Định luật Ohm và điện trở (KHTN 9): mạch nối tiếp, song song và bài tập

Phần điện trong Khoa học tự nhiên 9 xoay quanh ba ý: định luật Ohm, điện trở của dây dẫn và cách tính đoạn mạch nối tiếp, song song. Đây là phần có nhiều bài tính nhất trong mạch Năng lượng, và cũng là phần học sinh hay nhầm công thức giữa hai kiểu mạch. Bài viết tóm tắt đủ công thức kèm ví dụ.

Định luật Ohm

Cường độ dòng điện chạy qua một dây dẫn tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt vào hai đầu dây và tỉ lệ nghịch với điện trở của dây:

I = U / R

Trong đó I là cường độ dòng điện (A), U là hiệu điện thế (V), R là điện trở (Ω).

Từ công thức có thể suy ra U = I · R và R = U / I. Với cùng một dây dẫn (R không đổi), tăng hiệu điện thế gấp đôi thì cường độ dòng điện cũng tăng gấp đôi.

Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào đâu

Điện trở của một dây dẫn:

R = ρ · l / S

• l là chiều dài dây (m): dây càng dài, điện trở càng lớn.
• S là tiết diện dây (m²): dây càng to, điện trở càng nhỏ.
• ρ là điện trở suất (Ω·m), phụ thuộc vật liệu: đồng, nhôm có điện trở suất nhỏ nên dùng làm dây dẫn.

Đoạn mạch nối tiếp

Hai điện trở R₁, R₂ mắc nối tiếp:

• Cường độ dòng điện như nhau tại mọi điểm: I = I₁ = I₂.
• Hiệu điện thế cộng lại: U = U₁ + U₂.
• Điện trở tương đương: R = R₁ + R₂.

Mạch nối tiếp có nhược điểm: một bóng đèn hỏng thì cả mạch mất điện.

Đoạn mạch song song

Hai điện trở R₁, R₂ mắc song song:

• Hiệu điện thế như nhau: U = U₁ = U₂.
• Cường độ dòng điện cộng lại: I = I₁ + I₂.
• Điện trở tương đương: 1/R = 1/R₁ + 1/R₂, với hai điện trở có thể dùng R = R₁ · R₂ / (R₁ + R₂).

Điện trở tương đương của mạch song song luôn nhỏ hơn từng điện trở thành phần. Đèn trong nhà được mắc song song để mỗi thiết bị hoạt động độc lập ở cùng hiệu điện thế.

Ví dụ tính toán

Cho R₁ = 6 Ω, R₂ = 3 Ω, hiệu điện thế nguồn U = 12 V.

Mắc nối tiếp:

• R = 6 + 3 = 9 Ω.
• I = U / R = 12 / 9 ≈ 1,33 A.
• U₁ = I · R₁ ≈ 1,33 · 6 = 8 V; U₂ ≈ 1,33 · 3 = 4 V. Kiểm tra: 8 + 4 = 12 V.

Mắc song song:

• R = 6 · 3 / (6 + 3) = 2 Ω.
• I = 12 / 2 = 6 A.
• I₁ = 12 / 6 = 2 A; I₂ = 12 / 3 = 4 A. Kiểm tra: 2 + 4 = 6 A.

Năng lượng điện và công suất điện

• Công suất điện: P = U · I (W). Một bóng đèn ghi 220 V – 100 W tiêu thụ công suất 100 W khi dùng đúng hiệu điện thế 220 V.
• Năng lượng điện tiêu thụ: W = P · t = U · I · t (J). Trong thực tế, điện năng đo bằng kWh (1 kWh = 3 600 000 J), chính là "số điện" trên hóa đơn.

Ví dụ. Bóng đèn 100 W dùng 5 giờ mỗi ngày trong 30 ngày tiêu thụ 100 · 5 · 30 = 15 000 Wh = 15 kWh.

Lỗi hay gặp

1. Dùng công thức cộng điện trở cho mạch song song.
2. Quên rằng hiệu điện thế trong mạch song song bằng nhau.
3. Đổi đơn vị sai: mA sang A (chia 1 000), kWh sang J.
4. Làm tròn quá sớm khiến kết quả kiểm tra không khớp.

Bài tập tự luyện có đáp án

Bài 1. Đặt hiệu điện thế 5 V vào hai đầu một dây dẫn có điện trở 10 Ω. Tính cường độ dòng điện.

• I = U / R = 5 / 10 = 0,5 A.

Bài 2. Hai điện trở R₁ = 4 Ω và R₂ = 12 Ω mắc song song vào hiệu điện thế 6 V. Tính điện trở tương đương và cường độ dòng điện mạch chính.

• R = 4 · 12 / (4 + 12) = 48 / 16 = 3 Ω.
• I = 6 / 3 = 2 A.

Bài 3. Hai điện trở trên mắc nối tiếp vào hiệu điện thế 8 V. Tính cường độ dòng điện và hiệu điện thế trên mỗi điện trở.

• R = 4 + 12 = 16 Ω; I = 8 / 16 = 0,5 A.
• U₁ = 0,5 · 4 = 2 V; U₂ = 0,5 · 12 = 6 V.

Bài 4. Một bếp điện 1 000 W dùng 2 giờ mỗi ngày. Tính điện năng tiêu thụ trong 30 ngày.

• W = P · t = 1 kW · 2 h · 30 = 60 kWh.

An toàn điện cần nhớ

• Không chạm tay ướt vào ổ cắm, công tắc.
• Không dùng dây điện bị hở vỏ cách điện.
• Không cắm quá nhiều thiết bị công suất lớn vào cùng một ổ cắm, vì cường độ dòng điện lớn làm dây nóng.
• Nhà ở cần có cầu dao hoặc thiết bị tự ngắt để bảo vệ khi xảy ra sự cố.

Học sinh lớp 9 còn yếu phần điện học có thể xem thêm gia sư Vật lý THCS hoặc chuẩn bị sớm cho cấp 3 với gia sư lớp 10.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao điện trở tương đương mạch song song nhỏ hơn từng điện trở? Mắc thêm nhánh song song giống như mở thêm đường cho dòng điện đi qua, nên tổng dòng điện tăng trong khi hiệu điện thế không đổi, tức điện trở tương đương giảm.

Mạch hỗn hợp tính thế nào? Tách từng cụm nối tiếp hoặc song song, tính điện trở tương đương của từng cụm rồi ghép dần thành cả mạch.

Phần này có trong thi vào 10 TP.HCM không? Không; kỳ thi vào 10 công lập TP.HCM thi Toán, Ngữ văn, Ngoại ngữ. Phần điện là nền của Vật lý 11.

Cần người kèm phần điện hoặc các mạch khác, xem gia sư Khoa học tự nhiên lớp 9 hoặc gia sư Vật lý.