Điện trở
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Về thiết bị điện cùng tên, xem bài Điện trở (thiết bị).
Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của một vật thể dẫn điện. Nó được định nghĩa là tỉ số của hiệu điện thế giữa hai đầu vật thể đó vớicường độ dòng điện đi qua nó:
trong đó:
- U: là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng vôn (V).
- I: là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đo bằng ampe (A).
- R: là điện trở của vật dẫn điện, đo bằng Ohm (Ω).
Đoạn dây dẫn có điện trở 1Ω là đoạn dây có dòng điện 1A chạy qua, điện áp giữa hai đầu dây là 1V.
Ohm (đọc là ôm) là đơn vị đo điện trở trong SI. Đại lượng nghịch đảo của điện trở là độ dẫn điện G được đo bằng siêmen. Giá trị điện trở càng lớn thì độ dẫn điện càng kém. Khi vật dẫn cản trở dòng điện, năng lượng dòng điện bị chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác, ví dụ như nhiệt năng.
Định nghĩa trên chính xác cho dòng điện một chiều. Đối với dòng điện xoay chiều, trong mạch điện chỉ có điện trở, tại thời điểm cực đại của điện áp thì dòng điện cũng cực đại. Khi điện áp bằng không thì dòng điện trong mạch cũng bằng không. Điện áp và dòng điện cùng pha. Tất cả các công thức dùng cho mạch điện một chiều đều có thể dùng cho mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở mà các trị số dòng điện xoay chiều lấy theo trị số hiệu dụng..[1]
Đối với nhiều chất dẫn điện, trong điều kiện môi trường (ví dụ nhiệt độ) ổn định, điện trở không phụ thuộc vào giá trị của cường độ dòng điện hay hiệu điện thế. Hiệu điện thế luôn tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện và hằng số tỷ lệ chính là điện trở. Trường hợp này được miêu tả theo định luật Ohm và các chất dẫn điện như thế gọi là các thiết bị ohm. Các thiết bị này nhiều khi cũng được gọi là các điện trở, như một linh kiện điện tử thụ động trong mạch điện, được ký hiệu với chữ R (tương đương với từ resistor trong tiếng Anh).
Mục lục[ẩn] |
[sửa]Nguyên nhân vật lý của điện trở
Tính chất dẫn điện, hay cản trở điện, của nhiều vật liệu có thể giải thích bằng cơ học lượng tử. Mọi vật liệu đều được tạo nên từ mạng lưới các nguyên tử. Các nguyên tử chứa các electron, cónăng lượng gắn kết với hạt nhân nguyên tử nhận các giá trị rời rạc trên các mức cố định. Các mức này có thể được nhóm thành 2 nhóm: vùng dẫn và vùng hóa trị thường có năng lượng thấp hơn vùng dẫn. Các electron có năng lượng nằm trong vùng dẫn có thể di chuyển dễ dàng giữa mạng lưới các nguyên tử.
Khi có hiệu điện thế giữa hai đầu miếng vật liệu, một điện trường được thiết lập, kéo các electron ở vùng dẫn di chuyển nhờ lực Coulomb, tạo ra dòng điện. Dòng điện mạnh hay yếu phụ thuộc vào số lượng electron ở vùng dẫn.
Các electron nói chung sắp xếp trong nguyên tử từ mức năng lượng thấp đến cao, do vậy hầu hết nằm ở vùng hóa trị. Số lượng electron nằm ở vùng dẫn tùy thuộc vật liệu và điều kiện kích thíchnăng lượng (nhiệt độ, bức xạ điện từ từ môi trường). Chia theo tính chất các mức năng lượng của electron, có ba loại vật liệu chính sau:
| Vật liệu | Điện trở suất, ρ (Ωm) |
|---|---|
| Kim loại |  |
| Bán dẫn | thay đổi mạnh |
| Cách điện |  |
Lý thuyết vừa nêu không giải thích tính chất dẫn điện cho mọi vật liệu. Vật liệu như siêu dẫn có cơ chế dẫn điện khác, nhưng không nêu ở đây do vật liệu này không có điện trở.
[sửa]Kim loại
Trong kim loại luôn có electron nằm ở vùng dẫn. Trên thực tế, không có khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị, và có thể coi hai vùng là một đối với kim loại.
Mạng lưới nguyên tử của kim loại, thực tế, không hoàn hảo: các chỗ bị sứt mẻ trong mạng lưới tán xạ electron, gây nên sự cản trở với sự di chuyển của electron (điện trở). Khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử dao động mạnh hơn và dễ va chạm vào các electron hơn, khiến điện trở tăng theo.
Vật dẫn điện càng dài, số lượng va chạm của electron trên đường đi càng tăng, khiến điện trở vật dẫn càng tăng.
[sửa]Bán dẫn và cách điện
Trong chất bán dẫn và chất cách điện, các nguyên tử tương tác với nhau khiến cho khoảng cách năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị lớn; hầu hết các electron không nằm ở vùng dẫn. Để có đủ electron dẫn điện, cần cung cấp nhiều năng lượng cho electron nhảy lên vùng dẫn, ví dụ nhiệt năng hay quang năng. Một hiệu điện thế lớn chỉ tạo được dòng điện yếu do có ít điện tử dẫn điện; do đó chất bán dẫn và chất cách điện có điện trở suất cao.
Trong chất bán dẫn, khi tăng nhiệt độ, các electron có thể nhận nhiệt năng để nhảy lên vùng dẫn. Hiệu ứng nhiệt này mạnh hơn hiệu ứng cản trở dòng do dao động mạng, khiến điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Tương tự, có thể chiếu ánh sáng, hay bức xạ điện từ nói chung, vào một số chất bán dẫn, để truyền năng lượng cho các electron (sau khi hấp thụ các photon) nhảy lên vùng dẫn và tăng tính dẫn điện, như trong CCD của camera hay pin Mặt Trời.
Có thể thay đổi khả năng dẫn điện của các chất bán dẫn bằng việc pha thêm tạp chất lựa chọn đặc biệt để tạo ra các lỗi trong mạng tinh thể có thừa electron tự do (bán dẫn loại n) hoặc thiếu electron gọi là lỗ trống điện tử (bán dẫn loại p). Nồng độ tạp chất quyết định số lỗ trống hay điện tử tự do trong vật liệu, do đó quyết định tính dẫn điện của vật liệu.
[sửa]Tổn thất do điện trở
Khi dòng điện cường độ I chạy qua một vật có điện trở R, điện năng được chuyển thành nhiệt năng với công suất theo phương trình sau:
trong đó:
Hiệu ứng này có ích trong một số ứng dụng như đèn điện dây tóc hay các thiết bị cung cấp nhiệt bằng điện, nhưng nó lại là không mong muốn trong việc truyền tải điện năng. Các phương thức chung để giảm tổn thất điện năng là: sử dụng vật liệu dẫn điện tốt hơn, hay vật liệu có tiết diện lớn hơn hoặc sử dụng hiệu điện thế cao. Các dây siêu dẫn được sử dụng trong một số ứng dụng đặc biệt, nhưng có thể sẽ trở thành phổ biến.
[sửa]Điện trở của dây dẫn
Điện trở R của dây dẫn tỉ lệ thuận với điện trở suất và độ dài dây dẫn, tỉ lệ nghịch với tiết diện của dây
trong đó:
- L là chiều dài của dây dẫn, đo theo mét
- S là tiết diện (diện tích mặt cắt), đo theo m2
- ρ (tiếng Hy Lạp: rô) là điện trở suất (hay còn gọi là điện trở riêng hoặc suất điện trở), nó là thước đo khả năng kháng lại dòng điện của vật liệu. Điện trở suất của một dây dẫn là điện trở của một dây dẫn dài 1m có tiết diện 1mm2, nó đặc trưng cho vật liệu dây dẫn.
Lưu ý bổ sung: Có hai lý do giải thích tại sao một vật dẫn có tiết diện ngang nhỏ có xu hướng tăng trở kháng. Lý do thứ nhất là các điện tử có cùng điện tích âm, đẩy lẫn nhau, do vậy trong một không gian nhỏ thì sự phản kháng sẽ tăng lên. Lý do thứ hai là các điện tử "va chạm" vào nhau, sinh ra hiện tượng "phân tán" và do đó chúng bị làm trệch hướng. (Xem thêm trang 27 củaIndustrial Electronics viết bởi D. J. Shanefield, nhà xuất bản Noyes, Boston, 2001 bằng tiếng Anh để biết thêm về các thảo luận.)
[sửa]Trở kháng vi phân
Khi điện trở có thể bị phụ thuộc vào hiệu điện thế và cường độ dòng điện, trở kháng vi phân hay trở kháng lượng gia được định nghĩa như là đường cong của đồ thị có hai trục V-I ở một điểm cụ thể nào đó, do vậy:
Đại lượng này đôi khi đơn giản được gọi là điện trở, mặc dù hai định nghĩa này chỉ tương đương đối với các thiết bị ôm chẳng hạn như các điện trở lý tưởng. Nếu đồ thị V-I không phải là biến thiên đều (tức là có các điểm lồi hay lõm), trở kháng vi phân sẽ là âm đối với một số giá trị nào đó của hiệu điện thế và cường độ dòng điện. Thuộc tính này thông thường được biết đến như là "trở kháng âm", mặc dù chính xác hơn phải gọi là trở kháng vi phân âm, do giá trị tuyệt đối của điện trở V/I vẫn là một số dương.
[sửa]Sự phụ thuộc nhiệt độ
Điện trở của kim loại tăng lên khi bị nung nóng. Hệ số nhiệt độ (an pha) của điện trở là lượng tăng điện trở của một dây dẫn có điện trở 1 ôm khi nhiệt độ tăng lên 1 độ C (hệ số an pha được ghi ở bảng)
| Vật liệu | Điện trở suất ở 20oC Ω mm2/m | Hệ số nhiệt độ điện trở |
|---|---|---|
| Đồng | 0,0175=1/57 | 0,004 |
| Nhôm | 0,033=1/30 | 0,0037 |
| Sắt | 0,13 - 0,18 | 0,0048 |
| Bạc | 0,016 | 0,0038 |
[sửa]Các đơn vị điện từ trong SI
| Tên | Ký hiệu | Thứ nguyên | Đại lượng đo |
|---|---|---|---|
| ămpe (đơn vị cơ bản của SI) | A | A | Dòng điện |
| culông | C | A·s | Điện tích, Điện lượng |
| vôn | V | J/C = kg·m2·s−3·A−1 | Điện thế, Hiệu điện thế |
| ôm | Ω | V/A = kg·m2·s−3·A−2 | Điện trở, Trở kháng, Điện kháng |
| ôm mét | Ω·m | kg·m3·s−3·A−2 | Điện trở suất |
| fara | F | C/V = kg−1·m−2·A2·s4 | Điện dung |
| fara trên mét | F/m | kg−1·m−3·A2·s4 | Điện môi |
| fara nghịch đảo | 1/F hay F−1 | kg·m2·A−2·s−4 | Elastance?? |
| siêmen | S | Ω−1 = kg−1·m−2·s3·A2 | Độ dẫn điện, độ dẫn nạp, độ điện nạp |
| siêmen trên mét | S/m | kg−1·m−3·s3·A2 | Suất dẫn điện |
| weber | Wb | V·s = kg·m2·s−2·A−1 | Từ thông |
| tesla | T | Wb/m2 = kg·s−2·A−1 | Mật độ từ thông |
| ămpe trên mét | A/m | A·m−1 | Cảm ứng từ |
| ămpe trên weber | A/Wb | kg−1·m−2·s2·A2 | Từ trở |
| henry | H | V·s/A = kg·m2·s−2·A−2 | Tự cảm |
| henry trên mét | H/m | kg·m·s−2·A−2 | Độ từ thẩm |
| (Phi thứ nguyên) | - | - | Cảm từ |
[sửa]Trong dòng điện xoay chiều
Đối với dòng điện xoay chiều, Điện trở thuần là một tính chất của dây dẫn, nó phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của dây dẫn, những nguyên tử của dây dẫn ngăn cản sự chuyển động của các điện tử tự do, nghĩa là ngăn cản dòng điện. Những phần tử được làm bằng các vật liệu có điện trở thông thường cũng được gọi là điện trở.[2]. Trong mạch điện chỉ có điện trở thuần, tại thời điểm cực đại của điện áp thì dòng điện cũng cực đại. Khi điện áp bằng không thì dòng điện trong mạch cũng bằng không. Điện áp và dòng điện cùng pha. Tất cả các công thức dùng cho mạch điện một chiều đều có thể dùng cho mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở thuần mà các trị số dòng điện xoay chiều lấy theo trị số hiệu dụng. Trong kỹ thuật, đặc biệt là kỹ thuật điện tử, người ta ứng dụng những tính chất khác nhau của ba loại kháng trở chính là: Điện trở thuần, dung kháng, và cảm kháng để thiết kế các mạch điện tổ hợp.
[sửa]Dung kháng
- Sự cản trở mà tụ điện gây ra đối với dòng điện xoay chiều. Nếu tụ điện có điện dung C, dòng điện xoay chiều hình sin có tần số góc ω thì dung kháng có giá trị: Xc= 1/ω.C
- Nếu đấu nối tiếp một tụ điện với một điện trở thuần vào dòng điện xoay chiều, I là dòng điện chung cho cả hai phần tử nối tiếp. Điện áp trên điện trở thuần cùng pha với dòng điện I, thành phần điện áp trên điện dung Uc chậm sau dòng điện I là 900 . Cả hai thành phần này xác định điện áp của nguồn U, điện áp này bị chậm sau dòng điện một góc (an pha).
- Nếu đấu song song, thì dòng điện vượt trước điện áp 90 độ (1/4 chu kỳ)
[sửa]Cảm kháng
- Sự cản trở do độ tự cảm L của một cuộn dây gây ra đối với dòng điện xoay chiều. Nếu ω là tần số góc của dòng điện thì cảm kháng của cuộn dây có giá trị: XL = Lω.
- Nếu đấu nối tiếp một cuộn cảm (có cảm kháng) với một điện trở thuần vào dòng điện xoay chiều (biến thiên). Thì dòng điện chạy qua chúng như nhau nhưng tạo nên các Điện áp rơi và theoĐịnh luật Kiếckhốp: Tổng đại số của tất cả các sức điện động của mạch kín bằng tổng đại số tất cả các điện áp rơi trên điện trở cửa mạch vòng đó
- Nếu đấu song song một cuộn cảm (có cảm kháng) với một điện trở thuần vào dòng điện xoay chiều (biến thiên). Thì điện áp nguồn là như nhau nhưng dòng điện trên điện trở thuần thì cùng pha còn trên cuộn dây (cảm kháng) thì dòng điện lại chậm sau điện áp 90 độ (1/4 chu kỳ). Để xác định dòng điện chung ta phải cộng hình học (đồ thị véc tơ) các dòng điện trong cả hai mạch nhánh. Dòng điện này chậm sau điện áp một góc (an pha).
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét