Trong phân tích mạch, hai nguyên tắc cơ bản đóng vai trò quan trọng: Định luật điện áp Kirchhoff (KVL) và Bảo toàn năng lượng. Những nguyên tắc này cho phép chúng tôi hiểu và phân tích hành vi của các mạch điện và đảm bảo sử dụng năng lượng hiệu quả. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào các khái niệm về Định luật Điện áp Kirchhoff và Định luật Bảo toàn Năng lượng, cung cấp sự hiểu biết rõ ràng về tầm quan trọng của chúng và các phương trình liên quan đến chúng.
Định luật điện áp Kirchhoff (KVL) là gì
Định luật này tuyên bố rằng mỗi vòng kín trong một mạch điện có điện áp bằng 0 bằng tổng của tất cả các điện áp xung quanh. Nói cách khác, trong mạch vòng kín, tổng đại số của điện áp tăng và giảm luôn bằng không.
Giải thích Định luật Điện áp Kirchhoff (KVL)
Có thể hiểu Định luật Điện áp Kirchhoff bằng cách xem xét một mạch điện có nhiều thành phần khác nhau như điện trở, tụ điện và cuộn cảm. Để giải thích, tôi đã nghĩ về một mạch đơn giản được tạo thành từ một kết nối nối tiếp giữa nguồn điện áp (V), điện trở (R) và tụ điện (C).
Theo KVL, tổng điện áp rơi trên mỗi thành phần trong một vòng kín phải bằng điện áp đặt vào . Về mặt toán học, nó có thể được biểu diễn dưới dạng:
Ở đâu:
TRONG đại diện cho điện áp được áp dụng từ nguồn.
TRONG r đại diện cho sự sụt giảm điện áp trên điện trở.
TRONG C biểu thị hiệu điện thế rơi trên tụ điện.
Định luật Ohm, phát biểu rằng điện áp rơi trên một điện trở bằng tích của điện trở (R) và cường độ dòng điện (I) chạy qua nó, có thể được sử dụng để tính điện áp rơi trên điện trở. Về mặt toán học, nó có thể được biểu diễn dưới dạng:
Tương tự, điện áp rơi trên một tụ điện có thể được xác định theo phương trình:
Ở đâu:
Hỏi đại diện cho điện tích được lưu trữ trong tụ điện.
C biểu thị điện dung của tụ điện.
Ví dụ cho Định luật điện áp Kirchhoff
Đây là một mạch đơn giản với ba điện trở (R 1 , R 2 , R 3 ) mắc nối tiếp. Ví dụ này sẽ chứng minh Luật Điện áp của Kirchhoff (KVL) đúng như thế nào bằng cách chỉ ra rằng tổng của tất cả các điện áp trong vòng lặp bằng không.
Trong đoạn mạch nối tiếp, điện trở toàn phần bằng tổng các điện trở riêng lẻ:
Giả sử một số giá trị điện trở tùy ý cho mỗi điện trở:
Điện trở 1 (R 1 ) = 2 ôm
Điện trở 2 (R 2 ) = 4 ôm
Điện trở 3 (R 3 ) = 6 ôm
Bây giờ điện trở tương đương sẽ trở thành 12, bên cạnh để xác minh KVL, chúng ta cần tính toán điện áp rơi trên mỗi điện trở và trước đó, chúng ta cần tính toán dòng điện trong mạch và để làm được điều đó, có thể sử dụng phương trình sau:
Bây giờ nếu chúng ta đặt giá trị của điện áp nguồn là 12 vôn và điện trở tương đương là 12 ôm thì phương trình đã cho ở trên sẽ là:
Vì vậy, bây giờ giá trị hiện tại là 1 A và vì đây là mạch nối tiếp nên dòng điện sẽ giống nhau trên mỗi điện trở. Tuy nhiên, điện áp trên điện trở sẽ khác, vì vậy bây giờ chúng ta sẽ tính toán nó trên mỗi điện trở bằng cách sử dụng phương trình sau:
Bây giờ điện áp rơi trên điện trở R 1 sẽ là:
Hiệu điện thế rơi trên điện trở R 2 sẽ là:
Hiệu điện thế rơi trên điện trở R 3 sẽ là:
Bây giờ để xác minh định luật điện áp Kirchhoff, hãy sử dụng phương trình sau:
Bây giờ đặt các giá trị của dòng điện và điện áp trong phương trình đã cho ở trên:
Theo KVL, tổng điện áp giảm xung quanh một vòng kín bằng 0 và kết quả trên chứng minh Định luật Kirchhoff.
Bảo toàn năng lượng là gì
Đó là một định luật vật lý cơ bản rằng năng lượng không thể được tạo ra hoặc phá hủy; đúng hơn, nó chỉ có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác, và định luật này được gọi là định luật bảo toàn năng lượng. Định luật này cũng có thể áp dụng cho các mạch điện, trong đó năng lượng cung cấp cho mạch hoặc được tiêu thụ bởi các bộ phận hoặc được chuyển đổi thành dạng khác.
Giải thích bảo toàn năng lượng
Nguyên lý bảo toàn năng lượng được áp dụng trong các mạch điện nhằm đảm bảo năng lượng cung cấp cho mạch điện được bảo toàn và sử dụng hợp lý. Trong bất kỳ mạch điện nào, tổng công suất cung cấp phải bằng tổng công suất tiêu thụ và tiêu tán.
Công suất được cung cấp bởi nguồn điện áp có thể được tính bằng phương trình:
Ở đâu:
P đại diện cho nguồn điện được cung cấp.
TRONG là điện áp được cung cấp bởi các nguồn kết nối.
TÔI là cường độ dòng điện chạy trong mạch.
Công suất tiêu thụ bởi một điện trở có thể được tính bằng phương trình:
Công suất tiêu tán bởi một tụ điện có thể được tính bằng phương trình:
Ví dụ về bảo toàn năng lượng
Giả sử một mạch bao gồm pin (V) được kết nối với điện trở (R) và pin cung cấp điện áp không đổi và điện trở chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt.
Ở đây, để minh họa, tôi lấy điện áp bằng 12 và giá trị điện trở bằng 6 ôm. Tổng công suất do pin cung cấp phải phù hợp với tổng công suất mà điện trở sử dụng theo khái niệm bảo toàn năng lượng.
Để tính năng lượng cung cấp bởi pin, chúng ta có thể sử dụng công thức:
Trong đó P biểu thị công suất và I biểu thị cường độ dòng điện chạy qua mạch.
Để tính toán công suất được cung cấp bởi dòng điện nguồn trong mạch, bạn nên biết và sử dụng Định luật Ohm:
Bây giờ, hãy tính năng lượng được cung cấp bởi pin:
Công suất sử dụng của điện trở phải bằng công suất do pin cung cấp, dựa trên nguyên tắc bảo toàn năng lượng. Công thức sau đây có thể được sử dụng để xác định công suất được sử dụng bởi điện trở trong tình huống này:
Trường hợp P r biểu thị công suất tiêu thụ của điện trở.
Như chúng ta có thể thấy, năng lượng do pin cung cấp (24 watt) bằng với năng lượng tiêu thụ bởi điện trở (24 watt). Ví dụ này thể hiện nguyên tắc Bảo toàn năng lượng, trong đó năng lượng cung cấp cho mạch được chuyển đổi thành dạng khác (trong trường hợp này là nhiệt) mà không có bất kỳ sự mất mát hay tăng năng lượng tổng thể nào.
Phần kết luận
Định luật Điện áp Kirchhoff và Định luật Bảo toàn Năng lượng là những khái niệm quan trọng trong phân tích mạch điện, giúp các kỹ sư và nhà khoa học hiểu và phân tích mạch điện. Định luật điện áp của Kirchhoff phát biểu rằng tổng điện áp trong mạch vòng kín bằng 0, cung cấp một cách hiệu quả để phân tích mạch. Mặt khác, nguyên tắc Bảo toàn năng lượng đảm bảo rằng năng lượng được bảo toàn và sử dụng hiệu quả trong một mạch điện bằng cách áp dụng các nguyên tắc này và các phương trình liên quan.