Dòng Điện

Như chúng ta đã biết hiện nay có 2 dòng điện chính đang được con người sử dụng đó là điện một chiều và điện xoay chiều. Tuy nhiên việc nó di chuyển như thế nào trong mạch điện lại là điều mà không nhiều người biết đến. Điều này dẫn đến những tai nạn về điện trong quá trình sử dụng như giật điện, cháy nổ, chập điện,…Hôm nay chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về vấn đề này.

Dòng điện di chuyển như thế nào trong mạch điện?

Dưới đây là những ý kiến đã được chúng tôi tổng hợp được một cách dễ hiểu nhất về sự di chuyển của dòng điện trong mạch điện như thế nào để các bạn tiện theo dõi.

  • Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều chuyển động của các điện tích theo một hướng nhất định, không thay đổi theo thời gian. Các loại pin, ắc quy là các dòng điện một chiều.
  • Dòng điện xoay chiều là loại dòng điện mà chúng thay đổi chiều chuyển động của các điện tích một cách liên tục theo thời gian. Ví dụ lưới điện dân dụng ở Việt Nam thường sử dụng dòng điện xoay chiều có tần số 50 Hz, có nghĩa là trong một giây nó thay đổi chu kỳ 50 lần, chiều của nó đảo đi đảo lại 100 lần.

Bất kỳ một dòng điện nào cũng đều có một sự chuyển động khép kín theo một vòng tròn. Chúng không thể chạy ra khỏi cái vòng tròn đó. Ví dụ một quả pin mà ta thường thấy thì dòng điện xuất phát bên trong quả pin, chạy đến cực dương, rồi đi qua mạch tiêu thụ (bóng đèn, đài, điều khiển, điện thoại…bất kỳ cái gì dùng pin) rồi đi về cực âm, vào bên trong quả pin đó để hoàn thành một quá trình chuyển hoá thành điện năng. (Tất nhiên rằng đây là cách nói dễ hiểu chứ thực ra thì dòng điện đi trong các dây dẫn kim loại thì lại là sự chuyển dời của các điện tích (electron) và điện tích đi ra từ cực âm rồi di chuyển qua tải – về cực dương).

Đối với các loại điện được sử dụng trong thiết bị dân dụng, bạn có thể nhận thấy dòng điện được xuất phát từ biến thế hạ áp ở các trạm phân phối điện, đi qua dây dẫn đến nhà bạn, qua các thiết bị điện mà bạn sử dụng rồi lại quay trở lại bằng dây dẫn thứ hai song song với nó, trở lại máy biến áp. Do tính chất xoay chiều nên nó đổi chiều liên tục.

Vậy thì có bao giờ dòng điện đi không khép kín hay không? Chưa bao giờ! Bởi vì nếu bạn có nhận ra ở một trường hợp nào đó ở trong dân dụng có dòng điện đi không theo trường hợp khép kín thì đó hoặc là các trường hợp rất đặc biệt (ví dụ như tụ điện sau quá trình tích điện được phóng điện khi có dây nối hoặc phóng thủng qua lớp điện môi, hoặc các trường hợp đặc biệt khác như sét…).

Tại sao lại bị điện giật ?

Ở trên bạn đã thấy rằng chỉ khi có một dòng điện chạy qua cơ thể người thì mới bị điện giật, mà dòng điện lại đi theo một mạch điện kín, như vậy thì tại sao người sờ vào một cực nào đó thì lại bị điện giật? Lúc này dòng điện chạy qua cơ thể người có tạo ra một mạch điện kín hay không? Có mâu thuẫn với điều trên không?

Bạn hãy nhìn vào hình minh họa bên sẽ nhận thấy rằng dòng điện được xuất phát từ nguồn đi đến thiết bị và nếu sự cách điện ở đâu đó bên trong thiết bị là không tốt thì sẽ xảy ra hiện tượng xuất hiện điện ở vỏ thiết bị. Khi người sử dụng sờ vào và sẽ bị giật. Điều này không cần chứng minh bởi vì nhiều người đã gặp rồi đối với các thiết bị điện bị rò rỉ điện, hoặc ngay như bạn sờ vào chiếc vỏ máy tính của bạn – tuy không giật mạnh nhưng có thể nó cũng tê tê.

