 kínMạch kínMạch
Hiệu điện thế=sự thay đổi điện thế từ
điểm nμy tới điểm kia
• Điện trở
Uab= Vb-Va=-IR
R
ba
I
Uba= Va-Vb=+IR
R 
ba
I
• Mạch:
U1 U2
U5U6
U4
U3
U7
I4
I2
I3I1
-U1- U2- U3+ U4+ U5+U6+U7 =0
Định luật Kirchhoff 
đối với tổng hiệu điện
thế trên toμn mạch kín
Thí dụ:
+
 -
ξ
1 =
12 V
-
+
ξ
2
=
6
V
r2=0,1Ω
R3=3Ω
r1=0,4Ω
I R4=10Ω
ξ1- Ir1- Ir2- ξ2- IR3-IR4=0
I= (ξ1- ξ2 )/(r1+r2+R3+R4)
=6V/13,5 Ω ≈ 0,4A
- ξ 1+
r1
R3
r2
- ξ 2+R4
V
Bμi tập: 1. Tính R3
R1=5Ω R2=20Ω
+
 -
ξ
1 =
3V -
+
ξ 2=
6 VI3 R3
2.Tìm dòng trong mạch:
+ - + -
R1=100Ω
R2=10Ω
R3 =80Ω
ξ1=6V;ξ2=12V 
 Định luật Kirchhoff về tổng dòng điện đối với
nút mạch:
0IIIIII i54321 ==+−+−− ∑
tạiO iI4
I3
I2
I1
I5
O
Tổng dòng điện tại một nút mạch 
bằng không.
Lấy chiều vμo nút lμ chiều d−ơng:
 Mạch RC:
+ζ
-
C
Rt=0
• Đóng khoá K, tụ C đ−ợc nạp
Khi đã bão hoμ:
ζ=Q0/C
Khi đang nạp, áp dụng
định luật Kirchhoff:
0
C
QIR =−−ζ
0
C
Q
dt
dQR =−−ζ dtQC
dQRC =−ζ
)e1(CQ RC
t−−ζ= RCte
Rdt
dQI
−ζ==
R
ζ Dòng giảm khi
tụ đ−ợc nạp
RC
t
e
R
I
−ζ=
τ=RC
R
37,0 ζ
t
I
t
Q
)e1(CQ RC
t−−ζ=
0,63Cζ
τ=RC
0,95Cζ
τ=3RC
điện tích tăng
khi tụ nạp
• Quy luật thay đổi dòng
trong mạch khi nạp điện
cho tụ:
• Quy luật thay đổi điện
tích trên bản tụ khi nạp 
điên cho tụ:
CR
+ +
- -
I
0
C
QIR =+−
dt
dQI −=
RC
dt
Q
dQ −=
RC
t
0eQQ
−=
RC
t
0 e
RC
Q
dt
dQI
−−==
0Q
t
Điện tích giảm khi
tụ phóng điện
τ=RC
0Q37,0
I
• Tụ phóng điện qua điện trở của mạch
áp dụng định luật Kirchhoff cho
mạch kín
0
RC
Q
dt
dQ =+
• Năng l−ợng của mạch RC:
Năng l−ợng toμn phần do pin cung cấp: 
2
pin C)C.(W ζ=ζζ=
2
CW
2
C
ζ=
dte
R
RdtIW
0
RC
t22
0
2 ∫∫
∞ −∞ ζ==R
Năng l−ợng nạp vμo tụ:
Năng l−ợng toả trên điện trở:
∞−−ζ= 0RC
t22
|)e
2
RC(
R 2
C 2ζ=
Wpin = WC + QR
Theo định nghĩa suất điện động:
ζ=A/Q0 ; Wpin=A; Q0= Cζ