Lý thuyết điện cơ bản: Khám phá nguồn gốc và ứng dụng của điện

Với sự phát triển của con người, ngành công nghệ đã phát minh ra rất nhiều ứng dụng vĩ đại. Trong số đó, điện chính là một khám phá vĩ đại không thể không kể đến. Điện đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Nó chiếu sáng đường đi, giúp nấu nướng và thậm chí hỗ trợ đánh răng. Đặc biệt, không thể phủ nhận vai trò quan trọng của điện trong lĩnh vực y tế, nơi mạng sống của nhiều người đã được cứu nhờ các thiết bị như máy khử rung tim và máy tạo nhịp tim. Vậy, để hiểu rõ hơn về lý thuyết điện cơ bản, hãy cùng khám phá chi tiết qua bài viết dưới đây.

Điện là gì?

Ở cơ bản, điện là sự chuyển động của điện tích. Điện tích được coi là theo quy ước, từ dương sang âm. Dù điện tích được tạo ra như thế nào, bằng hóa học (như pin) hoặc vật lý (ma sát từ vớ và thảm), sự chuyển động của phóng điện là điện.

Bạn đang xem: Lý thuyết điện cơ bản: Khám phá nguồn gốc và ứng dụng của điện

Chiều dòng điện

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

Thomas Edison và Alessandro Volta là những người tiên phong trong việc nghiên cứu dòng điện DC và đã góp phần quan trọng vào lịch sử của điện. Tuy nhiên, khi xã hội phát triển, việc sử dụng DC trong khoảng cách truyền tải dài trở nên không hiệu quả. Nikola Tesla đã thay đổi tất cả những điều đó khi phát minh ra hệ thống dòng điện xoay chiều.

Với AC, có thể tạo ra điện áp cao cần thiết cho việc truyền tải dài. Do đó, ngày nay, hầu hết các thiết bị di động sử dụng nguồn DC trong khi các nhà máy điện sản xuất nguồn AC.

Hình 1. Hàm V(t) theo thời gian của dòng điện 1 chiều và xoay chiều

Mạch nối tiếp và mạch song song là gì?

Trước khi đi vào việc sử dụng định luật Ohm, hãy giới thiệu một số khái niệm mạch khác. Mạch nối tiếp là những mạch được kết nối thẳng hàng với nguồn điện. Dòng điện trong các mạch nối tiếp không đổi trong suốt nhưng điện áp có thể khác nhau. Mạch song song là những mạch phân nhánh ra khỏi nguồn điện. Tổng dòng điện được cung cấp từ nguồn điện được chia đều cho từng nhánh, nhưng điện áp giữa các nhánh là bằng nhau.

Bạn có thể đã gặp tình huống khó chịu khi treo đèn Giáng sinh và nhận ra rằng không có đèn nào hoạt động. Có thể có một đèn không hoạt động trong số hàng trăm đèn bạn đã treo. Điều này có thể do một đèn bị hỏng hoặc cháy hết và do các đèn được nối tiếp với nhau. Nếu một đèn tắt, nó sẽ tạo ra một mạch hở. Không có dòng điện sẽ chạy qua các đèn khác vì mạch bị hỏng.

Hình 2. Mạch nối tiếp và mạch song song

May mắn thay, ta có cách nối dây song song. Điều này cho phép chỉ có nhánh chứa đèn bị tắt, còn các nhánh khác vẫn sáng. Điện áp được chia đều qua các nhánh và dòng điện vẫn chảy qua các đèn khác.

Hình 3. Mạch nối tiếp khi xảy ra hở mạch

Định luật Ohm

Định luật cơ bản nhất trong điện là định luật Ohm, được biểu diễn bằng công thức U = I x R. Công thức này miêu tả quan hệ giữa điện áp (U), dòng điện (I) và điện trở (R).

• Điện áp (U) là sự khác biệt tiềm năng giữa hai điểm trong mạch. Nói cách khác, nó là phép đo công việc cần thiết để di chuyển một đơn vị điện tích giữa hai điểm. Khi chúng ta gặp giá trị 10 Volts, đó là sự khác biệt tiềm năng giữa hai điểm tham chiếu. Thông thường, hai điểm sẽ là +10V và 0V (còn được gọi là mặt đất), nhưng nó cũng có thể là sự khác biệt giữa +5V và -5V, +20V và +10V.

