Arduino - một số khái niệm và linh kiện điện tử cơ bản

Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu về 1 số khái niệm cũng như 1 số linh
kiện điện tử cơ bản. Các kiến thức này cũng đã được trình bày chi tiết ở
chương trình vật lí bậc phổ thông. Mỗi khái niệm hay linh kiện sẽ có
những video giúp chúng ta dễ hiểu hơn những khái niệm cũng như cách hoạt
động của các linh kiện điện tử thông dụng.

Điện áp, dòng điện và điện trở

Điện áp

Điện áp hay còn gọi là hiệu điện thế (từ tiếng Anh là voltage) là sự
chênh lệch về điện áp giữa 2 điểm, nó là công thực hiện được để di
chuyển một hạt điện tích trong trường tĩnh điện từ điểm này đến điểm
kia. Hiệu điện thế có thể đại diện cho nguồn năng lượng (lực điện),
hoặc sự mất đi, sử dụng, hoặc năng lượng lưu trữ (giảm thế).

Dòng điện

Dòng điện (tiếng Anh: electric current) là dòng chuyển dịch có hướng
của các hạt mang điện. Trong mạch điện, các hạt mang điện phần lớn là
các electron chuyển động bên trong dây dẫn. Kim loại là chất dẫn diện
phổ biến nhất, kim loại có hạt nhân mang điện tích dương không thể di
chhuyển, chỉ có các electron tích điện âm có khả năng di chuyển tự do
trong vùng dẫn, do đó, trong kim loại các electron là các hạt mang
điện.

Chiều dòng điện được quy ước là chiều đi từ cực dương qua dây dẫn và các
thiết bị điện đến cực âm của nguồn. Do dòng điện được qui ước là dòng
chuyển dời có hướng của các điện tích dương, chính vì thế, trong mạch
điện với dây dẫn kim loại, các electron tích điện âm dịch chuyển
ngược chiều với chiều của dòng điện trong dây dẫn.

Sự chuyển dịch có hướng của các điện tích sinh ra do tác động của điện
trường gây ra bởi hiệu điện thế. Do đó, có thể hiểu là điện áp sinh ra
dòng điện trong một mạch điện, hay nói đơn giản là "điện áp có trước
dòng điện" trong mạch điện.

Chúng ta có thể xem giải thích về dòng điện và điện áp theo cách dễ hiểu
hơn với một số video:

• What is Voltage: www.youtube.com/watch?v=V1ulri4s_E8

• Electricity and Circuits: www.youtube.com/watch?v=D2mõnVkCkX

Điện trở

Điện trở (tiếng Anh: electric resistance) là một đại lượng đặc trưng
cho khả năng cản trở dòng điện của một vật. Đơn vị của điện trở là Ω.
Khái niệm điện trở của vật xuất phát từ định luật Ohm.

Điện trở gồm 2 tiếp điểm kết nối, thường được dùng để hạn chế cường độ
dòng điện chạy trong mạch, điều chỉnh mức độ tín hiệu, dùng để chia điện
áp, kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor và có trong
rất nhiều ứng dụng khác.

Định luật Ohm (Ohm’s law)

Đây là 1 định luật cơ bản nhưng rất quan trọng trong lĩnh vực điện, điện
tử. Định luật này đề cập đến mối quan hệ giữa dòng điện, điện áp và điện
trở. Tên định luật được đặt theo nhà phát minh ra nó, nhà vật lí nổi
tiếng người Đức, Georg Simon Ohm (1789–1854).

Phát biểu định luật:

Cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt
vào 2 đầu dây dẫn và tỉ lệ nghịch với điện trở của dây dẫn.

Công thức của định luật Ohm:

Trong đó:

• V: Ký hiệu của điện áp (Voltage).

• I: Ký hiệu của dòng điện (Current).

• R: Ký hiệu của điện trở (Resistor).

Ký hiệu của dòng điện là I bởi vì nó lấy chữ cái đầu của từ Intensity,
có nghĩa là cường độ - đại lượng đặc trưng của dòng điện.

Một hình ảnh minh họa về định luật Ohm:

Một video giải thích về định luật Ohm:
www.youtube.com/watch?v=iLzfe_HxrWI

Tụ điện

Khái niệm

Tụ điện là linh kiện điện tử gồm 2 vật dẫn đặt gần nhau. Mỗi vật dẫn
đó gọi là một bản của tụ điện. Khoảng không gian giữa hai bản có thể
là chân không hay bị chiếm bởi một chất điện môi nào đó.

Tụ điện là một linh kiện được sử dụng rất phổ biến và gần như không thể
thiếu trong các mạch điện tử, mỗi tụ điện đều có một công dụng nhất định
như lọc nhiễu cho mạch, tạo dao động, truyền dẫn tín hiệu,…

Các thông số đặc trưng

• Điện dung: Đại diện cho khả năng tích điện của tụ. Đơn vị là Fara
  (F).

• Điện áp làm việc: Đó là giá trị điện áp cao nhất mà tụ điện có thể
  chịu được, thông thường giá trị này sẽ được ghi trên thân của tụ
  điện (nếu tụ đủ lớn). Nếu giá trị điện áp trên tụ lớn hơn giá trị
  điện áp làm việc thì lớp điện môi bên trong tụ điện sẽ bị đánh thủng
  và gây ra sự chập tụ, nổ tụ. Hiện tượng này khá nguy hiểm nên chúng
  ta cần cẩn thận khi chọn tụ điện cho mạch điện của mình.

• Nhiệt độ làm việc: Đó là nhiệt độ ở vùng đặt tụ điện trong mạch
  điện. Tụ điện nên được chọn với nhiệt độ làm việc cao nhất của nơi
  chúng ta đặt tụ điện phải cao hơn nhiệt độ này.

Để hiểu rõ hơn về cách hoạt động của tụ điện, có thể tham khảo đường dẫn
www.youtube.com/watch?v=5hFC9ugTGLs

Cuộn cảm

Khái niệm

Cuộn cảm (tiếng Anh là coil hay inductor) là cuộn dây bao gồm nhiều vòng
dây dẫn điện quấn quanh một lõi vật liệu từ. Dựa vào hiện tượng cảm ứng
điện từ và hiện tượng từ hóa vật liệu từ mà người ta sử dụng cuộn cảm
cho các mục đích khác nhau như làm phần ứng (stator) trong các máy phát
điện xoay chiều, lọc nhiễu trong các mạch điện tử, tạo ra các nam châm
điện, các công tắc điện tử, …​

Mỗi cuộn cảm có một độ tự cảm (hay hệ số tự cảm hoặc từ dung), kí hiệu
là L, đo bằng đơn vị Henry (H) đặc trưng cho khả năng sinh suất điện
động cảm ứng và tích lũy năng lượng điện từ.

Để hiểu rõ hơn về cách hoạt động và chức năng của cuộn cảm, chúng ta có
thể tham khảo đường dẫn www.youtube.com/watch?v=NgwXkUt3XxQ

Breadboard

Breadboard là 1 dụng cụ giúp kết nối các thiết bị điện tử lại với nhau
thông qua các lỗ cắm. Hình ảnh của breadboard cũng như cách hoạt động
của nó được mô tả ở hình bên dưới: