Hướng dẫn chi tiết về đoạn mạch song song trong vật lý

Trong lĩnh vực điện tử, đoạn mạch song song là một trong những khái niệm quan trọng được áp dụng rộng rãi trong thiết kế và xây dựng các hệ thống điện tử.

Bằng cách kết nối các thành phần điện tử theo kiểu song song, chúng ta có thể tăng hiệu suất hoạt động, cải thiện độ ổn định và linh hoạt hơn trong việc điều khiển hệ thống. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào khái niệm, ứng dụng và lợi ích của đoạn mạch song song.

Khái niệm về đoạn mạch song song

Đoạn mạch song song là đoạn mạch mà các phần tử điện (điện trở, tụ điện, cuộn cảm) được mắc giữa hai điểm chung. Dòng điện sẽ chia thành nhiều nhánh và đi qua các phần tử điện độc lập với nhau.

Đặc điểm của đoạn mạch song song:

• Điện áp: Trong mạch song song, điện áp trên tất cả các thành phần nhánh là như nhau và bằng với điện áp nguồn.
• Dòng điện: Tổng dòng điện chạy qua mạch song song bằng tổng dòng điện chạy qua tất cả các nhánh. Dòng điện chạy qua mỗi nhánh phụ thuộc vào điện trở của nhánh đó.
• Điện trở tổng: Điện trở tổng của một mạch song song luôn nhỏ hơn điện trở của bất kỳ nhánh nào trong mạch. Điều này là do mỗi nhánh cung cấp một lộ trình thay thế cho dòng điện, giảm tổng điện trở của toàn bộ mạch.

Cường độ dòng điện và hiệu điện thế trong đoạn mạch mắc song song 

Trong một đoạn mạch mắc song song, cường độ dòng điện và hiệu điện thế được phân bổ theo cách đặc biệt, điều này ảnh hưởng đến cách thức hoạt động của mạch và các thiết bị được kết nối trong đó.

Dưới đây là phân tích chi tiết về cách cường độ dòng điện và hiệu điện thế hoạt động trong một đoạn mạch mắc song song:

Hiệu điện thế trong mạch song song

• Trong mạch mắc song song, hiệu điện thế giữa hai điểm nối chung của mạch (điểm bắt đầu và kết thúc của mạch) là như nhau cho tất cả các nhánh. Điều này có nghĩa là tất cả các thiết bị hoặc thành phần được mắc song song sẽ nhận cùng một hiệu điện thế.
• Ví dụ, nếu mạch song song được kết nối với nguồn 12V, thì mỗi nhánh trong mạch song song cũng sẽ có hiệu điện thế là 12V.

Cường độ dòng điện trong mạch song song

• Cường độ dòng điện tổng qua mạch song song bằng tổng cường độ dòng điện qua mỗi nhánh. Điều này là do dòng điện từ nguồn sẽ chia nhỏ và chảy qua tất cả các nhánh đồng thời.
• Cường độ dòng điện qua mỗi nhánh phụ thuộc vào điện trở của nhánh đó. Theo định luật Ohm, cường độ dòng điện (I) qua mỗi nhánh có thể được tính bằng hiệu điện thế của nhánh (V) chia cho điện trở của nhánh (R): . Do mỗi nhánh có thể có điện trở khác nhau, cường độ dòng điện chạy qua mỗi nhánh có thể khác nhau, nhưng tổng cường độ dòng điện qua mạch song song sẽ là tổng của cường độ dòng điện qua tất cả các nhánh.

Điện trở tổng trong mạch song song

• Khi hai điện trở được kết nối theo cấu trúc song song trong một mạch, điện trở tổng cộng của mạch có thể được xác định bằng cách lấy tổng của giá trị nghịch đảo của mỗi điện trở riêng lẻ. Công thức để tính điện trở tương đương trong trường hợp này là:

Trong đó Req là điện trở tương đương của mạch, R1 và R2 là điện trở của hai điện trở được mắc song song.

Trong trường hợp một mạch điện bao gồm nhiều hơn hai điện trở, cụ thể là n điện trở kết nối với nhau theo kiểu song song, tổng điện trở của toàn bộ mạch có thể được tìm thông qua việc cộng dồn giá trị nghịch đảo của từng điện trở. Công thức áp dụng cho tình huống này là:

Ở đây, Rtổng đại diện cho điện trở tương đương của cả mạch, và R1, R2, …, Rn là điện trở của các thành phần điện trở trong mạch.

Bài tập áp dụng đoạn mạch song song

Trắc nghiệm

Câu 1: Đoạn mạch song song là đoạn mạch:

A. Gồm các điện trở mắc nối tiếp với nhau.

B. Gồm các điện trở mắc song song với nhau.

C. Gồm các điện trở mắc hỗn hợp (song song và nối tiếp).

D. Gồm các tụ điện mắc nối tiếp với nhau.

Đáp án: B.

Câu 2: Phát biểu nào sau đây là không đúng đối với đoạn mạch gồm các điện trở mắc song song?

A. Hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở đều bằng nhau.

B. Cường độ dòng điện trong mạch chính bằng tổng cường độ dòng điện trong các mạch rẽ.

C. Điện trở tương đương của đoạn mạch nhỏ hơn điện trở của mỗi điện trở thành phần.

D. Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch bằng tổng các hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở mắc trong đoạn mạch.

Đáp án: D.

