Điện trở là một khái niệm không còn xa lạ gì với các bạn học sinh trong môn Vật lý. Tuy nhiên, để có thể hiểu rõ về định nghĩa cũng như bản chất của điện trở thì không phải ai cũng làm được. Hôm nay, Monkey sẽ đồng hành cùng các bạn khám phá điện trở của dây dẫn, công thức tính toán và những ứng dụng thú vị của nó trong cuộc sống hàng ngày nhé!
Điện trở của dây dẫn là gì?
Điện trở của dây dẫn. (Ảnh: Sưu tầm từ Internet)
Điện trở của dây dẫn là một khái niệm quen thuộc mà chúng ta gặp hàng ngày, và nó đã trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống của chúng ta. Điện trở đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát và điều chỉnh dòng điện, đồng thời bảo vệ an toàn cho con người trong các hoạt động sinh hoạt hàng ngày.
Trước khi khám phá sâu hơn về điện trở của dây dẫn, hãy cùng nhau tìm hiểu định nghĩa cơ bản về điện trở nhé!
Điện trở là gì?
Điện trở (Resistor) là một khái niệm vật lý rất thú vị. Nó thể hiện khả năng của các dây dẫn trong việc cản trở dòng điện, có thể nhiều hoặc ít tùy thuộc vào từng loại vật liệu. Nói một cách đơn giản, điện trở chính là mức độ mà các chất liệu có thể ngăn chặn dòng điện đi qua. Trong cuộc sống hàng ngày, điện trở được ứng dụng để kiểm soát cường độ dòng điện trong mạch, điều chỉnh tín hiệu và phân chia điện áp một cách hiệu quả.
Điện trở dây dẫn là gì?
Điện trở của dây dẫn chính là điện trở của bản thân dây dẫn đó, không thông qua bất kỳ linh kiện nào khác. Mỗi loại vật liệu làm dây dẫn sẽ có một giá trị điện trở khác nhau. Nói một cách đơn giản, điện trở của dây dẫn thể hiện khả năng cản trở dòng điện.
Điện trở này tỷ lệ thuận với chiều dài của dây dẫn và điện trở suất của nó, trong khi lại tỷ lệ nghịch với tiết diện của dây.
Ký hiệu sơ đồ của điện trở trong mạch điện:
Trong các mạch điện, điện trở được biểu diễn bằng ký hiệu như hình dưới đây:
Ký hiệu sơ đồ của điện trở trong mạch điện. (Ảnh: Sưu tầm Internet)
Đơn vị điện trở:
Điện trở được đo bằng đơn vị ôm (ký hiệu: Ω). Ngoài ra, còn có các bội số của ôm như:
- Kiloôm (kΩ): 1kΩ = 1000Ω
- Mêgaôm (MΩ): 1MΩ = 1000000Ω
Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào yếu tố nào?
Điện trở của một dây dẫn chịu ảnh hưởng bởi 3 yếu tố chính, đó là chiều dài của dây, diện tích mặt cắt ngang và loại vật liệu cấu thành dây dẫn. Hãy cùng khám phá những ví dụ dưới đây để thấy rõ điều này nhé!
Sự phụ thuộc của điện trở vào chiều dài dây dẫn
Khi bạn kết nối một bóng đèn với dây dẫn ngắn có điện áp ổn định, đèn sẽ phát sáng bình thường. Tuy nhiên, nếu bạn thay thế bằng một dây dẫn dài hơn, vẫn giữ nguyên tiết diện và chất liệu, thì ánh sáng của đèn sẽ yếu đi. Nguyên nhân là do dây dẫn dài hơn này có điện trở cao hơn so với dây dẫn ban đầu.
Sự phụ thuộc của điện trở vào tiết diện dây dẫn
Nếu để ý kỹ, các bạn sẽ thấy rằng mỗi đường dây trong hệ thống truyền tải điện 500kV của chúng ta được cấu tạo từ bốn dây song song. Mỗi dây có tiết diện là 373 mm2, do đó tổng tiết diện của một đường dây sẽ là 373 mm2 x 4 = 1492 mm2. Việc sử dụng cách mắc dây như vậy giúp giảm điện trở của đường dây so với việc chỉ dùng một dây đơn lẻ.
Sự phụ thuộc của điện trở vào vật liệu làm dây dẫn
Nước biển có điện trở suất khoảng 0,2Ω.m, trong khi nước uống thông thường lại có điện trở suất dao động từ 20Ω.m đến 2000Ω.m. Điều này có nghĩa là nước biển có khả năng dẫn điện tốt hơn nước uống thông thường từ 100 đến 10.000 lần.
Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chiều dài, tiết diện và loại vật liệu cấu thành. (Ảnh: Sưu tầm Internet)
Công thức tính điện trở của dây dẫn
Công thức tính điện trở dây dẫn theo định luật ôm
Trong công thức này, chúng ta có:
- I đại diện cho cường độ dòng điện, được đo bằng đơn vị ampe (ký hiệu là A).
- U thể hiện hiệu điện thế, được đo bằng vôn (ký hiệu là V).
- R là điện trở, được đo bằng ôm (ký hiệu là Ω).
Hãy cùng khám phá thêm về những khái niệm thú vị này nhé!
Công thức tính điện trở dây dẫn dựa theo các thông số của dây
R = ρ.L/S
Trong đó:
- R là điện trở
- ρ là điện trở suất, phụ thuộc vào loại vật liệu
- L là chiều dài của dây dẫn
- S là tiết diện của dây dẫn
Điện trở của các dây dẫn có cùng tiết diện và được chế tạo từ một loại vật liệu giống nhau sẽ tỉ lệ thuận với chiều dài của chúng. Chẳng hạn, nếu ta có hai đoạn dây dẫn 1 và 2 với cùng tiết diện và cùng chất liệu, có chiều dài lần lượt là L1 và L2, thì ta có công thức:
R1/R2 = L1/L2
Trong đó:
- R1, L1 là điện trở và chiều dài của dây dẫn 1.
- R2, L2 là điện trở và chiều dài của dây dẫn 2.
Ngược lại, nếu các dây dẫn có cùng chiều dài và được làm từ một loại vật liệu giống nhau, thì điện trở sẽ tỉ lệ nghịch với tiết diện của chúng. Ví dụ, nếu ta có hai đoạn dây dẫn 1 và 2 có chiều dài giống nhau, cùng chất liệu nhưng với tiết diện S1 và S2 khác nhau, ta sẽ có:
R1/R2 = S2/S1
Trong đó:
- R1, S1 là điện trở và tiết diện của dây dẫn 1.
- R2, S2 là điện trở và tiết diện của dây dẫn 2.
Tốn thất do điện trở
Khi dòng điện I đi qua một dây dẫn hoặc vật liệu dẫn điện nào đó với điện trở R, năng lượng điện sẽ bị chuyển hóa thành nhiệt năng và thoát ra môi trường, dẫn đến việc mất mát năng lượng P.
Để giảm thiểu những tổn thất do điện trở gây ra trong quá trình truyền tải điện, các kỹ sư thường lựa chọn những loại vật liệu có khả năng dẫn điện tốt hơn, sử dụng dây có tiết diện lớn hơn và áp dụng điện áp cao hơn.
Bài tập vận dụng định luật Ôm và công thức tính điện trở của dây dẫn
Bài 1 (trang 32 SGK Vật Lý 9): Có một dây dẫn bằng nicrom dài 30m, với tiết diện 0,3mm² được kết nối vào nguồn điện có hiệu điện thế 220V. Hãy tính cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn này.
Tóm tắt:
Dây nicrom có ρ = 1,1.10^-6Ω.m; l = 30m; S = 0,3mm² = 0,3.10^-6m²; U = 220V;
I = ?
Giải quyết:
Đầu tiên, ta cần tính điện trở của dây dẫn:
Tiếp theo, cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn sẽ là
I = U/R = 220/110 = 2A
Bài 2 (trang 32 SGK Vật Lý 9): Một bóng đèn khi sáng hơn bình thường có điện trở R1 = 7,5Ω và cường độ dòng điện chạy qua đèn lúc đó là I = 0,6 A. Bóng đèn này được mắc nối tiếp với một biến trở và cả hai được kết nối vào nguồn điện có hiệu điện thế U = 12V như trong sơ đồ hình 11.1.
- Để bóng đèn sáng bình thường, cần điều chỉnh biến trở có trị số điện trở R2 là bao nhiêu?
- Biến trở này có điện trở lớn nhất là Rb = 30Ω, với cuộn dây dẫn làm bằng hợp kim nikelin có tiết diện S = 1mm². Tính chiều dài l của dây dẫn dùng làm biến trở này.
Tóm tắt:
RĐ = R1 = 7,5Ω và IĐ đm = I = 0,6A; đèn nối tiếp với biến trở; U = 12V
- Để đèn sáng bình thường, Rb = R2 = ?
- Rb max = 30Ω, dây nikelin ρ = 0,4.10^-6Ω.m, S = 1mm² = 1.10^-6m², l = ?
Giải quyết:
Để bóng đèn hoạt động bình thường, cường độ dòng điện qua mạch phải đạt 0,6 A. Khi đó, điện trở tương đương của mạch sẽ là:
Rtđ = UI = 120,6 = 20 Ω
Theo sơ đồ hình 11.1, ta có Rtđ = R1 + R2
Từ đó, ta có thể tính được R2 = Rtđ – R1 = 20 – 7,5 = 12,5Ω
- Áp dụng công thức
Bài viết trên đã tổng hợp đầy đủ các khái niệm và công thức liên quan đến đại lượng vật lý này. Hy vọng rằng, thông qua bài viết, các em sẽ hiểu rõ hơn về điện trở, những yếu tố ảnh hưởng đến nó và những ứng dụng hữu ích trong thực tế.
