Cường độ dòng điện

Cường độ dòng điện chắc hẳn ai cũng đã từng nghe qua về tên gọi này rồi, tuy nhiên dòng điện cũng như những khái niệm liên quan đến dòng điện, khá khó hiểu bởi vì chúng ta, không thể nhìn thấy được bằng mắt và càng không nên thử cảm nhận (bằng cách chạm vào) vì nó rất nguy hiểm.

Trong bài viết mình sẽ cố gắng làm rõ khái niệm cường độ dòng điện một cách đơn giản nhất, để rồi khi đã đọc xong bài viết này, chúng ta có thể hiểu được bản chất và ý nghĩa của cường độ dòng điện.

Đặt vấn đề

Như bạn đã biến dòng điện trong một dây dẫn, về cơ bản là sự di chuyển của của các electron bên trong dây dẫn đó. Ở trạng thái bình thường nhưng electron này không di chuyển nhiều dọc theo chiều dài dây dẫn, điều đó đồng nghĩa với việc không có dòng điện bên trong dây dẫn này.

Để hình thành một dòng điện trong một dây dẫn, cách đơn giản nhất mà ta thường thấy đó là, sử dụng một nguồn điện một chiều (ví dụ ở đây là Pin), nối hai đầu dây của của dây dân với hai cực của viên pin, để giới hạn khả năng giải phóng năng lượng của pin ta đấu nối thêm một bóng đèn dây tóc trên đường dây.

Khi đã hoàn thành quá trình đấu nối, các electron từ cực âm của pin, đi vào dây dẫn sau đó đến bóng đèn và về cực dương. Mức độ di chuyển của các electron này qua tiết diện dây dẫn càng nhiều, bóng đèn dây tóc được trên đường dây càng sáng và ngược lại. Cường độ dòng điện được sử dụng, để đánh giá lượng electron di chuyển qua tiết diện dây dẫn, trong một thời gian là nhiều hay ít.

Định nghĩa và đơn vị đo của cường độ dòng điện

Định nghĩa

Cường độ dòng điện là một đại lượng được sử dụng để đáng giá, mức độ mạnh yếu của một dòng điện di chuyển trong một vật dẫn điện. Cường độ dòng điện được tính bằng, tỉ lệ giữa lượng điện chuyển động qua một tiết diện của vật dẫn, trong một đơn vị thời gian.

Từ đó ta có cường độ dòng điện càng lớn, nó thể hiện lượng điện đi qua tiết diện của dây dẫn hoặc vật dẫn điện càng nhiều, dòng điện đó càng mạnh và ngược lại.

Công thức toán học để tính cường độ dòng điện là:

I = Q / t

Trong đó:

• (I) là cường độ dòng điện, được đo bằng đơn vị Ampere (A).
• (Q) là điện lượng được đo bằng đơn vị Coulomb (C).
• (t) là thời gian được đo bằng đơn vị giây (s).

Cường độ dòng điện có thể thay đổi tùy thuộc vào loại nguồn cấp điện và trở kháng của mạch điện, và được điều chỉnh thông qua các thành phần như nguồn cấp điện, điện trở, tụ điện, cuộn cảm, và các linh kiện khác trong mạch điện.

Đơn vị đo của cường độ dòng điện

Đơn vị đo của cường độ dòng điện, trong hệ đo lường quốc tế (SI) là Ampere (A). Ampe là đơn vị đo của lượng điện chuyển động qua một điểm trong mạch điện trong một giây. Một Ampere tương đương với một Coulomb (C) đi qua một điểm trong mạch điện trong một giây.

Đơn vị “Ampere”, được đặt theo tên của nhà vật lý người Pháp André-Marie Ampère, người đã đóng góp lớn, trong lĩnh vực điện từ và điện động lực học vào thế kỷ 19.

Ý nghĩa của cường độ dòng điện

Cường độ dòng điện có ý nghĩa quan trọng, đối với tất cả các lĩnh vực có liên quan đến điện năng (điện tử, cơ điện, sản xuất điện,…). Điều này được thể hiện qua việc các thiết bị điện, như ổ điện, phích cắm điện và nhiều thiết bị khác, được in giá trị cường độ dòng điện định mức trên thân.

Một số ý nghĩa quan trọng của cường độ dòng điện có thể kể đến bao gồm:

• Hoạt động của các thiết bị điện: Cường độ dòng điện quyết định hiệu suất, hoạt động của các thiết bị điện như bóng đèn, máy tính, máy móc công nghiệp, thiết bị điện tử và nhiều hệ thống khác. Các thiết bị này được thiết kế, để hoạt động với một cường độ dòng điện nhất định, đảm bảo chức năng đúng đắn và độ tin cậy.
• Tính toán và kỹ thuật: Cường độ dòng điện được sử dụng trong các tính toán và kỹ thuật liên quan đến mạch điện, điện tử và điện từ. Nó là một thông số quan trọng trong việc tính toán điện trở, công suất, hiệu suất và tương tác điện từ giữa các thành phần.
• An toàn: Cường độ dòng điện cũng liên quan mật thiết đến an toàn và bảo vệ trong các hệ thống điện. Việc giám sát và kiểm soát cường độ dòng điện giúp ngăn chặn quá tải, ngắn mạch, hỏa hoạn và các sự cố điện khác, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và bảo vệ các thiết bị và hệ thống.

Phân loại cường độ dòng điện

Cường độ dòng điện hiệu dụng

Cường độ dòng điện hiệu dụng (Root Mean Square – RMS) là một giá trị dùng để đo đạc cường độ của dòng điện biến đổi theo thời gian, như dòng điện xoay chiều (AC). Cường độ dòng điện hiệu dụng là giá trị hiệu dụng của dòng điện, nghĩa là giá trị dòng điện mà có cùng hiệu lực nhiệt như dòng điện một chiều (DC) tạo ra cùng công suất trong một khối lượng điện trở.

Công thức tính cường độ dòng điện hiệu dụng phụ thuộc vào loại dòng điện và thời gian. Dưới đây là công thức tính cường độ dòng điện hiệu dụng cho dòng điện xoay chiều (AC):

I(RMS) = (1/√2) × I(peak)

Trong đó:

• I (RMS) là cường độ dòng điện hiệu dụng.
• I (peak) là giá trị cường độ dòng điện cao nhất (đỉnh) trong chu kỳ.

Cường độ dòng điện hiệu dụng cho phép tính toán công suất tiêu thụ và ước lượng tác động của dòng điện đối với các thành phần trong mạch điện. Nó là giá trị quan trọng trong việc thiết kế và đánh giá hiệu năng của các thiết bị điện và hệ thống điện.

Cường độ dòng điện định mức

Cường độ dòng điện định mức, là giá trị cường độ dòng điện mà một thiết bị, mạch điện hoặc hệ thống được thiết kế, để hoạt động ổn định và an toàn. Nó biểu thị giá trị tối đa mà thiết bị hoặc hệ thống có thể chịu đựng mà không gây ra sự cố, tổn hại hoặc hiệu ứng không mong muốn.

Cường độ dòng điện định mức, thường được xác định bởi nhà sản xuất hoặc quy định trong tiêu chuẩn kỹ thuật. Nó thường được biểu thị bằng đơn vị Ampere (A) và có thể được chỉ định trên nhãn gắn trên thiết bị, hoặc được công bố trong tài liệu kỹ thuật đi kèm.

Việc xác định cường độ dòng điện định mức, để đảm bảo rằng thiết bị hoặc hệ thống được sử dụng, không vượt quá giới hạn an toàn. Khi lựa chọn và sử dụng thiết bị điện, cần tuân thủ cường độ dòng điện định mức, đảm bảo rằng dòng điện không vượt quá giới hạn này, để tránh tình huống quá tải, hỏa hoạn, hư hỏng hoặc nguy hiểm cho người và tài sản.

Các định luật liên quan đến cường độ dòng điện

Định luật Ohm

Định luật Ohm mô tả mối quan hệ giữa điện áp (V), cường độ dòng điện (I) và điện trở (R) trong mạch điện.

Định luật được phát biển như sau:

Dòng điện qua một vật dẫn tỉ lệ thuận với điện áp và nghịch đảo tỉ lệ với điện trở.

Công thức: I = V / R

Trong đó:

• I là cường độ dòng điện (ampe).
• V là điện áp (volt) áp dụng trên mạch.
• R là điện trở (ohm) của mạch.

Định luật Kirchhoff thứ nhất (Kirchhoff’s Current Law – KCL)

Định luật Kirchhoff thứ nhất nói rằng tổng cường độ dòng điện vào một nút (giao điểm) trong mạch điện bằng tổng cường độ dòng điện ra khỏi nút. Điều này có nghĩa là cường độ dòng điện tại một nút trong mạch điện không thay đổi.

Định luật Kirchhoff thứ hai (Kirchhoff’s Voltage Law – KVL)

Định luật Kirchhoff thứ hai nói rằng tổng điện áp trong một vòng kín (hợp kim điện) trong mạch điện bằng tổng các điện áp của các thành phần trong vòng. Điều này có nghĩa là tổng hiệu điện áp trên các thành phần trong mạch đóng vòng phải bằng không.

Thiết bị đo cường độ dòng điện

Có nhiều loại thiết bị được sử dụng để đo cường độ dòng điện trong mạch điện. Dưới đây là một số thiết bị đo phổ biến:

• Ampe kế (Amperemeter): Đây là thiết bị đo trực tiếp cường độ dòng điện trong mạch. Ampe kế được kết nối song song với mạch điện và đo giá trị cường độ dòng điện thông qua hiển thị số trên màn hình. Có hai loại ampe kế: analog và số.
• Thang đo dòng điện (Current shunt): Đây là một thành phần có điện trở thấp được chèn vào mạch để giảm cường độ dòng điện và tạo ra một giá trị dòng điện nhỏ hơn, dễ đo bằng ampe kế hoặc đồng hồ đo dòng điện.
• Đồng hồ đo dòng điện (Current clamp meter): Đây là thiết bị có khả năng đo cường độ dòng điện mà không cần cắt mạch. Nó sử dụng nguyên lý của cảm biến cảm ứng từ (current transformer) để đo dòng điện thông qua nguyên tắc cảm ứng từ.
• Bộ đo dòng điện dựa trên hiệu ứng Hall (Hall Effect current sensor): Bộ đo này sử dụng hiệu ứng Hall để đo cường độ dòng điện. Nó có một cảm biến Hall được đặt gần dây dẫn dòng điện và đo hiệu ứng từ của dòng điện để xác định cường độ dòng điện.