Điện trở có phụ thuộc hiệu điện thế không?

Tuy nhiên, kết luận này không đúng tuyệt đối với mọi linh kiện và mọi điều kiện vận hành. Điện áp tăng có thể làm linh kiện nóng lên, thay đổi trạng thái vật liệu hoặc đi vào vùng dẫn phi tuyến. Khi đó điện trở đo được có thể thay đổi trực tiếp hoặc gián tiếp. Vì vậy, muốn trả lời chính xác cần phân biệt giữa điện trở lý tưởng, vật dẫn Ohmic, điện trở phụ thuộc nhiệt độ và linh kiện phi Ohmic.

Kết luận nhanh: Điện trở có phụ thuộc vào hiệu điện thế không?

Trường hợp vật dẫn Ohmic ở nhiệt độ không đổi

Đối với một dây dẫn kim loại hoặc điện trở thuần làm việc trong phạm vi cho phép, điện trở được xem là một đặc tính của vật dẫn. Giá trị này phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu, chiều dài, tiết diện và nhiệt độ, không phụ thuộc trực tiếp vào hiệu điện thế đặt vào hai đầu.

Định luật Ohm được biểu diễn bằng công thức:

U = R × I

Hoặc có thể biến đổi thành:

R = U / I

Trong đó:

• U là hiệu điện thế, đơn vị V (Volt)
• I là cường độ dòng điện, đơn vị A (Ampere)
• R là điện trở, đơn vị Ω (Ohm)

Ví dụ, nếu một điện trở có giá trị 20 Ω được nối với nguồn điện 10 V, cường độ dòng điện chạy qua điện trở được tính như sau:

I = U / R = 10 / 20 = 0,5 A

Nếu tăng hiệu điện thế lên 20 V, dòng điện sẽ là:

I = U / R = 20 / 20 = 1 A

Như vậy, khi hiệu điện thế tăng từ 10 V lên 20 V, cường độ dòng điện cũng tăng từ 0,5 A lên 1 A, tức tăng đúng gấp đôi. Trong khi đó, điện trở vẫn giữ nguyên ở mức 20 Ω, vì đây là đặc tính của vật dẫn trong điều kiện nhiệt độ không đổi. Điều này cho thấy hiệu điện thế làm thay đổi cường độ dòng điện, chứ không làm thay đổi giá trị điện trở của vật dẫn Ohmic.

Điện áp tăng gấp đôi, dòng điện cũng tăng gấp đôi. Tỷ số (U/I) ở cả hai trường hợp đều bằng 20 Ω. Như vậy, đại lượng thay đổi theo điện áp là dòng điện, không phải điện trở.

Điều kiện bắt buộc để kết luận đúng

Kết luận “điện trở không phụ thuộc vào hiệu điện thế” chỉ chính xác khi các điều kiện vật lý quan trọng không thay đổi:

• Vật liệu và cấu trúc của vật dẫn không thay đổi

• Chiều dài và tiết diện dẫn điện không thay đổi

• Nhiệt độ được giữ gần như ổn định

• Điện áp và công suất không vượt giới hạn linh kiện

• Vật dẫn làm việc trong vùng tuyến tính

• Không xảy ra đánh thủng, ion hóa hoặc chuyển pha vật liệu

Trong bài tập Vật lý phổ thông, những điều kiện này thường được ngầm giả định. Vì thế, điện trở được xem là hằng số và người học chỉ cần áp dụng định luật Ohm.

Trong mạch điện thực tế, nhiệt độ và trạng thái linh kiện có thể thay đổi. Khi đó cần xem xét nguyên nhân thật sự làm điện trở biến đổi thay vì kết luận đơn giản rằng “điện áp tăng nên điện trở tăng”.

Câu trả lời chính xác theo từng bối cảnh

Có thể tóm tắt câu trả lời như sau:

• Với điện trở lý tưởng: Điện trở không đổi khi hiệu điện thế thay đổi

• Với vật dẫn Ohmic ở nhiệt độ không đổi: Điện trở gần như không phụ thuộc điện áp

• Với dây dẫn bị nung nóng: Điện trở có thể thay đổi gián tiếp do nhiệt độ

• Với diode, LED và transistor: Tỷ số (U/I) thay đổi vì đặc tuyến phi tuyến

• Với varistor: Điện trở được thiết kế để thay đổi mạnh theo điện áp

• Với linh kiện bị quá áp: Điện trở có thể biến đổi bất thường do hư hỏng

Do đó, câu trả lời đầy đủ không chỉ là “có” hoặc “không”, mà phải gắn với loại vật dẫn và điều kiện hoạt động.

Vì sao công thức R = U/I không có nghĩa U tăng thì R tăng?

Công thức chỉ thể hiện mối quan hệ, không phải quan hệ nhân quả

Một trong những hiểu lầm phổ biến nhất là nhìn vào công thức:

R = U / I

rồi kết luận rằng nếu hiệu điện thế U tăng thì điện trở R cũng phải tăng. Thực tế, cách suy luận này chưa chính xác vì đã bỏ qua một đại lượng rất quan trọng là cường độ dòng điện (I).

Đối với vật dẫn tuân theo định luật Ohm, điện trở R là một đặc tính vốn có của vật dẫn. Khi hiệu điện thế thay đổi, cường độ dòng điện sẽ tự thay đổi theo công thức:

I = U / R

Nếu điện trở không đổi, hiệu điện thế tăng bao nhiêu lần thì dòng điện cũng tăng bấy nhiêu lần. Vì cả tử số (U) và mẫu số (I) cùng tăng theo cùng một tỷ lệ nên giá trị U / I vẫn không thay đổi. Điều đó chứng minh điện trở không phụ thuộc trực tiếp vào hiệu điện thế.

Nói cách khác, công thức R = U / I chỉ là công thức dùng để tính giá trị điện trở từ các đại lượng đã đo được, chứ không thể suy luận rằng điện áp và dòng điện là nguyên nhân tạo ra điện trở.

Có thể hình dung tương tự với công thức tính khối lượng riêng:

ρ = m / V

Không ai kết luận rằng chỉ cần tăng khối lượng thì khối lượng riêng của vật liệu sẽ tăng. Nếu cùng một loại vật liệu được lấy nhiều hơn, cả khối lượng (m) và thể tích (V) đều tăng theo cùng một tỷ lệ nên khối lượng riêng (ρ) vẫn giữ nguyên. Công thức chỉ phản ánh mối quan hệ giữa các đại lượng, không thể hiện quan hệ nguyên nhân – kết quả.

Phân biệt điện trở tĩnh và điện trở vi phân

Đối với các linh kiện tuyến tính như điện trở carbon hoặc điện trở kim loại, giá trị điện trở được xác định đơn giản bằng công thức:

R = U / I

Ở mọi điểm làm việc trong vùng tuyến tính, tỷ số U / I luôn gần như không đổi nên điện trở được xem là một hằng số.

Tuy nhiên, với các linh kiện phi tuyến như diode, LED, transistor hoặc varistor, tỷ số U / I chỉ phản ánh điện trở tĩnh tại một điểm làm việc nhất định. Khi điện áp thay đổi, điểm làm việc cũng thay đổi nên giá trị U / I có thể không còn giống trước.

Trong phân tích mạch điện tử, các kỹ sư thường sử dụng thêm khái niệm điện trở vi phân, được biểu diễn bằng công thức:

r = dU / dI

Đây là đại lượng cho biết điện áp sẽ thay đổi bao nhiêu khi dòng điện chỉ thay đổi một lượng rất nhỏ quanh một điểm làm việc xác định.

Đối với điện trở thuần, R và r gần như bằng nhau vì đặc tuyến U–I là đường thẳng. Ngược lại, với các linh kiện phi tuyến như diode hoặc varistor, hai giá trị này có thể khác nhau đáng kể do đặc tuyến U–I không còn tuyến tính.

Chính sự khác biệt này giải thích vì sao vẫn có thể tính U / I tại một thời điểm của diode hoặc LED, nhưng không thể kết luận chúng có một giá trị điện trở cố định như điện trở thông thường.

Ví dụ số chứng minh R không đổi

Giả sử một điện trở 100 Ω được đặt lần lượt dưới các mức điện áp lý tưởng:

Kết quả cho thấy U thay đổi từ 1 V đến 20 V nhưng R vẫn bằng 100 Ω.

Tuy nhiên, ở mức 20 V, công suất mà điện trở phải tiêu tán là:

P = U² / R = 20² / 100 = 4 W

Nếu đây chỉ là điện trở công suất danh định 0,25 W, linh kiện sẽ quá nhiệt và có thể cháy. Khi đó giả định “nhiệt độ và cấu trúc không đổi” không còn đúng. Điện trở thực tế có thể trôi giá trị hoặc hỏng hoàn toàn.

