KHTN9-CTST | Bài 8. Điện trở. Định luật Ohm

MỤC TIÊU

– Thực hiện thí nghiệm đơn giản để nêu được điện trở có tác dụng cản trở dòng điện trong mạch.
– Thực hiện thí nghiệm để xây dựng được định luật Ohm: cường độ dòng điện chạy qua một đoạn dây dẫn tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn dây và tỉ lệ nghịch với điện trở của nó.
– Nêu được (không yêu cầu thành lập) công thức tính điện trở của một đoạn dây dẫn (theo độ dài, tiết diện, điện trở suất).
– Sử dụng công thức đã cho để tính được điện trở của một đoạn dây dẫn trong trường hợp đơn giản.

TÓM TẮT KIẾN THỨC

Trong chương trình Khoa học tự nhiên lớp 8, ta đã biết độ sáng của đèn phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy qua nó. Ở mạch điện hình bên dưới, khi lắp thêm một pin vào mạch điện, ta thấy bóng đèn sáng mạnh hơn. Cường độ dòng điện chạy qua bóng đèn phụ thuộc như thế nào vào hiệu điện thế giữa hai đầu của nó?

1. Tác dụng cản trở dòng điện của vật dẫn điện

Tìm hiểu tác dụng cản trở dòng điện của một số vật dẫn điện

- Chuẩn bị: bộ nguồn điện một chiều, công tắc điện, bảng lắp mạch điện, ampe kế (GHĐ 1 A, ĐCNN 0,02 A), các dây nối, các dây nối có đầu kẹp, một thước nhôm và một thước sắt có cùng kích thước (Hình 8.1).

- Tiến hành thí nghiệm:
+ Bước 1: Lắp mạch điện như sơ đồ Hình 8.1. Dùng dây nối có đầu kẹp để mắc thước nhôm vào mạch điện. Đặt giá trị hiệu điện thế của bộ nguồn điện ở mức 4,5 V.
+ Bước 2: Bật nguồn và đóng công tắc điện. Đọc và ghi số chỉ của ampe kế theo mẫu Bảng 8.1.
+ Bước 3: Thay thước nhôm bằng thước sắt và lặp lại các thao tác như bước 2.

- Kết quả thí nghiệm trên cho thấy: với cùng hiệu điện thế đặt vào hai đầu các vật dẫn điện khác nhau thì cường độ dòng điện chạy qua chúng cũng khác nhau. Mỗi vật dẫn điện có mức độ cản trở dòng điện khác nhau.

Câu hỏi 1: Tiến hành thí nghiệm (Hình 8.1), từ đó nêu nhận xét vé khả năng cản trở dòng điện của các vật dẩn điện dùng trong thí nghiệm.

Kết quả thí nghiệm trên cho thấy: với cùng hiệu điện thế đặt vào hai đầu các vật dẫn điện khác nhau thì cường độ dòng điện chạy qua chúng cũng khác nhau. Mỗi vật dẫn điện có mức độ cản trở dòng điện khác nhau.

2. Điện trở. Định luật Ohm

2.1. Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ dòng điện vào hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn dây dẫn

- Chuẩn bị: bộ nguồn điện một chiều, công tắc điện, bảng lắp mạch điện, đoạn dây dẫn (làm bằng constantan có chiều dài 900 mm và đường kính tiết diện 0,3 mm), ampe kế (GHĐ 1 A, ĐCNN 0,02 A), vôn kế (GHĐ 6 V, ĐCNN 0,1 V).

- Tiến hành thí nghiệm:
+ Bước 1: Lắp mạch điện như Hình 8.2. Đặt giá trị hiệu điện thế của bộ nguồn điện ở mức 1,5 V.
+ Bước 2: Bật nguồn và đóng công tắc điện. Đọc và ghi số chỉ của ampe theo mẫu Bảng 8.2. Ngắt công tắc điện.
+ Bước 3: Lần lượt điều chỉnh giá trị hiệu điện thế của bộ nguồn điện ở các mức 3,0 V; 4,5 V; 6,0 V và lặp lại bước 2.

Câu hỏi 2: Tiến hành thí nghiệm (Hình 8.2), từ đó nêu nhận xét về sự phụ thuộc của cường độ dòng điện vào hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn dây dẫn.

