Nguồn điện cung cấp năng lượng cho mạch nhờ suất điện động ε. Bên trong nguồn có điện trở trong r. Với mạch kín, cường độ dòng điện tuân theo định luật Ôm toàn mạch.
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Ban đầu r = 1 Ω. Tăng R và quan sát I giảm.
- 2Tăng r lên 5 Ω (pin yếu): I giảm rõ rệt dù R không đổi.
- 3Nhận xét: U = ε − Ir, nên r càng lớn thì hiệu điện thế ra càng nhỏ.
Mạch điện một chiều
- Dòng điện I (chiều chạy)
- Nguồn điện (suất điện động ε)
- Ampe kế (đo I)
- Suất điện động ε
- 6 V
- Điện trở R
- 10 Ω
- Cường độ dòng I
- 0.545 A
- Công suất nguồn
- 3.27 W
Với nguồn có điện trở trong r, cường độ dòng điện trong mạch kín: I = ε/(R + r). Điện trở trong càng lớn thì dòng điện (và công suất ra mạch ngoài) càng giảm.
Đề bài
Nguồn có ε = 12 V, r = 2 Ω mắc với R = 10 Ω. Tính cường độ dòng điện và hiệu điện thế mạch ngoài.
Lời giải
I = ε/(R + r) = 12/(10 + 2) = 1 A. U = ε − Ir = 12 − 1·2 = 10 V (hoặc U = IR = 10 V).
Định luật Ôm toàn mạch quanh em
Suất điện động và điện trở trong có mặt trong mọi nguồn điện — từ viên pin tiểu đến ắc-quy xe hơi. Hiểu chúng giúp em lí giải vì sao thiết bị khi mạnh khi yếu dù "pin vẫn còn".
Pin yếu dần rồi điện thoại tự tắt nguồn dù báo còn phần trăm
Khi pin cạn, điện trở trong r tăng lên. Theo I = ε/(R + r), r tăng làm cường độ dòng I giảm, và theo U = ε − Ir, hiệu điện thế ra của pin cũng tụt xuống. Khi U tụt dưới ngưỡng cần thiết cho chip hoạt động, điện thoại tự tắt dù "vẫn còn điện".
Lý thuyết của bài: I = ε/(R + r) và U = ε − Ir — r tăng khiến dòng và hiệu điện thế ra giảm.
Xe máy khó nổ máy khi bình ắc-quy yếu
Ắc-quy yếu có điện trở trong r lớn và/hoặc suất điện động ε giảm. Khi bấm đề, máy đề cần dòng rất lớn; nhưng theo I = ε/(R + r), r lớn khiến dòng đề không đủ mạnh để quay động cơ. Đó là lí do vì sao đề máy kêu yếu "ạch ạch" rồi không nổ.
Lý thuyết của bài: I = ε/(R + r) — nguồn cần ε lớn và r nhỏ mới cung cấp được dòng khởi động lớn.
Đèn pha xe yếu đi khi mở thêm nhiều thiết bị điện khác
Bật thêm đèn, còi hay dàn âm thanh làm giảm điện trở mạch ngoài R (mắc song song) và tăng dòng tiêu thụ. Dòng tăng làm độ sụt áp trong nguồn Ir lớn hơn, nên hiệu điện thế ra U = ε − Ir giảm, các đèn khác tối đi. Đây là minh chứng rõ cho vai trò của điện trở trong.
Lý thuyết của bài: U = ε − Ir — dòng I qua nguồn càng lớn thì phần méo U càng nhiều.
Vì sao nguồn điện nóng lên và hao phí năng lượng khi chạy hết công suất
Công suất do nguồn phát ra là P_nguồn = εI, nhưng một phần bị tiêu tán ngay trong điện trở trong nguồn dưới dạng nhiệt. Hiệu suất H = R/(R + r) cho biết tỉ lệ năng lượng "ra tới mạch ngoài". Khi R rất nhỏ so với r, H thấp và nguồn nóng lên nhiều.
Lý thuyết của bài: P_nguồn = εI và H = R/(R + r) — muốn hiệu suất cao thì R phải lớn hơn r.
Sạc dự phòng để lâu trong túi rò điện và ấm lên
Pin lithium để lâu bị tăng tự phóng và điện trở trong tăng. Khi có dòng rò nhỏ chạy liên tục, theo P = εI (với dòng rò) và định luật Ôm toàn mạch, một phần năng lượng biến thành nhiệt ngay trong pin, làm pin ấm lên. Đó là lí do không nên cất pin ở nhiệt độ cao.
Lý thuyết của bài: I = ε/(R + r) với R rất lớn (mạch hở gần như) và H = R/(R + r) — phần năng lượng mất nằm ở điện trở trong.
Vì sao lại có công thức I = ε/(R + r)?
Trực giác:Hãy coi nguồn điện như một "máy bơm điện" cung cấp suất điện động ε, nhưng chính bên trong máy bơm cũng có "ma sát" riêng là điện trở trong r. Dòng điện chạy trong mạch kín phải thắng cả điện trở ngoài R lẫn điện trở trong r, nên tổng "trở ngại" là R + r.
- 1Trong toàn mạch kín, suất điện động ε cung cấp năng lượng cho điện tích chạy khắp mạch: cả phần mạch ngoài (R) lẫn phần bên trong nguồn (r).
- 2Nếu chỉ có mạch ngoài, định luật Ôm cho I = U/R. Nhưng vì có thêm điện trở trong, điện trở tổng mà dòng phải vượt qua là R + r.
- 3Áp dụng định luật Ôm cho cả mạch: cường độ dòng I tỉ lệ với nguồn ε và tỉ lệ nghịch với tổng điện trở R + r → I = ε/(R + r).
- 4Hiệu điện thế mạch ngoài là phần ε đã bị "mất" đi một lượng Ir trong nguồn (độ sụt áp trong): U = ε − Ir. Khi mạch hở I = 0 thì U = ε, giải thích vì sao vôn kế lí tưởng đo được đúng suất điện động.
- 5Kiểm chứng: ε = 12 V, R = 10 Ω, r = 2 Ω → I = 12/12 = 1 A và U = 12 − 1·2 = 10 V = IR, khớp hoàn toàn.
Ý nghĩa: Công thức I = ε/(R + r) cho thấy dòng điện trong mạch kín phụ thuộc vào cả điện trở ngoài lẫn điện trở trong của nguồn. Kèm theo đó, U = ε − Ir giải thích vì sao hiệu điện thế nguồn luôn nhỏ hơn suất điện động khi có dòng chạy — chính là nguồn gốc của khái niệm điện trở trong.