Đoạn mạch nối tiếp là đoạn mạch trong đó các dụng cụ điện được mắc liên tiếp nhau, dòng điện đi qua lần lượt từng dụng cụ. Hãy cùng tìm hiểu các đặc điểm quan trọng của nó.
Suy nghĩ một chút
Hai bóng đèn 2 Ω và 8 Ω mắc nối tiếp vào nguồn 10 V. Bóng nào sáng hơn? (Em đoán trước khi tính nhé)
Vì dòng điện như nhau nên theo định luật Ôm ta có: U₁/U₂ = R₁/R₂. Hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở tỉ lệ thuận với giá trị điện trở đó.
Đề bài
Hai điện trở R₁ = 5 Ω và R₂ = 10 Ω mắc nối tiếp vào hiệu điện thế 9 V. Tính điện trở tương đương, cường độ dòng điện và hiệu điện thế trên mỗi điện trở.
Lời giải
R_tđ = R₁ + R₂ = 5 + 10 = 15 Ω. I = U/R_tđ = 9/15 = 0,6 A (dòng điện qua cả hai điện trở đều là 0,6 A). U₁ = I·R₁ = 0,6 × 5 = 3 V. U₂ = I·R₂ = 0,6 × 10 = 6 V. Kiểm tra: U₁ + U₂ = 3 + 6 = 9 V = U. Đúng.
Đề bài
Ba điện trở giống nhau, mỗi cái 4 Ω, mắc nối tiếp. Tính điện trở tương đương.
Lời giải
R_tđ = 3 × 4 = 12 Ω. Điện trở tương đương của n điện trở giống nhau mắc nối tiếp là n·R.
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Quan sát ampe kế: dòng điện qua R₁ và qua R₂ có giống nhau không? (Phải giống nhau tại mọi điểm.)
- 2Tăng giá trị R₂ lên. Điện trở tương đương tăng → dòng điện giảm → cả hai đèn cùng tối đi.
- 3Chú ý hiệu điện thế: bóng có điện trở lớn hơn nhận hiệu điện thế lớn hơn (U₁/U₂ = R₁/R₂).
- 4Bấm ngắt mạch: cả hai bóng cùng tắt — vì mạch nối tiếp, hở một chỗ là mất điện toàn mạch.
Mô phỏng: Đoạn mạch nối tiếp
- Dòng điện I (giống nhau mọi điểm)
- Hiệu điện thế U
- Điện trở tương đương
- 15 Ω
- Cường độ dòng điện
- 0,6 A
- U₁ (trên R₁)
- 3 V
- U₂ (trên R₂)
- 6 V
- Kiểm tra U₁ + U₂
- 9 V
R_tđ = R₁ + R₂. Dòng điện như nhau tại mọi điểm. Thử ngắt mạch để thấy cả hai đèn cùng tắt — đặc trưng của mạch nối tiếp.
Đặc điểm quan trọng: điện trở tương đương của đoạn mạch nối tiếp LUÔN lớn hơn mỗi điện trở thành phần. Đây là dấu hiệu nhận biết nhanh khi làm bài tập.
Mạch nối tiếp quanh em
Mạch nối tiếp có mặt trong nhiều thiết bị, và cũng chính là nguyên nhân của những sự cố quen thuộc.
Dây đèn nháy (đèn LED trang trí) — một bóng cháy là cả dây tắt
Các bóng đèn trang trí kiểu cũ mắc nối tiếp nhau nên dòng điện đi qua lần lượt từng bóng. Nếu một bóng đứt, mạch bị hở, dòng điện không còn đường đi nên cả dây tắt. Đây chính là nhược điểm điển hình của mạch nối tiếp.
Lý thuyết của bài: Mạch nối tiếp: hở một chỗ là mất dòng toàn mạch.
Cầu chì mắc nối tiếp với thiết bị điện
Cầu chì được mắc nối tiếp trong mạch điện để mọi dòng điện của thiết bị đều đi qua nó. Khi dòng vượt mức an toàn, dây cầu chì nóng chảy và đứt — mạch hở, cắt điện bảo vệ thiết bị. Nhờ mắc nối tiếp nên cả mạch đều được ngắt.
Lý thuyết của bài: Mắc nối tiếp để dòng điện chạy qua cầu chì bằng dòng của toàn mạch.
Công tắc điện trong nhà
Công tắc được mắc nối tiếp với bóng đèn. Khi bật, công tắc nối liền mạch cho dòng điện đi qua; khi tắt, nó ngắt mạch nên đèn tắt. Vì mạch nối tiếp, công tắc điều khiển được dòng điện của cả đèn.
Lý thuyết của bài: Mạch nối tiếp: ngắt ở một điểm là ngắt cả mạch.
Các bóng đèn báo trên bảng điều khiển mắc nối tiếp
Một số bóng đèn báo (đèn LED nhỏ) mắc nối tiếp để chia nhau hiệu điện thế, tránh mỗi bóng phải chịu toàn bộ hiệu điện thế lớn gây cháy. Điện trở lớn hơn sẽ gánh hiệu điện thế lớn hơn theo tỉ lệ U₁/U₂ = R₁/R₂.
Lý thuyết của bài: Nối tiếp: U = U₁ + U₂, hiệu điện thế chia theo tỉ lệ điện trở.
Pin nối tiếp trong đèn pin và điều khiển
Các viên pin mắc nối tiếp (cực dương pin này nối cực âm pin kia) làm hiệu điện thế cộng dồn: hai pin 1,5 V nối tiếp cho 3 V. Đây là ứng dụng của quy tắc U = U₁ + U₂ cho nguồn điện.
Lý thuyết của bài: Mắc nối tiếp cộng dồn các hiệu điện thế.
Vì sao R_tđ = R₁ + R₂ trong mạch nối tiếp?
Trực giác:Mắc nối tiếp giống như nối hai đoạn ống nước lại thành một ống dài hơn. Nước (dòng điện) phải chảy qua lần lượt cả hai đoạn, chịu trở lực của cả hai — nên "độ cản" tổng bằng tổng các độ cản.
- 1Trong mạch nối tiếp, dòng điện đi lần lượt qua các điện trở, nên cường độ dòng điện bằng nhau tại mọi điểm: I = I₁ = I₂.
- 2Hiệu điện thế hai đầu cả đoạn mạch bằng tổng hiệu điện thế trên từng điện trở: U = U₁ + U₂.
- 3Áp dụng định luật Ôm cho từng đoạn: U₁ = I·R₁ và U₂ = I·R₂.
- 4Thay vào: U = I·R₁ + I·R₂ = I·(R₁ + R₂).
- 5Theo định nghĩa R_tđ = U/I, chia hai vế cho I ta được R_tđ = R₁ + R₂. Muốn vậy, R_tđ luôn lớn hơn mỗi điện trở thành phần.
Ý nghĩa: Điện trở tương đương nối tiếp cộng dồn vì dòng điện phải "vượt qua" liên tiếp từng chướng ngại. Hệ quả quan trọng: R_tđ luôn lớn hơn điện trở lớn nhất trong mạch.