Bài 23: Điện trở. Định luật Ôm

I. ĐIỆN TRỞ

1. Thí nghiệm

2. Định nghĩa điện trở

Từ kết quả tính tỉ số \(\dfrac{U}{I}\) của thí nghiệm ở trên cho thấy, ứng với mỗi vật dẫn thì tỉ số \(\dfrac{U}{I}\) là một hằng số.

Kí hiệu hằng số trên là R, ta có: \(R=\dfrac{U}{I}\Rightarrow I=\dfrac{U}{R}\)    (23.1)

Biểu thức (23.1) cho thấy với cùng một hiệu điện thế, R càng lớn thì cường độ dòng điện I càng nhỏ. Điều này chứng tỏ vật dẫn đã cản trở sự dịch chuyển của các điện tích trong dây dẫn càng lớn. Như vậy, R là đại lượng đặc trưng cho cho mức độ cản trở dòng điện của vật dẫn và được gọi là điện trở.

Điện trở của dây dẫn được kí hiệu là R (R là chữ cái đầu của từ tiếng Anh Resistance - cản trở).

Trong công thức (23.1), hiệu điện thế U đo bằng vôn, cường độ dòng điện I đo bằng ampe thì điện trở đo bằng ohm (ôm), kí hiệu là \(\Omega\).

\(1\Omega=\dfrac{1V}{1A}\)

Một số bội số của ôm:

\(1k\Omega=1000\Omega\)

 \(1M\Omega=1000k\Omega=10^6\Omega\)

3. Đường đặc trưng vôn - ampe

Đường đặc trưng vôn - ampe là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa hiệu điện thế đặt vào và dòng điện chạy qua linh kiện đang xét.

Bảng 23.2 là kết quả thí nghiệm đối với hai điện trở R₁ và R₂, theo thí nghiệm ở Mục 1. Từ bảng số liệu ta về được đường đặc trưng vôn - ampe của hai điện trở R₁ và điện trở R₂, như Hình 23.2.

Từ đường đặc trưng vôn - ampe ở Hình 23.2, ta thấy đồ thị là một đường thẳng, U tăng thì I cũng tăng. Như vậy đường đặc trưng vôn ampe của điện trở là hàm bậc nhất xuất phát từ gốc toạ độ, ta có công thức:

\(I=kU\)   (23.2)

với \(k=\dfrac{1}{R}\) là hằng số không đổi gọi là độ dẫn điện.

Trường hợp đơn giản nhất là đặc trưng vôn - ampe của một điện trở R. Từ công thức \(I=\dfrac{U}{R}\) , đường R đặc trưng vôn - ampe là đường thẳng đi qua gốc toạ độ, có độ dốc càng lớn khi điện trở R càng nhỏ (Hình 23.3).

II. ĐỊNH LUẬT OHM

Mối quan hệ giữa hiệu điện thế U, cường độ dòng điện I và điện trở R của vật dẫn kim loại đã được nhà bác học người Đức Georg Simon Ohm (1789 - 1854) xác định bằng thực nghiệm và phát biểu thành định luật, gọi là định luật Ohm: 

Định luật Ohm: Cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn kim loại tỉ lệ thuận với hiệu điện thế ở hai đầu vật dẫn, tỉ lệ nghịch điện trở của vật dẫn. 

Biểu thức: \(I=\dfrac{U}{R}\)   (23.3)

trong đó:

I là cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn, đơn vị là ampe, kí hiệu là (A).

U là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn, đơn vị là vôn, kí hiệu là (V).

R là điện trở của vật dẫn, đơn vị là ohm, kí hiệu là (Ω).

III. NGUYÊN NHÂN GÂY RA ĐIỆN TRỞ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN ĐIỆN TRỞ

1. Nguyên nhân gây ra điện trở trong vật dẫn kim loại

Trong kim loại, các nguyên tử bị mất electron hoá trị trở thành các ion dương. Các ion dương liên kết với nhau một cách trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại. Chuyển động nhiệt của các ion có thể phá vỡ trật tự này: Nhiệt độ càng cao dao động nhiệt càng mạnh, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự. Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại (Hình 23.4).

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở

a) Điện trở của đèn sợi đốt

Dòng điện chạy qua điện trở có tác dụng làm nóng điện trở. Nguyên lí này này được sử dụng trong các bộ phận sưởi ấm, và cả trong dây tóc của bóng đèn sợi đốt. Hiệu ứng đốt nóng xảy ra do các electron va chạm với các nguyên tử. Khi electron chạy qua một vật dẫn điện, electron bị mất năng lượng. Các nguyên tử thu được năng lượng và dao động nhanh hơn. Sự dao động xảy ra nhanh hơn có nghĩa là nhiệt độ cao hơn.

Dòng điện chạy qua dây tóc của bóng đèn sinh nhiệt, làm cho dây tóc nóng lên do đó điện trở của dây tóc thay đổi trong quá trình khảo sát. Khi dòng điện và hiệu điện thế nhỏ, đường đặc trưng vôn-ampe gần đúng là đường thẳng. Ở hiệu điện thế cao hơn, đường đặc trưng bắt đầu cong (Hình 23.5). Điều này cho thấy rằng điện trở của dây tóc bóng đèn tăng lên vì tỉ số \(\dfrac{U}{I}\) tăng lên.

Trên đường đặc trưng, khi dây tóc bóng đèn phát sáng thì đường đặc trưng có độ dốc nhỏ nên điện trở lớn. Do vậy, ta thấy điện trở của dây tóc bóng đèn phụ thuộc vào nhiệt độ.

b) Điện trở nhiệt

Điện trở nhiệt (thermistor) là linh kiện có điện trở thay đổi một cách rõ rệt theo nhiệt độ. Điện trở nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật điện tử, làm cảm biến nhiệt (Hình 23.6).

Để khảo sát sự phụ thuộc của nhiệt điện trở NTC (Negative Temperature Confficent) vào nhiệt độ người ta làm thí nghiệm như sau:

- Bố trí thí nghiệm như Hình 23.7.

- Đặt nhiệt điện trở vào giữa bình, đặt nhiệt kế vào trong bình, cạnh nhiệt điện trở.

- Đổ nước mát vào bình cách nhiệt. Sau khoảng 2 phút, đo nhiệt độ của nước và điện trở của nhiệt điện trở.

- Tăng nhiệt độ của nước trong bình bằng cách thêm từ từ nước sôi vào nước trong bình. Chờ nhiệt độ của nước trong bình ổn định. Đo nhiệt độ của nước và điện trở của nhiệt điện trở.

- Lặp lại thao tác để đo nhiệt độ và điện trở của nhiệt điện trở ở các nhiệt độ khác.

Kết quả thí nghiệm thu được như trong Bảng 23.3.

Từ số liệu trong Bảng 23.3, ta vẽ được đường đặc trưng vôn-ampe của điện trở nhiệt NTC như Hình 23.8.

Ngoài nhiệt điện trở NTC, trong thực tế còn có loại nhiệt điện trở PTC (Positive Temperature Coefficient). Điện trở của nhiệt điện trở PTC tăng khi nhiệt độ tăng.