Điện năng - Công suất điện

Bài 8. ĐIỆN NĂNG - CÔNG SUẤT ĐIỆN

A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT

I. Điện năng tiêu thụ và công suất điện

1. Điện năng tiêu thụ của đoạn mạch

Dòng điện chạy qua đoạn mạch gây ra các tác dụng khác nhau và khi đó có sự chuyển hóa từ năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác.

Điện năng mà một đoạn mạch tiêu thụ khi có dòng điện chạy qua để chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác được đo bằng công của lực điện trường thực hiện khi dịch chuyển có hướng các điện tích.

Ta có: A = Uq = UIt

2. Công suất điện

Công suất điện của một đoạn mạch là công suất tiêu thụ điện năng của đoạn mạch đó và có trị số bằng điện năng mà đoạn mạch tiêu thụ trong một đơn vị thời gian, hoặc bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch đó.

II. Công suất tỏa nhiệt của vật dẫn khi có dòng điện chạy qua

1. Định luật Jun-len-xơ

Nhiệt lượng tỏa ra ở một vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trở của vật dẫn, với bình phương cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua vật dẫn đó.

Q = R$I^{2}$t

2. Công suất tỏa nhiệt của vật dẫn khi có dòng điện chạy qua

Công suất tỏa nhiệt ở một vật dẫn khi có dòng điện chạy qua đặc trưng cho tốc độ tỏa nhiệt của vật dẫn đó và được xác định bằng nhiệt lượng tỏa ra ở vật dẫn trong một đơn vị thời gian.

III. Công và công suất của nguồn điện

1. Công của nguồn điện

Theo định luật bảo toàn năng lượng, điện năng tiêu thụ trong toàn mạch bằng công của lực lạ bên trong nguồn điện.

Ta có

2. Công suất của nguồn điện

Công suất của nguồn điện đặc trưng cho tốc độ thực hiện công của nguồn điện đó và cũng chính bằng công suất tiêu thụ điện năng của toàn mạch.

Ta có

B. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý

1. Hiểu được sự chuyển hóa năng lượng bên trong nguồn điện (từ hóa năng, cơ năng, nội năng... chuyển hóa thành điện năng) và bên ngoài nguồn điện (từ điện năng chuyển hóa thành nội năng, hóa năng, cơ năng...). Từ đây hiểu được thế nào là công và công suất của dòng điện chạy qua một đoạn mạch.

2. Nắm và vận dụng được các công thức tính công (A = UIt) và công suất của dòng điện chạy qua một đoạn mạch. Hoặc công và công suất của nguồn điện.

3. Hiểu được thế nào là điện trở thuần, biết được công thức của định luật Ôm cho đoạn mạch chỉ có điện trở thuần là I = $\large \frac{U}{R}$.

4. Phát biểu và vận dụng được công thức của định luật Jun-len-xơ.

Q = R$I^{2}$t = $\large \frac{U^{2}}{R}$t = UIt

5. Biết được đặc điểm của đoạn mạch gồm các điện trở thuần mắc nối tiếp như sau:

• I = $I_{1}$ = $I_{2}$ = ... = $I_{n}$

• U = $U_{1}$ + $U_{2}$ +... + $U_{n}$

• R = $R_{1}$ + $R_{2}$ + ... + $R_{n}$

(với R là điện trở tương đương)

6. Biết được đặc điểm của đoạn mạch gồm các điện trở thuần mắc song song như sau:

• I = $I_{1}$ + $I_{2}$ + ... + $I_{n}$

• U = $U_{1}$ = $U_{2}$ = ... = $U_{n}$.

• $\large \frac{1}{R}$ = $\large \frac{1}{R_{1}}$ + $\large \frac{1}{R_{2}}$ + ... + $\large \frac{1}{R_{n}}$

(Nếu chỉ có hai điện trở mắc song song thì R = $\large \frac{R_{1}.R_{2}}{R_{1}+R_{2}}$)

7. Cần hiểu được ý nghĩa các số ghi trên dụng cụ điện. Thí dụ số ghi trên bóng đèn dây tóc là 220V-100W thì 220V là hiệu điện thế định mức và 100W là công suất định mức. Đây là những giá trị khi đèn hoạt động bình thường, từ đây ta có thể tính cường độ dòng điện qua đèn hay điện trở của đèn bằng công thức