Nhưng vì sao lại như thế. Đó là bởi vì hệ thống điện dân dụng luôn sử dụng một cực được nối với đất, do đó cực còn lại luôn luôn có một hiệu điện thế so với “đất”, và như vậy thì dòng điện đã truyền thông qua người để xuống “đất” để tạo ra một mạch điện khép kín.

Vậy bạn có thể thấy khó hiểu đối với một số trường hợp khác thường hay không?

Có bao giờ nhìn thấy các con chim đậu trên các dây điện (không được bọc vỏ bảo vệ) hay không? Có! Ai đó đã giải thích rằng vì chân nó có sừng nên cách điện, nên nó đã không bị giật. Chưa đúng! Con chim đã không bị giật bởi vì không có dòng điện đi qua nó vì nó không tạo thành một mạch điện khép kín – bởi điện đi vào con chim rồi nó đi đâu? thế nên không có dòng điện (thực tế có một dòng rất nhỏ bởi các yếu tố khác, nhưng giải thích điều đó thì rất phức tạp nên tôi coi không có dòng điện).

Không giống như con chim, một số người thán phục một người nào đó đứng trên thang khô, ghế đẩu bằng gỗ…rồi cứ dùng tay “nối sống” điện. Người này đã biết được nguyên lý của dòng điện nên đã khéo léo thao tác với sự sờ tay vào dây điện đang có điện mà không bị giật. Nhưng bạn đừng thực hiện điều này nếu không hiểu biết – bởi có thể bạn sẽ trở thành vật dẫn điện từ tay phải sang tay trái – và nó giật đấy.

Có thể tới đây các bạn đã ngộ ra được nhiều điều mới lạ về dòng điện rồi đúng không nào. Điện là thứ không thể thiếu trong cuộc sống hiện nay. Hiểu rõ về nó bạn sẽ cực kì có lợi trong quá trình sử dụng của mình. Chúc các bạn có được những kiến thức bổ ích cho mình trong việc phòng chống giật điện.

Dòng điện là dòng chuyển dịch có hướng của các hạt mang điện. Trong các mạch điện, dòng điện tạo ra do sự chuyển dịch của các electron dọc theo dây dẫn. Ngoài ra, hạt mang điện cũng có thể là các ion hoặc chất điện ly. Trong trường hợp plasma thì cả ion và electron đều đóng vai trò này.[1]

Quy ước

Dòng điện được qui ước là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích dương. Khi đó trong mạch điện có dây dẫn kim loại, electron là các hạt mang điện, dòng electron có độ lớn bằng với độ lớn của dòng diện và có chiều ngược với chiều của dòng điện trong mạch.

Trong vật liệu dẫn, các hạt tích điện có khả năng dịch chuyển tạo ra dòng điện được gọi là các hạt mang điện. Trong kim loại, chất dẫn điện phổ biến nhất, các hạt nhân tích điện dương không thể dịch chuyển, chỉ có các electron tích điện âm có khả năng di chuyển tự do trong vùng dẫn, do đó, trong kim loại các electron là các hạt mang điện. Trong các vật liệu dẫn khác, ví dụ như các chất bán dẫn, hạt mang điện có thể tích điện dương hay âm phụ thuộc vào chất pha. Hạt mang điện âm và dương có thể cùng lúc xuất hiện trong vật liệu, ví dụ như trong dung dịch điện ly ở các pin điện hóa.

Dòng điệnđược quy ước là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích dương, chính vì thế, trong mạch điện với dây dẫn kim loại, các electron tích điện âm dịch chuyển ngược chiều với chiều của dòng điện trong dây dẫn.

Hướng tham chiếu

Do dòng điện trong dây dẫn có thể dịch chuyển theo bất kì chiều nào, khi có 1 dòng điện I {\displaystyle I} trong mạch, hướng của dòng điện qui ước cần được đánh dấu, thường là bằng mũi tên trên sơ đồ mạch điện. Đây gọi là hướng tham chiếu của dòng điện I {\displaystyle I} , nếu dòng điện di chuyển ngược hướng tham chiếu, thì I {\displaystyle I} có giá trị âm.

Khi phân tích dòng điện, hướng thực tế của dòng điện qua một thành phần của mạch điện thường chưa biết. Chính vì thế, hướng tham chiếu cần được nêu rõ. Khi một mạch điện đã được đánh dấu hoàn thiện, giá trị âm có nghĩa dòng điện thực tế ngược với hướng của dòng tham chiếu. Trong mạch điện, hướng tham chiếu thường được chọn là hướng nối đất. Đa phần các trường hợp thì nó đúng với hướng di chuyển thực tế của dòng điện trong mạch, vì hầu hết các mạch điện, điện thế áp vào mạch là dương so với đất.

Cường độ dòng điện

Cường độ dòng điệnqua một bề mặt được định nghĩa là lượng điện tích di chuyển qua bề mặt đó trong một đơn vị thời gian. Nó thường được ký hiệu bằng chữ I, từ chữ tiếng Pháp Intensité, nghĩa là cường độ. Trong hệ SI, cường độ dòng điện có đơn vị ampe.

I = Q t = ( q 1 + q 2 + q 3 + . . . + q n ) / t {\displaystyle I={\frac {Q}{t}}=(q_{1}+q_{2}+q_{3}+…+q_{n})/t}

Cường độ dòng điện trung bình trong một khoảng thời gian được định nghĩa bằng thương số giữa điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian đó và khoảng thời gian đang xét.

I t b = Δ Q Δ t {\displaystyle I_{tb}={\Delta Q \over \Delta t}}

Trong đó,

  • I tb là cường độ dòng điện trung bình, đơn vị là A ( ampe)
  • ΔQ là điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian Δt, đơn vị là C (coulomb)
  • Δt là khoảng thời gian được xét, đơn vị là s (giây)

Khi khoảng thời gian được xét vô cùng nhỏ, ta có cường độ dòng điện tức thời:

I = d Q d t {\displaystyle I={dQ \over dt}}

Ví dụ

  • Sét là một dòng điện mạnh, gồm các ion hay electron di chuyển bởi lực Culông giữa các đám mây mang điện trái dấu, hoặc giữa đám mây tích điện và mặt đất,
  • Gió Mặt Trời, là các điện tích bay ra từ Mặt Trời, khi rơi vào khí quyển Trái Đất có thể gây ra hiện tượng cực quang.
  • Dòng di chuyển của các electron trong dây kim loại khi nối giữa hai điện cực của một pin.
  • Trong điện tử học, dòng điện có thể là dòng chuyển động của electron trong dây dẫn điện kim loại, trong các điện trở, hay là dòng chuyển động của các ion trong pin, hay dòng chảy của các hố điện tử trong vật liệu bán dẫn.
  • Trong plasma, các electron, ion âm và dương có thể di chuyển tự do, và sẽ di chuyển thành dòng, khi nằm trong điện trường
  • Trong dung dịch điện phân, các ion âm và dương có thể di chuyển giữa hai điện cực.
  • Trong nước đá hay một số chất rắn điện phân, các proton có thể di chuyển thành dòng điện.

Dòng điện quy ước

Dòng điện quy ước, vì lý do lịch sử, là dòng chuyển động tương đương của các điện tích dương. Nó được đưa ra để thống nhất quy ước về chiều dòng điện (chiều chuyển động của các điện tích dương) trong các trường hợp phức tạp như:

  • Trong kim loại, thực tế các proton (tích điện dương) chỉ có các dao động tại chỗ, còn các electron (tích điện âm) chuyển động. Chiều chuyển động của electron, do đó, ngược với chiều dòng điện quy ước.
  • Trong một số môi trường dẫn điện (ví dụ trong dung dịch điện phân, plasma,…), các hạt tích điện trái dấu (ví dụ các ion âm và dương) có thể chuyển động cùng lúc, ngược chiều nhau.
  • Trong bán dẫn loại p, mặc dù các electron thực sự chuyển động, dòng điện được miêu tả như là chuyển động của các hố điện tử tích điện dương.

Dòng điện và từ

  • Mọi dòng điện đều sinh ra từ trường, theo định luật Ampere
Khi dòng điện chạy trong một dây dẫn điện, từ trường sinh ra có dạng vòng tròn bao quanh cộng dây thẳng dẫn điện có dòng điện khác không
  • Mọi dòng điện đều chịu lực tương tác khi nằm trong từ trường.
Lý do là các điện tích chuyển động trong từ trường chịu lực Lorentz.
  • Hướng của lực từ và hướng dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay phải.

Đo dòng điện

Xem thêm bài ampe kế

Cường độ dòng điện có thể được đo trực tiếp bằng Gavanô kế, tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi phải mở mạch điện ra để lắp thêm ampe kế vào.

