Lý thuyết điện cơ bản – Hiểu về điện và các định luật cơ bản

Bạn có bao giờ tự hỏi điện là gì và nó đến từ đâu? Và tại sao khi bạn đi trên thảm, chạm vào tay nắm cửa hay mang đôi tất lại cảm thấy giật mạnh? Trong bài viết này, mình sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về những điều này.

Từ xưa đến nay, con người đã phát minh ra rất nhiều điều vĩ đại, và điện là một trong số đó. Điện tồn tại khắp mọi nơi – nó chiếu sáng cho đường phố mà chúng ta đi, giúp cho chúng ta nấu ăn và thậm chí còn hỗ trợ trong việc đánh răng. Hãy tưởng tượng, lĩnh vực y tế sẽ ra sao nếu mất điện? Bao nhiêu mạng sống đã được cứu nhờ các thiết bị điện như máy khử rung tim và máy tạo nhịp tim? Tất cả những điều đó chỉ có thể xảy ra nhờ có điện. Hãy cùng khám phá lý thuyết điện cơ bản nhé.

Bạn đang xem: Lý thuyết điện cơ bản – Hiểu về điện và các định luật cơ bản

Điện là gì?

Điện đơn giản nhất có thể được mô tả là sự chuyển động của điện tích, từ dương sang âm theo quy ước. Bất kể điện tích đó được tạo ra như thế nào – bằng hóa học (như trong pin) hoặc vật lý (như từ ma sát giữa vớ và thảm), chuyển động của điện tích đó được gọi là điện.

Chiều dòng điện

Chuyển động của điện tích được gọi là dòng điện. Có hai loại dòng điện chính: dòng điện một chiều (DC) và dòng điện xoay chiều (AC). Dòng điện một chiều chạy theo một hướng với cực điện áp không đổi, trong khi dòng điện xoay chiều thay đổi hướng định kỳ cùng với cực điện áp của nó.

Thomas Edison và Alessandro Volta là những nhà tiên phong trong việc phát triển dòng điện một chiều (DC) và đã ghi dấu một trang sử mới cho lĩnh vực điện. Tuy nhiên, với sự phát triển của xã hội, việc sử dụng dòng điện một chiều trên các dây truyền dài trở nên không hiệu quả. Nikola Tesla đã thay đổi tất cả điều đó bằng việc phát minh ra hệ thống dòng điện xoay chiều (AC).

Nhờ dòng điện xoay chiều, chúng ta có thể tạo ra điện áp cao phục vụ truyền tải điện dài hơn. Vì vậy, ngày nay, hầu hết các thiết bị di động sử dụng điện một chiều trong khi các nhà máy điện sản xuất điện xoay chiều.

Mạch nối tiếp và song song là gì?

Trước khi tìm hiểu về định luật Ohm, mình muốn giới thiệu cho bạn một số khái niệm về mạch nối tiếp và mạch song song. Mạch nối tiếp là các mạch được kết nối thẳng hàng với nguồn điện.

Trong mạch nối tiếp, dòng điện không đổi trong suốt mạch, nhưng điện áp có thể khác nhau. Trong khi đó, mạch song song là các mạch phân nhánh ra khỏi nguồn điện. Tổng dòng điện được cung cấp bởi nguồn điện sẽ chia nhánh cho từng mạch, nhưng điện áp trên các nhánh sẽ bằng nhau.

Bạn có thể từng gặp tình huống mất điện khi lắp đèn trang trí Giáng sinh và phát hiện ra rằng không có đèn nào hoạt động. Có thể có một bóng đèn nào đó trong hàng trăm bóng mà bạn đã treo lên. Điều này xảy ra khi một đèn bị hỏng hoặc cháy, và do các đèn được nối tiếp, toàn bộ mạch cũng bị tắt. Vì không có dòng điện chảy qua các đèn khác khi có một mạch hở.

Nhưng may mắn thay, chúng ta có cách nối dây song song. Vì vậy, nếu một đèn tắt, chỉ có nhánh đó của mạch sẽ bị tắt. Các nhánh khác sẽ không bị ảnh hưởng và dòng điện vẫn chảy qua các đèn khác.

Định luật Ohm

Định luật cơ bản nhất trong điện học là định luật Ohm, hay U = I x R.

• U là điện áp, có nghĩa là sự khác biệt tiềm năng giữa hai điểm sạc. Nói cách khác, đó là sự làm việc cần thiết để di chuyển một đơn vị điện tích giữa hai điểm. Khi bạn nhìn thấy một giá trị như 10 Volts, đó là sự khác biệt tiềm năng giữa hai điểm mà bạn đang so sánh. Trong trường hợp này, hai điểm thường sẽ là +10V và 0V (được gọi là “mặt đất”), nhưng cũng có thể là khác biệt giữa +5V và -5V, +20V và +10V.
• I là cường độ dòng điện, đơn vị là Ampe.
• R là điện trở. Điện trở, được đo bằng đơn vị Ohm, là khả năng cản trở dòng điện trong mạch. Đơn giản, điện trở chống lại dòng điện. Khi các electron chạy ngược lại sự đối lập được cung cấp bởi điện trở trong mạch, ma sát xảy ra và nhiệt được tạo ra.

