Định luật jun len xơ cho biết điều gì? Hệ thức jun len xơ & bài tập vận dụng (vật lý 9)

Trường hợp điện năng biến đổi thành nhiệt năng 

Để giúp các em hiểu rõ hơn về định luật Jun Len xơ, Monkey sẽ cung cấp một số thông tin cơ bản về điện năng. 

Điện năng hay nói cách khác chính là năng lượng của dòng điện. Các em cần lưu ý rằng dòng điện luôn mang theo một năng lượng nhất định. Nguyên nhân là vì điện có khả năng thực hiện công và thay đổi nhiệt năng của vật.

Có thể quan sát một số các thiết bị sử dụng điện trong đời sống hằng ngày. Qua quan sát, các em sẽ nhận thấy sự nóng lên của các thiết bị điện khi sử dụng lâu như máy tính, tivi, bóng đèn, quạt,.... Đây là tính chất điện năng có thể làm vật thay đổi nhiệt độ.

Năng lượng không tự nhiên sinh ra và mất đi, chúng chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. Điện năng cũng tương tự như vậy - sẽ có sự chuyển biến các dạng năng lượng nếu điện sinh ra quá nhiều trong cùng một thời điểm. Điện năng sẽ chuyển hóa thành các dạng năng lượng vô ích hoặc có ích. 

Điện năng được sinh ra không chỉ dùng toàn bộ cho việc vận hành các thiết bị điện, mà một phần điện năng được sinh ra cũng có thể biến đổi sang một dạng năng lượng khác, điển hình nhất là điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng. 

Có 2 trường hợp xảy ra: 

• Điện năng biến đổi một phần thành nhiệt năng 

• Điện năng biến đổi toàn bộ thành nhiệt năng

Điện năng biến đổi một phần thành nhiệt năng: Trường hợp này chỉ có một phần điện năng sinh ra chuyển hóa thành nhiệt năng. 

Phần còn lại sẽ biến đổi thành các dạng năng lượng ánh sáng hoặc cơ năng. Các nhà sản xuất thường ứng dụng tính chất này để sản xuất ra các thiết bị điện sử dụng cho đời sống hằng ngày như:

• Điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng và cơ năng: máy khoan, quạt điện, máy bơm nước,…

• Điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng và ánh sáng: đèn led, đèn huỳnh quang, bóng đèn dây tóc, …

Điện năng biến đổi hoàn toàn thành nhiệt năng: Khác với trường hợp một phần điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng, khi toàn bộ điện năng được sinh ra đều chuyển hóa thành nhiệt năng thì sẽ không còn xảy ra hiện tượng điện năng biến đổi thành các dạng năng lượng như ánh sáng hay cơ năng nữa.

Ví dụ: Nồi cơm điện, máy tắm nước nóng, bàn là, bình đun nước bằng điện,… Các vật dụng này có một đặc điểm chung đó là khả năng tỏa ra một lượng nhiệt rất lớn.

Phát biểu nội dung định luật jun len xơ 

Dưới đây là một số các thông tin cần thiết khi tìm hiểu về định luật Jun Len xơ

Sự ra đời của định luật Jun len xơ

Năm 1841, khi vẫn còn là một nhà nghiên cứu nghiệp dư, Jun đã bắt đầu quá trình nghiên cứu sự phát triển của dòng điện trên cơ sở là những kết quả nghiên cứu của bản thân. 

Bên cạnh đó, Jun còn dựa vào những gợi ý của Faraday và nhiều nhà vật lý học khác. Sau nhiều năm tìm tòi và nghiên cứu, nhà vật lý Jun đã phát hiện ra mối liên hệ giữa cường độ dòng điện và nhiệt lượng tỏa ra từ dây dẫn. Từ đó, phát biểu Jun được ra đời. 

Cho đến năm 1844, nhà vật lý học Len xơ cũng đã bắt tay vào thực hiện một loạt các thí nghiệm nghiên cứu và phát biểu thành định luật Len xơ tương đồng với định luật Jun trước đó. Vì vậy, định luật sau cùng được gọi là định luật Jun-len-xơ.

Phát biểu định luật 

Định luật Jun Len xơ được phát biểu như sau: Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và thời gian dòng điện chạy qua.

Định luật jun len xơ cho biết điều gì?

Định luật Jun Len xơ cũng cho biết rằng điện năng được chuyển hóa thành nhiệt năng. Đây là một trong những hiện tượng quan trọng trong vật lý cũng như được ứng dụng rộng rãi để sản xuất các thiết bị cần thiết trong đời sống.

Hệ thức định luật Jun Len xơ

Qua phát biểu của định luật Jun Len xơ, hệ thức của định luật như sau:

Trong đó:

• R: là điện trở của vật dẫn. Đơn vị của R là Ohm (Ω).

• I: là cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn. Đơn vị của cường độ dòng điện là Ampe (A).

• t: là thời gian mà dòng điện chạy qua vật dẫn. Đơn vị của thời gian là giây (s)

• Q: là nhiệt lượng tỏa ra từ vật dẫn. Đơn vị của Q là Jun (J).

Lưu ý: Ngoài những đơn vị được đề cập như trên thì khi áp dụng vào giải các bài tập tính toán, các em cũng cần chú ý đến mối quan hệ giữa đơn vị Jun (J) và đơn vị calo (cal). Tỷ lệ quy đổi như sau:

1 J = 0,24 cal     ;    1 cal = 4,18 J

Ứng dụng định luật jun len xơ 

Định luật Jun-len-xơ được dùng để xác định mối liên hệ giữa nhiệt lượng tỏa ra, cường độ dòng điện và điện trở vật dẫn. Đây là cơ sở để sản xuất ra các thiết bị điện đáp ứng được độ an toàn và phòng tránh tình trạng nhiệt năng quá lớn gây ra cháy, nổ nguy hiểm trong quá trình sử dụng.

Ngoài ra, dựa trên hệ thức của định luật Jun Len xơ, có thể tính toán được lượng nhiệt năng tỏa ra của vật. Từ đó, người ta sẽ lựa chọn đúng được những nguyên vật liệu phù hợp với từng loại thiết bị nhất định. 

Thông thường, các thiết bị có điện năng được chuyển đổi thành nhiệt năng sẽ sử dụng dây dẫn được làm từ Constantan hoặc Nikêlin.

Xem thêm: Công của dòng điện là gì ? Công thức tính và bài tập kèm lời giải SGK

Bài tập vận dụng định luật Jun Len xơ 

Để giúp các em hiểu rõ và ghi nhớ các kiến thức lý thuyết một cách tốt nhất, Monkey sẽ cung cấp các dạng bài tập vận dụng định luật Jun Len xơ thường gặp trong chương trình Vật Lý lớp 9.

Bài 1: Phát biểu nào sau đây là không đúng?

Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua:

A. Tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn với thời gian dòng điện chạy qua.

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

C. Tỷ 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.

D. Tỷ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn, với cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua.

Đáp án: A. (Dựa vào lý thuyết và hệ thức về định luật Jun Len xơ)

Bài 2: Tại sao với cùng một dòng điện chạy qua thì dây tóc bóng đèn nóng lên tới nhiệt độ cao còn dây nối với bóng đèn thì hầu như không nóng lên?

Trả lời: 

• Vì dây tóc bóng đèn và dây nối mắc nối tiếp nhau nên dòng điện chạy qua cả hai có cùng cường độ. Theo định luật Jun Len xơ, nhiệt lượng tỏa ra ở dây tóc và ở dây nối tỉ lệ với điện trở của từng đoạn dây.

• Ngoài ra, dây tóc có điện trở lớn nên nhiệt lượng tỏa ra nhiều, do đó dây tóc nóng lên đến nhiệt độ cao và phát sáng. Còn dây nối có điện trở nhỏ nên nhiệt lượng tỏa ra ít và truyền phần lớn cho môi trường xung quanh. Vì vậy, dây nối hầu như sẽ không nóng lên.

Bài 3: 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.

a) Tính nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong 1s.

b) Dùng bếp điện để đun sôi 1,5l nước có nhiệt độ ban đầu là 25 độ C thì thời gian đun nước là 20 phút. Coi rằng nhiệt lượng cung cấp để đun sôi nước là có ích, tính hiệu suất của bếp. Cho biết nhiệt dung riêng của nước là c = 4200J/kg.K.

c) Mỗi ngày sử dụng bếp điện này 3 giờ. Tính tiền điện phải trả cho việc sử dụng bếp điện đó trong 30 ngày, nếu giá 1kW.h là 700 đồng.

Bài giải:

a) Nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong 1s là: 

(Có thể xác định công suất tỏa nhiệt của bếp là P = 500W).

b) Nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong 20 phút là: 

Qtp = Q.20.60 = 500.20.60 = 600000 (J).

Nhiệt lượng cần để đun sôi lượng nước đã cho là:

Qi = c.m.(t2 – t1) = 4200.1,5.(100-25) = 472500 (J)

 Hiệu suất của bếp là: H = Qi/Qtp = 472500/600000 = 78,75%.

c) Lượng điện năng mà bếp tiêu thụ trong 30 ngày (tính theo đơn vị kW.h) là:

A = P.t = 500.30.3 = 45000 (W.h) = 45 (kW.h)

Tiền điện phải trả cho việc sử dụng bếp điện là: 

T = 45.700 = 315000 (đồng).

Bài 4: Hai điện trở R1 = R2 = 100 Ω. Người ta mắc hai điện trở đó lần lượt bằng hai cách: song song và nối tiếp, rồi nối vào mạch điện có hiệu điện thế 100V

a) Tính dòng điện qua các điện trở trong mỗi trường hợp.

b) Xác định nhiệt lượng tỏa ra trên mỗi điện trở trong hai trường hợp trong thời gian 30 phút. Có nhận xét gì về kết quả tìm được.

Bài giải:

a) Trường hợp hai điện trở mắc nối tiếp: Rnt = R1 + R2 = 200 (Ω).

• Cường độ dòng điện chạy qua bộ là: Int = U/Rnt = 100/200 = 0,5(A)
• Trường hợp hai điện trở mắc song song: Rss = (R1.R2) / (R1+R2) = 50 (Ω).
• Cường độ dòng điện qua bộ là: Iss = U/Rss = 100/50 = 2 (A).

b) Khi hai điện trở mắc nối tiếp, nhiệt lượng tỏa ra là:

Q = I^2.Rnt.t = 0,52.200.30.60 = 90000 (J)

Khi hai điện trở mắc song song, nhiệt lượng tỏa ra là:

Q = I^2.Rss.t = 22.50.30.60 = 360000 (J)

Từ các phép toán trên, ta thấy được khi mắc điện trở song song thì nhiệt lượng tỏa ra lớn gấp 4 lần so với khi mắc điện trở nối tiếp.

Bài 5: Một đường dây nối từ mạng điện thành phố tới mạng điện một gia đình là dây dẫn bằng đồng có tổng chiều dài 60m có tiết diện 0,6mm2, có điện trở suất 1,7.10-8Ω.m. Biết tổng công suất sử dụng các thiết bị điện của gia đình đó là 176W. Thời gian sử dụng điện mỗi ngày trung bình khoảng 4 giờ. Tính:

a) Điện trở toàn bộ đường dây nối từ mạng chung tới gia đình đó.

b) Cường độ dòng điện chạy trong dây khi sử dụng công suất đã cho trên.

c) Nhiệt lượng tỏa ra trên dây này trong 10 ngày.

Bài giải: 

a) Điện trở của toàn bộ đường dây nối từ mạng chung tới gia đình đó là:

R = ρ.l/S = (1,7.10-8.60)/(0,6.10-6) = 1,7 (Ω).

b) Cường độ dòng điện chạy qua dây khi sử dụng công suất dẫn cho trên là:

I = P/U=176/200 = 0,8 (A)

c) Nhiệt lượng tỏa ra trên dây này trong 10 ngày là:

Q =I^2.R.t = 1,7.0,82.10.4.3600 = 156672 (J)

Bài 6: Cho chiều dài của một dây xoắn trong bếp điện là 7m và tiết diện là 0,01mm2. Biết rằng 1,1.10-6 Ω.m là điệu trở suất, hỏi:

a) Độ lớn của điện trở trong dây xoắn là bao nhiêu?

b) Trong trường hợp mắc bếp vào một hiệu điện thế có độ lớn là 220V thì trong khoảng thời gian là 25 phút thì bếp tỏa ra một lượng nhiệt là bao nhiêu?

c) Giả sử sự hao phí nhiệt được bỏ qua thì trong khoảng thời gian là 25 phút thì bếp có thể làm cho bao nhiêu lượng nước từ trạng thái 250C đạt được trạng thái sôi (1000C)? (Biết rằng nước có nhiệt dung riêng là 4200J/kgK).

Bài giải:

a) Điện trở chạy trong dây dẫn có độ lớn là:

R = ρ.l/S = (1,1.10-6.7) / (0,1.10-6) = 77 (Ω).

b) Trong trường hợp mắc bếp vào một hiệu điện thế có độ lớn là 220V thì dây xoắn có dòng điện chạy qua với một cường độ là:

I = U/R = 220/77 = 2,86 (A)

Trong khoảng thời gian là 25 phút thì dây xoắn tỏa ra một lượng nhiệt lượng là: 

Qtỏa = I^2.R.t = 2,862.77.25.60 = 944643,8 (J)

c) Để nước từ trạng thái 250C đạt được đến trạng thái là 1000C thì cần thu vào một lượng nhiệt lượng là:

Qthu = m.c.Δt

Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng thì ta có được số nhiệt lượng tỏa ra bằng số nhiệt lượng thu vào

944643,8 = m.c.Δt = m.4200.(100 - 25) 

m = 3 (kg)

=> Lượng nước được làm sôi từ nhiệt độ 250C là 3 lít (vì khối lượng riêng của nước là 1kg/ lít)

Bài 7: Người ta dùng bếp điện để đun sôi 2 lít nước từ nhiệt độ t = 2000C. 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 c = 4,18.103 J/kg.độ, hiệu suất của bếp H = 80%.

Bài giải:

Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi nước: Q1 = m.c.(t2 – t1)

Nhiệt lượng có ích do bếp cung cấp trong thời gian t: Q2 = H.P.t

Trong đó P là công suất của bếp, H là hiệu suất

Ta có phương trình cân bằng nhiệt: Q1 = Q2

⇒ m.c.(t2 – t1) = H.P.t

Vậy phải dùng bếp điện có công suất là 697W.

Lời kết

Trên đây là toàn bộ các kiến thức về Định luật Jun Len xơ cần thiết cho các em trong quá trình học tập và tìm hiểu chương trình Vật Lý lớp 9. Hy vọng với các thông tin bổ ích mà Monkey đã cung cấp, các em có thể tự rèn luyện và nâng cao các kỹ năng giải toán cũng như kỹ năng phân tích các hiện tượng liên quan trong đời sống thường ngày. Các em có thể tìm hiểu các bài học khác thông qua chuyên mục kiến thức cơ bản