C. ĐỀ BÀI TẬP

Bài 1

Ngoài đơn vị là oat (W), công suất điện có thể có đơn vị là:

A. Jun (J)

B. Vôn trên ampe (V/A)

C. Jun trên giây (J/s)

D. Ampe nhân giây (A.s)

Bài 2

Ngoài đơn vị là oat (W), công suất điện có thể có đơn vị là:

A. Jun (J)

B. Vôn nhân ampe (V.A)

C. Jun nhân giây (J.s)

D. Ampe trên giây (A/s)

Bài 3

Biểu thức của định luật Jun-Len-xơ là:

A. Q = $R^{2}$It

B. Q = R$I^{2}$t

C. Q = RI$t^{2}$

D. Q = RIt

Bài 4

Công suất của nguồn điện được tính bằng công thức: A. P = RIP

Bài 5

Một mạch điện gồm điện trở thuần R = 10$\Omega$ mắc giữa hai điểm có hiệu điện thế U = 20V. Nhiệt lượng tỏa ra trên R trong thời gian t = 10s là:

A. 20J

B. 2000J

C. 40J

D. 400J

Bài 6

Câu nào sau đây sai khi nói về lực lạ trong nguồn điện?

A. Lực lạ chỉ có thể là lực hóa học.

B. Điện năng tiêu thụ trong toàn mạch bằng công của lực lạ bên trong nguồn điện.

C. Sự tích điện ở hai cực khác nhau ở hai cực của nguồn điện là do lực lạ thực hiện công làm dịch chuyển các điện tích.

D. Lực lạ có bản chất khác với lực tĩnh điện.

Bài 7

Một nguồn điện có suất điện động 12V, khi nối hai cực của nguồn với một mạch ngoài thì công của nguồn điện sản ra trong thời gian 1 phút là 720J. Tính cường độ dòng điện qua nguồn và công suất của nguồn.

Bài 8

Cho mạch điện như hình vẽ:

U = 12V; $R_{1}$ = 24$\Omega$, $R_{3}$ = 3,8$\Omega$; ampe kế A có điện trở $R_{a}$ = 0,2$\Omega$. Ampe kế A chỉ 1A. Tính:

1. Điện trở $R_{2}$

2. Nhiệt lượng tỏa ra trên $R_{1}$ trong thời gian 5 phút.

3. Công suất của điện trở $R_{2}$.

Bài 9

Có hai điện trở $R_{1}$ và $R_{2}$ mắc giữa hai điểm có hiệu điện thế U = 12V. Khi $R_{1}$ ghép nối tiếp với $R_{2}$ thì công suất của mạch là 4W. Khi $R_{1}$ ghép song song với $R_{2}$ thì công suất của mạch là 18W. Tính $R_{1}$ và $R_{2}$.

Bài 10

Cho hai đèn Đ$_{1}$: 120V-40W; Đ$_{2}$: 120V-60W. Tìm cường độ dòng điện qua đèn và độ sáng mỗi đèn trong hai trường hợp. Đèn nào sáng hơn?

1. Mắc hai đèn song song vào mạng điện có hiệu điện thế 120V.

2. Mắc nối tiếp hai đèn vào mạng điện có hiệu điện thế 240V.

Bài 11

Một ấm điện có ghi 120V-480W.

1. Tính điện trở của ấm và cường độ dòng điện qua ấm khi dùng điện có hiệu điện thế 120V.

2. Dùng ấm trên để đun sôi 1,2 lít nước ở 20$^{0}$C. Tìm thời gian đun sôi lượng nước trên, biết hiệu suất của ấm là 70%, cho c = 4200J/kg.K

Bài 12

Một đèn có ghi 24V-12W. Để sử dụng vào hiệu điện thế 120V người ta mắc đèn với biến trở R theo hai sơ đồ sau. Biết biến trở R có giá trị tối đa là 200$\Omega$.

1. Tìm giá trị con chạy C ở mỗi sơ đồ.

2. Hiệu suất của mỗi cách sử dụng trên?

D. HƯỚNG DẪN GIẢI

Bài 1

Ta có . Trong hệ đơn vị SI, A có đơn vị là jun (J), t có đơn vị là giây (s), U có đơn vị là vôn (V); I có đơn vị là ampe (A) nên còn có đơn vị là jun trên giây (J/s) hay vôn nhân ampe (V.A) ⇒ chọn C.

