Cơ sở điện học - điện trở

Cơ sở điện học - điện trở

I. CƠ SỞ ĐIỆN HỌC – ĐIỆN TRỞ II. NỘI DUNG BÀI GIẢNG 1.NGUỒN GỐC CỦA DÒNG ĐIỆN (90 phút) 1.1. Cấu tạo của vật chất Vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và phân tử. - Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của đơn chất. - Phân tử là phần tử nhỏ nhất của h ợp chất. Nguyên tử được cấu tạo gồm nhân ở giữa mang điện tích dương và có một hoặc nhiều electron (điện tử) mang điện tích âm (e = - 1,6. 10 –19 C) quay xung quanh nhân. Xét về điện tích thì vật chất sẽ ở một trong ba trạng thái sau: - Bình thường số lượng điện tích dương trong nhân bằng số lượng điện tích âm của Các điện tử bao quanh, người ta nói nguyên từ trung hoà về điện. - Nếu nguyên tử bị mất bớt electron thì lương điện tích dương trong nhân lớn hơn điện tích âm của các electron bao quanh, nguyên tử trở thánh ion dươ ng. - Ngược lại, nếu nguyên tử nhận thêm electron thì lượng điện tích dương trong nhân nhỏ hơn lượng điện tích âm của các electron bao quanh, nguyên tử trở thành ion âm. 1.2. DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC) Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và trị số không thay đổi theo thời gian. 1.2.1 Cường độ dòng điện : (I) Như ta đã biết dòng diện là dong electron tự do chạy theo cùng một hướ ng trong vật dẫn điện do lực hút của vật mang điện tích dương và lực đẩy mang điện tích âm. Người ta định nghĩa: cường độ dòng điện mạnh hay yếu phụ thuộc vào lượng electron di chuyển trong một đơn vị thờI gian, hay nói cách khác dòng điện có cường độ là tỉ số giữa điện tích Q của lượng electron di chuyển va thời gian t. Ta có công thức: t Q I = Q: điện tích (culông-C) I: cường độ dòng điện (A) t: thời gian (giây- s) Trong các mạch điện tử thì cường độ dòng điên có trị số A là khá lớn nên người ta thường dùng ước số của A là: 1A = 10 3 mA = 10 6 µA 1.2.2 Điện áp: Dòng điện phát sinh do các electron tự do di chuyển, electron tự do mang điện tích nên dòng điện phát sinh là do điện tích di chuyển. Điện tích di chuyển khi có lực hút và đẩy của hai vật mang điện tích trái dấu tạo thàng lực ép bắt điện tích di chuyển theo một chiều nhất định. Như vậy, điện áp là đại lượng để chỉ sức ép của các vật mang điện tích tác động lên vật dẫn điện để tạo ra dòng điện. Đơn vị của điện áp là Voltage (V), bội số là kilovoltage (kV). 1kV = 1000V =10 3 V =10 6 mV = 10 9 µV 1.2.3 Nguồn điện một chiều Nguồn điện một chiều thông dụng là pin và ắcquy. Khi sử dụng nguồn một chiều phải quantâm hai thông số là điện áp (V) và điện lượng (Q - đơn vị là Ampe giờ: Ah). Điện luợng là đại lượng để chỉ dung lượng điện áp đã nạp và chứa trong nguồn. Thời gian sử dụng của nguồn tùy thuộc cường độ dòng điện tiêu thụ, được tính theo công thứ c: Q: điện lượng (Ah) I Q t = I : cường độ dòng điện (A) t : thời gian (giờ - h) a. Pin: Có nhiều loại pin, nhưng có hai loại pin