Định luật Ôm tổng quát

Georg Ohm

Được đề cập trong Hướng dẫn Định luật Ôm tổng quát

• Điện tích liên quan như thế nào đến điện áp, dòng điện và điện trở.
• Điện áp, dòng điện và điện trở là gì.
• Định luật Ohm là gì và cách sử dụng nó để hiểu về điện.
• Một thí nghiệm đơn giản để chứng minh những khái niệm này.

Tham khảo phần trước

Điện tích – Định luật Ôm tổng quát

Điện là chuyển động của các electron. Các electron tạo ra điện tích mà chúng ta có thể khai thác để thực hiện công việc. Bóng đèn, âm thanh nổi, điện thoại của bạn, v.v., tất cả đều đang khai thác chuyển động của các electron để hoạt động. Tất cả chúng đều hoạt động bằng cách sử dụng cùng một nguồn năng lượng cơ bản: chuyển động của các electron.

Ba nguyên tắc cơ bản cho hướng dẫn này có thể được giải thích bằng cách sử dụng các electron, hoặc cụ thể hơn, điện tích mà chúng tạo ra:

• Hiệu điện thế là hiệu điện tích giữa hai điểm.
• Dòng điện là tốc độ mà điện tích đang chạy.
• Điện trở là xu hướng của vật liệu chống lại dòng điện tích (dòng điện).

Vì vậy, khi chúng ta nói về những giá trị này, chúng ta đang thực sự mô tả sự chuyển động của điện tích, và do đó, hành vi của các electron. Mạch là một vòng khép kín cho phép điện tích di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Các thành phần trong mạch cho phép chúng ta kiểm soát điện tích này và sử dụng nó để thực hiện công việc.

Georg Ohm là một nhà khoa học người Bavaria, người đã nghiên cứu về điện. Ohm bắt đầu bằng cách mô tả một đơn vị điện trở được xác định bởi dòng điện và điện áp. Vì vậy, hãy bắt đầu với điện áp và đi từ đó.

Vôn – Định luật Ôm tổng quát

Ta định nghĩa điện áp là mức thế năng giữa hai điểm trên đoạn mạch. Một điểm có nhiều điện tích hơn điểm khác. Sự khác biệt về điện tích giữa hai điểm được gọi là hiệu điện thế. Nó được đo bằng vôn, về mặt kỹ thuật, là sự chênh lệch năng lượng tiềm năng giữa hai điểm sẽ truyền một jun năng lượng cho mỗi khối điện tích đi qua nó (đừng hoảng sợ nếu điều này không có ý nghĩa, tất cả sẽ được giải thích). Đơn vị “vôn” được đặt theo tên của nhà vật lý người Ý Alessandro Volta , người đã phát minh ra thứ được coi là pin hóa học đầu tiên. Điện áp được biểu diễn trong phương trình và giản đồ bằng chữ “V”.

Khi mô tả điện áp, dòng điện và điện trở, một phép tương tự phổ biến là bể nước. Trong sự tương tự này, điện tích được biểu thị bằng lượng nước , điện áp được biểu thị bằng áp suất nước và dòng điện được biểu thị bằng lưu lượng nước . Vì vậy, đối với sự tương tự này, hãy nhớ:

• Nước = Điện tích
• Áp suất = Điện áp
• Flow = Dòng điện

Hãy xem xét một bể nước ở một độ cao nhất định so với mặt đất. Ở đáy bể này có một cái vòi.

Áp suất ở cuối ống có thể đại diện cho điện áp. Nước trong bể tượng trưng cho điện tích. Càng nhiều nước trong bình, điện tích càng cao, áp suất đo ở cuối vòi càng nhiều.

