Công thức, ứng dụng của hiện tượng đoản mạch? Lấy ví dụ?

1. Đoản mạch là gì?

Hiện tượng đoản mạch, còn được gọi là ngắn mạch, là một hiện tượng xảy ra trong hệ thống điện khi nguồn điện được kết nối trực tiếp với mạch ngoài mà không có điện trở đáng kể hoặc có điện trở bằng 0.

Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do dòng điện không gặp trở kháng nào trong mạch dẫn, và dẫn đến việc hai cực của nguồn điện được nối trực tiếp với nhau mà không thông qua bất kỳ thiết bị điện nào (thường được gọi là nối tắt hoặc nối ngắn), khi đó cường độ dòng điện cũng trở nên rất lớn, tăng đến mức cực đại, tỉ lệ nghịch với điển trở và làm xảy ra chập mạch điện, gây ra các sự cố nguy hiểm như cháy nổ và chập cháy trong hệ thống điện gia đình.

Hiện tượng đoản mạch gây cháy nổ điện có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng và đe dọa tính mạng và tài sản của con người. Vì vậy, việc phát hiện, khắc phục đoản mạch và đặc biệt là phòng ngừa là rất quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống điện và đảm bảo an toàn cho mọi người sử dụng năng lượng điện.

2. Công thức của hiện tượng đoản mạch:

Hiện tượng đoản mạch xảy ra khi điện trở của mạch bằng 0, khi đó cường độ của dòng điện chạy qua rất lớn và có hại. Khi đó, R sấp sỉ bằng 0 còn I đạt giá trị lớn nhất.

Ta có công thức cường độ dòng điện của đoạn mạch khi xảy ra hiện tượng đoản mạch như sau: 

Trong đó:

– I là cường độ dòng diện (A)

– E là suất điện động (V)

– r là điện trở trong của nguồn (Ω)

Từ đó, ta có công của nguồn điện bằng nhiệt lượng sản ra ở mạch ngoài và mạch trong:

Công thức tính hiệu suất của nguồn điện:

3. Ứng dụng của hiện tượng đoản mạch:

Từ lý thuyết lý giải hiện tượng đoản mạch là gì, đây là một hiện tượng có hại và có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng và đe dọa tính mạng và tài sản của con người. Vì vậy, việc vận dụng lý thuyết về hiện tượng đoản mạch để phát hiện và khắc phục đoản mạch là rất quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống điện và đảm bảo an toàn cho mọi người sử dụng năng lượng điện. Điều này sẽ lý giải những thiết kế điện trong nhà đã ứng dụng hiện tượng đoản mạch như thế nào:

– Ứng dụng đầu tiên của hiện tượng đoản mạch phải nói đến cầu chì, là phần tử hay thiết bị bảo vệ mạch điện bằng cách làm đứt mạch điện. Cầu chì được sử dụng nhằm phòng tránh các hiện tượng quá tải trên đường dây gây cháy, nổ.

Dây cầu chì được tạo thành từ rất nhiều kim loại dễ nóng chảy. Khi đường điện được lắp dây cầu chì nếu không may bị hỏng, nguồn điện quá lớn do hiện tượng đoản mạch, dây cầu chì sẽ nóng chảy trước tiên rồi cắt nguồn điện. Đường điện bị ngắt nên nác thiết bị điện, đường dây điện sẽ tránh bị chập mạch, hỏng hóc và cũng đảm bảo an toàn, tránh các tai nạn về điện cho con người. Lúc này, cầu chì đã bị cháy và cần nhanh chóng được thay thế.

– Ngày nay, chúng ta có thiết bị hiện đại hơn đó là cầu giao chống giật (hay aptomat chống giật, cầu dao chống dòng rò, CB chống giật…). Cầu dao chống giật cũng là thiết bị có chức năng ngắt điện như cầu chì khi xảy ra tình huống khẩn cấp như có dòng điện rò xuống đất hay có người bị điện giật, tránh các tác hại của hiện tượng đoản mạch.

