Định luật Ohm – Nền tảng không thể thiếu trong đo lường và hiệu chuẩn điện

1. Định luật Ohm

Định luật Ohm là một định luật vật lý về sự phụ thuộc vào cường độ dòng điện của hiệu điện thế và điện trở. Nội dung của định luật cho rằng cường độ dòng điện đi qua 2 điểm của một vật dẫn điện luôn tỷ lệ thuận với hiệu điện thế đi qua 2 điểm đó, với vật dẫn điện có điện trở là một hằng số, ta có phương trình toán học mô tả mối quan hệ như sau:

I = U.R

Với I là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn (đơn vị: ampere). V (trong chương trình phổ thông, V còn được ký hiệu là U) là điện áp trên vật dẫn (đơn vị volt), R là điện trở (đơn vị: ohm). Trong định luật Ohm, điện trở R không phụ thuộc vào cường độ dòng điện và R luôn là 1 hằng số.

Định luật Ohm được đặt tên theo nhà vật lý học người Đức Georg Ohm và được phát hành trên một bài báo năm 1827, mô tả các phép đo điện áp và cường độ dòng điện qua một mạch điện đơn giản gồm nhiều dây có độ dài khác nhau, Ông trình bày một phương trình phức tạp hơn một chút so với trên để giải thích kết quả thực nghiệm của mình (xem phần Lịch sử dưới đây). Phương trình trên là dạng hiện đại của định luật Ohm.

Hình 1: Tam giác định luật Ohm

Trong vật lý, thuật ngữ định luật Ohm cũng được dùng để chỉ các dạng khái quát khác của luật Ohm gốc. Ví dụ đơn giản sau:

Trong đó J là mật độ dòng tại một vị trí nhất định trong vật liệu điện trở, E là điện trường tại vị trí đó, và σ (Sigma) là một tham số phụ thuộc vật liệu được gọi là độ dẫn. Đây là dạng khác của Định luật Ohm viết bởi Gustav Kirchhoff.

Định luật Ohm đối với toàn mạch: cường độ dòng điện chạy trong mạch điện kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch đó.

Định luật Ohm là một trong những nguyên lý cơ bản nhất của điện học, nhưng trong lĩnh vực đo lường, giá trị của nó không nằm ở công thức mà nằm ở khả năng áp dụng vào các tình huống thực tế. Từ mạch vòng 4–20 mA, điện trở HART cho đến các lỗi nguồn khó phát hiện, tất cả đều có thể được giải thích bằng định luật Ohm.

2. Các ví dụ thực tế ứng dụng định luật Ohm:

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đưa ra một số ví dụ để người đọc có thể hiểu rõ về định luật Ohm.

a) Mạch điện đơn giản nhất:

Xét một mạch điện một chiều đơn giản với nguồn 24 VDC và một điện trở 1200 Ω mắc vào mạch. Trong trường hợp này, dòng điện chạy trong mạch là 20 mA (0,02 A).

Hình 2: Mạch nguyên lý ví dụ 1

Theo định luật Ohm, dòng điện trong mạch được xác định bằng điện áp chia cho điện trở. Khi lấy 24 V chia cho 1200 Ω, ta thu được dòng điện 0,02 A, tức 20 mA. Ngược lại, nếu đã biết điện áp là 24 V và mong muốn dòng điện 20 mA, ta có thể tính được điện trở cần thiết là 1200 Ω. Hoặc nếu đã có điện trở 1200 Ω và muốn đạt dòng 20 mA, thì điện áp yêu cầu chính là 24 V.

Điều này cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa điện áp – dòng điện – điện trở: chỉ cần thay đổi một đại lượng, hai đại lượng còn lại sẽ thay đổi theo.

Khi muốn tạo dòng 4 mA trong mạch 24 V. Nếu vẫn sử dụng nguồn 24 V nhưng chỉ muốn tạo dòng 4 mA, điện trở trong mạch phải tăng lên đáng kể. Áp dụng công thức, điện trở cần thiết lúc này là 6000 Ω (6 kΩ).

Ví dụ này đặc biệt quan trọng khi làm việc với các mạch vòng 4–20 mA, bởi nó cho thấy tại sao mạch có điện trở tổng quá lớn sẽ khiến thiết bị khó đạt được dòng cao, ngay cả khi nguồn điện áp không thay đổi.

b) Điện trở HART 250 Ω và bài toán sụt áp:

Trong các mạch sử dụng truyền thông HART, người ta thường mắc thêm một điện trở 250 Ω nối tiếp với transmitter. Điện trở này giúp tín hiệu HART hoạt động, nhưng đồng thời cũng gây ra sụt áp.

Khi dòng điện là 20 mA, điện áp rơi trên điện trở 250 Ω là 5 V. Điều đó đồng nghĩa với việc, từ nguồn 24 V ban đầu, chỉ còn 19 V cấp cho transmitter. Với đa số transmitter, mức điện áp này vẫn đủ để thiết bị hoạt động ổn định.

Hình 3: Mạch nguyên lý ví dụ 2

Tuy nhiên, nếu nguồn vòng ban đầu chỉ là 17 V, sau khi trừ đi 5 V sụt áp, transmitter chỉ còn 12 V để hoạt động, một mức điện áp tiệm cận giới hạn làm việc. Đây là lý do vì sao trong nhiều trường hợp, hệ thống HART hoạt động không ổn định dù sơ đồ đấu nối “đúng lý thuyết”.

c) Đo dòng transmitter bằng điện trở nối tiếp:

Trong thực tế, không phải lúc nào cũng thuận tiện để ngắt mạch hoặc mở nắp transmitter để đo dòng. Một cách phổ biến là mắc một điện trở chính xác nối tiếp, sau đó đo điện áp rơi trên điện trở và suy ra dòng điện.

Ví dụ, nếu sử dụng điện trở 100 Ω, tại dòng 4 mA, điện áp rơi sẽ là 0,4 V, còn tại 20 mA sẽ là 2,0 V. Phương pháp này đơn giản, an toàn và hiệu quả, nhưng yêu cầu điện trở phải có độ chính xác và độ ổn định cao. Chỉ cần điện trở sai lệch bao nhiêu phần trăm, kết quả dòng điện tính ra cũng sai lệch tương ứng.

Cũng cần lưu ý rằng điện trở càng lớn thì điện áp rơi càng cao, đồng nghĩa với việc điện áp cấp cho transmitter sẽ giảm, có thể gây ra vấn đề nếu nguồn vòng không đủ dư. 

Lưu ý: Để hiểu rõ thêm về các thành phần có trong mạch điện nguyên lý sử dụng giao thức truyền thông HART, mời quý đọc giả tham khảo bài viết “Phân biệt HART Communicator và HART Calibrator trong công tác cấu hình và hiệu chuẩn thiết bị đo” của chúng tôi trong mục Tin tức.

d) Ảnh hưởng của điện trở nội trong thiết bị đo:

Trong thực tế, ampe kế không bao giờ có điện trở nội bằng 0. Ngay cả khi chỉ vài ohm, điện trở này vẫn gây ra sụt áp nhất định trong mạch. Tương tự, vôn kế không có điện trở vô hạn mà thường nằm ở mức megaohm.

Hình 4: Mạch nguyên lý ví dụ 4

Trong các mạch nhạy, đặc biệt khi đo điện áp rất thấp trong mạch có điện trở cao và yêu cầu độ chính xác cao, chính điện trở nội của thiết bị đo có thể làm thay đổi giá trị cần đo. Trong một số trường hợp, việc kết nối vôn kế có thể khiến mạch bị sụt áp hoặc thậm chí gây ngắt mạch.

3. Kết luận:

Định luật Ohm tuy đơn giản nhưng có giá trị ứng dụng rất lớn trong công việc đo lường và instrumentation. Hiểu rõ mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và điện trở giúp kỹ thuật viên tránh được nhiều lỗi thực tế, từ lựa chọn nguồn vòng không phù hợp cho đến các sự cố chập chờn khó chẩn đoán.

Trong thế giới của tín hiệu 4–20 mA, HART và các mạch vòng công nghiệp, định luật Ohm không chỉ là kiến thức cơ bản – mà là công cụ làm việc hằng ngày.

 (Trung tâm Nghiên cứu Kiểm định Hiệu chuẩn Đo lường)