Định Nghĩa Hiệu Điện Thế
Hiệu điện thế được ký hiệu là ΔV và được định nghĩa là sự chênh lệch về điện thế hoặc điện áp giữa hai điểm.
Nếu 𝑉𝐴 là điện thế tại điểm A và 𝑉𝐵 là điện thế tại điểm B, thì theo định nghĩa về hiệu điện thế:
∆VBA = VB – VA
Ví dụ, hãy xem xét điện trở R1 sau.
Điện thế đặt vào một đầu của điện trở (Điểm A) là 8 V và điện thế ở đầu kia của điện trở (Điểm B) là 5 V
Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là
VAB = 8 – 5 = 3 V.
Điều này cũng được gọi là Hiệu điện thế trên điện trở.
Dòng điện trong mạch điện chảy dưới dạng điện tích, trong khi điện thế không chảy hoặc di chuyển. Hiệu điện thế được áp dụng giữa hai điểm.
Đơn vị của hiệu điện thế giữa hai điểm là Volt. Volt được định nghĩa là hiệu điện thế trên một điện trở 1 Ohm (Ω) với dòng điện 1 Ampere chạy qua nó.
1 Volt = 1 Ampere×1 Ohm
V = I × R
Theo định luật Ohm, dòng điện chạy trong một mạch tuyến tính tỷ lệ thuận với hiệu điện thế đặt vào mạch. Do đó, nếu hiệu điện thế đặt vào mạch lớn hơn, thì dòng điện chạy trong mạch cũng sẽ lớn hơn.
Ví dụ, nếu một bên của điện trở 1 Ω có điện thế 8 V và bên kia có điện thế 2 V, thì hiệu điện thế giữa hai điện trở là 5 V. Dòng điện chạy qua điện trở là
I = V/R= 5V/1 Ω = 5 Amps.
Với cùng một điện trở 1 Ω, nếu hiệu điện thế tại một đầu được tăng từ 8 V lên 12 V và tại đầu kia tăng từ 2 V lên 4 V, thì hiệu điện thế qua điện trở lúc này là 8 V. Dòng điện chạy qua điện trở trong trường hợp này là 8 Ampe.
I = V/R= 8V/1 Ω = 8 Amps
Thông thường trong các mạch điện, thế năng thấp hơn được gọi là đất (earth) hoặc mát (ground). Giá trị này thường được coi là 0 V. Do đó, hiệu điện thế bằng với điện áp được áp dụng. Đất được coi là điểm chung trong một mạch. Việc tham chiếu đất hoặc mát làm điểm chung trong các mạch điện rất hữu ích để dễ dàng hiểu mạch hơn. Hiệu điện thế còn được gọi là điện áp.
Điện áp được nối tiếp trong mạch sẽ được cộng lại để tạo ra tổng điện áp trong mạch. Điều này có thể được quan sát trong kết nối các điện trở nối tiếp. Nếu V1, V2 và V3 được nối tiếp, thì tổng điện áp 𝑉t được tính bằng:
VT = V1 + V2 +V3.
Trong trường hợp các phần tử được kết nối song song, điện áp trên chúng bằng nhau. Điều này có thể được quan sát thấy trong hướng dẫn về điện trở song song.
VT = V1 = V2 = V3.
Ví dụ về Hiệu điện thế
Nếu 1500 Joules năng lượng tiềm năng được chuyển để di chuyển một điện tích 125 Coulombs giữa các cực của một pin, thì hiệu điện thế là:
∆E = 1500 J
Q = 125 C
Potential difference V = ∆E / C
V = 1500 / 125 = 12 Joules / Coulomb = 12 V
Xét một điện trở có điện trở 10 Ω. Một đầu của điện trở được kết nối với điện thế 15 V. Đầu kia của điện trở được kết nối với điện thế 5 V. Dòng điện chạy qua điện trở có thể được tính như sau
Hai cực của điện trở có hai hiệu điện thế khác nhau, tức là lần lượt 15 V và 5 V. Giả sử hai cực đó là A và B. Do đó, điện thế tại A là Va=15V và điện thế tại B là vB = 5V . Khi đó, hiệu điện thế giữa A và B chính là điện áp trên điện trở.
VAB = VA – VB = 15 – 5 = 10 V.
Sau đó, dòng điện chạy qua điện trở có thể được tính toán bằng định luật Ohm như sau
I = VAB / R = 10 / 10 = 1 Amps.
Mạch Chia Điện Áp
Các điện trở được kết nối nối tiếp được sử dụng để tạo ra một mạch chia điện áp. Mạch chia điện áp là một mạch tuyến tính mà điện áp đầu ra là một phần của điện áp đầu vào.
Một mạch chia điện áp đơn giản với 2 điện trở được minh họa như sau.
Hiệu điện thế trên mỗi điện trở trong mạch nối tiếp phụ thuộc vào giá trị của điện trở. Nguyên tắc của mạch chia điện áp là tạo ra một điện áp bằng một phần của điện áp đầu vào.
Mạch sau đây được sử dụng để minh họa nguyên tắc chia điện áp cho nhiều điện áp đầu ra.
Ở đây các điện trở R1, R2, R3 và R4 được mắc nối tiếp. Điện áp đầu ra trên mỗi điện trở được tham chiếu đến một điểm chung P. Giả sử điện trở tương đương của các điện trở mắc nối tiếp là RT. Khi đó RT = R1 + R2 + R3 + R4.
Giả sử hiệu điện thế giữa các điện trở lần lượt là VR1, VR2, VR3 và VR4 đối với R1, R2, R3 và R4. Khi đó mạch điện trên có thể tạo ra 4 điện áp khác nhau là các phân số của điện áp cung cấp V.
Công thức chia điện áp
Giá trị điện áp đầu ra trong mạch chia điện áp thông thường được tính như sau
Ở đây Vin là điện áp cung cấp. I là dòng điện trong mạch chạy qua cả hai điện trở
Giả sử VR1 là độ sụt áp trên điện trở R1 và VR2 là độ sụt áp trên điện trở R2. Khi đó tổng các độ sụt áp riêng lẻ này bằng tổng điện áp trên mạch, tức là điện áp cung cấp Vin.
Vin = VR1 + VR2
Các phương trình tính toán độ giảm điện áp riêng lẻ trên mỗi điện trở có thể được tính toán từ định luật Ohm.
VR1 = I × R1
And VR2 = I × R2
Nhưng điện áp trên điện trở R2 là VOUT.
Do đó VOUT = I × R2
Do đó từ các phương trình 1, 2 và 3
Vin = I × R1 + I × R2 = I × (R1 + R2)
Nhưng giá trị dòng điện I theo điện áp đầu ra có thể được viết như sau bằng cách sử dụng phương trình 4.
I = VOUT / R2
Sử dụng các phương trình 5 và 6
VOUT = Vin × (R¬2 / R1 + R2)
Do đó VOUT = VIN × R2/(R1+R2)
Trong trường hợp mạch chia điện áp có nhiều đầu ra, điện áp đầu ra có thể được tính toán bằng công thức dưới đây.
VX = V × (RX / REQ)
Trong đó VX là điện áp cần tìm. RX là tổng điện trở trên điện áp đầu ra.
Các giá trị có thể có của RX là:
R1 giữa P và P1
R1 + R2 giữa P và P2
R1 + R2 + R3 giữa P và P3
R1 + R2 + R3 + R4 giữa P và P4.
REQ là điện trở tương đương của điện trở trong kết nối nối tiếp
REQ = R1 + R2 + R3 + R4
V là điện áp cung cấp. Do đó, điện áp đầu ra có thể là
V1 = V × R1 / REQ
V2 = V ×(R1 + R2) / REQ
V3 = V × (R1 + R2 + R3) / REQ
V4 = V × (R1 + R2 + R3 + R4) / REQ = V
Ví dụ về bộ chia điện áp
Hãy xem xét mạch chia điện áp sau.
Nó bao gồm ba điện trở được kết nối nối tiếp để tạo ra hai điện áp đầu ra. Điện áp cung cấp là 240 V.
Giá trị của điện trở là R1 = 10 Ω, R2 = 20 Ω và R3 = 30 Ω.
Do đó điện trở tương đương của mạch là
REQ = R1 + R2 + R3 = 10 + 20 + 30 = 60 Ω.
Bây giờ hai điện áp đầu ra có thể được tính toán như sau
Vout1 = V × (R2 + R3) / REQ
Vout1 = 240 × (20 + 30) / 60
Vout1= 200 V.
Vout2 = V× R3 / REQ
Vout2= 240 × 30 / 60
Vout2 = 120 V.
Dòng điện trong mạch là
I = V / REQ = 240 / 60 = 4 Amps.
Do đó, điện áp riêng lẻ giảm trên mỗi điện trở có thể được tính như sau
VR1 = I × R1 = 4 × 10 = 40 V.
VR2 = I × R2 = 4 × 20 = 80 V.
VR3 = I × R3 = 4 ×30 = 120 V.
Ứng dụng của Mạch Chia Điện Áp
Các điện trở nối tiếp sẽ tạo thành các mạch chia điện áp. Nguyên tắc chia điện áp là cơ sở để chế tạo chiết áp (potentiometer), hoạt động như một bộ điều chỉnh điện áp đơn giản.
Mạch chia điện áp được sử dụng trong các mạch cảm biến. Các cảm biến thường được sử dụng nhất dưới dạng mạch chia điện áp là nhiệt điện trở (thermistors) và điện trở phụ thuộc ánh sáng (Light Dependent Resistors – LDR).
