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

Dòng điện làm chocácthiết bị
hoạt độngnhư thế nào?
Bernie Hobbs
Không có dòng điện thì các thiếtbị trongnhà củachúng ta chỉ là mớ đồ nhựa
và kimloại vô dụng. Nhưngdòngđiệnthật sự là gì?Chúng sai khiến các vật hoạt
độngnhư 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 tasử dụng nó mỗi ngày, nhưng đa số chúng ta không có một manh
mốinào xem dòng điện làm chocác vật hoạt độngnhư thế nào.Cái gì đangdiễn ra
trong các dây dẫn làm cho các động cơ chạy, và cácbộ nhiệt thì nóng lên?
Cho dù là một lònướng bánh haymột chiếc xe điện, mọithứ mà dòng điện
điều khiển có chungmộtđặc điểm: cái xảy ra khi bạn ‘chỉ dạy’ cácelectronkhiêu
vũ theohàng theongũ.
Khi các electron bị buộcchuyển động đồngbộ, chúng có thể tạo ranhiệtvà –
ấn tượng hơn– chúng biến dây dẫn mà chúng đangchuyển động trongđó thành
một nam châm. Nhiệt cóthể làm sôi nước và làmcho bóng đèn tỏa sáng,và các
nam châm có thể làm cho các vật chuyển động.Và đó là hai đặc điểm ‘thầnkì’ ẩn
sau mỗithiết bị điện.
Đưa các electron vào tổ chức
Các electron mang lại sứcsống chocác thiết bị của chúngta nằm trong các
dây dẫn tạo thành các mạch điện.
Các dây dẫn làmbằng kimloại,và kimloại luônluôn có các electrontự do
chạyvù vù bên trong chúng.Nhưng nếu bạn cóthể làm cho các electronđó chuyển
độngtheo mộtkiểu cótổ chức, thì bạncó được mộtdòng điệnchạy. Tất cả dòng
điện lànhư vậy – các electron chuyểnđộng theo một kiểucó tổ chức.
Năng lượngđể cho cácelectronchuyển độngtheo mộtkiểu có tổ chức lấy từ
pin hoặc máy phát.
Khi một chiếc pintổ chức các electron,tất cả chúng chuyển động theo cùng
một chiều tại cùng một lúc– pinbơm các electronqua dây dẫn từ điệncực âm đến
điện cựcdương. Vì chúngđều chuyển độngtheo cùngmột chiều, nên nó được gọi

là dòngđiện một chiều(DC).
Các máy phát đặt tại các nhà máyđiện tổ chức các electrontheo một cách
hơi khác. Chúng bơm các electron,nhưng chúng thay đổi hướngbơmchúng100
lần trong mỗi giây. Thayvì 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. Nếubạn có
thể nhìn vào bên trong dây nguồn khi một thiết bị đang bật nguồn, bạn sẽ nghĩ các
electronđúng làđã học cách khiêu vũ theo hàng ngũ – tất cả chúng liên tục bước
một bướcvề phía trước, một bước về phía saumột cách đồng bộ.Sự thay đổi
hướngliên tục là cái ẩn sautên gọi củanó, dòngđiện xoaychiều (AC).
Vậy thì một dòngđiện chỉ là các electron đang dịch chuyển theo mộtcách có
tổ chức bên trong một mạch điện. Nhưnglàm thế nào các electron đangchuyển
độngsinh ra nhiệt để cho lò nướng bánhvà máy sấy hoạtđộng?
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
Mọidây dẫn đều nóng lên một chútkhicó dòngđiện chạy qua chúng, vì khi
các electronchuyển động trong dây chúng chạmtrúng cácnguyêntử kimloại. Và
hễ khi nào chúng lao trúng một nguyên tử, thì nănglượng từ các electron đang
chuyển động đượcgiải phóngdưới dạng nhiệt.
Chúng tasử dụng đồnglàm dây dẫn điện vì dây đồngdễ dàng chocác
electronchuyển độngbên trong, cho nên khôngcó quá nhiều năng lượngbị hao
phí dưới dạng nhiệt. Nhưng nếu bạn muốn có nhiệt, thí dụ cho máysấy tóc/lò
nước bánh/bìnhnấu nước, thì cần cảntrở sự chuyển độngđó.Bạn chỉ việc sử
dụngmột miếng kimloại thậtsự khócho các electronchuyển độngbên trong,như
nickel.
Các bộ phận nóng lênnhư trong lò nướng bánh hoặc máysấy tóclà những

