Bài 22: Cường độ dòng điện

I. CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN

1. Thí nghiệm

2. Công thức tính cường độ dòng điện

Lượng điện tích chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong một đơn vị thời gian càng lớn thì dòng điện chạy qua dây dẫn càng mạnh (Hình 22.2).

Trong vật lí, người ta gọi độ lớn của điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của một dây dẫn trong một đơn vị thời gian là cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, được xác định bằng công thức:

\(I=\dfrac{\Delta q}{\Delta t}\)   (22.1)

Trong công thức trên, đơn vị của cường độ dòng điện là ampe (kí hiệu là A), của điện lượng là Cu-lông (kí hiệu là C), của thời gian là giây (kí hiệu là s).

Từ công thức (22.1), ta rút ra: 

\(\Delta q=I.\Delta t\)   (22.2)

Công thức (22.2) cho thấy ý nghĩa của đơn vị điện lượng Cu-lông: 1 Cu-lông là tổng điện lượng của các hạt mang điện chạy qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong 1 s bởi dòng điện có cường độ 1 A. Đơn vị của điện lượng: 1 C = 1 A.s.

II. LIÊN HỆ GIỮA CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN VỚI MẬT ĐỘ VÀ TỐC ĐỘ CỦA CÁC HẠT MANG ĐIỆN 

1. Dòng điện chạy trong dây dẫn kim loại

Trong kim loại tồn tại các electron không liên kết với nguyên tử, được gọi là electron tự do vì chúng có thể chuyển động tự do về mọi hướng. Khi dây dẫn được nối với nguồn điện thì trong dây dẫn xuất hiện điện trường. Dưới tác dụng của lực điện trường, các electron mang điện tích âm dịch chuyển có hướng ngược với hướng của điện trường, tạo ra dòng điện (Hình 22.3).

Người ta quy ước chiều dòng điện trong mạch là chiều từ cực dương sang cực âm của nguồn điện. Trong kim loại các electron tạo ra dòng điện dịch chuyển ngược chiều với chiều quy ước của dòng điện.

2. Biểu thức liên hệ giữa cường độ dòng điện với mật độ và tốc độ của các hạt mang điện

Nếu gọi:

S là diện tích tiết diện thẳng của dây dẫn.

n là mật độ hạt mang điện (ở đây là số electron tự do trong một đơn vị thể tích của dây dẫn).

v là tốc độ dịch chuyển có hướng của electron.

e là độ lớn điện tích của electron.

Trong khoảng thời gian \(\Delta t\) số electron N chạy qua tiết diện thẳng của dây dẫn là: N = n S h, trong đó \(h=v.\Delta t\)

\(N=nSv.\Delta t\)

Do vậy, điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong khoảng thời gian \(\Delta t\) là:

\(\Delta q=N.e=Snve.\Delta t\)

Theo định nghĩa cường độ dòng điện ở công thức (22.1), ta xác định được cường độ dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại như sau: 

\(I=Snve\)   (22.3)

3. Bài tập vận dụng

Một dây dẫn bằng kim loại, tiết diện tròn, có đường kính tiết diện là     d = 2 mm, có dòng điện I = 5 A chạy qua. Cho biết mật độ electron tự do là n = 8,45.10²⁸ electron/m³. Hãy tính tốc độ dịch chuyển có hướng của các electron trong dây dẫn. 

Giải:

Áp dụng công thức (22.3) ta có:

\(I=Snve\)

\(\Rightarrow v=\dfrac{I}{nSe}=\dfrac{I}{n\dfrac{\pi d^2}{4}e}=\dfrac{4I}{n\pi d^2e}\)

Thay số ta được: \(v\approx1,2.10^{-4}m/s=0,12mm/s.\)