Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 7) pps

Sóng: Cácnguyên lícủa
Ánh sáng,Điệnvà Từ học
(Phần 7)
Chương 3
Dòng điện – Định luật Ohm và Định luật Joule
Điện năng đã trở thành dạngnănglượng được sử dụng rộngrãi nhất trong
thế giới hiện đại củachúng ta. Nhưng để khai thác điện năng, chúng ta phải biết nó
hoạt động như thế nào trong mộtmạch điện. Với kiến thức đó, các thiết bị và đồ
dùngbằng điện có thể được thiết kế để làm việcan toàn và hiệu quả.
Vào thế kỉ 19,người ta nghĩ dòngđiện là một dòng chảy củanhững điện tích
qua bất kì chất dẫn nào, thí dụ như một sợidây. Ngày nay, chúng ta biết những
điện tíchđó là nhữnghạt nhỏ xíu gọi là electron.Năng lượng điện thật ra là sự
chuyển động của các electron trong mạch điện.
Mạchđiện là đường dẫn qua đó dòng điện có thể chạy. Nó thường làmột loạt
dây dẫn và cácdụngcụ điện nối với một nguồn cấp điện.
Năng lượngđiện trongmạch điệndo nguồn điện cung cấp.Nguồn này có thể
là pin, thiết bị tạo ra năng lượng điện bằng phản ứnghóa học. Hoặc nó cóthể là
máy phát điện tạo ra dòng điện bằng cách cho các dây dẫn chuyển động trong từ
trường. Các côngti điện thương mại sảnxuất điệnbằng những máy phátkhổnglồ
hoạt động bằng sức nước, lò than hoặc dầu, hoặc lò phản ứng hạt nhân.
Nguồn điện, hoặc là máy phát hoặc là pin, tạo ra mộtsuất điệnđộng. Bạn có
thể nghĩ suất điện động là lượng“áp suất”điện gửi dòng điện đi trong mạch. Suất
điện động trong mạch đượcđo bằng đơnvị volt (đặt theotên Alessandrdo Volta,
người phát minhra pin).
Suất điện động thườngđượcgọi là hiệu điện thế, hay đơn giản là thế. Nó chỉ
tạo ra dòng điện khi nào mạch điện nối với cực dươngvà cực âm của nguồn điện là
khépkín.Nếu không, nó chỉ có thế, hoặc khả năng, tạo ra dòng điện. Mộtcục pin 6
volt có 6 volt điện thế cho dù nó cónối hay khôngnối với một mạch điện.
Lượngđiện tích chạy quamạch điện được gọilà dòng điện. Nó được đo bằng
ampere (theo tên André-MarieAmpère, một nhàkhoa học khác đã nghiên cứu
dòngđiện). Ampere đo số electronchạy qua mạch điện trong mỗi giây.

Hãy nhớ rằng dòngđiện và điện áp là haithứ khác nhau. Cóthể có một dòng
điện lớnchạy trong mạch ở mức điện ápthấp, hoặc một dòng điện nhỏ chạyở điện
áp rất cao. Điệnápthìđo lực điện, còn ampere thì đo tổng điện lượng chạy trong
mạchđiện.
Khi dòngđiện chạytrong mạch điện,nó gặp phải sự cảntrở. Điện trở là bất
kì cái gì đó ngăn cấm hoặc cảntrở dòng chảycủađiện trong mạch. Điện trở trong
mạchbiếnmộtphần năng lượng điện thành nhiệt lượng.Điện trở được đo theo
ohm (theotên GeorgeOhm, người chúngta sẽ nói tới ngay ở phần sau).
Mọithứ trong mạch điện, kể cả dây dẫn, đều phát sinh điện trở.Lượng điện
trở trong một mạch điện phụ thuộc vào bốn yếu tố: chiều dài của mạch, bề dày của
dây dẫn và những chất dẫn khác trongmạch, loại chất liệu cấu tạo nên dây, và
nhiệt độ của mạch.
Một số dây dẫn, như dây đồng hoặc dây bạc, có điện trở rất nhỏ. Chúng dẫn
điện khátốt. Rất ít năng lượng điện đi quadây đồng bị chuyển hóa thành nhiệt do
điện trở.Đó là nguyên do đồngthường đượcdùng trongmạch điện. Những chất
khác có điện trở lớn hơn. Thí dụ, dây Nichrome,cấu tạo từ hợp chất của nickel và
chromium,có điện trở rất lớn. Nótrở nênrất nóng khidòng điệnđi qua nó. Vì lí do
này, Nichrome thường được dùng làm bộ phận nungnóng tronglò nướng hoặc
máy sấy tóc.
