Điện trở và định luật Ohm - Vật lý 11

Tác giả Hoàng Uyên 10:03 06/12/2023 9,970 Tag Lớp 11

Điện trở và định luật Ohm là kiến thức cơ bản nhưng vô cùng quan trọng trong chương trình Vật Lý 11. Học về điện trở và định luật Ohm giúp các em có thể giải quyết được những bài toán khó sau này. Ngoài ra đó cũng là kiến thức cần có để áp dụng trong cuộc sống. Cùng học phần kiến thức này qua bài viết dưới đây của VUIHOC nhé!

Mục lục bài viết

Mục lục bài viết x

1. Điện trở

1.1 Nguyên nhân gây ra điện trở

- Trong kim loại, những nguyên tử bị mất đi electron hoá trị sẽ trở thành những ion dương. Những ion dương khi liên kết với nhau một cách có trật tự sẽ tạo nên một mạng tinh thể kim loại. Những ion dương dao động nhiệt ở xung quanh nút mạng, khi nhiệt độ càng cao, những ion dương sẽ dao động càng mạnh. Dao động nhiệt của những ion trong mạng tinh thể làm cản trở quá trình chuyển động của những electron tự do là nguyên nhân chính tạo ra điện trở của kim loại.

- Mở rộng: điện trở suất của kim loại sẽ tăng dần theo nhiệt độ gần đúng dựa vào hàm bậc nhất dưới đây:

$\large \rho$ = $\large \rho _{o}$ [1 + $\large \alpha$ ( t - t_o)]

Trong đó:

$\large \rho$ thể hiện điện trở suất với nhiệt độ t, đơn vị của điện trở này là ôm nhân mét (Ω.m)
$\large \rho _{o}$ thể hiện điện trở suất với nhiệt độ t_o, đơn vị của điện trở này là ôm nhân mét (Ω.m)
$\large \alpha$ thể hiện hệ số nhiệt của điện trở, đơn vị là K^-1
t - t_o thể hiện độ biến thiên của nhiệt độ.

- Ngoài ra ta cũng có thể suy ra được biểu thức của điện trở dưới dạng như sau:

R = R_o [1 + $\large \alpha$ ( t - t_o)]

1.2 Khái niệm điện trở

- Điện trở R chính là đại lượng đặc trưng thể hiện mức độ cản trở dòng điện trong vật dẫn. Công thức:

$\large R=\frac{U}{I}$

Trong đó:

U thể hiện hiệu điện thế, đơn vị của hiệu điện thế là vôn (V)
I thể hiện cường độ dòng điện, đơn vị của cường độ dòng điện là ampe (A)
R thể hiện điện trở, đơn vị của điện trở là (Ω)

- Một số bội số của đơn vị ôm:

1kΩ = 1000Ω
1MΩ = 1000kΩ = 1000000Ω

Đăng ký khóa học DUO 11 để được các thầy cô giúp bạn lên lộ trình học và ôn thi THPT sớm nhất nhé!

1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở

a) Điện trở trong đèn sợi đốt

- Khi dòng điện cùng với hiệu điện thế nhỏ thì đường đặc trưng vôn – ampe gần giống như đường thẳng. Với hiệu điện thế cao hơn, đường đặc trưng trở nên cong dần. Điều này cho thấy điện trở trong dây tóc bóng đèn sẽ tăng lên do tỉ số U/I tăng lên

- Lúc dây tóc bóng đèn phát sáng thì đường đặc trưng sẽ có độ dốc nhỏ cho nên điện trở lớn.

- Như vậy, điện trở trong dây tóc bóng đèn có phụ thuộc vào nhiệt độ.

b) Điện trở nhiệt

- Điện trở nhiệt (hay thermistor) là một linh kiện có điện trở có sự thay đổi một cách rõ rệt dựa vào nhiệt độ. Điện trở nhiệt được sử dụng vô cùng rộng rãi trong kĩ thuật điện tử và làm cảm biến nhiệt.

- Để khảo sát được sự phụ thuộc của nhiệt điện trở NTC (hay Negative Temperature Confficent) dựa vào nhiệt độ thì người ta làm thí nghiệm như dưới đây:

+ Bố trí thí nghiệm như hình dưới đây:

+ Đặt nhiệt điện trở ở giữa bình, đặt nhiệt kế vào vị trí trong bình, gần nhiệt điện trở.

+ Đổ nước mát vào trong bình cách nhiệt. Sau 2 phút, đo nhiệt độ của nước trong bình và cả điện trở của nhiệt điện trở.

+ Tăng nhiệt độ của nước có trong bình bằng cách thêm dần nước sôi vào trong bình. Chờ cho nhiệt độ của nước trong bình giữ ổn định. Đo nhiệt độ của nước cùng với điện trở của nhiệt điện trở.

+ Lặp lại thao tác nhằm đo nhiệt độ và điện trở của nhiệt điện trở với những nhiệt độ khác.

+ Kết quả của thí nghiệm thu được như trong bảng dưới đây

Kim loại	P_o( $\large \Omega .m$ )	$\large \alpha (K^{-1})$
Bạc	1,62.10^-8	4,1.10^-3
Đồng	1,69.10^-8	4,3.10^-3
Nhôm	2,75.10^-8	4,4.10^-3
Sắt	9,68.10^-8	6,5.10^-3
Bạch kim	10,60.10^-8	3,9.10^-3
Vonfam	5,25.10^-8	4,5.10^-3

- Ngoài nhiệt điện trở NTC, trong thực tế có xuất hiện thêm loại nhiệt điện trở PTC (hay Positive Temperature Coefficient). Điện trở của nhiệt điện trở PTC sẽ tăng khi nhiệt độ tăng lên.

- Điện trở nhiệt chính là linh kiện có điện trở thay đổi dựa vào nhiệt độ, được dùng làm cảm biến nhiệt ở trong kĩ thuật điện tử.
- Từ số liệu ở trong bảng, chúng ta có thể vẽ được đường đặc trưng vôn-ampe của điện trở nhiệt NTC giống như hình dưới:

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

2. Định luật Ohm

2.1 Định luật Ohm với đoạn mạch chỉ chứa điện trở

Cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn sẽ tỉ lệ thuận với hiệu điện thế của hai đầu vật dẫn, tỉ lệ nghịch với điện trở trong vật dẫn.

$\large I=\frac{U}{R}$

Trong đó:

I thể hiện cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn, đơn vị của cường độ dòng điện là ampe, kí hiệu là A.
U thể hiện hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn, đơn vị của hiệu điện thế là vôn, kí hiệu là V.
R thể hiện điện trở của vật dẫn, đơn vị của điện trở là ôm, kí hiệu của ôm là Ω

Giành điểm cao môn vật lý không khó nếu bạn có trong tay bộ sách cán đích 9+ mới nhất!

2.2 Đường đặc trưng vôn -ampe

- Đường đặc trưng vôn – ampe là một đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế đặt vào với dòng điện chạy qua linh kiện.

- Đường đặc trưng vôn – ampe của điện trở chính là hàm bậc nhất, với đồ thị là một đường thẳng bắt đầu từ gốc toạ độ. Công thức biểu diễn này là: I = kU, có k thể hiện hằng số không đổi hay còn gọi là độ dẫn điện.

- Đồ thị với độ dốc càng lớn thì sẽ có điện trở R càng nhỏ.

3. Bài tập về điện trở và định luật Ohm

Bài 1: Khi lỡ tay chạm vào một đoạn dây điện bị hở ở lớp vỏ cách điện, một thợ sửa chữa đã bị điện giật nhẹ do có một dòng điện với 10 mA chạy qua người. Nhưng một người khác khi chạm vào đoạn dây này thì có thể gây ra nguy hiểm tới tính mạng vì có dòng điện lên tới 90 mA chạy qua người. Điều gì đã tạo ra sự khác biệt đó?

Lời giải:

Theo định luật Ohm, cường độ dòng điện không những phụ thuộc vào điện thế (khi điện thế càng cao thì cường độ dòng điện cũng càng lớn), mà còn dựa vào điện trở (khi điện trở càng cao thì cường độ lại càng nhỏ). Với những người bình thường, do điện trở trong cơ thể tương đối nhỏ, cho nên điện thế 220V có thể tạo ra một dòng điện với 10-20 mA chạy qua người. Dòng điện ấy đủ mạnh để có thể kích thích cả thần kinh cảm giác lẫn thần kinh vận động. Khi ấy ta có cảm giác bị điện giật vô cùng đau. Quan trọng hơn, dòng điện ấy đủ mạnh để có thể gây ra ngừng tim và ngừng hô hấp, thậm chí khiến nạn nhân tử vong nếu không được cấp cứu một cách kịp thời và đúng cách.

Điện trở của người bình thường thay đổi vì nhiều yếu tố tác động ở bên ngoài như là tình trạng da, áp suất, diện tích, tần số, thời gian, điện áp tiếp xúc với cơ thể của con người.

Bài 2: Đường đặc trưng vôn - ampe của điện trở có những đặc điểm như thế nào? Đặc điểm này đã nói lên điều gì về mối quan hệ của hiệu điện thế U với cường độ dòng điện I?

Lời giải:

Đường đặc trưng vôn – ampe của điện trở thể hiện đường thẳng chạy qua gốc toạ độ. Đặc điểm này cho biết tỉ số U/I của điện trở là không thay đối. Đường đặc trưng vôn – ampe là một đường thẳng, khi U tăng lên thì I cũng tăng. Vì vậy đường đặc trưng vôn – ampe của điện trở được biểu hiện qua đồ thị của hàm bậc nhất, bắt đầu từ gốc toạ độ.

Bài 3: Tìm hiểu sau đó giải thích tại sao người ta thường sử dụng đồng với mục đích làm dây dẫn điện.

Lời giải:

Người ta chọn đồng với mục đích làm dây điện do:

- Đồng được biết đến là một chất dẫn điện lí tưởng. Đồng dẫn điện tốt hơn so với vàng và chỉ đứng ngay sau bạc một chút.

- Độ dẻo vô cùng cao, rất dễ uốn và dát mỏng.... Điều ấy giúp dây dẫn làm bằng đồng có thể dễ dàng luồn qua ngóc ngách mà không gây ảnh hưởng tới sự dẫn điện của dây.

- Khả năng chịu nhiệt rất cao, điều ấy hạn chế và giảm thiểu đáng kể những vụ hỏa hoạn gây ra từ điện.

- Giá thành của đồng rẻ hơn so với bạc

Bài 4: Đặt hiệu điện thế U=1,5V vào hai đầu của một sợi dây dẫn làm bằng đồng với điện trở R=0,6Ω. Tính cường độ của dòng điện chạy qua sợi dây bằng đồng ấy.

Lời giải:

Cường độ của dòng điện chạy qua sợi dây làm bằng đồng là:

$\large I=\frac{U}{R}=\frac{1,5}{0,6}=2,5A$

Bài 5: Hãy xác định giá trị của điện trở trong đoạn dây làm bằng đồng có đường đặc trưng vôn-ampe như hình dưới đây:

Lời giải:

Từ đồ thị phía trên ta biết với U=25 V thì I=6 A cho nên ta có thể tính giá trị điện trở của đoạn dây bằng đồng đó như sau:

$\large R=\frac{U}{I}=\frac{25}{6}\approx 4,1667\Omega$

Bài 6: Đặt hiệu điện thế U (với U có thể điều chỉnh được) vào hai phía đầu của một điện trở chính là một đoạn dây bằng đồng có kích thước là 10 m, đường kính tiết diện là 1 mm và có điện trở suất 1.69.10^-8 Ωm ở nhiệt độ 20^oC. Sử dụng ampe kế để đo cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây bằng đồng ấy. Điều chỉnh giá trị U, tương ứng với mỗi giá trị của U thì ta có thể thu được một giá trị của I. Kết quả được thể hiện ở bảng dưới đây.

U(V)	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
I(A)	0	0,92	1,85	2,77	3,69	4,62

a) Dựa vào Bảng phía trên, các em hãy vẽ đường đặc trưng vôn – ampe của điện trở vừa nêu trên.

b) Tính điện trở ở trong đoạn dây dẫn. So sánh với giá trị từ đường đặc trưng vôn – ampe.

Lời giải

a) Đường đặc trưng vôn – ampe của điện trở nói trên, với trục hoành chính là hiệu điện thế U, trục tung thể hiện cường độ của dòng điện I. Ta có :

$\large I=\frac{U}{0,22}$

b) Áp dụng công thức điện trở:

$\large R=\rho \frac{l}{S}=\rho \frac{4l}{\pi d^{2}}=\frac{1,69.10^{-8}.4.10}{\pi .0,001^{2}}\approx 0,22\Omega$

Điện trở của đoạn dây dẫn bằng đồng từ đường đặc trưng vôn - ampe nêu trên là:

$\large R=\frac{\frac{0,2}{0,92}+\frac{0,4}{1,85}+\frac{0,6}{2,77}+\frac{0,8}{3,69}+\frac{1,0}{4,62}}{5}\approx 0,22\Omega$

⇒ Hai giá trị này là bằng nhau.

