Tìm hiểu về Pin và Tụ điện

Pin và Tụ điện 5

Nội dung

Trong bài học này, học sinh hiểu thêm về cách hoạt động của pin và tụ điện bằng cách tác động lên các thành phần của mạch điện, áp dụng với pin dùng một lần, pin sạc lại được và tụ điện.

Chuyên đề STEM liên quan: Năng lượng, Kỹ thuật, Vật lý

Bậc học: Tiểu học (Lớp 4-5), THCS (Lớp 6-8), THPT (Lớp 9-12)

File tải về:

Mục tiêu chính

Các nhà khoa học đã khám ra năng lượng điện hàng trăm năm nay nhưng vẫn có rất nhiều người vẫn chưa hiểu nguyên lý hoạt dộng của các loại pin.

Trong giáo án STEM Vật lý – Kỹ thuật – Năng lượng này, các em học sinh khám phá điện năng hoạt động như thế nào thông qua thao tác trên tụ điện tác động lên mạch điện sơ cấp và thứ cấp, với pin dùng một lần, pin sạc lại được và tụ điện.

Nếu chỉ xem các sơ đồ mạch điện thì các khái niệm sẽ khó nắm bắt hơn nhiều, Bài học này cũng tạo cơ hội để các em học sinh thực hành và qua đó, nắm chắc kiến thức về Pin và Tụ điện hơn.

  • Học sinh sẽ hiểu các thành phần chính của pin là gì, và bằng cách nào chúng tạo ra điện trong mạch điện thông qua các phản ứng hóa học;
  • Học sinh sẽ có thể giải thích sự khác biệt giữa pin dùng một lần và pin sạc cũng như sự khác biệt giữa pin và tụ điện

Kiến thức tích hợp

Mạch điện (Circuit)

Mạch điện là một tập hợp các phần tử hay linh kiện điện được kết nối với nhau bởi dây dẫn, tạo thành một thiết bị hay mạch điện, thực hiện những chức năng công tác xác định nào đó.

Pin (Battery)

Pin là nguồn điện bao gồm một hoặc nhiều tế bào điện hóa có kết nối bên ngoài để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện như đèn pin, điện thoại di động và ô tô điện.

Khi pin đang cung cấp năng lượng điện, đầu có dấu + của nó là cực dương (cathode) và đầu có dầu – của nó là cực âm (anode).

Điện cực (Electrode)

Điện cực còn gọi gọn là cực, là một phần tử dẫn điện được sử dụng để tạo tiếp xúc điện của một mạch điện với môi trường cụ thể nào đó, từ đó thực hiện trao đổi điện tử với môi trường (về điện áp hoặc dòng điện).

Chất điện phân (Electrolyte)

Một chất điện phân hay chất điện giải là một chất được điện li khi hòa tan trong các dung môi điện li thích hợp như axit, bazo và muối.

Điện tử (Electron)

Electron hay điện tử là một hạt hạ nguyên tử, ký hiệu là e⁻ hay β⁻, mà điện tích của nó bằng trừ một điện tích cơ bản.

Điện tích (Ion)

Ion hay điện tích là một nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị mất hay thu nhận thêm được một hay nhiều electron. Một ion mang điện tích âm, khi nó thu được một hay nhiều electron, được gọi là anion hay điện tích âm, và một ion mang điện tích dương khi nó mất một hay nhiều electron, được gọi là cation hay điện tích dương. Quá trình tạo ra các ion hay điện tích gọi là ion hóa.

Chất dẫn điện (Conductor)

Trong vật lý và kỹ thuật điện, một chất dẫn điện là một đối tượng hoặc loại vật liệu đó cho phép dòng chảy của dòng điện qua nó theo một hoặc nhiều hướng. Ví dụ, một dây điện là một dây dẫn điện có thể dẫn điện dọc theo chiều dài của nó.

Dòng điện (Electrical current)

Dòng điện là dòng chuyển dịch có hướng của các hạt mang điện.

Tụ điện (Capacitor)

Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.

Chất điện môi (Dielectric)

Điện môi là những chất không dẫn điện (cách điện).

Bản cực của tụ điện (Capacitor plates)

Bên trong tụ điện là 2 bản cực kim loại được đặt cách điện với nhau.

Hoạt động

Thời gian thực hiện: 1-2 tiết học

Học sinh tham gia: ~ 10 hoặc 15 em. Nếu có nhiều người tham gia hơn, hãy xem xét phương án một nửa các em tham gia vào hoạt động trong khi nửa còn lại xem và sau đó đổi chỗ.

  • Các trang trình bày Powerpoint giới thiệu Pin và Tụ điện
  • 1 đồ vật (chẳng hạn như bút chì, tẩy hoặc bóng) cho mỗi người tham gia (tốt nhất là giống nhau) và thêm 6 cái dự phòng
  • Bổ sung ~ 10 đồ vật (tốt nhất là các đồ vật có hình dạng hoặc màu sắc khác nhau)
  • Không gian để tạo thành một vòng kết nối nhóm
  • Không bắt buộc: Các bảng ghi chữ do người tham gia đeo: “Pin”, “Điện cực âm “,” Điện cực dương “, “Chất điện phân”, “Bóng đèn” và “Tụ điện”
  • Không bắt buộc: 2 giỏ đựng các đồ vật phụ

Hoạt động 1: Mạch điện đơn giản

Pin và Tụ điện 1

1. Yêu cầu các em xếp đội hình thành một vòng tròn mô phỏng một mạch điện đơn giản. Một người sẽ đại diện cho pin (giáo viên là người thích hợp nhất), số còn lại tạo thành dây dẫn điện (wire conductor) và như thế vòng tròn lúc này chính là mạch điện.

  • Giáo viên phát cho mỗi em học sinh một đồ vật giống nhau (ví dụ quả banh, bút chì hay cục tẩy).
  • Giải thích cho các em đồ vật này đại diện cho một điện tử (electron) trong dây dẫn điện (wire conductor). Dây dẫn điện có vô số electron tự do, chúng quá nhỏ bé nên chúng ta không nhìn thấy được cho dù có dùng kính hiển vi.
  • Nhắc cho các em vai trò của người làm “pin”, với tay trái đại diện cho điện cực dương (+ Electrode) và tay phải đại diện cho điện cực âm (- Electrode)

2. “Pin” chuyền cho người bên cạnh “electron” của mình bằng tay phải.

  • Giải thích cho các em các electron cùng có cực âm, và các cực âm này đẩy nhau, nên các electron tiếp tục di chuyển cùng chiều.

3. Đến lượt người nhận được electron chuyền electron mình đang có  cho người bên cạnh bằng tay phải. Cứ thế lần lượt mỗi em đều chuyền electron của mình cho người bên phải.

  • Giáo viên cho các em biết dòng electron chạy trong dây dẫn (conductor) được gọi là dòng điện (electrical current).

4. Để minh họa cho một mạch điện khi bị ngắt, hay hở: Tạo ra một khoảng cách thật xa giữa hai em học sinh sao cho các em không thể chuyền electron của mình cho người bên cạnh. Dòng điện khi đó bị ngắt.

  • Miễn là vòng tròn còn nguyên vẹn, và dòng electron vẫn tiếp tục di chuyển, thì mạch điện được xem là đang hoạt động.

Câu hỏi hướng dẫn cho hoạt động 1

  • Tại sao các electron lại đẩy nhau?

Các vật có cùng điện tích luôn luôn đẩy nhau.

  • Chúng ta đang thiếu những thành phần nào trong mạch điện?

Một đối tượng để nhận nguồn điện (ví dụ: bóng đèn) và cũng rất có thể là một công tắc

  • Các cánh tay của “pin” đại diện cho cái gì?

Hoạt động 2: Mạch điện với các bộ phận của pin và bóng đèn

Pin và Tụ điện 2

Đóng vai một mạch điện với các bộ phận của pin như sau:

1. Lần này, hãy thêm một đồ vật để hấp thu điện năng. Cho phép một người tham gia đại diện cho một bóng đèn hoặc một vật dụng sử dụng điện (bất kỳ nơi nào trong vòng tròn). Ngoài ra, ba người sẽ đại diện cho pin.

2. Một pin có ba phần chính: điện cực âm, điện cực dương và chất lỏng hoặc chất rắn ngăn cách chúng gọi là chất điện phân. Người bên trái của “pin” sẽ đại diện cho điện cực dương và người bên phải của “pin” đại diện cho điện cực âm; “pin” bây giờ đại diện cho chất điện phân (electrolyte), là chất mà các electron không thể đi qua.

  • Giải thích rằng khi một mạch điện được đóng lại, các phản ứng hóa học bắt đầu xảy ra trong pin, tạo ra các ion dương và các electron âm. Các ion dương chảy qua chất điện phân sang điện cực dương trong khi electron chạy bên ngoài dòng diện đến điện cực dương, giải phóng năng lượng.

3. Lần này, “điện cực âm” phía bên phải của “chất điện phân” sẽ giải phóng một electron cho người đứng phía bên phải mình. Trong khi chờ đợi, “chất điện phân” sẽ chuyển một đồ vật khác (đại diện cho ion) về phía “điện cực dương”ở phía bên trái của họ. Yêu cầu “bóng đèn ” tạo ra tiếng bíp mỗi khi nhận được một electron để biểu thị họ đang nhận được điện.

  • Khi tất cả các electron được chuyển vòng qua phía “điện cực dương”, pin đã sử dụng hết hóa chất cần thiết để sản xuất điện và thế là nó “cạn / hết pin”.

Câu hỏi hướng dẫn cho hoạt động 2

  • Nguyên nhân nào làm pin giải phóng electron?

Phản ứng hóa học bắt đầu khi mạch điện được đóng lại.

  • Khi nói pin cạn thì điều có có nghĩa là gì?

Hoạt động 3: Pin sạc

Pin và Tụ điện 3

Chơi trò đóng vai một mạch điện với nguồn điện thứ cấp có thể sạc lại như sau:

1. Pin nguồn điện thứ cấp được sạc bằng cách cho dòng điện đi qua theo hướng ngược lại với bình thường, điều này dẫn đến việc các phản ứng hóa học cũng diễn ra theo hướng ngược lại.

Yêu cầu “bóng đèn” bước ra khỏi vòng tròn và đóng mạch khi không có họ. Để sạc pin, sau khi mạch điện được nối vào nguồn điện năng, “điện cực dương” sẽ chuyền electron qua phía bên trái cho đến khi các electron này chạm đến “điện cực âm”, trong khi “điện cực dương” chuyền các ion trở lại“ chất điện phân”. Một khi pin đã được sạc đầy, hãy yêu cầu “bóng đèn” quay trở lại vòng tròn.

2. Chúng ta có thể chạy pin vừa sạc để cung cấp năng lượng cho bóng đèn bằng cách chuyền các electron từ “điện cực âm” quanh vòng tròn về phía bên phải và truyền các ion từ “chất điện phân” đến “điện cực dương”.

Câu hỏi hướng dẫn cho hoạt động 3

  • Còn thiếu thứ gì trong mạch điện của chúng ta trong quá trình sạc pin?

Một nguồn điện.

  • Sạc pin là làm gì về mặt hóa học?

Đảo ngược phản ứng hóa học để hình thành các electron và các ion bên trong pin.

  • Tại sao “bóng đèn” phải rời khỏi mạch điện trong khi sạc pin?

Phần 4: Mạch điện với tụ điện

Pin và Tụ điện 4

Chơi trò đóng vai mạch điện với tụ điện như sau:

1. Yêu cầu một em học sinh tham gia khác tình nguyện đóng vai chất điện môi (dielectric) của tụ điện.

Trên thực tế, tụ điện có thể ở bất kỳ vị trí trong mạch điện. Cho “chất điện môi” các giỏ có số lượng ion và electron bằng nhau và có tụ điện đặt ở cả hai giỏ.

• Giải thích rằng tụ điện tương tự như pin, ngoại trừ việc chúng không thể tạo ra các electron mới,  chúng chỉ lưu trữ chúng. Thay vì từ từ tạo điện năng từ các phản ứng hóa học và giải phóng chúng vào một thiết bị, tụ điện được thiết kế để phát điện năng nhanh chóng.

2. Các giỏ đựng ion và electron đại diện cho hai bản cực của tụ điện và người cầm giỏ  đại diện cho chất điện môi. Hai bản cực của tụ điện được ngăn cách bởi chất điện môi, thứ ngăn các electron đi qua. Tại thời điểm này, bởi vì có số lượng electron và ion bằng nhau trong mỗi giỏ (đại diện cho sức chứa của mỗi bản cực), tụ điện không có điện tích.

3. Lần này, khi các electron di chuyển quanh vòng tròn, tụ điện lưu trữ điện năng. Mỗi lần tụ điện nhận một electron từ người phía bên trái của họ, anh ấy / cô ấy sẽ đặt nó vào giỏ hoặc “bản cực của tụ điện” ở phía bên trái và sẽ lấy một electron từ giỏ phía bên phải họ và phát cho người phía bên phải họ.

“Bản cực” ở bên trái của chất điện môi, nơi nhiều electron hơn ion ngày càng tích nhiều điện âm, trong khi “bản cực” ở phía bên phải của chất điện môi ngày càng tích nhiều điện dương, vì nó có nhiều ion hơn electron.

4. Khi tụ điện đã được sạc đầy, có nghĩa là các giỏ/ bản cực có số electron và ion không đồng đều, các thành phần của pin (chất điện phân, điện cực dương, và điện cực âm) bước ra khỏi vòng tròn. Yêu cầu những em học sinh còn lại tạo ra một vòng tròn nhỏ hơn để lấp đầy khoảng trống.

  • Vòng tròn phải vẫn đóng để có một mạch kín. Giờ thì tụ điện có nhiệm vụ cung cấp điện cho “bóng đèn”.
  • Tụ điện giải phóng các electron từ bản cực âm của chúng cho người bên cạnh, người tiếp tục chuyền các electron đi, và khi electron tiếp cận với “bóng đèn ”, nó sẽ được cấp điện năng. Điều này tiếp tục cho đến khi tụ điện được xả hết điện năng, nghĩa là khi này cả hai giỏ có số ion và electron bằng nhau trở lại.

Câu hỏi hướng dẫn hoạt động 4

  • Tụ điện khác với pin như thế nào?
  • Tại sao các electron không đi qua được tụ điện?

Chất điện môi hoạt động như một rào cản.

  • Bạn có thể nghĩ ra bất kỳ tình huống nào mà chúng ta cần thêm tụ điện thêm vào pin?
  • Bạn có thể nghĩ ra ví dụ về tụ điện trong tự nhiên?

Một đám mây tạo ra chớp.

Tổng kết hoạt động

  1. Trong hoạt động vừa rồi, khi nào thì xuất hiện dòng điện?
  2. Điều gì làm cho pin trở nên “kém”?
  3. Tại sao các thiết bị yêu cầu số lượng khác nhau / kích cỡ khác nhau của pin?
  4. Điều gì xảy ra bên trong pin để tạo ra các electron và ion?
  5. Ý nghĩa của một mạch kín vs. một mạch hở?
  6. Sự khác biệt về chu trình hóa học và điện học giữa pin dùng một lần và pin? Về mặt chất liệu thì sao?
  7. Tụ điện khác với pin như thế nào? Một số ứng dụng là gì của một tụ điện?
  8. Bạn nghĩ sẽ có công nghệ lưu trữ năng lượng nào tiếp theo trong tương lai?

Nguồn tham khảo

Sylvan Learning Việt Nam vừa giới thiệu giáo án STEM Vật lý – Kỹ thuật – Năng lượng giúp cho các em học sinh hiểu hơn về Pin và Tụ điện. Hi vọng các hoạt động mang tính trực quan này giúp các em thêm yêu thích và hiểu hơn môn Vật lý.

Học thử 2 buổi miễn phí 
lắp ráp và lập trình Lego Edu

    Thông tin nhận tư vấn và ưu đãi





    Vui lòng nhập lại thông tin, chúng tôi sẽ gọi lại bạn