Từ đó, ta có một số biện pháp phòng tránh hiện tượng đoản mạch như sau:

– Lắp đặt thiết bị ngắt điện tự động như cầu chì, CB, Aptomat tại các vị trí nguồn điện và trên cả thiết bị.

– Nên lựa chọn dây dẫn điện có tiết diện phù hợp với công suất sử dụng để tránh tình trạng quá tải.

– Mỗi thiết bị điện cần sử dụng công tắc riêng.

– Tắt các thiết bị điện, rút phích cắm ngay khi không còn sử dụng các thiết bị điện.

– Lựa chọn dây dẫn điện có tiết diện phù hợp với dòng điện cũng là một cách để an toàn khi sử dụng điện.

4. Ví dụ về hiện tượng đoản mạch:

Đường dây điện của nhà chỉ chịu tải được 400W, khi ta sử dụng một máy bơm công suất lớn với 500W, quá trình hoạt động sẻ gây ra hiện tượng quá tải khiến cho dây điện trở nên nóng lên. Lúc này, lớp vỏ bảo vệ mạch điện sẽ bị nóng chảy làm cho 2 múi dây điện cực dương chạm vào dây trung tính gây ra sự cố chập cháy nổ và đó là hiện tượng đoản mạch.

5. Bài tập minh họa: 

Câu 1: Điều nào sau đây là đúng khi sửa chữa hoặc thay thế cầu chì?

A. Thay dây chì bằng dây đồng để tăng độ dẫn điện.

B. Thay dây chì lớn hơn để lâu bị đứt.

C. Thay dây chì trực tiếp vào ổ cầu chì, không dùng nắp cầu chì nữa.

D. Thay cầu chì có cường độ ngắt mạch phù hợp với cường độ dòng điện của mạch điện.

Đáp án: D

Khi sửa chữa hay thay thế cầu chì cần thay cầu chì có cường độ ngắt mạch phù hợp với cường độ dòng điện của mạch điện.

Câu 2: Hiện tượng đoản mạch là hiện tượng:

A. Dây dẫn điện bị đứt khiến dòng điện không qua được mạch điện.

B. Dây dẫn điện bị bóc lớp cách điện gây nguy hiểm khi chạm tay vào.

C. Dây dẫn điện chạm vào nhau ở các chỗ bị bóc lớp cách điện, khiến dòng điện có cường độ rất lớn có thể gây cháy nổ, hỏa hoạn.

D. Tất cả các hiện tượng trên.

Đáp án: C

Hiện tượng đoản mạch là hiện tượng dây dẫn điện chạm vào nhau ở các chỗ bị bóc lớp cách điện, khiến dòng điện có cường độ rất lớn có thể gây cháy nổ, hỏa hoạn.

Câu 3: Tác hại nào sau đây không phải do hiện tượng đoản mạch gây ra

A. Làm cường độ dòng điện tăng vọt.

B. Làm hỏng, cháy vỏ bọc cách điện của dây dẫn.

C. Làm cho số chỉ trên công tơ tăng vọt.

D. Làm cháy các vật ở gần chỗ đoản mạch.

Đáp án: C

Khi xảy ra đoản mạch, cường độ dòng điện trong mạch thường rất lớn, có thể làm cháy dây dẫn gây hỏa hoạn.

Câu 4: Đối với mạch điện kín gồm nguồn điện với mạch ngoài là điện trở thì hiệu điện thế mạch ngoài

A. tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy trong mạch.

B. tăng khi cường độ dòng điện trong mạch tăng.

C. giảm khi cường độ dòng điện trong mạch tăng.

D. tỉ lệ nghịch với cường độ dòng điện chạy trong mạch.

Đáp án: C

Ta có hiệu điện thế mạch ngoài U_N = I.R_N = E – Ir ⇒ khi I tăng thì U_N giảm.

Câu 5: Phát biểu nào sau đây là không đúng?

A. Cường độ dòng điện trong đoạn mạch chỉ chứa điện trở R tỉ lệ với hiệu điện thế U giữa hai đầu đoạn mạch và tỉ lệ nghịch với điện trở R.