Một số chất liệu,như thủytinh và caosu, có điện trở quá lớn nêndòng điện
chẳng thể chạy quachúng. Những chất liệu như thế này đượcgọi là chất cách điện.
Sợi dây càng dài thì điệntrở củanó càng lớn.Và dây càngdày thì điện trở
của nócàngnhỏ. Giốngnhư nước chảyqua một cái ốnglớn, dòng điện chạy qua vật
dẫn dày thuận lợi hơn.
Nhiệt độ của mộtchất cũng ảnhhưởng đếnđiện trở của nó. Trong đa số
trường hợp, điện trở tăng khi nhiệt độ tăng.Nhưng quy luật này có ngoại lệ.
Để hiểu rõ chuyển độngcủa dòng điện trong một mạch điện, hãy hình dung
sự tươngđồng giữamột mạchđiện vàhệ thống ốngdẫnnước. Trong hệ thống
nước, nước bị buộc chảy quacác ốngdomáy bơm. Máy bơmđó tương ứngvới
máy phát điện hoặc pintrong mạch điện. Máy bơm tạo raáp lực buộc nước chuyển

độngtrong hệ. Áp lực này tương đương với suất điện động, hayđiện áp.Lượng
nước chảy trongcác ống tươngứng với lượngđiện chạytrong mạchđiện.
Điện trở tương đươngvới ma sát (sự cọ xát) trong các ống dẫnnước. Máy
bơm phải kháng ma sát này để cho nước chuyển động. Khi hai chấtcọ xát lên nhau,
sự masát sinh ra nhiệt. Giốngnhư masát, điệntrở trong mạch điện tạo ra nhiệt.
Ống dẫn càng lớn cho phép nướcchảy càng dễ, trong khi ốngnhỏ cóma sát cản trở
dòngnước lớn hơn.Dây dày có điện trở nhỏ hơn dây mỏng.
Một mạch điện có nhiều cái giống với một hệ thống dẫn nước khép kín.
Vào đầu thế kỉ 19,nhà vật lí người Đức Georg Ohmđã nghiên cứu sự hoạt
độngcủa mạch điện. Ông muốn biếtđiện trở và điện ápảnhhưởng như thế nào
đến dòngđiện chạy trong dây.Ohm nhận thấy khi ông tăng điện áp trong mạch lên,
thì dòng điện cũng tăng theo,miễn là những thứ kháctrong mạch giữ nguyên
khôngđổi. Giả sử chúng ta có mộtmạch điện 10 voltvới dòngđiện 1 amperechạy
qua nó. Nếu chúngta tăng gấp đôi điện áp của mạch lên20 volt, thì chúng ta sẽ có
dòngđiện tăng gấp đôi lên 2 ampere.
Ohmcòn phát hiệnthấy dòng điện trong mạch giảm đi khiông tăng điện trở
trong mạch. Kết quả là chỉ cómột nửa ampere dòng điện chạy qua mạch.
Năm 1827,Ohm cho công bố những kết quả của ông. Những khám phá này
ngày nay gọi là định luật Ohm. Định luật Ohmđược phát biểu như sau: Dòng điện
trong một mạchđiện tỉ lệ thuận với suất điện động (điện áp) và tỉ lệ nghịch với
điện trở.
Hãy nghĩ tới sự so sánh củachúng ta giữadòng điện và dòng nước chảy một
lần nữa. Lượngnước chảy qua một cái ống phụ thuộcvàoáp suất của nước và kích
cỡ củaống. Nếu máy bơmtăng áp suất (áp suấtcao giống với điện áp cao),thì
nước sẽ chảy qua ốngnhiềuhơn. Nếu cái ống có tiết diệnmỏng hơn (ống mỏng
hơntươngđươngvới điệntrở lớn hơn), thìnước chảy quanó ít hơn. Định luật
Ohmchochúngta biết cái rất giốngnhư vậy xảyra với dòng điện. Lượngđiện chạy
trong một mạchphụ thuộc vào điện áp (“áp suất” điện) và điện trở của mạch.
Về mặt toánhọc, định luật Ohm được viết như sau:
dòng điện = điện áp / điện trở hay I = E / R

Trongphương trìnhnày, I kí hiệu cho cườngđộ dòng điện, đotheo
ampere. E kí hiệu cho suất điện động, hayđiện áp, của mạch. R kí hiệucho điện trở.
