Bài học

Vận dụng đoạn mạch nối tiếp: biến trở điều chỉnh độ sáng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em vận dụng đặc điểm mạch nối tiếp để giải thích và tính toán cường độ dòng điện khi một bóng đèn được mắc nối tiếp với biến trở, và dự đoán được I thay đổi thế nào khi xoay biến trở.

Kiến thức nền cần nhớ

Same-grade bridge: ở Course 5, em đã học biến trở — một điện trở có thể thay đổi giá trị bằng cách xoay núm hoặc kéo con chạy — dùng để điều chỉnh I trong mạch. Bài này mắc biến trở nối tiếp với một bóng đèn (coi như một điện trở cố định) và áp dụng đúng công thức $R_{tđ} = R_{đèn} + R_{biến trở}$ vừa học.

Khởi động

Đèn ngủ có núm xoay khiến ánh sáng mờ dần hoặc sáng dần lên khi xoay. Bên trong đèn không có bóng đèn nào khác được thay vào — cơ chế nào khiến cùng một bóng đèn lại sáng khác đi chỉ nhờ xoay núm?

Kiến thức trọng tâm

Khi bóng đèn (điện trở $R_đ$ cố định) mắc nối tiếp với biến trở (điện trở $R_b$ thay đổi được từ 0 đến giá trị lớn nhất của nó), điện trở tương đương của cả mạch là $R_{tđ} = R_đ + R_b$ — đúng công thức mạch nối tiếp. Vì U của nguồn không đổi, theo định luật Ohm $I = U/R_{tđ}$ : biến trở càng lớn thì $R_{tđ}$ càng lớn, nên I càng NHỎ, đèn càng mờ; ngược lại vặn biến trở về 0Ω thì $R_{tđ}$ chỉ còn bằng $R_đ$ , I lớn nhất, đèn sáng nhất.

Đây chính là cơ chế của núm xoay đèn ngủ: xoay núm chỉ đổi giá trị $R_b$ , không đổi bóng đèn, nhưng vì $R_b$ nối tiếp với đèn nên nó trực tiếp quyết định I qua đèn.

Khi bóng đèn (điện trở $R_đ$ cố định) mắc nối tiếp với biến trở (điện trở $R_b$ thay đổi được từ 0 đến giá trị lớn nhất của nó), điện trở tương đương của cả mạch là $R_{tđ} = R_đ + R_b$ — đúng công thức mạch nối tiếp. Vì U của nguồn không đổi, theo định luật Ohm $I = U/R_{tđ}$: biến trở càng lớn thì $R_{tđ}$ càng lớn, nên I càng NHỎ, đèn càng mờ; ngược lại vặn biến trở về 0Ω thì $R_{tđ}$ chỉ còn bằng $R_đ$, I lớn nhất, đèn sáng nhất. Đây chính là cơ chế của núm xoay đèn ngủ: xoay núm chỉ đổi giá trị $R_b$, không đổi bóng đèn, nhưng vì $R_b$ nối tiếp với đèn nên nó trực tiếp quyết định I qua đèn.

Mỗi bước trong dãy suy luận nối tiếp nhau bằng đúng công thức Rtđ = Rđèn + Rbiến trở và định luật Ohm I = U/Rtđ.

Ví dụ

Khoảng biến thiên của I khi xoay biến trở

1
Một bóng đèn có điện trở $R_đ = 8\,\Omega$ mắc nối tiếp với một biến trở có thể chỉnh từ $0\,\Omega$ đến $12\,\Omega$ , cắm vào nguồn $U = 6\,V$ . Tính cường độ dòng điện lớn nhất và nhỏ nhất qua đèn khi xoay biến trở.
Một bóng đèn có điện trở $R_đ = 8\,\Omega$ mắc nối tiếp với một biến trở có thể chỉnh từ $0\,\Omega$ đến $12\,\Omega$, cắm vào nguồn $U = 6\,V$. Tính cường độ dòng điện lớn nhất và nhỏ nhất qua đèn khi xoay biến trở.
2
Khi biến trở ở $0\,\Omega$ : $R_{tđ} = 8 + 0 = 8\,\Omega$ . Áp dụng định luật Ohm: $I_{max} = \dfrac{U}{R_{tđ}} = \dfrac{6}{8} = 0,75\,A$ .
Khi biến trở ở $0\,\Omega$: $R_{tđ} = 8 + 0 = 8\,\Omega$. Áp dụng định luật Ohm: $I_{max} = \dfrac{U}{R_{tđ}} = \dfrac{6}{8} = 0,75\,A$.
3
Khi biến trở ở giá trị lớn nhất $12\,\Omega$ : $R_{tđ} = 8 + 12 = 20\,\Omega$ . Suy ra $I_{min} = \dfrac{6}{20} = 0,3\,A$ .
Khi biến trở ở giá trị lớn nhất $12\,\Omega$: $R_{tđ} = 8 + 12 = 20\,\Omega$. Suy ra $I_{min} = \dfrac{6}{20} = 0,3\,A$.
4
Vậy cường độ dòng điện qua đèn thay đổi trong khoảng từ $0,3\,A$ đến $0,75\,A$ tuỳ vị trí biến trở — đúng như dự đoán, biến trở càng lớn thì I càng nhỏ.
Vậy cường độ dòng điện qua đèn thay đổi trong khoảng từ $0,3\,A$ đến $0,75\,A$ tuỳ vị trí biến trở — đúng như dự đoán, biến trở càng lớn thì I càng nhỏ.

Ví dụ

Dây đèn trang trí bốn bóng và biến trở chung

1
Một dây đèn trang trí gồm 4 bóng giống nhau, mỗi bóng $R = 3\,\Omega$ , mắc nối tiếp với một biến trở chung để điều chỉnh độ sáng cả dây, cắm vào nguồn $U = 15\,V$ . a) Khi biến trở đang ở $3\,\Omega$ , tính I và hiệu điện thế mỗi bóng. b) Nếu chỉnh biến trở tăng lên $6\,\Omega$ , so sánh I mới với I lúc đầu.
Một dây đèn trang trí gồm 4 bóng giống nhau, mỗi bóng $R = 3\,\Omega$, mắc nối tiếp với một biến trở chung để điều chỉnh độ sáng cả dây, cắm vào nguồn $U = 15\,V$. a) Khi biến trở đang ở $3\,\Omega$, tính I và hiệu điện thế mỗi bóng. b) Nếu chỉnh biến trở tăng lên $6\,\Omega$, so sánh I mới với I lúc đầu.
2
Bốn bóng nối tiếp: $R_{4 bóng} = 4 \times 3 = 12\,\Omega$ . Cộng biến trở: $R_{tđ} = 12 + 3 = 15\,\Omega$ . Suy ra $I = \dfrac{15}{15} = 1\,A$ . Mỗi bóng có $U = I \times R = 1 \times 3 = 3\,V$ .
Bốn bóng nối tiếp: $R_{4 bóng} = 4 \times 3 = 12\,\Omega$. Cộng biến trở: $R_{tđ} = 12 + 3 = 15\,\Omega$. Suy ra $I = \dfrac{15}{15} = 1\,A$. Mỗi bóng có $U = I \times R = 1 \times 3 = 3\,V$.
3
Khi biến trở tăng lên $6\,\Omega$ : $R_{tđ}' = 12 + 6 = 18\,\Omega$ , suy ra $I' = \dfrac{15}{18} \approx 0,83\,A$ (làm tròn đến hàng phần trăm).
Khi biến trở tăng lên $6\,\Omega$: $R_{tđ}' = 12 + 6 = 18\,\Omega$, suy ra $I' = \dfrac{15}{18} \approx 0,83\,A$ (làm tròn đến hàng phần trăm).
4
So sánh: $I' \approx 0,83\,A < I = 1\,A$ — tăng biến trở làm dòng điện giảm, dây đèn mờ đi, đúng như quy luật đã học.
So sánh: $I' \approx 0,83\,A < I = 1\,A$ — tăng biến trở làm dòng điện giảm, dây đèn mờ đi, đúng như quy luật đã học.

Sai lầm thường gặp

Nhiều bạn nghĩ tăng biến trở sẽ làm đèn SÁNG hơn, như thể biến trở là nguồn cấp thêm năng lượng. Biến trở không sinh ra năng lượng — nó chỉ là một điện trở thêm vào nối tiếp, làm cản trở dòng điện nhiều hơn. Tăng biến trở luôn làm I giảm, đèn mờ đi, không bao giờ ngược lại.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Điều cần nhớ

Biến trở mắc nối tiếp với đèn hoạt động đúng theo công thức mạch nối tiếp: $R_{tđ} = R_đ + R_b$ . Biến trở tăng → Rtđ tăng → I giảm → đèn mờ. Biến trở giảm → I tăng → đèn sáng hơn.

Biến trở mắc nối tiếp với đèn hoạt động đúng theo công thức mạch nối tiếp: $R_{tđ} = R_đ + R_b$. Biến trở tăng → Rtđ tăng → I giảm → đèn mờ. Biến trở giảm → I tăng → đèn sáng hơn.

Chương sau chuyển sang một kiểu mắc hoàn toàn khác — đoạn mạch song song — nơi các điện trở không còn chia sẻ một con đường chung mà mỗi nhánh có đường đi riêng của mình.