Ứng dụng phổ biến nhất của điện trở trong mạch là bóng đèn dây tóc. Bóng đèn có đủ điện trở trong một mạch để làm nóng dây tóc bên trong và phát ra ánh sáng.

Điện trở cũng có thể được sử dụng để thay đổi mức điện áp, đường dẫn dòng điện và nhiều ứng dụng khác. Chúng thường được sử dụng trong các mạch để phân chia các mức điện áp.

Áp dụng Định luật Ohm

Bây giờ, chúng ta hãy áp dụng định luật Ohm vào mạch sau (chỉ để luyện tập, không thực tế) và tính toán điện áp và dòng điện cho từng tải.

Sơ đồ dưới đây cho thấy một mạch cung cấp cho đồ chơi trước khi đi ngủ của trẻ. R1 đại diện cho giá trị điện trở của loa và R2 đại diện cho giá trị điện trở của đèn LED. R1 có giá trị 430 Ohms, R2 có giá trị 284 Ohms và nguồn cung cấp là pin 5VDC và 5A. Vậy điện áp cung cấp cho loa và đèn LED là bao nhiêu?

Đầu tiên, chúng ta cần tìm hiểu dòng điện trong vòng lặp khi đồ chơi được bấm và công tắc 1 (S1) đóng lại. Nguồn cung cấp cung cấp 5 ampe dòng điện, nhưng mạch sẽ chỉ sử dụng một phần của nó tùy thuộc vào tải. Sử dụng định luật Ohm, chúng ta có thể cấu hình lại công thức để tính dòng điện trong vòng lặp, tức là I (vòng lặp) = U (vòng lặp) / R (vòng lặp). Sử dụng các giá trị đã cho, chúng ta có thể tính toán được I (dòng điện vòng lặp) = 5VDC / 714Ω = 7mA.

Định luật Ohm áp dụng cho mạch nối tiếp

Với dòng điện trong vòng lặp là 7mA và trong mạch nối tiếp, dòng điện không đổi trong suốt mạch, chúng ta có thể sử dụng định luật Ohm để tính toán điện áp cung cấp cho loa: U (loa) = I (vòng lặp) x R (loa) hoặc U (loa) = (7mA) x (430Ω) hoặc ~ 3VDC. Đèn LED, R2, sẽ có điện áp cung cấp: U (LED) = (7mA) x (284) hoặc ~ 2VDC. Mạch này được gọi là mạch chia điện áp, vì điện áp cung cấp được chia nhỏ cho các tải tương ứng với giá trị điện trở mà mỗi tải mang theo. R1 có giá trị điện trở cao hơn và nhận được 3VDC trong tổng nguồn cung cấp 5VDC, trong khi R2 nhận được phần còn lại là 2VDC. Có thể nói R1 có mức giảm điện áp là 3VDC và R2 có mức giảm điện áp là 2VDC.

Định luật Ohm áp dụng cho mạch song song

Bây giờ hãy kết nối lại đồ chơi để loa và đèn LED nối song song với nguồn điện.

Với cùng các giá trị R1 = 430Ω, R2 = 284Ω, U (nguồn) = 5VDC và I (nguồn) = 5A, chúng ta có thể tìm hiểu mỗi nhánh đang rút bao nhiêu dòng điện từ nguồn. Như đã đề cập trước đó, trong mạch song song, điện áp trên mỗi nhánh sẽ bằng với điện áp cung cấp.

Vì vậy, ngay lập tức, chúng ta có thể nói rằng các điện áp trên R1 và R2 đều là 5VDC. Sử dụng định luật Ohm, chúng ta cũng có thể tính toán dòng điện trong mỗi vòng lặp hoặc nhánh. Thiết lập công thức cho dòng điện hoặc I (R1) = U (R1) / R1 = 5VDC / 430Ω = 11.63mA. Làm tương tự với R2, chúng ta có I (R2) = U (R2) / R2 = 5VDC / 284Ω = 17.6mA.

Chúng ta cũng có thể tính tổng dòng điện trong toàn bộ mạch. Đầu tiên, chúng ta cần tính tổng điện trở trong mạch. Trong các mạch nối tiếp, chúng ta sẽ cộng tất cả các giá trị điện trở lại với nhau. Trong trường hợp này, 1 / R (tổng) = 1 / R1 + 1 / R2 = 1/430Ω + 1/284Ω = 0.0058467… Đáp ngược lại, ta có R (tổng) = 171Ω. Sử dụng giá trị này, chúng ta có thể tính tổng cường độ dòng điện I (tổng) = V (tổng) / R (tổng) = 5VDC / 171Ω = 29.23mA. Bạn có thể thấy rằng nếu chúng ta cộng dòng điện trong mỗi vòng lặp lại, chúng ta cũng sẽ nhận được cùng một kết quả, I (R1) + I (R2) = 11,63mA + 17,6mA = 29,23mA.

Dòng điện chảy giống như nước trong dòng sông. Nếu có hai kênh dòng trong một dòng sông và một kênh bị chặn một phần bởi các vật cản, thì phần lớn nước sẽ chảy qua kênh còn lại. Điều tương tự cũng đúng với dòng điện. Trong mạch song song, nhánh với điện trở ít hơn sẽ nhận được phần lớn dòng điện. Trong ví dụ trên, cả hai nhánh đều có một phần bị chặn, nhưng nhánh R2 rõ ràng sẽ nhận được mức dòng điện nhiều hơn.

Bạn có thể tự hỏi, nếu chúng ta loại bỏ R2 (đèn LED), điều gì sẽ xảy ra? Trong một thời gian ngắn không có điện trở, vì vậy toàn bộ dòng điện sẽ chảy qua nhánh đó. Dây có thể trở nên quá nóng và gây hư hỏng cho đồ chơi.

Định luật Kirchoff về điện áp (KVL)

Nguyên lý sụt áp này dẫn đến một định luật quan trọng khác trong kỹ thuật điện cơ bản, Định luật điện áp của Kirchoff (KVL). Định luật này nói rằng tổng đại số của các điện áp trong một vòng khép kín luôn bằng không.

Nếu chúng ta chỉ biết điện áp cung cấp và sự sụt giảm điện áp trên R1, chúng ta có thể sử dụng KVL để tính sự sụt giảm điện áp trên R2. Với KVL, chúng ta phải xác định chiều của dòng điện. Trong trường hợp này, chúng ta sẽ sử dụng đường dẫn từ cực dương đến cực âm (theo chiều kim đồng hồ). U(nguồn) + U(1) + U(2) = 0 hoặc -5VDC + (+3VDC) + (+V(2)).

Giải phương trình trên, chúng ta nhận được U(2) = 2VDC, đúng như đã tính toán. KVL thực sự hữu ích khi một mạch có nhiều nguồn cung cấp hoặc nhiều vòng lặp.

Định luật của Kirchoff về cường độ dòng điện (KCL)

Thời gian tóm tắt một chút: trong các mạch nối tiếp, dòng điện không đổi và điện áp thay đổi, trong khi trong các mạch song song, điện áp không đổi và dòng điện thay đổi.

Sự thay đổi dòng điện trong các mạch song song đã dẫn đến một định luật rất quan trọng khác trong kỹ thuật điện cơ bản, Định luật về cường độ dòng điện của Kirchoff (KCL). Luật này đơn giản cho rằng tổng dòng điện vào một nút bằng tổng dòng điện ra khỏi nút.

Nói cách khác, tổng dòng điện ròng trong một nút bằng không hoặc 0 = I (vào) – I (ra). Nhìn vào nút (điểm kết nối giữa hai vòng lặp) trong sơ đồ dưới đây, chúng ta có được: 0 = 29.23mA – (11.63mA + 17.6mA).

Phương trình công suất

Một phương trình cuối cùng cần nhớ là phương trình công suất, P = U x I. P đại diện cho công suất được đo bằng Watts, I đại diện cho dòng điện và U đại diện cho điện áp. Phương trình này có thể được kết hợp với định luật Ohm để giải cho các giá trị chưa biết.

Ví dụ: Theo định luật Ohm, chúng ta biết rằng I = U / R, vì vậy kết hợp với phương trình công suất (P = UI), chúng ta có P = U(U / R) hoặc P = U^2 / R. Ngoài ra, từ định luật Ohm, chúng ta biết rằng U = IR, vì vậy kết hợp điều này với P = UI, chúng ta nhận được P = I^2R.

Sử dụng ví dụ mạch song song trước đó, chúng ta có thể tính toán công suất tiêu thụ của mạch. Chúng ta biết nguồn cung cấp có điện áp là 5VDC và chúng ta đã tính toán tổng điện trở trong mạch song song là 171Ω. Sử dụng hai giá trị này, công suất tiêu thụ của đồ chơi sẽ là: P (tổng) = (5VDC)^2 / 171Ω = 146mW.

Kết luận

Hi vọng rằng các thông tin về các định luật cơ bản về điện có thể giúp bạn hiểu rõ hơn về cách điện hoạt động và ứng dụng của chúng trong cuộc sống hàng ngày. Điều này có thể hữu ích khi bạn chọn mua một chiếc máy lạnh hoặc khi tìm hiểu về các mạch điện đơn giản khác.

Nguồn: https://izumi.edu.vn/
Danh mục: Tài liệu điện