Chú ý rằng cường độ dòng điện (I) đượcbiểu diễn theo phânsố.Nếu chúng
ta tăng điện áp(E) thì tử số của phân số lớn hơn. Cho nên giá trị của cả phân số lớn
hơn. Điện áp lớn hơn trong mạch mang lại dòng điện lớn hơn.
Nhưng khichúng ta tăng điện trở (R), thì mẫu số của phânsố trở nên lớn
hơn. Điều đó làmcho giá trị của phân số nhỏ đi. Điện trở lớn hơntrong mạchmang
lại dòng điện nhỏ hơn.
Địnhluật Ohm cho chúng tabiết rằng khi córất nhiềuđiện trở thì dòngđiện
sẽ chạy rất ít. Nếu có điện trở nhỏ, thì dòng điện sẽ chạy nhiều hơn. Điều đó giải
thích tại sao người ta cảmnhận những cú sốc điện nguy hiểm nhất khida của họ bị
ướt.
Da khô là vật dẫn điện không tốt. Nó có điện trở lớn. Cho nên khi một người
có da khô bất ngờ chạm tay vào dây dẫn và khép kín mạch điện, thì dòng điện chạy
qua cơ thể không lớn lắm. Lượng điện đó có ít nguyhiểm.Nhưng nếu một người
đang bị ướt, đặc biệt khi người đó đang tiếp xúcvới một vậtdẫn tốt như nước hoặc
kim loại, thìđiện trở nhỏ hơnnhiều lần.Người đó trở thànhmộtvậtdẫn tốt hơn
nhiều, chonên dòng điện chạy qua cơ thể lớnhơn, gây ra mộtcú sốc nguy hiểm.
Một vài năm saukhiGeorgOhm thực hiện khám phá của ông,nhà vật lí
người Anh JamesJoule đã tự tiến hànhnghiên cứu xem điện năng hoạt động như
thế nào. Joule quantâm đến việc làm thế nào một dạng năng lượng này có thể
chuyển hóa thànhmột dạng năng lượngkhác. Mộttrong những sự biến đổi mà ông
nghiêncứu là sự chuyển hóa điện năngthành nhiệt.
Công suất là lượng năng lượngphân phối trong mỗi đơnvị thời gian. Công
suất điện đo bằngwatt (theo tên JamesWatt, nhàphát minhra động cơ hơi nước).
Joule đã đo công suất do mạch điện phân phối bằng cách khảo sátlượngnhiệt mà
chúng sinhra trongmộtlượng thời giannhất định. Phần lớn công suất điện trong
nhà của chúngta được sử dụng theo kiểu tương tự - sinhnhiệt để sưởi ấmhoặc để
nấu chínthức ăn.
Joule nhận thấy công suất trong mộtmạch điện phụ thuộc vào haiyếu tố:

điện áp của mạchvà dòngđiện chạy trongnó. Dòngđiện chạy trong mạch càng lớn
thì công suất mà nó phânphối càng nhiều. Và mạch có điện áp càng lớn thì công
suất mà nó phân phối cànglớn. Công suất do mộtmạch điện sinhra có thể tính
bằngcách nhân điệnáp với cườngđộ dòng điện:
công suất= điện áp × cườngđộ dòng điện hay H = E × I
Quytắc nàyđược gọi làđịnh luật Joule.Định luật Joule cho chúng ta biết rằng
nếu tăng điện áphoặc cường độ dòng điện trong mạch,thì công suất do mạchphân
phốisẽ tăng lên.
Toàn bộ những thiết bị điện chúng ta cắm vàomạch điện gia dụng đềusử
dụngđiện năng để thực hiện công. Chúng biếnđổi năng lượng điện thành nhiệt,
ánh sáng hoặc chuyển động. Các thiết bị đều đưa thêm điện trở vào trongmạch.
Chínhđiện trở của dây quấn của lò điện sinh rađiện để nướng bánhmì của chúng
ta hoặc rán thịtgà cho buổi tối. Điệntrở cóchủ tâm nàytrong mạch đượcgọi là tải.
Các động cơ điện trong máy cạorâu, máy giặtquần áo, và máy hút bụiđềucó
điện trở.Chúng đặt mộttải tăngdần lên mạch điện khichúng đang hoạt động. Nếu
bạn đặt tay bạn ở gần độngcơ điện củabất kì thiết bị nào, bạn sẽ có thể cảm nhận
nhiệt dođiện trở củanó sinh ra.
