Công thức tính suất điện động

Công thức tính suất điện động là một trong những loại công thức Vật lý quan trọng. Chúng thường bắt gặp trong các đề thi, đề kiểm gia giữa giờ trong chương trình học Vật lý lớp 11 và cả thi Đại học.

Và để giúp bạn đọc một lần nữa hiểu rõ lại, nắm chắc kiến thức liên quan đến “suất điện động”. Chúng tôi sẽ tổng hợp và chia sẻ lại tất tần tật các kiến thức có liên quan trong phạm vi bài viết dưới đây.

1. Định nghĩa suất điện động là gì?

1.1 Định nghĩa suất điện động

Suất điện động là từ Việt hoá cụm từ trong tiếng Anh – Electromotive Force (viết tắt bằng chữ cái E hoặc EMF) và được định nghĩa:

• Suất điện động hay lực điện động xuất hiện ở các nguồn điện một chiều như pin/acquy… và cả trong vòng dây kín (mạch kín có từ trường) theo chiều ngược lại của mạch. Tức chiều suất điện động sẽ đi từ cực dương -> cực âm, trái với chiều dòng điện của mạch từ cực âm -> cực dương.
• Là suất điện động cảm ứng. Do chúng được sinh ra bởi chính dòng điện cảm ứng trong mạch kín. Cho nên, độ lớn của suất điện động sẽ dựa trên tốc độ biến thiên từ trường, ngay trong mạch kín đó.

1.2 Ký hiệu và đơn vị suất điện động.

• Suất điện động được ký hiệu theo chương trình học: Chữ “e” thường, không phải e hoa.
• Đơn vị tính e thường là Vôn.

Xem thêm: Công thức tính công suất điện

2. Định luật Faraday

Định luật Faraday được phát triển bởi nhà vật lý và hoá học Michael Faraday nên lấy tên của ông đặt cho định luật này. Một điều thú vị là nhà khoa học Joseph Henry cũng nghiên cứu độc lập và đưa ra công thức định luật cùng vào năm 1831.

Theo một phiên bản phổ biến nhất định luật Faraday suất điện động cảm ứng trong một mạch kín bất kỳ:

• Tỷ lệ với tốc độ biến thiên từ thông Δϕ qua mạch kín.
• Được tính trong một khoảng thời gian nhất định Δt có sự di chuyển của mạch.
• Chiều dòng điện phụ thuộc vào sự tăng/giảm của từ thông Δϕ qua mạch điện kín.

Có một lưu ý nhỏ, bạn đọc đừng nhầm lẫn giữa định luật Faraday dành cho điện phân cơ bản (công thức m = k.q) và định luật Faraday kể trên. Mặc dù cùng nhà khoa học Michael Faraday khám phá ra nhưng là vào năm 1833, sau 2 năm khi Michael Faraday tìm ra định luật suất điện động cảm ứng.

3. Công thức tính suất điện động

Tuy công thức tính suất điện động Faraday có thể tìm thấy trong các bài tập Vật lý liên quan. Nhưng đây vẫn không đủ để nói về công thức tính suất điện động. Cụ thể, hiện có đến 3 công thức tính khác nhau mà bạn cần phải nắm được, phân biệt và ghi nhớ chúng.

3.1 Công thức tính suất điện động tự cảm

3.1.1 Công thức cần ghi nhớ:

cong-thuc-tinh-suat-dien-dong

Độ lớn suất điện động tự cảm:

Trong đó:

• etc – Suất điện động tự cảm (V).
• L – Hệ số tự cảm được tính bằng đơn vị Henry (H).
• Tốc độ biến thiên cường độ dòng điện được tính bằng đơn vị ampe trên giây (A/s).
• ∆i – độ biến thiên cường độ dòng điện, được tính bằng độ biến thiên cường độ i2 – i1 và có đơn vị là ampe (A).
• ∆t – tổng thời gian dòng điện biến thiên và được tính bằng đơn vị giây (s).
• Dấu “-” thể hiện định luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng bởi ∆i . Thế nên, khi chỉ xét đế độ lớn suất điện động tự cảm sẽ lấy giá trị độ lớn ∆i (loại bỏ dấu giá trị âm).

#2 Công thức liên quan:

Công thức liên quan hệ số tự cảm của suất điện động sau đây cần thiết làm bài tập hoặc giải các câu tự luận/trắc nghiệm.

Công thức 1: 

Trong đó:

• L – hệ số tự cảm của ống dây.
• N – số vòng dây.
• l – chiều dài ống dây được tính bằng đơn vị mét (m);
• S – diện tích tiết diện của ống dây được tính bằng đơn vị vị mét vuông (m2).

Công thức 2: 

Trong đó:

• n = Công thức tính suất điện động tự cảm hay nhất là số vòng dây trên mỗi đơn vị chiều dài ống dây, có đơn vị m-1;
• V = S.l là thể tích của ống dây, có đơn vị m2.

3.2 Công thức tính suất điện động cảm ứng

Công thức định tính suất điện động cảm ứng sẽ dựa trên định luật Faraday dành dòng điện cảm ứng.

