Giáo án Bài 22. Cường độ dòng điện

Huy động kinh nghiệm và hình thành vấn đề: đo lượng điện tích chuyển qua dây trong một đơn vị thời gian bằng đại lượng nào; tại sao đèn sáng ngay khi đóng khoá K.

HS quan sát mô phỏng khi khoá K mở và khi đóng, trả lời: (1) Khi đóng K, electron trong dây chuyển động với tốc độ bao nhiêu? (2) Đèn sáng ngay có nghĩa là electron từ công tắc đến bóng ngay lập tức không? (3) Để biết trong 1 s có bao nhiêu điện lượng đi qua tiết diện dây, ta cần đại lượng vật lí nào?

Nêu được vấn đề: electron trôi rất chậm (cỡ mm/s) nhưng đèn sáng gần như ngay lập tức vì điện trường lan truyền rất nhanh; cần một đại lượng đặc trưng cho lượng điện tích qua tiết diện dây trong một đơn vị thời gian, đó là cường độ dòng điện $I$.

Nêu được định nghĩa cường độ dòng điện, công thức $I = \dfrac{\Delta q}{\Delta t}$, đơn vị ampe; vận dụng để tính $I$ và $q$; nêu cách mắc ampe kế.

Nhóm 4 HS hoàn thành Phiếu học tập số 1 gồm: (a) Định nghĩa cường độ dòng điện; (b) Viết công thức $I = \dfrac{\Delta q}{\Delta t}$ và giải thích từng kí hiệu; (c) Tính $I$ khi $\Delta q = 6\ \mathrm{C}$ trong $3\ \mathrm{s}$; (d) Tính $q$ khi $I = 0{,}5\ \mathrm{A}$ trong $20\ \mathrm{s}$; (e) Điền bảng đổi đơn vị; (f) Nêu cách mắc ampe kế trong mạch.

(a) Cường độ dòng điện là điện lượng chuyển qua tiết diện dây trong một đơn vị thời gian.
(b) $I = \dfrac{\Delta q}{\Delta t}$, trong đó $\Delta q$ là điện lượng (C), $\Delta t$ là thời gian (s), $I$ là cường độ dòng điện (A).
(c) $I = \dfrac{6}{3} = 2\ \mathrm{A}$.
(d) $q = It = 0{,}5 \times 20 = 10\ \mathrm{C}$.
(e) $250\ \mathrm{mA} = 250 \times 10^{-3}\ \mathrm{A} = 0{,}25\ \mathrm{A}$; $1\ \mathrm{A} = 1\ \mathrm{C/s}$.
(f) Ampe kế mắc nối tiếp với đoạn mạch cần đo, đúng cổng và đúng thang đo.

Giải thích được chiều dòng điện quy ước và chuyển động electron; vận dụng được $I = nevS$ để tính tốc độ trôi; phân biệt tốc độ trôi với tốc độ lan truyền tín hiệu.

Nhóm dùng mô phỏng NeoEdu và hoàn thành Phiếu học tập số 2: (a) Khi K mở, electron chuyển động như thế nào? (b) Khi K đóng, electron trôi theo chiều nào so với chiều dòng điện quy ước? (c) Viết công thức $I = nevS$ và nêu ý nghĩa từng đại lượng; (d) Với dây đồng tiết diện $1\ \mathrm{mm^2}$, $I = 1\ \mathrm{A}$, tính $v$ (cho biết $n \approx 8{,}5 \times 10^{28}\ \mathrm{m^{-3}}$, $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}$); (e) Vì sao dây to hơn thì tốc độ trôi nhỏ hơn?

(a) Khi K mở, electron chỉ chuyển động nhiệt hỗn loạn, không tạo dòng điện tổng.
(b) Khi K đóng, electron trôi ngược chiều dòng điện quy ước, vì electron mang điện âm còn dòng quy ước theo điện tích dương.
(c) $I = nevS$: $n$ là mật độ hạt tải điện (hạt/m³), $e$ là điện tích electron, $v$ là tốc độ trôi trung bình, $S$ là tiết diện dây.
(d) $v = \dfrac{I}{neS} = \dfrac{1}{8{,}5 \times 10^{28} \times 1{,}6 \times 10^{-19} \times 1 \times 10^{-6}} \approx 7{,}4 \times 10^{-5}\ \mathrm{m/s} \approx 0{,}074\ \mathrm{mm/s}$.
(e) $v$ tỉ lệ nghịch với $S$ khi $I$ không đổi; dây to hơn thì electron trôi chậm hơn.
Kết luận: tín hiệu điện trường lan truyền nhanh hơn nhiều so với tốc độ trôi, nên đèn sáng ngay.

Vận dụng công thức $I = \dfrac{\Delta q}{\Delta t}$, đổi đơn vị, tính số điện tích nguyên tố và nhận biết chiều dòng điện trong kim loại.

Cá nhân làm 4 bài trong 6 phút, sau đó đổi chéo kiểm tra trong nhóm 3 phút: Bài 1: $\Delta q = 6\ \mathrm{C}$ trong $3\ \mathrm{s}$, tính $I$. Bài 3: Đổi $250\ \mathrm{mA}$ sang $\mathrm{A}$. Bài 5: Electron trôi trong dây kim loại theo chiều nào so với dòng điện quy ước? A. Không thể chuyển động; B. Ngược chiều; C. Cùng chiều; D. Luôn vuông góc. Bài 7: Giữ $n$ và $v$ không đổi, tăng gấp đôi $S$ thì $I$ thay đổi thế nào? A. Giảm nửa; B. Không đổi; C. Tăng bốn; D. Tăng đôi.

Bài 1: $I = \dfrac{6}{3} = 2\ \mathrm{A}$.
Bài 3: $250\ \mathrm{mA} = 0{,}25\ \mathrm{A}$.
Bài 5: Đáp án B (ngược chiều dòng điện quy ước vì electron mang điện âm).
Bài 7: Đáp án D (vì $I = neSv$ tỉ lệ thuận với $S$, tăng gấp đôi thì $I$ tăng đôi).
Kết quả nhóm: HS ghi đủ đáp án và giải thích ngắn cho bài 5 và bài 7.

Nêu được các tác dụng của dòng điện và lấy ví dụ; vận dụng kiến thức để giải thích việc chọn tiết diện dây dẫn và đo dòng điện bằng ampe kế trong thực tế.

HS trả lời nhanh 2 câu: (1) Kể tên 3 tác dụng của dòng điện và cho ví dụ mỗi tác dụng trong đời sống (ví dụ: bàn là, nam châm điện, mạ điện). (2) Vì sao dây dẫn trong đường điện gia đình cần có tiết diện phù hợp với cường độ dòng điện? Về nhà: giải bài tập 8 (dòng $0{,}2\ \mathrm{A}$ chạy trong $5$ phút).

(1) Tác dụng nhiệt (bàn là, bếp điện); tác dụng từ (nam châm điện, rơle); tác dụng hoá học (mạ điện, điện phân). Có thể thêm tác dụng sinh lí (điện giật) để nhắc an toàn.
(2) Với cùng $I$, tiết diện nhỏ làm $v$ lớn hơn và dây nóng lên nhiều; cần chọn $S$ đủ lớn để dây không quá nóng, đảm bảo an toàn.
Bài 8 về nhà: $t = 5\ \mathrm{phút} = 300\ \mathrm{s}$, $q = It = 0{,}2 \times 300 = 60\ \mathrm{C}$.