Để tìm hiểu mối liên hệ giữa năng lượng của dòng điện với cường độ dòng điện, điện trở và thời gian, Joule thực hiện hai thí nghiệm được mô tả dưới đây.
Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của năng lượng điện vào điện trở được mô tả ở sơ đồ hình 10.3. Dụng cụ thí nghiệm gồm: hai nhiệt lượng kế đựng hai lượng nước giống nhau, hai dây điện trở khác nhau nhúng trong nước được mắc nối tiếp với nguồn điện. Khi cho dòng điện chạy qua, hai điện trở sẽ nóng lên và toả nhiệt. Kết quả đo trong cùng khoảng thời gian cho thấy năng lượng nhiệt đo được tỉ lệ với điện trở. Từ đó, ông rút ra kết luận: Năng lượng điện tỉ lệ thuận với điện trở của vật dẫn điện.
Em hãy tìm hiểu vì sao lại mắc hai điện trở nối tiếp khi tiến hành thí nghiệm ở hình 10.3.
Việc khảo sát sự phụ thuộc năng lượng điện vào cường độ dòng điện được mô tả như sơ đồ hình 10.4. Giữ nguyên nhiệt lượng kế và điện trở, trong cùng khoảng thời gian, ứng với các giá trị dòng điện khác nhau, ông đo năng lượng nhiệt tỏa ra trên điện trở và cường độ dòng điện và kết quả cho thấy năng lượng nhiệt tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện. Từ thí nghiệm, ống rút ra kết luận: Năng lượng điện mà điện trở tiêu thụ tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện chạy qua.
Như vậy, bằng các thí nghiệm của mình, nhà bác học Joule đã chứng minh được rằng: Trong trường hợp toàn bộ năng lượng điện chuyển hóa thành năng lượng nhiệt, năng lượng của dòng điện trong một đoạn mạch có mối liên hệ với cường độ dòng điện, điện trở và thời gian dòng điện đi qua đoạn mạch đó.
Độc lập với Joule, kết quả trên cũng được nhà vật lí người Nga Heinrich Lenz tìm ra bằng thực nghiệm. Mối liên hệ đó được thể hiện bằng định luật Joule – Lenz: Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và thời gian dòng điện đi qua đoạn mạch đó Q = I2.R.t.
Từ định luật Joule – Lenz và định luật Ohm, các nhà bác học đã suy ra công thức tính năng lượng của dòng điện, công thức này đã được kiểm tra bằng thực nghiệm và nghiệm đúng trong các trường khác.
Em hãy tìm hiểu vai trò của biến trở ở thí nghiệm hình 10.4.
- Mắc hai điện trở nối tiếp vì để chúng cùng một cường độ dòng điện chạy qua, khi có cùng dòng điện chạy qua, cùng thời gian thí nghiệm thì ta mới biết được mối liên hệ giữa điện trở và năng lượng điện.
- Vai trò của biến trở: Biến trở trong mạch điện có thể được điều chỉnh để thay đổi cường độ dòng điện. Khi biến trở được điều chỉnh, cường độ dòng điện trong mạch cũng thay đổi theo. Nhờ đó tìm được mối liên hệ giữa cường độ dòng điện và năng lượng điện.