Mối quan hệ giữa hiệu điện thế, cường độ dòng điện và điện trở
Định luật Ohm mô tả một quan hệ tuyến tính đơn giản giữa ba đại lượng trong mạch điện: hiệu điện thế (V), cường độ dòng điện (I) và điện trở (R). Định luật này nói rằng dòng điện chạy qua một vật dẫn tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt vào hai đầu vật dẫn và tỉ lệ nghịch với điện trở của nó, thường viết là V = I × R. Quan hệ này được nhà vật lý người Đức Georg Simon Ohm công bố năm 1827 và đến nay vẫn là phương trình nền tảng của phân tích mạch điện.
Ba đại lượng trên có đơn vị SI chuẩn: hiệu điện thế đo bằng vôn (V), cường độ dòng điện đo bằng ampe (A) và điện trở đo bằng ôm (Ω). Định luật Ohm đúng chính xác với các linh kiện «thuần trở» (ohmic) — tức vật liệu và thiết bị có điện trở không đổi trong dải hiệu điện thế và dòng điện đang xét, chẳng hạn một điện trở kim loại ở nhiệt độ ổn định. Nhiều linh kiện thực tế không thuần trở: điện trở của bóng đèn dây tóc tăng lên khi dây nóng dần, còn các linh kiện bán dẫn như điốt và tranzito thì hoàn toàn không có quan hệ vôn-ampe dạng đường thẳng.
Công suất: P = VI
Công suất điện — tốc độ chuyển hóa năng lượng điện, ví dụ thành nhiệt hoặc ánh sáng — được suy ra trực tiếp từ chính ba đại lượng trên qua công thức P = V × I, trong đó P là công suất đo bằng oát (W). Thay định luật Ohm (V = I × R) vào công thức này ta được hai dạng tương đương khác: P = I² × R và P = V² ÷ R, mỗi dạng hữu ích tùy theo hai đại lượng nào đã biết sẵn.
Ba công thức công suất này luôn cho cùng một kết quả với cùng một mạch điện, bởi chúng chỉ là các biến đổi đại số của cùng một quan hệ chứ không phải ba sự thật độc lập. Việc chọn dùng dạng nào đơn giản chỉ là chọn theo cặp đại lượng đã có sẵn — hiệu điện thế và dòng điện, dòng điện và điện trở, hay hiệu điện thế và điện trở.
Ví dụ thực tế: giải một mạch điện đơn giản
Hãy xét một pin 9 vôn nối vào điện trở 3 ôm. Áp dụng định luật Ohm, dòng điện chạy qua điện trở là I = V ÷ R = 9 ÷ 3 = 3 ampe. Công suất tiêu tán trên điện trở khi đó là P = V × I = 9 × 3 = 27 oát.
Có thể kiểm chứng kết quả này bằng các công thức công suất còn lại: P = I² × R = 3² × 3 = 9 × 3 = 27 oát, và P = V² ÷ R = 9² ÷ 3 = 81 ÷ 3 = 27 oát. Cả ba dạng đều cho cùng đáp số, khẳng định phép tính là đúng — một cách tự kiểm tra rất hữu ích khi giải mạch bằng tay.
| Đại lượng đã biết | Công thức | Kết quả |
|---|---|---|
| V = 9 V, R = 3 Ω | I = V ÷ R | 3 A |
| V = 9 V, I = 3 A | P = V × I | 27 W |
| I = 3 A, R = 3 Ω | P = I² × R | 27 W |
| V = 9 V, R = 3 Ω | P = V² ÷ R | 27 W |
Giải ra một đại lượng bất kỳ
Định luật Ohm cùng công thức công suất liên hệ bốn đại lượng — hiệu điện thế, cường độ dòng điện, điện trở và công suất — nên chỉ cần biết hai trong số đó là đủ để tìm ra hai đại lượng còn lại bằng biến đổi đại số. Muốn tìm điện trở từ hiệu điện thế và dòng điện, biến đổi V = I × R thành R = V ÷ I; áp dụng vào ví dụ ở trên ta có R = 9 ÷ 3 = 3 Ω, đúng bằng giá trị điện trở đã dùng.
Muốn tìm dòng điện từ công suất và hiệu điện thế, biến đổi P = V × I thành I = P ÷ V; lấy công suất và hiệu điện thế của ví dụ, ta có I = 27 ÷ 9 = 3 A, lại khớp với dòng điện ban đầu. Chính sự linh hoạt này — giải ra đại lượng chưa biết từ bất kỳ cặp nào trong ba đại lượng cơ bản còn lại — là lý do định luật Ohm và các dạng biến đổi của nó đôi khi được gói gọn thành một «bánh xe định luật Ohm» gồm các công thức liên quan.
Lưu ý an toàn khi áp dụng cho điện gia dụng
Định luật Ohm là một quan hệ toán học chính xác, nhưng áp dụng vào hệ thống điện trong nhà lại kéo theo nhiều yếu tố thực tế nằm ngoài công thức: điện trở của dây dẫn thay đổi theo nhiệt độ, linh kiện có sai số chế tạo, và điện lưới tiềm ẩn nguy cơ nghiêm trọng gây thương tích hoặc hỏa hoạn nếu thao tác sai. Các phép tính trong bài này nhằm mục đích học tập và ước lượng, chứ không phải sự cho phép để mở, sửa đổi hay can thiệp vào một hệ thống điện đang mang điện.
Mọi công việc liên quan đến dây điện, mạch điện hay hệ thống điện cố định trong nhà đều nên do thợ điện có chứng chỉ hành nghề thực hiện hoặc kiểm tra lại, tuân thủ quy chuẩn điện của địa phương. Điều này vẫn đúng ngay cả khi phép tính như ở trên trông rất đơn giản, bởi mạch điện thực tế còn liên quan đến thiết bị bảo vệ, tiết diện dây, khả năng tải dòng và những yêu cầu riêng của quy chuẩn mà một phép tính định luật Ohm đơn thuần không đề cập.
Câu hỏi thường gặp
Công thức của định luật Ohm là gì?
Định luật Ohm là V = I × R, trong đó hiệu điện thế (V, tính bằng vôn) bằng cường độ dòng điện (I, tính bằng ampe) nhân với điện trở (R, tính bằng ôm). Có thể biến đổi để tìm bất kỳ đại lượng nào trong ba đại lượng: I = V ÷ R hoặc R = V ÷ I, tùy vào hai giá trị nào đã biết.
Tính công suất bằng định luật Ohm như thế nào?
Công suất được tính theo P = V × I, đơn vị là oát. Vì V = I × R nên cũng có thể viết thành P = I² × R hoặc P = V² ÷ R, tức ba cách tương đương để tính công suất tùy theo hai đại lượng đã biết là hiệu điện thế, dòng điện hay điện trở. Ví dụ, 9 V đặt vào 3 Ω cho 3 A và 27 W dù dùng dạng nào trong ba dạng đó.
Biết hiệu điện thế và dòng điện thì tìm điện trở ra sao?
Hãy biến đổi định luật Ohm thành R = V ÷ I. Ví dụ, nguồn 9 V tạo ra dòng 3 A qua một linh kiện thì linh kiện đó có điện trở 9 ÷ 3 = 3 ôm. Cách biến đổi này áp dụng được cho mọi cặp giá trị hiệu điện thế và dòng điện đã biết.
Định luật Ohm có đúng với mọi linh kiện điện không?
Không. Định luật Ohm chỉ đúng chính xác với linh kiện «thuần trở», tức có điện trở không đổi trong dải hiệu điện thế và dòng điện đang xét, chẳng hạn một điện trở tiêu chuẩn ở nhiệt độ ổn định. Các linh kiện phi tuyến như bóng đèn dây tóc, điốt và tranzito không tuân theo quan hệ vôn-ampe dạng đường thẳng này.
Dùng phép tính định luật Ohm cho việc đi điện trong nhà có an toàn không?
Các phép tính theo định luật Ohm rất hữu ích để hiểu và ước lượng hoạt động của mạch điện, nhưng không thay thế được công việc của thợ điện chuyên nghiệp. Mọi việc liên quan đến dây điện, mạch điện hay hệ thống điện cố định trong nhà đều nên do thợ điện có chứng chỉ hành nghề thực hiện hoặc kiểm tra lại, theo đúng quy chuẩn điện địa phương.
Tài liệu tham khảo
- Ohm GS. Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet. Berlin, 1827 — original statement of Ohm's law.
- Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). The International System of Units (SI Brochure), 9th edition, 2019 — definitions of the volt, ampere, ohm and watt.
- Horowitz P, Hill W. The Art of Electronics, 3rd edition, Cambridge University Press, 2015 — Ohm's law and non-ohmic devices.