đoạn dây dẫnchế tạobằng hợp kim nickel/chromiumgọilà nichrome. Cho một
dòngđiện chạyqua nichromevà bạn sẽ thuđược lượngnhiệt lớn. Trongkhi các
electrontrongdây đồng có thể chuyển động dễ dàng, thì các electron trong bộ
phận nichrome liên tụcdội trúng các nguyên tử nickel vàchromiumvà làm phát
sinh nhiệt ở khắp nơi.Đó là cái bạnmuốn vào nhữngngày mưa tóc ướtnhạt nhẽo.
Nhưng đun nóngchỉ là một trongnhững thứ mà các thiết bị điện có thể làm.
Đa số những việc khácliên quanđến việc làm chocácvật chuyển động –và đó là
chỗ dành cho độngcơ.Vậy thì làm thế nào các electron có tổ chức làmcho một
độngcơ quay?
Làm cho các động cơ quay tròn
Mọithiết bị có nhữngbộ phậnchuyển động phức tạphơn một lònướng
bánh cánh xòe đều có mộtđộng cơ điện bên trong nó. Và trong khi chúng chochạy
hàng nghìn bộ phận khácnhau, nhưngcác độngcơ điện thật sự chỉ làm có mỗi một
việc –chúng quaytròn hễ khi nào bạn bật nguồn. Vàmọi thứ gắn liềnvới chúng –
như các cánh quạt, bánh xe hoặc chậu giặt quần áo– cũng quay tròn theo.
Sự quay tròn chỉ xảy ra khidòng điện đang chạy –khi cácelectron trong dây
dẫn được tổ chức thànhmột dòngđiện.
Vậy làmthế nào các electronđangchuyển độnglàm cho mộtđộng cơ quay
tròn? Chúng không làm việc đó đâu. Chúnglàmcái gì đó có vẻ phô trươnghơn–
chúng biến dây dẫn thànhnam châm. Và như mọi đứa trẻ lên năm đều biết, nam
châmlà trợ thủ số một làm chocác vật chuyểnđộng.
Tất cả chúng ta đều quenthuộccác namchâm, nhưngrất nhiều người trong
chúng ta không nhận ra các namchâmđó có cáctính chất của chúng từ cái tương
tự như dòng điện đã làm: các electron có tổ chức.
Điện và từ chung sống hòa bình
Mỗielectron giốngnhư một nam châmnhỏ xíu, yếu ớt.Đa số các electron
ghéplại thành cặp, và chúngtriệt tiêu mất từ tính của electron kia.Nhưng một số
chất liệu –như sắt –có một số electronchưa ghép cặpxung quanh các nguyên tử
của chúng.Và nếu bạn có thể làm cho cácelectron chưa ghép cặp đó sắpthẳng
hàng saocho từ trường củachúng đều cùng chiều nhau,thì miếng sắt củabạn đột

ngột là một namchâm. Đó đúnglà cái xảy ra khi bạn dùng một nam châm hút lấy
một cái kimhoặc kẹp giấy – từ trường xungquanh nam châm của bạn hút một số
electronchưa ghép cặp bên trong cái kimsắp thành hàng, nên tấtcả từ trường
mini củachúngcộng lại thành một namchâm cỡ lớn thật sự.
Nhưng bạn cũng có thể làm chobất kì kimloại nào thành một namchâm
nhất thời – mộtnam châm điện –chỉ bằng việc cho một dòng điện chạy qua nó.
Các namchâm điện hoạtđộng được vì điện tích trên một electroncũng có
thể tạo ra mộttừ trường, nhưng chỉ khi nó đangchuyển động.Cho nênhễ khinào
các electrontrong dâydẫn đangchuyển động đồngbộ (tức là hễ khi nào có một
dòngđiện đangchạy),thì dây dẫn trở thành mộtnam châm. Nhưng nó quá yếu để
là một nam châm hữu dụng. Nhưng nếu bạn quấn dây xung quanh một miếngsắt,
thì từ trường yếu xungquanh dây buộccác electron chưaghép cặp trong sắt sắp
thẳnghàng nhau,và toàn bộ từ trường minicủa chúng cộng gộp lại cho kết quả hệt
như một thanhnam châm.
Nhưng không giốngnhư mộtnam châm thường, sợi dây dẫn đó chỉ có từ
tình khi có dòng điện đangchạy– mộtkhi dòng điện ngừng chạy, thì các electron
bên trong dây trở lại tác dụng giốngnhư những ‘loạn quân’ hạ nguyêntử.Và miếng
sắt mà nó quấn xung quanh trở lại là một miếngsắt.
Và chính khả năng củadòng điện biến các dây dẫnthànhnam châm nhất
thời manglại cho chúngta cácđộng 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 namchâmkia ra, bạn đã biết nguyên
lí hoạt động của các động cơ điện. Thật ra, nếu bạn sử dụng đầu bắc của một nam
châmđể đẩy đầu bắc củanam châmkia theo một vòng tròn, thì bạnđang làm công
việc giống hệt như cái động cơ điện thựchiện. Ngoại trừ ở chỗ động cơ không hề
có mộtbàn taykhổnglồ nào dùng namchâm nàyđẩynam châmkia – nó hoạtđộng
trên cơ sở một bộ nam châm trong một cái vòng bao xungquanh vòngdây dẫn.
Khi dòngđiện chạy, vòngdây trở thànhmột namchâm điện. Và các nam
châmxung quanhnamchâmđiện đó đượcbố trí saocho các lựchút vàđẩycủa
chúng làm chonam châmđiện quaytròn liên tụcchođến khi nguồn điện bị ngắt.

Khi ngắt điện thì trò chơi của chúng ta kếtthúc. Không có pinhoặc máy phát
để đẩy chúng, các electron không còn có tổ chức nữa, dâydẫn không còn từ tính
nữa, và chuyển động quaytròn của độngcơ bị treo lại. Cácvan bơm/cánh
quạt/băng chuyền gắnvới độngcơ ngừng hút, thổi và chạy. ‘Sự thần kì’của dòng
điện ngừng lại,và thiết bị củachúng ta chỉ một mớ đồ nhựa và kim loại cho đến khi
chúng ta bật nguồn trở lại.