thông dụng là pin khô (không nạp lại được) và pin Nicken- Cadmi (Ni- Cd), là loại pin có kh3ả năng nạp lại nhiều lần. - Pin khô có 3 cỡ, thường gọi là: + Pin đại có V = 1,5V; Q = 4Ah. + Pin trung có V = 1,5V; Q = 2,5Ah. + Pin tiểu có V = 1,5V; Q = 0,5Ah. - Pin Ni- Cd có điện áp là 1,2V và điện lượng lớn hay nhỏ tùy thuộc kích thước pin. b. Ắc quy: Có hai loại ắcquy là ắcquy chì và ắc quy kiềm: - Ắcquy chì có điện cực là những tấm chì nhúng trong dung dịch axít sunfuric (H 2 SO 4 ). - Ắcquy kiềm có các điện cực làm bằng sắt và kền, nhúng trong dung dịch Pôtát- hidroxit (KOH). Mỗi đơn vị của ắcquy (mỗi hộc) có điện áp là 2V, và có nhiều hộc ghép nối tiếp nhau. Ắcquy có khả năng nạp lại nhiều lần và có tuổi thọ 1- 2 năm tùy chất lượng và cách sử dụng. 1.2.4 Cách ghép nguồn điện một chiều Có ba cách ghép nguồn điện mộ t chiều là: - Ghép nối tiếp: điện áp tăng lên theo tích của các nguồn ghép với nhau. - Ghép song song: điện lượng tăng lên theo tích của các nguồn ghép với nhau. - Ghép hỗn hợp cả nối tiếp và song song thì cả điện áp và điện lượng đều tăng. 2. ĐIỆN TRỞ 2.1CÁC LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN 2.1.1 Chất dẫn điện: là các chất mà cấu tạo nguyên tử lớp ngoài cùng chỉ có 1,2 hoặc 3 electron và có khuynh hướng trở thành electron tự do. Các chất dẫn điện tốt là bạc, đồng, vàng, nhôm 2.1.2 Chất cách điện: là các chất mà cấu tạo nguyên tử ở lớp ngoài cùng đã có đử số electron tối đa hay gần đủ số electron t ối đa nên ít có khả năng tạo nên electron tự do Các chất cách điện tốt là thuỷ tinh, sành sứ, cao su, giấy 2.1.3 Chất bán dẫn: là các chất mà cấu tạo nguyên tử ở lớp ngoài cùng có 4 electron. Chất bán dẫn có điện trở lớn hơn chất dẫn điện nhưng nhỏ hơn chất cách điện. Các chất bán dẫn thông dụng là silic và gercmanium 2.2 ĐIỆN TRỞ CỦA DÂY DẪN ĐI ỆN 2.2.1 Điện trở: Trị số điện trở của dây dẫn điện lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào vật liệu làm nên dây dẫn, chiều dài dây dẫn và tiết diện của dây dẫn. s l R ρ = ρ : điện trở suất ( mΩ , m mm 2 Ω ) l : chiều dài (m) s: tiết diện (m 2 ) R : điện trở ( Ω ) Các bội số của Ohm( Ω ): 1k Ω =10 3 Ω ; 1M Ω =10 6 Ω 2.2.2 Điện trở suất: Điện trở suất của một số chất tiêu biểu: Bạc: ρ =0.016 m mm 2 Ω Đồng : ρ =0.017 m mm 2 Ω Vàng: ρ =0.02 m mm 2 Ω Nhôm: ρ =0.026 m mm 2 Ω Kẻm: ρ =0.1 m mm 2 Ω Thuỷ tinh: ρ =10 18 m mm 2 Ω Điện trở suất có trị số thay đổi theo nhiệt độ và được xác định bằng công thức : () t αρρ += 1 0 0 ρ : điện trở suất ở 0 oC α : hệ số nhiệt t: nhiệt độ 2.2.3 Ký hiệu điện trở: CÁC LOẠI ĐIỆN TRỞ 2.2.4 Phân loại theo cấu tạo : − Điện trở than − Điện trở màng kim loại − Điện trở oxit kim loại − Điện trở dây quấn 2.2.5 Phân loại theo công dụng: 2.2.5.1 Biến trở (VR: Variable Resistor) Cấu tạo g ồm một điện trở màng than hay dây quấn có dạng hình cung, có góc xoay là 270 0 . Có một trục xoay ở giữa nối với một con trượt làm bằng than (cho biến trở dây quấn) hay bằng kim loại cho biến trở than. Con trượt sẽ ép lên mặt điện trở để tạo kiểu nối tiếp xúc, làm thay đổi trị số điện trở khi xoay trục. R R Biến trở dây quấn là loại biến trở tuyến tính có trị số điện trở tỷ lệ với góc xoay. Biến trở than có loại tuyến tính có loại không tuyến tính. Các trị số của biến trở than: 100 Ω -220 Ω -470 Ω -1k Ω -2.2k Ω -4.7k Ω - 10k Ω -20k Ω -47k Ω -100k Ω -200k Ω -470k Ω -1M Ω -2.2M Ω . Các trị số của biến trở dây quấn : 10 Ω -22 Ω -470 Ω -100 Ω -220 Ω -470 Ω - 1k Ω -2.2k-4.7k Ω -10k Ω -22k Ω -47k Ω . 2.2.5.2 Nhiệt trở (Th: Thermistor) Nhiệt trở có điện trở thay đổi theo nhiệt độ, có hai loại nhiệt trở: − Nhiệt trở âm: là loại nhiệt trở có trị số điện trở giảm xuống khi nhận nhiệt độ cao hơn và ngược lại. − Nhiệt trở dương: là loại nhiệt trở có trị số điện trở tăng lên khi nhận nhiệt độ cao hơn và ngược lại. Trị số của nhiệt trở ghi trong sơ đồ là trị số đo được ở 25 o C. Nhiệt trở được dùng để ổn định nhiệt cho các tầng khuếch đại công suất hay làm linh kiện cảm biến trong các hệ thống tự động điều khiển theo nhiệt độ. 2.2.5.3 Quang trở (Photo Resistor) Th Quang trở thường được chế tạo từ chất sulfur-catmium. Quang trở có trị số điện trở lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào cường độ chiếu sáng vào nó. Độ chiếu sáng càng mạnh thì điện trở có trị số càng nhỏ và ngược lại. Khi bị che tối điện trở vào khoảng vài trăm k Ω đến vài M Ω . Khi được chiếu sáng thì điện trở vào khoảng vài trăm Ω đến vài k Ω . Quang trở được dùng trong các mạch tự động điều khiển bằng ánh sáng, báo động… 2.2.5.4 Điện trở cầu chì (Fusistor) Điện trở cầu chì có tác dụng bảo vệ quá tải như các cầu chì của hệ thống điện nhà nhưng nó được dùng trong các mạch điện tử để bảo vệ cho mạch nguồn hay các mạch có dòng tải lớn. Khi có dòng điện lớn hơn dòng cho phép đi qua thì điện trở sẽ bị nóng và bị đứt. Điện trở cầu chì có trị số rất nhỏ, khoảng vài Ω . 2.2.5.5 Điện trở tuỳ áp (VDR: Voltage Dependent Resistor) Là loại điện trở có trị số thay đổi theo điện áp đạt vào hai cực . Khi điện áp giữa hai cực ở dưới trị số qui định thì VDR có trị số điện trở rất lớn, coi như hở mạch. Kh điện áp giữa hai cực tăng cao quá mức qui định thì VDR có trị số giảm xuống còn rất th ấp, coi như ngắn mạch. VDR thường được mắc song song các cuộn dây có hệ số tự cảm lớn để dập tắt các điện áp cảm ứng quá cao khi cuộn dây bị mất dòng điện qua đột ngột, tránh làm hư các linh kiện khác trong mạch. 2.3 CÁCH GHI NHỚ TRỊ SỐ ĐIỆN TRỞ 2.3.2 Trị số điện trở được ghi bằng các vòng màu: Điện trở than là loại điện trở được sử dụng nhiều nhất trong các mạch điện. Điện trở than là hỗn hợp của bột than và các chất khác, tuỳ theo tỷ lệ pha trộn Cds VDR VDR mà điện trở có trị số lớn hay nhỏ. Bên ngoài điện trở được bọc một lớp cách điện . Trên lớp cách điện có vẽ các vòng màu cho biết trị số của điện trở. 2.3.2.1 Bảng quy ước về màu sắc của điện trở: Màu Vòng A (số thứ nhất) Vòng B,E (số thứ hai, ba) Vòng C (số nhân) Vòng D (sai số) Đen 0 x10 0 Nâu 1 1 x10 1 ±1% Đỏ 2 2 x10 2 ±2% Cam 3 3 x10 3 ±3% Vàng 4 4 x10 4 ±4% Xanh lá (lục) 5 5 x10 5 Xanh dương (lam) 6 6 x10 6 Tím 7 7 x10 7 Xám 8 8 x10 8 Trắng 9 9 x10 9 Vàng kim (nhủ) x10 -1 ±5% Bạc x10 -2 ±10% Đối với điện trở 3 vòng màu thì sai số là ±20% 2.3.2.2 Các trị số điện trở chuẩn: Người ta không chế tạo điện trở có đủ các trị số từ nhỏ nhất đến lớn nhất mà chỉ chế tạo các điện trở có trị số theo tiêu chuẩn với vòng màu A và vòng màu B có giá trị như sau: 10-12-15-18-22-27-33-36-39-43-47-51-56-68-75-82-91 2.3.2.3. Công suất của điện trở: Công suấ t của điện trở là trị số chỉ công suất tiêu tán tối đa của nó, nếu dòng điện qua điện trở tạo ra công suất lớn hơn trị số này thì điện trở sẽ bị cháy. Công suất của điện trở thay đổi theo kích thước lớn hay nhỏ của điện trở. − Công suất 1/4W, chiều dài ≅ 0.7cm − Công suất 1/2W, chiều dài ≅ 1cm − Công suất 1W, chiều dài ≅ 1.2cm − Công suất 2W, chiều dài ≅ 1.6cm − Công suất 4W, chiều dài ≅ 2.4cm A B C A B C D E A B C D Điện trở 3 vòng màu Điện trở 4 vòng màu Điện trở 5 vòng màu Cách chọn công suất của điện trở:Công suất do dòng điện sinh ra trên điện trở: R U RIP 2 2 == Chọn công suất của điện trở : PP R 2≥ Trong đó 2 được gọi là hệ số an toàn, trong những trường hợp đặc biệt hệ số an toàn có thể chọn lớn hơn. 2.4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN TRỞ Trong sinh hoạt, điện trở được dùng để chế tạo các loại dụng cụ điện như bàn ủi, bếp điện, bóng đèn, máy sấy tóc… Trong công nghiệp, điện trở được dùng để chế tạo các thiết bị sấy, sưởi, giới hạn dòng điện khởi động của động cơ… Trong lĩnh vực điện tử, điện trở được dùng để giới hạn dòng điện, giảm áp… V. TỔNG KẾT BÀI Phải nắm được các khái niệm cơ bản về dòng điện, điệp áp để áp dụng vào các ph ần sau. Ghi nhớ bảng màu của điện trở, cách đổi từ vòng màu sang trị số. Công dụng của các loai điện trở khác nhau : quang trở, nhiệt trở, biến trở… VI. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP VỀ NHÀ Nêu định nghĩa về điện áp, dòng điện 1 chiều. Nêu cách qui đổi từ vòng màu sang giá trị của điện trở 4 vòng màu, 5 vòng màu, 3 vòng màu. Cho ví dụ từng trường họp. VII. RÚT KINH NGHIỆM (Về thời gian, nội dung,phương pháp, chuẩn bị .) - Cần tăng ví dụ về cách qui đổi điện trở. - Cần sưu tầm thêm nhiều linh kiện điện tử để minh họa giúp sinh viên dễ dàng khi tiếp xúc với thực tế khi thực hành. . chế tạo các điện trở có trị số theo tiêu chuẩn với vòng màu A và vòng màu B có giá trị như sau: 1 0-1 2-1 5-1 8-2 2-2 7-3 3-3 6-3 9-4 3-4 7-5 1-5 6-6 8-7 5-8 2-9 1 2.3.2.3.. của biến trở than: 100 Ω -2 20 Ω -4 70 Ω -1 k Ω -2 .2k Ω -4 .7k Ω - 10k Ω -2 0k Ω -4 7k Ω -1 00k Ω -2 00k Ω -4 70k Ω -1 M Ω -2 .2M Ω . Các trị số của biến trở dây