Định luật Ohm: Cách hoạt động (Công thức và Tam giác Định luật Ohm)

Electrical4u

Trường dữ liệu: Điện Cơ Bản

China

Định luật Ohm là gì?

Định luật Ohm nêu rằng dòng điện chạy qua bất kỳ dây dẫn nào cũng tỷ lệ thuận với hiệu điện thế (điện áp) giữa hai đầu của nó, giả sử các điều kiện vật lý của dây dẫn không thay đổi.

Nói cách khác, tỷ lệ giữa hiệu điện thế giữa bất kỳ hai điểm nào của một dây dẫn và dòng điện chạy qua chúng là hằng số, miễn là các điều kiện vật lý (ví dụ: nhiệt độ v.v.) không thay đổi.

Toán học, định luật Ohm có thể được biểu diễn như sau,

$\begin{align*} I \propto V \end{align*}$

Khi giới thiệu hằng số tỷ lệ, tức là điện trở R trong phương trình trên, ta có,

$\begin{align*} I = \frac{V}{R} \,\, or \,\, V = I * R \end{align*}$

Trong đó,

R là điện trở của dây dẫn tính bằng Ohm ( $\Omega$ ),
I là dòng điện qua dây dẫn tính bằng Ampe (A),
V là điện áp hoặc hiệu điện thế đo được trên dây dẫn tính bằng Volt (V).

Định luật Ohm áp dụng cho cả DC và AC.

Mối quan hệ giữa hiệu điện thế hoặc điện áp (V), dòng điện (I) và điện trở (R) trong mạch điện đã được nhà vật lý người Đức George Simon Ohm phát hiện lần đầu tiên.

Đơn vị của điện trở là Ohm ( $\Omega$ ) được đặt tên để vinh danh George Simon Ohm.

Định luật Ohm hoạt động như thế nào?

Theo định nghĩa của định luật Ohm, dòng điện chảy qua dây dẫn hoặc điện trở giữa hai điểm tỷ lệ thuận với sự khác biệt về điện áp (hoặc hiệu điện thế) trên dây dẫn hoặc điện trở.

Nhưng… điều đó có thể hơi khó hiểu.

Vì vậy, hãy sử dụng một số so sánh để hiểu rõ hơn về định luật Ohm.

Đồng Ngữ 1

Hãy xem xét một bể nước được đặt ở một độ cao nhất định so với mặt đất. Có một ống dẫn ở đáy bể nước như hình dưới đây.

Analogy 1.png

Áp suất nước ở cuối ống dẫn tính bằng pascal tương đương với điện áp hoặc hiệu điện thế trong mạch điện.
Tốc độ dòng chảy của nước tính bằng lít mỗi giây tương đương với dòng điện tính bằng coulomb mỗi giây trong mạch điện.
Các vật cản dòng chảy nước như các lỗ hở đặt trong ống giữa hai điểm tương đương với các điện trở trong mạch điện.

Vì vậy, tốc độ dòng chảy nước qua vật cản lỗ hở tỷ lệ thuận với sự khác biệt về áp suất nước qua vật cản.

Tương tự, trong mạch điện, dòng điện chảy qua dây dẫn hoặc điện trở giữa hai điểm tỷ lệ thuận với sự khác biệt về điện áp hoặc hiệu điện thế qua dây dẫn hoặc điện trở.

Chúng ta cũng có thể nói rằng sức cản đối với dòng chảy nước phụ thuộc vào chiều dài ống, chất liệu của ống, và độ cao của bể nước đặt trên mặt đất.

Luật Ohm hoạt động theo cách tương tự trong mạch điện, khi sức cản điện đối với dòng điện phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn và chất liệu của dây dẫn được sử dụng.

Đồng Ngữ 2

Một đồng ngữ đơn giản giữa mạch thủy lực và mạch điện để mô tả cách Luật Ohm hoạt động được hiển thị trong hình dưới đây.

Analogy 2.png Analogy 2.2.png

Như đã thấy, nếu áp suất nước không đổi và sự hạn chế tăng (làm cho nước khó chảy hơn), thì tốc độ dòng chảy nước giảm.

