Điện trở · Đặc tuyến I–U · Định luật Ohm · Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nêu được ý nghĩa điện trở; phát biểu định luật Ohm cho vật dẫn kim loại ở nhiệt độ không đổi; giải thích hình dạng đặc tuyến vôn–ampe; phân biệt điện trở và điện trở suất, nhận biết ảnh hưởng của nhiệt độ đối với dây kim loại, dây tóc và nhiệt điện trở.
Mắc ampe kế nối tiếp và vôn kế song song; thu thập số liệu \(U,I\); xác định \(R\) từ tỉ số hoặc độ dốc đồ thị; vận dụng \(R=\rho l/S\), \(R=R_0[1+\alpha(t-t_0)]\) trong giới hạn gần đúng; phân tích dữ liệu NTC.
Điện trở đặc trưng cho mức độ cản trở dòng điện trong vật dẫn. Trong phép đo, ampe kế mắc nối tiếp với vật dẫn, còn vôn kế mắc song song với hai đầu vật dẫn. Thay đổi hiệu điện thế, ghi từng cặp \((U,I)\) và nhận xét tỉ số \(U/I\).
Sơ đồ nguyên lí minh họa: A nối tiếp với vật dẫn; V song song hai đầu vật dẫn. Nguồn điều chỉnh có giới hạn dòng để tránh quá tải.
Khi nhiệt độ giữ không đổi, vật dẫn ohmic có đường đặc trưng vôn–ampe thẳng qua gốc. Với trục hoành U và trục tung I, độ dốc là \(1/R\); vật dẫn có R nhỏ hơn sẽ có đường dốc hơn.
Đối với vật dẫn kim loại ở nhiệt độ xác định, cường độ dòng điện tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn và tỉ lệ nghịch với điện trở. Tăng U chỉ làm I tăng theo tỉ lệ nếu R được giữ không đổi.
Trong kim loại, electron dẫn bị tán xạ bởi dao động nhiệt của mạng ion và khuyết tật/tạp chất. Với nhiều kim loại trong phạm vi thích hợp, khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng. Điện trở suất phụ thuộc vật liệu và nhiệt độ, còn điện trở của dây còn phụ thuộc chiều dài và tiết diện.
Dây tóc bóng đèn: dòng điện làm nóng dây tóc; khi tăng U, nhiệt độ và R có thể tăng, vì vậy đặc tuyến I–U cong và không thể thay bằng đường thẳng có R cố định.
Nhiệt điện trở: NTC có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng; PTC có điện trở tăng theo nhiệt độ. Các mô hình nhiệt điện trở không đồng nhất với công thức gần đúng tuyến tính dùng cho kim loại.
| Đại lượng | Kí hiệu | Đơn vị SI | Điểm cần nhớ |
|---|---|---|---|
| Hiệu điện thế | U | V | Đặt giữa hai đầu linh kiện |
| Cường độ dòng điện | I | A | Qua linh kiện |
| Điện trở | R | Ω | Phụ thuộc cấu tạo, vật liệu và nhiệt độ |
| Điện trở suất | ρ | Ω·m | Phụ thuộc vật liệu, nhiệt độ |
| Hệ số nhiệt điện trở | α | K⁻¹ | Trong mô hình gần đúng cho kim loại |
| Đại lượng và đơn vị | R đo bằng Ω; U là hiệu điện thế giữa hai đầu phần tử (V), I là cường độ dòng điện qua phần tử (A). |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Chỉ lấy tỉ số khi I khác 0; giá trị R có thể thay đổi theo nhiệt độ và điểm làm việc. |
| Đại lượng và đơn vị | Điện trở R>0 không đổi, đơn vị Ω; I tính bằng A. |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Vật dẫn kim loại ở nhiệt độ xác định; không mặc định dây tóc nóng sáng hay NTC có R hằng số. |
| Đại lượng và đơn vị | G đo bằng siemens (S); đồ thị có trục hoành U (V), trục tung I (A). |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Chỉ khi đặc tuyến là đường thẳng qua gốc: độ dốc càng lớn thì R càng nhỏ. |
| Đại lượng và đơn vị | ρ là điện trở suất (Ω·m), l là chiều dài (m), S là tiết diện vuông góc dòng điện (m²). |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Dây đồng chất, tiết diện đều, nhiệt độ xác định. Không nhầm diện tích mặt ngoài với tiết diện. |
| Đại lượng và đơn vị | d là đường kính dây (m), S có đơn vị m². |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Nếu đường kính tăng 2 lần và l, ρ không đổi, R giảm 4 lần. |
| Đại lượng và đơn vị | R₀ tại t₀, α hệ số nhiệt điện trở (K⁻¹), t − t₀ đo bằng °C hoặc K chênh lệch. |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Gần đúng cho kim loại trong khoảng giới hạn, yêu cầu 1 + αΔt > 0. |
| Đại lượng và đơn vị | ρ₀ tại t₀ và α đặc trưng vật liệu. |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Gần đúng cùng khoảng nhiệt độ; giả sử thay đổi hình học không đáng kể. |
| Đại lượng và đơn vị | P (W), U (V), I (A), R (Ω). |
|---|---|
| Điều kiện áp dụng | Công thức U²/R dùng cho phần tử thuần điện trở tại đúng thời điểm xét; nếu R đổi theo nhiệt độ thì phải tính lại R. |
Đo được U = 6,0 V và I = 0,30 A qua dây dẫn kim loại ổn định nhiệt. Tính R (Ω).
R=U/I=6,0/0,30=20 Ω. Mắc ampe kế nối tiếp, vôn kế song song.
Đặt U = 9 V lên điện trở R = 30 Ω không đổi. Tính I (A).
I=U/R=9/30=0,30 A.
Trên đồ thị có trục U (V) ngang, I (A) đứng, đường thẳng qua O và A(4 V; 0,20 A). Tính R (Ω).
G=I/U=0,20/4=0,05 S; R=1/G=20 Ω.
Hai điện trở R₁=20 Ω và R₂=40 Ω đặt cùng U=8 V. Tính I₁, I₂ (A).
I₁=8/20=0,40 A; I₂=8/40=0,20 A. Đồ thị I–U của R₁ dốc hơn.
Dây dài 5 m, có S=1 mm², điện trở suất ρ=1,7×10⁻⁸ Ω·m ở nhiệt độ đang xét. Tính R (Ω).
S=10⁻⁶ m²; R=ρl/S=1,7×10⁻⁸×5/10⁻⁶=0,085 Ω.
Dây đường kính 2 mm dài 10 m, ρ=1,57×10⁻⁸ Ω·m. Tính R gần đúng (Ω).
S=π(0,002)²/4≈3,142×10⁻⁶ m²; R≈0,05 Ω.
Dây kim loại có R₀=20 Ω ở 20 °C, α=0,004 K⁻¹. Tính R ở 70 °C.
Δt=70−20=50 °C; R=20(1+0,004×50)=24 Ω.
Ở U không đổi 5 V, NTC có R=10 kΩ ở 25 °C và R=5 kΩ ở nhiệt độ cao hơn. Tính I tương ứng (mA).
I₁=5/10000=0,50 mA; I₂=5/5000=1,00 mA. Không dùng hệ số α dương của kim loại cho NTC.
1. Ở U=6 V, điện trở 10 Ω cho dòng điện lớn hơn hay nhỏ hơn điện trở 30 Ω? 2. Đồ thị I–U qua gốc có dốc càng lớn thì điện trở càng lớn hay càng nhỏ? 3. Khi nhiệt độ tăng, R của dây đồng và NTC có cùng xu hướng không?
Chọn vật dẫn, chỉnh nguồn có giới hạn dòng, đóng khóa K và đọc ampe kế/vôn kế. Giá trị đo là lý tưởng và không có sai số ngẫu nhiên.
| Lần | R (Ω) | U (V) | I (A) | U/I (Ω) |
|---|---|---|---|---|
| Chưa có số liệu; hãy đóng K và nhấn “Ghi lần đo”. | ||||
Khi K mở, mạch hở: số chỉ U và I mô phỏng ở vật dẫn bằng 0, không được tính tỉ số 0/0.
Hai vật dẫn ohmic có đặc tuyến thẳng. Dây có cùng vật liệu, tiết diện, nhiệt độ nhưng dài hơn sẽ có R lớn hơn.
Đường cong NTC dùng công thức mô hình có tham số B=3500 K và nhiệt độ tuyệt đối T (K). Với kim loại dùng gần đúng tuyến tính. Không dùng chung mô hình cho hai vật liệu.
Hai đường cùng dùng trục R (Ω), NTC chọn 100 Ω ở 25 °C; giá trị NTC là mô hình lý tưởng hóa, không phải số đo từ thiết bị thực.
Nhập đáp số không kèm đơn vị (đơn vị đã nêu trong đề), sử dụng dấu phẩy hoặc dấu chấm. Với các kết quả yêu cầu làm tròn ba chữ số, chương trình chấp nhận sai số do làm tròn. Không hiện đáp án trước khi người học mở lời giải.
8 câu ABCD (2 điểm), 4 câu Đúng/Sai bốn ý (4 điểm), 8 câu trả lời ngắn (2 điểm) và 2 câu tự luận (2 điểm, theo rubric). Không hiển thị đáp án trước khi nộp.
Tóm tắt nguyên lí, điều kiện và cách đọc đặc tuyến.
Georg Simon Ohm (1789–1854) nghiên cứu bằng thực nghiệm mối liên hệ giữa dòng điện và hiệu điện thế của vật dẫn. Đơn vị điện trở Ω được đặt theo tên ông.
NTC được dùng trong cảm biến và đo nhiệt độ. Giá trị R có thể giảm mạnh khi nhiệt độ tăng; cần tra bảng/đường chuẩn của từng loại, không dùng α của dây kim loại.
Khi dây tóc nóng sáng, điện trở có thể lớn hơn nhiều so với lúc nguội. Vì thế, dòng khởi động có thể lớn; đèn LED có cấu tạo và nguyên lí hoạt động khác.