Điện một chiều – Học Điện Tử

Tất cả các vật chất đều được tạo thành từ các nguyên tử, và tất cả các nguyên tử đều bao gồm proton, neutron và electron. Proton, mang điện dương. Nơtron không có điện tích (nghĩa là chúng Trung tính), trong khi Electron có điện tích âm. Các nguyên tử liên kết với nhau bởi lực hút mạnh tồn tại giữa hạt nhân nguyên tử và các electron ở lớp vỏ ngoài cùng của nó.

Khi những proton, neutron và electron này ở cùng nhau trong nguyên tử, chúng sẽ ổn định. Nhưng nếu chúng ta tách chúng ra khỏi nhau, chúng sẽ tổ hợp lại và bắt đầu tạo ra lực hút điện thế được gọi là hiệu điện thế .

Bây giờ nếu chúng ta tạo ra một mạch kín, các electron này sẽ bắt đầu di chuyển và trôi về phía proton do lực hút của chúng tạo ra một dòng electron. Dòng electron này được gọi là dòng điện . Các electron không di chuyển tự do trong mạch vì vật liệu chúng di chuyển qua tạo ra hạn chế đối với dòng electron. Hạn chế này được gọi là điện trở .

Khi đó, tất cả các mạch điện hoặc điện tử cơ bản bao gồm ba đại lượng điện riêng biệt nhưng có liên quan rất nhiều với nhau được gọi là: Điện áp, (v), Dòng điện, (i) và Điện trở, (Ω).

Điện áp

Điện áp , (  V  ) là thế năng của nguồn điện được lưu trữ dưới dạng điện tích. Hiệu điện thế có thể được coi là lực đẩy các electron qua một vật dẫn và hiệu điện thế càng lớn thì khả năng “đẩy” các electron qua một đoạn mạch nhất định. Khi năng lượng có khả năng thực hiện công việc này, năng lượng điện thế này có thể được mô tả là công cần thiết tính bằng jun để di chuyển các electron dưới dạng dòng điện xung quanh một mạch từ điểm hoặc nút này sang điểm khác.

Khi đó, sự khác biệt về hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ, các kết nối hoặc điểm nối (được gọi là nút) trong mạch được gọi là Chênh lệch điện thế , (pd) thường được gọi là Sụt điện áp .

Hiệu điện thế giữa hai điểm được đo bằng Volts với ký hiệu mạch V , hoặc chữ “ v ” viết thường , mặc dù Năng lượng , chữ E viết thường “ e ” đôi khi được sử dụng để biểu thị một emf được tạo ra (sức điện động). Khi đó hiệu điện thế càng lớn thì áp suất (hoặc lực đẩy) càng lớn và công suất thực hiện công càng lớn.

Nguồn có hiệu điện thế không đổi gọi là Nguồn điện một chiều có hiệu điện thế biến thiên tuần hoàn theo thời gian gọi là điện áp xoay chiều . Điện áp được đo bằng vôn, với một vôn được định nghĩa là áp suất điện cần thiết để buộc dòng điện có cường độ một ampe chạy qua điện trở một Ohm. Điện áp thường được biểu thị bằng Volt với các tiền tố được sử dụng để biểu thị các bội số phụ của điện áp như microvolt ( μV = 10 ^-6 V ), milivôn ( mV = 10 ^-3 V ) hoặc kilovolt ( kV = 10 ³ V ). Điện áp có thể là dương hoặc âm.

Pin hoặc bộ nguồn chủ yếu được sử dụng để tạo ra nguồn điện áp DC (dòng điện một chiều) ổn định như 5v, 12v, 24v, v.v. trong các mạch điện tử và hệ thống. Trong khi các nguồn điện áp xoay chiều (xoay chiều) có sẵn cho nguồn điện gia đình và công nghiệp và chiếu sáng cũng như truyền tải điện. Nguồn cung cấp điện áp chính ở Vương quốc Anh hiện là 230 vôn xoay chiều và 110 vôn xoay chiều ở Hoa Kỳ.

Các mạch điện tử thông thường hoạt động trên nguồn cung cấp pin DC điện áp thấp trong khoảng từ 1,5V đến 24V dc Ký hiệu mạch cho nguồn điện áp không đổi thường được biểu thị dưới dạng ký hiệu pin với dấu dương, + và âm, – cho biết hướng của cực. Kí hiệu mạch đối với nguồn hiệu điện thế xoay chiều là một vòng tròn có bên trong là sóng sin.

