Điện áp, dòng điện, điện trở và định luật Ohm: 5 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:36

Được đề cập trong Hướng dẫn này

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 Ôm là gì và cách sử dụng nó để hiểu về điện.

Một thí nghiệm đơn giản để chứng minh những khái niệm này.

Bước 1: Sạc điện

Điện tích là đặc tính vật lý của vật chất khiến nó phải chịu một lực khi đặt trong trường điện từ. Có hai loại điện tích: dương và âm (thường do proton và electron mang theo tương ứng). Giống như điện tích đẩy lùi và không giống như thu hút. Trường hợp không có phí thuần được gọi là trung tính. Một vật nhiễm điện âm nếu nó có thừa electron, và nếu không thì sẽ tích điện dương hoặc không tích điện. Đơn vị dẫn xuất SI của điện tích là coulomb (C). Trong kỹ thuật điện, người ta cũng thường sử dụng ampe-giờ (Ah); trong khi trong hóa học, người ta thường sử dụng điện tích cơ bản (e) như một đơn vị. Ký hiệu Q thường biểu thị điện tích. Kiến thức ban đầu về cách các chất tích điện tương tác ngày nay được gọi là điện động lực học cổ điển và vẫn chính xác đối với các bài toán không yêu cầu xem xét các hiệu ứng lượng tử.

Điện tích là đặc tính cơ bản được bảo tồn của một số hạt hạ nguyên tử, nó quyết định tương tác điện từ của chúng. Vật chất mang điện chịu ảnh hưởng hoặc tạo ra điện từ trường. Tương tác giữa điện tích chuyển động và điện từ trường là nguồn của lực điện từ, là một trong bốn lực cơ bản (Xem thêm: từ trường).

Các thí nghiệm của thế kỷ 20 đã chứng minh rằng điện tích được lượng tử hóa; nghĩa là, nó xuất hiện dưới dạng bội số nguyên của các đơn vị nhỏ riêng lẻ được gọi là điện tích cơ bản, e, xấp xỉ bằng 1,602 × 10−19 coulombs (ngoại trừ các hạt gọi là quark, có điện tích là bội số nguyên của 1/3e). Proton có điện tích + e, và electron có điện tích −e. Nghiên cứu về các hạt mang điện, và cách thức tương tác của chúng được trung gian bởi các photon, được gọi là điện động lực học lượng tử.

Bước 2: Điện áp ：

Hiệu điện thế, hiệu điện thế, áp suất điện hoặc lực căng điện (được ký hiệu chính thức là ∆V hoặc ∆U, nhưng thường được đơn giản hóa thành V hoặc U, ví dụ theo định luật mạch Ohm hoặc Kirchhoff) là sự khác biệt về thế năng điện giữa hai điểm trên một đơn vị điện tích. Hiệu điện thế giữa hai điểm bằng công thực hiện trên một đơn vị điện tích đối với điện trường tĩnh để di chuyển điện tích thử giữa hai điểm. Điều này được đo bằng đơn vị vôn (một jun trên một coulomb).

Điện áp có thể được tạo ra bởi điện trường tĩnh, bởi dòng điện qua từ trường, bởi từ trường biến thiên theo thời gian, hoặc một số sự kết hợp của ba yếu tố này. [1] [2] Một vôn kế có thể được sử dụng để đo hiệu điện thế (hoặc hiệu điện thế) giữa hai điểm trong hệ thống; thường một điện thế tham chiếu chung chẳng hạn như mặt đất của hệ thống được sử dụng như một trong những điểm. Điện áp có thể đại diện cho một nguồn năng lượng (sức điện động) hoặc năng lượng bị mất, sử dụng hoặc tích trữ (sụt giảm tiềm năng)

Khi mô tả điện áp, dòng điện và điện trở, một phép tương tự phổ biến là bể chứa 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 = Phí

Áp suất = Điện áp

Flow = Hiện tại

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

Vì vậy, dòng điện thấp hơn trong bình có điện trở cao hơn.

Bước 3: Điện ：

Điện là sự hiện diện và dòng điện tích. Dạng được biết đến nhiều nhất của nó là dòng electron qua các vật dẫn như dây đồng.

Điện là một dạng năng lượng có ở dạng tích cực và tiêu cực, xuất hiện tự nhiên (như tia sét), hoặc được sản xuất (như trong máy phát điện). Nó là một dạng năng lượng mà chúng ta sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy móc và thiết bị điện. Khi các điện tích không chuyển động, điện được gọi là tĩnh điện. Khi các điện tích chuyển động, chúng là một dòng điện, đôi khi được gọi là 'điện động'. Sét là loại điện nổi tiếng và nguy hiểm nhất trong tự nhiên, nhưng đôi khi tĩnh điện khiến mọi thứ dính vào nhau.

Điện có thể nguy hiểm, đặc biệt là xung quanh nước vì nước là một dạng chất dẫn điện. Từ thế kỷ XIX, điện đã được sử dụng trong mọi lĩnh vực cuộc sống của chúng ta. Cho đến lúc đó, nó chỉ là một sự tò mò được nhìn thấy trong một cơn giông bão.

