Lý thuyết Điện trở. Định luật Ohm - Vật Lí 11 Kết nối tri thức

BÀI 23: ĐIỆN TRỞ. ĐỊNH LUẬT OHM

I. Điện trở

1. Định nghĩa điện trở

- Tỉ số U/I của thí nghiệm trên cho thấy với mỗi vật dẫn thì tỉ số U/I là một hằng số.

- Kí hiệu hằng số trên là R và I = U/R. Biểu thức này cho thấy vật dẫn càng cản trở sự dịch chuyển của các điện tích thì R càng lớn và cường độ dòng điện I càng nhỏ.

- R là đại lượng đặc trưng cho mức độ cản trở dòng điện của vật dẫn và được gọi là điện trở.

- Điện trở của dây dẫn kí hiệu là R và đo bằng ohm (ôm), kí hiệu là Ω.

- Trong công thức (23.1), hiệu điện thế U đo bằng vôn, cường độ dòng điện I đo bằng ampe. 1Ω = 1V/1A.

- Một số bội số của ohm: 1 ΚΩ = 1,000 Ω và 1 ΜΩ = 1,000 ΚΩ = 1,000,000 Ω.

2. 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.

- Bảng 23.2 là kết quả thí nghiệm cho hai điện trở R₁ và R₂. Từ bảng số liệu, ta vẽ được đường đặc trưng vốn - ampe của R₁ và R₂ như Hình 23.2.

- Đường đặc trưng vốn - ampe của một điện trở là hàm bậc nhất xuất phát từ gốc toạ độ và có công thức I = kU, với k = 1/R là độ dẫn điện.

- Trong trường hợp đơn giản nhất là đặc trưng vôn - ampe của một điện trở R, đường đặc trưng là đường thẳng đi qua gốc toạ độ, có độ dốc càng lớn khi R càng nhỏ (Hình 23.3).

II. Định luật Ohm

- Định luật Ohm là mối quan hệ giữa hiệu điện thế U, cường độ dòng điện I và điện trở R của vật dẫn kim loại, được xác định bởi Georg Simon Ohm.

- Định luật Ohm phát biểu như sau: cường độ dòng điện I tỉ lệ thuận với hiệu điện thế U và tỉ lệ nghịch với điện trở R của vật dẫn.

- Biểu thức: I = U/R, trong đó I đo bằng ampe (A), U đo bằng vôn (V) và R đo bằng ohm (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, electron hoá trị bị mất và thành các ion dương. Các ion dương liên kết với nhau để tạo thành mạng tinh thể kim loại.

- Nhiệt độ cao gây dao động nhiệt mạnh, phá vỡ trật tự của mạng tinh thể.

- Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do, 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 làm nóng nó. Hiệu ứng đốt nóng xảy ra khi electron va chạm với các nguyên tử, làm dao động nhanh hơn và tạo ra nhiệt độ cao hơn.

- Dòng điện chạy qua dây tóc của bóng đèn sinh nhiệt, làm dây tóc nóng lên và thay đổi điện trở. Khi U/I tăng, đường đặc trưng bắt đầu cong, cho thấy điện trở tăng lên.

- Điện trở của dây tóc bóng đèn phụ thuộc vào nhiệt độ và được xác định bởi đường đặc trưng vôn-ampe (Hình 23.5).

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.

- 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.

- Điện trở nhiệt là linh kiện có điện trở thay đổi theo nhiệt độ, được sử dụng làm cảm biến nhiệt trong kĩ thuật điện tử (Hình 23.6).

- Để khảo sát sự phụ thuộc của nhiệt điện trở NTC vào nhiệt độ, ta thực hiện thí nghiệm bố trí như Hình 23.7. Sau đó, tăng nhiệt độ của nước trong bình và đo nhiệt độ và điện trở của nhiệt điện trở.

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

- Loại nhiệt điện trở PTC cũng tồn tại và có điện trở tăng khi nhiệt độ tăng.

Sơ đồ tư duy về “Điện trở. Định luật Ohm”