Công thức:

Độ lớn:

Trong đó:

• ec là suất điện động cảm ứng tính bằng Vôn (V).
• ∆Φ = Φ2 – Φ1 là độ biến thiên từ thông tính bằng đơn vị Vê be (Wb);
• ∆t là khoảng thời gian từ thông biến thiên tính bằng giây (s).

Được chứng minh:

• Tính lực từ tác dụng vào mạch: ΔA=i.Δϕ (ΔA – lực từ, i – cường độ dòng điện cảm ứng).
• Định luật Len-xơ: ΔA′=−ΔA=−i.Δϕ (*). Tính giá trị phần tăng năng lượng bên ngoài đã cung cấp cho mạch: ΔA′=ec.i.Δt (**).
•  Sau đó, từ công thức (* & **), chúng ta sẽ có công thức định luật Faraday. Mối quan hệ này sẽ được chúng tôi giới thiệu kỹ ở phần 4 cuối bài.

3.3 Công thức tính suất điện động của nguồn

#1 Công thức suất điện động nguồn nối tiếp nhau.

Công thức: ξb = ξ1 +ξ2 + ξ3 +…+ξn

Và tổng điện trả trong nguồn điện: rb = r1 + r2 + r3 +…+ rn.

Trong đó:

• ξb – Tổng suất điện động của bộ nguồn được tính đơn vị Vôn (V).
• ξ1- ξn – suất điện động của mỗi nguồn tương ứng, đơn vị Vôn.
• rb – Tổng điện trở tính đơn vị ôm (Ω).
• r1-rn – điện trở trong của mỗi nguồn, đơn vị ôm.
• n – số dãy nối tiếp.

#2 Công thức tính suất điện động nguồn mắc song song.

Công thức: ξb = ξ

Và điện trở nguồn: rb = r/n.

Trong đó:

• ξb – Tổng suất điện động của bộ nguồn được tính đơn vị Vôn (V).
• ξ – suất điện động của mỗi nguồn tương ứng, đơn vị Vôn.
• rb – Tổng điện trở tính đơn vị ôm (Ω).
• r – điện trở trong của mỗi nguồn, đơn vị ôm.
• n – số dãy nối song song.

#3 Công thức tính suất điện động nguồn mắc nối tiếp và song song.

Công thức: ξb = mξ

Và điện trở nguồn: rb = mr/n

Trong đó:

• ξb – Tổng suất điện động của bộ nguồn được tính đơn vị Vôn (V).
• ξ – suất điện động của mỗi nguồn tương ứng, đơn vị Vôn.
• rb – Tổng điện trở được tính đơn vị ôm (Ω).
• r – điện trở trong của mỗi nguồn, đơn vị ôm.
• n – số dãy nối song song.
• m- số dãy nối tiếp.

4. Mối quan hệ giữa suất điện động và định luật Jun Len-xơ

Một trong những câu hỏi thường ra đề trắc nghiệm và cũng là câu hỏi có tính nhầm lẫn cao: Mối quan hệ giữa suất điện động và định luật Jun Len-xơ là gì.

Trước tiên, bạn cần phải tổng hợp hai 2 công thức về 2 định luật này về cùng loại dành cho suất điện động cảm ứng.

• Định luật Faraday tính suất điện động:
• Định luật Jun Len-xơ (Len-xơ) suất điện động: ΔA′=−ΔA=−i.Δϕ

Trong đó, Δϕ = ϕ2 – ϕ1.

Trường hợp 1: Nếu ϕ tăng, tức ϕ2 – ϕ1 > 0.

• Định luật Faraday: Δϕ > 0 => ec < 0.
• Định luật Lenxơ: ΔA′ mang dấu “-” => ΔA mang dấu “+” thể hiện chiều suất điện động cảm ứng bắt đầu từ cực dương -> cực âm nên ngược chiều với mạch kín bắt đầu từ cực âm -> cực dương.

Trường hợp 2: Nếu ϕ giảm, tức ϕ2 – ϕ1 < 0.

• Định luật Faraday: Δϕ < 0 => ec > 0.
• Định luật Len-xơ: ΔA′ mang dấu “+” => ΔA mang dấu “-” thể hiện chiều suất điện động cảm ứng bắt đầu từ cực âm -> cực dương, cùng chiều với mạch kín luôn luôn bắt đầu từ cực âm -> cực dương.

Với cách ghi nhớ ngày. Bạn có thể xác định rõ câu hỏi: Mối quan hệ giữa suất điện động và định luật Jun Len-xơ là gì? Bạn hãy chọn các đáp án có ec so với 0 và chiều suất điện động cùng/ngược với chiều của mạch phù hợp với giá trị ban đầu của “ϕ”.

Kết luận

Như vậy chúng tôi đã giới thiệu đến bạn đọc những kiến thức đầy đủ nhất về điện suất động và các định luật thường gặp như Len-xơ, Faraday.

Hy vọng bài viết này sẽ phần nào bổ sung kiến thức còn thiếu cho bạn. Cũng như giải đáp những “điểm khó”” trong việc liên kết các định luật với nhau. Qua đó, bạn vững kiến thức hơn, tránh những lỗi sai hoặc câu hỏi/đáp án “mồi” về công thức tính suất điện động có thể có trong bài thi.