• Dòng điện (I) là cường độ của dòng điện, được đo bằng Ampe.

• Điện trở (R) là thước đo lượng ngăn cản dòng điện. Đơn giản, điện trở là khái niệm về khả năng chống lại dòng điện. Khi các electron chạy ngược lại dòng điện do điện trở, ma sát xảy ra và nhiệt được tạo ra.

Xem thêm : Cách chuyển đổi độ dài 1m sang đơn vị dm, cm, mm

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

Điện trở trong mạch cũng có thể hữu ích khi cần thay đổi mức điện áp, đường dẫn dòng điện, vv. Điện trở là các gói điện trở khép kín có thể được thêm vào mạch và thường được sử dụng để phân chia các mức điện áp.

Áp dụng Định luật Ohm

Bây giờ, chúng ta hãy áp dụng định luật Ohm cho mạch sau đây và tính toán điện áp và dòng điện được cung cấp cho từng tải.

Sơ đồ dưới đây cho thấy một mạch cung cấp cho đồ chơi trước khi đi ngủ của trẻ. R1 là giá trị điện trở của loa và R2 là giá trị điện trở của đèn LED. R1 = 430Ω, R2 = 284Ω và nguồn cung cấp là pin với điện áp 5VDC và dòng 5A. Điện áp cung cấp cho loa và đèn LED là gì?

Đầu tiên, chúng ta cần tìm dòng điện trong mạch khi đồ chơi được nhấn và công tắc 1 (S1) đóng lại. Nguồn cung cấp cung cấp 5 ampe dòng điện, nhưng mạch sẽ chỉ sử dụng những gì được yêu cầu bởi tải. Sử dụng định luật Ohm, chúng ta có thể tính toán dòng điện trong mạch, I (vòng lặp) = U (vòng lặp) / R (vòng lặp). Sử dụng các giá trị đã cho, chúng ta có thể tính toán I (dòng điện vòng lặp) = 5VDC / 714Ω = 7mA.

Hình 4. Mạch nối tiếp nguồn điện xoay khi xảy ra sự cố hở mạch

Định luật Ohm áp dụng cho mạch nối tiếp

Vì vậy, bây giờ chúng ta biết dòng điện trong vòng lặp I là 7mA và trong một mạch nối tiếp, dòng điện không đổi trong suốt, 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) = ~3VDC. Đèn LED sẽ có điện áp cung cấp là: U (LED) = (7mA) x (284Ω) = ~2VDC. Mạch này được gọi là mạch chia điện áp.

Điện áp cung cấp được chia giữa các tải tương ứng với giá trị điện trở của từng tải. R1 có điện trở cao hơn và nhận được 3VDC trong tổng nguồn cung cấp 5VDC, và R2 nhận phần còn lại là 2VDC. Nói cách khác, 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 chúng ta hãy nối lại cùng một đồ chơi, nhưng lần này loa và đèn LED được nối song song với nguồn điện.

Hãy sử dụng các giá trị tương tự như trước, R1 = 430Ω, R2 = 284Ω, U (nguồn) = 5VDC và I (nguồn) = 5A. Lần này chúng ta hãy tìm hiểu xem mỗi nhánh đang kéo bao nhiêu dòng điện từ nguồn. Như đã đề cập trước đây, với các mạch song song, điện áp trên mỗi nhánh sẽ bằng với điện áp cung cấp.

Vì vậy, ngay lập tức, tôi có thể nói với bạn rằng mức điện áp trên R1 và R2 đều là 5VDC. Sử dụng định luật Ohm, tôi 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, chúng ta nhận được I (R2) = U (R2) / R2 = 5VDC / 284Ω = 17.6mA.