Trongmạch điện gia dụng thôngthường, điện áp luôn luôn giữ ổn định–
110 hoặc 220 volt. Nhưngcôngti điện sẽ cung cấp cho hộ tiêu thụ lượngdòng điện
đủ chohộ sử dụng. Cho nên khi chúngta cần công suấtlớnhơn để chạy các thiết bị
của mình, thì dòng điện trongmạch tănglên. Trong nhà củachúng ta, khi chúng ta
sử dụng điệncông suất lớn hơn, thì chúng ta có nhiều ampere dòngđiện hơnchạy
trong mạch điện của mình.
Địnhluật Joule giải thích tạisao một lò sưởiđiện lại tốn kém hơn một lò
nướng bánh. Lò sưởi điệncần tạo ra nhiệt lượng lớn hơn so với lònướng bánh.
Cho nên lò sưởi sử dụng dòngđiện lớn hơn lò nướngbánh. Dòng điện lớn hơn
chạyqua thiết bị chocông suất lớn hơn, haynhiệt sinhra nhiều hơn. Nhưngchúng
ta phải trả tiền năng lượngcho công ti điện.Côngsuất chúng ta dùng cànglớn thì
chúng ta phảitrả tiền càng nhiều.
Địnhluật Joule cũnggiải thích tại sao chúng ta lắp cầu chì hoặc cầu dao tự

độngvào mạch điện trongnhà mình.Khi chúng ta làm mạch điện quá tải với quá
nhiều thiết bị,thì các dây dẫnphải mang dòngđiện rất lớn. Dây dẫn có một phần
điện trở đối với dòng điện, và điện trở thìsinh ranhiệt.Dòngđiện lớn chạy trong
dây thìnhiệtsinhra càng nhiều. Nếu các dây dẫnquá nóng, chúng có thể dễ dàng
bắt lửa.
“Sự ngắn mạch”xảy ra khi haidây dẫn trongmạch chạmnhau mà không có
thiết bị tiêu thụ nào trong mạch. Hiện tượngđó có thể xảy ranếunhư lớp cách
điện bên ngoài dây bị nóng chảy hoặc tróc vỏ. Không có điện trở của thiết bị tiêu
thụ trong mạch, một dòng điện lớn sẽ dễ dàng chạy qua dây. Toàn bộ dòng điện đó
còn cóthể sinhđủ nhiệt trong các dây để bắt đầucháy.
May thay,mỗi mạch điện gia dụng còncólắp cầu chì hoặc cầu dao tự động.
Cầu chì hoạt độnggiống như bất kì mẩu dây dẫn nào khác trong mạch điện. Chúng
dẫn điện là mộtphần của mạch điện, vàchúng có một phần điện trở. Chúngcàng
nónglênkhi dòng điện chạy qua chúngcàng lớn. Nhưngcầu chì được thiết kế để
tan chảy khi códòng điện quá lớn chạy qua chúng. Khicầu chì tan chảy, nó ngắt
mạchđiện. Không còn dòng điện nào chạynữa. Sự ngắt mạch như thế làm kết thúc
tình trạng quátải điện, nếu không thì nhiệt sinh ra đủ nóng để gây cháy nổ. Cầu
dao tự động có vaitrò bảo vệ mạch tương tự như vậy, nhưng khôngcần phải thay
chúng saumỗi lần “bật”.
Mỗikhi bạn bật bóng đèn lên, hoặc nướngbánh mì, hoặc là cáiáo sơ mi, thì
những khám phá của GeorgOhm, JamesJoule và những đồngnghiệp của họ lại
đang phát huy tác dụng trước bạn. Việc hiểu rõ địnhluật Ohm, địnhluật Joule và
những định luậtkhác của mạch điện cho phép các kĩ thuật viên vàkĩ sư điện xây
dựng thế giới điện khí hóa của chúngta an toàn và hiệu quả.
Ngày nay,các nhà khoahọc hiểu rất rõ sự hoạt động của dòngđiện. Nhưng
vẫn cónhiều thứ cần tìm hiểu thêm về vũ trụ. Chúngta vẫn phải học hỏi nhiều về
các ngôisaovà hành tinh,về nguyên tử, và sự kì diệu của sự sống. Vẫn còn những
định luật cần khám phá và những bíẩn cần giảithích. Có lẽ một ngày nào đó bạn sẽ
có thể ghi thêm tên của mìnhvào danhsách những nhà khoahọc đã giúp khám phá
ra những bí ẩncủa vũ trụ.