Suất điện động là gì?
Định nghĩa
Suất điện động của nguồn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện. Được 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.
Trong cảm ứng điện từ, suất điện động được định nghĩa là suất điện động cảm ứng gây ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín.
Ký hiệu
Đại lượng suất điện động được kí hiệu là chữ ℰ (chữ hoa e, Unicode U+2130, để tiện lợi, trong bài viết này chúng ta kí hiệu nó là e)
Đơn vị
Nếu A được đo bằng jun và q được đo bằng culông thì e được đo bằng vôn:
1V= 1J/C
Công thức
Suất điện động được tính bằng thương số giữa công A của lực lạ khi làm dịch chuyển một điện tích dương q bên trong nguồn điện từ cực âm đến cực dương ( ngược chiều điện trường) và độ lớn của điện tích q đó.
e = A/q
Hay có thể viết dưới dạng tích vô hướng giữa hai vectơ E và vectơ Δl
Với vectơ E là cường độ trường lực lạ, vectơ Δl là độ dài bên trong trường lực lạ.
Định luật faraday
Giả sử mạch kín (C) đặt trong một từ trường, từ thông qua mạch biến thiên một đại lượng ∆Φ trong một khoảng thời gian ∆t. Giả sử sự biến thiên từ thông này được thực hiện qua một dịch chuyển nào đó của mạch. Trong dịch chuyển này, lực tương tác tác dụng lên mạch (C) đã sinh ra một công ∆A. Khi đó người ta chứng minh được rằng ∆A = i∆Φ.
Cường độ dòng điện cảm ứng được ký hiệu là I. Theo như định luật Len-xơ, sự thay đổi từ thông được xảy ra khi xuất hiện một lực tác động lên mạch kín và gây cản trở chuyển động. Do đó bản chất của ΔA là một công cản. Qua đó ta có thể suy ra phải tồn tại một ngoại lực tác động lên mạch kín (C). Trong quá trình tác động của ngoại lực, nó sản sinh ra một công, được gọi là công thắng và có nhiệm vụ là làm cản lực từ.
Trong đó độ lớn của ∆A’ bằng tổng những năng lượng mà mạch kín (C) được cung cấp từ môi trường bên ngoài và năng lượng đó được chuyển đổi sang điện năng của suất điện động cảm ứng trong một khoảng thời gian nhất định. Ta có công thức:
Từ hai công thức về ∆A’, ta có thể rút ra kết luận trong trường hợp chỉ quan tâm đến độ lớn của ec
Nhận xét: Trong môi trường là mạch kín, độ lớn của suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với sự thay đổi của từ thông đi qua mạch kín đó.
Công thức tính suất điện động cảm ứng:
Suất điện động cảm ứng và định luật len xơ
Trong công thức tính suất điện động cảm ứng có xuất hiện dấu (-). Điều này phù hợp với định luật Len-xơ
Một trong những điều kiện quan trọng nhất đó là định hướng mạch kín (C). Theo lựa chọn chiều của mạch kín (C), ta chọn chiều của pháp tuyến dương để sao cho tính từ thông qua được mạch kín.
Khi đó có hai trường hợp xảy ra:
- Φ tăng => ec <0: Suất điện động cảm ứng và mạch ngược chiều nhau.
- Φ giảm => ec >0: Suất điện động và mạch cùng chiều với nhau.
Suất điện động của nguồn điện
Số vôn được xuất hiện trên mỗi nguồn điện như pin hay acquy,… sẽ biểu thị giá trị suất điện động của các nguồn điện đó. Đây là giá trị của hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện khi mạch ngoài hở. Do đó suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng hiệu điện thế giữa 2 cực khi mạch ngoài bị hở.
Suất điện động của pin điện hóa
Trước hết pin điện hóa là loại pin có cấu tạo từ 2 mảnh kim loại và được ngâm trong chất điện phân (ví dụ như: dung dịch axit, muối, bazo,…) Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại pin điện hóa khác nhau, nổi tiếng phải kể đến như Đa-ni-en, pin Volta,…
Nhưng trong bài viết dưới đây, chúng ta sẽ xét về pin Volta. Đây là nguồn điện hóa học được chế tạo đầu tiên với cấu tạo gồm có một cực bằng kẽm, cực còn lại được làm bằng đồng, được ngâm trong dung dịch axit sunfuric loãng.
Trong loại pin này, suất điện động được hình thành như sau:
Dưới sự tác dụng của hóa học nên các ion kẽm Zn2+ của thanh kẽm đi vào dung dịch axit sunfuric. Điều này cho lớp dung dịch tiếp giáp với thanh kẽm được tích điện dương. Thanh kẽm đang thừa electron nên được tích điện âm. Do đó giữa thanh kẽm và dung dịch sẽ có một điện trường được hướng từ dung dịch đến thanh kẽm.
Điện trường sẽ có tác động làm ngăn cản sự di chuyển tiếp theo của ion Zn2+ từ thanh kẽm di chuyển vào dung dịch. Cùng lúc đo sự tăng cường các sự dịch chuyển ngược lại của những ion Zn2+ đi từ dung dịch vào thanh kẽm. Sự cân bằng này được thiết lập khi số lượng ion đi ra thanh kẽm và số lượng ion đi vào thanh kẽm là như nhau. Thí nghiệm này chứng minh rằng giữa thanh kẽm và dung dịch có hiệu điện thế khoảng U1 = 0,74 V.
Còn đối với thanh đồng thì những ion H+ có trong dung dịch tới bám lấy cực đồng, chúng thu lấy các electron có trong thanh đồng và chuyền thành khí H2. Thanh đồng khi mất bớt electron sẽ mang điện tích dương.
Sau khi đã có sự cân bằng điện hóa, giữa thanh đồng và dung dịch sẽ có hiệu điện thế vào khoảng U2 = 0,34V.
Kết quả nhận được giữa hai cực của pin Volta có một hiệu điện thế được xác định là e = U1 – U2 tương đương 1,1V.
Đây chính là suất điện động của pin Volta.
Suất điện động của acquy
Hiện nay có rất nhiều loại acquy trên thị trường như: acquy axit ( acquy chì), acquy kiềm,… nhưng đơn giản nhất là acquy chì hoặc acquy axit. Acquy chì có cấu tạo gồm một bản cực dương được làm bằng chì đioxit (PbO2) và bản cực âm được làm bằng chì (Pb).
Dung dịch axit sunfuric pha loãng có vai trò là chất điện phân. Do được tác dụng với dung dịch điện phân nên 2 bản cực được tích điện ngược dấu và được hoạt động giống với pin điện hóa. Acquy chì có suất điện động chỉ vào khoảng 2V. Sau một khoảng thời gian sử dụng, thì cả hai bản cực đều được phủ một lớp vỏ ngoài bằng chì sunfat.
Vậy nên suất điện động của acquy bị giảm dần. Khi dao động giảm tời 1,85 V thì người ta sẽ nạp điện cho acquy. Để thực hiện điều này người ta sẽ cho một dòng điện được chạy từ cực dương của acquy sang cực âm.
Biểu thức suất điện động cảm ứng trong đoạn dây
Khi dây dẫn chuyển động trong từ trường sẽ được coi như một nguồn điện. Khi đó, lực lorenxơ tác dụng lên các electron đóng vai trò lực lạ tạo thành dòng điện.
Ta có biểu thức suất điện động cảm ứng trong đoạn dây:
|ec| = Blv sin θ
Trong đó:
- ec: Suất điện động cảm ứng của đoạn dây (V)
- B: Cảm ứng từ (T)
- l: Chiều dài đoạn dây (m)
- v: Vận tốc của đoạn dây
- θ = ( vecto v, vecto B)
Chuyển hóa năng lượng trong cảm ứng điện tử
Trong một mạch kín được đặt trong điều kiện là từ trường không thay đổi, môi trường có sự tác động của ngoại lực nhằm mục đích khi mạch kín di chuyển thì một công cơ học sẽ được sản sinh ra từ ngoại lực này. Và khi đó suất điện động cảm ứng được sinh ra trong một mạch từ công cơ học này và làm xuất hiện điện năng.
Vậy nên ta có thể kết luận được rằng, hiện tượng mạch cảm ứng điện từ thực chất từ sự chuyển hóa của cơ năng để trở thành điện năng.
Ứng dụng của suất điện động trong thực tế
Khi suất điện động được khám phá ra nó đã tạo ra một cuộc cách lớn trong lĩnh vực liên quan đến kỹ thuật. Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu:
Quạt điện
Ngày này các loại quạt điện hay hệ thống làm mát nói chung đều có sử dụng động cơ điện. Vậy bạn có biết bản chất của những động cơ điện đó hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Bất cứ thiết bị điện nào thì động cơ điện đều vận hành nhờ từ trường được sinh ra bởi dòng điện áp dụng theo nguyên lý của lực len-xơ.
Bếp từ
Đây là loại bếp được sử dụng phổ biến trong các gia đình hiện đại. Bếp vận hành theo nguyên lý cảm ứng từ làm nóng dụng cụ nấu nướng. Khi đó, nhiệt độ của bếp sẽ được tăng lên nhanh chóng.
Đèn huỳnh quang
Hệ thống chiếu sáng trong đèn huỳnh quang được sử dụng từ vật liệu huỳnh quang. Trong thiết bị, chấn lưu được sử dụng dựa vào nguyên lý điện từ. Khi ta bật công tắc đèn, nó sẽ tạo nên một điện áp cao ở 2 đầu đèn và phóng điện qua đèn. Dòng điện khi đi qua đèn sẽ hình thành các ion giúp tác dụng lên bột huỳnh quang giúp cho đèn phát sáng.
Máy phát điện
Là một thiết bị dùng năng lượng cơ học chủ yếu để tạo ra điện. Trong cấu tạo của máy phát điện là một cuộn dây bên trong từ trường. Nguyên lý vận hành của máy phát điện sẽ là khi cuộn dây điện quay trong từ trường mà tốc độ của nó không thay đổi sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều.
Trong y học
Các thiết bị điện từ có vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực y học. Ví dụ trong quá trình điều trị cho các bệnh nhân bị ung thư, người ta đã sử dụng phương pháp tăng thân nhiệt đó có thể là cấy ghép hoặc chụp cộng hưởng từ (MRI).
Như vậy qua bài viết chúng tôi đã cung cấp đến bạn những kiến thức hữu ích về suất điện động. Mong rằng chúng sẽ giúp ích cho bạn trong cuộc sống. Mọi thắc mắc hay những đóng góp ý kiến, vui lòng liên hệ với AME Group để được hỗ trợ.
