Chủ đề I. Điện

Điện trở đặc trưng cho mức độ cản trở dòng điện của vật dẫn. Khi biết hiệu điện thế U giữa hai đầu và cường độ dòng điện I qua vật dẫn, tính $R=U/I$. Đơn vị điện trở là ohm, kí hiệu Ω; $1\Omega =1V/A$. Cùng đặt một hiệu điện thế, vật có điện trở lớn hơn cho dòng điện có cường độ nhỏ hơn trong mô hình đang xét.

Với một điện trở tuân theo định luật Ohm và được giữ ở nhiệt độ ổn định, $I=U/R$. Vì R không đổi trong điều kiện ấy, I tỉ lệ thuận với U. Nếu giữ U không đổi nhưng thay bằng điện trở khác, I tỉ lệ nghịch với R. Không suy ra điện trở tăng chỉ vì hiệu điện thế tăng: phải xét đồng thời số đo U và I cùng điều kiện vật lí.

Đồ thị biểu diễn I theo U của điện trở Ohm là đường thẳng qua gốc tọa độ. Trục ngang ghi U và đơn vị V; trục đứng ghi I và đơn vị A. Với cùng cách chia trục, đường càng dốc thì điện trở càng nhỏ vì độ tăng của I trên một đơn vị U bằng $1/R$. Cần phân biệt đồ thị này với đồ thị U theo I có độ dốc bằng R.

Với dây dẫn đồng chất, hình trụ, tiết diện đều và nhiệt độ xác định, điện trở được tính bằng $R=\rho l/S$. Trong đó l tính bằng m, S tính bằng m², điện trở suất ρ tính bằng Ω·m. Dây dài hơn có điện trở lớn hơn; tiết diện lớn hơn có điện trở nhỏ hơn khi các yếu tố khác giữ nguyên. Nhớ rằng $1m{m}^2={10}^{–6}{m}^2$; không thay trực tiếp số đo mm² vào công thức theo hệ SI.

Để đo trong mạch thực hành dùng nguồn điện áp thấp do giáo viên chuẩn bị, mắc ampe kế nối tiếp với điện trở và vôn kế song song với hai đầu điện trở. Chọn thang đo, cực đo theo hướng dẫn, ngắt nguồn trước khi thay dây nối. Không mắc ampe kế trực tiếp vào hai cực nguồn. Mô hình bài tính thường bỏ qua điện trở dây nối và ảnh hưởng của dụng cụ đo.

Khi giải bài, ghi dữ kiện và đổi đơn vị trước, chọn hệ thức đúng rồi mới thay số. Ví dụ, 150 mA phải đổi thành 0,150 A khi tính với V và Ω. Sau phép tính, kiểm tra kết quả có phù hợp quan hệ tăng giảm hay không. Với dây tóc bóng đèn bị nung nóng, điện trở có thể thay đổi; không áp dụng máy móc giả thiết R không đổi cho mọi thiết bị và mọi trạng thái.

Các điện trở mắc nối tiếp khi chúng được nối lần lượt trên cùng một đường dẫn, không có điểm phân nhánh ở giữa. Dòng điện đi qua điện trở này rồi qua điện trở kia. Hình dạng dây có thể gấp khúc hoặc đổi vị trí trên trang giấy nhưng cách nối vẫn quyết định loại mạch. Khi đọc hình, đánh dấu các điểm nối và lần theo đường đi kín thay vì chỉ nhìn các linh kiện nằm cạnh nhau.

Trong đoạn mạch nối tiếp, cường độ dòng điện có cùng giá trị tại mọi vị trí: $I=I_1=I_2$. Điều này không có nghĩa dòng điện bị điện trở đầu tiên dùng hết rồi mới tới điện trở sau. Điện tích không bị tiêu hao trong các điện trở; năng lượng điện được chuyển hóa. Nếu một chỗ trên đường dẫn bị hở thì dòng điện trong cả đoạn mạch ngừng, với mô hình không có đường dẫn khác.

Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch bằng tổng hiệu điện thế trên từng điện trở: $U=U_1+U_2$. Khi đo, vôn kế toàn đoạn nối vào hai đầu ngoài cùng, còn vôn kế trên từng điện trở nối vào hai đầu điện trở ấy. Trong bài tính lí tưởng, dây nối có điện trở không đáng kể nên không tính thêm độ giảm hiệu điện thế trên dây.

Điện trở tương đương là một điện trở có thể thay cả đoạn mạch mà giữ nguyên quan hệ giữa U và I nhìn từ hai đầu. Với hai điện trở nối tiếp, $R_{td}=R_1+R_2$; nhiều điện trở thì cộng tất cả. Vì vậy điện trở tương đương lớn hơn từng điện trở thành phần nếu các điện trở đều dương. Sau khi tìm điện trở tương đương, tính dòng mạch bằng $I=U/R_{td}$.

Mỗi hiệu điện thế thành phần được tính bằng $U_1=I{R}_1$, $U_2=I{R}_2$. Vì dòng điện chung bằng nhau, $U_1/U_2=R_1/R_2$: điện trở lớn hơn nhận hiệu điện thế lớn hơn. Không chia U thành hai phần bằng nhau khi hai điện trở khác nhau. Quy tắc chia này áp dụng cho các điện trở Ohm trong điều kiện đã nêu, không tự xem mọi bóng đèn hay thiết bị điện là điện trở cố định.

Một lời giải nên trình bày theo thứ tự: nhận dạng nối tiếp, cộng điện trở, tính dòng chung, tìm hiệu điện thế cần hỏi rồi kiểm tra tổng. Khi so sánh số đo, I ở các vị trí phải phù hợp nhau trong sai số dụng cụ. Chỉ thực hành bằng nguồn điện áp thấp, có hướng dẫn; ngắt nguồn trước khi thay mạch. Các bài thiết kế dưới đây là bài tính mô hình, không yêu cầu tự lắp thiết bị vào điện lưới.

Hai điện trở mắc song song khi một đầu của mỗi điện trở cùng nối vào điểm A, đầu còn lại cùng nối vào điểm B. Dòng điện đi tới A phân thành các dòng nhánh rồi hợp lại tại B. Các điện trở có thể được vẽ cao thấp hoặc xoay khác nhau nhưng vẫn song song nếu chung đúng hai điểm. Vì vậy cần đọc các nút điện, không căn cứ riêng vào hai nét vẽ có song song trên giấy hay không.

Mỗi nhánh đều nối giữa A và B nên hiệu điện thế bằng nhau: $U=U_1=U_2$. Nếu nguồn lí tưởng giữ U không đổi thì thêm một nhánh không làm đổi hiệu điện thế trên các nhánh đã có. Với điện trở Ohm, tính riêng dòng mỗi nhánh bằng $I_1=U/R_1$ và $I_2=U/R_2$. Nhánh điện trở nhỏ hơn có dòng điện lớn hơn, dù hai nhánh cùng nhận một hiệu điện thế.

Cường độ dòng điện trong mạch chính bằng tổng dòng nhánh: $I=I_1+I_2$. Đây là biểu hiện điện tích không tự tích tụ liên tục tại điểm phân nhánh trong chế độ ổn định. Không lấy dòng mạch chính làm dòng qua từng điện trở, trừ khi các nhánh khác không có dòng. Khi hai nhánh có điện trở bằng nhau, chúng chia dòng đều; với điện trở khác nhau thì dòng nhánh không bằng nhau.

Điện trở tương đương thỏa mãn $1/R_{td}=1/R_1+1/R_2$. Với đúng hai điện trở, có thể dùng $R_{td}=R_1{R}_2/(R_1+R_2)$. Với nhiều nhánh, cộng các nghịch đảo trước rồi lấy nghịch đảo kết quả, không áp dụng công thức tích chia tổng cho ba điện trở. Điện trở tương đương của các nhánh dương phải nhỏ hơn điện trở nhỏ nhất; đây là cách kiểm tra nhanh một đáp số.

Nếu một nhánh bị hở nhưng các dây mạch chính và nguồn vẫn hoạt động, các nhánh còn lại vẫn có đường dẫn kín. Trong mô hình nguồn điện áp lí tưởng, dòng ở nhánh còn lại không đổi, còn dòng mạch chính giảm. Ngược lại, một dây nối gần như không có điện trở nối tắt hai đầu nguồn gây đoản mạch, có thể tạo dòng rất lớn. Hai tình huống hở mạch và nối tắt cần được phân biệt rõ.

Nhiều thiết bị trong mạng điện được mắc thành các nhánh để điều khiển độc lập và nhận hiệu điện thế phù hợp. Tuy nhiên, thêm thiết bị làm tổng dòng và công suất yêu cầu tăng; không có nghĩa có thể thêm tùy ý. Bài toán phải đối chiếu giới hạn nguồn hoặc dây dẫn do đề cho. Việc thực hành chỉ dùng nguồn điện áp thấp và linh kiện phù hợp dưới hướng dẫn, không tự thử cách mắc với ổ điện gia đình.

Dòng điện có khả năng truyền năng lượng cho thiết bị. Khi đèn sáng, quạt quay hoặc dây đốt nóng lên, năng lượng điện được chuyển thành ánh sáng, cơ năng, nhiệt năng và các dạng khác. Nói thiết bị sử dụng điện năng không có nghĩa năng lượng biến mất. Khi đánh giá một thiết bị, cần phân biệt phần năng lượng có ích cho mục đích sử dụng với phần truyền ra môi trường không phục vụ mục đích ấy.

Công suất điện cho biết tốc độ chuyển hóa điện năng: $P=E/t$. Đơn vị watt, kí hiệu W, bằng joule trên giây. Nếu công suất không đổi, điện năng dùng trong thời gian t là $E=Pt$. Hai thiết bị có cùng công suất nhưng hoạt động trong thời gian khác nhau sẽ dùng điện năng khác nhau. Công suất lớn chưa đủ để kết luận tổng điện năng lớn nếu chưa xét thời gian sử dụng.

Với đoạn mạch điện một chiều ổn định, $P=UI$ và $E=UIt$. Riêng điện trở Ohm có thể kết hợp định luật Ohm để được $P=I^{2}R=U^2/R$. Các biểu thức đó cần đúng điều kiện mạch; không tùy ý lấy tích số chỉ U và I để tính công suất tác dụng của mọi thiết bị xoay chiều. Trong bài dùng thiết bị gia dụng, công suất thực tế hoặc giả thiết hoạt động đúng định mức sẽ được nêu rõ.

Nếu P tính bằng W và t bằng s, E có đơn vị J. Điện năng sinh hoạt thường ghi bằng kWh: lấy P bằng kW và t bằng giờ. $1kWh=1000W\times 3600s=3,6\times {10}^{6}J$. Kilowatt là đơn vị công suất, còn kilowatt giờ là đơn vị năng lượng. Khi đổi phút sang giờ, chia cho 60; khi đổi phút sang giây, nhân với 60, tùy hệ đơn vị dùng trong phép tính.

Nhãn định mức nêu điều kiện vận hành thiết kế, chẳng hạn đèn 6 V – 3 W dùng đúng điều kiện ấy có công suất 3 W. Công suất không nhất thiết giữ nguyên nếu hiệu điện thế hoặc chế độ hoạt động thay đổi. Với bài tính mô hình điện trở cố định, có thể dùng $P=U^2/R$ để dự đoán; với thiết bị thực, cần thông tin phù hợp thay vì suy đoán chỉ từ nhãn.

Để so sánh tiết kiệm điện, giữ cùng nhu cầu hữu ích, tính điện năng từng phương án rồi lấy chênh lệch. Nếu đề cho đơn giá giả định, tiền điện được tính từ số kWh nhân đơn giá; không coi đó là biểu giá thực tế. Hiệu suất năng lượng là $H=E_{ích}/E_{vào}\times 100\%$. Cần chọn rõ năng lượng đầu vào, đầu ra và khoảng thời gian; thiết bị có hiệu suất cao vẫn có thể dùng nhiều điện nếu vận hành quá lâu.