Khi đặt một hiệu điện thế U vào hai đầu một dây dẫn, trong dây dẫn xuất hiện dòng điện. Cường độ dòng điện này phụ thuộc vào hiệu điện thế đặt vào như thế nào? Đây là câu hỏi trung tâm của bài học hôm nay. Nhưng trước khi học công thức, ta hãy hiểu bản chất: dòng điện thực ra là gì?
Suy nghĩ một chút
Nếu dòng điện là dòng hạt, thì "cường độ dòng điện 2 A" mạnh gấp đôi "1 A" nghĩa là gì, theo cách nghĩ về hạt?
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Đầu tiên hãy kéo U về 0. Em thấy electron chuyển động thế nào? (Gợi ý: chúng vẫn chuyển động hỗn loạn nhưng không dịch chuyển thành dòng — nên chưa có dòng điện.)
- 2Từ từ tăng U lên. Electron bị đẩy mạnh hơn, dịch chuyển nhanh hơn → số hạt qua mỗi giây tăng → I tăng.
- 3Giữ U không đổi, tăng R lên thật lớn. Electron va chạm nhiều hơn, tốc độ trôi giảm → I giảm.
- 4Đối chiếu con số "electron/giây" ở góc trên với giá trị I. Nhận xét: I càng lớn thì càng nhiều electron.
Mô phỏng vi mô: electron, mạng tinh thể và điện trở
- Electron tự do (–) dịch chuyển có hướng
- Ion dương (+) của mạng tinh thể
- Hướng điện trường (từ + sang –)
- Cường độ dòng điện I
- 0,5 A
- Electron mỗi giây
- 3,12·10¹⁸
- Mật độ nút mạng
- 26%
- Công suất P = U·I
- 3 W
Ở chế độ 'Mạng tinh thể': các vòng đỏ (+) là ion dương cố định của kim loại. Electron (–) bị điện trường đẩy về phía cực dương, nhưng trên đường đi va chạm với các ion nên bị cản — đó chính là ĐIỆN TRỞ. Tăng R làm mạng dày hơn (nhiều chướng ngại), dòng yếu đi. Tăng U làm electron bị đẩy mạnh hơn, dòng mạnh lên.
Ẩn dụ dòng nước — cách hình dung trực giác nhất
Trong vật lý
Hiệu điện thế U (V)
Trong đời thường
Độ cao cột nước / áp lực nước
Cột nước càng cao thì áp lực càng lớn, nước càng bị đẩy mạnh. Tương tự, hiệu điện thế càng lớn thì "sức đẩy" lên electron càng mạnh.
Ẩn dụ dòng nước — dòng chảy và vật cản
Trong vật lý
Cường độ dòng điện I (A)
Trong đời thường
Lưu lượng nước chảy qua ống mỗi giây
Lưu lượng là lượng nước qua mặt cắt ống trong một giây. Dòng điện cũng vậy: số electron qua tiết diện dây trong một giây.
Ẩn dụ dòng nước — ống hẹp
Trong vật lý
Điện trở R (Ω)
Trong đời thường
Độ hẹp / độ nhám của ống dẫn
Ống càng hẹp hoặc càng nhám thì nước chảy càng khó. Điện trở chính là "độ cản trở" mà vật dẫn gây ra cho dòng electron.
Lưu ý: Ẩn dụ chỉ để hình dung, KHÔNG phải vật lý thật. Ví dụ: electron chuyển động cực chậm chứ không "ào ào" như nước; nước chảy do trọng lực, còn dòng điện do điện trường.
Ẩn dụ dòng nước: hình dung U – I – R
- Nước (dòng điện I)
- Mực nước (hiệu điện thế U)
- Ống hẹp (điện trở R)
- Cường độ dòng điện I
- 0,5 A
- Hiệu điện thế U
- 6 V
- Điện trở R
- 12 Ω
- So sánh
- Nước đang chảy
U tăng → nước chảy mạnh hơn. R tăng (ống hẹp) → nước chảy yếu hơn. Đúng như I = U/R.