Chúng ta có thể coi như một cục pin, là nơi chúng ta tích trữ một lượng năng lượng nhất định rồi giải phóng nó. Nếu chúng ta xả bể một lượng nhất định, áp suất tạo ra ở cuối ống sẽ giảm xuống. Chúng ta có thể coi điều này là giảm điện áp, giống như khi đèn pin mờ đi khi pin cạn kiệt. Lượng nước chảy qua vòi cũng giảm. Áp suất ít hơn có nghĩa là ít nước chảy hơn, điều này mang lại cho chúng ta dòng điện.

Dòng điện

Chúng ta có thể coi lượng nước chảy qua vòi từ bể là dòng điện. Áp suất càng cao, lưu lượng càng cao và ngược lại. Với nước, chúng ta sẽ đo thể tích nước chảy qua vòi trong một khoảng thời gian nhất định. Với dòng điện, chúng ta đo lượng điện tích chạy qua mạch trong một khoảng thời gian. Dòng điện được đo bằng Ampe (thường chỉ được gọi là “Amps”). Một ampe được định nghĩa là 6,241 * 10 ^ 18 electron (1 Coulomb) mỗi giây đi qua một điểm trong mạch. Amps được biểu diễn trong phương trình bằng chữ cái “I”.

Giả sử bây giờ chúng ta có hai bể, mỗi bể có một ống dẫn từ dưới lên. Mỗi bể chứa có cùng một lượng nước chính xác, nhưng ống trên một bể hẹp hơn ống bên kia.

Chúng tôi đo cùng một lượng áp suất ở cuối một trong hai ống, nhưng khi nước bắt đầu chảy, tốc độ dòng chảy của nước trong bể có ống hẹp hơn sẽ nhỏ hơn tốc độ chảy của nước trong bể có ống vòi rộng hơn. Về mặt điện, dòng điện qua ống hẹp nhỏ hơn dòng điện qua ống rộng hơn. Nếu chúng ta muốn dòng chảy qua cả hai vòi như nhau, chúng ta phải tăng lượng nước (tính phí) trong bể với ống hẹp hơn.

Điều này làm tăng áp suất (điện áp) ở cuối ống hẹp hơn, đẩy nhiều nước hơn qua bể. Điều này tương tự như sự gia tăng điện áp gây ra sự gia tăng dòng điện.

Bây giờ chúng ta bắt đầu xem mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện. Nhưng có một yếu tố thứ ba cần được xem xét ở đây: chiều rộng của ống mềm. Trong sự tương tự này, chiều rộng của ống là sức cản. Điều này có nghĩa là chúng ta cần thêm một thuật ngữ khác vào mô hình của mình:

• Nước = Điện tích (đo bằng Coulombs)
• Áp suất = Điện áp (đo bằng Volts)
• Flow = Dòng điện (đo bằng Ampe, gọi tắt là “Amps”)
• Chiều rộng ống = Kháng

Điện trở

Hãy xem xét lại hai bể nước của chúng ta, một bể có ống hẹp và một bể có ống rộng.

Đó là lý do mà chúng ta không thể lắp nhiều thể tích qua một đường ống hẹp hơn một đường ống rộng hơn ở cùng áp suất. Đây là sự phản kháng. Đường ống hẹp “chống lại” dòng nước chảy qua nó mặc dù nước ở cùng áp suất với bồn chứa có đường ống rộng hơn.

Trong thuật ngữ điện, điều này được biểu thị bằng hai đoạn mạch có điện áp bằng nhau và điện trở khác nhau. Mạch có điện trở cao hơn sẽ cho phép dòng điện ít hơn, có nghĩa là mạch có điện trở cao hơn có ít dòng điện chạy qua nó hơn.

Điều này đưa chúng ta trở lại Georg Ohm. Ohm định nghĩa đơn vị của điện trở là “1 Ohm” là điện trở giữa hai điểm trong một dây dẫn nơi đặt 1 vôn sẽ đẩy 1 ampe, hay 6,241 × 10 ^ 18 electron. Giá trị này thường được biểu diễn trong sơ đồ bằng chữ Hy Lạp “Ω”, được gọi là omega và được phát âm là “ohm”.

Định luật Ohm

Kết hợp các yếu tố điện áp, dòng điện và điện trở, Ohm đã phát triển Công thức định luật Ôm:

V = I.R

Ở đâu

• V = Điện áp tính bằng vôn
• I = Dòng điện trong amps
• R = Điện trở tính bằng ohms

Đây được gọi là định luật Ohm. Ví dụ, giả sử rằng chúng ta có một đoạn mạch có điện thế 1 vôn, cường độ dòng điện 1 amp và điện trở 1 ohm. Sử dụng Định luật Ohm, chúng ta có thể nói:

1 V = 1A.1Ω

Giả sử điều này đại diện cho bể của chúng tôi với một vòi rộng. Lượng nước trong bể được định nghĩa là 1 vôn và “độ hẹp” (khả năng chống dòng chảy) của ống được định nghĩa là 1 ohm. Sử dụng Định luật Ohms, điều này cho chúng ta một dòng (dòng điện) là 1 amp.

Sử dụng phép tương tự này, bây giờ chúng ta hãy nhìn vào bể có ống hẹp. Bởi vì ống hẹp hơn, khả năng chống dòng chảy cao hơn. Hãy xác định mức kháng cự này là 2 ôm. Lượng nước trong bể bằng với bể kia, do đó, sử dụng định luật Ôm, phương trình của bể có ống hẹp là

1 V = ?A.2Ω

Nhưng Dòng điện là gì? Bởi vì điện trở lớn hơn và điện áp là như nhau, điều này cho chúng ta giá trị dòng là 0,5 ampe:

1 V = 0,5A.2Ω

Vì vậy, dòng điện thấp hơn trong bình có điện trở cao hơn. Bây giờ chúng ta có thể thấy rằng nếu chúng ta biết hai trong số các giá trị của định luật Ohm, chúng ta có thể giải được giá trị thứ ba. Hãy chứng minh điều này bằng một thí nghiệm.

Một thí nghiệm Định luật Ôm tổng quát

Đối với thí nghiệm này, chúng tôi muốn sử dụng pin 9 volt để cấp nguồn cho đèn LED. Đèn LED rất mỏng manh và chỉ có thể có một lượng dòng điện nhất định chạy qua chúng trước khi chúng bị cháy. Đèn LED, sẽ luôn có “xếp hạng dòng điện”. Đây là lượng dòng điện tối đa có thể chạy qua đèn LED cụ thể trước khi nó bị cháy.

Vật liệu thiết yếu

Để thực hiện các thử nghiệm Định luật Ôm tổng quát được liệt kê ở cuối hướng dẫn, bạn sẽ cần:

• Đồng hồ vạn năng
• Pin 9 Volt
• Điện trở 560 Ohm (hoặc giá trị gần nhất tiếp theo)
• Đèn LED

LƯU Ý: Đèn LED được gọi là thiết bị “non-ohmic”. Điều này có nghĩa là bản thân phương trình cho dòng điện chạy qua đèn LED không đơn giản như V = IR. Đèn LED giới thiệu một thứ gọi là “sụt áp” vào mạch, do đó thay đổi lượng dòng điện chạy qua nó. Tuy nhiên, trong thí nghiệm này, chúng tôi chỉ đơn giản là cố gắng bảo vệ đèn LED khỏi quá dòng, vì vậy chúng tôi sẽ bỏ qua các đặc tính Dòng điện của đèn LED và chọn giá trị điện trở bằng cách sử dụng Định luật Ohm để đảm bảo rằng dòng điện qua đèn LED là an toàn. 20mA.

