Điện trở
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
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 với cường 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 ămpe (A).
- R : là điện trở của vật dẫn điện, đo bằng Ohm (Ω).
Ohm (đọc là ôm) là đơn vị đo điện trở trong SI. Đại lượng nghịch đảo của điện trở là điện thuận 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, khái niệm sự cản trở dòng điện được mở rộng ra thành trở kháng, trong đó điện trở là phần trở kháng thuần của trở kháng tổng cộng.
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 |
[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, có năng 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 thích năng 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 | 10 − 8 |
| Bán dẫn | thay đổi mạnh |
| Cách điện | 1016 |
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 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:
- P là công suất, đo theo W
- I là cường độ dòng điện, đo bằng A
- R là điện trở, đo theo Ω
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 có ngày trở thành phổ biến.
[sửa] Điện trở của dây dẫn
Điện trở R của dây dẫn có thể tính như sau:
trong đó:
- L là chiều dài của dây dẫn, đo theo mét
- S là tiết diện (diện tích xung quanh,được xem như mặt cắt hình tròn), đo theo m2
- ρ (tiếng Hy Lạp: rô) là điện trở suất (hay còn gọi là điện trở riêng hoặc suất điện trở) của vật liệu, được đo bằng ôm·met (Ω·m)
Điện trở suất là thước đo khả năng kháng lại dòng điện của vật liệu.
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 của Industrial 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 một chất dẫn điện là kim loại điển hình tăng lên tuyến tính theo nhiệt độ:
- Không thể phân tích cú pháp (lỗi chính tả): R = R_0 + αT\,
Điện trở của một chất bán dẫn điển hình giảm theo cơ số mũ với sự tăng lên của nhiệt độ:
- Không thể phân tích cú pháp (lỗi chính tả): R = R_0 e^{α/T}\,
[sửa] Vạch mã màu trên các sản phẩm điện trở
Trong thực tế, để đọc được giá trị điện trở thì ngoài việc nhà sản xuất in trị số của nó lên linh kiện thì người ta còn dùng một qui ước chung để đọc trị số điện trở và các tham số cần thiết khác.
Giá trị được tính ra thành đơn vị Ohm (sau đó có thể viết lại thành kí lô hay mêga cho tiện). 
Trong hình
- Điện trở ở vị trí bên trái có giá trị được tính như sau:
R = 45 × 102 Ω = 4,5 KΩ
Bởi vì vàng tương ứng với 4, xanh lục tương ứng với 5, và đỏ tưong ứng với giá trị số mũ 2. Vòng màu cuối cho biết sai số của điện trở có thể trong phạm vi 5% ứng với màu kim loại vàng. - Điện trở ở vị trí giữa có giá trị được tính như sau:
R = 380 × 103 Ω = 380 KΩ
Bởi vì cam tương ứng với 3, xám tương ứng với 8, đen tương ứng với 0, và cam tương ứng với giá trị số mũ 3. Vòng cuối cho biết giá trị sai số là 2% ứng với màu đỏ. - Điện trở ở vị trí bên phải có giá trị được tính như sau:
R = 527 × 104 Ω = 5270 KΩ
Bởi vì xanh lục tương ứng với 5, đỏ tương ứng với 2, và tím tương ứng với 7, vàng tương ứng với số mũ 4, và nâu tương ứng với sai số 1%. Vòng màu cuối cho biết sự thay đổi giá trị của điện trở theo nhiệt độ là 10 PPM/°C.
Lưu ý: Để tránh lẫn lộn trong khi đọc giá trị của các điện trở, đối với các điện trở có tổng số vòng màu từ 5 trở xuống thì có thể không bị nhầm lẫn vì vị trí bị trống không có vòng màu sẽ được đặt về phía tay phải trước khi đọc giá trị. Còn đối với các điện trở có độ chính xác cao và có thêm tham số thay đổi theo nhiệt độ thì vòng màu tham số nhiệt sẽ được nhìn thấy có chiều rộng lớn hơn và phải được xếp về bên tay phải trước khi đọc giá trị.
[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 |
| 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] Xem thêm
- Dẫn điện để có thêm thông tin về cơ chế vật lý của tính dẫn điện/nhiệt trong vật liệu.
- Bộ chia điện thế
- Bộ chia dòng
- Nhiệt trở
- Điện trở suất
