Bài học

Vận dụng mạch nối tiếp trong thực tế

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em vận dụng đặc điểm I, U của mạch nối tiếp để giải thích các hiện tượng thực tế và giải các bài tập tổng hợp có nhiều bước tính toán hơn.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học hai quy tắc cốt lõi của mạch nối tiếp: $I$ bằng nhau tại mọi điểm, $U$ toàn mạch bằng tổng $U$ từng phần. Bài này áp dụng hai quy tắc đó vào những tình huống có thật, thay vì chỉ tính toán trên số liệu cho sẵn.

Khởi động

Dây đèn trang trí kiểu nối tiếp cũ: chỉ một bóng bị đứt tim, cả dây tối om theo, dù mọi bóng khác vẫn còn nguyên vẹn. Vì sao hiện tượng này lại xảy ra ngay lập tức, không có độ trễ nào?

Kiến thức trọng tâm

Khi một bóng đèn trong dây đèn nháy nối tiếp bị đứt tim, điểm đó trở thành một khoảng hở thật sự trong dây dẫn — dù mọi bóng khác vẫn nguyên vẹn, con đường duy nhất nối liền hai cực nguồn đã bị cắt đứt tại đúng điểm đó. Không còn vòng khép kín, cường độ dòng điện lập tức bằng 0 ở khắp mọi nơi trên mạch (vì $I$ bằng nhau tại mọi điểm, kể cả giá trị 0), nên toàn bộ các bóng đèn tắt cùng lúc — không có bóng nào "còn sáng sót lại".

Quy tắc cộng dồn hiệu điện thế cũng giải thích vì sao đèn pin phải dùng nhiều viên pin nối tiếp: mỗi viên pin chỉ có $U = 1,5 V$ , nhưng bóng đèn pin thường cần $U$ định mức cao hơn để sáng đủ độ. Ghép nhiều viên pin nối tiếp (cực dương pin này nối cực âm pin kia) khiến $U$ của cả bộ nguồn cộng dồn lại — hai viên cho $3 V$ , bốn viên cho $6 V$ — đủ lớn để đúng với hiệu điện thế định mức của bóng đèn đang dùng. Nhưng phép cộng này chỉ đúng khi các pin được lắp đúng chiều (cực dương nối cực âm liên tiếp); nếu lỡ lắp ngược một viên, viên đó không cộng thêm mà lại trừ bớt hiệu điện thế của cả bộ nguồn.

Quy tắc cộng dồn hiệu điện thế cũng giải thích vì sao đèn pin phải dùng nhiều viên pin nối tiếp: mỗi viên pin chỉ có $U = 1,5 V$, nhưng bóng đèn pin thường cần $U$ định mức cao hơn để sáng đủ độ. Ghép nhiều viên pin nối tiếp (cực dương pin này nối cực âm pin kia) khiến $U$ của cả bộ nguồn cộng dồn lại — hai viên cho $3 V$, bốn viên cho $6 V$ — đủ lớn để đúng với hiệu điện thế định mức của bóng đèn đang dùng. Nhưng phép cộng này chỉ đúng khi các pin được lắp **đúng chiều** (cực dương nối cực âm liên tiếp); nếu lỡ lắp ngược một viên, viên đó không cộng thêm mà lại trừ bớt hiệu điện thế của cả bộ nguồn.

Quy tắc "I không đổi, hỏng một điểm là hở toàn mạch" còn xuất hiện trong nhiều thiết bị khác ngoài đèn trang trí — ví dụ dây tóc của một số loại đèn sợi đốt cũ nối tiếp bên trong nhiều bộ đèn trần cổ điển, hay các mạch cảm biến đơn giản mắc nối tiếp để cùng kiểm tra một điều kiện. Vì lý do đó, mạch nối tiếp thường KHÔNG được chọn cho hệ thống chiếu sáng chính trong nhà — chỉ cần một bóng cháy, cả hệ thống sẽ tối om, rất bất tiện và có thể nguy hiểm nếu xảy ra vào ban đêm.

Ngược lại, ưu điểm của mạch nối tiếp lại chính là điểm mà nó bị chê ở trên: chỉ cần một công tắc duy nhất mắc nối tiếp là điều khiển được toàn bộ các phần tử cùng lúc — đó là lý do dây đèn trang trí, dù có nhược điểm dễ tắt cả dây khi hỏng một bóng, vẫn được ưa chuộng cho mục đích trang trí ngắn hạn: rẻ, dễ lắp, và chỉ cần bật tắt một công tắc là cả chuỗi đèn cùng sáng hoặc cùng tắt theo đúng ý muốn.

Mạch nối tiếp chỉ có một đường đi — hỏng một điểm là mất dòng điện ở toàn mạch.

Ví dụ

Kiểm tra một bộ đèn trang trí nối tiếp có sáng đúng định mức không

1
Một hộp đèn trang trí gồm 4 bóng đèn giống hệt nhau mắc nối tiếp với một pin có $U = 6 V$ . Mỗi bóng có hiệu điện thế định mức $1,5 V$ . Ampe kế mắc trong mạch chỉ $I = 0,2 A$ . a) Các bóng đèn có sáng đúng định mức không? b) Cường độ dòng điện qua mỗi bóng là bao nhiêu?
Một hộp đèn trang trí gồm 4 bóng đèn giống hệt nhau mắc nối tiếp với một pin có $U = 6 V$. Mỗi bóng có hiệu điện thế định mức $1,5 V$. Ampe kế mắc trong mạch chỉ $I = 0,2 A$. a) Các bóng đèn có sáng đúng định mức không? b) Cường độ dòng điện qua mỗi bóng là bao nhiêu?
2
Ta có trong mạch nối tiếp, $U$ toàn mạch bằng tổng $U$ từng bóng: $U = 4 \times 1,5 = 6 V$ , đúng bằng $U$ của nguồn (TMĐK — thoả mãn điều kiện).
Ta có trong mạch nối tiếp, $U$ toàn mạch bằng tổng $U$ từng bóng: $U = 4 \times 1,5 = 6 V$, đúng bằng $U$ của nguồn (TMĐK — thoả mãn điều kiện).
3
Ta có trong mạch nối tiếp, $I$ bằng nhau tại mọi điểm, nên $I_1 = I_2 = I_3 = I_4 = I = 0,2 A$ .
Ta có trong mạch nối tiếp, $I$ bằng nhau tại mọi điểm, nên $I_1 = I_2 = I_3 = I_4 = I = 0,2 A$.
4
Vậy: a) Vì tổng $U$ định mức của 4 bóng đúng bằng $U$ nguồn nên các bóng sáng đúng định mức. b) Mỗi bóng đèn có cường độ dòng điện là $0,2 A$ .
Vậy: a) Vì tổng $U$ định mức của 4 bóng đúng bằng $U$ nguồn nên các bóng sáng đúng định mức. b) Mỗi bóng đèn có cường độ dòng điện là $0,2 A$.

Ví dụ

Lắp ngược một viên pin trong bộ nguồn nối tiếp

1
Một bộ đèn pin dùng 3 viên pin $1,5 V$ nối tiếp để thắp sáng một bóng đèn định mức $4,5 V$ . Nếu học sinh lỡ lắp ngược 1 viên pin (cực âm quay ngược so với hai viên còn lại), hiệu điện thế của cả bộ nguồn thay đổi thế nào?
Một bộ đèn pin dùng 3 viên pin $1,5 V$ nối tiếp để thắp sáng một bóng đèn định mức $4,5 V$. Nếu học sinh lỡ lắp ngược 1 viên pin (cực âm quay ngược so với hai viên còn lại), hiệu điện thế của cả bộ nguồn thay đổi thế nào?
2
Nếu cả ba viên pin lắp đúng chiều nối tiếp, hiệu điện thế bộ nguồn là $U = U_1 + U_2 + U_3 = 1,5 + 1,5 + 1,5 = 4,5 V$ , đúng bằng định mức của bóng đèn.
Nếu cả ba viên pin lắp đúng chiều nối tiếp, hiệu điện thế bộ nguồn là $U = U_1 + U_2 + U_3 = 1,5 + 1,5 + 1,5 = 4,5 V$, đúng bằng định mức của bóng đèn.
3
Viên pin lắp ngược có cực tính đảo chiều so với hai viên còn lại, nên đóng góp của nó vào $U$ tổng bị đổi dấu — thay vì cộng thêm $1,5 V$ , nó lại trừ đi $1,5 V$ : $U = 1,5 + 1,5 - 1,5 = 1,5 V$ .
Viên pin lắp ngược có cực tính đảo chiều so với hai viên còn lại, nên đóng góp của nó vào $U$ tổng bị đổi dấu — thay vì cộng thêm $1,5 V$, nó lại trừ đi $1,5 V$: $U = 1,5 + 1,5 - 1,5 = 1,5 V$.
4
Vậy hiệu điện thế bộ nguồn giảm mạnh từ $4,5 V$ xuống chỉ còn $1,5 V$ — thấp hơn định mức bóng đèn rất nhiều, nên đèn sẽ không sáng hoặc sáng rất mờ, chứ không chỉ giảm sáng nhẹ như nhiều học sinh nghĩ.
Vậy hiệu điện thế bộ nguồn giảm mạnh từ $4,5 V$ xuống chỉ còn $1,5 V$ — thấp hơn định mức bóng đèn rất nhiều, nên đèn sẽ không sáng hoặc sáng rất mờ, chứ không chỉ giảm sáng nhẹ như nhiều học sinh nghĩ.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ lắp ngược một viên pin chỉ làm hiệu điện thế giảm nhẹ (như thể viên đó "không đóng góp gì"). Thực chất viên pin lắp ngược làm hiệu điện thế bộ nguồn bị trừ đi đúng giá trị của nó, chứ không phải chỉ mất đi phần đóng góp — hậu quả nặng hơn nhiều so với việc chỉ thiếu một viên pin.

Ghi nhớ

Mạch nối tiếp: hỏng một phần tử là hở cả mạch (I=0 khắp nơi); ghép nhiều nguồn nối tiếp đúng chiều để cộng dồn U, nhưng lắp ngược một phần tử sẽ TRỪ đi U của nó chứ không chỉ mất đóng góp.

Khác với dây đèn nối tiếp, mạng điện trong nhà em lại mắc theo một kiểu hoàn toàn khác — mạch song song. Chương tiếp theo sẽ giải thích vì sao.