Khi làm việc với điện tử, ta sẽ tương tác trực tiếp đến từng thiết bị / linh kiện điện tử. Mỗi linh kiện đều có các thông tin đặc thù như điện áp đầu vào, cường độ dòng điện có thể tải được. Ví dụ như khi cấp nguồn cho Arduino Uno board, ta cần lưu ý ngưỡng chịu được hiệu điện thế của board này nằm trong khoảng từ 6 - 12V, hay khi dùng Arduino cấp nguồn cho các thiết bị khác, ta cần phải cân nhắc vì Arduino Uno board chỉ có thể cấp dòng tối đa 200mA. Nếu ta vô tình hay cố ý cung cấp sai thông số do nhà sản xuất quy định có thể dẫn đến hư hỏng một phần hay toàn bộ thiết bị.
Trong bài viết này, ta sẽ đề cập đến một số kiến thức về điện cơ bản như: dòng điện, điện áp, công suất, ...
Điện cơ bản
Điện theo một định nghĩa đơn giản là một dạng năng lượng có thể dùng chuyển đổi sang động năng, nhiệt năng, ánh sáng, ... điện tồn tại trong thiên nhiên dưới dạng sét - một hiện tượng được tạo ra bởi sự chênh lệch điện cực giữa 2 vùng khác nhau.
Điện còn tồn tại trong sinh vật nhờ cơ chế tự sinh điện của chúng, đơn cử như loài lươn điện. Loài vật này có thể phóng ra dòng điện với điện áp lên đến 1000V, đủ sức hạ gục mọi đối thủ ở gần nó.
Vào khoảng thế kỷ 18, con người đã có thể tạo ra điện bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng tựu trung lại các phương pháp ấy đều dựa trên việc chuyển đổi động năng thành điện năng, và phương pháp này vẫn còn được dùng phổ biến cho đến tận ngày nay. Ở quy mô nhỏ, ta có thể dễ dàng tìm thấy ở các bộ dynamo xe đạp, hay cơ chế tự sạc điện của xe hơi, ...
Với quy mô lớn hơn, các nhà máy sản xuất điện năng sử dụng các loại nhiên liệu hoá thạch, nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, cánh đồng gió, ... hay qua các tác động hoá học - pin năng lượng mặt trời.
Dù điện được sản xuất ở đâu với bất kì phương pháp nào, điện luôn có 3 thuộc tính cơ bản nhất, đó là:
- Dòng điện.
- Hiệu điện thế.
- Công suất.
Dòng điện - Current
Dòng điện là dòng chuyển dịch có hướng của các hạt mang điện.
Về bản chất, các hạt mang điện tích âm e- (electron) sẽ xuất phát từ cực âm của dòng điện và đi về cực dương. Tuy nhiên, theo quy ước, chiều của dòng điện trong một mạch điện được quy định sẽ đi ra từ cực dương của nguồn điện và đi vào cực âm của nguồn điện đó - dòng điện này được gọi là dòng điện 1 chiều (Direct Current - DC).
Ở một số mạch điện, cực âm của mạch thường được biết đến như điểm nối đất - GND. Bạn đọc quan sát trên board Arduino Uno sẽ thấy có tổng cộng 3 pin GND.
* Do chỉ tập trung vào điện tử nên khái niệm dòng điện xoay chiều (Alternating Current - AC) sẽ không được đề cập đến.
Đế xác định được độ mạnh hay yếu của dòng điện, người ta đưa ra khái niệm cường độ dòng điện.
Cường độ dòng điện
Cường độ dòng điện qua một bề mặt được định nghĩa là lượng điện tích di chuyển qua bề mặt đó trong một đơn vị thời gian.
Kí hiệu của cường độ dòng điện là I và được đo bằng đơn vị Ampere (A).
Hiệu điện thế - Voltage
Hiệu điện thế hay điện áp là sự khác biệt về điện thế giữa một điểm cực dương và một điểm cực âm trong mạch điện.
Đơn vị đo lường của hiệu điện thế là vols (V). Trong một mạch điện, hiệu điện thế càng lớn thì tốc độ của dòng điện trong mạch càng nhanh. Ta có thể dễ dàng biết được hiệu điện thế trong mạch bằng cách sử dụng đồng hồ đo điện.
Công suất - Power
Công suất là một đại lượng cho biết tỉ lệ chuyển đổi năng lượng từ điện năng sang một dạng năng lượng khác.
Đơn vị đo lường của công suất là watts (W). Ví dụ như một bóng đèn có công suất là 100W sẽ sáng hơn một bóng đèn 60W vì trong một đơn vị thời gian, bóng đèn 100W có thể chuyển đổi được nhiều điện năng thành ánh sáng hơn so với bóng đèn 60W.
Trong điện tử, công suất được tính bởi công thức:
Power (W) = Voltage (V) × Current(A)
Định luật Ohm
Georg Simon Ohm (1789 - 1854) là một nhà vật lý và toán học người Đức. Ông là người đã tìm ra được mối tương quan giữa cường độ dòng điện (I), điện trở (R) và hiệu điện thế (V) và về sau người ta đã lấy tên ông để đặt cho định luật này. Định luật Ohm được phát biểu như sau:
Hiệu điện thế, V, trên hai đầu vật dẫn luôn tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện, I, với hằng số tỷ lệ, R, không phụ thuộc vào hiệu điện thế (tại một điều kiện môi trường, ví dụ nhiệt độ, ổn định):
Voltage (V) = Current (I) × Resistance (R)
Một trong những cách giúp ta ghi nhớ định luật Ohm đó là sử dụng tam giác Ohm
Dựa theo tam giác này, ta dễ dàng suy luận được cách tính các giá trị khác:
V = I × R
I = V ÷ R
R = V ÷ I
Vai trò của định luật Ohm trong thực tiễn
Định luật Ohm giúp ta có thể linh động trong việc điều phối các giá trị cần thiết để vận hành một thiết bị điện như giảm hiệu điện thế khi cần thiết, tăng cường độ dòng điện ...
Ví dụ với một đèn LED, thông thường sẽ yêu cầu cấp nguồn khoảng 1.7v và cường độ dòng điện dao động trong khoảng 5mA đến 20mA, tuy nhiên nguồn ra mặc định của Arduino là 5V. Nếu ta cắm LED trực tiếp vào nguồn sẽ gây cháy đèn này, do đó ta phải tìm cách hạ hiệu điện thế của nguồn vào để đảm bảo an toàn cho thiết bị. Vấn đề này sẽ được đề cập chi tiết ở các bài tiếp theo.
Tổng kết
Khi làm việc với các thiết bị điện, 3 kiến thức căn bản ta cần phải nắm vững (cả về lý thuyết và ý nghĩa thực tế của chúng) là:
- Cường độ dòng điện (Current - V)
- Hiệu điện thế (Voltage - V)
- Công suất (Power - P)
Song song đó, ứng dụng một cách hiệu quả định luật Ohm để cân đối về dòng điện cho các thành phần trong mạch.
Tham khảo
- https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_current - 8/9/2015
- https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage - 8/9/2015
- https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_power - 8/9/2015
- https://en.wikipedia.org/wiki/Ohm%27s_law - 8/9/2015