Tương tự, trong mạch điện, nếu điện áp hoặc hiệu điện thế không đổi và sức cản điện tăng (làm cho dòng điện khó chảy hơn), thì tốc độ dòng điện tích tức là dòng điện giảm.

Bây giờ, nếu hạn chế đối với dòng chảy nước là không đổi và áp suất bơm tăng lên, thì tốc độ dòng chảy nước cũng tăng lên.

Tương tự, trong mạch điện, nếu trở kháng không đổi và hiệu điện thế hoặc điện áp tăng lên, thì tốc độ dòng chảy của điện tích, tức là cường độ dòng điện, cũng tăng lên.

Công thức Định luật Ohm

Mối quan hệ giữa điện áp hoặc hiệu điện thế, cường độ dòng điện và trở kháng có thể được viết theo ba cách khác nhau.

Nếu chúng ta biết hai giá trị, chúng ta có thể tính giá trị thứ ba chưa biết bằng cách sử dụng mối quan hệ của định luật Ohm. Do đó, định luật Ohm rất hữu ích trong các công thức và phép tính điện tử và điện.

Khi dòng điện đã biết đi qua trở kháng đã biết, thì điện áp giảm trên trở kháng có thể được tính bằng mối quan hệ

$\begin{align*} V = IR \,\, i.e., \,\, Potential \,\, Difference = Current * Resistance \end{align*}$

Khi một điện áp đã biết được áp dụng trên một trở kháng đã biết, thì cường độ dòng điện đi qua trở kháng có thể được tính bằng mối quan hệ

$\begin{align*} I = \frac{V}{R} \,\, i.e., \,\, Current = \frac{Potential \,\, Diffrence}{Resistance} \end{align*}$

Khi một điện áp đã biết được áp dụng trên một điện trở chưa biết và dòng điện chạy qua điện trở cũng được biết thì giá trị của điện trở chưa biết có thể được tính bằng mối quan hệ

$\begin{align*} R = \frac{V}{I} \,\, i.e., \,\, Resistance = \frac{Potential \,\, Diffrence}{Current} \end{align*}$

Công thức Định luật Ohm cho Công suất

Công suất truyền đi là tích của điện áp cung cấp và dòng điện.

Bây giờ, đặt $V = I * R$ vào phương trình (1) ta được,

$\begin{equation*} P = IR * I = I^2*R \end{equation*}$

Công thức này được biết đến như công thức tổn thất ohmic hoặc công thức làm nóng do điện trở.

Bây giờ, đặt $I = \frac{V}{R}$ vào phương trình (1) ta có,

(3) $\begin{equation*} P = V * \frac{V}{R}= \frac{V^2}{R} \end{equation*}$

Từ mối quan hệ trên, chúng ta có thể xác định công suất tiêu thụ trong điện trở nếu biết điện áp và điện trở hoặc dòng điện và điện trở.

Chúng ta cũng có thể xác định giá trị điện trở không biết bằng cách sử dụng mối quan hệ trên nếu biết điện áp hoặc dòng điện.

$\begin{align*} R = \frac{V^2}{P} \,\, \& \,\, R = \frac{P}{I^2} \end{align*}$

Nếu biết hai biến số trong số công suất, điện áp, dòng điện và điện trở thì bằng cách sử dụng định luật Ohm, chúng ta có thể xác định hai biến số còn lại.

$\begin{align*} P = \frac{V^2}{R} \,\,or\,\,R = \frac{V^2}{P} \,\,or\,\, V = \sqrt{PR} \end{align*}$

$\begin{align*} P = {I^2}{R} \,\,or\,\, R = \frac{P}{I^2} \,\,or\,\, I = \sqrt{\frac{P}{R}} \end{align*}$

Hạn chế của Định luật Ohm

Một số hạn chế của Định luật Ohm được thảo luận dưới đây.

Định luật Ohm không áp dụng cho tất cả các chất dẫn điện không kim loại. Ví dụ, đối với cacbua silic, mối quan hệ được cho bởi $V = KI^m$ trong đó K và m là hằng số và m<1.
Định luật Ohm không áp dụng cho các phần tử phi tuyến tính sau.

