Dòng điện làm cho các thiết bị hoạt động như thế nào? ppsx

Dòng điện làm cho các thiết bị hoạt
động như thế nào?

Không có dòng điện thì các thiết bị trong nhà của chúng ta
chỉ là mớ đồ nhựa và kim loại vô dụng. Nhưng dòng điện
thật sự là gì? Chúng sai khiến các vật hoạt động như thế
nào?

Cái gì đang diễn ra trong các dây dẫn làm cho các bộ nhiệt
trong nhà của chúng ta nóng lên và quạt máy thì quay?
(Ảnh: iStockphoto)
Chúng ta sử dụng nó mỗi ngày, nhưng đa số chúng ta
không có một manh mối nào xem dòng điện làm cho các
vật hoạt động như thế nào. Cái gì đang diễn ra trong các
dây dẫn làm cho các động cơ chạy, và các bộ nhiệt thì nóng
lên?
Cho dù là một lò nướng bánh hay một chiếc xe điện, mọi
thứ mà dòng điện điều khiển có chung một đặc điểm: cái
xảy ra khi bạn ‘chỉ dạy’ các electron khiêu vũ theo hàng
theo ngũ.
Khi các electron bị buộc chuyển động đồng bộ, chúng có
thể tạo ra nhiệt và – ấn tượng hơn – chúng biến dây dẫn mà
chúng đang chuyển động trong đó thành một nam châm.
Nhiệt có thể làm sôi nước và làm cho bóng đèn tỏa sáng, và
các nam châm có thể làm cho các vật chuyển động. Và đó
là hai đặc điểm ‘thần kì’ ẩn sau mỗi thiết bị điện.
Đưa các electron vào tổ chức
Các electron mang lại sức sống cho các thiết bị của chúng
ta nằm trong các dây dẫn tạo thành các mạch điện.
Các dây dẫn làm bằng kim loại, và kim loại luôn luôn có
các electron tự do chạy vù vù bên trong chúng. Nhưng nếu

bạn có thể làm cho các electron đó chuyển động theo một
kiểu có tổ chức, thì bạn có được một dòng điện chạy. Tất cả
dòng điện là như vậy – các electron chuyển động theo một
kiểu có tổ chức.
Năng lượng để cho các electron chuyển động theo một kiểu
có tổ chức lấy từ pin hoặc máy phát.
Khi một chiếc pin tổ chức các electron, tất cả chúng chuyển
động theo cùng một chiều tại cùng một lúc – pin bơm các
electron qua dây dẫn từ điện cực âm đến điện cực dương.
Vì chúng đều chuyển động theo cùng một chiều, nên nó
được gọi là dòng điện một chiều (DC).
Các máy phát đặt tại các nhà máy điện tổ chức các electron
theo một cách hơi khác. Chúng bơm các electron, nhưng
chúng thay đổi hướng bơm chúng 100 lần trong mỗi giây.
Thay vì chuyển động theo một chiều giống như trong một
mạch điện DC, các electron ‘ngoe nguẩy’ tại chỗ và liên tục
dịch tới dịch lui. Nếu bạn có thể nhìn vào bên trong dây
nguồn khi một thiết bị đang bật nguồn, bạn sẽ nghĩ các
electron đúng là đã học cách khiêu vũ theo hàng ngũ – tất
cả chúng liên tục bước một bước về phía trước, một bước
về phía sau một cách đồng bộ. Sự thay đổi hướng liên tục là
cái ẩn sau tên gọi của nó, dòng điện xoay chiều (AC).
Vậy thì một dòng điện chỉ là các electron đang dịch chuyển
theo một cách có tổ chức bên trong một mạch điện. Nhưng
làm thế nào các electron đang chuyển động sinh ra nhiệt để
cho lò nướng bánh và máy sấy hoạt động?

Nếu bạn có thể nhìn thấy cái đang diễn ra ở cấp độ nguyên
tử bên trong một dây dẫn, thì nó trông như thế này. Giống
như mọi kim loại, dây dẫn cấu tạo từ một giàn khung rắn

chắc của các nguyên tử với một đám electron tự do vù vù
xung quanh chúng. Mắc một dây dẫn với một chiếc pin
(DC) thì các electron đều chuyển động đồng bộ về phía
trước. Cắm dây vào một nguồn cấp trên tường, thì các
electron trong dây ‘ngúc ngoắc’ tới lui tại chỗ, đổi hướng
100 lần mỗi giây (AC).
Làm mọi thứ nóng lên
Mọi dây dẫn đều nóng lên một chút khi có dòng điện chạy
qua chúng, vì khi các electron chuyển động trong dây
chúng chạm trúng các nguyên tử kim loại. Và hễ khi nào
chúng lao trúng một nguyên tử, thì năng lượng từ các
electron đang chuyển động được giải phóng dưới dạng
nhiệt.
Chúng ta sử dụng đồng làm dây dẫn điện vì dây đồng dễ
dàng cho các electron chuyển động bên trong, cho nên
không có quá nhiều năng lượng bị hao phí dưới dạng nhiệt.
Nhưng nếu bạn muốn có nhiệt, thí dụ cho máy sấy tóc/lò
nước bánh/bình nấu nước, thì cần cản trở sự chuyển động
đó. Bạn chỉ việc sử dụng một miếng kim loại thật sự khó
cho các electron chuyển động bên trong, như nickel.
Các bộ phận nóng lên như trong lò nướng bánh hoặc máy
sấy tóc là những đoạn dây dẫn chế tạo bằng hợp kim
nickel/chromium gọi là nichrome. Cho một dòng điện chạy
qua nichrome và bạn sẽ thu được lượng nhiệt lớn. Trong
khi các electron trong dây đồng có thể chuyển động dễ
dàng, thì các electron trong bộ phận nichrome liên tục dội
trúng các nguyên tử nickel và chromium và làm phát sinh
nhiệt ở khắp nơi. Đó là cái bạn muốn vào những ngày mưa
tóc ướt nhạt nhẽo.
Nhưng đun nóng chỉ là một trong những thứ mà các thiết bị

điện có thể làm. Đa số những việc khác liên quan đến việc
làm cho các vật chuyển động – và đó là chỗ dành cho động
cơ. Vậy thì làm thế nào các electron có tổ chức làm cho
một động cơ quay?
Làm cho các động cơ quay tròn
Mọi thiết bị có những bộ phận chuyển động phức tạp hơn
một lò nướng bánh cánh xòe đều có một động cơ điện bên
trong nó. Và trong khi chúng cho chạy hàng nghìn bộ phận
khác nhau, nhưng các động cơ điện thật sự chỉ làm có mỗi
một việc – chúng quay tròn hễ khi nào bạn bật nguồn. Và
mọi thứ gắn liền với chúng – như các cánh quạt, bánh xe
hoặc chậu giặt quần áo – cũng quay tròn theo.
Sự quay tròn chỉ xảy ra khi dòng điện đang chạy – khi các
electron trong dây dẫn được tổ chức thành một dòng điện.
Vậy làm thế nào các electron đang chuyển động làm cho
một động cơ quay tròn? Chúng không làm việc đó đâu.
Chúng làm cái gì đó có vẻ phô trương hơn – chúng biến
dây dẫn thành nam châm. Và như mọi đứa trẻ lên năm đều
biết, nam châm là trợ thủ số một làm cho các vật chuyển
động.
Tất cả chúng ta đều quen thuộc các nam châm, nhưng rất
nhiều người trong chúng ta không nhận ra các nam châm
đó có các tính chất của chúng từ cái tương tự như dòng điện
đã làm: các electron có tổ chức.
Điện và từ chung sống hòa bình
Mỗi electron giống như một nam châm nhỏ xíu, yếu ớt. Đa
số các electron ghép lại thành cặp, và chúng triệt tiêu mất
từ tính của electron kia. Nhưng một số chất liệu – như sắt –
có một số electron chưa ghép cặp xung quanh các nguyên
tử của chúng. Và nếu bạn có thể làm cho các electron chưa

ghép cặp đó sắp thẳng hàng sao cho từ trường của chúng
đều cùng chiều nhau, thì miếng sắt của bạn đột ngột là một
nam châm. Đó đúng là cái xảy ra khi bạn dùng một nam
châm hút lấy một cái kim hoặc kẹp giấy – từ trường xung
quanh nam châm của bạn hút một số electron chưa ghép
cặp bên trong cái kim sắp thành hàng, nên tất cả từ trường
mini của chúng cộng lại thành một nam châm cỡ lớn thật
sự.
Nhưng bạn cũng có thể làm cho bất kì kim loại nào thành
một nam châm nhất thời – một nam châm điện – chỉ bằng
việc cho một dòng điện chạy qua nó.
Các nam châm điện hoạt động được vì điện tích trên một
electron cũng có thể tạo ra một từ trường, nhưng chỉ khi nó
đang chuyển động. Cho nên hễ khi nào các electron trong
dây dẫn đang chuyển động đồng bộ (tức là hễ khi nào có
một dòng điện đang chạy), thì dây dẫn trở thành một nam
châm. Nhưng nó quá yếu để là một nam châm hữu dụng.
Nhưng nếu bạn quấn dây xung quanh một miếng sắt, thì từ
trường yếu xung quanh dây buộc các electron chưa ghép
cặp trong sắt sắp thẳng hàng nhau, và toàn bộ từ trường
mini của chúng cộng gộp lại cho kết quả hệt như một thanh
nam châm.
Nhưng không giống như một nam châm thường, sợi dây
dẫn đó chỉ có từ tình khi có dòng điện đang chạy – một khi
dòng điện ngừng chạy, thì các electron bên trong dây trở lại
tác dụng giống như những ‘loạn quân’ hạ nguyên tử. Và
miếng sắt mà nó quấn xung quanh trở lại là một miếng sắt.
Và chính khả năng của dòng điện biến các dây dẫn thành
nam châm nhất thời mang lại cho chúng ta các động cơ có
thể mở và tắt.

Mô tả động cơ hoạt động như thế nào chưa cần tới 25
từ
Nếu bạn từng dùng một nam châm đẩy nam châm kia ra,
bạn đã biết nguyên lí hoạt động của các động cơ điện. Thật
ra, nếu bạn sử dụng đầu bắc của một nam châm để đẩy đầu
bắc của nam châm kia theo một vòng tròn, thì bạn đang làm
công việc giống hệt như cái động cơ điện thực hiện. Ngoại
trừ ở chỗ động cơ không hề có một bàn tay khổng lồ nào
dùng nam châm này đẩy nam châm kia – nó hoạt động trên
cơ sở một bộ nam châm trong một cái vòng bao xung
quanh vòng dây dẫn.
Khi dòng điện chạy, vòng dây trở thành một nam châm
điện. Và các nam châm xung quanh nam châm điện đó
được bố trí sao cho các lực hút và đẩy của chúng làm cho
nam châm điện quay tròn liên tục cho đến khi nguồn điện
bị ngắt.
Khi ngắt điện thì trò chơi của chúng ta kết thúc. Không có
pin hoặc máy phát để đẩy chúng, các electron không còn có
tổ chức nữa, dây dẫn không còn từ tính nữa, và chuyển
động quay tròn của động cơ bị treo lại. Các van bơm/cánh
quạt/băng chuyền gắn với động cơ ngừng hút, thổi và chạy.
‘Sự thần kì’ của dòng điện ngừng lại, và thiết bị của chúng
ta chỉ một mớ đồ nhựa và kim loại cho đến khi chúng ta bật
nguồn trở lại.
 Xuân Nguyễn (theo abc.net.au)