Skip to content · ⁨Bỏ qua nội dung⁩

Electric Circuits · ⁨Mạch Điện⁩

AP Physics C: Electricity and Magnetism · ⁨AP Vật lý C: Điện từ⁩ · Topic 11 · ⁨Chủ đề 11⁩

Video lesson for this topic · ⁨Bài học video cho chủ đề này⁩ Open the video page · ⁨Mở trang video⁩
8:44

Mạch Điện

Bạn bật công tắc và đèn sáng ngay lập tức. Vậy các electron phải đang lao xuống dây — đúng không? Không hẳn. Bên trong sợi dây đồng đó, các hạt tải điện di chuyển chậm chạp…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp⁩

11.1

Electric Current · ⁨Dòng Điện⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 11.1.A: Describe the movement of electric charges through a medium.

  • 11.1.A.1 Current is the rate at which charge passes through a cross-sectional area of a wire.
    • Equation: $I = \dfrac{dq}{dt}$
    • 11.1.A.1.i Current within a conductor consists of charge carriers traveling through the conductor with an average drift velocity.
      • Equation: $I = nqv_d A$
    • 11.1.A.1.ii Electric charge moves in a circuit in response to an electric potential difference, sometimes referred to as electromotive force, or $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
    • 11.1.A.1.iii If the current is zero in a section of wire, the net motion of charge carriers in the wire is also zero, although individual charge carriers will not have zero speed.
  • 11.1.A.2 Current density is the flow of charge per unit area.
    • Equation: $I = \int \vec{J} \cdot d\vec{A}$
    • 11.1.A.2.i Current density is related to the motion of the charge carriers within a conductor.
      • Equation: $\vec{J} = nq\vec{v}_d$
    • 11.1.A.2.ii Current density is a vector quantity.
    • 11.1.A.2.iii A potential difference across a conductor creates an electric field within the conductor that is proportional to the resistivity of the conductor and the current density.
      • Equation: $\vec{E} = \rho\vec{J}$
  • 11.1.A.3 If a function of current density is given, the total current can be determined by integrating the current density over the area.
    • Equation: $I_{\text{tot}} = \int \vec{J}(r) \cdot d\vec{A}$
  • 11.1.A.4 Although current is a scalar quantity, it does have a direction. Because its direction is relative to the current carrier and not space, current does not obey the laws of vector addition and has no vector components.
    • 11.1.A.4.i The direction of conventional current is chosen to be the direction in which positive charge would move.
    • 11.1.A.4.ii In common circuits, the current is actually due to the movement of electrons (negative charge carriers).
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 11.1.A: Mô tả sự di chuyển của các điện tích qua môi trường.

  • 11.1.A.1 Cường độ dòng điện là tốc độ điện tích đi qua tiết diện ngang của dây dẫn.
    • Phương trình: $I = \dfrac{dq}{dt}$
    • 11.1.A.1.i Dòng điện trong vật dẫn bao gồm các hạt tải điện di chuyển qua vật dẫn với vận tốc trôi trung bình.
      • Phương trình: $I = nqv_d A$
    • 11.1.A.1.ii Điện tích di chuyển trong mạch phản hồi lại hiệu điện thế, đôi khi được gọi là suất điện động, hay $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
    • 11.1.A.1.iii Nếu dòng điện bằng không tại một đoạn dây, thì chuyển động ròng của các hạt tải điện trong dây cũng bằng không, mặc dù từng hạt tải điện cá nhân sẽ không có tốc độ bằng không.
  • 11.1.A.2 Mật độ dòng điện là dòng chảy của điện tích trên một đơn vị diện tích.
    • Phương trình: $I = \int \vec{J} \cdot d\vec{A}$
    • 11.1.A.2.i Mật độ dòng điện liên quan đến chuyển động của các hạt mang điện bên trong vật dẫn.
      • Phương trình: $\vec{J} = nq\vec{v}_d$
    • 11.1.A.2.ii Mật độ dòng điện là một đại lượng vectơ.
    • 11.1.A.2.iii Hiệu điện thế đặt vào两端 một vật dẫn tạo ra một điện trường bên trong vật dẫn đó tỉ lệ thuận với điện trở suất của vật dẫn và mật độ dòng điện.
      • Phương trình: $\vec{E} = \rho\vec{J}$
  • 11.1.A.3 Nếu hàm mật độ dòng điện được cho, tổng dòng điện có thể xác định bằng cách tích phân mật độ dòng điện trên diện tích.
    • Phương trình: $I_{\text{tot}} = \int \vec{J}(r) \cdot d\vec{A}$
  • 11.1.A.4 Mặc dù dòng điện là đại lượng vô hướng, nó vẫn có hướng. Vì hướng của nó phụ thuộc vào hạt tải điện chứ không phải không gian, dòng điện không tuân theo quy tắc cộng vector và không có các thành phần vector.
    • 11.1.A.4.i Chiều của dòng điện quy ước được chọn là chiều mà các điện tích dương sẽ di chuyển.
    • 11.1.A.4.ii Trong các mạch điện thông thường, dòng điện thực tế là do sự di chuyển của electron (các hạt mang điện âm).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Electric current 电流 is the rate at which charge passes a cross-section of wire, $I=\dfrac{dq}{dt}$, measured in amperes 安培. Conventional current points the way positive charge would move. Microscopically, a current is a slow drift of many carriers:

$$I=nqv_dA,$$

with $n$ the number of carriers per volume, $q$ the charge each carries, $v_d$ the drift velocity 漂移速度, and $A$ the cross-sectional area 横截面积.

Worked example. A copper wire with $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ and $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ carries $1.7\ \text{A}$. Then $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ – the carriers drift slower than a snail, even though the signal travels near light speed.

Current density 电流密度 is charge flow per unit area, $\vec{J}=nq\vec{v}_d$, linked to the field driving it by $\vec{E}=\rho\vec{J}$. In general $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$; if $J(r)$ varies across the wire, integrate it over the cross-section to get the total current. One care point: current has a direction along its wire, but it is a scalar 标量 – currents do not add as vectors, and there are no "components of current".

Tiếng Việt

Dòng điện là tốc độ dòng điện tích đi qua tiết diện dây, $I=\dfrac{dq}{dt}$, đo bằng đơn vị ampe. Dòng điện quy ước chỉ hướng di chuyển của điện tích dương. Về mặt vi mô, dòng điện là sự trôi chậm của rất nhiều hạt tải điện:

$$I=nqv_dA,$$

với $n$ là số hạt tải điện trên đơn vị thể tích, $q$ là điện tích mỗi hạt mang theo, $v_d$ là vận tốc trôi, và $A$ là diện tích tiết diện.

Các hạt tải điện trôi chậm trong vật dẫn để tạo ra dòng điện
Các hạt mang điện trôi chậm trong vật dẫn để tạo ra dòng điện

Ví dụ minh họa. Một dây đồng có $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ và $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ mang $1.7\ \text{A}$. Khi đó $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ – các hạt tải điện trôi chậm hơn cả con sên, mặc dù tín hiệu truyền đi gần bằng tốc độ ánh sáng.

Mật độ dòng điện là lượng điện tích chảy qua đơn vị diện tích, $\vec{J}=nq\vec{v}_d$, liên hệ với điện trường tác dụng nó qua $\vec{E}=\rho\vec{J}$. Nhìn chung $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$; nếu $J(r)$ thay đổi dọc theo dây, hãy tích phân nó trên tiết diện để tìm tổng dòng điện. Lưu ý quan trọng: dòng điện có hướng dọc theo dây nhưng nó là thực vô hướng – các dòng điện không cộng theo vectơ, và không có "thành phần của dòng điện".

Máy ghi điện: đồ thị điện thế theo thời gian cho thấy dòng điện và điện tích biến thiên như thế nào trong mạch
Máy示波器: điện áp theo thời gian cho thấy dòng điện và điện tích biến thiên trong mạch như thế nào
Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
Electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ Dòng điện
amperes/ˈæmpeəz/ ampe
drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ vận tốc trôi
cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ diện tích tiết diện ngang
Current density/ˈkʌrənt ˈdensɪti/ Mật độ dòng điện
scalar/ˈskeɪlə/ vô hướng
circuit diagram/ˈsɜːkɪt ˈdaɪəɡræm/ Sơ đồ mạch điện
series/ˈsɪəriːz/ nối tiếp
11.2

Electric Circuits · ⁨Mạch Điện⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 11.2.A: Describe the behavior of a circuit.

  • 11.2.A.1 A circuit is composed of electrical loops, which can include wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, inductors, switches, ammeters, and voltmeters.
  • 11.2.A.2 A closed electrical loop is a closed path through which charges may flow.
    • 11.2.A.2.i A closed circuit is one in which charges would be able to flow.
    • 11.2.A.2.ii An open circuit is one in which charges would not be able to flow.
    • 11.2.A.2.iii A short circuit is one in which charges would be able to flow with no change in potential difference.
  • 11.2.A.3 A single circuit element may be part of multiple electrical loops.
  • 11.2.A.4 Circuit schematics are representations used to describe and analyze electric circuits.
    • 11.2.A.4.i The properties of an electric circuit are dependent on the physical arrangement of its constituent elements.
    • 11.2.A.4.ii Circuit elements have common symbols that are used to create schematic diagrams. Variable elements are indicated by a diagonal strikethrough arrow across the standard symbol for that element. (Symbols: Battery, Bulb, Switch, Capacitor, Resistor, Ammeter, Voltmeter, Inductor.)

Boundary statement: Unless otherwise specified, all circuit schematic diagrams will be drawn using conventional current.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 11.2.A: Mô tả hành vi của một mạch điện.

  • 11.2.A.1 Một mạch điện bao gồm các vòng điện, có thể chứa dây dẫn, pin, điện trở, bóng đèn, tụ điện, cuộn cảm, công tắc, ampe kế và vôn kế.
  • 11.2.A.2 Một vòng điện kín là đường khép kín mà qua đó các điện tích có thể di chuyển.
    • 11.2.A.2.i Mạch kín là mạch mà trong đó các điện tích có thể di chuyển.
    • 11.2.A.2.ii Mạch hở là mạch mà trong đó các điện tích sẽ không thể di chuyển.
    • 11.2.A.2.iii Mạch ngắn là mạch mà trong đó các điện tích có thể di chuyển mà không có sự thay đổi hiệu điện thế.
  • 11.2.A.3 Một linh kiện mạch đơn lẻ có thể là một phần của nhiều vòng điện khác nhau.
  • 11.2.A.4 Sơ đồ mạch điện là các biểu diễn dùng để mô tả và phân tích mạch điện.
    • 11.2.A.4.i Các đặc tính của mạch điện phụ thuộc vào cách sắp xếp vật lý của các linh kiện cấu thành nên nó.
    • 11.2.A.4.ii Các linh kiện mạch điện có các ký hiệu tiêu chuẩn được sử dụng để vẽ sơ đồ mạch. Các linh kiện biến đổi được đánh dấu bằng một mũi tên chéo cắt ngang qua ký hiệu tiêu chuẩn của linh kiện đó. (Ký hiệu: Pin, Bóng đèn, Công tắc, Tụ điện, Điện trở, Ampe kế, Vôn kế, Cuộn cảm.)

Câu phát biểu biên: Trừ khi có quy định khác, tất cả các sơ đồ mạch điện đều được vẽ theo chiều dòng điện quy ước.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

A circuit is a set of closed loops built from wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, inductors, switches, and meters; charge can flow only around a closed path. One element can belong to several loops at once – that is what makes multi-loop problems interesting. Every analysis starts by reading the circuit diagram 电路图: trace each loop and identify which elements share the same current (series 串联) and which share the same potential difference (parallel 并联).

Tiếng Việt

Mạch điện là một tập hợp các vòng khép kín được xây dựng từ dây dẫn, pin, điện trở, bóng đèn, tụ điện, cuộn cảm, công tắc và các thiết bị đo; điện tích chỉ có thể chảy quanh một đường khép kín. Một linh kiện có thể thuộc về nhiều vòng cùng lúc – đó chính là điều khiến các bài toán nhiều vòng trở nên thú vị. Mọi phép phân tích đều bắt đầu bằng cách đọc sơ đồ mạch: truy vết từng vòng và xác định những linh kiện nào chia sẻ cùng dòng điện (nối tiếp) và những linh kiện nào chia sẻ cùng hiệu điện thế (nối song).

Explore · ⁨Khám phá⁩

Build series and parallel circuits · ⁨Xây dựng mạch nối tiếp và song song⁩

In series the same current flows through every bulb and voltage divides; in parallel each branch gets the full voltage. Switch mode to see the bulbs' brightness change. · ⁨Trong nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi bóng đèn và hiệu điện thế chia sẻ; trong nối song, mỗi nhánh nhận đủ hiệu điện thế. Chuyển chế độ để xem độ sáng của bóng đèn thay đổi.⁩

11.3

Resistance, Resistivity, and Ohm's Law · ⁨Điện Trở, Điện Trở Suất, và Định Luật Ohm⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 11.3.A: Describe the resistance of an object using physical properties of that object.

  • 11.3.A.1 Resistance is a measure of the degree to which an object opposes the movement of electric charge.
  • 11.3.A.2 The resistance of a resistor with uniform geometry is proportional to its resistivity and length and is inversely proportional to its cross-sectional area.
    • Equation: $R = \dfrac{\rho\ell}{A}$
    • 11.3.A.2.i Resistivity is a fundamental property of a material that depends on its atomic and molecular structure and quantifies how strongly the material opposes the motion of electric charge.
    • 11.3.A.2.ii The resistivity of a conductor typically increases with temperature.
    • 11.3.A.2.iii The total resistance of a resistor with uniform geometry, but that is made of a material whose resistivity varies along the length of the resistor, is given by $R = \int \dfrac{\rho(\ell)\,d\ell}{A}$.

Learning Objective 11.3.B: Describe the electrical characteristics of elements of a circuit.

  • 11.3.B.1 Ohm's law relates current, resistance, and potential difference across a conductive element of a circuit.
    • Equation: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
    • 11.3.B.1.i Materials that obey Ohm's law have constant resistance for all currents and are called ohmic materials.
    • 11.3.B.1.ii The resistivity of an ohmic material is constant regardless of temperature.
    • 11.3.B.1.iii Resistors can also convert electrical energy to thermal energy, which may change the temperature of both the resistor and the resistor's environment.
    • 11.3.B.1.iv The resistance of an ohmic circuit element can be determined from the slope of a graph of the current in the element as a function of the potential difference across the element.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 11.3.A: Mô tả điện trở của một vật dựa trên các đặc tính vật lý của vật đó.

  • 11.3.A.1 Điện trở là thước đo mức độ mà một vật cản trở sự di chuyển của điện tích.
  • 11.3.A.2 Điện trở của một điện trở có hình dạng đồng nhất tỷ lệ thuận với điện trở suất và chiều dài của nó, và tỷ lệ nghịch với tiết diện ngang của nó.
    • Phương trình: $R = \dfrac{\rho\ell}{A}$
    • 11.3.A.2.i Điện trở suất là một đặc tính cơ bản của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử và phân tử của nó, và định lượng mức độ vật liệu cản trở sự di chuyển của điện tích.
    • 11.3.A.2.ii Điện trở suất của vật dẫn thường tăng lên khi nhiệt độ tăng.
    • 11.3.A.2.iii Điện trở tổng của một điện trở có hình học đồng nhất nhưng được làm từ vật liệu có điện trở suất thay đổi dọc theo chiều dài của nó được tính bởi $R = \int \dfrac{\rho(\ell)\,d\ell}{A}$.

Mục tiêu học tập 11.3.B: Mô tả các đặc tính điện của các linh kiện trong mạch.

  • 11.3.B.1 Định luật Ohm liên hệ giữa cường độ dòng điện, điện trở và hiệu điện thế trên một linh kiện dẫn điện của mạch.
    • Phương trình: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
    • 11.3.B.1.i Các vật liệu tuân theo định luật Ohm có điện trở không đổi đối với mọi cường độ dòng điện và được gọi là vật liệu ohmic.
    • 11.3.B.1.ii Điện trở suất của vật liệu ohmic không đổi bất kể nhiệt độ.
    • 11.3.B.1.iii Điện trở cũng có thể chuyển hóa năng lượng điện thành nhiệt năng, điều này có thể làm thay đổi nhiệt độ của cả điện trở và môi trường xung quanh nó.
    • 11.3.B.1.iv Điện trở của một linh kiện mạch ohmic có thể được xác định từ độ dốc của đồ thị biểu diễn cường độ dòng điện trong linh kiện theo hiệu điện thế đặt lên linh kiện đó.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Resistance 电阻 measures how strongly an object opposes charge flow. It grows with the material's resistivity 电阻率 and the conductor's length, and shrinks with its area:

$$R=\frac{\rho\,\ell}{A}.$$

Ohm's law 欧姆定律 relates the current through an element to the potential difference across it:

$$I=\frac{\Delta V}{R}.$$

Worked example. Stretch a wire to double its length: the volume is fixed, so the area halves, and $R=\rho\ell/A$ becomes $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ – four times the resistance. An element is ohmic 欧姆性 if $R$ stays constant (a straight line through the origin on an $I$–$\Delta V$ graph); a lightbulb filament, which heats up, is not.

Tiếng Việt

Điện trở đo lường mức độ cản trở dòng chảy của điện tích đối với vật thể. Nó tăng lên khi điện trở suất của vật liệu và chiều dài của dẫn điện tăng, và giảm xuống khi tiết diện tăng:

$$R=\frac{\rho\,\ell}{A}.$$

Định luật Ohm liên hệ giữa dòng điện chạy qua một linh kiện với hiệu điện thế đặt lên nó:

$$I=\frac{\Delta V}{R}.$$
Dây dẫn dài hơn có điện trở lớn hơn; dây rộng hơn có điện trở nhỏ hơn
Dây dẫn dài hơn có điện trở lớn hơn; dây rộng hơn có điện trở nhỏ hơn

Ví dụ giải. Kéo dãn một sợi dây để gấp đôi chiều dài: thể tích không đổi, nên tiết diện giảm đi một nửa, và $R=\rho\ell/A$ trở thành $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ – tức là gấp bốn lần điện trở. Một linh kiện được gọi là ohmic nếu $R$ không đổi (đường thẳng đi qua gốc tọa độ trên đồ thị $I$–$\Delta V$); còn sợi dây tóc bóng đèn, khi nóng lên, thì không phải.

Explore · ⁨Khám phá⁩

Apply Ohm's law · ⁨Áp dụng định luật Ohm⁩

Ohm's law $V=IR$: for a fixed resistance, current is proportional to voltage. Raise the resistance and the same voltage pushes less current. · ⁨Định luật Ohm $V=IR$: đối với điện trở không đổi, cường độ dòng điện tỷ lệ thuận với hiệu điện thế. Tăng điện trở thì cùng một hiệu điện thế sẽ đẩy ít dòng điện hơn.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ điện trở suất
Ohm's law/əʊmz lɔː/ Định luật Ohm
ohmic/ˈəʊmɪk/ Tuân theo Ohm
equivalent resistance/ɪˈkwɪvələnt rɪˈzɪstəns/ điện trở tương đương
ideal battery/aɪˈdɪəl ˈbætəri/ Pin lý tưởng
internal resistance/ɪnˈtɜːnl rɪˈzɪstəns/ điện trở trong
terminal voltage/ˈtɜːmɪnl ˈvəʊltɪdʒ/ Điện áp đầu cực
11.4

Electric Power · ⁨Công Suất Điện⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 11.4.A: Describe the transfer of energy into, out of, or within an electric circuit, in terms of power.

  • 11.4.A.1 The rate at which energy is transferred, converted, or dissipated by a circuit element depends on the current in the element and the electric potential difference across it.
    • Equation: $P = I\Delta V$
    • Equation: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
  • 11.4.A.2 The brightness of a lightbulb increases with power, so power can be used to qualitatively predict the brightness of lightbulbs in a circuit.

Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to analyze the transfer of mechanical and electrical energy, although students should be aware that electrical energy can also be dissipated in the form of thermal energy.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 11.4.A: Mô tả sự truyền tải năng lượng vào, ra hoặc bên trong một mạch điện dưới góc độ công suất.

  • 11.4.A.1 Tốc độ năng lượng được truyền tải, chuyển đổi hoặc tiêu tán bởi một linh kiện mạch phụ thuộc vào cường độ dòng điện trong linh kiện và hiệu điện thế đặt lên linh kiện đó.
    • Phương trình: $P = I\Delta V$
    • Phương trình: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
  • 11.4.A.2 Độ sáng của bóng đèn tăng theo công suất, vì vậy công suất có thể được sử dụng để dự đoán định tính độ sáng của các bóng đèn trong mạch.

Statement biên: AP Physics C: Điện & Từ chỉ yêu cầu học sinh phân tích sự truyền tải năng lượng cơ học và điện, mặc dù học sinh nên biết rằng năng lượng điện cũng có thể bị tiêu tán dưới dạng nhiệt năng.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

A charge $q$ falling through a potential difference $\Delta V$ gives up energy $q\Delta V$, so the rate of energy transfer in an element is

$$P=I\,\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}.$$

In a resistor all of it becomes heat. Use the form whose quantities you actually know – and use power to rank lightbulb brightness: brighter = more power, not necessarily more resistance. In series, the larger resistance is brighter ($P=I^2R$, same $I$); in parallel, the smaller one is ($P=\Delta V^2/R$, same $\Delta V$).

Tiếng Việt

Một điện tích $q$ rơi qua hiệu điện thế $\Delta V$ sẽ tiêu hao năng lượng $q\Delta V$, do đó tốc độ truyền năng lượng trong một linh kiện là

$$P=I\,\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}.$$

Trong điện trở, toàn bộ năng lượng này chuyển thành nhiệt. Hãy sử dụng dạng phương trình mà bạn thực sự biết các đại lượng – và dùng công suất để xếp hạng độ sáng của bóng đèn: sáng hơn = công suất lớn hơn, không nhất thiết là điện trở lớn hơn. Trong nối tiếp, điện trở lớn hơn sẽ sáng hơn ($P=I^2R$, cùng $I$); trong nối song, điện trở nhỏ hơn sẽ sáng hơn ($P=\Delta V^2/R$, cùng $\Delta V$).

Explore · ⁨Khám phá⁩

Read an I-V characteristic · ⁨Đọc đồ thị đặc tuyến I-V⁩

Power is $P=IV$. A resistor's I-V line is straight, but a lamp curves as it heats and its resistance rises. The area under I-V relates to the energy delivered. · ⁨Công suất là $P=IV$. Đồ thị I-V của điện trở là đường thẳng, nhưng của bóng đèn bị cong khi nó nóng lên và điện trở tăng. Diện tích dưới đồ thị I-V liên quan đến năng lượng truyền tải.⁩

11.5

Compound Direct Current Circuits · ⁨Các Mạch Dòng Điện Một Phức Hợp⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 11.5.A: Describe the equivalent resistance of multiple resistors connected in a circuit.

  • 11.5.A.1 Circuit elements may be connected in series and/or in parallel.
    • 11.5.A.1.i A series connection is one in which any charge passing through one circuit element must proceed through all elements in that connection and has no other path available. The current in each element in series must be the same.
    • 11.5.A.1.ii A parallel connection is one in which charges may pass through one of two or more paths. Across each path, the potential difference is the same.
  • 11.5.A.2 A collection of resistors in a circuit may be analyzed as though it were a single resistor with an equivalent resistance $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i The equivalent resistance of a set of resistors in series is the sum of the individual resistances.
      • Equation: $R_{\text{eq},s} = \sum_{i} R_i$
    • 11.5.A.2.ii The inverse of the equivalent resistance of a set of resistors connected in parallel is equal to the sum of the inverses of the individual resistances.
      • Equation: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_{i} \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii When resistors are connected in parallel, the number of paths available to charges increases, and the equivalent resistance of the group of resistors decreases.

Learning Objective 11.5.B: Describe a circuit with resistive wires and a battery with internal resistance.

  • 11.5.B.1 Ideal batteries have negligible internal resistance. Ideal wires have negligible resistance.
    • 11.5.B.1.i The resistance of wires that are good conductors may normally be neglected, because their resistance is much smaller than that of other elements of a circuit.
    • 11.5.B.1.ii The resistance of wires may only be neglected if the circuit contains other elements that do have resistance.
    • 11.5.B.1.iii The potential difference a battery would supply if it were ideal is the potential difference measured across the terminals when there is no current in the battery and is sometimes referred to as its $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
  • 11.5.B.2 The internal resistance of a nonideal battery may be treated as the resistance of a resistor in series with an ideal battery and the remainder of the circuit.
  • 11.5.B.3 When there is current in a nonideal battery with internal resistance $r$, the potential difference across the terminals of the battery is reduced relative to the potential difference when there is no current in the battery.
    • Equation: $\Delta V_{\text{terminal}} = \mathcal{E} - Ir$

Learning Objective 11.5.C: Describe the measurement of current and potential difference in a circuit.

  • 11.5.C.1 Ammeters are used to measure current at a specific point in a circuit.
    • 11.5.C.1.i Ammeters must be connected in series with the element in which current is being measured.
    • 11.5.C.1.ii Ideal ammeters have zero resistance so that they do not affect the current in the element that they are in series with.
  • 11.5.C.2 Voltmeters are used to measure electric potential difference between two points in a circuit.
    • 11.5.C.2.i Voltmeters must be connected in parallel with the element across which potential difference is being measured.
    • 11.5.C.2.ii Ideal voltmeters have infinite resistance so that no charge flows through them.
  • 11.5.C.3 Nonideal ammeters and voltmeters will change the properties of the circuit being measured.

Boundary statement: Unless otherwise stated, all batteries, wires, and meters are assumed to be ideal. Circuits with batteries of different potential differences connected in parallel will not be assessed.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 11.5.A: Mô tả điện trở tương đương của nhiều điện trở mắc nối tiếp và/hoặc song song trong mạch.

  • 11.5.A.1 Các linh kiện mạch có thể được mắc nối tiếp và/hoặc song song.
    • 11.5.A.1.i Mắc nối tiếp là cách mắc mà mọi điện tích đi qua một linh kiện mạch nhất định bắt buộc phải đi qua tất cả các linh kiện trong cách mắc đó và không có đường đi nào khác. Cường độ dòng điện trong mỗi linh kiện mắc nối tiếp phải bằng nhau.
    • 11.5.A.1.ii Kết nối song song là cách mắc trong đó dòng điện có thể đi qua một trong hai hoặc nhiều đường dẫn khác nhau. Dọc theo mỗi đường dẫn, hiệu điện thế là như nhau.
  • 11.5.A.2 Một tập hợp các điện trở trong mạch có thể được phân tích như thể nó là một điện trở đơn với điện trở tương đương $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i Điện trở tương đương của một tập hợp các điện trở mắc nối tiếp bằng tổng các điện trở riêng lẻ.
      • Phương trình: $R_{\text{eq},s} = \sum_{i} R_i$
    • 11.5.A.2.ii nghịch đảo của điện trở tương đương của một tập hợp các điện trở mắc song song bằng tổng các nghịch đảo của các điện trở riêng lẻ.
      • Phương trình: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_{i} \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii Khi các điện trở được mắc song song, số lượng đường dẫn cho phép các điện tích đi qua tăng lên, và điện trở tương đương của nhóm điện trở giảm xuống.

Mục tiêu học tập 11.5.B: Mô tả một mạch gồm dây điện trở và pin có điện trở trong.

  • 11.5.B.1 Pin lý tưởng có điện trở trong không đáng kể. Dây dẫn lý tưởng có điện trở không đáng kể.
    • 11.5.B.1.i Điện trở của các dây dẫn dẫn điện tốt thường có thể bỏ qua, vì điện trở của chúng nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở của các thành phần khác trong mạch.
    • 11.5.B.1.ii Điện trở của dây chỉ có thể bỏ qua nếu mạch chứa các thành phần khác có điện trở.
    • 11.5.B.1.iii Hiệu điện thế mà pin sẽ cung cấp nếu nó là lý tưởng chính là hiệu điện thế đo được giữa hai cực khi không có dòng điện chạy qua pin, và đôi khi được gọi là $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
  • 11.5.B.2 Điện trở trong của một pin không lý tưởng có thể được xem xét như điện trở của một điện trở mắc nối tiếp với pin lý tưởng và phần còn lại của mạch.
  • 11.5.B.3 Khi có dòng điện chạy trong một pin không lý tưởng có điện trở trong $r$, hiệu điện thế giữa hai cực của pin sẽ giảm so với hiệu điện thế khi không có dòng điện chạy qua pin.
    • Phương trình: $\Delta V_{\text{terminal}} = \mathcal{E} - Ir$

Mục tiêu học tập 11.5.C: Mô tả việc đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế trong một mạch.

  • 11.5.C.1 Ampe kế được dùng để đo cường độ dòng điện tại một điểm cụ thể trong mạch.
    • 11.5.C.1.i Ampe kế phải được mắc nối tiếp với thành phần đang đo dòng điện.
    • 11.5.C.1.ii Ampe kế lý tưởng có điện trở bằng không để không ảnh hưởng đến dòng điện trong thành phần mắc nối tiếp với nó.
  • 11.5.C.2 Vôn kế được dùng để đo hiệu điện thế giữa hai điểm trong mạch.
    • 11.5.C.2.i Vôn kế phải được mắc song song với thành phần mà hiệu điện thế đang được đo.
    • 11.5.C.2.ii Vôn kế lý tưởng có điện trở vô hạn để đảm bảo không có dòng điện nào chạy qua chúng.
  • 11.5.C.3 Ampe kế và vôn kế không lý tưởng sẽ làm thay đổi các đặc tính của mạch đang được đo.

Statement biên: Trừ khi có tuyên bố khác, tất cả các pin, dây dẫn và thiết bị đo đều được giả định là lý tưởng. Các mạch có các pin có điện thế hiệu khác nhau được mắc song song sẽ không được đánh giá.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Reduce resistor networks to an equivalent resistance 等效电阻: series resistances add ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$), while parallel resistances add as reciprocals ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ – always less than the smallest branch). Collapse the network step by step to find the battery current, then expand back out to find each element's current and voltage.

Worked example. A $12\ \text{V}$ battery drives a $4.0\ \Omega$ and a $2.0\ \Omega$ resistor in series: $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$, $I=2.0\ \text{A}$, the voltages split $8.0\ \text{V}$ and $4.0\ \text{V}$, and the $4.0\ \Omega$ resistor dissipates $P=I^2R=16\ \text{W}$.

Real batteries are not ideal. Model a battery as an ideal battery 理想电池 of emf $\varepsilon$ in series with its own internal resistance 内阻 $r$. When current flows, some emf is used up inside, so the terminal voltage 端电压 – what a voltmeter across the battery actually reads – drops:

$$\Delta V_{\text{terminal}}=\varepsilon-Ir.$$

Worked example. A battery with $\varepsilon=12\ \text{V}$ and $r=0.50\ \Omega$ supplies $2.0\ \text{A}$: the terminals sit at $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. With no current, a voltmeter reads the full $12\ \text{V}$.

Meters: an ammeter 电流表 goes in series at the point whose current you want (ideal ammeter: zero resistance); a voltmeter 电压表 goes in parallel across the element (ideal voltmeter: infinite resistance). Non-ideal meters disturb the circuit they measure – a real ammeter adds series resistance, a real voltmeter steals current.

Tiếng Việt

Rút gọn mạng lưới điện trở thành điện trở tương đương: các điện trở nối tiếp cộng lại ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$), trong khi các điện trở nối song cộng theo nghịch đảo ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ – luôn nhỏ hơn nhánh nhỏ nhất). Rút gọn mạng lưới từng bước để tìm dòng điện của pin, sau đó mở rộng trở lại để tìm dòng điện và điện áp của từng linh kiện.

Ví dụ giải. Một nguồn $12\ \text{V}$ cấp cho hai điện trở $4.0\ \Omega$ và $2.0\ \Omega$ mắc nối tiếp: tổng điện trở là $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$, dòng điện là $I=2.0\ \text{A}$, hiệu điện thế chia đều thành $8.0\ \text{V}$ và $4.0\ \text{V}$, và điện trở $4.0\ \Omega$ tiêu thụ công suất $P=I^2R=16\ \text{W}$.

Các điện trở mắc song song tạo ra điện trở tương đương nhỏ hơn
Các điện trở mắc song kết hợp thành điện trở tương đương nhỏ hơn

Pin thực tế không phải là lý tưởng. Mô hình hóa một viên pin như một pin lý tưởng có suất điện động $\varepsilon$ mắc nối tiếp với điện trở trong $r$ của chính nó. Khi có dòng điện chạy qua, một phần suất điện động bị tiêu hao bên trong, nên hiệu điện thế hai cực – giá trị mà vôn kế đặt song song với pin thực tế đọc được – sẽ giảm xuống:

$$\Delta V_{\text{terminal}}=\varepsilon-Ir.$$

Ví dụ giải. Một pin có suất điện động $\varepsilon=12\ \text{V}$ và điện trở trong $r=0.50\ \Omega$ cung cấp dòng điện $2.0\ \text{A}$: hiệu điện thế hai cực ở mức $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. Khi không có dòng điện, vôn kế đọc được đầy đủ $12\ \text{V}$.

Các thiết bị đo: Ammeter (ampe kế) được mắc nối tiếp tại điểm muốn đo dòng điện (ampe kế lý tưởng: điện trở bằng 0); vôn kế được mắc nối song với linh kiện cần đo (vôn kế lý tưởng: điện trở vô hạn). Các thiết bị đo không lý tưởng sẽ làm nhiễu mạch đang đo – ampe kế thực tế thêm vào điện trở nối tiếp, vôn kế thực tế lấy cắp dòng điện.

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
parallel/ˈpærəlel/ song song
Resistance/rɪˈzɪstəns/ Kháng cự
ammeter/ˈæmiːtə/ vôn kế
voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ vôn kế
Kirchhoff's loop rule/ˈkɜːkhɒfs luːp ruːl/ Quy tắc vòng Kirchhoff
Kirchhoff's junction rule/ˈkɜːkhɒfs ˈdʒʌŋkʃn ruːl/ Quy tắc nút Kirchhoff
junction/ˈdʒʌŋkʃn/ nối
equivalent capacitance/ɪˈkwɪvələnt kəˈpæsɪtəns/ Điện dung tương đương
RC circuit/ˌɑː ˈsiː ˈsɜːkɪt/ mạch RC
time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ hằng số thời gian
steady state/ˈstedi steɪt/ trạng thái ổn định
11.6

Kirchhoff's Loop Rule · ⁨Quy Tắc Vòng Kirchhoff⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 11.6.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's loop rule.

  • 11.6.A.1 Energy changes in simple electrical circuits may be represented in terms of charges moving through electric potential differences within circuit elements.
    • Equation: $\Delta U_E = q\Delta V$
  • 11.6.A.2 Kirchhoff's loop rule is a consequence of the conservation of energy.
    • 11.6.A.2.i Kirchhoff's loop rule states that the sum of potential differences across all circuit elements in a single closed loop must equal zero.
      • Equation: $\sum \Delta V = 0$
    • 11.6.A.2.ii The values of electric potential at points in a circuit can be represented by a graph of electric potential as a function of position within a loop.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 11.6.A: Mô tả một mạch hoặc các thành phần của mạch bằng cách áp dụng quy tắc vòng Kirchhoff.

  • 11.6.A.1 Sự biến đổi năng lượng trong các mạch điện đơn giản có thể được biểu diễn dưới dạng các điện tích di chuyển qua các hiệu điện thế bên trong các thành phần mạch.
    • Phương trình: $\Delta U_E = q\Delta V$
  • 11.6.A.2 Quy tắc vòng Kirchhoff là hệ quả của định luật bảo toàn năng lượng.
    • 11.6.A.2.i Quy luật vòng Kirchhoff phát biểu rằng tổng các hiệu điện thế trên tất cả các linh kiện mạch trong một vòng khép kín duy nhất phải bằng không.
      • Phương trình: $\sum \Delta V = 0$
    • 11.6.A.2.ii Giá trị của điện thế tại các điểm trong mạch có thể được biểu diễn bằng đồ thị của điện thế theo vị trí trong một vòng khép kín.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Charges moving through potential differences exchange energy ($\Delta U_E=q\Delta V$), and energy must balance around any closed path. That is Kirchhoff's loop rule 基尔霍夫回路定则:

$$\sum\Delta V=0\ \text{around any closed loop}.$$

Sign discipline wins these problems: crossing a battery from $-$ to $+$ is $+\varepsilon$; crossing a resistor with the assumed current is $-IR$ (against it, $+IR$). Write one equation per independent loop.

Tiếng Việt

Các điện tích di chuyển qua hiệu điện thế trao đổi năng lượng ($\Delta U_E=q\Delta V$), và năng lượng phải cân bằng quanh bất kỳ đường khép kín nào. Đó chính là Quy tắc vòng Kirchhoff:

$$\sum\Delta V=0\ \text{around any closed loop}.$$

Kỷ luật dấu số sẽ giúp bạn chiến thắng các bài toán này: khi đi qua pin từ $-$ đến $+$ thì mang dấu $+\varepsilon$; khi đi qua điện trở cùng chiều với dòng điện giả định thì mang dấu $-IR$ (ngược chiều, mang dấu $+IR$). Viết một phương trình cho mỗi vòng độc lập.

11.7

Kirchhoff's Junction Rule · ⁨Quy Tắc Nhánh Kirchhoff⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 11.7.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's junction rule.

  • 11.7.A.1 Kirchhoff's junction rule is a consequence of the conservation of electric charge.
  • 11.7.A.2 Kirchhoff's junction rule states that the total amount of charge entering a junction per unit time must equal the total amount of charge exiting that junction per unit time.
    • Equation: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 11.7.A: Mô tả một mạch hoặc các thành phần của mạch bằng cách áp dụng quy tắc nút Kirchhoff.

  • 11.7.A.1 Quy tắc nút Kirchhoff là hệ quả của định luật bảo toàn điện tích.
  • 11.7.A.2 Quy tắc nút Kirchhoff phát biểu rằng tổng lượng điện tích đi vào một nút trong một đơn vị thời gian phải bằng tổng lượng điện tích đi ra khỏi nút đó trong một đơn vị thời gian.
    • Phương trình: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Kirchhoff's junction rule 基尔霍夫节点定则 is conservation of charge at a junction 节点:

$$\sum I_{\text{in}}=\sum I_{\text{out}}.$$

Together the two rules solve any multi-loop circuit: assign a current to each branch, write junction equations, then loop equations, and solve. A negative answer just means that current flows opposite to your assumed direction.

Worked example. In the circuit above, $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ with $R_1=1.0\ \Omega$ on the left, $\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ with $R_2=1.0\ \Omega$ on the right, and a shared middle resistor $R_3=2.0\ \Omega$ carrying $I_3=I_1+I_2$ (junction rule). The two loop equations are

$$12=I_1+2(I_1+I_2)=3I_1+2I_2,\qquad 9=I_2+2(I_1+I_2)=2I_1+3I_2.$$

Solving: $I_1=3.6\ \text{A}$, $I_2=0.60\ \text{A}$, so $I_3=4.2\ \text{A}$ through the middle. Check with the second loop: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.

Tiếng Việt

Quy tắc nút Kirchhoff là sự bảo toàn điện tích tại một nút:

$$\sum I_{\text{in}}=\sum I_{\text{out}}.$$
Dòng điện phân nhánh tại một nút: lượng vào bằng lượng ra
Dòng điện phân nhánh tại một nút: lượng vào bằng lượng ra

Kết hợp cả hai quy tắc sẽ giải được mọi mạch nhiều vòng: gán dòng điện cho từng nhánh, viết các phương trình nút, sau đó viết các phương trình vòng và giải hệ phương trình. Kết quả âm chỉ có nghĩa là dòng điện thực tế chạy ngược với hướng giả định ban đầu của bạn.

Hai phương trình vòng và một phương trình nút giải mạch hai pin này
Hai phương trình vòng và một phương trình nút giải được mạch hai pin này

Ví dụ giải. Trong mạch ở trên, nhánh trái có nguồn $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ và điện trở $R_1=1.0\ \Omega$, nhánh phải có nguồn $\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ và điện trở $R_2=1.0\ \Omega$, và điện trở chung ở giữa $R_3=2.0\ \Omega$ mang dòng điện $I_3=I_1+I_2$ (theo quy tắc nút). Hai phương trình vòng là

$$12=I_1+2(I_1+I_2)=3I_1+2I_2,\qquad 9=I_2+2(I_1+I_2)=2I_1+3I_2.$$

Giải hệ: ta thu được $I_1=3.6\ \text{A}$, $I_2=0.60\ \text{A}$, suy ra dòng điện qua nhánh giữa là $I_3=4.2\ \text{A}$. Kiểm tra lại bằng vòng thứ hai: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.

11.8

Resistor-Capacitor (RC) Circuits · ⁨Mạch Điện Capacitor-Resistor (RC)⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 11.8.A: Describe the equivalent capacitance of multiple capacitors.

  • 11.8.A.1 A collection of capacitors in a circuit may be analyzed as though it was a single capacitor with an equivalent capacitance $C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.A.1.i The inverse of the equivalent capacitance of a set of capacitors connected in series is equal to the sum of the inverses of the individual capacitances.
      • Equation: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_{i} \dfrac{1}{C_i}$
    • 11.8.A.1.ii The equivalent capacitance of a set of capacitors in series is less than the capacitance of the smallest capacitor.
    • 11.8.A.1.iii The equivalent capacitance of a set of capacitors in parallel is the sum of the individual capacitances.
      • Equation: $C_{\text{eq},p} = \sum_{i} C_i$
  • 11.8.A.2 As a result of conservation of charge, each of the capacitors in series must have the same magnitude of charge on each plate.

Learning Objective 11.8.B: Describe the behavior of a circuit containing combinations of resistors and capacitors.

  • 11.8.B.1 The charge on a capacitor or the current in a resistor in an RC circuit can be described by a fundamental differential equation derived from Kirchhoff's loop rule.
    • Equation: $\mathcal{E} = \dfrac{dq}{dt}R + \dfrac{q}{C}$
  • 11.8.B.2 The time constant ($\tau$) is a significant feature of an RC circuit.
    • 11.8.B.2.i The time constant of an RC circuit is a measure of how quickly the capacitor will charge or discharge and is defined as $\tau = R_{\text{eq}}C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.B.2.ii For a charging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to increase from zero to approximately 63 percent of its final asymptotic value.
    • 11.8.B.2.iii For a discharging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to decrease from fully charged to approximately 37 percent of its initial value.
  • 11.8.B.3 The potential difference across a capacitor and the current in the branch of the circuit containing the capacitor each change over time as the capacitor charges and discharges, but both will reach a steady state after a long time interval.
    • 11.8.B.3.i Immediately after being placed in a circuit, an uncharged capacitor acts like a wire, and charge can easily flow to or from the plates of the capacitor.
    • 11.8.B.3.ii As a capacitor charges, changes to the potential difference across the capacitor affect the charge on the plates of the capacitor, the current in the circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor.
    • 11.8.B.3.iii The potential difference across a capacitor, the current in the circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor all change with respect to time and asymptotically approach steady state conditions.
    • 11.8.B.3.iv After a long time, a charging capacitor approaches a state of being fully charged, reaching a maximum potential difference at which there is zero current in the circuit branch in which the capacitor is located.
    • 11.8.B.3.v Immediately after a charged capacitor begins discharging, the amount of charge on the capacitor and the energy stored in the capacitor begin to decrease.
    • 11.8.B.3.vi As a capacitor discharges, the amount of charge on the capacitor, the potential difference across the capacitor, and the current in the circuit branch in which the capacitor is located all decrease until a steady state is reached.
    • 11.8.B.3.vii After either charging or discharging for times much greater than the time constant, the capacitor and the relevant circuit branch may be modeled using steady-state conditions.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 11.8.A: Mô tả điện dung tương đương của nhiều tụ điện.

  • 11.8.A.1 Một tập hợp các tụ điện trong mạch có thể được phân tích như thể nó là một tụ điện đơn với điện dung tương đương $C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.A.1.i Nghịch đảo của điện dung tương đương của một tập hợp các tụ điện mắc nối tiếp bằng tổng các nghịch đảo của các điện dung riêng lẻ.
      • Phương trình: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_{i} \dfrac{1}{C_i}$
    • 11.8.A.1.ii Điện dung tương đương của một tập hợp các tụ điện mắc nối tiếp nhỏ hơn điện dung của tụ điện nhỏ nhất.
    • 11.8.A.1.iii Điện dung tương đương của một tập hợp các tụ điện mắc song song bằng tổng các điện dung riêng lẻ.
      • Phương trình: $C_{\text{eq},p} = \sum_{i} C_i$
  • 11.8.A.2 Do định luật bảo toàn điện tích, mỗi tụ điện trong mạch mắc nối tiếp phải mang cùng độ lớn điện tích trên mỗi bản tụ.

Mục tiêu học tập 11.8.B: Mô tả hành vi của mạch bao gồm sự kết hợp của điện trở và tụ điện.

  • 11.8.B.1 Điện tích trên tụ điện hoặc dòng điện trong điện trở của một mạch RC có thể được mô tả bởi một phương trình vi phân cơ bản được suy ra từ quy tắc vòng Kirchhoff.
    • Phương trình: $\mathcal{E} = \dfrac{dq}{dt}R + \dfrac{q}{C}$
  • 11.8.B.2 Hằng số thời gian ($\tau$) là một đặc điểm đáng chú ý của mạch RC.
    • 11.8.B.2.i Hằng thời gian của mạch RC là thước đo tốc độ mà tụ điện sẽ nạp hoặc xả điện và được xác định bởi $\tau = R_{\text{eq}}C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.B.2.ii Đối với tụ điện đang nạp, hằng số thời gian biểu thị khoảng thời gian cần thiết để điện tích của tụ tăng từ không đến khoảng 63 phần trăm giá trị tiệm cận cuối cùng.
    • 11.8.B.2.iii Đối với tụ điện đang xả, hằng số thời gian biểu thị khoảng thời gian cần thiết để điện tích của tụ giảm từ trạng thái nạp đầy xuống còn khoảng 37 phần trăm giá trị ban đầu.
  • 11.8.B.3 Điện thế hiệu giữa hai đầu tụ điện và dòng điện trong nhánh mạch chứa tụ điện đều thay đổi theo thời gian khi tụ điện sạc và xả, nhưng cả hai sẽ đạt đến trạng thái ổn định sau một khoảng thời gian dài.
    • 11.8.B.3.i Ngay sau khi được đặt vào mạch, một tụ điện chưa nạp đóng vai trò như một dây dẫn, và điện tích có thể dễ dàng chảy vào hoặc ra các bản tụ.
    • 11.8.B.3.ii Khi tụ điện đang nạp, những thay đổi về hiệu điện thế giữa hai bản tụ ảnh hưởng đến điện tích trên các bản tụ, dòng điện trong nhánh mạch chứa tụ, và năng lượng điện thế được lưu trữ trong tụ.
    • 11.8.B.3.iii Hiệu điện thế giữa hai bản tụ, dòng điện trong nhánh mạch chứa tụ, và năng lượng điện thế được lưu trữ trong tụ đều thay đổi theo thời gian và tiệm cận dần về trạng thái ổn định.
    • 11.8.B.3.iv Sau một thời gian dài, tụ điện đang nạp tiến gần đến trạng thái nạp đầy, đạt hiệu điện thế cực đại tại đó dòng điện trong nhánh mạch chứa tụ bằng không.
    • 11.8.B.3.v Ngay sau khi tụ điện đã nạp bắt đầu xả, lượng điện tích trên tụ và năng lượng được lưu trữ trong tụ bắt đầu giảm đi.
    • 11.8.B.3.vi Khi tụ điện đang xả, lượng điện tích trên tụ, hiệu điện thế giữa hai bản tụ, và dòng điện trong nhánh mạch chứa tụ đều giảm cho đến khi đạt được trạng thái ổn định.
    • 11.8.B.3.vii Sau khi nạp hoặc xả trong khoảng thời gian lớn hơn nhiều so với hằng số thời gian, tụ điện và nhánh mạch liên quan có thể được mô hình hóa bằng các điều kiện trạng thái ổn định.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English
Discharging a capacitor: τ = RC
Charging a capacitor (RC)

Capacitor networks reduce like resistors but with the rules swapped: parallel capacitances add ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$), series add as reciprocals – and capacitors in series must carry the same charge on each plate, by conservation of charge. Use the equivalent capacitance 等效电容 to analyse the network, then expand back.

In an RC circuit RC电路, Kirchhoff's loop rule gives the differential equation

$$\varepsilon=R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C},$$

whose solutions are exponentials with time constant 时间常数 $\tau=RC$:

$$q(t)=Q\big(1-e^{-t/RC}\big)\ \text{(charging)},\qquad q(t)=Q\,e^{-t/RC}\ \text{(discharging)},\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/RC}.$$

The current is largest at the first instant and decays – it never "waits" for the capacitor. Learn the two limits: at $t=0$ an uncharged capacitor acts like a plain wire (maximum current); after a long time it is fully charged, no current flows in its branch, and it acts like a break. In any steady state 稳态, cover the capacitor branch with your finger, solve the resistor circuit, then read the capacitor's voltage from the element it sits across.

Worked example. With $R=5.0\ \text{k}\Omega$, $C=200\ \mu\text{F}$, and a $10\ \text{V}$ battery: $\tau=RC=1.0\ \text{s}$; initial current $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$; after one time constant the charge is $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$, about $63\%$ of full charge, and the current has fallen to $37\%$ of its initial value.

Tiếng Việt
Xả tụ điện: τ = RC
Nạp điện cho tụ điện (RC)

Mạng lưới tụ điện rút gọn giống như điện trở nhưng với các quy tắc hoán đổi: điện dung nối song cộng lại ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$), nối tiếp cộng theo nghịch đảo – và các tụ điện mắc nối tiếp phải mang cùng một điện tích trên mỗi bản tụ, theo định luật bảo toàn điện tích. Sử dụng điện dung tương đương để phân tích mạng lưới, sau đó mở rộng trở lại.

Trong một mạch RC, quy tắc vòng Kirchhoff cho ra phương trình vi phân

$$\varepsilon=R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C},$$

có nghiệm là hàm mũ với hằng số thời gian $\tau=RC$:

$$q(t)=Q\big(1-e^{-t/RC}\big)\ \text{(charging)},\qquad q(t)=Q\,e^{-t/RC}\ \text{(discharging)},\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/RC}.$$

Dòng điện đạt giá trị lớn nhất ngay tại thời điểm đầu tiên và sau đó giảm dần – nó không bao giờ "chờ" tụ điện. Hãy học hai giới hạn: tại thời điểm $t=0$, tụ điện chưa tích điện hoạt động như một dây dẫn thông thường (dòng điện tối đa); sau một khoảng thời gian dài, tụ điện đã tích điện đầy đủ, không có dòng điện chạy qua nhánh của nó, và nó hoạt động như một đoạn mạch hở. Trong bất kỳ trạng thái ổn định nào, hãy che nhánh tụ điện bằng ngón tay, giải mạch điện trở, sau đó đọc hiệu điện thế của tụ điện từ linh kiện nằm ngang hàng với nó.

Điện tích trên tụ điện suy giảm theo hàm exponential khi xả
Điện tích trên tụ điện suy giảm theo hàm exponential khi xả

Ví dụ giải. Với nguồn $R=5.0\ \text{k}\Omega$, điện trở $C=200\ \mu\text{F}$ và pin $10\ \text{V}$: điện dung tương đương là $\tau=RC=1.0\ \text{s}$; dòng điện ban đầu là $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$; sau một hằng số thời gian, điện tích là $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$, xấp xỉ $63\%$ của điện tích tối đa, và dòng điện đã giảm xuống còn $37\%$ so với giá trị ban đầu.

Một mạch điện tử được xây dựng trên bảng thử nghiệm
Một mạch điện thực tế trên bảng breadboard: điện trở và tụ điện cùng nhau quyết định tốc độ điện áp tăng và giảm
11.8

Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

English
  • Relate current to charge flow $I=\tfrac{dQ}{dt}$ and use $J=\sigma E$, $R=\tfrac{\rho L}{A}$ for resistance.
  • Apply Kirchhoff's laws (junction: charge; loop: energy) with consistent sign conventions.
  • Analyse RC circuits with calculus: charging/discharging give exponentials with time constant $\tau=RC$.
  • Combine resistors (series add, parallel reciprocal) and track power $P=IV=I^2R$.
  • At $t=0$ a capacitor acts like a wire; after a long time ($t\to\infty$) it acts like an open branch.
Tiếng Việt
  • Liên hệ dòng điện với dòng tải $I=\tfrac{dQ}{dt}$ và sử dụng $J=\sigma E$, $R=\tfrac{\rho L}{A}$ cho điện trở.
  • Áp dụng định luật Kirchhoff (nút: tải; vòng: năng lượng) với quy ước dấu nhất quán.
  • Phân tích mạch RC bằng giải tích: quá trình nạp/xả tạo ra hàm mũ với hằng số thời gian $\tau=RC$.
  • Kết hợp điện trở (nối tiếp cộng, nối song nghịch đảo) và theo dõi công suất $P=IV=I^2R$.
  • Tại thời điểm $t=0$, tụ điện hoạt động giống như một dây dẫn; sau một khoảng thời gian dài ($t\to\infty$) nó hoạt động giống như một nhánh hở.

Interactive lessons on this topic · ⁨Bài học tương tác về chủ đề này⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.⁩

Past Papers · ⁨Đề thi cũ⁩

More topics in AP Physics C: Electricity and Magnetism · ⁨AP Vật lý C: Điện từ⁩ · ⁨Nhiều chủ đề hơn trong AP Physics C: Electricity and Magnetism · ⁨AP Vật lý C: Điện từ⁩⁩

Log in or create account · ⁨Đăng nhập hoặc tạo tài khoản⁩

IGCSE, A-Level & AP