Học · Physics

Vật lý 1B: Mạch điện và định luật Ohm

Dòng điện là điện tích chuyển động, hiệu điện thế là áp lực điện, còn điện trở là lực cản ngược lại. Định luật Ohm V = IR, công suất tỏa nhiệt P = IV, và hai kiểu bố trí — nối tiếp và song song — quyết định toàn bộ cách các phần tử chia sẻ tải trong một mạch.

14 phútTEKS b2Physics

Dòng điện — điện tích chuyển động

Một dòng điện là tốc độ mà điện tích chạy qua một điểm trong mạch. Về mặt công thức, ta có:

I = ΔQ / Δt

Trong đó I là dòng điện tính bằng ampe (A), ΔQ là lượng điện tích đã đi qua, tính bằng cu-lông (C), và Δt là khoảng thời gian tính bằng giây. Một ampe bằng một cu-lông mỗi giây — đây là một dòng điện đáng kể. Một bóng đèn sợi đốt thông thường tiêu thụ khoảng 0,5 A; một bộ sạc laptop có thể tiêu thụ 2 A.

Có một quy ước quan trọng: dòng điện quy ước được định nghĩa là chiều dịch chuyển của điện tích dương (từ + sang − qua phần mạch ngoài). Trong dây kim loại thực tế, chính các electron mang điện âm mới thực sự dịch chuyển — từ − về +. Mọi kết quả trong khóa học này đều đúng với cả hai quy ước, nhưng CBE và mọi sơ đồ các em sẽ gặp đều dùng dòng điện quy ước. Khi đề bài nói "dòng điện chạy theo hướng này", tức là hướng của dòng điện dương.

Hiệu điện thế — nguồn động lực

Hiệu điện thế, còn gọi là hiệu điện thế thế năng, là "áp lực" điện đẩy dòng điện chạy qua mạch. Nó đo năng lượng trên một đơn vị điện tích:

V = Năng lượng / Điện tích         đơn vị: vôn (V) = jun/cu-lông (J/C)

Một pin 9 vôn thực hiện 9 jun công lên mỗi cu-lông điện tích đi qua nó. Một ổ cắm tường 120 vôn thực hiện 120 jun công cho mỗi cu-lông. Hiệu điện thế cao chính là lý do đường dây truyền tải có thể chuyển cùng công suất trên quãng đường xa với dòng điện thấp hơn (và tổn hao trên điện trở cũng thấp hơn).

Hãy hình dung mạch điện như hệ thống ống nước: hiệu điện thế là chênh lệch áp suất giữa hai điểm, dòng điện là dòng nước chảy, và điện trở là đoạn hẹp cản trở dòng chảy. Nắm vững phép so sánh này sẽ giúp các em không lạc hướng trong mọi bài toán về mạch điện.

Điện trở và định luật Ohm

Điện trở cho biết một phần tử cản trở dòng điện đến mức nào khi có hiệu điện thế đặt vào. Đơn vị là ôm (Ω, chữ omega hoa). Một sợi dây điện thông thường trong thí nghiệm gần như không có điện trở; còn một điện trở được thiết kế để kiểm soát dòng điện có thể có giá trị từ vài ôm đến hàng triệu ôm.

Với nhiều vật dẫn — những vật tuân theo định luật Ohm — hiệu điện thế, dòng điện và điện trở có liên hệ đơn giản:

V = I · R

Hoặc sau khi biến đổi: I = V/R, R = V/I. Định luật Ohm là một quan hệ tuyến tính: nếu hiệu điện thế đặt vào một điện trở tăng gấp đôi thì dòng điện qua nó cũng tăng gấp đôi. Nhiều linh kiện thực tế (bán dẫn, sợi đốt bóng đèn cũ) KHÔNG tuân theo định luật Ohm một cách chính xác, nhưng mọi bài toán các em gặp trong CBE Vật lý 1B đều giả định vật liệu là ohmic.

Mạch đơn giản: pin đẩy dòng điện chạy qua một điện trở+−VRΩIIV = I · R

Công suất trong mạch

Công suất tiêu tán của một phần tử mạch — tốc độ mà nó chuyển năng lượng điện thành nhiệt, ánh sáng hay công cơ học — là:

P = I · V

Đơn vị: oát (W) = jun/giây. Kết hợp với định luật Ohm, các em có thể viết lại biểu thức này dưới ba dạng tiện dụng:

  • P = IV — dùng khi đã biết dòng điện và hiệu điện thế.
  • P = I²R — dùng khi đã biết dòng điện và điện trở. (Thay V = IR vào IV.)
  • P = V²/R — dùng khi đã biết hiệu điện thế và điện trở. (Thay I = V/R.)

Cả ba công thức cho cùng đáp án đối với cùng một bài toán. Hãy chọn dạng dùng hai đại lượng mà các em thực sự có.

Điện trở mắc nối tiếp

Trong mạch nối tiếp, các điện trở được nối đầu này với đầu kia sao cho cùng một dòng điện chạy qua tất cả. Dòng điện chỉ có một con đường duy nhất để đi.

Nối tiếp: R_total = R₁ + R₂ + R₃VR₁R₂R₃

Những điểm quan trọng cho mạch nối tiếp:

  • Điện trở tổng: R_total = R₁ + R₂ + R₃ + … (chỉ việc cộng lại)
  • Dòng điện qua các điện trở đều bằng nhau: I₁ = I₂ = I₃ = I.
  • Hiệu điện thế cộng lại: V_total = V₁ + V₂ + V₃, và mỗi Vn = I·Rn. Điện trở lớn hơn sẽ "rơi" điện áp nhiều hơn.

Hệ quả thực tế: thêm càng nhiều điện trở nối tiếp thì điện trở tổng càng lớn, dòng điện trong mạch càng giảm. Đèn cây thông Noel kiểu cũ mắc nối tiếp sẽ tắt hết chỉ vì một bóng cháy — vì bóng cháy tạo ra điện trở vô hạn, làm đứt con đường duy nhất.

Điện trở mắc song song

Trong mạch song song, các điện trở cùng nối vào hai điểm chung nên chịu cùng một hiệu điện thế. Dòng điện có nhiều con đường để lựa chọn.

Song song: 1/R_total = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃VR₁R₂R₃

Những điểm quan trọng cho mạch song song:

  • Điện trở tổng: 1/R_total = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + … Điện trở tổng luôn NHỎ hơn giá trị nhỏ nhất của bất kỳ điện trở riêng lẻ nào.
  • Hiệu điện thế giữa các nhánh đều bằng nhau: V₁ = V₂ = V₃ = V.
  • Dòng điện cộng lại: I_total = I₁ + I₂ + I₃, và mỗi In = V/Rn. Điện trở càng nhỏ thì dòng điện qua nó càng lớn.

Hệ quả thực tế: thêm nhánh song song sẽ LÀM GIẢM điện trở tổng, nên dòng điện tổng tăng lên. Nếu một bóng đèn trong đèn mắc song song bị cháy, các bóng còn lại vẫn sáng — vì mỗi bóng có con đường riêng.

Nơi học sinh thường mất điểm

  • Áp dụng quy tắc nối tiếp cho mạch song song. Điện trở tổng trong mạch song song KHÔNG phải là tổng đơn giản. Hãy dùng công thức nghịch đảo.
  • Cho rằng dòng điện ở mọi nơi đều bằng nhau. Điều đó chỉ đúng với nối tiếp. Trong mạch song song, dòng điện tách ra. Hãy xác định kiểu mạch trước tiên.
  • Quên đơn vị. Vôn, ampe, ôm, oát — mỗi đại lượng có nghĩa và đơn vị riêng. Đừng nhầm lẫn.
  • Nhầm lẫn giữa P = IV, P = I²R, P = V²/R. Chúng tương đương nhưng dùng biến khác nhau. Hãy chọn dạng phù hợp với dữ liệu đề cho.

Ví dụ có lời giải — ba điện trở, cách mắc hỗn hợp

Hai điện trở 6 Ω được mắc song song. Tổ hợp này lại được mắc nối tiếp với một điện trở thứ ba 4 Ω. Một pin 10 V cấp điện cho mạch. Hãy tìm điện trở tổng, dòng điện phát ra từ pin và công suất tiêu tán trên điện trở 4 Ω.

Bước 1 — Tổ hợp song song: 1/R_p = 1/6 + 1/6 = 2/6, vậy R_p = 3 Ω.

Bước 2 — Tổng: R_p nối tiếp với 4 Ω = 3 + 4 = 7 Ω.

Bước 3 — Dòng điện từ pin: I = V/R_total = 10/7 ≈ 1,43 A.

Bước 4 — Công suất trên điện trở 4 Ω: P = I²R = (1,43)² × 4 ≈ 8,16 W.

Tự kiểm tra

  1. Định nghĩa dòng điện, hiệu điện thế và điện trở, mỗi khái niệm trong một câu.
  2. Phát biểu định luật Ohm và viết lại theo ba dạng đại số.
  3. Nêu ba công thức tương đương cho công suất điện.
  4. Nêu các công thức điện trở tổng cho mạch nối tiếp và mạch song song.
  5. Giải thích vì sao điện trở tổng của mạch song song luôn nhỏ hơn bất kỳ điện trở riêng nào trong nhóm.
  6. Một pin 12 V mắc vào điện trở 6 Ω. Hãy tìm dòng điện và công suất tiêu tán.

(Đáp án câu 6: I = 12/6 = 2 A. P = IV = 2 × 12 = 24 W. Cũng có P = I²R = 4 × 6 = 24 W hoặc P = V²/R = 144/6 = 24 W — cả ba đều trùng.)

Luyện tập với câu hỏi kiểu CBE

Phân tích mạch điện là chủ đề trọng tâm của CBE Vật lý học kỳ B và xuất hiện trong gần như mọi bộ lọc của ngân hàng câu hỏi luyện tập. Hãy làm ngân hàng câu hỏi lọc theo Mạch điện và định luật Ohm — mỗi câu hỏi đều có lời giải từng bước.

Nội dung luyện tập độc lập, bám sát Texas Essential Knowledge and Skills (TEKS) §112.39(c)(5)(F). Không liên kết với TTU K-12, UT High School, UT-Austin, Texas Education Agency, hay bất kỳ đơn vị tổ chức Credit by Examination nào. Texas CBE™ không tổ chức kỳ thi nào và không cấp tín chỉ học thuật.