Suất điện động là gì? Tính suất điện động của nguồn điện?

1. Suất điện động là gì? 

Suất điện động hay còn được gọi là lực điện động (tiếng Anh: emf – electromotive force, đơn vị là vôn) của nguồn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện và đo bằng thương số giữa công A của lực lạ thực hiện khi làm dịch chuyển một điện tích dương bên trong nguồn điện từ cực âm đến cực dương và độ lớn của điện tích đó. Suất điện động xuất hiện ở nguồn điện một chiều như pin, acquy, hay trong vòng dây kín được đặt trong từ trường biến thiên.

Suất điện động có thể được hiểu là hiệu điện thế tạo ra giữa hai điểm trong một mạch điện khi không có dòng điện chảy qua. Nó thể hiện khả năng của nguồn điện để đẩy điện tử di chuyển từ một điểm có năng lượng thấp đến một điểm có năng lượng cao hơn.

Suất điện động thường được sử dụng để mô tả các nguồn điện như pin, bộ biến áp và các nguồn điện khác. Nó cung cấp thông tin về năng lượng điện tử có thể nhận được từ một nguồn điện và có thể sử dụng để thực hiện công việc trong mạch điện.

Giá trị của suất điện động thường được xác định bởi các yếu tố như tính chất của vật liệu sử dụng trong nguồn điện, sự khác biệt về điện thế giữa các điểm trong mạch và các yếu tố khác như nhiệt độ và điện trở của mạch.

Suất điện động là một khái niệm quan trọng trong vật lý điện học và được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điện tử, mạch điện, và công nghệ điện.

2. Công thức tính suất điện động của nguồn điện:

Công thức tính suất điện động của nguồn điện là một vấn đề quan trọng trong vật lý điện. Suất điện động là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện và đo bằng thương số giữa công của lực lạ thực hiện khi làm dịch chuyển một điện tích dương bên trong nguồn điện từ cực âm đến cực dương và độ lớn của điện tích đó. Suất điện động được kí hiệu là e hoặc ℰ và có đơn vị là vôn.

Công thức tính suất điện động phụ thuộc vào loại nguồn điện và cách mắc của chúng. Có ba trường hợp cơ bản:

– Nguồn điện mắc nối tiếp: suất điện động của bộ nguồn bằng tổng suất điện động của từng nguồn, tức là ξb = ξ1 + ξ2 + … + ξn. Điện trở trong của bộ nguồn bằng tổng điện trở trong của từng nguồn, tức là rb = r1 + r2 + … + rn.

– Nguồn điện mắc song song: suất điện động của bộ nguồn bằng suất điện động của mỗi nguồn, tức là ξb = ξ. Điện trở trong của bộ nguồn bằng tổng nghịch đảo của điện trở trong của từng nguồn, tức là 1/rb = 1/r1 + 1/r2 + … + 1/rn.

– Nguồn điện mắc nối tiếp và song song: suất điện động của bộ nguồn bằng tổng suất điện động của các nhóm nguồn mắc song song, tức là ξb = ξ1 + ξ2 + … + ξm. Điện trở trong của bộ nguồn bằng tổng điện trở trong của các nhóm nguồn mắc song song, tức là rb = r1 + r2 + … + rm.

Để đo suất điện động của nguồn điện, ta có thể sử dụng một vôn kế nối song song với nguồn khi mạch ngoài hở. Giá trị hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn khi không có dòng điện chạy qua mạch ngoài chính là suất điện động của nguồn. Nếu nguồn điện được mắc nối tiếp hoặc song song với các nguồn khác, ta có thể sử dụng các công thức tính suất điện động đã trình bày ở trên để tìm ra suất điện động của bộ nguồn.

Suất điện động được đo bằng đơn vị vôn (V) và có thể có giá trị âm hoặc dương tùy theo chiều của dòng điện và hướng của từ trường. Suất điện động có liên quan chặt chẽ đến các định luật về cảm ứng điện từ của Faraday và Lenz.

3. Ứng dụng của suất điện động:

Ứng dụng của suất điện động là rất đa dạng và quan trọng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. 

– Nguồn điện: Suất điện động được sử dụng để mô tả khả năng của các nguồn điện như pin, bộ biến áp, và nguồn điện khác để tạo ra điện áp và dòng điện trong mạch điện.

– Điện tử: Suất điện động được sử dụng trong các thiết bị điện tử như điện thoại di động, máy tính, máy tính bảng và các thiết bị điện tử khác để cung cấp nguồn điện cho hoạt động của chúng.

– Mạch điện: Suất điện động là một yếu tố quan trọng trong thiết kế mạch điện. Nó được sử dụng để tính toán và kiểm tra các thông số như điện áp, dòng điện, và hiệu suất của mạch.

– Công nghệ điện: Suất điện động được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ điện như điện tử công suất, hệ thống điện năng lượng mặt trời, điện tử công nghiệp và các hệ thống điện tử khác.

– Nghiên cứu khoa học: Suất điện động được sử dụng trong các nghiên cứu khoa học để đo và phân tích các thông số điện học của các vật liệu và mạch điện.

– Điện hóa: Suất điện động được sử dụng trong các quá trình điện hóa như điện phân và mạ điện để điều khiển và đo lường sự di chuyển của các ion và điện tử trong dung dịch.

– Đo lường và kiểm tra: Suất điện động được sử dụng trong các thiết bị đo lường và kiểm tra để đo đạc và kiểm tra các thông số điện tử và mạch điện.

Tổng quan, suất điện động có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, công nghệ và nghiên cứu để cung cấp nguồn điện và đo lường các thông số điện học.

Một số ứng dụng phổ biến của suất điện động là:

– Pin: Pin là một nguồn điện chuyển đổi năng lượng hóa học sang năng lượng điện. Pin có hai cực khác nhau, một cực dương và một cực âm, được kết nối bằng một chất điện li. Khi pin được kết nối vào một mạch, các phản ứng hóa học xảy ra ở hai cực, tạo ra một suất điện động giữa chúng và gây ra dòng điện chảy qua mạch.

– Máy phát điện: Máy phát điện là một thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ hoặc nhiệt sang năng lượng điện. Máy phát điện thường sử dụng nguyên tắc cảm ứng từ để tạo ra suất điện động. Khi một dây dẫn được di chuyển trong một từ trường hoặc khi một từ trường biến đổi xung quanh một dây dẫn, một suất điện động cảm ứng được tạo ra trên dây dẫn và gây ra dòng điện cảm ứng.

– Năng lượng mặt trời: Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo chuyển đổi năng lượng ánh sáng sang năng lượng điện. Năng lượng mặt trời sử dụng các tấm pin quang điện để tạo ra suất điện động. Khi ánh sáng chiếu vào các tấm pin, các electron trong các vật liệu bán dẫn được kích thích và di chuyển từ một miền sang miền khác, tạo ra một suất điện động giữa hai miền và gây ra dòng điện.

– Lưu lượng kế: Lưu lượng kế là một thiết bị đo lưu lượng của các chất lỏng hoặc khí. Lưu lượng kế có thể sử dụng suất điện động để xác định lưu lượng. Một loại lưu lượng kế phổ biến là lưu lượng kế điện từ, sử dụng nguyên tắc Faraday về cảm ứng từ. Khi một chất lỏng hoặc khí có tính dẫn điện di chuyển qua một ống có từ trường, một suất điện động cảm ứng được tạo ra trên hai cực của ống. Độ lớn của suất điện động này tỉ lệ thuận với vận tốc của chất lỏng hoặc khí.

4. Cách thức tạo ra suất điện động:

Có hai cách chính để tạo ra suất điện động: cảm ứng điện từ và hóa học.

Cảm ứng điện từ là hiện tượng từ trường tương tác với một mạch điện để tạo ra suất điện động. Đây là nguyên lý hoạt động của máy biến áp, cuộn cảm, các loại động cơ điện, máy phát điện và nam châm điện. Suất điện động cảm ứng tỷ lệ thuận với biến thiên thời gian của từ thông qua mạch kín. Định luật Faraday cho biết công thức tính suất điện động cảm ứng. Theo định luật Faraday, cho biết suất điện động cảm ứng trong một mạch kín bằng âm biến thiên thời gian của từ thông bao quanh nó. Có nhiều cách để thay đổi từ thông, chẳng hạn như di chuyển một nam châm gần một dây dẫn, xoay một vòng dây trong một trường từ, hoặc thay đổi cường độ của trường từ.

Một ví dụ về cách tạo ra suất điện động bằng cách cảm ứng điện từ là máy phát điện xoay chiều, mà sử dụng một động cơ để quay một cuộn dây trong một trường từ không đổi. Khi cuộn dây quay, góc giữa cuộn dây và trường từ thay đổi, do đó từ thông qua cuộn dây cũng thay đổi. Điều này tạo ra một suất điện động cảm ứng trong cuộn dây, và do đó một dòng điện xoay chiều.

Hóa học là quá trình các phản ứng hóa học xảy ra trong nguồn điện như pin, acquy, … để tạo ra suất điện động. Đây là nguyên lý hoạt động của pin điện hóa, acquy và các loại pin khác. Suất điện động hóa học phụ thuộc vào loại kim loại và dung dịch điện phân được sử dụng trong nguồn điện.

5. Bài tập vận dụng liên quan và lời giải:

Bài 1: Hai nguồn điện giống nhau, mỗi nguồn có suất điện động 2,5 V và điện trở trong 1 Ω được mắc với một điện trở 2Ω thành sơ đồ mạch điện sau. Tính suất điện động và điện trở trong của mạch điện đó.

Hướng dẫn giải:

Theo sơ đồ cho ta thấy hai nguồn điện được nối tiếp nhau. Vậy:

Suất điện động của bộ nguồn là:

ξb = 2ξ = 2.2,5 = 5 (V)

Điện trở trong của bộ nguồn là:

rb = 2 r = 2.1 = 2(Ω)

Bài 2: Một nguồn điện có điện trở trong 0,1 (Ω) được mắc với điện trở 4,8 (Ω) thành mạch kín. Khi đó, hiệu điện thế giữa 2 cực của nguồn điện là 12 (V). Suất điện động của nguồn điện là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Cường độ dòng điện là:

I = U/R = 12/4,8 = 2.5 (A)

Suất điện động của nguồn điện là:

ξ = IR + Ir = U + Ir = 12 + 2,5*0,1 = 12.25 (V)