Ký hiệu điện áp

Mối quan hệ đơn giản có thể được thực hiện giữa một bể nước và một nguồn điện. Ta có thể thấy bể chứa nước càng cao phía trên cửa ra thì áp suất của nước càng lớn vì năng lượng tỏa ra càng nhiều, điện thế càng cao thì thế năng càng lớn do càng giải phóng nhiều electron.

Điện áp luôn được đo bằng hiệu giữa hai điểm bất kỳ trong mạch và hiệu điện thế giữa hai điểm này thường được gọi là ” Sụt áp “. Lưu ý rằng điện áp có thể tồn tại trên mạch mà không có dòng điện, nhưng dòng điện không thể tồn tại nếu không có điện áp và như vậy bất kỳ nguồn điện áp nào dù DC hay AC thích điều kiện mạch hở hoặc bán hở nhưng ghét bất kỳ điều kiện ngắn mạch nào vì điều này có thể phá hủy nó.

Dòng điện

Dòng điện , (  I  ) là chuyển động hoặc dòng điện tích và được đo bằng Ampe , ký hiệu i , cho cường độ ). Đó là dòng chảy liên tục và đồng đều (được gọi là sự trôi dạt) của các điện tử (các hạt âm của nguyên tử) xung quanh một mạch đang bị “đẩy” bởi nguồn điện áp. Trong thực tế, các electron chảy từ cực âm (–ve) đến cực dương (+ ve) của nguồn cung cấp và để dễ hiểu về mạch, dòng điện thông thường giả định rằng dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm.

Nói chung trong các sơ đồ mạch điện chiều dòng điện chạy qua mạch điện thường có mũi tên kết hợp với ký hiệu I , hoặc chữ i viết thường để chỉ chiều thực tế của dòng điện. Tuy nhiên, mũi tên này thường chỉ ra hướng của dòng điện thông thường và không nhất thiết là hướng của dòng thực tế.

Dòng điện quy ước

Thông thường đây là dòng điện tích dương xung quanh một mạch, có giá trị từ dương sang âm. Biểu đồ bên trái cho thấy sự chuyển động của điện tích dương (các lỗ) xung quanh một mạch kín chảy từ cực dương của pin, qua mạch và quay trở lại cực âm của pin. Dòng điện từ dương sang âm thường được gọi là dòng điện thông thường.

Đây là quy ước được lựa chọn trong quá trình khám phá ra dòng điện, trong đó hướng của dòng điện được cho là chạy trong mạch. Để tiếp tục với dòng suy nghĩ này, trong tất cả các sơ đồ và sơ đồ mạch, các mũi tên hiển thị trên các ký hiệu cho các thành phần như điốt và bóng bán dẫn trỏ theo hướng của dòng điện thông thường.

Khi đó Dòng điện quy ước cho dòng điện từ dương sang âm và ngược hướng với dòng thực tế của các electron.

Dòng điện tử

Dòng điện tử xung quanh mạch ngược với chiều của dòng điện quy ước là âm sang dương Dòng điện thực tế chạy trong mạch điện bao gồm các electron chạy từ cực âm của pin (cực âm) và quay trở lại. đến cực dương (cực dương) của pin.

Điều này là do điện tích trên một electron là âm theo định nghĩa và do đó bị hút về cực dương. Dòng electron này được gọi là Dòng electron . Do đó, các electron thực sự chạy quanh một mạch từ cực âm sang cực dương.

Cả dòng điện quy ước và dòng điện tử đều được nhiều sách giáo khoa sử dụng. Trên thực tế, không có sự khác biệt nào về chiều dòng điện chạy quanh mạch miễn là hướng được sử dụng nhất quán. Chiều của dòng điện không ảnh hưởng đến những gì dòng điện thực hiện trong mạch. Nói chung, dễ hiểu hơn nhiều về dòng điện quy ước – từ dương sang âm.

Trong mạch điện tử, nguồn dòng là một phần tử mạch cung cấp một lượng dòng điện xác định, ví dụ, 1A, 5A 10 Amps, v.v., với ký hiệu mạch cho nguồn dòng điện không đổi được cho dưới dạng một vòng tròn với mũi tên bên trong cho biết hướng của nó.

Dòng điện được đo bằng Ampe và ampe hoặc ampe được định nghĩa là số electron hoặc điện tích ( Q tính bằng Coulombs) đi qua một điểm nhất định trong mạch trong một giây, ( t tính bằng Giây).

Dòng điện thường được biểu thị bằng Amps với các tiền tố dùng để biểu thị micro ampe (  μA = 10 ^-6 A  ) hoặc miliampe (  mA = 10 ^-3 A  ). Lưu ý rằng dòng điện có thể có giá trị dương hoặc giá trị âm tùy thuộc vào hướng của dòng chảy xung quanh mạch.

Dòng điện chạy theo một chiều được gọi là Dòng điện một chiều , hoặc DC và dòng điện xoay chiều qua lại trong mạch được gọi là Dòng điện xoay chiều , hoặc AC . Cho dù dòng điện xoay chiều hay một chiều chỉ chạy qua mạch khi một nguồn điện áp được nối với nó với “dòng” của nó bị giới hạn ở cả điện trở của mạch và nguồn điện áp đẩy nó.

Ngoài ra, vì dòng điện xoay chiều (và điện áp) là tuần hoàn và thay đổi theo thời gian nên giá trị “hiệu dụng” hoặc “RMS”, được đưa ra khi I _rms tạo ra cùng một tổn thất điện năng trung bình tương đương với dòng điện một chiều I _{(Aveg)trung bình}  . Nguồn dòng ngược lại với nguồn điện áp ở chỗ chúng thích điều kiện mạch ngắn hoặc kín nhưng ghét điều kiện mạch hở vì không có dòng điện chạy qua.

Sử dụng bể quan hệ nước, dòng điện tương đương với lưu lượng nước qua ống với lưu lượng là như nhau trên toàn đường ống. Dòng nước chảy càng nhanh thì dòng điện càng lớn. Lưu ý rằng dòng điện không thể tồn tại nếu không có điện áp vì vậy bất kỳ nguồn dòng điện nào, dù là DC hay AC đều thích tình trạng ngắn mạch hoặc bán ngắn mạch nhưng lại ghét bất kỳ tình trạng hở mạch nào vì điều này ngăn nó chảy.

Điện trở

Điện trở , (  R  ) là khả năng của vật liệu để chống lại hoặc ngăn chặn dòng điện hay cụ thể hơn là dòng điện tích trong mạch. Phần tử mạch thực hiện điều này một cách hoàn hảo được gọi là “Điện trở”.

Điện trở là một phần tử mạch được đo bằng Ohms , ký hiệu Hy Lạp ( Ω , Omega) với các tiền tố dùng để biểu thị Kilo-ohms (  kΩ = 10 ³ Ω  ) và Mega-ohms (  MΩ = 10 ⁶ Ω  ). Lưu ý rằng điện trở không thể âm chỉ có giá trị dương.

Ký hiệu điện trở

Lượng điện trở của một điện trở được xác định bởi mối quan hệ của dòng điện qua nó với điện áp trên nó, xác định xem phần tử mạch là “dây dẫn tốt” – điện trở thấp hay “dây dẫn xấu” – điện trở cao. Điện trở thấp, ví dụ 1Ω trở xuống ngụ ý rằng mạch là một dây dẫn tốt được làm từ các vật liệu như đồng, nhôm hoặc cacbon trong khi điện trở cao, 1MΩ trở lên ngụ ý rằng mạch là một dây dẫn kém được làm từ các vật liệu cách điện như thủy tinh, sứ hoặc nhựa.

Mặt khác, “chất bán dẫn” như silicon hoặc germani, là một vật liệu có điện trở bằng một nửa điện trở của chất dẫn điện tốt và chất cách điện tốt. Do đó có tên “chất bán dẫn”. Chất bán dẫn được sử dụng để làm điốt và bóng bán dẫn, v.v.

Điện trở có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến tính về bản chất, nhưng không bao giờ âm. Điện trở tuyến tính tuân theo định luật Ôm vì điện áp trên điện trở tỷ lệ tuyến tính với cường độ dòng điện qua nó. Điện trở không tuyến tính, không tuân theo định luật Ôm nhưng có điện áp rơi trên nó tỷ lệ với một số công suất của dòng điện.

Điện trở thuần và không bị ảnh hưởng bởi tần số với trở kháng xoay chiều của điện trở bằng với điện trở một chiều của nó và kết quả là không thể âm. Hãy nhớ rằng điện trở luôn dương và không bao giờ âm.

Điện trở được phân loại như một phần tử mạch thụ động và như vậy không thể cung cấp năng lượng hoặc lưu trữ năng lượng. Thay vào đó, các điện trở hấp thụ năng lượng xuất hiện dưới dạng nhiệt và ánh sáng. Công suất trong điện trở luôn dương không phụ thuộc vào cực tính của điện áp và chiều dòng điện.

Đối với các giá trị điện trở rất thấp, ví dụ mili-ohms, (  mΩ  ), đôi khi sử dụng nghịch đảo của điện trở (  1 / R  ) hơn là chính điện trở (  R  ). Biến thiên của điện trở được gọi là Độ dẫn , ký hiệu (  G  ) và thể hiện khả năng dẫn điện của một vật dẫn hoặc thiết bị.

Nói cách khác, dòng điện chạy qua dễ dàng. Giá trị độ dẫn cao ám chỉ chất dẫn điện tốt như đồng trong khi giá trị độ dẫn điện thấp ám chỉ chất dẫn điện xấu như gỗ. Đơn vị đo lường tiêu chuẩn cho độ dẫn điện là Siemen , ký hiệu ( S ).

Đơn vị được sử dụng cho độ dẫn là mho (ohm đánh vần ngược), được ký hiệu bằng dấu Ohm đảo ngược ℧ . Điện cũng có thể được thể hiện bằng dẫn như: p = i ² / G = v ² G .

Mối quan hệ giữa điện áp , (  v  ) và hiện tại , (  i  ) điện trơr, (  R  ) trong mạch sẽ tạo ra một mối quan hệ dòng i-v thẳng có độ dốc tương đương với giá trị của điện trở như hình vẽ.

Tóm tắt điện áp, dòng điện và điện trở

Hy vọng rằng bây giờ bạn nên có một số ý tưởng về cách điện điện áp , hiện tại và kháng có liên quan chặt chẽ với nhau. Mối quan hệ giữa điện áp , hiện tại và điện trở là cơ sở của định luật Ohm. Trong mạch tuyến tính có điện trở cố định, nếu chúng ta tăng hiệu điện thế thì dòng điện tăng lên, và tương tự, nếu chúng ta giảm điện áp thì dòng điện đi xuống. Điều này có nghĩa là nếu điện áp cao thì dòng điện cao, và nếu điện áp thấp thì dòng điện thấp.

Tương tự như vậy, nếu chúng ta tăng điện trở, dòng điện đi xuống đối với một điện áp nhất định và nếu chúng ta giảm điện trở thì dòng điện sẽ tăng lên. Có nghĩa là nếu điện trở cao thì dòng điện thấp và nếu điện trở thấp thì dòng điện cao.

Sau đó chúng ta có thể thấy rằng dòng điện xung quanh một mạch là tỷ lệ thuận (  ∝  ) để điện áp (  V ↑  thì  I ↑  ) nhưng tỉ lệ nghịch (  1 / ∝   ) điện trơt, (  R ↑  thì  I ↓  ).

Dưới đây là tóm tắt cơ bản của ba đơn vị.

• Hiệu điện thế hay hiệu điện thế là số đo thế năng giữa hai điểm trong mạch và thường được gọi là “độ sụt điện áp ” của nó   .
• Khi mắc nguồn điện áp vào mạch điện vòng kín thì hiệu điện thế sẽ tạo ra dòng điện chạy quanh mạch.
• Trong nguồn điện áp một chiều, các ký hiệu + ve (dương) và −ve (âm) được sử dụng để biểu thị cực của nguồn điện áp.
• Điện áp được đo bằng  Volts và có ký hiệu V cho điện áp hoặc E cho năng lượng điện.
• Dòng điện là sự kết hợp của dòng điện tử và dòng lỗ trống qua mạch.
• Dòng diện là dòng chảy liên tục và thống nhất của điện tích xung quanh mạch và được đo bằng Amperes hoặc Amps và có ký hiệu là I .
• Dòng điện tỷ lệ trực tiếp với điện áp (  I ∝ V)
• Giá trị hiệu dụng (rms) của dòng điện xoay chiều có cùng công suất hao phí trung bình tương đương với dòng điện một chiều chạy qua phần tử có điện trở.
• Trở kháng là sự đối lập với dòng điện chạy xung quanh một đoạn mạch.
• Giá trị thấp của điện trở có nghĩa là một vật dẫn và các giá trị cao của điện trở có nghĩa là một chất cách điện.
• Dòng điện tỷ lệ nghịch với điện trở (  I 1 / ∝ R  )
• Điện tở được đo bằng Ohms và có Hy Lạp biểu tượng Ω hoặc thư R .

Trong hướng dẫn tiếp theo về Điện một chiều, chúng ta sẽ xem xét Định luật Ohms, một phương trình toán học giải thích mối quan hệ giữa Điện áp, Dòng điện và Điện trở trong các mạch điện và là nền tảng của điện tử và kỹ thuật điện. Luật Ohm được định nghĩa là: V = I * R .