Đối với ví dụ này, chúng tôi có pin 9 vôn và đèn LED màu đỏ với định mức Dòng điện là 20 miliampe hoặc 0,020 amps. Để an toàn, chúng tôi không muốn điều khiển đèn LED ở dòng điện tối đa mà thay vào đó là dòng điện được đề xuất của nó, được liệt kê trên biểu dữ liệu là 18mA hoặc 0,018 amps. Nếu chúng ta chỉ kết nối trực tiếp đèn LED với pin, các giá trị của định luật Ohm trông như sau:

V= I.R

vì thế:

I=V/R

Giả sử chưa có trở kháng :

I= 9V/0R

Chia cho 0 cho ta dòng điện vô hạn! Trên thực tế, không phải là vô hạn, nhưng dòng điện nhiều nhất có thể của pin. Vì chúng tôi KHÔNG muốn có nhiều dòng điện chạy qua đèn LED của chúng tôi, chúng tôi sẽ cần một điện trở. Mạch của chúng ta sẽ trông như thế này:

Chúng ta có thể sử dụng Định luật Ohm theo cách tương tự để xác định giá trị điện trở sẽ cho chúng ta giá trị dòng điện mong muốn:

V= I.R

vì thế:

Rap các giá trị này vào:

Vậy :

R=500Ω

Vì vậy, chúng ta cần một giá trị điện trở khoảng 500 ohms để giữ dòng điện qua đèn LED dưới định mức dòng điện tối đa.

500 ohm không phải là giá trị chung cho các điện trở bán sẵn, vì vậy thiết bị này sử dụng điện trở 560 ohm thay thế cho nó. Đây là những gì thiết bị của chúng tôi trông giống như tất cả được ghép lại với nhau.

Sự thành công! Chúng tôi đã chọn một giá trị điện trở đủ cao để giữ dòng điện qua đèn LED dưới mức đánh giá tối đa của nó, nhưng đủ thấp để dòng điện đủ để giữ cho đèn LED sáng và đẹp.

Ví dụ về đèn LED / điện trở giới hạn dòng điện này là một sự xuất hiện phổ biến trong các thiết bị điện tử sở thích. Thường thì bạn sẽ cần sử dụng Định luật Ôm để thay đổi lượng dòng điện chạy qua mạch. Một ví dụ khác về cách triển khai này được thấy trong bảng LED LilyPad.

Với thiết lập này, thay vì phải chọn điện trở cho đèn LED, điện trở đã được tích hợp sẵn với đèn LED để hạn chế dòng điện được thực hiện mà không cần phải thêm điện trở bằng tay.

Giới hạn dòng điện trước hoặc sau đèn LED?

Để làm cho mọi thứ phức tạp hơn một chút, bạn có thể đặt điện trở giới hạn dòng điện ở hai bên của đèn LED và nó sẽ hoạt động giống nhau!

Nhiều người lần đầu tiên học điện tử phải vật lộn với ý tưởng rằng một điện trở giới hạn dòng điện có thể sống ở hai bên của đèn LED và mạch sẽ vẫn hoạt động như bình thường.

Hãy tưởng tượng một dòng sông trong một vòng lặp liên tục, một dòng sông chảy, tròn, vô hạn. Nếu chúng ta đặt một con đập trong đó, toàn bộ dòng sông sẽ ngừng chảy chứ không chỉ một bên. Bây giờ hãy tưởng tượng chúng ta đặt một bánh xe nước trên sông để làm chậm dòng chảy của sông. Bánh xe nước được đặt ở đâu trong vòng tròn sẽ không quan trọng, nó sẽ vẫn làm chậm dòng chảy trên toàn bộ con sông .

Đây là một sự đơn giản hóa quá mức, vì không thể đặt điện trở giới hạn dòng điện ở bất kỳ đâu trong mạch ; nó có thể được đặt ở hai bên của đèn LED để thực hiện chức năng của nó.

Để có câu trả lời khoa học hơn, chúng ta chuyển sang Định luật Điện áp Kirchoff . Chính vì luật này mà điện trở hạn chế dòng điện có thể đi về hai phía của đèn LED mà vẫn có tác dụng tương tự.