DÒNG ÐIỆN MỘT CHIỀU

DÒNG ÐIỆN MỘT CHIỀU

I. DÒNG ÐIỆN
1. Ðại cương về dòng điện.
TOP
a) Trong các chương trước, ta đã xét những vấn đề cơ bản của tĩnh điện. Sau đây ta sẽ
nghiên cứu những hiện tượng và những quá trình có liên hệ tới chuyển động của các điện tích,
chúng hợp thành một phần học riêng về điện-phần điện động lực học.
Các hiện tượng tĩnh điện thực ra cũng có kèm theo chuyển động của các điện tích nguyên
tố. Tuy nhiên, những chuyển động này hoặc là không ảnh hưởng đến trường tĩnh điện tạo ra bởi
các điện tích vĩ mô (chẳng hạn như dao động nhiệt của các ion trong mạng tinh thể của vật dẫn kim
loại tích điện), hoặc là chỉ tồn tại rất ngắn trong lúc chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng
thái khác (chẳng hạn như lúc phân phối lại các êlectron tự do khi xảy ra hưởng ứng tĩnh điện hoặc
khi nối vật dẫn tích điện với đất). Vì tĩnh điện học là phần nghiên cứu về những hiện tượng điện
liên quan đến sự cân bằng của các điện tích tự do, cho nên ta đã không xét đến những quá trình
chuyển động kể trên.
b) Ðiện động lực học là phần nghiên cứu về các hiện tượng liên quan đến dòng điện. Sự
chuyển dịch có hướng của các điện tích tạo ra dòng điện. Dòng điện phát sinh trong một môi
trường khi trong đó có các hạt mang điện tự do và điện trường, gọi là dòng điện dẫn (từ nay về sau
ta gọi tắt là dòng điện). Ở trong các vật dẫn vốn có sẵn các điện tích tự do (như các êlectron tự do
trong kim loại, các ion dương và âm trong các chất điện phân), vì thế điều kiện để có dòng điện
trong vật dẫn là cần có điện trường trong vật dẫn. Ở trong chân không và trong các chất điện môi
(chất khí chẳng hạn) vốn không có sẵn các điện tích tự do, nên để có dòng điện trong các môi
trường đó ngoài sự tồn tại điện trường còn phải tạo ra các hạt mang điện tự do.
Kết quả này dẫn đến sự phát sinh điện trường bên trong vật dẫn, vì điện trường bên trong vật dẫn
chỉ bằng không khí có sự phân bố cân bằng điện tích trên mặt vật dẫn. Dòng điện tiếp tục cho đến
khi mọi điểm của vật dẫn có điện thế như nhau. Như vậy, trong vật dẫn có trường tĩnh điện (trường
lực Coulomb) được tạo nên bởi các êlectron có dư (tích trên vật B) và các ion dương (tích trên vật
A). Do lực coulomb giữa các điện tích luôn luôn có xu hướng làm cân bằng điện thế ở các điểm,
làm cho điện thế ở mọi điểm trong vật dẫn trở nên bằng nhau, vì thế trường lực Coulomb không
thể duy trì dòng điện lâu dài được. Ðể duy trì dòng điện, cần duy trì điện trường bên trong vật dẫn.

Vì năng lượng của điện trường này bị tiêu hao trong quá trình dịch chuyển điện tích, cho nên năng
lượng này phải luôn luôn được bổ sung. Như vậy cần một cơ cấu như thế nào đó để biến đổi một
dạng năng lượng khác (như hóa năng chẳng hạn) thành năng lượng điện trường. Cơ cấu như vậy
được gọi là suất điện động hay nguồn điện. Vì vậy, để có dòng điện, ta cần nối vật dẫn với các cực
của nguồn điện, chẳng hạn, với các cực của một pin, một ắc qui.
d) Dưới tác dụng của điện trường trong vật dẫn, các điện tích tự do dương và âm chuyển
động ngược chiều nhau. Thí nghiệm chứng tỏ rằng sự chuyển động về hai hướng ngược nhau của
các điện tích dương và âm tạo ra những dòng điện tương đương nhau về mọi phương diện. Do đó,
ta có thể lí luận như thể là dòng điện chỉ được gây bởi sự dịch chuyển của một loại điện tích, và
người ta đã qui ước chiều dòng điện là chiều dịch chuyển của các điện tích dương. Như thế thì
chiều dòng điện trong kim loại ngược với chiều chuyển động của êlectron tự do.
2. Véctơ mật độ dòng điện và cường độ dòng điện
TOP
Những đường mà dọc theo đó các hạt tích điện chuyển động gọi là đường dòng. Chiều của
đường dòng được qui ước là chiều chuyển động của các hạt tích điện dương. Nhờ các đường dòng,
chúng ta có khái niệm trực quan về chuyển động của các êlectron và ion tạo nên dòng điện.
Ðể đặc trưng định lượng dòng điện người ta dùng hai đại lượng cơ bản, mật độ dòng điện
và cường độ dòng điện
Mật độ dòng điện có giá trị bằng điện lượng chuyển qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc
với đường dòng trong một đơn vị thời gian.
Chúng ta hãy xét xem mật độ dòng điện phụ thuộc vào các yếu tố nào?

trong đó q là điện lượng chuyển qua tiết diện của vật dẫn trong khoảng thời gian t.
Ðơn vị cường độ dòng điện trong hệ SI là Ampe (A). Nếu trong công thức (13.4) ta lấy q =
1C, t =1s thì I=1A. Vậy Ampe là cường độ của một dòng điện không đổi sao cho cứ mỗi giây có
một điện lượng 1 Coulomb đi qua dây dẫn.
1 Ampe (A) = 1 Coulomb (C) / 1 giây (s)
Ðơn vị mật độ dòng điện là A/m2. Ðể xác định đơn vị mật độ dòng điện ta có thể dựa vào
công thức (13.3).
Từ công thức (13.3) ta tìm được điện lượng toàn phần tải qua một tiết diện S của vật dẫn

trong thời gian t.
3 Tác dụng của dòng điện
TOP
Chuyển động của các êlectron và ion không thể trực tiếp thấy được. Tuy nhiên có thể căn
cứ vào các hiện tượng do dòng điện gây ra để đoán nhận về sự tồn tại của dòng điện và cường độ
của nó. Bất cứ dòng điện nào cũng gây ra từ trường trong khoảng không gian xung quanh nó. Ðó là
tác dụng từ của dòng điện. Thí nghiệm chứng tỏ rằng tác dụng từ là dấu hiệu tổng quát nhất của
dòng điện và người ta quan sát được tác dụng từ trong mọi trường hợp khác nhau của dòng điện,
không phụ thuộc bản chất vật dẫn. Khi dòng điện truyền qua chất điện phân lỏng thì chất này bị
phân tích. Ðó là tác dụng hoá của dòng điện. Khi dòng điện truyền qua vật dẫn thì làm nóng vật
dẫn. Ðó là tác dụng nhiệt của dòng điện.
4. Ðo cường độ dòng điện
TOP
Nếu ta gắn một kim chỉ thị vào ròng rọc 5 thì kim này sẽ quay một góc nào đó. Nếu trên
thang chia độ của điện kế đã vạch sẵn những số chỉ theo ampe thì điện kế được gọi là ampe kế.
Trong thực tế người ta hay dùng các miliampe kế. Ðó là những điện kế được chia độ theo miliampe
(10-3 A). Ðể đo cường độ dòng điện trong một đoạn mạch, người ta mắc ampe kế nối tiếp vào
đoạn mạch đó.
II. ÐỊNH LUẬT OHM CHO MỘT ÐOẠN MẠCH ÐỒNG CHẤT - ÐIỆN TRỞ.
1 Ðịnh luật Ohm cho đoạn mạch đồng chất
TOP
1. Nếu trạng thái của vật dẫn đồng chất không biến đổi (chẳng hạn, nhiệt độ của nó không
đổi) thì đối với mỗi vật dẫn, thí nghiệm chứng tỏ có một sự phụ thuộc đơn giá giữa hiệu điện thế U
ở hai đầu vật dẫn và cường độ dòng điện I qua nó:
Ðộ dẫn điện và điện trở phụ thuộc vào chất làm vật dẫn, vào kích thước và hình dạng cũng
như vào trạng thái của vật dẫn.
Thay (13.8) vào (13.7) ta được:
Ohm (người Ðức) đã thiết lập công thức (13.7) bằng thực nghiệm, nên biểu thức (13.7) gọi
là định luật Ohm cho đoạn mạch đồng chất.
2. Ðiện trở

TOP
Từ (13.9) ta có thể tìm được điện trở R của một vật dẫn bằng công thức:
Vật dẫn có đặc điểm dẫn điện như vậy, gọi là vật dẫn tuân theo định luật Ohm. Ðường đặc
trưng Volt-Ampère của loại vật dẫn này là đường thẳng (Hình 13.5)
Cần lưu ý rằng mặc dù (13.10) được suy ra từ định luật Ohm (13.7), nhưng nó chứa đựng
một nội dung mới, vượt quá khuôn khổ của định luật Ohm. Ta dùng (13.10) với tính cách là một
công thức định nghĩa điện trở cho mọi môi trường (chẳng hạn chân không hay chất khí). Như vậy
trong trường hợp tổng quát, I không phụ thuộc tuyến tính vào U, và điện trở của môi trường, không
phải là hằng số. Ðường đặc trưng Volt-Ampère của những môi trường như vậy nói chung là những
đường cong.
Trong hệ SI, đơn vị điện trở là Ohm ((). Ohm là điện trở của một vật dẫn sao cho khi hai
đầu vật dẫn có hiệu điện thế không đổi 1 Vol thì trong vật dẫn có dòng điện cường độ 1 ampe chạy
qua:
1 Ohm (Ω)= 1Vol (V) / 1 ampe (A)
3 Ðiện trở của vật dẫn hình trụ, đồng chất
TOP
Trên đây, ta đã nói rằng điện trở của vật dẫn phụ thuộc hình dạng, kích thước và bản chất
của nó. Sự phụ thuộc này đặc biệt đơn giản nếu vật dẫn là đồng chất và có dạng hình trụ, tiết diện
ngang đều, khi đó:
4. Ðiện trở phụ thuộc nhiệt độ.
TOP
Ðiện trở suất của một chất phụ thuộc vào trạng thái của nó, cụ thể là nhiệt độ. Sự phụ thuộc
của điện trở suất vào nhiệt độ đặc trưng bằng hệ số nhiệt điện trở của vật liệu.
Chúng ta nên chú ý đến một số hợp kim có hệ số nhiệt điện trở ( rất nhỏ, như Công xtan và
Manganin. Ðiện trở của chúng hầu như không phụ thuộc nhiệt độ. Người ta dùng những hợp kim
ấy để làm các điện trở mẫu mà giá trị ít bị thay đổi bởi nhiệt độ.
Sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ được dùng vào những thiết bị đo lường và
thiết bị tự động. Nhiệt kế điện trở là một trong những ứng dụng đó. Trong nhiệt kế điện trở, người
ta đo điện trở của nhiệt kế rồi suy ra nhiệt độ của nó.
5. Ðo hiệu điện thế bằng điện kế.

TOP
Như vậy, để đo hiệu điện thế ở hai đầu a và b của một đoạn mạch điện, ta cần mắc vol kế
song song với đoạn mạch đó. Muốn cho cường độ dòng điện và hiệu điện thế trên đoạn mạch cần
đo không bị thay đổi nhiều khi ta mắc vol kế vào mạch, thì dòng điện I qua vol kế phải nhỏ so với
dòng điện trong mạch, nghĩa là điện trở g của vol kế phải lớn so với điện trở R của đoạn mạch ab.
6. Dạng vi phân của định luật Ohm.
TOP
Ðịnh luật Ohm (13.9) và công thức (13.11) cho phép ta tìm cường độ dòng điện trong các vật
dẫn hình trụ và nói chung trong mọi trường hợp khi ống dòng có dạng hình trụ, tiết diện không
đổi. Tuy nhiên, có những trường hợp phải tính điện trở và cường độ dòng điện trong các môi
trường trong đó ống dòng không có dạng hình trụ. Khi đó ta phải áp dụng định luật Ohm viết dưới
dạng vi phân.