Ví dụ này cho thấy điện áp không nhất thiết làm R thay đổi trực tiếp, nhưng có thể tạo ra công suất quá lớn, dẫn đến nhiệt độ tăng và làm R biến đổi gián tiếp.

Bản chất vật lý của điện trở ở cấp độ electron

Electron chuyển động như thế nào trong vật dẫn?

Trong kim loại có các electron dẫn có thể chuyển động tương đối tự do. Khi chưa đặt hiệu điện thế, các electron vẫn chuyển động nhiệt hỗn loạn theo nhiều hướng. Do chuyển động không có hướng ưu tiên nên dòng điện trung bình bằng không.

Khi đặt hiệu điện thế vào hai đầu dây dẫn, bên trong vật dẫn xuất hiện điện trường. Điện trường tác dụng lực lên các electron, tạo ra một vận tốc trôi có hướng. Chuyển động có hướng này hình thành dòng điện.

Điện áp càng lớn trên cùng một chiều dài dây thì điện trường càng mạnh. Điện trường mạnh hơn làm vận tốc trôi trung bình tăng, vì vậy cường độ dòng điện tăng.

Tuy nhiên, electron không tăng tốc liên tục như một vật chuyển động trong chân không. Trong mạng tinh thể kim loại, chúng liên tục tương tác và va chạm với ion mạng, tạp chất, khuyết tật và dao động nhiệt. Các tương tác này cản trở chuyển động có hướng của electron. Mức độ cản trở đó biểu hiện ở cấp độ vĩ mô dưới dạng điện trở.

Vì sao điện trở không đổi khi nhiệt độ không đổi?

Trong vùng làm việc Ohmic, nếu nhiệt độ và cấu trúc vật liệu không đổi, đặc điểm va chạm của electron cũng gần như ổn định. Khi điện trường tăng, vận tốc trôi tăng theo tỷ lệ, khiến dòng điện tăng tuyến tính với điện áp.

Vì sao điện trở không đổi khi nhiệt độ không đổi?

Ở cấp độ vi mô, mối quan hệ giữa dòng điện và điện trường được mô tả bằng công thức:

J = σ × E

Trong đó:

• J là mật độ dòng điện

• E là cường độ điện trường

• σ là độ dẫn điện của vật liệu

Nếu σ không đổi, mật độ dòng điện sẽ tỷ lệ thuận với cường độ điện trường. Mà cường độ điện trường lại phụ thuộc vào hiệu điện thế đặt lên hai đầu vật dẫn và chiều dài của dây dẫn. Vì vậy, khi tăng hiệu điện thế, dòng điện cũng tăng theo cùng một tỷ lệ. Đây chính là cơ sở vật lý giải thích vì sao vật dẫn Ohmic tuân theo định luật Ohm.

Đối với một dây dẫn đồng chất, điện trở được xác định theo công thức:

R = (ρ × l) / S

Trong đó:

• ρ là điện trở suất của vật liệu

• l là chiều dài dây dẫn

• S là diện tích tiết diện ngang của dây dẫn

Công thức này cho thấy điện trở chỉ phụ thuộc vào điện trở suất của vật liệu, chiều dài dây và tiết diện ngang, hoàn toàn không có hiệu điện thế xuất hiện trong biểu thức. Vì vậy, nếu vật liệu, kích thước và nhiệt độ không thay đổi thì điện trở cũng không thay đổi, dù hiệu điện thế đặt vào có tăng hay giảm.

Vì sao nhiệt độ làm điện trở kim loại tăng?

Khi nhiệt độ của kim loại tăng, các nguyên tử trong mạng tinh thể dao động mạnh hơn. Điều này khiến các electron dẫn va chạm với mạng tinh thể nhiều hơn trong quá trình chuyển động, làm giảm khả năng dịch chuyển có hướng của chúng. Kết quả là điện trở suất của vật liệu tăng, kéo theo điện trở của dây dẫn cũng tăng.

Trong một khoảng nhiệt độ không quá lớn, điện trở của kim loại thường được tính gần đúng theo công thức:

RT = R0 × [1 α × (T − T0)]

Trong đó:

• R0 là điện trở tại nhiệt độ tham chiếu T0

• RT là điện trở tại nhiệt độ T

• α là hệ số nhiệt điện trở của vật liệu

Đối với đồng, hệ số nhiệt điện trở vào khoảng 0,0039/°C ở gần nhiệt độ phòng.

Ví dụ, một cuộn dây đồng có điện trở 10 Ω tại 20°C. Nếu nhiệt độ tăng lên 70°C, tức tăng 50°C, điện trở của dây sẽ là:

RT = 10 × [1 (0,0039 × 50)] = 10 × 1,195 = 11,95 Ω

Như vậy, điện trở đã tăng từ 10 Ω lên khoảng 11,95 Ω, tương đương tăng gần 19,5%.

Điều quan trọng cần lưu ý là nhiệt độ mới là nguyên nhân trực tiếp làm điện trở tăng, chứ không phải hiệu điện thế. Trong thực tế, hiệu điện thế chỉ có thể làm điện trở thay đổi một cách gián tiếp thông qua chuỗi tác động:

Hiệu điện thế tăng → Dòng điện tăng → Công suất tỏa nhiệt tăng → Nhiệt độ tăng → Điện trở tăng.

Đây cũng là lý do nhiều người nhầm tưởng rằng điện trở phụ thuộc vào hiệu điện thế, trong khi yếu tố làm thay đổi điện trở thực sự lại là nhiệt độ của vật dẫn.

Điện trở tăng gần 19,5%. Nguyên nhân trực tiếp là nhiệt độ, không phải hiệu điện thế. Điện áp chỉ có thể là nguyên nhân khởi đầu khiến dòng điện và công suất phát nhiệt tăng.

Điều gì thực sự quyết định giá trị điện trở?

Vật liệu và điện trở suất

Mỗi vật liệu có điện trở suất khác nhau. Điện trở suất càng thấp, vật liệu dẫn điện càng tốt.

Ở khoảng 20°C, điện trở suất của một số vật liệu thường có thứ tự tương đối như sau:

• Bạc có điện trở suất rất thấp và dẫn điện tốt

• Đồng dẫn điện tốt, được sử dụng rộng rãi trong dây điện

• Nhôm có điện trở suất cao hơn đồng nhưng nhẹ hơn

• Sắt và thép có điện trở suất cao hơn đáng kể

• Nhựa, cao su và thủy tinh có điện trở suất rất lớn, thường được dùng làm vật liệu cách điện

Trong thực tế, việc lựa chọn vật liệu không chỉ dựa vào khả năng dẫn điện. Kỹ sư còn cân nhắc khối lượng, độ bền cơ học, khả năng chống ăn mòn, giá thành và điều kiện thi công.

Chiều dài và tiết diện dây dẫn

Nhiệt độ và hệ số nhiệt điện trở

Đối với kim loại, điện trở thường tăng theo nhiệt độ. Với một số chất bán dẫn và điện trở nhiệt NTC, điện trở lại giảm khi nhiệt độ tăng.

Do đó, phát biểu “nóng lên thì điện trở luôn tăng” chỉ đúng với phần lớn kim loại, không phải quy luật chung cho mọi vật liệu.

Trong kỹ thuật đo lường, ảnh hưởng nhiệt độ rất quan trọng. Một điện trở chính xác có thể có hệ số nhiệt chỉ vài chục phần triệu trên mỗi độ C, trong khi điện trở thông thường có thể trôi nhiều hơn. Nếu mạch yêu cầu độ chính xác cao, người thiết kế phải xem xét cả dung sai ban đầu và hệ số nhiệt.

Cấu trúc, trạng thái và kích thước thực tế

Điện trở còn có thể thay đổi khi:

• Dây bị kéo dài làm chiều dài tăng và tiết diện giảm

• Mối nối bị oxy hóa làm điện trở tiếp xúc tăng

• Vật liệu bị nứt hoặc cháy cục bộ

• Áp suất cơ học thay đổi cấu trúc dẫn điện

• Độ ẩm tạo đường rò trên bề mặt cách điện

• Vật liệu chuyển pha hoặc bị đánh thủng

Những biến đổi này cho thấy điện trở là thuộc tính của toàn bộ trạng thái vật lý của phần tử, không chỉ phụ thuộc vào tên vật liệu.

Dung sai và công suất định mức của điện trở

Một điện trở ghi 1 kΩ không phải lúc nào cũng có giá trị đúng tuyệt đối 1.000 Ω. Nếu dung sai là ±5%, giá trị thực có thể nằm trong khoảng 950–1.050 Ω. Với dung sai ±1%, khoảng giá trị là 990–1.010 Ω.

Điện trở còn có công suất định mức như 0,125 W, 0,25 W, 0,5 W, 1 W hoặc cao hơn. Công suất tiêu tán được tính bằng:

Điện áp tối đa cho phép không chỉ phụ thuộc vào công suất. Một số điện trở còn có giới hạn điện áp làm việc do cấu tạo và khoảng cách cách điện. Vì vậy, không thể tùy ý tăng điện áp chỉ vì kết quả tính toán cho thấy R không đổi.

Khi tăng điện áp, điều gì thực sự xảy ra trong mạch?

Chuỗi nguyên nhân U → I → P → nhiệt độ → R

Với điện trở Ohmic ban đầu có giá trị ổn định, quá trình thường diễn ra theo chuỗi:

U tăng → I tăng → P tăng → T tăng → R có thể thay đổi

Đầu tiên, khi hiệu điện thế tăng, cường độ dòng điện cũng tăng theo định luật Ohm. Công suất tỏa nhiệt trên điện trở được tính theo công thức:

P = U² / R

Nếu hiệu điện thế tăng gấp đôi trong khi điện trở ban đầu vẫn không đổi, công suất sẽ tăng gấp bốn lần. Vì công suất tỷ lệ với bình phương điện áp nên chỉ cần điện áp tăng một lượng vừa phải cũng có thể làm điện trở nóng lên rất nhanh.

Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại thường tăng theo. Lúc này, giá trị điện trở đo được thay đổi, nhưng nguyên nhân trực tiếp không phải do hiệu điện thế mà là do nhiệt độ tăng bởi hiệu ứng tỏa nhiệt Joule.

Ví dụ với điện trở 100 Ω

Giả sử một điện trở 100 Ω được đặt vào nguồn điện 5 V:

I = U / R = 5 / 100 = 0,05 A

P = U² / R = 5² / 100 = 25 / 100 = 0,25 W

Nếu tăng hiệu điện thế lên 10 V:

I = U / R = 10 / 100 = 0,1 A

P = U² / R = 10² / 100 = 100 / 100 = 1 W

Điện áp chỉ tăng gấp đôi nhưng công suất tăng từ 0,25 W lên 1 W. Nếu linh kiện chỉ có công suất định mức 0,25 W, nó sẽ hoạt động quá tải nghiêm trọng.

Ban đầu, điện trở vẫn gần 100 Ω. Sau đó linh kiện nóng lên, giá trị có thể trôi khỏi mức danh định. Nếu tiếp tục vận hành, lớp điện trở có thể cháy, nứt hoặc đứt mạch. Lúc này điện trở có thể tăng rất lớn hoặc trở thành mạch hở.

Bóng đèn dây tóc: ngoại lệ do tự nung nóng

Dây tóc bóng đèn thường làm từ tungsten. Khi bóng chưa sáng, dây tóc còn nguội nên điện trở thấp. Dòng điện khởi động có thể lớn hơn nhiều so với dòng điện khi đèn đã sáng ổn định.

Khi dòng điện chạy qua, dây tóc nóng đến nhiệt độ rất cao. Điện trở tungsten tăng mạnh, làm dòng điện giảm về mức vận hành ổn định.

Đặc tuyến U–I của bóng đèn dây tóc vì thế không phải đường thẳng hoàn toàn. Điện áp tăng làm dòng điện tăng, nhưng đồng thời nhiệt độ và điện trở cũng tăng. Đây là trường hợp điện trở thay đổi gián tiếp theo điện áp thông qua cơ chế nhiệt.

Dây điện dân dụng khi quá tải

Điện trở của dây đồng trong gia đình gần như ổn định khi nhiệt độ thay đổi không đáng kể. Nhưng nếu dây quá nhỏ so với dòng tải, tổn hao (I^2R) làm dây nóng lên. Điện trở tăng khiến tổn hao tiếp tục tăng, đặc biệt tại các điểm nối lỏng hoặc bị oxy hóa.

Một mối nối có điện trở tiếp xúc cao có thể nóng cục bộ dù phần dây còn lại vẫn bình thường. Vì vậy, hiện tượng ổ cắm nóng, đầu nối cháy sém hoặc dây có mùi khét không thể được giải thích chỉ bằng điện áp lưới. Cần kiểm tra dòng tải, tiết diện dây, chất lượng tiếp xúc và khả năng tản nhiệt.

Lưu ý khi đo trong thực tế

Khi đo điện trở bằng đồng hồ vạn năng, linh kiện nên được ngắt khỏi nguồn điện. Thang đo ohm của đồng hồ tự cấp một dòng hoặc điện áp nhỏ để suy ra điện trở.

Nếu đo khi mạch vẫn có điện, kết quả có thể sai và gây hỏng đồng hồ. Ngoài ra, các linh kiện khác mắc song song cũng làm giá trị đo thấp hơn điện trở riêng của phần tử cần kiểm tra.