Điện trở
Dung kháng
Bán dẫn
Ống chân không
Dẫn điện
Chống điện than
Đèn hồ quang
Điôt Zener

(Lưu ý rằng các phần tử phi tuyến là những phần tử trong đó mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp không phải là tuyến tính, tức là dòng điện không chính xác tỷ lệ với điện áp được áp dụng.)

Định luật Ohm chỉ áp dụng cho các dẫn thể kim loại ở nhiệt độ không đổi. Nếu nhiệt độ thay đổi, định luật này không còn áp dụng.
Định luật Ohm cũng không áp dụng cho các mạng một chiều. Lưu ý rằng mạng một chiều chứa các phần tử một chiều như transistor, điôt, v.v. Các phần tử một chiều là những phần tử chỉ cho phép dòng điện chảy theo một hướng.

Tam giác Định luật Ohm

Các công thức cơ bản của định luật Ohm được tóm tắt dưới đây qua tam giác định luật Ohm.

Tam giác Định luật Ohm.png

Bài tập thực hành Định luật Ohm

Ví dụ 1

Như được hiển thị trong mạch dưới đây, dòng điện 4 A đang chảy qua điện trở 15 Ω. Xác định điện áp giảm trên mạch sử dụng định luật Ohm.

Giải pháp:

Dữ liệu đã cho: $I = 4\,\,A$ và $R = 15\,\,\Omega$

Theo định luật Ohm,

$\begin{align*} \begin{split} V = I * R \\ = 4*15 \\ V = 60 \,\, Volts \end{split} \end{align*}$

Vì vậy, bằng cách sử dụng phương trình định luật Ohm, chúng ta có được điện áp rơi trên mạch là 60 V.

Ví dụ 2

Như được hiển thị trong mạch dưới đây, một điện áp cung cấp 24 V được áp dụng qua điện trở 12 Ω. Xác định dòng điện chảy qua điện trở bằng cách sử dụng định luật Ohm.

$\begin{equation*} P = V * I \end{equation*}$

Giải pháp:

Dữ liệu đã cho: $V = 24\,\,V$ và $R = 12\,\,\Omega$

Theo định luật Ohm,

$\begin{align*} \begin{split} I = \frac{V}{R} \\ = \frac{24}{12} \\ I = 2 \,\, A (Ampere) \end{split} \end{align*}$

Như vậy, bằng cách sử dụng phương trình của định luật Ohm, chúng ta được biết dòng điện chạy qua điện trở là 2 A.

Ví dụ 3

Như được hiển thị trong mạch dưới đây, điện áp cung cấp là 24 V và dòng điện chạy qua điện trở không xác định là 2 A. Xác định giá trị không xác định của điện trở bằng cách sử dụng định luật Ohm.

Giải pháp:

Dữ liệu đã cho: $V = 24\,\,V$ và $I = 2\,\,A$

Theo định luật Ohm,

$\begin{align*} \begin{split} R = \frac{V}{I} \\ = \frac{24}{2} \\ R = 12 \,\, \Omega \end{split} \end{align*}$

Do đó, bằng cách sử dụng phương trình luật Ohm, chúng ta có được giá trị điện trở không xác định $12\,\,\Omega$ .

Ứng dụng của Luật Ohm

Một số ứng dụng của Luật Ohm bao gồm:

Để tính toán hiệu điện thế hoặc điện áp, điện trở và dòng điện không xác định trong mạch điện.
Luật Ohm được sử dụng trong mạch điện tử để xác định điện áp nội bộ giảm trên các thành phần điện tử.
Luật Ohm được sử dụng trong các mạch đo DC, đặc biệt là trong đồng hồ ampe DC, trong đó một shunt điện trở thấp được sử dụng để chuyển hướng dòng điện.

Nguồn: Electrical4u

Tuyên bố: Trân trọng nguyên bản, bài viết tốt xứng đáng được chia sẻ, nếu có vi phạm quyền nhân quyền xin liên hệ để xóa.