B. Cường độ dòng điện trong mạch kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phàn của mạch.

C. Công suất của dòng điện chạy qua đoạn mạch bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch đó.

D. Nhiệt lượng toả ra trên một vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trở của vật, với cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua vật.

Đáp án: D

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

Câu 6: Một nguồn điện có điện trở trong 0,1Ω được mắc với điện trở 4,8Ω thành mạch kín. Khi đó hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện là 12 (V). Cường độ dòng điện trong mạch là

A. I = 120 (A).              B. I = 12 (A).

C. I = 2,5 (A).              D. I = 25 (A).

Đáp án: C

Cường độ dòng điện trong mạch là

Câu 7: Một nguồn điện có điện trở trong 0,1Ω được mắc với điện trở 4,8Ω thành mạch kín. Khi đó hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện là 12 (V). Suất điện động của nguồn điện là:

A. E = 12,00 (V).              B. E = 12,25 (V).

C. E = 14,50 (V).              D. E = 11,75 (V).

Đáp án: B

Cường độ dòng điện trong mạch là

⇒ Suất điện động của nguồn điện là: E = I(r + R) = 12,25(V)

Câu 8: Một nguồn điện có suất điện động E = 6 (V), điện trở trong r = 2 (Ω), mạch ngoài có điện trở R. Để công suất tiêu thụ ở mạch ngoài là 4 (W) thì điện trở R phải có giá trị

A. R = 1 (Ω).              B. R = 2 (Ω).

C. R = 3 (Ω).              D. R = 6 (Ω).

Đáp án: A

Công suất tiêu thụ mạch ngoài:

Câu 9: Dùng một nguồn điện để thắp sáng lần lượt hai bóng đèn có điện trở R₁ = 2 (Ω) và R₂ = 8 (Ω), khi đó công suất tiêu thụ của hai bóng đèn là như nhau. Điện trở trong của nguồn điện là:

A. r = 2 (Ω).              B. r = 3 (Ω).

C. r = 4 (Ω).              D. r = 6 (Ω).

Đáp án: C

Ta có:

Mà

Câu 10: Một nguồn điện có suất điện động E = 6 (V), điện trở trong r = 2 (Ω), mạch ngoài có điện trở R. Để công suất tiêu thụ ở mạch ngoài đạt giá trị lớn nhất thì điện trở R phải có giá trị

A. R = 1 (Ω).             B. R = 2 (Ω).

C. R = 3 (Ω).             D. R = 4 (Ω).

Đáp án: B

Công suất tiêu thụ mạch ngoài:

Mà

Câu 11: Biết rằng khi điện trở mạch ngoài của một nguồn điện tăng từ R₁ = 3 (Ω) đến R₂ = 10,5 (Ω) thì hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn tăng gấp hai lần. Điện trở trong của nguồn điện đó là:

A. r = 7,5 (Ω).              B. r = 6,75 (Ω).

C. r = 10,5 (Ω).             D. r = 7 (Ω).

Đáp án: D

Ta có hiệu điện thế mạch ngoài

Mà

Câu 12: Cho một mạch điện kín gồm nguồn điện có suất điện động E = 12 (V), điện trở trong r = 2,5 (Ω), mạch ngoài gồm điện trở R₁ = 0,5 (Ω) mắc nối tiếp với một điện trở R. Để công suất tiêu thụ ở mạch ngoài lớn nhất thì điện trở R phải có giá trị

A. R = 1 (Ω).              B. R = 2 (Ω).

C. R = 3 (Ω).              D. R = 4 (Ω).

Đáp án: B

Công suất tiêu thụ mạch ngoài:

Mà

Câu 13: Cho một mạch điện kín gồm nguồn điện có suất điện động E = 12 (V), điện trở trong r = 2,5 (Ω), mạch ngoài gồm điện trở R₁ = 0,5 (Ω) mắc nối tiếp với một điện trở R. Để công suất tiêu thụ trên điện trở R đạt giá trị lớn nhất thì điện trở R phải có giá trị

A. R = 1 (Ω)              B. R = 2 (Ω).

C. R = 3 (Ω).              D. R = 4 (Ω).

Đáp án: C

Công suất tiêu thụ trên điện trở:

Mà