Kết quả thí nghiệm cho thấy khi hiệu điện thế đặt vào hai đầu vật dẫn điện tăng thì cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn điện cũng tăng theo.

Câu hỏi 3: Nêu nhận xét về tỉ số U / I đối với đoạn dây dẫn trong thí nghiệm.

Lần đo	1	2	3	4
Hiệu điện thế U (V)	1,5	3,0	4,5	6,0
Cường độ dòng điện I (A)	0,10	0,20	0,30	0,40
Điện trở của dây dẫn R (Ω)	1,5	1,5	1,5	1,5

Tỉ số của U / I đối với đoạn dây dẫn trong thí nghiệm luôn không đổi và có giá trị bằng 15.

2.2. Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của I vào U giữa hai đầu đoạn dây dẫn

- Dựa vào số liệu ở Bảng 8.2, ta vẽ được đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện I vào hiệu điện thế U giữa hai đầu đoạn dây dẫn.
- Cách thực hiện như sau:
+ Vẽ hệ trục toạ độ có trục hoành biểu diễn hiệu điện thế U, trục tung biểu diễn cường độ dòng điện I, gốc toạ độ tại vị trí ứng với U = 0 và I = 0.
+ Vẽ các điểm A, B, C, D, E trên hệ trục toạ độ. Mỗi điểm ứng với một cặp giá trị U, I. Ví dụ, với điểm A ta có U = 1,5 V, I = 0,10 A.
+ Vẽ đường nối các điểm biểu diễn số liệu, ta được đồ thị có dạng như Hình 8.3.

- Kết quả thí nghiệm trên cho thấy: hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn tăng (hoặc giảm) bao nhiêu lần thì cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn đó cũng tăng (hoặc giảm) bấy nhiêu lần.

Câu hỏi 4: Nêu nhận xét về hình dạng của đồ thị.

Đồ thị là đường thẳng đi qua gốc O của trục tọa độ và được xác định bằng hàm số U = 15I.

Trả lời câu hỏi đã nêu ở phần Mở đầu bài học.
Trong chương trình Khoa học tự nhiên lớp 8, ta đã biết độ sáng của đèn phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy qua nó. Ở mạch điện hình bên dưới, khi lắp thêm một pin vào mạch điện, ta thấy bóng đèn sáng mạnh hơn. Cường độ dòng điện chạy qua bóng đèn phụ thuộc như thế nào vào hiệu điện thế giữa hai đầu của nó?

Cường độ dòng điện chạy qua bóng đèn tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu bóng đèn: Hiệu điện thế đặt giữa hai đầu bóng đèn càng lớn (nhỏ) thì cường độ dòng điện chạy qua nó càng lớn (nhỏ).

2.3. Điện trở của một đoạn dây dẫn

- Kết quả thí nghiệm trên cũng cho thấy thương số U / I đối với một đoạn dây dẫn đang xét là không đổi. Thực hiện thí nghiệm với các đoạn dây dẫn khác, ta vẫn thấy thương số U / I đối với mỗi đoạn dây dẫn luôn không đổi và trị số R = U / I được gọi là điện trở của đoạn dây dẫn đó.
- Trong sơ đồ mạch điện, điện trở được kí hiệu là:
- Trong hệ SI, đơn vị đo điện trở là ôm, kí hiệu là Ω.
Đối với các giá trị điện trở lớn, người ta còn dùng đơn vị: kilôôm (kΩ), megaôm (MΩ). 1 ΚΩ = 1 000 Ω; 1 ΜΩ = 1 000 000 Ω.

Có hai đoạn dây dẫn khác nhau. Lần lượt đặt hiệu điện thế U = 12 V vào giữa hai đầu của mỗi đoạn dây dẫn thì cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn thứ nhất là I₁ = 1,2 A, qua đoạn dây dẫn thứ hai là I₂ =0,8 A. Tính điện trở của mỗi đoạn dây dẫn đó.

Điện trở của đoạn dây dẫn thứ nhất là:

\[{R_1} = \frac{U}{{{I_1}}} = \frac{{12}}{{1,2}} = 10(\Omega )\]

Điện trở của đoạn dây dẫn thứ hai là:

\[{R_2} = \frac{U}{{{I_2}}} = \frac{{12}}{{1,8}} = 18(\Omega )\]

2.4. Định luật Ohm

- Mối liên hệ giữa cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn và hiệu điện thế đặt vào hai đầu đoạn dây dẫn được nhà vật lí người Đức Georg Simon Ohm (1789 – 1854) tìm ra vào năm 1827 và được gọi là định luật Ohm.

- Cường độ dòng điện chạy qua một đoạn dây dẫn tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn dây và tỉ lệ nghịch với điện trở của nó:

\[I = \frac{U}{R}\]

- Trong đó I (A) là cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn, U (V) là hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn dây, R (Ω) là điện trở của đoạn dây dẫn.

Ghi nhớ:
- Điện trở là đại lượng đặc trưng cho tác dụng cản trở dòng điện trong mạch.
- Định luật Ohm: Cường độ dòng điện chạy qua một đoạn dây dẫn tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn dây dẫn và tỉ lệ nghịch với điện trở của nó:
\[I = \frac{U}{R}\]
- Trong đó I (A) là cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn, U (V) là hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn dây dẫn, R (Ω) là điện trở của đoạn dây dẫn.

Cho đoạn dây dẫn có điện trở R = 20 Ω.
a) Khi mắc đoạn dây dẫn này vào hiệu điện thế 6 V thì dòng điện chạy qua nó có cường độ là bao nhiêu?
b) Muốn cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn này tăng thêm 0,3 A so với trường hợp trên thì hiệu điện thế đặt giữa hai đầu đoạn dây dẫn khi đó là bao nhiêu?

a. Cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn là:

\[I = \frac{U}{R} = \frac{6}{{20}} = 0,3(A)\]

b. Hiệu điện thế đặt giữa hai đầu đoạn dây dẫn lúc này là:

\[U' = I'.R = (I + 0,3)R = (0,3 + 0,3)20 = 12(V)\]

3. Công thức tính điện trở

Tìm hiểu công thức tính điện trở của một đoạn dây dẫn

- Các thí nghiệm đã chứng tỏ điện trở của một đoạn dây dẫn kim loại ở một nhiệt độ xác định phụ thuộc vào vật liệu, kích thước và hình dạng của nó.

- Điện trở của một đoạn dây dẫn kim loại hình trụ có chiều dài l và tiết diện S (Hình 8.5) được xác định theo công thức:

\[R = \rho \frac{l}{S}\]

- Trong đó p là một đại lượng phụ thuộc vào bản chất vật liệu làm dây dẫn, được gọi là điện trở suất.
Trong hệ SI, đơn vị đo chiều dài l là mét (m); đơn vị đo tiết diện S là mét vuông (m²) và đơn vị đo điện trở suất p là ôm mét (Ωm).
- Điện trở suất của một vật liệu (hay một chất) là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của vật liệu (hay chất) đó ở một nhiệt độ nhất định.
- Điện trở suất của một vật liệu (hay một chất) càng nhỏ thì vật liệu (hay chất) đó dẫn điện càng tốt.

Ghi nhớ:
Điện trở của một đoạn dây dẫn được xác định bởi công thức:
\[R = \rho \frac{l}{S}\]
Trong đó R (Ω) là điện trở của đoạn dây dẫn, l (m) là chiều dài đoạn dây, S (m²) là tiết diện của dây và p (Ωm) là điện trở suất của vật liệu làm dây.

Tính điện trở của cuộn dây dẫn nhiệt trong một bếp điện làm bằng nichrome có chiều dài tổng cộng 6,5 m và tiết diện 0,2 mm.

Điện trở của cuộn dây dẫn nhiệt là:

\[R = \rho \frac{l}{S} = 1,{10.10^{ - 6}}\frac{{6,5}}{{0,{{2.10}^{ - 6}}}} = 35,75(\Omega )\]

Dựa vào số liệu ở Bảng 8.3, trong ba chất nhôm, đồng, nichrome thì chất nào dẫn điện tốt nhất, chất nào dẫn điện kém nhất?

Điện trở suất càng nhỏ thì chất diễn điện càng tốt, ngược lại điện trở suất càng lớn thì chất dẫn điện càng kém.
Dựa vào bảng số liệu ở trên ta thấy điện trở suất của đồng là bé nhất, sau đó đến điện trở suất của nhôm và điện trở suất của nichrome là lớn nhất.
Do đó, đồng dẫn điện tốt nhất và Nichrome dẫn điện kém nhất trong 3 chất.

Cho ba đoạn dây dẫn trong hình bên dưới.
a. Tính điện trở của mỗi đoạn dây dẫn.
b. Lần lượt mắc từng đoạn dây dẫn vào hiệu điện thế U = 6 V thì cường độ dòng điện chạy qua mỗi đoạn dây dẫn là bao nhiêu?

a. Điện trở của đoạn dây dẫn constantan ở hình a là:

\[{R_1} = {\rho _1}\frac{{{l_1}}}{{{S_1}}} = {\rho _1}\frac{{{l_1}}}{{\pi {R_1}^2}} = {\rho _1}\frac{{{l_1}}}{{\pi {{\left( {\frac{{{D_1}}}{2}} \right)}^2}}} = 0,{50.10^{ - 6}}\frac{{0,9}}{{\pi {{\left( {\frac{{0,{{3.10}^{ - 3}}}}{2}} \right)}^2}}} \approx 6,4(\Omega )\]

Điện trở của đoạn dây dẫn nichrome ở hình b là:

\[{R_2} = {\rho _2}\frac{{{l_2}}}{{{S_2}}} = {\rho _2}\frac{{{l_2}}}{{\pi {R_2}^2}} = {\rho _2}\frac{{{l_2}}}{{\pi {{\left( {\frac{{{D_2}}}{2}} \right)}^2}}} = 1,{10.10^{ - 6}}\frac{{1,8}}{{\pi {{\left( {\frac{{0,{{3.10}^{ - 3}}}}{2}} \right)}^2}}} \approx 28(\Omega )\]

Điện trở của đoạn dây dẫn constantan ở hình c là:

\[_3 = {\rho _3}\frac{{{l_3}}}{{{S_3}}} = {\rho _3}\frac{{{l_3}}}{{\pi {R_3}^2}} = {\rho _3}\frac{{{l_3}}}{{\pi {{\left( {\frac{{{D_3}}}{2}} \right)}^2}}} = 0,{50.10^{ - 6}}\frac{{1,8}}{{\pi {{\left( {\frac{{0,{{6.10}^{ - 3}}}}{2}} \right)}^2}}} \approx 3,2(\Omega )\]

b. Cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn ở hình a là:

\[{I_1} = \frac{U}{{{R_1}}} = \frac{6}{{6,4}} \approx 0,94(A)\]

Cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn ở hình b là:

\[{I_2} = \frac{U}{{{R_2}}} = \frac{6}{{28}} \approx 0,21(A)\]

Cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn ở hình c là:

\[{I_3} = \frac{U}{{{R_3}}} = \frac{6}{{3,2}} \approx 1,88(A)\]

Mỗi đoạn dây dẫn luôn có một điện trở nhất định và điện trở này tỉ lệ thuận với chiều dài của nó. Tính chất này được ứng dụng để chế tạo một dụng cụ gọi là biến trở con chạy. Biến trở con chạy gồm một lõi hình trụ dài thường làm bằng sứ, được quấn quanh bởi một sợi dây kim loại có điện trở suất lớn (thường làm bằng nickeline hoặc nichrome) và một con chạy C. Khi điều chỉnh cho con chạy C trượt dọc theo cuộn dây từ đầu A đến đầu B, số vòng của dây dẫn sẽ thay đổi, nghĩa là làm thay đổi chiều dài của đoạn dây cho dòng điện chạy qua, dẫn tới giá trị của biến trở thay đổi.
Mỗi biến trở con chạy có một trị số điện trở tối đa tương ứng với số vòng dây tối đa của nó. Khi lắp đặt biến trở trong các mạch điện thí nghiệm, để đảm bảo an toàn, cần đặt con chạy C ở vị trí ứng với trị số lớn nhất của biển trở.

BÀI TẬP

Đang cập nhật