Điện có thể được tạo ra nếu một nam châm đi qua gần một dây kim loại. Đây là phương pháp được sử dụng bởi một máy phát điện. Máy phát điện lớn nhất là trong các nhà máy điện. Điện cũng có thể được tạo ra bằng cách kết hợp hóa chất trong bình với hai loại thanh kim loại khác nhau. Đây là phương pháp được sử dụng trong pin. Tĩnh điện được tạo ra thông qua lực ma sát giữa hai vật liệu. Ví dụ, một chiếc mũ len và một chiếc thước nhựa. Chà xát chúng với nhau có thể tạo ra tia lửa. Điện cũng có thể được tạo ra bằng cách sử dụng năng lượng từ mặt trời như trong tế bào quang điện.

Điện đến nhà thông qua dây dẫn từ nơi nó được tạo ra. Nó được sử dụng bởi đèn điện, lò sưởi điện, vv.. Nhiều thiết bị gia dụng như máy giặt và bếp điện sử dụng điện. Trong các nhà máy, có các máy phát điện. Những người xử lý điện và các thiết bị điện trong nhà và nhà máy của chúng tôi được gọi là "thợ điện".

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.

Bước 4: Điện trở và độ dẫn điện

Trong tương tự thủy lực, dòng điện chạy qua một dây dẫn (hoặc điện trở) giống như nước chảy qua một đường ống, và sự sụt giảm điện áp trên dây dẫn giống như sự sụt giảm áp suất đẩy nước qua đường ống. Độ dẫn tỷ lệ với mức độ dòng chảy xảy ra đối với một áp suất nhất định, và lực cản tỷ lệ với mức áp suất cần thiết để đạt được một dòng chảy nhất định. (Độ dẫn điện và điện trở là qua lại.)

Sự sụt giảm điện áp (tức là sự chênh lệch giữa điện áp ở một bên của điện trở và bên kia), không phải của chính điện áp, cung cấp động lực đẩy dòng điện qua điện trở. Trong thủy lực, nó tương tự: Sự chênh lệch áp suất giữa hai bên của một đường ống, không phải chính áp suất, sẽ xác định lưu lượng qua nó. Ví dụ, có thể có một áp lực nước lớn phía trên đường ống, cố gắng đẩy nước xuống qua đường ống. Nhưng có thể có một áp lực nước lớn không kém bên dưới đường ống, cố gắng đẩy nước ngược lên qua đường ống. Nếu các áp suất này bằng nhau thì không có nước chảy. (Trong hình bên phải, áp suất nước bên dưới đường ống bằng không.)

Điện trở và độ dẫn của dây dẫn, điện trở hoặc phần tử khác chủ yếu được xác định bởi hai thuộc tính:

• hình học (hình dạng) và
• vật liệu

Hình học rất quan trọng vì nó khó đẩy nước qua một đường ống dài và hẹp hơn một đường ống rộng và ngắn. Theo cách tương tự, dây đồng dài, mỏng có điện trở cao hơn (độ dẫn điện thấp hơn) so với dây đồng dày và ngắn.

Vật liệu cũng quan trọng. Một đường ống chứa đầy lông hạn chế dòng nước chảy hơn một đường ống sạch có cùng hình dạng và kích thước. Tương tự, các electron có thể chảy tự do và dễ dàng qua một dây đồng, nhưng không thể chảy dễ dàng qua một dây thép có cùng hình dạng và kích thước, và về cơ bản chúng hoàn toàn không thể chảy qua một chất cách điện như cao su, bất kể hình dạng của nó. Sự khác biệt giữa đồng, thép và cao su liên quan đến cấu trúc hiển vi và cấu hình electron của chúng, và được định lượng bằng một đặc tính gọi là điện trở suất.

Ngoài hình học và vật liệu, có nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến điện trở và độ dẫn điện.

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 một 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 với đường ống rộng hơn.

Trong thuật ngữ điện, điều này được biểu thị bằng hai 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 dòng điện chạy qua nó ít hơn.

Bước 5: Định luật Ohm ：

Định luật Ôm phát biểu rằng cường độ dòng điện qua vật dẫn giữa hai điểm tỉ lệ thuận với hiệu điện thế qua hai điểm đó. Giới thiệu hằng số tỉ lệ, điện trở, người ta đi đến phương trình toán học thông thường mô tả mối quan hệ này:

Trong đó I là cường độ dòng điện qua dây dẫn tính bằng ampe, V là hiệu điện thế đo trên dây dẫn tính bằng đơn vị vôn và R là điện trở của dây dẫn tính bằng đơn vị ôm. Cụ thể hơn, định luật Ohm phát biểu rằng R trong mối quan hệ này là không đổi, không phụ thuộc vào dòng điện.

Định luật này được đặt theo tên của nhà vật lý người Đức Georg Ohm, người, trong một chuyên luận xuất bản năm 1827, đã mô tả các phép đo điện áp và dòng điện đặt qua các mạch điện đơn giản có chứa các chiều dài khác nhau của dây. Ohm đã giải thích kết quả thí nghiệm của mình bằng một phương trình phức tạp hơn một chút so với dạng hiện đại ở trên (xem Lịch sử).

Trong vật lý, thuật ngữ định luật Ohm cũng được sử dụng để chỉ các khái niệm tổng quát khác nhau của định luật do Ohm xây dựng ban đầu.