Giờ ta đã có trực giác. Hãy quay lại thí nghiệm đo đạc: mắc một dây dẫn vào nguồn điện có hiệu điện thế thay đổi được, rồi đo cường độ dòng điện tương ứng. Kết quả cho thấy: hiệu điện thế tăng bao nhiêu lần thì cường độ dòng điện cũng tăng bấy nhiêu lần.
Thương số U/I là một hằng số đối với mỗi dây dẫn. Hằng số đó được gọi là điện trở R của dây dẫn. Điện trở là "dấu vân tay" của dây dẫn: nó không phụ thuộc vào U hay I, mà phụ thuộc vào vật liệu và kích thước dây.
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Giữ R và kéo U từ 0 lên 24. Quan sát điểm đỏ chạy dọc theo đường thẳng — I tăng tỉ lệ thuận với U.
- 2Bấm "Lưu đường này để so sánh", rồi đổi R sang một giá trị khác và lưu thêm.
- 3So sánh các đường: đường nào dốc hơn thì ứng với R nhỏ hơn. Tỉ số U/I luôn bằng đúng R.
- 4Rút ra: một dây dẫn được đặc trưng hoàn toàn bằng độ dốc 1/R của nó trên đồ thị I–U.
Khám phá đồ thị I–U: độ dốc chính là 1/R
- Cường độ dòng điện I
- 0,5 A
- Tỉ số U/I
- 12 Ω
- Độ dốc = 1/R
- 0,0833
- Đang so sánh
- 0 đường
Với một dây dẫn, đồ thị I theo U luôn là đường thẳng qua gốc toạ độ. Độ dốc càng lớn (đường càng dựng đứng) nghĩa là R càng nhỏ. Lưu vài đường với R khác nhau để so sánh trực tiếp.
Giữ R không đổi
- U tăng 2 lần → I tăng 2 lần
- U tăng 3 lần → I tăng 3 lần
- Quan hệ tỉ lệ thuận: I ~ U
Giữ U không đổi
- R tăng 2 lần → I giảm 2 lần
- R tăng 3 lần → I giảm 3 lần
- Quan hệ tỉ lệ nghịch: I ~ 1/R
Đề bài
Đặt hiệu điện thế 6 V vào hai đầu một điện trở R = 12 Ω. Tính cường độ dòng điện chạy qua điện trở.
Lời giải
Áp dụng định luật Ôm: I = U/R = 6/12 = 0,5 A. Vậy cường độ dòng điện chạy qua điện trở là 0,5 A.
Đề bài
Một dây dẫn có dòng điện 0,4 A chạy qua khi mắc vào hiệu điện thế 8 V. Tính điện trở của dây dẫn.
Lời giải
Từ định luật Ôm suy ra R = U/I = 8/0,4 = 20 Ω.
Hãy kéo các thanh trượt trong mô phỏng dưới đây để tự mình kiểm chứng: tăng hiệu điện thế thì đèn sáng hơn (dòng điện lớn hơn), tăng điện trở thì đèn tối đi (dòng điện nhỏ hơn).
Mô phỏng: Định luật Ôm
- Electron (dòng điện) chạy trong mạch
- Hiệu điện thế U
- Đường đặc trưng I–U
- Cường độ dòng điện I
- 0,5 A
- Hiệu điện thế U
- 6 V
- Điện trở R
- 12 Ω
- Công suất P = U·I
- 3 W
Với R = 12 Ω, đồ thị I theo U là đường thẳng có độ dốc 1/R.
- Đơn vị cường độ dòng điện: ampe (A).
- Đơn vị hiệu điện thế: vôn (V).
- Đơn vị điện trở: ôm (Ω). Với 1 Ω = 1 V/1 A.
Định luật Ôm quanh em
Định luật Ôm không chỉ nằm trong sách — nó giải thích gần như mọi thiết bị điện em dùng hằng ngày, từ bóng đèn đến sạc điện thoại.
Vặn núm điều chỉnh độ sáng của đèn (dimmer)
Khi em vặn núm tăng độ sáng, mạch điều chỉnh sẽ tăng hiệu điện thế U đặt lên bóng đèn. Vì điện trở R của dây tóc gần như không đổi, theo định luật Ôm I = U/R, cường độ dòng điện I tăng lên, dây tóc nóng hơn và phát sáng mạnh hơn. Giảm U thì ngược lại, đèn tối đi.
