Định Luật Jun-Len-Xơ và An Toàn Điện

CHUYÊN ĐỀ 6: ĐỊNH LUẬT JUN-LEN-XƠ.

AN TOÀN ĐIỆN.

A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I/ ĐỊNH LUẬT JUN-LENXƠ (Tính nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn khi có dòng điện chạy qua)

Định luật: Nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình

phương cường độ dòng điện, tỉ lệ thuận với điện trở và thời gian dòng điện chạy qua

Công thức: Q = I².R.t

Trong đó: Q: nhiệt lượng tỏa ra (J) I: cường độ dòng điện (A)

R: điện trở ( W ) t: thời gian (s)

Chú ý:

Nếu nhiệt lượng Q tính bằng đơn vị calo (cal) thì ta có công thức: Q = 0,24I²Rt

Ngoài ra Q còn được tính bởi công thức : Q = UIt
Công thức tính nhiệt lượng: Q = m.c.Dt
Trong đó: m khối lượng (kg) c nhiệt dung riêng (JkgK)
Dt độ chênh lệch nhiệt độ (⁰C)

II/ Sử dụng an toàn điện và tiết kiệm điện

Một số quy tắc an toàn điện:
- Thực hành, làm thí nghiệm với hiệu điện thế an toàn: U < 40V
- Sử dụng dây dẫn có vỏ bọc cách điện tốt và phù hợp
- Cần mắc cầu chì, cầu dao...cho mỗi dụng cụ điện
- Khi tiếp xúc với mạng điện 220V cần cẩn thận, đảm bảo cách điện
- Khi sửa chửa các dụng cụ điện cần: Ngắt nguồn điện, phải đảm bảo cách điện
Cần phải sử dụng tiết kiệm điện năng :
- Giảm chi tiêu cho gia đình
- Các dụng cụ và thiết bị điện được sử dụng lâu bền hơn
- Giảm bớt các sự cố gây tổn hại chung do hệ thống cung cấp bị quá tải
- Dành phần điện năng tiết kiệm cho sản xuất
- Bảo vệ môi trường
- Tiết kiệm ngân sách nhà nước
Các biện pháp sử dụng tiết kiệm điện năng:
- Cần phải lựa chọn các thiết bị có công suất phù hợp

- Không sử dụng các thiết bị trong những lúc không cần thiết vì như vậy sẽ gây lãng phí điện
Những hệ quả:
- Mạch điện gồm hai điện trở mắc nối tiếp:

\[\frac{{{A}_{1}}}{{{A}_{2}}}=\frac{{{P}_{1}}}{{{P}_{2}}}=\frac{{{Q}_{1}}}{{{Q}_{2}}}=\frac{{{U}_{1}}}{{{U}_{2}}}=\frac{{{R}_{1}}}{{{R}_{2}}}\]

- Mạch điện gồm hai điện trở mắc song song:

\[\frac{{{A}_{1}}}{{{A}_{2}}}=\frac{{{P}_{1}}}{{{P}_{2}}}=\frac{{{Q}_{1}}}{{{Q}_{2}}}=\frac{{{I}_{1}}}{{{I}_{2}}}=\frac{{{R}_{2}}}{{{R}_{1}}}\]

- Hiệu suất: \[H=\frac{{{A}_{ci}}}{{{A}_{tp}}}.100%=\frac{{{P}_{ci}}}{{{P}_{tp}}}.100%=\frac{{{Q}_{ci}}}{{{Q}_{tp}}}.100%\]

- Mạch điện gồm các điện trở mắc nối tiếp hay song song: P = P₁ + P₂ + ..... + P_n

B: BÀI TẬP MẪU

Bài 1: Một dây dẫn có điện trở 176Ω được mắc vào hiệu điện thế 220V. Tính nhiệt lượng do dây tỏa ra

trong 30 phút theo đơn vị Jun và đơn vị calo.

Hướng dẫn

Ta có: Q = U²t/R = 2202.30.60/176 = 495 000 J = 118 800 cal.

Bài 2: Một bếp điện được sử dụng với hiệu điện thế 220V thì dòng điện chạy qua bếp điện có cường độ 3A. Dùng bếp này đun sôi được 2 lít nước từ nhiệt độ ban đầu 20⁰C trong thời gian 20 phút. Tính hiệu suất của bếp điện, biết nhiệt dung riêng của nước là c = 4200J/kg.K

Hướng dẫn

Nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong 20 phút là: Q_tp = UIt = 220.3.20.60 = 792 000 J.

+ Nhiệt lượng cần cung cấp để đun sôi lượng nước này là: Q₁ = cm(t₂ – t₁) = 4 200.2.80 = 672 000 J.

+ Hiệu suất của bếp là: H = Q_ci/Q_tp= 672/792 = 0,848 = 84,8 %

Bài 3: Thời gian đun sôi 1,5 lít nước của một ấm điện là 10 phút. Hiệu điện thế giữa hai đầu dây nung của ấm là 220V. Tính điện trở của dây nung này, biết rằng nếu kể cả nhiệt lượng hao phí để đun sôi 1 lít nước thì cần nhiệt lượng là 420000J.

Hướng dẫn

+ Nhiệt lượng cần cung cấp để đun sôi 1,5 lít nước là: 420000.1.5 = 630000J

+ Theo công thức tính nhiệt lượng tỏa ra của ấm ta có: Q = I²Rt hay Q = (U²/R).t suy ra: R = (U².t)/Q = (2202.10.60)/630000 = 46,1Ω

Bài 4: Khi mắc một bàn là vào hiệu điện thế 110V thì dòng điện chạy qua nó có cường độ 5A. Bàn là này sử dụng như vậy trung bình 15 phút mỗi ngày.

Tính công suất tiêu thụ điện của bàn là này theo đơn vị W.
mknlTính điện năng mà bàn là tiêu thụ trong 30 ngày theo đơn vị kW.h
Tính nhiệt lượng mà bàn là tỏa ra trong 30 ngày theo đơn vị kJ, cho rằng điện mà bàn là này tiêu thụ được biến đổi hoàn toàn thành nhiệt năng.

Hướng dẫn

Công suất tiêu thụ điện của Bàn là: P = U.I = 110.5 = 550W = 0,55kW.
Điện năng tiêu thụ của Bàn là trong 30 ngày là: A = P.t.30 = 0,55.0,25.30 = 4,125kWh
Nhiệt lượng mà Bàn là tỏa ra trong 30 ngày là: Q = A = 4,125kW.h = 14850KJ

Bài 5: Một ấm đun nước bằng điện loại(220V-1,1KW), có dung tích1,6lít. Có nhiệt độ ban đầu là t₁ = 20⁰C.

1. Bỏ qua sự mất nhiệt và nhiệt dung của ấm. Hãy tính thời gian cần để đun sôi ấm nước? điện trở dây nung và giá tiền phải trả cho 1lít nước sôi ?.
2. Giả sử người dùng ấm bỏ quên sau 2 phút mới tắt bếp . Hỏi lúc ấy còn lại bao nhiêu nước trong ấm? (C = 4200j/kg.k; L = 2,3.10⁶j/kg)

Hướng dẫn

Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi nước: Q = m.c.(t₂ - t₁) = 537 600J
Thời gian đun nước: t =Q/P = 488,8s = 8ph 10s
Điện trở dây nung: R =U²/P =44 W
Giá tiền phải trả: T = P.t.(1/m).K = 74,7 đồng
Năng lượng do dòng điện toả ra trong 2 phút: A =P.t = 132 000J
Lượng nước bay hơi: m =A/L = 0,05739kg
Thể tích nước bay hơi là khoảng 0,06lit.
Nước trong ấm còn: 1,6 - 0,06 = 1,54 lít

Bài 6: Dùng một bếp điện loại (220V-1KW), Hoạt động ở HĐT U = 150V, để đun sôi ấm nước . Bếp có H = 80%, Sự tỏa nhiệt từ ấm ra không khí như sau: Thử ngắt điện, một phút sau nước hạ xuống 0,5⁰C. ấm có khối lượng m₁ = 100g, C₁ = 600j/kg.k, nước có m₂ = 500g, C₂=4200j/kg.k, t₁=20⁰c. Tính thới gian để đun nước sôi?

Hướng dẫn

sử dụng công thức P = U²/R để so sánh với công suất định mức, Ta có công suất toàn phần của bếp là: P =9P₀/16
Công suất có ích của bếp: P₁ =H.P = 450w

- công suất tỏa nhiệt ra không khí: \[{{P}_{2}}=\frac{({{c}_{1}}{{m}_{1}}{{t}_{1}}+{{c}_{2}}{{m}_{2}}{{t}_{2}})0,5}{60}=18W\]

=> (P₁ -P₂).t = (c₁.m₁ + c₂.m₂)(100 - 20) => t = 400s

C: BÀI TẬP TỰ LUYỆN

Bài 1: Định luật Jun – Lenxơ cho biết điện năng biến đổi thành:

A. Cơ năng. B. Năng lượng ánh sáng. C. Hóa năng D. Nhiệt năng

Bài 2: Câu phát biểu nào dưới đây là không đúng? Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua:

tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn với thời gian dòng điện chạy qua.
tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và với thời gian dòng

điện chạy qua.

tỉ lệ thuận với bình phương hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn, với thời gian dòng điện chạy qua và tỉ lệ nghịch với điện trở dây dẫn.
tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn, với cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua.

Bài 3: Đặt một hiệu điện thế U vào hai đầu của một biến trở R thì cường độ dòng điện chạy qua là I. Công thức nào dưới đây không phải là công thức tính nhiệt lượng toả ra trên dây dẫn trong thời gian t?

A. Q = Ut/I B. Q = UIt C. Q = U²t/R D. Q = I²Rt

Bài 4: Mắc các dây dẫn vào hiệu điện thế không đổi. Trong cùng một thời gian thì nhiệt lượng toả ra trên dây dẫn phụ thuộc như thế nào vào điện trở dây dẫn?

Tăng gấp đôi khi điện trở của dây dẫn tăng lên gấp đôi.
Tăng gấp đôi khi điện trở của dây dẫn giảm đi một nửa.
Tăng gấp bốn khi điện trở của dây dẫn giảm đi một nửa.
Giảm đi một nửa khi điện trở của dây dẫn tăng lên gấp bốn.

Bài 5: Nếu đồng thời giảm điện trở của dây dẫn, cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn đi một nửa thì nhiệt lượng toả ra trên dây sẽ thay đổi như thế nào?

A. Giảm đi 2 lần. B. Giảm đi 4 lần. C. Giảm đi 8 lần. D. Giảm đi 16 lần. Bài 6: Dòng điện có cường độ 2mA chạy qua một điện trở 3kΩ trong thời gian 10 phút thì nhiệt lượng toả ra ở điện trở này có giá trị nào dưới đây?

A. Q=7,2J B. Q=60J C. Q=120J D. Q=3600J

Bài 7. Một bếp điện có hiệu điện thế định mức U = 220V. Nếu sử dụng bếp ở hiệu điện thế U’ = 110V và sử dụng trong cùng một thời gian thì nhiệt lượng tỏa ra của bếp sẽ

A. Tăng 2 lần. B. Tăng 4 lần. C. Giảm 2 lần. D. Giảm 4 lần.

Bài 8. Một bếp điện khi hoạt động bình thường có điện trở R = 80Ω và cường độ dòng điện qua bếp

khi đó là I = 2,5A. Nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong 1 giây là

A. 200 J. B. 300 J. C. 400 J. D. 500 J.

Bài 9. Hai dây dẫn đồng chất được mắc nối tiếp, một dây có chiều dài l₁ = 2m, tiết diện S₁ = 0,5 mm². Dây kia có chiều dài l₂ = 1m, tiết diện S₂ = 1mm². Mối quan hệ của nhiệt lượng tỏa ra trên mỗi dây dẫn được viết như sau

A. Q₁ = Q₂. B. 4Q₁ = Q₂. C. Q₁ = 4Q₂. D. Q₁ = 2Q₂.

Bài 10. Trong các kim loại nicrom, đồng, nhôm, vonfram, kim loại nào dẫn điện tốt nhất?

A. Vonfram B. Nhôm C. Nicrom. D. Đồng

Bài 11. Tính hiệu suất của bếp điện nếu sau 20 phút nó đun sôi được 2 lít nước có nhiệt độ ban đầu ở 20 °C. Biết cường độ dòng điện qua bếp là 3A; hiệu điện thế hai đầu dây xoắn của bếp là U = 220V; nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/ kg.K.

A. 45% B. 23% C. 95% D. 85%

Bài 12. Cho dòng điện có cường độ 4 A chạy qua một điện trở R thì sau thời gian 30 phút, nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở là 108 kJ. Xác định giá trị của R

A. 3,75 Ω B. 4,5 Ω C. 21 Ω D. 2,75 Ω

Bài 13. Một mạch điện có hai điện trở R₁ = 10 Ω, R₂ = 15 Ω mắc nối tiếp nhau. Cho dòng điện qua mạch sau một thời gian thì nhiệt lượng tỏa ra ở điện trở R₁ là 4 000 J. Tìm nhiệt lượng tỏa ra trên toàn mạch.

A. 10000 J B. 2100 J C. 450 kJ D. 32 kJ

Bài 14. Người ta dùng bếp điện để đun sôi 2 lít nước từ nhiệt độ 20 °C. Để đun sôi lượng nước đó trong 20 phút thì phải dùng bếp điện có công suất bao nhiêu? Biết nhiệt dung riêng của nước là 4,18.10³ J/kg.K , hiệu suất của bếp là 80%.

A. 68W B. 697W C. 231W D. 126W

Bài 15. Trong việc làm sau đây, việc làm nào không tuân theo quy tắc an toàn điện?

Các thiết bị sử dụng điện trong gia đình đều dùng ở hiệu điện thế 220 V.
Các dây dẫn cao thế đều không có vỏ bọc cách điện.
Vỏ kim loại của các thiết bị điện bao giờ cũng cho tiếp đất.
Lắp cầu chì cho các dụng cụ trong mạch điện gia đình.

Bài 16. Để đảm bảo an toàn khi sử dụng cầu chì, ta phải

thay dây chì bằng dây đồng nhỏ hơn.
dùng dây chì có chiều dài đúng qui định
dùng dây chì có tiết diện đúng quy định
Cả B và C đều đúng.

Bài 17. Trong các biện pháp sau đây, biện pháp nào không tiết kiệm điện.

Thay đèn sợi tóc bằng đèn ống.
Thay dây dẫn to bằng dây dẫn nhỏ cùng loại.
Chỉ sử dụng thiết bị điện trong thời gian cần thiết.
Hạn chế sử dụng các thiết bị nung nóng.

Bài 18. Ampe kế có công dụng

Đo cường độ dòng điện C. Đo hiệu điện thế
Đo công suất của dòng điện D. Đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế

Bài 19. Một bóng đèn có điện trở thắp sáng là 400 Ω. Cường độ dòng điện qua đèn là bao nhiêu nếu hiệu điện thế đặt vào hai đầu bóng đèn là 220 V.

A. 0,44 A B. 0,64 A C. 0,55 A D. 0,74 A

Bài 20. Một vôn kế có điện trở 150 Ω chỉ chịu được dòng điện có cường độ lớn nhất bằng 25 mA. Nếu hiệu điện thế giữa hai cực của một ác quy là 3 V thì có thể mắc trực tiếp ác quy đó vào vôn kế được không?

Mắc được vì cường độ dòng điện qua vôn kế nhỏ hơn cường độ dòng điện cho phép
Không mắc được vì vôn kế dễ cháy
Không mắc được vì hiệu điện thế tối đa của vôn kế lớn hơn hiệu điện thế của ác quy
Chưa xác định được vì còn thiếu một số đại lượng khác có liên quan

Bài 21. Việc làm nào dưới đây là an toàn khi sử dụng điện.