Bài 2

Giải tương tự trên ⇒ chọn B.

Bài 3

Ta có Q = R$I^{2}$.t ⇒ chọn B.

Bài 4

Ta có ⇒ chọn C.

Bài 5

Ta có Q = R$I^{2}$t = $\large \frac{U^{2}}{R}$t = $\large \frac{400}{10}$.10 = 400J ⇒ chọn D.

Bài 6

Trong pin và acquy thì lực lạ là lực hóa học nhưng trong máy phát điện lực lạ là lực từ tác dụng lên các electron chuyển động trong từ trường ⇒ chọn A.

Bài 7

Bài 8

1. Ampe kế A chỉ I = 1A.

- Điện trở tương đương của mạch là:

R= $\large \frac{U}{I}$ = $\large \frac{12}{1}$ = 12$\Omega$

- Điện trở tương đương $R_{1}$ và $R_{2}$:

$R_{12}$ = R - ($R_{a}$ + $R_{3}$) = 12 - (3,8 + 0,2) = 8$\Omega$

- Điện trở $R_{2}$:

2. Nhiệt lượng tỏa ra trên $R_{1}$:

với $U_{12}$ = I.$R_{12}$ = 1.8 = 8V, t = 300s

⇒ Q = $\frac{64}{24}$.300 = 800 J

3. Công suất của $R_{2}$:

Bài 9

- Khi $R_{1}$ ghép nối tiếp $R_{2}$:

Ta có:

- Khi $R_{1}$ ghép song song với $R_{2}$:

Ta có:

Từ (1) ⇒ $R_{1}$ = 36 - $R_{2}$ (3)

Thay (3) vào (2), ta có phương trình:

$R_{2}^{2}$ - 36$R_{2}$ + 288 = 0

Giải phương trình trên, ta được:

$R_{2}$ = 24$\Omega$; $R_{2}$ = 12$\Omega$

Vậy: nếu $R_{2}$ = 24$\Omega$ thì $R_{1}$ = 12$\Omega$

nếu $R_{2}$ = 12$\Omega$ thì $R_{1}$ = 24$\Omega$

Bài 10

1. Hai đèn sử dụng giá trị định mức nên chúng sáng bình thường và dòng điện qua chúng đúng giá trị định mức.

Nên đèn Đ$_{2}$ sáng hơn Đ$_{1}$.

2. Khi chúng mắc nối tiếp, cường độ dòng điện qua hai đèn là như nhau:

Do nên đèn Đ$_{1}$ sáng mạnh hơn bình thường.

nên đèn Đ$_{2}$ mờ hơn bình thường.

Nên đèn Đ$_{1}$ sáng hơn Đ$_{2}$

Bài 11

1. Điện trở của ấm điện là:

và dòng điện qua ấm lúc này:

I = $\large \frac{U}{R}$ = $\large \frac{120}{30}$ = 4A

2. Nhiệt lượng cần để đun sôi 1,2 lít nước:

$Q_{1}$ = m.c($t_{2}$ - $t_{1}$) = 4200.1,2.(100 - 20)

$Q_{1}$ = 403 200J

Nhiệt lượng do dòng điện cung cấp:

Từ H = $\large \frac{Q_{1}}{Q}$.100%

⇒ Q = $\large \frac{Q_{1}}{H}$.100% = $\large \frac{403200}{70}$.100% = 576000J

và thời gian dùng để đun sôi nước: Q = R$I^{2}$t = P.t

Bài 12

1. Điện trở và cường độ dòng điện định mức của đèn:

+ Trong sơ đồ (a), để đèn Đ sáng bình thường ta phải có:

($R_{AC}$: điện trở đoạn AC của biến trở)

+ Trong sơ đồ (b), để đèn sáng bình thường ta phải có:

Giải phương trình bậc hai ta được:

$x_{1}$ = 320$\Omega$ (loại do x không thể lớn hơn 200$\Omega$)

$x_{2}$ = 120$\Omega$

Vậy: $R_{AC}$ = 120$\Omega$

2. + Đối với sơ đồ (a):

Công suất có ích là của đèn.

Công suất toàn phần là công suất toàn mạch.

= U.I = 120.0,5 = 60W

+ Đối với sơ đồ (b):

Công suất có ích vẫn là của đèn.

Công suất toàn phần là:

với I là cường độ dòng điện qua mạch chính:

và hiệu suất sử dụng điện: