Mạch Nối Tiếp【The Series Circuit】
Trong mạch nối tiếp, bạn kết nối hai hoặc nhiều điện trở, theo dạng nối tiếp nhau trong một mạch, sao cho chỉ có một con đường cho dòng điện chạy qua.
Bạn đã quen với việc kết nối pin (ô pin, tế bào pin, pin | cell) thành chuỗi nối tiếp để tạo ra một cục pin (battery). Việc kết nối các điện trở nối tiếp, để tạo thành một mạch nối tiếp còn đơn giản hơn nhiều. Điều này vì điện trở (khác với pin “cell” ) là điện trở nó không có cực tính, vì vậy bạn không cần phải lo lắng về việc kết nối hai cực dương hoặc hai cực âm với nhau.
Chú Thích
- (Cells in series): Các viên pin được kết nối liên tiếp
- (Resistors in series): Điện trở được kết nối liên tiếp
- (Series connections): Kết nối nối tiếp
Chú ý rằng nếu bạn nối một chân của một ổ đèn với một chân trên ổ đèn khác, để lại một chân trống trên mỗi ổ, các đèn đặt trong những ổ này sẽ nối theo chuỗi nối tiếp nhưng bạn sẽ không có một mạch nối tiếp. Để tạo thành mạch nối tiếp hoàn chỉnh, bạn cần nối các đèn với một nguồn điện như pin, sử dụng các chân trống để hoàn thiện mạch.
Chú Thích
- (Series-Connected Lamps): Đèn được kết nối nối tiếp
- (A complete series circuit): Một mạch nối tiếp hoàn chỉnh
- (series circuits): Mạch nối tiếp
Bạn có thể sử dụng bất kỳ số lượng bóng đèn, điện trở hoặc các thiết bị khác có trở kháng (điện trở) để tạo thành một mạch nối tiếp, miễn là chúng được kết nối từ đầu đến cuối qua các cực của nguồn điện và chỉ tạo ra một con đường cho dòng điện chảy giữa các cực này.
Điện Trở Trong Mạch Nối Tiếp【Resistance in Series Circuits】
Điều quan trọng là nhớ rằng giá trị của các điện trở kết nối nối tiếp sẽ được cộng lại.
Bạn đã biết rằng điện trở của một dây dẫn sẽ tăng khi chiều dài của nó tăng. Vì vậy, nếu bạn nối một đoạn dây với một đoạn dây khác, điện trở của cả hai đoạn dây sẽ bằng tổng của điện trở của từng đoạn (đoạn dây gốc).
Ví dụ, nếu bạn nối hai đoạn dây – một có điện trở là 4 ohm và một có điện trở là 5 ohm, tổng điện trở của chúng khi được kết nối lại sẽ là 9 ohm. Tương tự, khi bạn kết nối các điện trở khác nhau nối tiếp, tổng điện trở sẽ luôn bằng tổng của các điện trở riêng lẻ.
Khi bạn có nhiều thiết bị hoặc đại lượng giống nhau trong mạch điện, bạn cần cách để nhận biết từng cái. Ví dụ, nếu trong mạch có ba cái điện trở với giá trị khác nhau, bạn cần cách để phân biệt chúng.
Để làm điều này, chúng ta sử dụng một hệ thống đánh số. Sau ký hiệu của từng thiết bị hoặc đại lượng, chúng ta thêm một số nhận dạng. Trên sơ đồ mạch hiện đại, số này được viết trên đường dây. Ví dụ, R1 giống R. R1, R2, R3 chỉ ra từng cái điện trở cụ thể. Tương tự, E1, E2, E3 chỉ ra giá trị điện áp cụ thể trong mạch.
Chú Thích
- (Subscripts identify currents, voltages, and resistances): Chữ dưới (subscripts) giúp nhận diện dòng điện, điện áp và điện trở (Khi viết các ký hiệu trong mạch điện, việc sử dụng chữ dưới (subscripts) giúp phân biệt các yếu tố như dòng điện, điện áp và điện trở. Chẳng hạn, nếu có hai điện trở, bạn có thể đặt chúng là R₁ và R₂ để phân biệt giữa chúng).
Một chữ cái dưới (subscript) nhỏ “t” thường được sử dụng để chỉ tổng điện trở (Rt) của một mạch nối tiếp trong đó có hai hoặc nhiều điện trở riêng lẻ. Bạn biết rằng tổng điện trở của mạch nối tiếp bằng tổng các điện trở riêng lẻ trong mạch. Nói cách khác, Bạn sẽ thấy rằng chữ dưới (subscript) “t” cũng được sử dụng để biểu diễn tổng của một số dòng điện (I_t), hoặc của một số điện áp (E_t), được hiển thị trong cùng một mạch. Việc tìm tổng điện trở trong một mạch nối tiếp rất đơn giản, chỉ cần một ví dụ và hai bài tập thực hành là đủ.
Ví Dụ
0.Tìm tổng điện trở của mạch được minh họa ở dưới đây:
Đầu tiên, chú ý rằng biểu tượng “Ω” (đơn vị ohm) đã bị bỏ qua ở các giá trị 470 và 120. Thông thường, điều này được thực hiện trong sơ đồ mạch để tiết kiệm không gian, khi ý nghĩa của các con số này là rõ ràng mà không cần phải có biểu tượng “Ω”. Bây giờ, hãy viết công thức của bạn:
Rt =R1+R2+R3+R4
= 1K + 470 + 3.3K + 120
= 1000 + 470 + 3 ,300+120 ohms
= 4,890 ohms
1.Tính tổng điện trở của một mạch là bao nhiêu?, trong đó có ba điện trở nối tiếp có giá trị lần lượt là 220 ohm, 680 ohm và 1 kilohm.
2.Trong một mạch nối tiếp có tổng điện trở là 67 ohm, giá trị của R4 là bao nhiêu? nếu R1 = 10, R2 = 15 và R3 = 27.
Dòng Điện Trong Mạch Nối Tiếp【Current Flow in Series Circuits】
Bạn đã biết rằng trong một mạch nối tiếp chỉ có một con đường cho dòng điện chảy, và điều này có nghĩa là tất cả dòng điện phải chảy qua từng thành phần (component) trong mạch. Nếu bạn kết nối một ampe kế vào một trong hai đầu của mỗi điện trở trong một mạch nối tiếp, nó sẽ chỉ ra rằng một lượng dòng điện giống nhau đang chảy qua từng thành phần (component) trong mạch.
Điều này không làm bạn ngạc nhiên nếu bạn nhớ rằng dòng điện giống như các electron di chuyển xung quanh mạch đã hoàn chỉnh. Đây là điều quan trọng cần hiểu trước khi áp dụng Định luật Ohm vào một mạch nối tiếp.
Chú Thích
- (In a series circuit): Trong một mạch nối tiếp
- (The same current flows through every part of the circuit): Dòng điện giống nhau chảy qua mỗi phần của mạch
Lưu ý, một hậu quả thực tế quan trọng của nguyên lý được minh họa ở trên. Sự thật rằng toàn bộ dòng điện mạch phải chạy qua mọi phần của mạch nối tiếp có nghĩa là mọi linh kiện (thành phần) được kết nối vào một mạch như vậy phải có khả năng chịu được dòng điện sẽ chảy qua mạch mà không bị hỏng.
Ví dụ, khi bạn kết nối các đèn vào mạch nối tiếp, tất cả các đèn đều cần đảm bảo có khả năng chịu được toàn bộ dòng điện mạch. Nếu không, chúng có thể sáng rất sáng hoặc bị hỏng do dòng điện quá mức chảy qua.
Quan trọng phải nhớ rằng tình huống tương tự có thể xảy ra nếu mạch, thay vì chứa đèn, chứa các điện trở. Việc chập điện của chúng có thể gây ra những vấn đề bất tiện hoặc chi phí cao hơn. Một điện trở cần vượt qua dòng điện định mức sẽ trở nên rất nóng. Cuối cùng, nó sẽ hỏng hoàn toàn và trở thành một mạch hở.
Điện Áp Trong Mạch Nối Tiếp-Định Luật Thứ Hai Của Kirchhoff【Voltages in Series Circuits-Kirchhoff’s Second Law】
Bạn biết rằng khi một điện áp làm dịch chuyển các electron qua điện trở, một số (một phần) sức điện động emf có sẵn đã được sử dụng hết (hay bị tiêu hao). Sự mất mát (tiêu hao) sức điện động emf như vậy được gọi là sự sụt giảm điện thế (potential drop) hoặc sụt áp (voltage drop) trên điện trở đó. Bây giờ bạn sẽ tìm hiểu sự sụt giảm điện áp này được phân bổ như thế nào giữa một số điện trở có giá trị bằng nhau mắc nối tiếp. Nối ba điện trở có giá trị bằng nhau nối tiếp qua một cục pin 6 volt và chạm vôn kế vào các điểm như minh họa trong sơ đồ bên dưới. Vì dòng điện đi qua mỗi điện trở bằng nhau là như nhau, nên năng lượng tiêu hao để đẩy lượng dòng điện bằng nhau này qua từng điện trở riêng lẻ cũng phải giống nhau.
Nói một cách đơn giản, điện áp qua mỗi điện trở trong hình trên là 2 volt. Điện áp rơi qua R1 sẽ đọc trên vôn kế là 2 volt; khi kết hợp R1 và R2, điện áp rơi sẽ là 4 volt; và qua R1, R2 và R3 (toàn bộ mạch) sẽ là 6 volt. Nếu bạn tổng hợp các điện áp rơi trên cả ba điện trở, bạn sẽ có chính xác điện áp nguồn ban đầu (6 volt).
Thực tế quan trọng này được nhà vật lý người Đức Kirchhoff (1824-1887) trình bày trong Định luật thứ hai của ông. Định luật này nói rằng: Tổng điện áp rơi qua các điện trở trong mạch kín bằng tổng điện áp được áp dụng (được đặt) vào mạch.
Định Luật Ohm Trong Mạch Nối Tiếp【Ohm’s Law in Series Circuits】
Bây giờ bạn đã biết ba điều quan trọng về một mạch nối tiếp:
- Dòng điện chảy qua mạch đó ở mọi nơi đều giống nhau. Điều này có thể được biểu diễn bằng phương trình: I_{t} = I_{1} = I_{2} = I_{3},V.v và cứ như vậy.
- Tổng điện trở của mạch, bằng tổng của các điện trở riêng lẻ trong mạch. Điều này có thể được biểu diễn bằng phương trình: R_{t} = R_{1} + R_{2} + R_{3}, V.v và cứ như vậy.
- Khi cộng các sụt áp trong mạch nối tiếp lại với nhau, tổng giá trị của chúng bằng tổng điện áp đặt vào (Định luật Kirchhoff). Điều này được biểu diễn bằng phương trình E_{t} =E1+E2+E3, V.v và cứ thế.
Ba sự thật này, cùng với Luật Ohm, sẽ giúp bạn xác định giá trị của mạch hoàn chỉnh hoặc một phần của mạch trong những trường hợp thường xuyên khi bạn không có thiết bị đo chính xác hoặc không thể sử dụng đồng hồ đo trực tiếp khi xây dựng mạch điện.
Một cách tiện lợi phát sinh từ phương trình R_{t} = R_{1} + R_{2} + R_{3},vv. Nhìn vào hai mạch dưới đây, bạn sẽ thấy rằng phương trình bên phải dễ hiểu hơn phương trình bên trái.
Bạn có thể nhanh chóng tìm ra yếu tố còn thiếu – dòng điện chạy qua một trong hai mạch bằng cách sử dụng Định luật Ohm và sự thật đã biết rằng E = 6 và R = 12. Phương trình bạn cần là (đặt ngón tay cái lên chữ I trong tam giác công thức kỳ diệu!) I = E/R = 6/12 = 0,5 ampe Luôn chú ý để đơn giản hóa các điện trở trong mạch nối tiếp thành một điện trở duy nhất của mạch tương đương (equivalent circuit).
Luật Ohm có thể được áp dụng trong các mạch nối tiếp, cả cho cả mạch hoàn chỉnh và từng phần riêng lẻ của mạch. Kết hợp với Định luật thứ hai của Kirchhoff, nó giúp bạn tính toán để tìm ra nhiều giá trị còn thiếu trong một mạch nối tiếp như sau:
Giả sử có một mạch chứa ba điện trở nối tiếp được kết nối trên 100 volt; dòng điện trong mạch là 2 ampe. Hai trong số các điện trở (gọi là R1 và R2) có giá trị đã biết là 5 và 10 ohm, tương ứng. Bạn muốn biết tổng điện trở của mạch, giá trị của điện trở thứ ba, R3, và điện áp rơi qua mỗi trong ba điện trở. Đầu tiên, hãy vẽ sơ đồ mạch trên giấy. Điền vào các giá trị bạn đã biết, để trống đối diện với những giá trị bạn chưa biết.
Bây giờ, để điền vào các giá trị còn thiếu. Giá trị đầu tiên và rõ ràng nhất là dòng điện. Bạn biết rằng I_{t} = I1 = I_{2} = I_{3} … Bạn hoàn toàn có thể điền giá trị 2 ampe cho I mỗi khi nó xuất hiện trên bản phác thảo của bạn.
Tiếp theo, hãy xem nhóm số bên trái của bản phác thảo của bạn. Tìm giá trị của R_{1} bây giờ chỉ là một bài tập đơn giản với Định luật Ohm. Với ngón tay ở R trong tam giác công thức ma thuật, bạn có:
R_{t} = E_{t}/I_{t} = 100/2 = 50 ohm
Bây giờ bạn biết tổng điện trở của mạch là 50 ohm, bạn có thể dễ dàng điền vào phần còn thiếu trong phương trình:
R_{t} (50Ω) = R_{1} (5Ω) + R_{2} (10Ω) + R_{3} (?)
Viết lại phương trình thành R_{3} = R_{t} – R_{1} – R_{2}, bạn sẽ được
R_{3} = 50 – 5 – 10 = 35Ω
Điền giá trị này vào bản phác họa của bạn và hãy xem xét những gì bạn biết về điện trở R_{1} Bạn biết giá trị của nó là 5 ohm, và dòng điện chạy qua nó là 2 ampe. Định luật Ohm sẽ cho bạn biết điện áp rơi qua nó. Vì vậy, đặt ngón tay cái vào E và
E_{1} = I_{1} x R_{1} =2 x 5 = 10v
Thực hiện tương tự cho E2, và bạn sẽ nhận được
E_{2} = I_{2} x R_{2} =2 x 10 = 20v
Điền cả hai giá trị này vào bản phác thảo của bạn, và chỉ còn một khoảng trống duy nhất trong danh sách các giá trị của mạch là E3.
Giá trị cuối cùng này có thể được tính theo hai cách khác nhau. Hãy sử dụng cả hai phương pháp, vì chúng không chỉ giúp kiểm tra lẫn nhau một cách hữu ích, mà còn chứng minh rằng Định luật Ohm và Định luật thứ hai Kirchhoff hoạt động chính xác! Đầu tiên, định luật Ohm cho biết rằng.
E_{3} = I_{3} x R_{3} = 2 x 35 = 70v
Sau đó, Định luật thứ hai của Kirchhoff cho biết rằng E_{t} = E_{1} + E_{2} + E_{3} Chuyển vế, bạn được
E_{3} = E_{t} – E_{1} – E_{2} = 100 – 10 – 20 = 70v
Thực hành giúp bạn trở nên thành thạo và việc bạn hiểu rõ cách sử dụng Định luật Ohm trong giải các mạch nối tiếp quan trọng đến mức bạn nên làm bài tập sau đây
Ví Dụ
Trong một mạch điện như hình dưới đây, bạn đo được một sụt áp là 5 volts qua R1; nhưng bạn không thể đặt dây vôn kế qua R2 và R3.
Hãy tính điện áp rơi qua R2 và R3. Tổng điện áp được áp dụng (áp đặt) giữa các điểm A-B là bao nhiêu? Bạn đã biết hai thông tin về R1 – giá trị của nó và điện áp rơi qua nó. Vì vậy, bạn có thể sử dụng Định luật Ohm để tính dòng điện chảy qua nó.
I = E/R = 5/10 = 1/2A
Khi đã biết dòng điện ở bất kỳ nơi nào trong mạch nối tiếp, bạn tự động biết dòng điện ở mọi nơi trong mạch; vì vậy bạn có thể dễ dàng tính được E2 như là
E_{2} = I_{2} x R_{2} = 1/2 x 20 = 10v
E_{3} = I_{3} x R_{3} = 1/2 x 60 = 30v
Bạn đã tính được sụt áp qua E2 và E3 là 10 và 30 volt, tương ứng, và bạn đã biết sụt áp qua E1 là 5 volt. Định luật của Kirchhoff nói rằng điện áp được áp dụng trên điện trở mạch là tổng của các sụt áp qua các điện trở riêng lẻ; do đó,
E_{t} = E_{1} + E_{2} + E_{3} = 5 + 10 + 30 = 45v
Chia Điện Áp Trong Mạch Nối Tiếp【Voltage Division in the Series Circuit】
Trong mạch nối tiếp, đôi khi bạn muốn lấy dòng điện ở điểm nào đó ở mức điện áp thấp hơn so với điện áp ban đầu. Một mạch phổ biến dùng cho việc này được gọi là bộ chia điện áp (bộ phân áp | voltage divider), như được minh họa trong sơ đồ dưới đây.
Giả sử trong mạch này, điện áp đầu vào (gọi là Ein) là 100 volt, và giá trị của R1 và R2 lần lượt là 10 và 15 ohm. Khi đó, bạn có thể mong đợi một khoảng giảm điện áp như thế nào qua R2? (Lưu ý rằng điện áp này được gọi là Eout. Có thể sẽ cần cho điện áp đầu vào của mạch khác, trong đó, tất nhiên, nó sẽ trở thành Ein một lần nữa.)
Trong mạch này, bạn biết rằng tổng điện trở là 10 + 15 = 25 ohm. Bạn cũng biết rằng điện áp của mạch là 100 volt; vì vậy bạn có thể sử dụng Định luật Ohm để tính dòng điện trong mạch.
I = E_{in}/R_{t} =100/25 = 4A
Bây giờ hãy nhìn vào R2. Bạn biết rằng giá trị của nó là 15 ohm, và bạn vừa tính được rằng dòng điện đi qua nó là 4 ampe (hãy nhớ rằng dòng điện ở bất kỳ đâu cũng giống nhau trong một mạch nối tiếp). Do đó, bạn có:
E_{out} = I x R = 4 x 15 = 60v
Chú ý rằng bằng cách chọn các giá trị điện trở phù hợp trong chuỗi phân chia điện áp, một điện áp đầu vào là 100 volt đã được giảm xuống còn 60 volt ở điện áp đầu ra. Và Định luật Ohm đã giúp bạn tính toán trước rằng điều này sẽ xảy ra.
Từ những gì bạn đã học được, có thể dễ dàng tạo ra một công thức tính điện áp đầu ra của chuỗi phân chia điện áp (voltage divider chain), áp dụng cho một mạch chứa một cặp điện trở có giá trị bất kỳ.
Bạn có thể thấy tổng trở của mạch là R_{1} + R_{2} và Định luật Ohm cho biết rằng dòng điện trong mạch là E_{in}/R_{1}+R_{2}. Vì đây cũng là dòng điện qua R_{2}, nên Định luật Ohm (E_{out} = I x R_{2}) cho phương trình là:
Để diễn giải phương trình thành lời: Điện áp qua bất kỳ điện trở nào trong một chuỗi phân chia điện áp (voltage divider chain), có thể được tính bằng cách, nhân giá trị của điện trở đó với điện áp đầu vào chia cho tổng trở của mạch.
Biến Trở【Variable Resistors】
Có thể điều chỉnh giá trị của điện trở trong mạch theo ý muốn thường rất thuận tiện. (Bạn thường tự làm điều đó khi điều chỉnh âm lượng trên đài của mình!) Một cách phổ biến để làm cho điện trở có thể điều chỉnh như vậy là sử dụng một tay trượt được làm bằng vật liệu dẫn điện tốt, cho phép nó di chuyển dọc theo chiều dài của điện trở. Sau đó, điện trở được kết nối vào mạch với một đầu của nó gắn chặt vào tay trượt. Bằng cách di chuyển tay trượt này dọc theo điện trở, giá trị của điện trở có thể thay đổi theo ý muốn giữa mức tối đa và tối thiểu (không).
Khi một điện trở có thể điều chỉnh được sử dụng như vậy, nó được gọi là biến trở (rheostat). Thường được sử dụng để kiểm soát dòng điện trong mạch.
Chú Thích
- (Sliding arm): Cần di chuyển (thanh trượt)
- (Maximum value of resistance): Giá trị tối đa của điện trở
- (Minimum value of resistance): Giá trị nhỏ nhất (bằng không) của điện trở
- (Alternative symbols for the variable resistor): Các biểu tượng khác cho biến trở
Biến trở có thể có hai hoặc ba kết nối mạch. Trong sơ đồ dưới đây, A và C luôn được kết nối, nhưng B có thể được kết nối hoặc không tùy ý.
Đây là hình dạng của biến trở hai chân (two-terminal) và ba chân (three-terminal), khi được kết nối như biến trở điều chỉnh dòng điện. Sơ đồ mạch của mỗi loại được hiển thị bên dưới.
Một điện trở ba cực trong đó cả ba cực được nối vào mạch điện là một chiết áp (biến trở | potentiometer). Nó được sử dụng để điều khiển điện áp mạch (control circuit voltage).
Sơ đồ mạch của chiết áp (biến trở | potentiometer) thực sự không khác gì sơ đồ mạch chia điện áp (voltage divider chain). R1-R2 là một điện trở đơn, được chia hiệu quả bởi cánh tay trượt C, chuyển động của nó làm thay đổi giá trị tương đối của R1 và R2.
Điện áp đầu ra có thể thay đổi từ 0 (khi C giảm xuống sao cho R2=0) đến điện áp toàn mạch (khi C được tăng lên đến mức R1 = 0).
Các biến trở, giống như các điện trở cố định, có thể được làm từ vật liệu carbon hoặc dây cuộn, tùy thuộc vào lượng dòng điện cần kiểm soát – dây cuộn cho dòng điện lớn và carbon cho dòng điện nhỏ.
Các biến trở dạng dây cuộn (Wire-wound variable resistors) được làm bằng cách cuộn dây điện trở trên một khung hình tròn làm từ sứ (porcelain) hoặc nhựa Bakelite, có một cánh tay tiếp xúc có thể điều chỉnh được bằng cách quay trục. Sau đó, một dây dẫn được kết nối với điểm tiếp xúc di động này có thể được sử dụng, với một hoặc cả hai dây dẫn cuối, để thay đổi điện trở được sử dụng.
Để điều khiển các dòng điện nhỏ, các biến trở carbon được tạo ra bằng cách phủ một chất carbon lên một đĩa sợi (fiber disk). Một tiếp xúc trên một núm xoay có thể di chuyển được được sử dụng để thay đổi điện trở khi núm xoay được quay.
Mạch mở – Thí nghiệm/Ứng dụng【Experiment/Application-Open】
Bạn đã biết rằng để dòng điện đi qua mạch điện cần có một đường dẫn khép kín (vòng hoàn chỉnh). Bất kỳ sự đứt gãy nào trên đường dẫn kín đều gây ra hở mạch và làm dừng dòng điện. Mỗi lần bạn mở một công tắc, bạn đang gây ra hiện tượng hở mạch. Bất cứ điều gì gây ra hở mạch, ngoài việc thực sự mở công tắc, đều cản trở hoạt động bình thường của mạch và phải được sửa chữa. Hở mạch có thể do kết nối lỏng, điện trở hoặc dây tóc đèn bị cháy, mối hàn kém hoặc tiếp điểm lỏng hoặc dây bị đứt
Chú Thích
- (Open circuits can be caused by loose connections, burned-out resistors or lamp filament, loose contacts, broken wire): Mạch mở (hở) có thể do các nguyên nhân như: Kết nối lỏng, Điện trở hoặc dây tóc đèn bị cháy, Tiếp điểm lỏng, dây bị đứt
Những sự cố này thường có thể nhìn thấy được, và bạn có thể gặp một hoặc nhiều sự cố như vậy trong công việc của bạn. Trong một số trường hợp, không thể nhìn thấy được nguyên nhân của một mạch mở. Trong trường hợp đó, bạn có thể sử dụng một bộ đo ohm kế hoặc đèn kiểm tra để tìm ra nguyên nhân của vấn đề.
Giả sử bạn có năm viên pin khô, một công tắc cầu dao và ba ổ cắm đèn được kết nối nối tiếp. Bạn đặt ba đèn có điện áp 2,5 volt và dòng 0,75 ampe vào các ổ cắm. Khi bạn bật công tắc, các đèn sáng bình thường. Nhưng nếu bạn nới lỏng một trong các đèn, tất cả chúng sẽ tắt, cho thấy có một mạch bị hở. (Việc nới lỏng đèn mô phỏng tương đương, với việc dây tóc bên trong đèn bị cháy hoặc bị hở hoặc hỏng).
Chú Thích
- (Creating an “open” loosen one lamp…they all go out): Tạo ra tình trạng “Mở”: Nếu nới lỏng một đèn… tất cả đều tắt
Để xác định vị trí hở bằng ôm kế (ohmmeter), trước tiên bạn cần tắt công tắc cầu dao để ngắt kết nối nguồn điện, vì ôm kế (ohmmeter) không thể sử dụng khi mạch có nguồn điện. Sau đó, đặt đầu dò kiểm tra của ôm kế (ohmmeter) qua từng thành phần (thiết bị) trong mạch – điển hình là ba bóng đèn trong trường hợp này. Bạn sẽ thấy rằng đối với hai bóng đèn, ôm kế (ohmmeter) chỉ ra một điện trở khoảng 4 ohm; nhưng đối với bóng đèn bị lỏng, ôm kế (ohmmeter) chỉ ra điện trở khoảng vô cùng. Vì mạch hở không cho phép dòng điện chảy qua, nên điện trở của nó phải là vô cùng. Để kiểm tra mạch hở bằng ôm kế (ohmmeter), bạn cần tìm ra thành phần trong mạch có điện trở là khoảng vô cùng. Hãy nhớ, trên ôm kế (ohmmeter), 0 ohm (không có điện trở) ở phía bên phải và vô cùng (vô cực) ở phía bên trái.
Chú Thích
- (Using the ohmmeter to test for an “Open”): Sử dụng ohmmeter để kiểm tra mạch (hay điểm) bị “mở”
- (Good buld – resistance about 4 Ω): Bóng đèn tốt – điện trở khoảng 4 Ω
- (Open-infinite resistance): “Mở (hở)” – điện trở vô hạn (điện trở vô cực)
Phương pháp thứ hai được sử dụng để xác định vị trí của một mạch hở là kiểm tra mạch bằng một bóng đèn thử. Một bóng đèn thử, có thể được thiết lập bằng cách gắn dây dẫn vào các cực của một ổ cắm đèn và lắp một bóng đèn 2,5 volt. Nếu sau đó bạn đóng công tắc mạch và chạm dây dẫn của bóng đèn thử, qua mỗi bóng đèn trong mạch, bóng đèn thử sẽ không sáng cho đến khi chạm vào các cực của bóng đèn bị lỏng. Bóng đèn thử sau đó sáng lên, cho bạn biết rằng bạn đã tìm thấy vị trí của mạch hở.
Chú Thích
- (Finding an “Open” with a test lamp”: Tìm một “điểm hở, mạch hở” bằng đèn thử
- (Open circuit-no light): Mạch hở – không sáng (mạch không kín – không có ánh sáng đèn)
- (Test lamp doesn’t light across good lamps): Đèn thử không sáng, khi đặt qua các đèn còn tốt
- (Test lamp lights across loosened lamp): Đèn thử sáng khi đặt qua đèn bị nới lỏng
Đèn thử hoàn thành mạch (tạo mạch hoàn chỉnh) và cho phép dòng điện chảy, bỏ qua vị trí hở. (Điều này cũng làm cho các đèn khác sáng lên vì hở mạch đang được bỏ qua.) Bạn thường sử dụng phương pháp này để phát hiện ra những sự hở mạch không thể nhìn thấy.
Mạch Ngắn (Đoản Mạch) – Thí nghiệm/Ứng dụng【Experiment/Application-Short Circuits】
Trong thí nghiệm trước, bạn đã thấy rằng một mạch mở có thể ngăn dòng điện chảy bằng cách làm đứt đường dẫn đóng giữa các cực của nguồn điện. Giờ bạn sẽ thấy hiệu ứng ngược lại – khi một đoản mạch tạo ra một đường dẫn ngắn có điện trở thấp, dẫn đến việc có dòng điện lớn hơn bình thường chảy qua.
Đoản mạch xảy ra khi điện trở của mạch hoặc một phần của mạch giảm từ giá trị bình thường xuống một giá trị điện trở thấp hoặc bằng 0. Điều này xảy ra khi hai cực của một điện trở trong mạch được kết nối trực tiếp, các dây dẫn nguồn điện áp tiếp xúc với nhau, hai dây dẫn không cách điện chạm vào nhau hoặc mạch được nối dây không đúng cách.
Chú Thích
- (A short occurs when…): Đoản mạch xảy ra khi
- (…Resistance terminals are directly connected): …Các cực điện trở được kết nối trực tiếp
- (…Battery leads conntact each other): …Các cực của pin tiếp xúc với nhau (…các đầu dây dẫn của pin chạm vào nhau)
- (…Two bare wires touch): …hai dây không có lớp cách điện tiếp xúc chạm vào nhau
- (…The wiring is improper): …Cách kết nối dây không đúng
Các đoản mạch này được gọi là đoản mạch bên ngoài (external shorts) và thường có thể được phát hiện thông qua kiểm tra bằng mắt.
Khi có đoản mạch xảy ra trong một mạch đơn giản, điện trở của mạch giảm xuống rất thấp, làm cho dòng điện chảy qua trở nên rất lớn.
Chú Thích
- (The effect of a short on current flow): Tác động của đoản mạch lên dòng điện chảy
- (Normal current flow): Luồng dòng điện bình thường
- (Very large current flow): Luồng dòng điện rất lớn
- (short): Đoản mạch (ngắn mạch)
- (Normal resistance): trở kháng (điện trở) bình thường
- (Very small resistance): Trở kháng (điện trở) rất nhỏ hoặc gần như không có điện trở
Trong một mạch nối tiếp, khi có đoản mạch xuất hiện ở một hoặc nhiều phần của mạch, điều này làm giảm điện trở tổng của mạch và dòng điện tăng lên, có thể làm hỏng các thành phần khác trong mạch.
Chú Thích
- (Shorted Circuit, results in greater than normal current): Mạch bị đoản mạch, dẫn đến dòng điện lớn hơn bình thường
- (normal current): Dòng điện bình thường
- (Excessive current): Dòng điện quá mức
Thường thì, để ngăn chặn dòng điện quá mức, mạch điện sẽ có một loại bảo vệ gọi là cầu chì, nhưng quan trọng là bạn phải hiểu tại sao và những gì sẽ xảy ra khi có sự cố ngắn mạch. Điều này giúp bạn tránh gây chập mạch một cách vô tình và làm hỏng các thiết bị, đồng hồ đo hoặc các linh kiện khác.
Một lần nữa, giả sử bạn kết nối ba viên pin nối tiếp với một ampe kế có dải từ 0 đến 1 ampere và ba ổ cắm đèn. Sau đó, bạn lắp ba bóng đèn 2,5 volt, 0,75 ampe vào các ổ cắm và đóng công tắc. Bạn sẽ thấy các bóng đèn sáng đều nhưng rất mờ vì điện áp chỉ là 6 volt và ampe kế chỉ ra dòng điện là khoảng 0,5 ampere.
Chú Thích
- (A normal series circuit): Một mạch nối tiếp bình thường
- (A normal circuit gives normal current): Một mạch bình thường cho dòng điện bình thường
Bây giờ, giả sử bạn chạm hai đầu của một dây dẫn cách điện vào các cực của một trong các bóng đèn, tạo ra một đoản mạch dòng điện xung quanh bóng đèn đó. Khi đó, bạn sẽ thấy đèn tắt, hai đèn còn lại sáng hơn và ampe kế cho thấy cường độ dòng điện tăng lên khoảng 0,6 ampe. Nếu bạn di chuyển dây dẫn để rút ngắn hai trong số các đèn, bạn sẽ thấy cả hai đèn đều tắt, đèn thứ ba trở nên rất sáng và dòng điện tăng lên khoảng 0,9 ampe. Vì đèn chỉ có dòng điện định mức 0,75 ampe nên dòng điện quá mức này sẽ sớm làm cháy dây tóc.
Chú Thích
- (Seeing the effect of a short in a series circuit): Quan sát hiện tượng khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trong một mạch nối tiếp
- (High current results in an overloaded lamp): Dòng điện lớn khiến bóng đèn bị quá tải
Nếu bạn ngắn mạch tất cả ba bóng đèn, sự thiếu điện trở của mạch sẽ làm cho một lượng lớn dòng điện chảy qua, làm hỏng ampe kế.
Điện trở mạch nối tiếp – Thí nghiệm/Ứng dụng【Experiment/Application-Series Circuit Resistance】
Bạn có thể thấy được tác động của việc kết nối các đèn nối tiếp bằng cách đo điện trở của từng chiếc đèn một cách riêng biệt, và sau đó đo tổng điện trở khi chúng được kết nối nối tiếp. Giả sử bạn nối ba ổ cắm đèn thành một chuỗi nối tiếp và gắn một đèn 6 volt, dòng 0,5 ampe vào mỗi ổ cắm. Bằng cách sử dụng một dụng cụ đo điện trở để đo điện trở của từng đèn, bạn sẽ thấy rằng mỗi đèn có điện trở khoảng 12 ohm.
Tiếp theo, nếu bạn đo điện trở của ba đèn nối tiếp, bạn sẽ thấy tổng điện trở khoảng 36 ohm. Do đó, tổng điện trở của các điện trở nối tiếp bằng tổng của tất cả các điện trở riêng lẻ.
Bây giờ, giả sử bạn sắp xếp bốn viên pin khô nối tiếp để tạo ra một pin 6 volt làm nguồn điện. Kết nối pin, một ổ cắm đèn, một ampe kế 0-1 và một công tắc nối tiếp; sau đó kết nối một vôn kế 0-10 volt qua pin (xem hình minh họa dưới đây). Bạn sẽ thấy vôn kế chỉ đọc được 6 volt. Nếu bạn cắm một bóng đèn 6 volt, 0,5 ampe vào ổ cắm và đóng công tắc, ampe kế sẽ ghi lại dòng điện khoảng 0,5 ampe và đèn sẽ sáng bình thường. Nếu bây giờ bạn nối vôn kế trực tiếp vào đèn, thay vì nối qua pin, bạn sẽ thấy điện áp trên đèn là 6 volt.
Chú Thích
- (SIngle lamp – normal current): Bóng đèn đơn – Dòng điện thông thường
- (6- volt lamp – normal brightness): Đèn 6 volt sáng bình thường
Tiếp theo, giả sử bạn thay đổi ổ cắm đơn bằng ba ổ cắm nối tiếp và đặt ba đèn 6 volt, 0,5 ampe vào mỗi ổ cắm. Bây giờ đèn sẽ sáng yếu hơn bình thường và chỉ số trên ampe kế chỉ khoảng 1/3 so với trước. Vôn kế đo trên toàn bộ mạch là 6 volt, và trên mỗi đèn là 2 volt. Vì điện áp từ pin là không đổi, nhưng dòng điện giảm nên điện trở phải lớn hơn. Nếu bạn đo và tổng hợp các vôn trên mỗi đèn, bạn sẽ thấy tổng các vôn trên từng đèn vẫn bằng tổng điện áp.
Chú Thích
- (Lamps in series low current higher resistance): Đèn nối tiếp – Dòng điện thấp – Điện trở cao
- (Lamps dim): Đèn sáng mờ yếu
- (Three 6-volt lamps in series- resistance is increased): Ba đèn 6 volt nối tiếp – Điện trở tăng lên
Để xem tác động của việc thay đổi điện trở đối với dòng điện và cách các thiết bị khác nhau cần lượng dòng điện khác nhau để hoạt động, bạn có thể thay một trong ba bóng đèn 6 volt bằng một bóng đèn 2,5 volt tiêu thụ 0,75 ampe. Hai bóng đèn 6 volt sẽ sáng hơn gần 50%, trong khi bóng đèn 2,5 volt sẽ sáng mờ. Máy đo ampe sẽ ghi lại rằng dòng điện đã tăng, điều này cho thấy giảm điện trở của một phần mạch làm giảm tổng điện trở, từ đó tăng tổng dòng điện trong mạch.
Thay thế một bóng đèn 6 volt khác bằng một bóng đèn 2,5 volt sẽ tiếp tục làm giảm tổng điện trở và tăng tổng dòng điện trong mạch.
Độ sáng của các đèn tăng khi dòng điện tăng; nếu bóng đèn 6 volt cuối cùng được thay bằng một bóng đèn 2,5 volt có điện trở thấp hơn, bạn sẽ thấy rằng dòng điện của ba bóng đèn 2,5 volt gần như giống với dòng điện của một bóng đèn 6 volt. Ba bóng đèn sáng ở mức độ bình thường vì cường độ dòng điện chỉ ít hơn một chút so với giá trị định mức của các bóng đèn, cũng như điện áp đo được trên mỗi đèn.
Chú Thích
- (Increasing circuit current, decreasing resistance): Dòng điện trong mạch tăng khi điện trở giảm
- (0-1 ampere range ammeter): ampe kế phạm vi 0-1 ampe
Điện Áp Mạch Nối Tiếp/Định Luật Thứ Hai của Kirchhoff – Thí nghiệm/Ứng dụng【Experiment/Application-Series Circuit Voltage/Kirchhoff’s Second Law】
Nếu bạn nối ba đèn 2,5 volt liên tiếp, điện áp định mức sẽ là 7,5 volt, nghĩa là pin 6 volt không đủ để tạo ra dòng điện định mức. Nếu thêm một viên pin nữa, điện áp mạch sẽ tăng lên mà không ảnh hưởng đến điện trở, gây ra dòng điện lớn hơn, được biểu diễn bằng cách đèn sáng sáng hơn và đọc số dòng điện tăng lên. Đọc điện áp trên các đèn cho thấy rằng mỗi đèn đều nhận được 2,5 volt, và nếu bạn đo tổng điện áp của pin, kết quả cũng là 7,5 volt.
Loại bỏ từng viên pin một lần và đọc điện áp trên các đèn và trên pin sẽ cho thấy rằng điện áp trên các đèn gần như nhau và luôn cộng tổng điện áp của pin.
Khi nối năm viên pin lại thành một pin 7.5 volt, hãy thay thế một trong ba đèn 2,5 volt bằng một đèn 6 volt có điện trở lớn hơn. Đo điện áp trên các đèn bằng vôn kế, tổng điện áp vẫn là 7,5 volt khi cộng lại, nhưng không phải tất cả đều giống nhau. Điện áp trên các đèn 2,5 volt có điện trở thấp sẽ bằng nhau nhưng nhỏ hơn 2,5 volt, trong khi điện áp trên các đèn 6 volt có điện trở cao hơn sẽ lớn hơn 2,5 volt. Bạn có thể thấy rằng trong mạch có nhiều điện trở nối tiếp, điện áp chia tỷ lệ cho các điện trở khác nhau được mắc nối tiếp, với điện áp rơi nhiều hơn trên điện trở lớn hơn và điện áp rơi ít hơn trên điện trở nhỏ hơn; tổng điện áp (E_{t}) chính xác bằng điện áp trên mỗi điện trở. Nói một cách khác, Tổng điện áp (E_{t}) = Điện áp của đèn 1 (E_{1}) + Điện áp của đèn 2 (E_{2}) + Điện áp của đèn 3 (E_{3}), đó là Định luật thứ hai của Kirchhoff!
Tóm Tắt Đánh Giá Lại Định Luật Ohm Trong Mạch Nối Tiếp【Review of Ohm’s Law in Series Circuits】
- Dòng điện (CURRENT) – Giá trị dòng điện chảy qua một mạch nối tiếp luôn luôn giống nhau tại mọi điểm trong mạch. I_{1} = I_{2} = I_{3} = I_{4} = …
- Điện trở (RESISTANCE) – Tổng điện trở trong một mạch nối tiếp luôn bằng tổng các giá trị điện trở riêng lẻ trong mạch. R_{t} = R_{1} + R_{2} + R_{3} + R_{4} +…
- Các số chưa biết (UNKNOWNS) – Để tìm các giá trị không biết trong một mạch nối tiếp, bạn có thể thực hiện các bước sau: (a) Vẽ sơ đồ mạch. (b) Chèn vào sơ đồ này tất cả các thông tin đã biết. (c) Tìm các điện trở trong mạch mà bạn biết hai giá trị. (d) Sử dụng Định luật Ohm để tìm giá trị thứ ba. (e) Tiếp tục từ những thông tin bạn đã biết để tính toán các giá trị chưa biết khác – nhớ rằng khi bạn biết giá trị của một dòng điện (I) nào đó trong mạch, bạn cũng biết giá trị của tất cả chúng.
- Mạch Tương Đương (EQUIVALENT CIRCUIT) – Một mạch nối tiếp có hai hoặc nhiều điện trở thường có thể được đơn giản hóa thành một mạch tương đương chỉ chứa một điện trở lý thuyết có giá trị bằng tổng của tất cả các điện trở trong mạch.