Bài 7: Áp dụng công thức I = Snve nhằm giải thích tại sao điện trở R của vật dẫn bằng kim loại lại dựa vào tiết diện S, chiều dài l và điện trở suất của dây dẫn với công thức $\large \frac{pl}{S}$

Lời giải:

Xét một đoạn dây kí hiệu AB với tiết diện S cùng chiều dài l

Khi đặt vào hai đầu của đoạn dây AB một hiệu điện thế kí hiệu là U thì theo định luật Ohm ta có: $\large I=\frac{U}{R}$

Ta còn có: I = Snve

Vì U = E.d ⇒ U = E.l

$\large \rho =\frac{E}{J}=\frac{ES}{I}=\frac{ES}{Snve}=\frac{E}{nve}=const$

const là một hằng số để đo vận tốc của những electron tỷ lệ với cường độ điện trường E có trong vật dẫn kim loại, còn J là mật độ của dòng điện $\large J=\frac{I}{S}$ (A/m²)

Từ $\large R=\frac{U}{I}\Rightarrow R=\frac{El}{Snve}=\rho \frac{l}{S}$

Bài 8: Nếu đặt cùng một hiệu điện thế vào hai đầu của vật dẫn X và vật dẫn Y thì giá trị cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn nào nhỏ hơn?

Lời giải:

Vật dẫn có tỉ số U/I lớn hơn thì lúc đặt cùng một hiệu điện thế vào hai đầu của vật dẫn tương ứng với cường độ dòng điện sẽ nhỏ hơn

Bài 9: Hai đồ thị trong Hình 23.10 a, b được mô tả bằng đường đặc trưng vôn — ampe của một dây làm bằng kim loại với hai nhiệt độ khác nhau kí hiệu là t₁ và t₂

a) Tính điện trở của sợi dây kim loại ứng với từng nhiệt độ là t₁ và t₂.
b) Dây kim loại ở đồ thị nào sở hữu nhiệt độ cao hơn?

Lời giải:

a) Hình 23.10a có hiệu điện thế U = 20V và cường độ dòng điện I = 0,4A

$\large \Rightarrow R=\frac{U}{I}=\frac{20}{0,4}=50\Omega$

Hình 23.10b có hiệu điện thế là U = 12V và cường độ dòng điện I = 0,3A

$\large \Rightarrow R=\frac{U}{I}=\frac{12}{0,3}=40\Omega$

b) Điện trở ở trong hình 23.10a lớn hơn so với hình 23.10b nên suy ra nhiệt độ ở hình 23.10b sẽ lớn hơn.

Bài 10: Đồ thị trong Hình 23.11 thể hiện các đường đặc trưng vôn - ampe của hai linh kiện đó là dây tóc bóng đèn cùng với dây kim loại.

a) Đường nào là đường của dây tóc bóng đèn và đường nào là đường của dây kim loại?
b) Hiệu điện thế mà ở đó dây tóc bóng đèn và dây kim loại có điện trở bằng nhau là bao nhiêu.
c) Điện trở tương ứng với hiệu điện thế đã xác định được ở câu b.

Lời giải:

a) đường đặc trưng vôn-ampe của dây tóc bóng đèn chính là đường cong chạy qua gốc tọa độ

Còn đường của dây kim loại là đường thẳng chạy qua gốc tọa độ

b) Vị trí giao nhau của hai đường có giá trị điện trở giống nhau mà ở đó hiệu điện thế có giá trị là U = 4V

c) Tại vị trí trên thì giá trị của cường độ dòng điện là I = 0,267A

PAS VUIHOC – GIẢI PHÁP ÔN LUYỆN CÁ NHÂN HÓA

Khóa học online ĐẦU TIÊN VÀ DUY NHẤT:

⭐ Xây dựng lộ trình học từ mất gốc đến 27+

⭐ Chọn thầy cô, lớp, môn học theo sở thích

⭐ Tương tác trực tiếp hai chiều cùng thầy cô

⭐ Học đi học lại đến khi nào hiểu bài thì thôi

⭐ Rèn tips tricks giúp tăng tốc thời gian làm đề

⭐ Tặng full bộ tài liệu độc quyền trong quá trình học tập

Đăng ký học thử miễn phí ngay!!

Trên đây là toàn bộ những kiến thức về điện trở và định luật Ohm được trình bày ngắn gọn và dễ hiểu bao gồm lý thuyết và bài tập có đáp án. Đây là phần kiến thức cơ bản cần nắm được và sẽ giúp ích cho người học rất nhiều trong những bài tập vận dụng cao sau này. Để có thể đạt được kết quả cao trong những bài kiểm tra môn Vật lý 11 và các môn học khác, các em hãy truy cập ngay vào trang web Vuihoc.vn để có thể đăng ký khoá học cùng với các thầy cô giáo của VUIHOC ngay hôm nay nhé!

>> Mời các bạn tham khảo thêm: