Điện thế là gì? Điện áp là gì? Phân biệt điện áp và điện thế?

1. Khái quát về điện thế:

1.1. Định nghĩa về điện thế:

Điện thế là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng tạo ra năng lượng tiềm năng (thế năng) của điện trường. Điện thế được đo bằng đơn vị Volt (V) và có ký hiệu là V. Điện thế của một điểm trong không gian phụ thuộc vào điểm lấy làm mốc. Thường chọn điện thế của đất và của một điểm ở vô cực làm mốc (bằng 0). 

Điện thế giữa hai điểm trong một mạch điện là công suất cần thiết để di chuyển một đơn vị điện tích từ điểm này sang điểm kia. Điện thế còn được gọi là hiệu điện thế hay điện áp, và có thể biến đổi theo thời gian hoặc không đổi. Điện thế có liên quan đến dòng điện, tụ điện, điện trở và cuộn từ. Điện thế còn phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và quy ước của từng quốc gia. Trong truyền tải điện công nghiệp ở Việt Nam, EVN quy ước: Nguồn điện lưới nhỏ hơn 1 kV là hạ thế, từ 1kV đến 66kV là trung thế, lớn hơn 66kV là cao thế.

Hiệu điện thế có ý nghĩa quan trọng trong mạch điện, vì nó quyết định dòng điện chạy qua mạch và công suất tiêu thụ của các thiết bị. Hiệu điện thế cũng cho biết khả năng làm việc của nguồn điện và sự tiêu hao năng lượng của các phần tử trong mạch.

1.2. Công thức tính điện thế:

Điện thế có thể được tính bằng nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào loại mạch và các yếu tố ảnh hưởng như điện trở, dòng điện, và công. 

Để tính điện thế, ta có thể sử dụng các công thức sau:

– Điện thế của một điểm trong điện trường đều: V = Ed, trong đó E là cường độ điện trường, d là khoảng cách từ điểm đó đến mặt cơ sở có điện thế bằng 0.

– Điện thế tại một điểm gây bởi một điện tích điểm q: V = kq/r, trong đó k là hằng số Coulomb, r là khoảng cách từ điểm đó đến điện tích q.

– Điện thế do nhiều điện tích điểm gây ra: V = V1 + V2 + V3 + … + VM, trong đó V1, V2, V3, …, VM là các điện thế do từng điện tích gây ra tại điểm đó.

Để tính điện thế giữa hai điểm, ta có thể sử dụng các công thức sau:

– Nếu hai điểm có cùng cường độ dòng điện I và nằm trên một vật dẫn điện có điện trở R, ta có công thức hiệu điện thế cơ bản: U = I.R 

– Nếu hai điểm có cùng điện tích Q và nằm trong một trường điện E, ta có công thức tính điện thế của điểm: V = ∫ E d r

– Nếu hai điểm có cùng diện tích S và nằm trên hai bề mặt song song của một tụ điện có dung dịch C, ta có công thức tính điện thế của tụ điện: U = Q/C

Trong các công thức trên, các đại lượng như I, R, Q, E, S, C phải được xác định hoặc đo lường trước khi tính toán. Điện thế còn phụ thuộc vào ứng dụng và quy ước của từng quốc gia. 

– Hiệu điện thế giữa hai điểm M và N: UMN = VM – VN = AMN/q, trong đó VM và VN là các điện thế tại hai điểm M và N, AMN là công của lực điện để dịch chuyển một điện tích q từ M đến N.

1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế:

Các yếu tố ảnh hưởng đến Điện thế có thể kể đến như sau:

– Nguồn điện: Nguồn điện cung cấp năng lượng cho mạch điện và tạo ra Điện thế giữa hai cực của nguồn. Nguồn điện có thể là nguồn điện xoay chiều (AC) hoặc nguồn điện một chiều (DC). Nguồn điện AC có Điện thế biến đổi theo chu kỳ, có giá trị cực đại và giá trị hiệu dụng. Nguồn điện DC có Điện thế ổn định hoặc biến thiên nhẹ.

– Điện trở: Điện trở là đại lượng đo khả năng cản trở dòng điện của một vật dẫn. Điện trở có đơn vị là Ohm (Ω). Theo quy luật Ohm, Điện thế giữa hai đầu của một vật dẫn tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện qua vật dẫn và tỷ lệ nghịch với điện trở của vật dẫn. Vậy, khi điện trở tăng lên, Điện thế cũng tăng lên và ngược lại.

– Các yếu tố khác: Ngoài nguồn điện và điện trở, có một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến Điện thế, như nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn, áp suất, tần số, loại vật liệu… Các yếu tố này ảnh hưởng đến Điện trở của các phần tử trong mạch điện và do đó ảnh hưởng đến Điện thế.

1.4. Ứng dụng của điện thế:

Điện thế có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật điện và điện tử học, như:

– Tạo ra dòng điện trong các mạch điện bằng cách sử dụng các nguồn điện như pin, bình ắc quy, máy phát điện, biến áp, v.v.

– Điều khiển và điều chỉnh dòng điện trong các mạch điện bằng cách sử dụng các linh kiện như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, biến trở, v.v.

– Chuyển đổi và biến đổi dạng sóng của dòng điện bằng cách sử dụng các linh kiện như diode, transistor, mạch tích hợp, v.v.

– Lưu trữ và phát ra năng lượng điện bằng cách sử dụng các thiết bị như pin nạp lại, siêu tụ điện, pin nhiệt hạch, v.v.

– Tạo ra và phát tán các tín hiệu điện từ bằng cách sử dụng các thiết bị như ăng ten, máy thu phát sóng, v.v.

2. Khái quát về điện áp:

2.1. Định nghĩa về điện áp:

Điện áp, còn được gọi là điện thế, là một khái niệm trong vật lý điện học để mô tả khả năng của một nguồn điện trong việc tạo ra dòng điện trong một mạch điện. Nó đo lường sự khác biệt về điện lực giữa hai điểm trong mạch điện.

Điện áp đo bằng đơn vị volt (V), được định nghĩa là một khả năng tạo ra một joule (J) của công việc trên một điện tích 1 coulomb (C). Đơn vị tính của điện áp là vôn (V), được đặt theo tên của nhà vật lý học người Ý Alessandro Volta, người đã phát minh ra pin điện đầu tiên.

Điện áp có thể được hiểu như một lực đẩy điện lực, tạo ra chuyển động của các điện tử trong mạch.

Điện áp thường được tạo ra bởi nguồn điện như pin, ắc quy, máy phát điện hoặc các nguồn điện tử khác. Khi có sự khác biệt về điện áp giữa hai điểm trong mạch điện, dòng điện sẽ chảy từ điểm có điện áp cao hơn đến điểm có điện áp thấp hơn, tạo ra một luồng dòng điện.

Điện áp có vai trò quan trọng trong các hệ thống điện, đặc biệt là trong việc cung cấp nguồn điện cho các thiết bị và hệ thống điện tử. Nó cũng được sử dụng để đo lường và kiểm soát điện trong các ứng dụng công nghiệp, khoa học và công nghệ khác.

2.2. Công thức tính điện áp:

Điện áp là công thực hiện được để di chuyển một hạt điện tích trong trường tĩnh điện từ điểm này đến điểm kia. Điện áp có thể đại diện cho nguồn năng lượng hoặc sự mất đi, sử dụng, và năng lượng lưu trữ. Điện áp hiệu dụng là giá trị trung bình bình phương của điện áp cực đại ở hai đầu của đoạn mạch.

Công thức tính điện áp hiệu dụng là:

U = I.R

Trong đó:

– U là điện áp hiệu dụng (đơn vị: Vôn, V)

– I là cường độ dòng điện (đơn vị: Ampere, A)

– R là điện trở (đơn vị: Ôm, Ω)

Ví dụ: Cho điện áp xoay chiều u = U.√2.cos (ωt) vào đoạn dây dẫn có điện trở thuần R = 120 Ω, lúc này giá trị cường độ dòng điện đi qua điện trở là 3A. Hỏi giá trị của U là bao nhiêu?

Áp dụng công thức tính điện áp hiệu dụng ta có:

U = I.R = 3.120 = 360 V

2.3. Phương thức tạo ra điện áp:

Để tạo ra điện áp, chúng ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng một số phương pháp phổ biến là:

– Hiệu ứng nhiệt điện: là sự chuyển đổi trực tiếp sự chênh lệch nhiệt độ thành hiệu điện thế và ngược lại thông qua một cặp nhiệt điện. Một thiết bị nhiệt điện tạo ra một hiệu điện thế khi có nhiệt độ khác nhau ở mỗi bên. Ngược lại, khi đặt một hiệu điện thế vào nó, nhiệt sẽ truyền từ bên này sang bên kia, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ. Hiệu ứng này là cơ sở cho ứng dụng trong một số máy lạnh và pin nhiệt điện, không có các bộ phận chuyển động. 

– Điện thế hoạt động: là sóng xung điện lan truyền dọc theo nhiều loại màng tế bào, đặc biệt là màng sợi trục thần kinh. Điện thế hoạt động được tạo ra khi các kích thích đủ mạnh để gây ra hiện tượng khử cực, tức là khi giá trị điện thế nghỉ đã đạt ngưỡng hưng phấn cần thiết. Các ion chính yếu trong việc tạo ra điện thế hoạt động này là những cation Na+ và K+; Khi ion Na+ đi vào bên trong tế bào, và ion K+ đi ra, cứ như thế trong một chu kỳ của điện thế hoạt động cũng như đưa sự chênh lệch nồng độ của các ion về trạng thái cũ. 

– Tuabin gió: là thiết bị chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ khí để quay tuabin kết nối với máy phát điện. Cách phổ biến nhất để tạo ra điện là quay một tuabin kết nối với máy phát điện. Điều này thường được áp dụng cho nhiên liệu hóa thạch, trong đó nhiên liệu được đốt cháy, tạo ra hơi hoặc khí có áp suất làm quay tuabin và tạo ra điện. Tuy nhiên, tuabin gió không cần sử dụng nhiên liệu hóa thạch mà chỉ cần sử dụng lực của gió để quay tuabin. 

– Máy phát điện: là thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ khí thành năng lượng điện bằng nguyên lý cảm ứng Faraday. Nguyên lý này cho biết một sức điện động được tạo ra trong một cuộn dây dẫn bởi từ thông biến thiên bao quanh nó. Một máy phát điện gồm có hai phần chính: rotor và stator. Rotor là phần quay có từ thông biến thiên, stator là phần cố định có cuộn dây dẫn. Khi rotor quay, từ thông biến thiên của nó sẽ gây ra sức điện động trong cuộn dây stator và tạo ra dòng điện xoay chiều. 

3. Phân biệt Điện áp và Điện thế:

Điện áp và điện thế là hai khái niệm thường được sử dụng trong vật lý và kỹ thuật điện, nhưng có sự khác biệt giữa chúng. Điện áp là đại lượng đo sự chuyển đổi năng lượng của các hạt mang điện khi chúng di chuyển từ một điểm này sang một điểm khác trong một mạch điện. Điện thế là đại lượng đo sự chênh lệch tiềm thế điện giữa hai điểm trong không gian. Điện áp có thể coi là một trường hợp đặc biệt của điện thế khi hai điểm được nối với nhau bởi một dây dẫn.

Một ví dụ minh họa sự khác biệt giữa điện áp và điện thế là khi ta sử dụng một pin để cấp nguồn cho một bóng đèn. Pin có một điện thế nhất định giữa hai cực, gọi là điện thế cực. Khi ta nối pin với bóng đèn bằng hai dây dẫn, ta tạo ra một mạch điện kín và có một dòng điện chạy qua bóng đèn. Lúc này, ta có thể đo được một điện áp giữa hai đầu của bóng đèn, gọi là điện áp bóng đèn. Điện áp này bằng với điện thế cực của pin trừ đi các tổn hao năng lượng do sự trở kháng của các phần tử trong mạch. Điện áp bóng đèn là nguyên nhân khiến bóng đèn phát sáng, do nó tạo ra một sự chuyển đổi năng lượng từ năng lượng điện sang năng lượng ánh sáng và nhiệt.

Như vậy, ta có thể thấy rằng điện áp và điện thế là hai khái niệm liên quan nhưng không giống nhau. Điện áp là một hiệu ứng của điện thế, và cả hai đều có vai trò quan trọng trong việc hiểu và ứng dụng các nguyên lý về điện.