Cường độ dòng điện có thể được đo mà không cần mở mạch điện ra, bằng việc đo từ trường sinh ra bởi dòng điện. Các thiết bị đo kiểu này gồm các đầu dò hiệu ứng Hall, các kẹp dòng và các cuộn Rogowski.

Định luật Ôm

V, I và R là các đại lượng đặc trưng của định luật Ohm

Định luật Ôm nói rằng cường độ dòng điện chạy qua một điện trở (hoặc các thiết bị Ôm) tuân theo:

I = U R {\displaystyle I={\frac {U}{R}}} U=I.R,

với

I là cường độ dòng điện, đo bằng ampe
U là hiệu điện thế giữa 2 đầu điện trở, đo bằng vôn
R là điện trở, đo bằng Ôm.

Trên cơ thể người

Nguy hiểm

Độ nguy hiểm của điện giật phụ thuộc vào cường độ dòng điện, vào thời gian dòng điện chạy qua người, và vào đường đi của dòng điện trên cơ thể người. Nói chung:

  • 1 mA gây đau nhói.
  • 5 mA gây giật nhẹ.
  • 50 đến 150 mA có thể giết chết người, bằng các tác động như rhabdomyolysis (phân hủy cơ), hay làm suy thận cấp (do chất độc của cơ bị phân hủy đi vào máu).
  • 1 đến 4 A gây loạn nhịp tim, và lưu thông máu bị gián đoạn.
  • 10 A gây ngừng tim (cầu chì trong gia đình thường tự ngắt ở cường độ dòng này).

Dòng điện chạy qua tim và não là nguy hiểm nhất.

Đa phần các nguồn điện nguy hiểm có hiệu điện thế ổn định, nên theo định luật Ohm, cường độ dòng điện phụ thuộc vào điện trở trên đường truyền qua người và điện áp tiếp xúc. Đối với dòng lớn, nó phụ thuộc thêm các hệ thống hạn chế dòng lớn trong mạch điện (như cầu chì). Dòng điện qua người phụ thuộc vào điện trở người. Điện áp tiếp xúc càng cao thì dòng điện qua người càng lớn. Điện trở lớn thì dòng điện nhỏ.

Điện trở của người tùy thuộc vào điều kiện tiếp xúc với dòng điện[2].

Điều kiệnĐiện trở khi khô ráoĐiện trở khi ẩm ướt
Chạm tay vào dây điện40.000 Ω – 1.000.000 Ω4.000 Ω – 15.000 Ω
Cầm vào dây điện15.000 Ω – 50.000 Ω3.000 Ω – 5.000 Ω
Cầm vào ống nước5.000 Ω – 10.000 Ω1.000 Ω – 3.000 Ω
Chạm gan bàn tay vào đường điện3.000 Ω – 8.000 Ω1.000 Ω – 2.000 Ω
Nắm chặt một tay vào ống nước1.000 Ω – 3.000 Ω500 Ω – 1.500 Ω
Nắm chặt hai tay vào ống nước500 Ω – 1.500 Ω250 Ω – 750 Ω
Nhúng tay vào nước hay chất lỏng dẫn điện tốt200 Ω – 500 Ω
Nhúng chân vào nước hay chất lỏng dẫn điện tốt100 Ω – 300 Ω

Điện trở cũng thay đổi tùy người, theo giới tính, tuổi, kích thước, điều kiện sức khỏe. Theo bảng trên, nếu xét trường hợp điện trở người trong khoảng 500 Ω đến 1000 Ω thì điện áp khoảng 20 V đến 50 V cũng đủ tạo ra dòng điện cỡ 50 mA và giết chết người.

Tần số dòng điện càng cao (trên 500 Hz) càng ít nguy hiểm vì dòng điện chỉ đi ngoài da và không làm co cơ bắp. Dòng điện có tần số từ 25–100 Hz là dòng điện nguy hiểm nhất.

Ích lợi

Dòng điện một chiều với cường độ cỡ mA khi truyền qua cơ thể gây nên những tác dụng sinh lý đặc biệt sau:

  • làm giảm ngưỡng kích thích của sợi cơ vận động
  • giảm tính đáp ứng của thần kinh cảm giác do đó giảm đau
  • gây giãn mạch ở phần cơ thể giữa hai điện cực
  • tăng cường khả năng dinh dưỡng của vùng có dòng điện đi qua.

Các tác dụng của dòng điện qua cơ thể được ứng dụng trong châm cứu hay điện châm và là cơ sở của liệu pháp Galvani, trong đó người ta đưa dòng điện một chiều cường độ tới hàng chục mA vào cơ thể và kéo dài nhiều phút. Tuy nhiên trong những trường hợp tai biến bất ngờ, điện tác dụng lên cơ thể quá những mức độ mà cơ thể có thể chịu đựng được. Lúc đó điện trở thành một mối nguy hiểm cho sức khoẻ và tính mạng con người.

Đối với những bệnh nhân khi tim đã ngừng đập người ta có thể dùng liệu pháp sốc điện để cố gắng kích thích tim đập lại với hy vọng duy trì sự sống.

Tốc độ dòng điện

Dòng điện chảy theo một hướng, nhưng các điện tích đơn lẻ trong dòng chảy này không nhất thiết chuyển động thẳng theo dòng. Ví dụ như trong kim loại, electron chuyển động zigzag, va đập từ nguyên tử này sang nguyên tử kia; chỉ nhìn trên tổng thể mới thấy xu hướng chung là chúng bị dịch chuyển theo chiều của điện trường.

Tốc độ di chuyển vĩ mô của các điện tích có thể tìm được qua công thức: I=nAvQ với

I là cường độ dòng điện.
n là số hạt tích điện trong một đơn vị thể tích.
A là diện tích mặt cắt của dây dẫn điện.
v là tốc độ di chuyển vĩ mô của các hạt tích điện.
Q là điện tích của một hạt tích điện.

Ví dụ, một dây đồng với diện tích mặt cắt bằng 0.5 mm2, mang dòng điện có cường độ 5 A, sẽ có dòng electron di động với tốc độ vĩ mô là vài millimét trên giây. Ví dụ khác, các electron chuyển động trong bóng hình của tivi theo đường gần thẳng với tốc độ cỡ 1/10 tốc độ ánh sáng.

Tốc độ di chuyển vĩ mô của dòng điện không nhất thiết phải là tốc độ truyền thông tin của nó. Tốc độ truyền thông tin của dòng điện trong dây đồng nhanh gần bằng tốc độ ánh sáng. Đó là do, theo lý thuyết điện động lực học lượng tử, các electron truyền tương tác với nhau thông qua photon, hạt chuyển động với vận tốc ánh sáng. Sự di chuyển, có thể là chậm chạp, của một electron ở một đầu dây, sẽ nhanh chóng được biết đến bởi một electron ở đầu dây kia, thông qua tương tác này. Điều này cũng giống như khi đầu tàu hỏa chuyển động với vận tốc nhỏ (ví dụ vài cm/s), gần như ngay lập tức toa cuối cùng của đoàn tàu cũng nhận được thông tin và chuyển động theo. Chuyển động tổng thể của đoàn tàu là chậm, nhưng thông tin lan truyền dọc theo đoàn tàu rất nhanh (vào cỡ tốc độ âm thanh lan truyền dọc theo tàu).

Mật độ dòng điện

mật độ dòng điện (ký hiệu là δ {\displaystyle \delta } ) là dòng điện chạy qua 1mm2 tiết diện dây dẫn

Công thức: δ {\displaystyle \delta } = I/S

Sự phát nóng dây dẫn phụ thuộc vào mật độ dòng điện qua nó.

Đại lượngKý hiệuĐơn vị đoCông thức
Mật độ dòng điện δ {\displaystyle \delta } A/mm2 δ {\displaystyle \delta } = I/S
Tiết diện dây dẫnSmm2S = I/ δ {\displaystyle \delta }
Cường độ dòng điệnIAI = δ {\displaystyle \delta } .S

Phụ tải lâu dài của dây đồng và dây nhôm có bọc cách điện

Đường kính, mmTiết diện, mm2Dòng điện cho phép của dây đồng ADòng điện cho phép của dây nhôm ADây chảy cầu chì là dây đồng, A
0,960,7513134
1,1116166
1,41,5201610
1,82,5272115
2,254352820
2,756453725
3,510655135
4,516866850
5,6251159060

Mật độ dòng điện có ý nghĩa trong thiết kế mạch điện, trong điện tử học. Các thiết bị tiêu thụ điện thường bị nóng lên khi có dòng điện chạy qua, và chỉ hoạt động tốt dưới một mật độ dòng điện an toàn nào đấy; nếu không chúng sