Giải thích điện trở của dây dẫn, công thức tính & bài tập thực hành

Điện trở của dây dẫn là gì? 

Điện trở của dây dẫn xuất hiện hàng ngày xung quanh chúng ta và dường như trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống. Điện trở giúp cản trở, điều chỉnh dòng điện và đảm bảo an toàn cho con người trong sinh hoạt.

Trước khi đi vào tìm hiểu về điện trở của dây dẫn là gì, chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu về định nghĩa điện trở trước nhé!

Điện trở là gì?

Điện trở (Resistor) được định nghĩa là một đại lượng vật lý. Đại lượng này biểu trưng cho khả năng cản trở dòng điện lớn hay nhỏ của dây dẫn. Hay hiểu một cách đơn giản, điện trở chính là khả năng cản trở dòng điện của các vật liệu cụ thể. Trong đời sống, điện trở được sử dụng dùng để hạn chế cường độ dòng điện chạy qua trong mạch, điều chỉnh mức độ tín hiệu và chia điện áp.

Điện trở dây dẫn là gì?

Điện trở của dây dẫn là điện trở của chính dây dẫn đó, không qua bất cứ linh kiện nào khác. Điện trở khác nhau ở mỗi chất liệu để làm dây dẫn khác nhau. Có thể hiểu điện trở dây dẫn chỉ đặc trưng tính chất cản trở dòng điện. 

Điện trở này có tỷ lệ thuận với chiều dài dây dẫn và điện trở suất của dây dẫn. Và chúng tỉ lệ nghịch với tiết diện dây. 

Ký hiệu sơ đồ của điện trở trong mạch điện:

Điện trở trong mạch điện được ký hiệu sơ đồ như trong hình sau:

Đơn vị điện trở: 

Đơn vị của điện trở được tính bằng đơn vị ôm (kí hiệu: Ω). Ngoài ra, người ta còn sử dụng các bội số của ôm như: 

• Kiloôm (kΩ) : 1kΩ = 1000Ω

• Mêgaôm (MΩ) : 1MΩ = 1000000Ω

Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào yếu tố nào? 

Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào 3 yếu tố bao gồm: chiều dài dây dẫn, tiết diện dây dẫn và vật liệu làm dây dẫn. Hãy tìm hiểu những ví dụ sau chứng minh điều đó. 

Sự phụ thuộc của điện trở vào chiều dài dây dẫn 

Khi mắc một bóng đèn vào dây dẫn ngắn có hiệu điện thế không đổi thì đèn sáng bình thường, nhưng nếu thay bằng dây dẫn khác dài hơn, vẫn có cùng tiết diện và được làm từ cùng một loại vật liệu, đèn sẽ bị sáng yếu hơn. Vì lúc này, dây dẫn khá dài ấy có điện trở lớn hơn dây ban đầu.

Sự phụ thuộc của điện trở vào tiết diện dây dẫn 

Nếu chú ý, các em sẽ nhận thấy mỗi đường dây tải trong hệ thống đường dây tải điện 500kV của nước ta gồm có bốn dây mắc song song với nhau. Tiết diện mỗi dây này là 373 mm2, vậy mỗi đường dây tải điện sẽ có tiết diện tổng là 373 mm2x4 = 1492 mm2. Lý do người ta sử dụng cách mắc dây như vậy là để làm cho điện trở của đường dây tải nhỏ hơn so với khi dùng một dây.

Sự phụ thuộc của điện trở vào vật liệu làm dây dẫn 

Nước biển có điện trở suất khoảng 0,2Ω.m, trong khi đó nước uống thông thường có điện trở suất trong khoảng từ 20Ω.m đến 2000Ω.m. Chính vì vậy, nước biển sẽ dẫn điện tốt hơn so với nước uống thông thường khoảng từ 100 đến 10000 lần.

Công thức tính điện trở của dây dẫn 

Công thức tính điện trở dây dẫn theo định luật ôm

Trong đó:

• I là cường độ dòng điện, đo bằng ampe (ký hiệu A)

• U là hiệu điện thế, đo bằng vôn (ký hiệu V)

• R là điện trở, đo băng ôm (ký hiệu Ω)

Công thức tính điện trở dây dẫn dựa theo các thông số của dây                                   

                                                                                                         R = ρ.L/S

Trong đó:

• R là điện trở

• ρ là điện trở suất phụ thuộc vào chất liệu

• L là chiều dài của dây

• S là tiết diện của dây

Điện trở của các dây dẫn có cùng tiết diện và được làm từ cùng một loại vật liệu thì sẽ tỷ lệ thuận với chiều dài của dây dẫn. Ví dụ, ta có hai đoạn dây dẫn 1 và 2 có cùng tiết diện, được làm từ cùng một loại vật liệu, có chiều dài là L1, L2, ta có:

R1/R2 = L1/L2

Trong đó:

• R1, L1 : điện trở và chiều dài của dây dẫn 1.