Chúng ta cũng hãy tính tổng cường độ dòng điện hiện tại của mạch. Đầu tiên chúng ta cần tính tổng điện trở trong mạch. Trong mạch nối tiếp, chúng ta chỉ cộng tất cả các giá trị điện trở lại với nhau. Trong mạch song song, chúng ta phải cộng các giá trị nghịch đảo của các giá trị điện trở và sau đó đảo kết quả. Vậy, chúng ta có: 1 / R (tổng) = 1 / R1 + 1 / R2 = 1/430Ω + 1/284Ω = 0.0058467… Bây giờ đảo lại để có R (tổng) = 171Ω. Với giá trị này, chúng ta có thể tính tổng 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, chúng ta sẽ nhận được cùng một kết quả, I (R1) + I (R2) = 11,63mA + 17,6mA = 29,23mA.

Dòng chảy của điện tương tự như nước chảy. Nếu bạn có hai kênh trong một dòng sông và một kênh bị chặn một phần bởi các khúc gỗ, thì phần lớn nước sẽ chảy qua kênh khác. Điều tương tự cũng đúng với dòng điện. Trong mạch song song, nhánh có điện trở ít hơn sẽ nhận được dòng điện nhiều hơn. Trong ví dụ của chúng ta, cả hai nhánh đều bị chặn một phần, nhưng nhánh (R2) rõ ràng nhất sẽ nhận được lượng dòng điện lớn hơn.

Xem thêm : Công Tắc Cảm Ứng Chạm Điện Dung 12V TTP223

Câu hỏi thú vị là, nếu R2 bị loại bỏ, điều gì sẽ xảy ra? Trong một thời gian ngắn không có điện trở, vì vậy tất cả dòng điện sẽ chạy qua nhánh đó. Dây có thể quá nóng khiến món đồ chơi mất ánh sáng hoặc hỏng hoàn toàn.

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 tiềm năng cung cấp và sự sụt giảm điện áp của R1, chúng ta có thể sử dụng KVL để tính toán sự sụt giảm điện áp R2. Với KVL, chúng ta phải xác định được chiều của dòng điện. Ở đây chúng ta sẽ sử dụng đường dẫn từ cực dương tới cực âm (theo chiều kim đồng hồ). Công thức KVL cho R1 và R2 là: U(nguồn) + U(1) + U(2) = 0 hoặc -5VDC + (+3VDC) + (+V(2)).

Giải phương trình trên, chúng ta tìm được U(2) = 2VDC, mà chúng ta đã biết là đúng. KVL thực sự hữu ích khi có nhiều nguồn cung cấp trong một vòng lặp hoặc nhiều vòng lặp.

Hình 7. Mạch điện đồ chơi mắc kiểu nối tiếp

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.

Điều này dẫn đến định luật lớn tiếp theo của Kirchoff trong kỹ thuật điện cơ bản, Định luật về cường độ dòng điện của Kirchoff (KCL). Định luật này quy định rằng dòng điện vào một nút bằng dòng điện ra khỏi nút.

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

Hình 8. Cường độ dòng điện ra vào tại 1 nút

Định luật KVL và KCL rất hữu ích trong các mạch điện tiên tiến, với nhiều nguồn cung cấp hoặc vòng lặp.

Phương trình công suất

Một phương trình cuối cùng cần nhớ là phương trình công suất, P = U x I. Công thức này tính toán công suất (P) bằng cách nhân điện áp (U) với dòng điện (I). Phương trình công suất có thể được kết hợp với định luật Ohm để giải các giá trị chưa biết.

Ví dụ: Trong 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 với phương trình công suất (P = UI), chúng ta có P = I ^ 2R.

Sử dụng ví dụ về mạch song song trước đó, chúng ta có thể tìm công suất tiêu thụ của mạch. Với định mức điện áp pin là 5VDC và tổng điện trở của mạch song song là 171Ω, công suất tiêu thụ của đồ chơi sẽ là: P (tổng) = (5VDC) ^ 2 / 171Ω = 146mW.

Kết luận

Thông qua bài viết này, ta đã khám phá các định luật cơ bản về điện, từ định luật Ohm cho tới định luật Kirchoff về điện áp và cường độ dòng điện. Những kiến thức này sẽ rất hữu ích trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như khi chọn lựa máy lạnh phù hợp với nguồn điện trong nhà. Cùng đọc thêm các bài viết khác trên trang MECSU để tìm hiểu thêm về các chủ đề liên quan.

Nguồn: https://cite.edu.vn
Danh mục: Học tập