Hiệu điện thế là gì? Công thức tính hiệu điện thế và bài tập minh họa

Hiệu điện thế là cụm từ xuất hiện thường xuyên trong cuộc sống hàng ngày. Tuy nhiên, không phải ai cũng định nghĩa được hiệu điện thế là gì, công thức tính hiệu điện thế ra sao, cách đo hiệu điện thế như thế nào,…. Và nếu bạn cũng chưa nắm chắc được những vấn đề này thì đừng bỏ qua bài viết dưới đây, bởi chúng tôi sẽ giúp bạn giải đáp mọi thông tin liên quan đến hiệu điện thế.

Hiệu điện thế là gì?

Hiệu điện thế là gì? Các khái niệm liên quan đến hiệu điện thế

Điện trường là gì?

Điện trường là môi trường bao quanh điện tích, gắn liền với điện tích và tác dụng lực lên các điện tích khác đặt trong nó. Chính vì vậy mà nơi nào có điện tích thì xung quanh nó đều có điện trường. 

Điện thế là gì?

Điện thế tại một điểm M nằm trong điện trường là đại lượng đặc trưng của điện trường về phương diện tạo ra thế năng khi đặt nó ở một điện tích q và được xác định bằng công thức sau:

V_M = A_M / q

Trong đó:  

• V_M  là điện thế tại M
• A_M  là công của lực điện tác dụng lên điện tích q khi di chuyển từ M ra xa vô cực
• q là độ lớn của điện tích q

Hiệu điện thế là gì?

Hiệu điện thế là sự chênh lệch về điện thế giữa hai cực hay chính là công thực hiện được để di chuyển một hạt điện tích trong trường tĩnh điện từ điểm này đến điểm khác. Nó có thể được sinh ra bởi các trường tĩnh điện, dòng điện chạy qua từ trường, các trường từ thay đổi theo thời gian hoặc cả 3 nguồn trên.

Hiệu điện thế của các nguồn điện khác nhau sẽ khác nhau. Ví dụ như:

• Pin tròn có hiệu điện thế U= 1,5 V
• Ắc quy xe máy có có hiệu điện thế U= 9 hoặc 12 V 
• Ổ điện trong nhà có có hiệu điện thế U = 220 V

Ổ điện trong nhà có có hiệu điện thế U = 220 V

Tại một số quốc gia khác như Đài Loan, Nhật Bản, ổ điện trong nhà có có hiệu điện thế U=110 V.

Phân loại hiệu điện thế

Tùy vào từng ứng dụng cụ thể và quy ước của mỗi quốc gia mà hiệu điện thế lại được phân loại khác nhau, cụ thể như sau:

+> Trong truyền tải điện công nghiệp tại Việt Nam, EVN quy ước:

• Nguồn điện lưới nhỏ hơn 1 kV là hạ thế
• Từ 1kV đến 66kV là trung thế
• Lớn hơn 66kV là cao thế

+> Theo lưới truyền tải điện ở Việt Nam năm 1993:

• Cao thế có 4 mức: 66kV, 110kV, 220kV và 500kV
• Trung thế có 5 mức: 6kV, 10kV, 15kV, 22kV và 35 kV
• Hạ thế có 2 mức: 0,4kV và 0,2kV

+> Theo mục tiêu đồng bộ lưới điện đến năm 2010 tại Việt Nam:

• Cao thế có 4 mức: 66kV, 110kV, 220kV và 500kV
• Trung thế có 2 mức: 22kV và 35 kV
• Hạ thế có 1 mức: 0,4kV

+> Theo nghị định chính phủ về bảo vệ an toàn lưới điện cao áp:

• Điện thế lớn hơn 1000V là cao thế
• Đối với đồ điện dân dụng, trong bóng hình tivi, điện thế 15-22kV được gọi là cao áp

Đơn vị đo và dụng cụ đo hiệu điện thế

Đơn vị đo của hiệu điện thế giữa hai điểm trong một hệ thống điện là vôn (V). Gốc thế điện của một hệ thống điện thường được chọn là mặt đất.

Dụng cụ đo hiệu điện thế thường được sử dụng là: Vôn kế, đồng hồ vạn năng, đồng hồ đo điện bằng điện tử,….

Hình ảnh vôn kế xoay chiều

Hướng dẫn cách đo hiệu điện thế bằng vôn kế với mạch hở

Bước 1: Căn cứ vào đơn vị đo và độ chia nhỏ nhất của vôn kế mà bạn lựa chọn loại vôn kế phù hợp.

Bước 2: Mắc vôn kế song song với 2 cực của nguồn điện, trong đó cực dương (+) của vôn kế sẽ mắc với cực dương của nguồn điện còn cực âm (-) của vôn kế sẽ nối với cực âm của nguồn điện. Tuyệt đối không làm ngược lại vì có thể dẫn đến tình trạng chập, cháy, gây nguy hiểm cho người thực hiện.