• R2, L2 : điện trở và chiều dài của dây dẫn 2.

Điện trở của các dây dẫn có cùng chiều dài, được cùng làm từ một loại vật liệu thì tỷ lệ nghịch với tiết diện của dây dẫn. Ví dụ, ta có hai đoạn dây dẫn 1 và 2 có cùng chiều dài, được làm từ cùng một loại vật liệu và có tiết diện là S1 và S2, thì:

R1/R2 = S2/S1

Trong đó: 

• R1, S1 : điện trở và tiết diện của dây dẫn 1.

• R2, S2 : điện trở và tiết diện của dây dẫn 2.

Tốn thất do điện trở

Khi có dòng điện I chạy qua dây dẫn hoặc vật dẫn điện bất kỳ có điện trở R, lượng năng lượng điện năng này sẽ được chuyển thành nhiệt năng thất thoát ra môi trường, gây tổn thất năng lượng P.

Để hạn chế những tổn thất do điện trở gây ra, trong quá trình truyền tải điện năng, các kỹ sư thường sử dụng những vật liệu làm dây dẫn có độ dẫn điện tốt hơn, tiết diện dây lớn hơn và  điện áp cao hơn.

Xem thêm: Tổng hợp kiến thức liên quan đến cường độ dòng điện dễ hiểu

Bài tập vận dụng định luật Ôm và công thức tính điện trở của dây dẫn

Bài 1 (trang 32 SGK Vật Lý 9): Một dây dẫn bằng nicrom dài 30m, tiết diện 0,3mm2 được mắc vào hiệu điện thế 220V. Tính cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn này.

Tóm tắt:

Dây nicrom có ρ = 1,1.10-6Ω.m; l = 30m; S = 0,3mm2 = 0,3.10-6m2; U = 220V;

I = ?

Lời giải:

Điện trở của dây dẫn là: 

Cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn là

I = U/R = 220/110= 2A

Bài 2 (trang 32 SGK Vật Lý 9): Một bóng đèn khi sáng hơn bình thường có điện trở R1 = 7,5Ω và cường độ dòng điện chạy qua đèn khi đó là I = 0,6 A. Bóng đèn này được mắc nối tiếp với một biến trở và chúng được mắc vào hiệu điện thế U = 12V như sơ đồ hình 11.1.

a) Phải điều chỉnh biến trở có trị số điện trở R2 là bao nhiêu để bóng đèn sáng bình thường?

b) Biến trở này có điện trở lớn nhất là Rb = 30Ω với cuộn dây dẫn được làm bằng hợp kim nikelin có tiết diện S = 1mm2. Tính chiều dài l của dây dẫn dùng làm biến trở này.

Tóm tắt:

RĐ = R1 = 7,5Ω và IĐ đm = I = 0,6A; đèn nối tiếp biến trở; U = 12V

a) Để đèn sáng bình thường, Rb = R2 = ?

b) Rb max = 30Ω, dây nikelin ρ = 0,4.10-6Ω.m, S = 1mm2 = 1.10-6m2, l = ?

Lời giải:

Để bóng đèn sáng bình thường thì cường độ dòng điện qua mạch phải đúng là 0,6 A. Khi ấy điện trở tương đương của mạch là: 

Rtđ= UI = 120,6 = 20 Ω

Theo sơ đồ hình 11.1 thì Rtđ = R1 + R2

Từ đó tính được R2 = Rtđ – R1 = 20 – 7,5 = 12,5Ω

b) Từ công thức 

Bài viết trên đã tổng hợp đầy đủ các khái niệm về điện trở của dây dẫn và công thức tính của đại lượng vật lý này. Hy vọng rằng, qua bài viết các em đã có thể hiểu và giải thích được điện trở là gì? Điện trở phụ thuộc vào những yếu tố nào? Và có những ứng dụng có ích vào trong thực tế.