Với linh kiện nhạy nhiệt, thao tác cầm trực tiếp bằng tay cũng có thể làm nhiệt độ thay đổi và ảnh hưởng kết quả. Trong phép đo chính xác, cần chờ linh kiện ổn định nhiệt và cân nhắc điện trở dây đo.

Khi nào điện trở thực sự thay đổi theo điện áp?

Varistor: điện trở phụ thuộc điện áp

Varistor là linh kiện phi tuyến được thiết kế để thay đổi điện trở theo điện áp. Ở điện áp làm việc bình thường, varistor có điện trở rất cao và gần như không dẫn điện. Khi điện áp vượt một ngưỡng nhất định, điện trở giảm mạnh, cho phép dòng xung đi qua để hạn chế điện áp tăng cao trên tải cần bảo vệ.

Varistor thường được sử dụng trong:

• Bộ nguồn

• Ổ cắm chống xung

• Thiết bị chống sét lan truyền

• Mạch bảo vệ động cơ

• Thiết bị điện công nghiệp

Trong trường hợp này, có thể nói điện trở hiệu dụng phụ thuộc rõ rệt vào điện áp. Đây không phải sự vi phạm định luật Ohm mà là linh kiện không có đặc tuyến tuyến tính như điện trở thuần.

Varistor cũng không hấp thụ năng lượng vô hạn. Mỗi xung điện làm linh kiện chịu ứng suất nhiệt và điện. Sau nhiều lần bảo vệ hoặc sau một xung vượt khả năng, đặc tính varistor có thể suy giảm.

Diode và LED: tỷ số U/I thay đổi mạnh

Diode không tuân theo quan hệ tuyến tính (U = RI). Ở chiều thuận, dòng điện tăng rất nhanh sau khi điện áp tiếp giáp đạt vùng dẫn. Một thay đổi nhỏ của điện áp có thể làm dòng điện tăng nhiều lần.

Vì vậy, không nên cấp trực tiếp LED từ nguồn áp mà không có phần tử hạn dòng. Nếu điện áp nguồn tăng nhẹ, dòng LED có thể vượt giới hạn và làm linh kiện hỏng do quá nhiệt.

Khi lấy (U/I) tại từng điểm làm việc, ta thu được những giá trị khác nhau. Nhưng đây là điện trở tĩnh tại điểm đó, không phải một điện trở cố định như linh kiện 100 Ω.

Thermistor: phụ thuộc nhiệt độ, không trực tiếp phụ thuộc điện áp

Thermistor gồm hai nhóm phổ biến:

• NTC có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng

• PTC có điện trở tăng khi nhiệt độ tăng

Về bản chất, thermistor phụ thuộc nhiệt độ. Tuy nhiên, dòng điện đi qua có thể làm linh kiện tự nóng. Khi điện áp tăng, công suất tăng, nhiệt độ thay đổi và điện trở cũng đổi. Do đó, trong một số mạch, người quan sát thấy điện trở thermistor thay đổi theo điện áp dù biến trung gian thật sự là nhiệt độ.

NTC thường được dùng để hạn chế dòng khởi động hoặc đo nhiệt độ. PTC có thể được dùng trong bảo vệ quá dòng, tự phục hồi hoặc điều khiển nhiệt.

Điện trở quang và linh kiện cảm biến

Quang trở thay đổi điện trở theo cường độ ánh sáng. Điện trở áp lực thay đổi theo lực hoặc áp suất. Cảm biến độ ẩm có thể thay đổi độ dẫn điện theo lượng hơi nước.

Các linh kiện này cho thấy điện trở có thể phụ thuộc vào nhiều đại lượng vật lý khác nhau. Điện áp đo chỉ là phương tiện để xác định phản ứng của linh kiện, không nhất thiết là nguyên nhân gây ra phản ứng.

Tuy vậy, nếu điện áp đo quá lớn, dòng điện tự nung nóng có thể làm sai kết quả. Trong thiết kế cảm biến, người ta thường chọn dòng kích thích đủ nhỏ để hạn chế ảnh hưởng của phép đo lên đại lượng cần đo.

Đánh thủng và hư hỏng do quá áp

Khi điện áp vượt khả năng cách điện của vật liệu, điện trường có thể gây đánh thủng. Vật liệu vốn có điện trở rất lớn có thể đột ngột dẫn điện mạnh. Sau đánh thủng, linh kiện có thể phục hồi, suy giảm hoặc hỏng vĩnh viễn tùy cấu tạo.

Không nên xem đây là sự thay đổi điện trở trong vùng vận hành bình thường. Đó là trạng thái bất thường do giới hạn vật liệu bị vượt qua.

Các biểu hiện thường gặp gồm:

• Phóng điện

• Tia lửa

• Mùi khét

• Cháy lớp cách điện

• Chập mạch

• Dòng rò tăng

• Điện trở cách điện giảm

Khi đã xảy ra đánh thủng, việc chỉ dùng định luật Ohm tuyến tính để phân tích thường không còn phù hợp.

Đồ thị U–I giúp nhận biết điện trở có đổi hay không

Đặc tuyến của vật dẫn Ohmic

Với vật dẫn Ohmic, U tỷ lệ thuận với I:

U = R × I

Nếu biểu diễn U theo I, đồ thị thu được là đường thẳng đi qua gốc tọa độ. Độ dốc của đường thẳng được xác định bởi:

R = ΔU / ΔI

Độ dốc không đổi đồng nghĩa với điện trở không đổi.

Nếu biểu diễn I theo U, đồ thị vẫn là đường thẳng đi qua gốc tọa độ, nhưng độ dốc lúc này chính là độ dẫn điện:

G = I / U = 1 / R

Vì vậy, khi đọc đồ thị cần chú ý đại lượng nằm trên trục tung và trục hoành. Nếu U nằm trên trục tung, độ dốc là R. Nếu I nằm trên trục tung, độ dốc là (1/R).

Đặc tuyến của bóng đèn dây tóc

Đồ thị U–I của bóng đèn dây tóc bị cong vì dây tóc nóng dần khi dòng tăng. Ở vùng điện áp thấp, dây tóc còn nguội và điện trở nhỏ. Khi điện áp tăng, nhiệt độ tăng, điện trở lớn hơn nên dòng điện không tăng tỷ lệ hoàn toàn với điện áp.

Độ dốc của đường đặc tuyến thay đổi theo điểm vận hành. Đây là bằng chứng trực quan cho thấy bóng đèn không phải phần tử Ohmic lý tưởng trên toàn bộ dải điện áp.

Đặc tuyến của diode và varistor

Diode có đặc tuyến bất đối xứng giữa chiều thuận và chiều ngược. Ở chiều thuận, dòng điện rất nhỏ trước vùng dẫn, sau đó tăng mạnh. Ở chiều ngược, dòng thường rất nhỏ cho đến khi xảy ra đánh thủng.

Varistor có đặc tuyến phi tuyến theo cả hai chiều điện áp. Khi điện áp thấp, dòng rất nhỏ. Khi điện áp vượt vùng kẹp, dòng tăng nhanh để hạn chế điện áp.

Trong cả hai trường hợp, không thể dùng một đường thẳng duy nhất để mô tả toàn bộ quan hệ U–I. Vì thế, một giá trị điện trở cố định không đủ để đại diện cho linh kiện.

Cách kiểm tra bằng thí nghiệm đơn giản

Có thể kiểm tra một phần tử có tuân theo định luật Ohm hay không bằng cách:

1. Mắc phần tử với nguồn điện có thể điều chỉnh

2. Dùng ampe kế đo dòng điện nối tiếp

3. Dùng vôn kế đo điện áp hai đầu phần tử

4. Thay đổi điện áp theo từng mức an toàn

5. Ghi lại các cặp giá trị U và I

6. Tính U/I hoặc vẽ đồ thị U–I

Nếu U/I gần như không đổi và đồ thị là đường thẳng, phần tử có tính Ohmic trong dải đo. Nếu U/I thay đổi đáng kể hoặc đồ thị cong, phần tử có tính phi tuyến hoặc nhiệt độ đã thay đổi.

Khi thực hiện thí nghiệm cần giới hạn dòng và công suất để tránh làm nóng linh kiện quá mức. Nếu không, chính phép đo sẽ làm thay đổi đối tượng và khiến kết quả không còn phản ánh điện trở ở nhiệt độ ban đầu.

Những nhầm lẫn thường gặp về điện trở và hiệu điện thế

Điện trở được sinh ra bởi hiệu điện thế

Đây là nhận định sai. Hiệu điện thế tạo ra điện trường và thúc đẩy dòng điện. Điện trở phản ánh mức cản trở dòng điện của vật dẫn trong trạng thái xác định.

Ta có thể đo U và I rồi tính R, nhưng thao tác tính toán không đồng nghĩa với việc U và I “tạo ra” điện trở.

