Máy Tính Định Luật Ohm

Định luật Ohm mô tả mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và điện trở trong một mạch điện. Nó phát biểu rằng dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp và tỷ lệ nghịch với điện trở.

Định luật Ohm áp dụng cho các vật liệu ohmic (như hầu hết kim loại) ở nhiệt độ không đổi. Nó không áp dụng cho chất bán dẫn, điốt, bóng bán dẫn hoặc các vật liệu mà điện trở thay đổi theo điện áp hoặc nhiệt độ.

Công suất điện (P = V × I) có thể được kết hợp với Định luật Ohm để có P = I²R hoặc P = V²/R. Các công thức này giúp tính toán lượng năng lượng mà một linh kiện tiêu tán dưới dạng nhiệt.

LED không phải là điện trở — nó duy trì một mức sụt áp thuận gần như cố định (khoảng 2 V đối với LED đỏ, 3 V đối với LED xanh lam/trắng) và phải được giới hạn dòng điện nếu không sẽ bị cháy. Giá trị điện trở nối tiếp được tính từ R = (Vsupply − Vled) / I. Với nguồn 12 V, LED 2 V và dòng điện mục tiêu 20 mA (0,02 A): R = (12 − 2) / 0,02 = 500 Ω. Hãy dùng giá trị tiêu chuẩn gần nhất, thường là 470 Ω hoặc 560 Ω. Cũng hãy kiểm tra công suất của điện trở: nó phải tiêu tán I²R = 0,02² × 470 ≈ 0,19 W, vì vậy một điện trở công suất ¼ watt là đủ, nhưng nếu bạn cấp dòng cho LED mạnh hơn hoặc từ điện áp cao hơn, hãy nâng cấp lên loại 0,5 W hoặc 1 W.

Mọi dây dẫn đều có điện trở, và theo Định luật Ohm điện trở đó biến dòng điện thành điện áp bị mất: V = I × R. Điện trở của dây nhỏ (một mét dây điện trong nhà điển hình dưới một phần trăm ohm), nhưng qua những đoạn chạy dài nó tích lũy lại. Một đoạn có tổng điện trở 0,5 Ω mang dòng 10 A sẽ sụt 5 V, nên một nguồn 12 V chỉ còn 7 V khi đến tải. Các tiêu chuẩn đi dây thường cho phép sụt áp tối đa 3–5%. Cáp có kích thước nhỏ gây đèn mờ, động cơ yếu và lãng phí năng lượng dưới dạng nhiệt, đó là lý do máy tính sụt áp và bảng chọn kích thước dây dẫn đúng chuẩn là công cụ tiêu chuẩn cho mọi hệ thống lắp đặt.

Khi nối tiếp, các điện trở cộng lại: hai điện trở 10 Ω cho 20 Ω, nên một nguồn 12 V tạo ra I = V/R = 12/20 = 0,6 A, với điện áp chia đều (6 V qua mỗi điện trở, vì dòng điện giống nhau qua cả hai). Khi song song, điện trở tổng thấp hơn từng điện trở riêng lẻ: hai điện trở 10 Ω cho R = 10/2 = 5 Ω, nên cùng nguồn 12 V tạo ra 12/5 = 2,4 A, với mỗi điện trở mang 1,2 A. Các quy tắc chung là R(total) = R₁ + R₂ cho nối tiếp, và 1/R(total) = 1/R₁ + 1/R₂ cho song song. Nối tiếp chia điện áp, song song chia dòng điện — chính xác những gì các phần nối tiếp và song song của máy tính này tính toán.

Sự nguy hiểm đến từ dòng điện, không phải điện áp, và Định luật Ohm xác định dòng điện: I = V/R, trong đó R là điện trở của cơ thể người. Một cơ thể khô có điện trở khoảng 100.000 Ω, nên tiếp xúc với 230 V tạo ra khoảng 2,3 mA — một cảm giác tê nhẹ mà nhiều người đã từng trải. Da ướt làm điện trở giảm xuống còn khoảng 1.000 Ω, và cùng 230 V đó lúc này đẩy 230 mA, cao hơn nhiều so với mức khoảng 30 mA có thể gây rung tâm thất và 50 mA có thể ngừng thở. Đó là lý do phòng tắm và nhà bếp sử dụng thiết bị dòng điện dư (RCD) ngắt ở 30 mA trở xuống, và lý do công việc điện được thực hiện bằng tay khô và dụng cụ cách điện.

Đồng hồ vạn năng áp dụng Định luật Ohm trong ba chế độ khác nhau. Để đo điện áp, hãy nối đồng hồ song song với linh kiện trong khi mạch còn có điện — điện áp luôn được đo qua hai điểm. Để đo dòng điện, đồng hồ phải được mắc nối tiếp để dòng điện thực sự chạy qua nó, và bạn bắt đầu ở thang đo cao nhất, vì một đồng hồ đặt ngang qua mạch có điện ở sai chế độ sẽ hoạt động như một đoản mạch. Để đo điện trở, linh kiện phải được ngắt khỏi nguồn điện và lý tưởng là tháo khỏi mạch, vì đồng hồ tự cấp một điện áp thử nghiệm để đo R = V/I. Không bao giờ đo điện trở trên mạch đang có điện, và luôn trả đầu que về vị trí đo điện áp sau khi đo dòng điện.

Điện trở được xác định bởi vật liệu và hình dạng: R = ρL/A, trong đó ρ là điện trở suất của vật liệu, L là chiều dài, và A là diện tích mặt cắt ngang. Đồng có điện trở suất khoảng 1,7 × 10⁻⁸ Ω·m, khiến nó trở thành chất dẫn điện xuất sắc, trong khi nicrom (dùng trong lò sưởi) cao hơn khoảng 60 lần, và cao su hay thủy tinh là chất cách điện có điện trở suất lớn hơn hàng tỷ lần. Tăng gấp đôi chiều dài dây làm điện trở tăng gấp đôi; tăng gấp đôi diện tích mặt cắt làm điện trở giảm một nửa — đó là lý do cáp dày (A lớn) mang dòng điện cao với tổn thất thấp. Nhiệt độ cũng quan trọng: hầu hết kim loại tăng điện trở khi nóng, chính xác là lý do Định luật Ohm chỉ đúng nghiêm ngặt ở nhiệt độ không đổi.

Dòng điện qua điện trở sinh nhiệt vì công suất tiêu tán là P = I²R. Một cáp có điện trở 0,5 Ω mang dòng 20 A sinh ra 0,5 × 20² = 200 watt nhiệt, một nguy cơ cháy nghiêm trọng nếu dây không thể tỏa nhiệt. Cáp có kích thước nhỏ sẽ ấm, nóng, thậm chí đỏ rực khi mang tải. Các kiểm tra tuân theo Định luật Ohm: đo điện áp tại nguồn và tại tải — chênh lệch lớn nghĩa là điện trở dây quá mức; sờ cáp sau 30 phút mang đầy tải; và chọn kích thước dây dẫn sao cho dòng điện vận hành luôn thấp hơn giới hạn dòng điện cho phép của dây. Sự tỏa nhiệt chính là lý do cầu chì và aptomat ngắt: chúng được định cỡ để dòng điện không bao giờ đẩy nhiệt I²R vượt quá mức dây dẫn chịu đựng.

Định luật Ohm ở dạng đơn giản V = IR áp dụng trực tiếp cho dòng điện một chiều (DC) và cho các mạch AC với tải thuần trở như lò sưởi và bóng đèn sợi đốt. Nhưng các mạch AC có động cơ, máy biến áp và tụ điện chứa điện kháng — năng lượng được tích trữ và giải phóng khi điện áp và dòng điện đổi chiều — nên tỷ số điện áp trên dòng điện trở thành trở kháng Z, không phải điện trở thuần, và được viết là V = IZ. Điện kháng phụ thuộc vào tần số, đó là lý do chỉ riêng Định luật Ohm không thể dự đoán dòng điện trong mạch điện cảm hoặc điện dung. Với các mạch đó, kỹ sư dùng trở kháng với góc pha và hệ số công suất, trong khi điện tử DC, pin và các mạch sưởi đơn giản vẫn thuộc phạm vi trực tiếp của Định luật Ohm.