Lý thuyết của bài: I = U/R — giữ R không đổi, I tỉ lệ thuận với U.
Sạc điện thoại nhanh và chậm
Một củ sạc "nhanh" đặt hiệu điện thế cao hơn (hoặc cùng U nhưng điện trở trong mạch nhỏ hơn). Theo I = U/R, hiệu điện thế càng lớn (hoặc điện trở càng nhỏ) thì dòng điện nạp càng mạnh, pin đầy càng nhanh. Đó là lí do sạc 5V–1A nạp chậm hơn sạc 5V–2A.
Lý thuyết của bài: I = U/R — muốn dòng lớn thì tăng U hoặc giảm R.
Vì sao cắm nhiều thiết bị vào một ổ điện lại có thể gây nóng, cháy?
Mỗi thiết bị có điện trở. Khi cắm song song nhiều thiết bị, điện trở tương đương của cả ổ giảm xuống, trong khi hiệu điện thế U của lưới điện (220V) không đổi. Theo I = U/R, R giảm làm tổng dòng điện I tăng vọt, dây dẫn và ổ cắm nóng lên, có thể gây cháy. Vì vậy các ổ điện đều ghi dòng tối đa (ví dụ 10 A).
Lý thuyết của bài: I = U/R — R giảm thì I tăng (khi U không đổi).
Bóng đèn sợi đốt dễ cháy ngay khi vừa bật công tắc
Lúc còn nguội, dây tóc vonfam có điện trở nhỏ. Theo I = U/R, R nhỏ nên dòng điện bật lên rất lớn, làm dây tóc nóng đột ngột và dễ đứt. Khi đã sáng, dây tóc nóng nên điện trở lớn hơn, dòng điện ổn định trở lại.
Lý thuyết của bài: I = U/R — điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng.
Đường dây điện cao thế phải dùng dây to
Dây càng to thì điện trở R càng nhỏ, dòng điện truyền đi càng dễ và ít bị nóng. Nếu dùng dây nhỏ, điện trở lớn, dòng điện bị cản, dây nóng và hao phí điện năng. Đây là ứng dụng trực tiếp của việc hiểu R phụ thuộc vào kích thước dây.
Lý thuyết của bài: R = ρ·l/S (bài sau) — nhưng vẫn tuân theo I = U/R của toàn mạch.
Vì sao lại có công thức I = U/R?
Trực giác:Hãy hình dung dòng điện như dòng nước trong ống: hiệu điện thế U giống như "áp lực" đẩy nước, còn điện trở R giống như "độ hẹp" của ống. Áp lực càng lớn thì nước chảy càng mạnh; ống càng hẹp thì nước chảy càng yếu.
- 1Thí nghiệm 1: giữ điện trở R không đổi, thay đổi hiệu điện thế U và đo cường độ dòng điện I. Kết quả: U tăng 2 lần thì I tăng 2 lần, U tăng 3 lần thì I tăng 3 lần.
- 2Từ đó rút ra U và I tỉ lệ thuận với nhau: I = (hằng số) × U. Hằng số này chỉ phụ thuộc vào dây dẫn.
- 3Thí nghiệm 2: giữ U không đổi, thay đổi dây dẫn (đổi điện trở). Dây nào cản dòng mạnh (R lớn) thì I nhỏ, và đúng bằng I tỉ lệ nghịch với R: I = (hằng số) / R.
- 4Gộp hai kết quả: U tỉ lệ thuận với I, còn R tỉ lệ nghịch với I. Khi định nghĩa R = U/I (điện trở = hiệu điện thế chia dòng điện), ta được công thức gọn: I = U/R.
- 5Kiểm chứng: nếu U = 6 V, R = 12 Ω thì I = 6/12 = 0,5 A — đúng bằng số đo thực nghiệm.
Ý nghĩa: Công thức I = U/R chẳng qua là cách viết gọn của hai quy luật thực nghiệm: I tỉ lệ thuận với U và tỉ lệ nghịch với R. Đại lượng R = U/I được định nghĩa là điện trở — đặc trưng riêng của từng dây dẫn, không đổi dù U và I thay đổi.