Bước 3: Đọc kết quả số vôn (milivon) hiển thị trên màn hình. Đây chính là giá trị của hiệu điện thế giữa hai đầu cực của nguồn điện khi chưa mắc vào mạch.

Đối với loại vôn kế sử dụng kim, trước khi đo hiệu điện thế, bạn cần quan sát vị trí của chiếc kim và chỉnh về số 0 trước khi đo nếu nó bị lệch.

Công thức tính hiệu điện thế

Công thức 1

U = I.R

Trong đó:

• U là hiệu điện thế (V)
• I là cường độ dòng điện (A)
• R là điện trở của vất dẫn điện (Ω)

Công thức 2

U_MN= V_M- V_N= A_MN /q

Trong đó:

• U_MN là hiệu điện thế giữa điểm M và điểm N (V)
• A_MN  là công lực điện được sinh ra để điện tích di chuyển từ điểm M đến điểm N (J)
• q là điện tích (C)

Công thức 3

U_MN= E.d_MN

Trong đó:

• E là cường độ điện trường đều (V/m)
• d_MN là khoảng cách giữa hai hình chiếu của hai điểm M và N trên đường sức (cm)

Phân biệt hiệu điện thế và cường độ dòng điện

Trong điện trường, hiệu điện thế và cường độ dòng điện đều là khái niệm dùng để nói lên sự hoạt động của những electron trong điện trường. Tuy nhiên, chúng có những điểm khác nhau nhất định.

Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện

- Cường độ dòng điện được tạo ra bởi những điện áp nhất định, tức là điện áp có thể tạo nên cường độ dòng điện.

- Trong một điện trường, nhất định phải có điện áp nhưng không nhất thiết thiết phải có cường độ dòng điện khi đã có điện áp.

- Hiệu điện thế và cường độ dòng điện có mối tương quan mật thiết với nhau và cùng tạo nên dòng điện.

Bài tập minh họa

Bài tập 1: Cho 2 bản kim loại phẳng đặt song song với nhau, cách nhau một khoảng 1 cm. Hiệu điện thế giữa bản dương và bản âm là 120 V. Tính điện thế tại điểm M nằm trong khoảng giữa 2 bản, cách bản âm 0,6 cm. Lấy mốc điện thế ở bản âm.

Lời giải:

Ta có khoảng cách giữa 2 bản âm và dương là d₀ = 1 cm = 0,01 m.

Điện trường giữa 2 bản kim loại: E = U₀ /d₀ = 120 / 0,01 = 12.10 ³ (V).

Điện thế tại điểm M nằm trong khoảng giữa 2 bản, cách bản âm 0,6 cm là:

U_M = E.d_M = 12.10³.6.10 ^-3 = 72 (V)

Do mốc điện thế ở bản âm V _(-) = 0 nên V_M = 72 (V)

Bài tập 2: Tính công mà lực điện tác dụng nên một electron sinh ra khi nó chuyển động từ điểm M đến N, biết hiệu điện thế U_MN = 50 V.

Lời giải:

Ta có U_MN = 50 V ; q_e = 1,6.10 ^-19 (C)

Vậy công của lực điện làm electron di chuyển là A_MN = q_e . U_MN = - 1,6.10 ^-19.50 = -8.10^-18 J

Bài tập 3: Một electron di chuyển một đoạn 0,6 cm từ điểm M đến điểm N dọc theo một đường sức điện của một điện trường đều thì lực điện sinh công 9,6.10^-18 J

a) Tính cường độ điện trường.

b) Tính công mà lực điện sinh ra khi eletron di chuyển tiếp 0,4 cm từ điểm N đến điểm P theo phương và chiều nói trên.

c) Tính hiệu điện thế U_NP.

Lời giải: d = 0,6 cm = 0,006 m.

a) Ta có cường độ điện trường là E = 9,6.10^-18 / (0,006.1, 602.10^-19) = 10⁴ (V/m)

b) d_NP = 0,4 cm = 0,004 m

Công mà lực điện sinh ra khi eletron di chuyển tiếp 0,4 cm từ điểm N đến điểm P là

A_NP = E.q.d_NP = 10⁴.1, 602.10^-19.0,004 = 6,4.10^-18 (J)

c) Hiệu điện thế U_NP = A_NP /q = - 40 (V)

Trên đây là một số thông tin về hiệu điện thế là gì mà chúng tôi muốn chia sẻ đến bạn đọc. Hy vọng nó sẽ hữu ích cho các bạn trong việc học vật lý cũng như trong cuộc sống hàng ngày.

 Xem thêm:

• Các công thức tính công suất và bài tập vận dụng
• Phương pháp pha hóa chất xử lý nước thải an toàn và hiệu quả