Lý thuyết điện tử

by SC

Trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu và ôn tập lại một chút về các khái niệm như dòng điện, điện áp, công suất, năng lượng, về định luật Ohm, luật Kirchoffs ..

Mục đích

  • Hiểu về dòng điện, điện áp, công suất
  • Hiểu về định luật Ohm
  • Hiểu về luật Kirchoffs

Trước khi bắt đầu bài viết thì mình nghĩ các bạn cũng đã có một số kiến thức về điện tử, tuy nhiên mình sẽ vẫn tóm tắt lại để chúng ta có thể nắm bắt lại kiến thức

Dòng điện I được định nghĩa là tốc độ di chuyển của electron. Ví dụ 1 ampe (1A) là 6.241×1018 electrons trong 1 giây. hoặc là 1 cu lông(coulomb). Dòng điện được đo bằng số electron di chuyển trong 1 giây qua 1 điểm, nó có biên độ và hướng. Vì electron mang điện tích âm nên nếu electron di chuyển sang trái thì dòng điện sẽ đi về bên phải.

Điện áp V là thuật ngữ để nói lên sự khác biệt về điện thế giữa 2 điểm. Đơn vị của nó là volt (V). Điện áp là lực điện để sinh ra dòng điện

Ví dụ: Xét 2 loại vật dẫn điện là dây dẫn và điện trở. Dây dẫn thường được làm bằng đồng thường sẽ cho dòng điện đi qua tự do do điện trở của nó là 0 Ω. nhưng với điện trở thì khác, cần phải có một năng lượng để dòng điện có thể đi qua được điện trở.

Mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và điện trở thông qua định luật Ohm

V = I * R Voltage = Current * Resistance
I = V / R Current = Voltage / Resistance
R = V / I Resistance = Voltage / Current
Ví dụ:

Như hình đầu tiên ta sẽ thấy chiều của dòng điện I sẽ đi từ + đến -, hình thứ 2 là mạch điện dùng điện áp 3.7V của pin qua điện trở 1 kΩ, theo định luật Ohm thì sẽ tính được dòng điện qua trở là 3.7mA.
Có 2 cách để hiểu rõ hơn về khái niệm dòng điện, điện áp và điện trở

Cách 1 là nước chảy qua đường ống với công thức

Flow = Pressure/Resistance

Cách 2 là lượng nhiệt qua chất rắn với công thức

Flow = (T1-T2)/Resistance

Công suất là một thông số quan trọng nữa cần phải quan tâm khi dòng điện đi qua điện trở. Năng lượng kí hiệu là P với đơn vị là Watt và thường được tính với công thức

P = V * I                     Power = Voltage  * Current

P = V2 / R                  Power = Voltage2 / Resistance

P = I2 * R                   Power = Current2 * Resistance

Công thức của nước ngoài thì hơi khác 1 chút là họ dùng V thay cho U.

Năng lượng đơn vị Joules (Jun) được lưu trong pin có thể được tính toán bởi điện áp (V), dòng điện(A) và thời gian(giây), giống như công suất thì năng lượng là một đại lượng vô hướng, có công thức tính

E = V * I * t                Energy = Voltage  * Current  * time

E = P * t                    Energy = Power  * time

Lý thuyết mạch điện

Như hình trên thì ta có thể thấy một mạch điện cơ bản nhất sẽ bao gồm pin, bóng đèn và công tắc.

Với công tắc là ta có thể thay đổi được trạng thái của mạch điện, ở đây khi công tắc bật thì điện trở bằng 0, dòng điện sẽ đi qua công tắc làm đèn sáng, ngược lại nếu công tắc không được bật thì điện trở là vô cùng, do đó sẽ không có bất kì dòng điện nào qua dẫn tới đèn tắt.

Trong thực tế thì khi công tắc ON điện trở thường nhỏ hơn  0.1Ω, ta có thể coi giá trị lý tưởng của nó bằng 0, còn công tắc OFF giá trị điện trở sẽ lớn hơn 100MΩ, ta sẽ coi nó bằng vô cùng.

Định luật Kirchhoff

Có một số luật cho phép chúng ta có thể tính toán được dòng điện và điện áp trong một mạch điện cơ bản

  • Dòng điện luôn xuất hiện trong 1 vòng kín, ví dụ như hình trên khi đóng công tắc thì dòng điện sẽ chảy từ cực dương của pin theo công tắc qua bóng đèn về cực âm. Nếu không có vòng kín thì sẽ không có dòng điện như trường hợp công tắc mở.
  • Định luật Kirchhoff về điện áp (Kirchhoff’s Voltage Law) : tổng giá trị điện áp trong vòng kín là bằng 0.
  • Định luật Kirchhoff về dòng diện (Kirchhoff’s Current Law): Tổng giá trị dòng điện vào một nút bằng tổng các dòng điện ra khỏi nút đó

Ví dụ hình trên thì tại Node A I1 = I2, Node B I3 = I4+I5, Node C I6+I7 = I8+I9.

Tính tổng trở

Điện trở mắc nối tiếp (Series resistance): Nếu R1 mắc nối tiếp với R2 thì ta sẽ có công thức tính

V2 = IR2 = (V/R)R2 = V*R2/(R1+R2)

Điện trở mắc song song (Parallel resistance): R1 mắc song song với R2 thì ta có công thức

R = (R1*R2)/(R1+R2) = 1/ (1/R1 + 1/R2)

I1 = V/R1= (IR)/R1 = I(R1R2/(R1+R2))/R1 = IR2/(R1+R2)

I2 = V/R2= (IR)/R2 = I(R1R2/(R1+R2))/R2 = IR1/(R1+R2)

I = I1+I2

Tạm kết

Vậy là xong được một số khái niệm cơ bản về dòng điện, điện áp, công suất, năng lượng, định luật Kirchhoff, các cách mắc và tính toán điện trở mắc song song nối tiếp, ở bài viết này mình chỉ tập trung những khái niệm cơ bản nhất cũng như ôn tập lại để các bạn có thể nắm bắt được bài tiếp theo.