Mạch Điện Là Gì【What a Circuit Is】
Không cần phóng đại khi nói rằng phần lớn hoạt động của thế kỷ 20 dựa vào dòng điện. Vì vậy, hiểu biết chính xác về cách dòng điện hoạt động là điều vô cùng quan trọng.
Trong những bài học về điện trước đó, chúng ta đã học rằng khi kết nối một dây qua các cực dương và âm của một nguồn điện (nguồn điện động | EMF), chẳng hạn như một viên pin, sự chênh lệch về điện thế (hiệu điện thế, điện áp| voltage) tạo ra dòng điện chảy qua; và để duy trì dòng điện, cần có năng lượng điện. Ngoài ra, năng lượng điện được tạo ra từ phản ứng hóa học bên trong pin.
Hàng triệu electron tự do đã bị tách ra khỏi nguyên tử của chúng bởi sức nóng của môi trường và bây giờ chúng di chuyển dưới sự kiểm soát. Chúng bị đẩy bởi điện tích âm hoặc hút bởi điện tích dương, tạo ra một dòng điện chảy từ âm tới dương.
Nhớ rằng, những electron này là các điện tích âm và không có trọng lượng. Điều này có nghĩa là khi một điện thế được áp dụng vào dây, chúng phản ứng ngay lập tức. Tương tự, khi loại bỏ điện thế (nguồn điện), dòng điện ngay lập tức dừng lại và các electron tiếp tục di chuyển ngẫu nhiên trong vật liệu dẫn.
Chú Thích
- (In an electric circuit): Trong một mạch điện
- (Source of voltage EMF): Nguồn điện áp (EMF)
- (Electrons enter the wire at the negative terminal and leave the wire at the positive terminal): Electrons bắt đầu dòng chảy tại cực âm của dây và kết thúc ở cực dương dây
Bất kỳ sự kết hợp nào giữa một dây dẫn và một nguồn điện được kết nối với nhau, để cho phép electron di chuyển xung quanh qua lại trong một dòng liên tục, được gọi là một mạch điện.
Để thiết lập và duy trì dòng điện trong một mạch điện, ta cần các điều kiện sau:
- Phải có một nguồn chênh lệch điện thế (hoặc điện áp | Voltage) để cung cấp năng lượng, buộc các electron di chuyển một cách có trật tự theo một hướng cụ thể.
- Phải có một đường dẫn bên ngoài liên tục (hoàn chỉnh), cho phép các electron di chuyển từ cực âm đến cực dương của nguồn điện áp (source of voltage).
Đường dẫn bên ngoài này thường gồm hai phần: vật dẫn điện (hoặc dây dẫn điện | wire) và tải (load), nơi năng lượng điện được cung cấp để thực hiện các mục đích hoặc tác dụng hữu ích nào đó.
Do đó, mạch điện là một con đường dẫn điện hoàn chỉnh, không chỉ bao gồm một dây dẫn mà còn bao gồm một đường qua nguồn chênh lệch điện thế (trong trường hợp này là pin) từ cực dương trở lại cực âm.
Một ví dụ về mạch điện đơn giản, là khi kết nối một đèn với một pin khô. Dòng điện chạy từ cực âm (-) của pin, qua đèn (tải | load), đến cực dương (+). Hoạt động của pin cung cấp một đường tái tạo để duy trì dòng điện electron.
Miễn là đường dẫn điện này không bị gián đoạn tại bất kỳ điểm nào, nó sẽ tạo thành một mạch kín (close circuit) và dòng điện sẽ chảy qua. Nhưng nếu đường dẫn bị hỏng (bị đứt), mạch sẽ trở thành mạch hở (open circuit) và không có dòng điện chảy qua.
Chú Thích
- (Closed circuit): Mạch Điện Kín
- (Open circuit): Mạch Điện Hở
- (Power soucre): Nguồn điện
- (conductor): Dây dẫn điện
- (Load): Tải (“Tải” trong mạch điện là các thiết bị điện hoặc hệ thống điện sẽ tiêu thụ (sử dụng) năng lượng điện từ nguồn cung cấp, như đèn, máy móc hoặc các thiết bị điện khác)
Mạch DC và AC【DC and AC Circuits】
Trong lĩnh vực điện , chúng ta thường gặp cả hai loại dòng điện: dòng điện một chiều (gọi tắt là DC) và dòng điện xoay chiều (gọi tắt là AC). Trong mạch điện DC (dc circuit), dòng luôn chảy theo một hướng. Còn trong mạch điện AC (ac circuit), hướng dòng điện thay đổi theo chu kỳ; ở một thời điểm nào đó, nó chảy theo một hướng và ở thời điểm khác, nó chảy theo hướng ngược lại. Đối với điện AC 60 Hz, điều này có nghĩa là hướng dòng điện đổi chiều 60 lần (hoặc chu kỳ) mỗi giây.
Chú Thích
- (Direct current and alternating current): Dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều
- (In DC CIRCUITS the direction of current flow is CONSTANT): Trong mạch có dòng điện một chiều DC, hướng dòng điện không thay đổi
- (In AC CIRCUITS the direction of current flow REVERSES periodically): Trong mạch có dòng điện xoay chiều AC, hướng dòng điện thường đảo chiều theo chu kỳ (định kỳ).
- (DC power source): Nguồn điện một chiều (DC)
- (At given time): Tại một thời điểm cụ thể
- (At later time): Sau một khoảng thời gian sau (lúc sau)
- (Always flows in the same one direction): Luôn luôn chảy theo một hướng duy nhất
- (Flows in one direction in one instant, and in next instant in the other direction): Chảy theo một hướng trong một khoảnh khắc, và ở khoảnh khắc tiếp theo, chảy theo hướng khác
Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu về cách dòng điện một chiều hoạt động trong các mạch chỉ chứa điện trở (còn gọi là mạch điện trở | resistive circuits). Chúng ta sẽ sử dụng định luật Ohm và định luật Kirchhoff để phân tích và hiểu mối quan hệ giữa dòng điện, điện áp và điện trở. Điều quan trọng cần nhớ là những gì bạn học ở đây sẽ áp dụng trực tiếp vào các mạch điện xoay chiều trong các phần sau. Bằng cách giải thích đúng về dòng điện, điện áp và điện trở, kiến thức bạn học và hiểu được trong phần này về mạch điện một chiều sẽ giúp bạn hiểu được hoạt động của các mạch điện xoay chiều sau này. Do đó, quan trọng là bạn phải hiểu rõ các khái niệm trong mạch điện một chiều vì chúng là cơ sở cho sự hiểu biết về mạch điện xoay chiều trong tương lai của bạn.
Chú Thích
- (THE FUNCTION OF ELECTRIC CIRCUITS, AC or DC, is understood by the application of OHM’s and KIRCHOFF’s LAWS): Các Hoạt động (Chức năng) của mạch điện AC hoặc DC có thể được hiểu thông qua việc sử dụng các định luật của Ohm và Kirchhoff
- (Continuous): Liên tục
- (Periodic): Định kỳ (luôn luôn lặp đi lặp lại)
Mạch Điện【The Electric Circuit】
Để dễ hiểu khái niệm dòng điện chảy qua một mạch kín, bạn có thể tưởng tượng electron tạo thành dòng chuyển động quay quanh mạch hoàn chỉnh.
Dòng electron di chuyển này giữ mật độ không đổi trên toàn bộ chiều dài của nó. Số lượng electron đi vào mạch từ pin luôn bằng với số electron đi ra từ mạch đến pin.
Vì vậy, vào bất kỳ thời điểm nào, dây hoặc pin cũng không có số electron nhiều hoặc ít hơn so với khi mạch được kết nối ban đầu. Nếu mạch bị đứt đột ngột, dòng chảy của các electron sẽ dừng ngay lập tức; nhưng cả dây và pin vẫn giữ số electron như khi mạch được kết nối ban đầu. Sự khác biệt duy nhất là bây giờ dây giữ lại một số electron từ pin, trong khi pin đã lấy đi số electron tương đương từ dây.
Số electron di chuyển trong mạch phụ thuộc vào điện áp. Điện áp càng cao, dòng điện càng mạnh, và ngược lại.
Khi một loại điện trở nào được đưa vào mạch, nó sẽ có tác dụng hạn chế số lượng electron chạy qua và do đó làm giảm dòng điện. Bạn có thể thắc mắc điều gì hạn chế dòng điện đối với mạch pin và dây dẫn mà chúng ta đang xem xét. Vì tất cả các mạch đều có một chút điện trở nên dòng điện bị hạn chế bởi điện trở này.
Chú Thích
- (Little resistance in circuit higher current): Khi có ít điện trở trong mạch, dòng điện sẽ lớn hơn.
- (More resistance in circuit lower current): Khi có nhiều điện trở trong mạch, dòng điện sẽ nhỏ hơn
Một mạch vòng dây kín không phải lúc nào cũng tạo thành một mạch điện. Chỉ khi có nguồn điện (nguồn điện động EMF) là một phần của vòng mạch dây đó, thì mới tạo thành một mạch điện. Trong mạch điện, có dòng điện, điện áp và điện trở tồn tại khi electron di chuyển xung quanh vòng dây kín. Đường dẫn (đường đi) của dòng điện chính là mạch điện và điện trở trong mạch, điều khiển (kiểm soát) lượng dòng điện chảy quanh mạch.
Mạch điện một chiều bao gồm một pin và các thiết bị kết nối tạo thành tổng điện trở. Trong quá trình làm việc, bạn có thể thay đổi tổng tải của mạch bằng cách thay đổi các điện trở. Các điện trở này kiểm soát dòng điện và ảnh hưởng đến điện áp.
Có hai loại mạch cơ bản: mạch nối tiếp (series circuits) và mạch song song (parallel circuits). Dù mạch có phức tạp đến đâu, nó vẫn có thể phân rã chia thành các mạch nối tiếp hoặc mạch song song.
Chú Thích
- (A circuit has, load, voltage, current): Một mạch bao gồm có, (tải, nguồn điện, Dòng điện)
- (This is not a circuit): Đây không phải là một mạch điện, (vì thiếu nguồn điện và dòng điện)
- (A loop of wire has, resistance but no current no voltage): Một vòng dây có điện trở, nhưng không có dòng điện và không có điện áp
Trong những bài học trước đó, bạn đã biết rằng điện có thể được sử dụng để tạo ra áp lực “lực” (âm thanh), nhiệt, ánh sáng, tác động hóa học và từ tính (cho công suất cơ học | mechanical power). Trong mạch điện cơ bản, thiết bị chuyển đổi (biến đổi) năng lượng điện từ nguồn (emf) thành các chức năng hữu ích như nhiệt, ánh sáng, công suất cơ học và nhiều chức năng khác nữa.v.V, được gọi là tải (load). Tải không chỉ biến đổi năng lượng điện thành các mục đích sử dụng hữu ích mà còn có thể được sử dụng để điều chỉnh hoặc kiểm soát lượng năng lượng (điện) được cung cấp từ nguồn.
Chú Thích
- (Resistance in a circuit can be called the load… And can be represented by the symbol for resistance): Điện trở trong mạch có thể được gọi là phần tải… và có thể được biểu diễn bằng ký hiệu của điện trở
Tải【Load】
Một tải có thể là động cơ, đèn, điện thoại, lò sưởi, và nhiều thiết bị khác nữa. Số lượng điện năng mà nguồn cung cấp phụ thuộc vào loại tải. Do đó, khi nói về “tải”, nó đề cập đến năng lượng điện mà nguồn cung cấp. Ví dụ, khi thông báo rằng tải giảm hoặc tăng, điều đó có nghĩa là nguồn cung cấp ít hoặc nhiều năng lượng điện hơn. Hãy nhớ rằng “tải” có thể đề cập đến: (a) các thiết bị sử dụng nguồn điện và (b) năng lượng điện mà chúng lấy từ nguồn.
Công Tắc【Switches】
Công tắc là một thiết bị dùng để mở và đóng mạch điện hoặc một phần của mạch khi cần thiết. Bạn đã sử dụng công tắc trong đèn, đèn pin, radio, khởi động ô tô, và nhiều thiết bị khác suốt cuộc đời của mình. Khi làm việc với các thiết bị, bạn sẽ gặp phải nhiều loại công tắc khác nhau. Trong nghiên cứu về điện, bạn sẽ gặp và sử dụng nhiều loại công tắc khác nhau. Cần biết cách biểu diễn chúng trên sơ đồ nguyên lý. Công tắc đơn giản nhất là công tắc một cực (single-pole single-throw switch), đôi khi viết tắt là (SPST). Có các công tắc phức tạp hơn có thể chuyển đổi nhiều mạch cùng một lúc, gọi là công tắc đa cực (multipole single- throw switches). Và công tắc chuyển đổi giữa hai mạch được gọi là công tắc hai cực (double-pole single-throw switch), đôi khi viết tắt là (DPST). Trong một số trường hợp, một mạch điện được nối với một phần của mạch điện khác ở một vị trí của công tắc và với một phần khác của mạch ở vị trí công tắc khác. Chúng được gọi là công tắc ném đôi (double-throw switch), viết tắt là (DPDT). Có các ký hiệu đặc biệt cho các công tắc này trong sơ đồ mạch điện.
Mạch Điện Đơn Giản Được Kết Nối Thế Nào【Simple Circuit Connections】
Chỉ có các tải trong vòng mạch bên ngoài, giữa các cực của nguồn điện áp, mới được sử dụng để xác định loại mạch. Khi chỉ có một thiết bị, một nguồn điện áp và dây kết nối trong mạch, thì đó được gọi là mạch đơn giản (simple circuit). Ví dụ, một bóng đèn được kết nối trực tiếp qua các cực của một viên pin khô tạo thành một mạch điện đơn giản. Tương tự, nếu bạn kết nối một điện trở trực tiếp qua các cực của một viên pin khô, bạn cũng sẽ có một mạch điện đơn giản vì chỉ có một thiết bị được sử dụng.
Các mạch điện đơn giản có thể có các thiết bị khác được kết nối, nối tiếp với một bóng đèn, nhưng cách hoạt động của mạch vẫn không thay đổi trừ khi sử dụng nhiều hơn một thiết bị tải. Một công tắc và một ampe kế được thêm vào nối tiếp với đèn không làm thay đổi loại mạch vì chúng có trở kháng (điện trở) rất nhỏ (thực tế là không có), và do đó, chúng không được xem là các thiết bị tải bổ sung (additional loads).
Bất cứ khi nào bạn sử dụng nhiều tải trong cùng một mạch, chúng sẽ được kết nối để tạo thành mạch nối tiếp (series circuit) hoặc mạch song song (parallel circuit) hoặc mạch kết hợp nối tiếp-song song (series-parallel circuit).
Tóm Tắt Đánh Giá Lại Về Mạch Điện【Review of Electric Circuits】
- Mạch điện (ELECTRIC CIRCUIT) – Kết hợp giữa nguồn điện và dây dẫn cho electron di chuyển liên tục.
- Mạch kín (CLOSED CIRCUIT) – Mạch có đường đi không bị đứt, cho phép dòng điện chảy
- Điện trở nhỏ (RESISTANCE, SMALL) – Khi điện trở nhỏ, dòng điện lớn chảy
- Điện trở lớn (RESISTANCE, LARGE) – Khi điện trở lớn, dòng điện chảy qua sẽ ít hơn
- Công tắc (SWITCHES) – là thiết bị mở và đóng mạch điện, điều này điều khiển dòng điện
- Tải (LOAD) – là thiết bị sử dụng điện để thực hiện một số (mục đích, nhiệm vụ) chức năng nào đó