Mối Quan Hệ Giữa Điện Áp, Dòng Điện và Điện Trở【The Relationship of Voltage, Current, and Resistance】
Như đã đề cập từ đầu, việc nghiên cứu về điện là việc khám phá các ảnh hưởng tác động của dòng điện và cách điều khiển nó.
Điện áp, đơn giản như bạn đã biết, là sức (lực) đẩy điện (emf) được áp dụng vào một tải (điện trở) để tạo ra dòng điện chạy qua điện trở. Càng tăng điện áp áp dụng lên điện trở, dòng điện càng lớn. Tương tự, giảm điện áp sẽ làm giảm dòng điện.
Điện trở, như cũng đã biết, là sự cản trở sự di chuyển của electron. Nếu tăng điện trở trên tải mà đi qua đó một điện áp ổn định, dòng điện sẽ giảm. Ngược lại, giảm điện trở sẽ tạo điều kiện cho dòng điện lớn hơn.
Khi một mạch có điện trở không đổi, nếu tăng điện áp thì dòng điện cũng tăng. Ngược lại, nếu giữ điện áp không đổi và tăng điện trở, thì dòng điện sẽ giảm. Tóm lại, nếu tăng điện áp thì dòng điện tăng, còn tăng điện trở thì dòng điện giảm.
Chú Thích
- (current flow): Dòng Điện Chảy
- (With constant resistance, lower voltage gives small current, higher voltage gives large current): với điện trở không đổi; Điện áp thấp tạo ra dòng điện nhỏ; Điện áp cao tạo ra dòng điện lớn
- (With constant emf, lower resistance passes large current, higher resistance passes small current): với điện áp (EMF) không đổi, Điện trở thấp cho phép dòng điện lớn chảy qua, Điện trở cao cho phép dòng điện nhỏ chảy qua
- (Ohm’s law the current flawing in a sirtuit is directly proportional to the voltage (applied EMF) and inverselt proportional to the resistance):Định luật OHM, Dòng điện trong mạch tăng khi điện áp tăng (EMF được áp dụng) và giảm khi điện trở tăng
Mối quan hệ giữa điện áp, điện trở và dòng điện đã được nghiên cứu bởi nhà toán học người Đức George Simon Ohm. Mô tả của ông về mối liên hệ này, được biết đến ngày nay gọi là Định luật Ohm: dòng điện thay đổi, tỷ lệ thuận với điện áp (I tăng E tăng; I giảm E giảm) và nghịch đảo với điện trở (I tăng R giảm; I giảm R tăng).
Trong thuật ngữ điện (ký hiệu), dòng điện luôn được biểu thị bằng chữ cái “I”, điện trở bằng chữ cái “R” và điện áp bằng chữ cái “E”. Do đó, bạn có thể viết lại phát biểu về Định luật Ohm ở cuối hình minh họa ở trang cuối như sau:
Bằng cách sử dụng đại số rất đơn giản, phương trình quan trọng này cũng có thể được viết lại như sau:
Việc lựa chọn công thức nào trong ba cách (công thức) biểu diễn Định luật Ohm mà bạn có thể sử dụng phụ thuộc vào hai điều: (a) những thông tin bạn biết ban đầu về mạch mà bạn đang xem xét, và (b) những thông tin bạn cần phải biết về nó.
May mắn thay, có một cách dễ nhớ để biết được công thức hoặc cách nào để sử dụng. Gọi nó là “tam giác phép thuật” (magic triangle) nếu bạn muốn!
Hãy vẽ một tam giác và chia làm hai phần bằng một đường ngang. Viết chữ E ở phía trên và viết chữ I và R ở phía dưới.
Tam Giác Công Thức Ohm【The Magic Triangle】
Bây giờ, khi bạn xem xét một mạch điện và biết giá trị của hai trong ba yếu tố – điện áp, dòng điện và điện trở – và muốn tìm ra giá trị thứ ba. Quy tắc sử dụng tam giác kỳ diệu để cho bạn công thức đúng như sau:
Đặt ngón tay cái lên chữ cái trong tam giác có giá trị bạn muốn biết, và công thức tính giá trị đó sẽ được cho ra bởi hai chữ còn lại.
Dưới đây là cách hoạt động của công cụ hỗ trợ trí nhớ này trong thực tế:
1.Bạn biết các giá trị của dòng điện và điện trở trong một mạch, nhưng bạn thiếu phương tiện (một dụng cụ đo điện áp) để đo điện áp. Vì vậy, bạn vẽ một tam giác phép thuật và đặt ngón tay lên giá trị bạn muốn tính toán, trong trường hợp này là E – và bạn sẽ có công thức bạn cần: I × R.
2.Bạn biết giá trị của dòng điện và điện áp, nhưng trong trường hợp này bạn không có ohm kế để đo điện trở. Đặt ngón tay lên chữ cái R và bạn sẽ có công thức : E/I. Thay thế các giá trị đã biết (có sẵn) cho E và I, và bạn sẽ có kết quả của R.
3.Bạn biết giá trị của điện áp và điện trở trong một mạch; nhưng trong trường hợp này, ampe kế bạn cần để đo dòng điện đã bị mất hoặc hỏng. Đặt ngón tay lên biểu tượng I và đọc công thức bạn cần: E/R.
Một chút suy nghĩ sẽ giúp bạn nhận ra rằng công thức Định luật Ohm không thể hoạt động chính xác nếu không có tất cả các giá trị được biểu diễn bằng các đơn vị đo chính xác. Quy tắc đơn giản cho điều này sẽ được giải thích ở phần tiếp theo.
Quy Tắc Của Định Luật Ohm【Ohm’s Law Rules】
Định luật Ohm sẽ hỗ trợ bạn và đưa ra các câu trả lời chính xác cho mọi tình huống bạn gặp phải, miễn là bạn nhớ rằng quy tắc đầu tiên trong phương trình Định luật Ohm là:
Chú Thích
- (CURRENT is ALWAYS expressed in AMPERES): Dòng điện luôn được biểu diễn bằng đơn vị AMPERE “ampe (A)”
- (VOLTAGE is ALWAYS expressed in VOLTS): Điện áp luôn được biểu diễn bằng đơn vị VOLTS “vôn (V)”
- (RESISTANCE is ALWAYS expressed in OHMS): Điện trở luôn được biểu diễn bằng đơn vị OHMS “ohm (Ω)”
Lấy một mạch mà bạn đã đo điện trở là 10 ohm và dòng điện là 300 miliampe (mA). Rõ ràng, nếu bạn sử dụng công thức Định luật Ohm một cách mù quáng mà không suy nghĩ và chỉ viết rằng E = I x R = 10 x 300 = 3.000, thì câu trả lời của bạn sẽ sai với hệ số 1.000.
Thay vào đó, bạn phải sử dụng các bảng chuyển đổi (đổi dơn vị) mà bạn đã học trước đó, và bạn phải viết lại tất cả các yếu tố trong phương trình đơn giản trên, bằng dưới dạng ampe (A), volt (V) và ohm (Ω). Khi bạn làm điều này, bạn sẽ có: E = I x R = 10 x 0.3 = 3 volt, đây là câu trả lời chính xác.
Có một quy tắc thứ hai nên áp dụng ngay từ đầu khi giải bài toán Định luật Ohm liên quan đến các giá trị trong mạch điện. Quy tắc đó là: Luôn phác thảo (vẽ) sơ đồ mạch trước khi bắt đầu tính toán dựa trên các giá trị đã biết. Điều này trở nên vô cùng quan trọng khi mạch trở nên phức tạp hơn sau này.
Sớm hình thành thói quen này sẽ giúp bạn giải quyết các bài toán Định luật Ohm một cách hiệu quả hơn.
Các Ví Dụ Về Định Luật Ohm【Ohm’s Law Examples】
Định luật Ohm và cách sử dụng nó đúng cách rất quan trọng trong quá trình học về điện của bạn. Bây giờ, hãy giải ba bài toán đơn giản trước; và sau đó, bắt đầu làm một số bài tập thực hành về Định luật Ohm.
Ví dụ 1: Bạn đã kết nối một viên pin với một điện trở không biết giá trị và thông qua việc đo, bạn phát hiện điện áp qua nó là 12 volt. Dòng điện chảy qua là 3 ampe. Bạn muốn biết giá trị của điện trở, nhưng bạn không có bộ đo ohm nào.
Chú Thích
- (circuit diagram): sơ đồ mạch
- (What is it you want to find? R. So put your thumb over R): Bạn muốn tìm gì? Điện trở (R). Vậy, hãy đặt ngón tay của bạn lên R
Giải: Đầu tiên vẽ sơ đồ mạch, và điền thông tin bạn đã biết vào đó. Vẽ hình tam giác phép thuật. Tam giác phép thuật cho bạn biết rằng R = E/I. Trong phương trình này, bạn thay thế các giá trị đã biết và nhận được: R = 12/3 = 4, đây là giá trị của điện trở tính bằng ohm
Ví dụ 2: Biết điện áp qua một điện trở là 25 ohm khi có một dòng điện là 200 miliampe chảy qua nó, hỏi điện áp là bao nhiêu?
Chú Thích
- (You want to find E, so put your thumb over it)Bạn muốn tìm điện áp (E), vì vậy đặt ngón tay lên nó
Giải: Vẽ sơ đồ mạch. Vẽ tam giác phép thuật. Chuyển đổi 200 milliampe thành ampe: 200/1000 = 0.2 ampe. Tiếp theo, E = IR = 0.2 x 25 = 5 volt.
Ví dụ 3: Một điện áp 60 kilovolt được đo trên một điện trở là 12 megohm. Dòng điện đang chảy là bao nhiêu?
Giải: Hãy nhớ rằng 1 kilovolt (kV) tương đương với 1.000 volt (V), vì vậy 60 kilovolt = 60.000 volt. Một megohm (MΩ) tương đương với một triệu ohm (Ω), do đó 12 megohm = 12.000.000 ohm.
Chú Thích
- (Put your thumb on I): Đặt ngón tay của bạn lên I
Ta có I = E/R = 60.000/12.000.000 = 0,005 ampere = 5 mA
(Bạn thấy rằng mặc dù có áp dụng điện áp rất lớn, nhưng dòng điện chảy qua lại rất nhỏ, nhờ có sự trở kháng (điện trở) rất lớn. Một mạch với các giá trị như vậy hiếm khi được thiết lập trong thực tế; nhưng nó là một ví dụ tốt để chứng minh rằng Định luật Ohm vẫn áp dụng hoạt động được với mọi giá trị dòng điện, điện áp và điện trở, miễn là bạn sử dụng chúng đúng cách)
Bài Tập Về Định Luật Ohm【Ohm’s Law Drill】
1.
Đáp Án
2.Từ thông tin được in trên đế, bạn biết rằng một bóng đèn từ một trong những bóng đèn pha trên ô tô của bạn có điện áp định mức là 12 volt và dòng điện là 4 ampe. Điện trở của nó là bao nhiêu?
3.Một nam châm điện cần dòng điện là 1,5 ampe để hoạt động đúng cách và bạn đã đo được điện trở của cuộn dây là 24 ohm. Bạn cần áp dụng điện áp bao nhiêu để làm cho nó hoạt động?
4.Một mỏ hàn điện sử dụng 2,5 ampe từ nguồn điện 240 volt khi hoạt động. Tính điện trở của phần tử (trong mỏ hàn) là bao nhiêu?
5.Có bao nhiêu lượng dòng điện chảy qua một điện trở 68 kilô-ohm nếu điện áp giảm qua điện trở là 1,36 volt?
6.Cần một điện trở có giá trị bao nhiêu để giảm dòng điện được tạo ra bởi một lực điện động 10 volt xuống chỉ còn 5 miliampe?
Đáp Án
Một gợi ý thực tế và hữu ích
Rất có thể khi bạn làm việc với các mạch điện tử thực tế sau này, bạn sẽ thấy hai mẫu giá trị dành cho dòng điện, điện áp và điện trở xuất hiện khá thường xuyên. Các giá trị đó là:
Nếu sau khi hoàn thành bài tập về điện ở phần trên, việc ghi nhớ hai mối quan hệ này sẽ rất hữu ích: miliampe với kilohm và microampe với megohm, với điểm đáng lưu ý là cả hai đều chuyển đổi thành vôn.
Thí nghiệm/Ứng dụng – Định Luật Ohm【Experiment/Application—Ohm’s Law】
Để minh họa cách áp dụng Định luật Ohm để tìm điện trở cần thiết, hãy giả sử bạn kết nối bốn viên pin khô để tạo ra một viên pin 6 volt. Sau đó, nếu bạn chọn các giá trị dòng điện mong muốn như 0.3, 0.6 và 1 ampe, bạn có thể sử dụng Định luật Ohm để tính toán điện trở phù hợp, sẽ tạo ra các dòng điện này khi kết nối qua viên pin 6 volt. Bằng cách chia điện áp – 6 volt – cho các dòng điện mong muốn – 0.3, 0.6 và 1 ampe – bạn sẽ có được các giá trị điện trở cần thiết lần lượt là 20, 10 và 6 ohm. Để kiểm tra các giá trị này, bạn có thể kết nối hai điện trở 3 ohm nối tiếp để tạo thành một điện trở 6 ohm, sau đó kết nối nó với một ampe kế qua viên pin 6 volt. Kết quả sẽ cho thấy dòng điện xấp xỉ là 1 ampe. Bằng cách thêm nhiều điện trở nối tiếp để tạo ra các điện trở 10 và 20 ohm, bạn có thể chứng minh rằng các giá trị điện trở này cũng tạo ra các dòng điện mong muốn.
Dòng điện và điện áp cũng có thể được sử dụng để tìm giá trị của một điện trở trong mạch khi chưa biết điện trở đó. Để hiểu rõ cách sử dụng Định luật Ohm này, hãy tưởng tượng bạn nối hai điện trở không có ký hiệu, để tạo thành một mạch nối tiếp qua một cục pin 6 volt với một ampe kế được nối để đo dòng điện. Khi bạn đo điện áp qua từng điện trở, bạn sẽ nhận thấy hai điện áp này cộng lại sẽ bằng điện áp của viên pin. Bằng cách chia điện áp trên các điện trở cho dòng điện trong mạch, bạn có thể tìm ra giá trị của chúng.
Để kiểm tra xem câu trả lời của bạn có đúng không, điện trở có thể được đo bằng ohmmeter; bạn sẽ thấy rằng các giá trị thu được theo Định luật Ohm bằng với giá trị được chỉ định trên ohmmeter. Khi giải một số vấn đề như vậy, bạn sẽ nhận thấy rằng dòng điện và điện áp định mức có thể được sử dụng để tìm giá trị điện trở cần thiết trong một mạch điện cụ thể, và các giá trị đo được của dòng điện và điện áp có thể được sử dụng để tìm ra giá trị của một điện trở chưa biết trong một mạch điện cụ thể.
Bây giờ bạn sẽ thấy làm thế nào để sử dụng Định luật Ohm để tìm điện áp cần thiết để có dòng điện chính xác qua một điện trở đã biết. Sử dụng một điện trở 10 ohm gồm hai điện trở 2 ohm và hai điện trở 3 ohm nối tiếp, bạn có thể xác định các giá trị điện áp cần thiết để thu được dòng điện 0,3, 0,6 và 0,9 ampe bằng cách nhân 10 ohm với mỗi dòng điện lần lượt. Các giá trị điện áp thu được lần lượt là 3, 6 và 9 volt.
Bây giờ bạn sẽ thấy làm thế nào để sử dụng Định luật Ohm để tìm điện áp cần thiết để có dòng điện chính xác qua một điện trở đã biết. Sử dụng một điện trở 10 ohm gồm hai điện trở 2 ohm và hai điện trở 3 ohm nối tiếp, bạn có thể xác định các giá trị điện áp cần thiết để thu được dòng điện 0,3, 0,6 và 0,9 ampe bằng cách nhân 10 ohm với mỗi dòng điện lần lượt. Các giá trị điện áp thu được lần lượt là 3, 6 và 9 volt.
Để kiểm tra xem định luật Ohm có thể được sử dụng để tính dòng điện trong mạch, bạn có thể kết nối sáu điện trở 3 ohm nối tiếp với cực của một cục pin 9 volt từ các cell pin khô. Sử dụng Định luật Ohm, xác định dòng điện mạch: I=E/R=9/18=0,5 ampe. Bây giờ ngắt mạch và chèn một ampe kế 1,0 ampe nối tiếp với các điện trở. Bạn sẽ thấy rằng chỉ số của ampe kế là 0,5 ampe – chính xác như giá trị dòng điện được xác định bằng phép tính Định luật Ohm của bạn.