Câu 3: Cho đoạn mạch AB gồm hai điện trở R1 và R2 mắc song song. Biết R1 = 12Ω, R2 = 24Ω và UAB = 24V. Cường độ dòng điện qua điện trở R1 là:

A. I1 = 0,5A.

B. I1 = 1A.

C. I1 = 2A.

D. I1 = 3A.

Đáp án: A.

Câu 4: Cho đoạn mạch AB gồm hai điện trở R1 và R2 mắc song song. Biết R1 = 12Ω, R2 = 24Ω và UAB = 24V. Điện trở tương đương của đoạn mạch AB là:

A. Rtđ = 6Ω.

B. Rtđ = 8Ω.

C. Rtđ = 12Ω.

D. Rtđ = 24Ω.

Đáp án: B.

Câu 5: Một bóng đèn có ghi 220V – 100W được mắc vào hiệu điện thế 220V. Điện trở của bóng đèn là:

A. R = 484Ω.

B. R = 220Ω.

C. R = 110Ω.

D. R = 55Ω.

Đáp án: A.

Câu 6: Hai bóng đèn có ghi 220V – 60W và 220V – 40W được mắc song song vào hiệu điện thế 220V. Cường độ dòng điện qua mạch chính là:

A. I = 0,5A.

B. I = 1A.

C. I = 1,5A.

D. I = 2A.

Đáp án: C.

Câu 7: Cho đoạn mạch AB gồm ba điện trở R1, R2 và R3 mắc song song. Biết R1 = 6Ω, R2 = 12Ω và R3 = 18Ω. Điện trở tương đương của đoạn mạch AB là:

A. Rtđ = 3Ω.

B. Rtđ = 4Ω.

C. Rtđ = 6Ω.

D. Rtđ = 9Ω.

Đáp án: D.

Câu 8: Cho đoạn mạch AB gồm hai điện trở R1 và R2 mắc song song. Biết R1 = 6Ω, R2 = 12Ω và UAB = 24V. Hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở R2 là:

A. U2 = 12V.

B. U2 = 18V.

C. U2 = 24V.

D. U2 = 36V.

Đáp án: A.

Câu 9: Một bếp điện có ghi 220V – 1000W được mắc vào hiệu điện thế 220V. Cường độ dòng điện qua bếp điện là:

A. I = 4,55A.

B. I = 5A.

C. I = 5,5A.

D. I = 6A.

Đáp án: B.

Câu 10: Cho đoạn mạch gồm hai điện trở R1 = 10Ω và R2 = 15Ω mắc song song. Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch là U = 12V. Cường độ dòng điện qua mỗi điện trở là:

A. I1 = 0,8A; I2 = 0,5A

B. I1 = 0,5A; I2 = 0,8A

C. I1 = 1,2A; I2 = 0,8A

D. I1 = 0,8A; I2 = 1,2A

Đáp án: A. 

Tự luận

Câu 1: Cho hai điện trở R1 = 10Ω và R2 = 20Ω được mắc song song với nhau vào hai điểm A và B.

a) Tính điện trở tương đương của đoạn mạch AB.

b) Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điện thế U = 12V. Tính cường độ dòng điện qua mỗi điện trở và cường độ dòng điện qua mạch chính.

Đáp án:

a) Tính điện trở tương đương:

Điện trở tương đương của đoạn mạch song song được tính theo công thức: 1/Rtđ = 1/R1 + 1/R2

Thay số, ta được:

1/Rtđ = 1/10 + 1/20 = 3/20

=> Rtđ = 20/3 ≈ 6,67Ω

Tính cường độ dòng điện:

b) Cường độ dòng điện qua mạch chính bằng tổng cường độ dòng điện qua các mạch rẽ: I = I1 + I2

Theo định luật Ôm, ta có: 

I1 = U/R1 = 12/10 = 1,2A

I2 = U/R2 = 24/12 = 2A

I3 = U/R3 = 24/18 = 4/3A

Câu 2: Cho hai bóng đèn Đ1 (6V – 3W) và Đ2 (12V – 6W) được mắc song song với nhau vào hai điểm A và B.

a) Tính điện trở của mỗi bóng đèn.

b) Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điện thế U = 12V. Tính cường độ dòng điện qua mỗi bóng đèn và cho biết độ sáng của mỗi bóng đèn như thế nào?

Đáp án:

a) Tính điện trở của mỗi bóng đèn:

Điện trở của mỗi bóng đèn được tính theo công thức: R = U2/P

Thay số, ta được: R1 = 62/3 = 12Ω

=> R2 = 122/6 = 24Ω

b) Tính cường độ dòng điện:

Theo định luật Ôm, ta có: I1 = U/R1 = 12/12 = 1A

=> I2 = U/R2 = 12/24 = 0,5A

So sánh với cường độ dòng điện định mức của mỗi bóng đèn:

I1 < Iđm1 (1A < 3A)

I2 < Iđm2 (0,5A < 0,6A)

Kết luận: Do I1 < Iđm1 và I2 < Iđm2 nên cả hai bóng đèn đều sáng yếu hơn bình thường.

Như vậy, đoạn mạch song song không chỉ là một khái niệm cơ bản mà còn là một công cụ mạnh mẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống điện tử.

Hy vọng rằng thông qua bài viết này, bạn đã có cái nhìn tổng quan về đoạn mạch song song và cách áp dụng nó vào thực tế. Hãy tiếp tục khám phá và áp dụng những kiến thức này vào công việc và dự án của bạn để đạt được kết quả tốt nhất.