Tải bản đầy đủ (.pdf) (7 trang)

Bài giảng Điện học (Phần 22) pps

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (196.34 KB, 7 trang )

Bài giảng Điện học
(Phần 22)
4.3 Các điện trở mắc nối tiếp
Hai cách mắc mạch điện cơ bản là mắc songsong vàmắc nối tiếp, nên cặp
điện trở nối tiếp nhau,h/1, làdạngkhác củađa số mạch điện mà chúngta có thể
chế tạo. Theo sự bảotoàn điệntích, toàn bộ dòng điện chạy quamộtđiện trở phải
bằngdòng điện chạy quađiện trở kia (cũng như dòng điện chạy qua pin):
I
1
= I
2
Cách duynhấtđể biết thôngtin về hai giá trị điện trở sẽ có ích là nếu chúng
ta có thể áp dụng địnhluậtOhm, định luậtliên hệ điện trở của từngđiện trở với
dòngđiện chạyqua nó và hiệuđiệnthế hai đầu nó.Hình h/2 chỉ rõ ba vùng đẳng
thế. Hiệu điện thế có ý nghĩa quantrọng hơn điện thế, nên chúng ta biểu diễn kí
hiệu cho hai hiệu điệnthế của hai điện trở trong hìnhh/3.
Chúng tacó ba vùng đẳng thế, cùngvới kí hiệu sự chênh lệch điện thế giữa
từng cặptrongsố chúng. Ba hiệu điện thế này phải liên hệ với nhau.Giống như tôi
cho bạn biếtrằng Fredcao hơn Ginger1 foot, Gingercao hơn Sally1 foot, và Fred
thì caohơnSally 2 foot. Thôngtincho ở đây là thừa,và bạn thật rachỉ cần hai
trong số ba mẫu dữ liệu để suy ra cái thứ ba. Trong trườnghợp hiệu điệnthế của
chúng ta,chúngta có
|ΔV
1
| + |ΔV
2
| = |ΔV
pin
|
Kí hiệu giá trị tuyệt đối vì chưabiết rõcáchchúng ta xác địnhhiệu điện thế.
Nếu chúngta mắc ngược hai đầu đo của volt kế, chúngta sẽ thu được kếtquả trái


dấu. Volt kế kĩ thuật số thật sự sẽ hiện dấu trừ trên màn hìnhnếu chúng tanối
châmcắm “V” với điểm cóđiện thế thấp hơn điểm nối vào chân cắm “COM”. Volt kế
analogsẽ quay kimvề phía chốt ngoài nếubạn thử dùng chúngđo hiệu điện thế
âm, nên bạn phải luônnối dây theochiều thuận, sauđó tự thêm vào dấu trừ nếu
cần thiết.
h/4. Pin cấp dòng điện chạy qua hai điện trở mắc nối tiếp. 2. Có ba miền đẳng
thế. 3. Ba hiệu điện thế có liên quan với nhau. 4. Nếu điện kế mắc qua mạch điện
không đảo chiều hay nối chéo chân cắm của nó, thì điện thế đo được sẽ có dấu cộng
và dấu trừ khiến cho chúng cộng lại bằng không.
Hình h/4biểu diễn mộtcách chuẩn cẩn thận với sự nhậpnhằng dấu. Đối với
từng phép đotrong số ba phép đohiệu điện thế xungquanhmạchkín, chúngta giữ
cùng một đầu đo(đầu tô đậm hơn) ở phía chiều kimđồng hồ. Cứ như thể là volt kế
bò qua mạch điện như một con cua,khôngbao giờ “bắt chéo châncủa nó”.Với quy
ước này, mối quan hệ giữa các độ giảm thế trở thành
ΔV
1
+ ΔV
2
= - ΔV
pin
hay ở dạng đối xứng hơn
ΔV
1
+ ΔV
2
+ ΔV
pin
= 0
Tổngquát hơn, kết quả này được gọi là định luật vòng kín cho phép phân
tích mạch điện:

định luật vòng kín
Giả sử quy ướcchuẩncho các dấu cộng và trừ, thìtổng độ giảm thế qua bất
kì mộtvòng kín nào củamạch điện đều phải bằng không.
Việc tìmmột ngoại lệ cho định luật vòngkíngiống như đòi hỏi một lối đi
xuống dốc theomọi hướng quaytrở lại điểm xuấtphát củanó!
Đối với mạch điện mà chúngta đưara phântích, phương trình
ΔV
1
+ ΔV
2
+ ΔV
pin
= 0
bây giờ có thể viết lại bằng cách ápdụng địnhluậtOhm chotừng điện trở
I
1
R
1
+ I
2
R
2
+ΔV
pin
= 0
Dòngđiện là như nhau,nên chúng ta có thể nhóm nó làm thừasố chung
I (R
1
+ R
2

) + ΔV
pin
= 0
Và đâylà kết quả chúng ta thuđược nếu chúng ta phân tíchmạchđiện một
điện trở có điện trở (R
1
+ R
2
). Như vậy,điện trở của tương đương của các điện trở
mắc nốitiếp bằng tổng điệntrở của chúng.
Ví dụ 6. Hai bóng đèn mắc nối tiếp
Nếu haibóng đèn giốnghệtnhau được mắcnối tiếp vớinhau,thìđộ sángcủa
chúng sosánh như thế nào với độ sángcủa chỉ một bóng đèn ?
Xét toàn thể, haibóngđèn hoạt độngnhư một điện trở kép, nên chúng sẽ cho
dòngđiện chạytừ tường lên bằng phân nửa.Mỗi bóngđènsẽ tối hơn trong trường
hợp chỉ mộtbóng đèn.
i/ Ví dụ 6
Công suất toànphần tiêu tánbởi mạch điệnlà I DV. Độ giảm thế qua toàn
mạchgiống như trước đây, nhưng dòngđiện chia đôi, nên mạch haibóngđèn chỉ
bằngnửa công suất mạch mộtbóng đèn. Mỗi bóngđèn tiêuthụ một phần tư công
suất bình thường.
Nói đại khái, chúng ta có thể mong chờ điều này manglại một phần tư ánh
sáng đượctạora bởi mỗi bóngđèn, nhưngtrong thực tế các bóng đèn lãngphí một
phần trăm khá cao côngsuất của chúng dưới dạngnhiệt vàbước sóngcủa ánh
sáng không nhìn thấy(hồng ngoại và tử ngoại). Sẽ tạo ra ít ánh sáng hơn, nhưng
thật khó tiên đoánchính xác là ít hơn bao nhiêu,vì hiệu suất củabóng đèn thayđổi
khi cho chúnghoạt độngdưới nhữngđiều kiện khác nhau.
Ví dụ 7. Nhiều điện trở mắc nối tiếp
Bằng cách áp dụng trực tiếp kĩ thuật chia-và-trị đã nói tới trong phần trước,
chúng ta tìmthấy điệntrở tương đươngcủa N điệntrở R mắc nối tiếp sẽ là NR.

Ví dụ 8. Sự phụ thuộc của điện trở vào chiều dài
Trongphần trước, chúng ta đã chứngminh rằngđiện trở tỉ lệ nghịch với tiết
diện ngangBằng lí giải tươngtự về các điện trở mắc nối tiếp, chúng ta thấy điện
trở tỉ lệ thuận với chiều dài. Tươngtự, thật khó thổihơi quamộtcọng rơm dài hơn
so với cọng rơmngắn.
j/ Tăng gấp đôi chiều dài của một điện trở giống như mắc hai điện trở nối tiếp
nhau.
Điện trở tăng gấp đôi.
Đặt hai đối số lại vớinhau, chúng ta tìm đượcđiện trở của một vật có các
mặtthẳng, song songnhau cho bởi
R = (hằngsố). L/ A
Hằngsố tỉ lệ được gọilà điện trở suất, và nó phụ thuộc vào chất cấu tạonên
điện trở đó. Phép đo điện trở suất có thể được sử dụng, chẳng hạn, để nhậnbiết
một vật cấu tạo từ một chấtchưa biết.
Ví dụ 9. Chọn hiệu điện thế cao cho đường dây tải điện
ThomasEdison đã bị lôi cuốn vào mộtcuộc tranhluận kĩ thuật nổi tiếng về
hiệu điện thế dùng chođườngdây tải điện.Vào thời đó,công chúng chưa quen
thuộcvới điện, và dễ dàng bị nó làm cho hoảngsợ. Chẳng hạn, tổngthống Mĩ đã từ
chối thắp đènđiện trongNhà Trắng khinó được thươngmại hóa, vì ông xemnó là
khôngan toàn, và ưachuộng mối nguyhiểmvề lửa đã biết của đèn dầu hơnlà
nguy cơ bí ẩn của dòng điện. Chủ yếu là mộtbiệnpháp để vượt qua nỗi sợ hãi của
công chúng, Edison tin rằng dây tải điện phải truyền bằnghiệu điện thế nhỏ và ông
công khai quanđiểmcủa ông bằngcách đưara bằng chứng theo đó mộtcon chóbị
nhử vào vị trí bị giết chết bởihiệu điện thế lớn giữa haibảnkim loại trên mặt đất
(Các đối thủ của Edison cũngchủ trương dòng điệnbiến thiên thay chodòng điện
một chiều, và điện xoaychiều cũng nguyhiểm hơn điện một chiều. Như chúng ta sẽ
thảo luận ở phần sau,điện xoaychiều có thể dễ dàng tăng lên và hạ xuống đến mức
điện thế mong muốnbằng một dụngcụ gọi là máy biến thế).
Ngày nay,nếu chúngta muốn phânphối một lượngcông suất P
L

nhất định
đến tải, ví dụ như bóng đènđiện, chúngta chỉ bị thúc ép bởi phương trìnhP
L
=
IDV
L
. Chúng ta cóthể phânphối bất kì lượng côngsuất nào mà chúng ta muốn,cả
với hiệu điệnthế thấp, nếu chúng ta sử dụng dòngđiện lớn. Tuynhiên, cácmạng
lưới phân phối điệnhiện đại sử dụng hiệu điện thế cao đếnmức nguyhiểm vào bậc
hàng chục nghìnvolt. Tại saoEdisonthấtbại trong cuộctranh luận đó ?
Vấn đề là bài toán chiphí. Công ti điện phải phân phối lượng công suất P
L

khách hàng mong muốnqua đường truyền cóđiện trở R
T
cố định do nền kinhtế và
địa líquyết định. Dòng điệnchạy quatải vàdây truyền dẫn lànhư nhau, tiêu thụ
công suất cóích ở tải và công suất vôích ở dây truyền. Hiệusuất của hệ thống là
Đại lượngnày rõ ràng có thể làm chocựcđại bằng cách làmcho I càng nhỏ
càng tốt, vì khiđó chúng ta sẽ chia chocon số nhỏ nhất có thể có ở mẫu củabiểu
thức.Mạch điện códòng điệnnhỏ chỉ có thế phân phối lượng đáng kể công suất
nếu nó sử dụng hiệu điện thế cao, đó là lí do vì sao cáchệ thống truyền dẫn điện sử
dụngđiện thế cao nguy hiểm.
Ví dụ 10. Sử dụng ampe kế thành thạo
Giống như vot kế, ampe kế có thể cho hàngloạt giá trị đo nếu nóđược sử
dụngtheo kiểu làm thay đổi hành vicủa mạch điện. Ampekế được sử dụng mắc
nối tiếp, nênnếu sử dụng nó đodòngđiện chạy qua một điệntrở, thì giá trị điện
trở thật sự thay đổi thành R + R
a
, trongđó R

a
làđiện trở của ampe kế. Các ampe kế
được chế tạo có điện trở rất thấp để làm choR + R
a
khôngkhác biệt nhiều sovới R.
Trênthực tế, mối nguyhạithật sự là sự chết chóc, chứ khôngphảisố đo sai!
Hầunhư chỉ có những mạch điện có điện trở nhỏ hơn nhiềuso với điện trở của
ampekế là những mạch điện đượcthiết kế để mang nhữngdòng điện khổng lồ.
Một ampekế chèn vào mạch điện như thế có khả năng tan chảy dễ dàng. Khi tôi
làm việc trong phòng thí nghiệm do Bộ Năng lượng (DOE)tài trợ,chúng tôi thường
xuyênnhận được nhữngbảntin đềuđặn từ văn phòng an toàn điện DOE về những
vụ tainạn nguyhiểm ở những nơi khác, và chúngmang lại một sức thôi miên ghê
tởm nhất định. Một trong cáctai nạnnày là một người công nhâ DOE đã bị thiêu
trụi hoàn toànbởi vụ nổ sinh rakhiông chènmột ampe kế Radio Shackbình
thường vào một mạchđiện códòng điện cao.Những ước tínhsau này cho thấy
nhiệt có khả năng mạnh đếnmức vụ nổ là một quả cầu plasma–một chất khíbị
nóngđến mức các nguyên tử của nóbị ion hóa.
Câu hỏi thảo luận
A. Chúngta đã phát biểu quy luật vòng kín ở dạngđối xứngtrong đó loạt
giảm thế nối tiếp nhaucộng lại bằngkhông.Để làm việc này,chúng tađã phải định
nghĩa một cáchthức chuẩn nối volt kế vào mạch điện sao chocác dấu cộngvà trừ
được hiển thị đúng. Giả sử chúng ta muốn phát biểu lại theocách khác quy luật nút
theo một kiểu đối xứngtươngtự, sao cho thay thế cách nói dòng điện đi vào bằng
dòngđiện đi ra,chúng ta chỉ đơn giảnphát biểu rằngtổng của các dòngđiện tại
một nút nhất định làbằng không. Như vậy, chúngta phải sử dụngcách thức chuẩn
nào để chèn ampekế vào để thực hiện công việc này ?

×