Nguồn điện và suất điện động

Sau bài này, em giải thích được vì sao cần có nguồn điện để duy trì dòng điện trong mạch kín, viết đúng công thức suất điện động $\xi = A/q$, và đọc đúng ý nghĩa hai con số ghi trên một nguồn điện thực tế, ví dụ '6V - 1Ω'.

Bài trước đã định nghĩa cường độ dòng điện $I = q/t$ qua điện lượng $q$ dịch chuyển trong thời gian $t$ (same-grade bridge): ví dụ, một dòng điện $I=0{,}5$ A duy trì trong $t=120$ s đã dịch chuyển điện lượng $q=60$ C. Nhưng điện tích tự nó không tự dịch chuyển liên tục theo một chiều nhất định trong một mạch kín: bên trong dây dẫn luôn có điện trường cản trở, đẩy các điện tích cùng dấu ra xa nhau. Muốn duy trì một dòng điện không đổi, phải có một thiết bị liên tục thực hiện công để giữ cho điện tích tiếp tục dịch chuyển theo đúng chiều mong muốn.

Nguồn điện là một thiết bị duy trì hiệu điện thế giữa hai cực của nó, nhờ vậy có thể tạo ra và duy trì dòng điện chạy trong mạch kín. Bên trong nguồn điện, một lực bên trong khác với lực điện thông thường, gọi là lực lạ, liên tục tách và đẩy các điện tích dương về phía cực dương, điện tích âm về phía cực âm, ngược chiều với lực điện đang cản trở chúng bên trong nguồn. Để làm được việc này, nguồn điện phải thực hiện công. Trong pin và acquy, lực lạ này có nguồn gốc từ phản ứng hoá học xảy ra bên trong: năng lượng hoá học của các chất tham gia phản ứng được chuyển hoá thành điện năng, chính là công $A$ dùng để tách và dịch chuyển điện tích. Đây là lý do một viên pin sẽ hết điện sau một thời gian sử dụng: các chất hoá học tham gia phản ứng dần cạn kiệt, khả năng sinh công của lực lạ giảm đi, dù suất điện động danh định ghi trên vỏ, giá trị lý tưởng khi pin còn mới, không đổi. Đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện gọi là suất điện động, kí hiệu $\xi$ (đọc là xi), xác định bằng công $A$ mà lực lạ bên trong nguồn thực hiện để dịch chuyển một điện lượng dương $q$ từ cực âm sang cực dương bên trong nguồn: $$\xi = \frac{A}{q}$$ đơn vị của suất điện động là vôn (V), giống đơn vị của hiệu điện thế, vì suất điện động cũng là một dạng công trên một đơn vị điện tích: một nguồn có $\xi = 6$ V nghĩa là để dịch chuyển mỗi 1 coulomb điện tích bên trong nó, nguồn phải thực hiện 6 jun công. Suất điện động là một hằng số đặc trưng cho từng nguồn điện, phụ thuộc vào cấu tạo và bản chất hoá học bên trong nguồn (với pin, acquy) chứ không phụ thuộc vào mạch ngoài đang nối với nó. Ngoài suất điện động, mỗi nguồn điện thực còn có một điện trở trong, kí hiệu $r$, đặc trưng cho phần điện trở của chính vật liệu và cấu tạo bên trong nguồn. Khi có dòng điện $I$ chạy qua nguồn, một phần suất điện động bị tiêu hao ngay bên trong nguồn do điện trở trong này, nên hiệu điện thế đo được giữa hai cực của nguồn khi đang có dòng điện chạy qua luôn nhỏ hơn suất điện động $\xi$. Đây là lý do một chiếc pin đã cũ, có điện trở trong tăng lên theo thời gian sử dụng, làm đèn sáng yếu đi dù suất điện động ghi trên vỏ không đổi. Nhà sản xuất thường ghi cả hai giá trị này trên vỏ nguồn điện, ví dụ '6V - 1Ω' nghĩa là suất điện động $\xi = 6$ V và điện trở trong $r = 1$ Ω. Đây cũng là lý do một số thiết bị điện tử báo pin yếu dù đồng hồ đo điện áp vẫn hiển thị gần đủ khi mạch chưa có tải: chỉ khi có dòng điện thực sự chạy qua, điện trở trong mới gây ra sụt áp rõ rệt và làm lộ ra tình trạng thật của nguồn điện. Về mặt số liệu, điện trở trong của các nguồn điện thông dụng khi còn mới thường rất nhỏ: pin tiểu mới có $r$ cỡ $0{,}1$ đến $0{,}5$ Ω, acquy xe máy còn tốt có thể chỉ khoảng $0{,}05$ đến $0{,}1$ Ω. Với hầu hết mạch điện dân dụng có điện trở ngoài lớn hơn nhiều lần, ảnh hưởng của điện trở trong gần như không đáng kể; ảnh hưởng này chỉ trở nên rõ rệt khi dòng điện trong mạch rất lớn, chẳng hạn lúc khởi động động cơ ô tô, hoặc khi nguồn đã cũ và $r$ đã tăng lên đáng kể.

Bài tiếp theo ghép suất điện động $\xi$, điện trở trong $r$ và điện trở mạch ngoài $R$ lại với nhau trong một công thức duy nhất: định luật Ohm cho toàn mạch.