Bài giảng Điện học (Phần 16) pps

Bài giảng Điện học
(Phần 16)
Chương 3
MẠCH ĐIỆN, PHẦN I
Thưa bà, thế nào là một đứa trẻ ngoan ?
Micheal Faraday, khi trả lời nữ hoàng Victoria về những dụng cụ điện trong
phòng thí nghiệm của ông dùng để làm gì.
Cách đây vài năm, vợ tôi và tôi muamột cănnhà có cá tính.Cá tính làmột cơ
chế sốngcòn theo xu thế phát triểnnhà, nhằm thuyết phục người ta đồng ý trả
khoảntiền thế chấp lớn hơn số tiền họ có thể hình dungra lúc banđầu. Dẫu sao,
một trong nhữngđặc điểm manglại cá tính chongôi nhàcủa chúng tôi là nó có, xây
hẳn vào trongtường nhà, một bộ ba máychơi pachinko. Nhữngdụng cụ cờ bạc
kiểu Nhật Bảnnày thuộcloại giống như máy chơi pinball thẳng đứng. (Những bài
báo hợppháp chúng tôi muatừ taynhững người bán báo vội vã cho chúng tôi biết
chúng “chỉ nhằm mục đích tiêu khiển”) Thật khôngmay, chỉ một trong ba máylà
hoạt động khichúng tôichuyển đến ở,và nó sớm“tiêu tùng”trên tay chúngtôi.
Đangthành mộtkẻ nghiện pachinko,tôi quyết địnhsửa nó, nhưngnói thì dễ hơn
làm.Bên trong nó là cả một cơ chế Rube Goldsbergthực sự gồmcác đòn bẩy,móc
khóa, lò xo,và đường trượt. Tính tự caođã ăn sâu trong máucủatôi, cùng vớitrình
độ tiếnsĩ vậtlí củamình,cho tôicảm giác nhấtđịnhsẽ thành công, và saucùngnó
đã mang lại sự thất bại hoàn toàn làm tôi mất hết tinh thần.
Ngẫm lại thấtbại của mình,tôi nhận ramức độ phức tạp của các dụngcụ cơ
giới mà tôi sử dụngtừ ngàynày sang ngày khác. Ngoài chiếc xe hơivà cái
saxophonecủa tôi, mọi dụngcụ công nghệ trong hệ thống yểm trợ cuộc sống hiện
đại của chúng làđồ điện chứ không phải đồ cơ.
3.1 Dòng điện
Thống nhất mọi loại điện
Chúng tabị vâyquanh bởi những thứ mà chúng ta nghe nói là “điện”, nhưng
rõ ràngcòn lâu chúng mớicó chung thứ để xác nhận là chung nhóm với nhau.Có
mốiquan hệ gì giữa cách thức nhữngmỉếng tất dínhvào nhau và cách thứcpin
thắpsáng bóngđèn ? Chúngta nghe nói tới cả con cá chình điện và não của mìnhvì

lí do gìđó vốn tự nhiêncó tính chất điện, nhưng thật ra chúng cócái gì chung?
Nhà vật lí học người AnhMicheal Faraday(1791 – 1867) đã bắt tay vào giải
quyết vấn đề này. Ông nghiên cứu điện từ nhiều nguồn đa dạng – trongđó có cả cá
chìnhđiện! – xemchúng có tạora nhữngtác dụng giốngnhau không,ví dụ như va
chạmvà tia lửa điện, lực hút và lực đẩy.Chẳng hạn,“nung nóng”là cách dây tóc
bóng đèn đạttới đủ nóngđể rực lên và phát ra ánhsáng. Cảm ứng từ là một hiệu
ứng dochính Faradaykhámphá liên kết điện học và từ học. Chúng ta sẽ không
nghiêncứu hiệuứng này, nólà cơ sở chocác máy phát điện, chi tiết sẽ được nói tới
trong phầnsau của cuốnsách này.
a/ Gymnotus carapo, một loài cá điện, sử dụng tín hiệu điện để cảm nhận môi
trường và truyền tin với những đồng loại khác của nó.
Bảng trên trìnhbày tóm tắt một số kết quả củaFaraday. Cácdấu kiểm cho
biết Faradayhay những ngườiđương thời củaông có thể xácnhận mộtnguồn điện
nhất địnhcó khả năng tạo ra nhữnghiệu ứng nhấtđịnh.(Họ rõ ràng đã thất bại
trong việc chứng minh lực hút và đẩy giữanhững vật tíchđiện bằng cá chìnhđiện,
mặc dùnhững người thợ hiện đại đã nghiên cứu chitiết các loài nàyvà có thể hiểu
được mọi đặc tính điện của chúng tương tự các dạng thức điệnkhác).
Kết quả của Faradaycho thấy không cósự khác biệt cơ bản nào về các loại
điện donhững nguồnkhác nhaucung cấp.Chúng đềutạo ra những hiệu ứng đa
dạng giống hệt nhau.Faraday viết“Kết luận chungphải rútra từ bộ thu thậpthực
tế này là điện,cho dù nguồn phát ra nó là gìđi nữa, đều giống nhau về bản chấtcủa
nó”.
Nếu cácloại điệnlà cùng một thứ, vậy thì thứ đó là gì ? Câu trả lời được cung
cấp bởi thựctế là mọi nguồnđiện đều có thể làm chocácvậtđẩyhoặc hútlẫnnhau.
Chúng tasử dụngtừ “tích điện” để mô tả tính chất của một vật cho phép nó tham
gia vàonhững lực điệnnhư thế, và chúng ta biết rằng điện tích có mặt trong vật
chất dưới dạng hạt nhân và electron.Rõ ràng là những hiệntượng điện này rútlại
là chuyển độngcủa các hạt tích điện trongvật chất.
Dòng điện
Nếu hiện tượng cơ bản đó là chuyển động củacác hạt mangđiện, thì làm sao

chúng ta có thể vạch ra một số đo bằng số có ích củanó ? Chúng ta có thể mô tả
dòngchảy củasông dễ dàng bằng vận tốccủa nước, nhưng vậntốc sẽ khôngthích
hợp đối với mục tiêu điện, vì chúng ta phải tínhđến bao nhiêuđiện tích có trong
các hạtmangđiện chuyển động,và trong bất kì trường hợp nào cũngkhông có
dụngcụ thực tế bán tại cửa hàng đồ điện có thể cho chúng ta biết vậntốc của các
hạt mang điện. Thí nghiệm chothấy cường độ của nhữnghiệu ứng điệnkhác nhau
tỉ lệ với một đại lượngkhác: số coulombđiện tích đi quamột điểm nhất định trong
một giây.Tương tự như dòng nước chảy, đại lượng nàyđược gọi là dòng điện, I.
Đơn vị coulomb/giây của nó thường được sử dụng ngắnhơn là ampere,1 A = 1
C/s.
Sự khéoléochủ yếu có trongđịnh nghĩanàylà làm saođếm hailoại điện tích.
Dòngnước chảy ra từ vòi nướccấu thành từ các nguyêntử chứa các hạt tích điện,
nhưng nó khôngtạo ra hiệu ứngnào cho chúngta liên tưởngtớidòng điện. Chẳng
hạn, bạnkhông bao giờ bị sốc điện khibạn bị một vòi nước phunvào. Loại thí
nghiệmnày chothấy hiệu ứngđó được tạo rabởichuyển động củamột loại hạt
tích điện có thể bị triệt tiêu bởi chuyểnđộng của loại hạt tích điện trái dấu trong
cùng hướng đó.Trong nước, mỗinguyên tử oxygen có điện tích + 8e bị bao quanh
bởi 8 electroncó điện tích – e, và tươngtự như thế đốivới nguyên tử hydrogen.
Do đó, chúng ta có thể trau chuốtđịnhnghĩa dòng điện của mìnhnhư sau:
định nghĩa dòng điện
Khi các hạt tích điện trao đổi giữa cácvùng không gianA và B thì dòng điện
chạytừ A sang Blà
I = Δq/Δt
trong đó Δq là sự thayđổi điện tích toànphẩn của vùng Bxảy ra trong
khoảng thời gianΔt.
Trongví dụ vòi nước trong vườncây, cơ thể của bạn bắt được lượng điện
tích dươngvà âm bằng nhau, nên không gây ra sự thay đổi điện tích toàn phần của
bạn, cho nên dòng điệnchạy qua bạn là bằngkhông.
Ví dụ 1. Giải thích
Phải hiểu biểu thức Δq/Δt như thế nào khidòng điệnkhông phải là không

đổi ?
Bạn đã thấy nhiều phươngtrình thuộcdạng này trước đây: Δx/Δt, F =
Δp/Δt Đây đều làsự mô tả tốc độ biến thiên,và chúng đều yêu cầu tốc độ biến
thiên không đổi.Nếu tốcđộ biến thiên không phải không đổi, thì bạn phải sử dụng
độ dốccủa đường tiếp tuyến trênđồ thị. Độ dốc củađường tiếp tuyến tươngứng
với đạohàm trong tính toán; ứng dụng của phéptínhđó sẽ được nói tới trong
phần 3.6.
Ví dụ 2. Ion chuyển động qua màng tế bào
Hình c/ biểudiễn các ion, cóghi tênvới điện tích của chúng,chuyển động
vào hoặc ra khỏi màng củaba tế bào. Nếu các ionđều đi qua màngtế bào trong
cùng khoảngthời gian như nhau,thì dòngđiện chạy vào tế bào so sánh với nhau
như thế nào?
Tế bào A códòng điện dươngđi vàonó, vì điện tích của nó tănglên, tức là có
giá trị Δq dương.
Tế bào B có cùng dòng điện như tế bào A, vì việc mất một đơn vị điện tíchâm
cũng làm tăng điệntích toàn phần của nó lênmột đơn vị.
Điện tích toàn phầncủa tế bào Cgiảm ba đơnvị, nêncó dòng điện âm,lớn đi
vào.
Tế bào D mất một đơnvị điệntích nên có códòng điệnâm,nhỏ đi vào.
Có vẻ thật lạ khinói rằngmột hạt tích điện âm chuyển động theo một chiều
tạo ra dòng điện chạy theo chiều kia,nhưng chuyện này khá bìnhthường. Như
chúng ta sẽ thấy, dòng điện chạy quadây dẫnkim loại thông quasự chuyển động
của cácelectron,chúngtích điện âm, nên hướng chuyển động của các electron
trong mạch điện luônluôn ngược với hướngcủa dòngđiện. Tất nhiên, sẽ tiện lợi
biết bao nhiêu nếu như BenjaminFranklin định nghĩa dấu của điện tích âmvà
dươngtheo kiểu ngượclại, vì nhiềudụngcụ điện hoạt động trên cơ sở dây dẫn kim
loại.
Ví dụ 3. Số electron chạy qua bóng đèn
Nếu một bóng đèn có dòng điện 1,0Achạy qua, hỏi có bao nhiêu electronđi
qua dây tóc trong 1 giây ?

Chúng tachỉ tínhsố electronchạy thành dòng,nên chúng ta có thể bỏ qua
các dấu dươngvà âm. Giải phươngtrình Δq = I Δt cho dòng điện tích 1,0C trong
khoảng thời giannày. Số electronlà
số electron= 1,0 C/e = 6,2 x 10
18