Tăng điện áp luôn làm điện trở tăng

Điều này không đúng với điện trở thuần làm việc trong vùng tuyến tính. Khi tăng điện áp, dòng tăng trước. Điện trở chỉ thay đổi đáng kể nếu xuất hiện thêm yếu tố như nhiệt độ, biến dạng, đánh thủng hoặc đặc tính phi tuyến.

Với kim loại bị tự nung nóng, R thường tăng. Với NTC, R có thể giảm. Với varistor, điện trở hiệu dụng giảm mạnh khi điện áp vượt ngưỡng. Không có một chiều thay đổi chung cho mọi linh kiện.

Điện trở phụ thuộc vào cường độ dòng điện

Trong vật dẫn Ohmic ở nhiệt độ không đổi, điện trở không phụ thuộc trực tiếp vào dòng điện. Dòng điện là kết quả của điện áp đặt lên một điện trở nhất định.

Tuy nhiên, dòng lớn có thể gây phát nhiệt:

Nhiệt độ tăng làm điện trở thay đổi. Vì vậy, trong thực tế có thể quan sát thấy R thay đổi khi I tăng, nhưng đây thường là quan hệ gián tiếp.

Thiết bị dùng điện có thể thay bằng một điện trở cố định

Một số tải có thể được xấp xỉ bằng điện trở tại một điểm làm việc, nhưng nhiều thiết bị không phải tải thuần trở.

Động cơ có điện trở cuộn dây, cảm kháng và sức điện động phản kháng. Bộ nguồn điện tử có chỉnh lưu, tụ điện và mạch chuyển đổi. LED có đặc tuyến phi tuyến. Vì vậy, phép tính (R = U/I) từ thông số định mức chỉ cho điện trở tương đương tại điều kiện đó, không mô tả đầy đủ thiết bị.

Đo U/I tại một điểm là đủ kết luận linh kiện tuyến tính

Một cặp số U và I chỉ cung cấp một điểm trên đặc tuyến. Để xác định linh kiện có điện trở không đổi hay không, cần đo tại nhiều mức điện áp và kiểm tra xem tỷ số U/I có giữ ổn định hay không.

Nếu chỉ đo một điểm, cả điện trở thuần, diode, bóng đèn và varistor đều có thể cho ra một giá trị U/I. Giá trị đó không chứng minh linh kiện tuân theo định luật Ohm trên toàn bộ dải vận hành.

Cách ghi nhớ đúng

Có thể ghi nhớ mối quan hệ bằng ba câu:

• U tạo ra điện trường thúc đẩy điện tích dịch chuyển

• I biểu thị mức dòng điện thực tế đang chạy

• R biểu thị mức cản trở dòng điện của phần tử

Với vật dẫn Ohmic và nhiệt độ không đổi:

U tăng → I tăng, R ≈ không đổi

Với linh kiện bị tự nung nóng:

U tăng → I tăng → P tăng → T tăng → R thay đổi

Với linh kiện phi tuyến như varistor hoặc diode, quan hệ U–I phụ thuộc cấu trúc và cơ chế dẫn điện riêng, nên không thể đại diện bằng một điện trở cố định.

Trong điều kiện lý tưởng hoặc với vật dẫn Ohmic được giữ ở nhiệt độ không đổi, điện trở không phụ thuộc vào hiệu điện thế. Công thức (R = U/I) chỉ mô tả mối quan hệ giữa ba đại lượng; khi U tăng, I cũng tăng theo tỷ lệ nên R vẫn giữ nguyên.

Điện trở chỉ thay đổi khi một yếu tố quyết định trạng thái của vật dẫn thay đổi, chẳng hạn nhiệt độ, kích thước, cấu trúc vật liệu hoặc cơ chế dẫn điện. Trong thực tế, điện áp có thể làm điện trở biến đổi gián tiếp thông qua chuỗi tăng dòng điện, tăng công suất và tăng nhiệt độ. Một số linh kiện như varistor còn được thiết kế để có điện trở phụ thuộc trực tiếp vào điện áp, trong khi diode và LED có đặc tuyến U–I phi tuyến.

Vì vậy, khi đánh giá điện trở có thay đổi theo hiệu điện thế hay không, cần trả lời ba câu hỏi: phần tử có phải vật dẫn Ohmic không, nhiệt độ có được giữ ổn định không và điện áp có nằm trong vùng vận hành cho phép không. Chỉ khi xác định đủ ba điều kiện này, kết luận mới chính xác cả về lý thuyết lẫn thực tế.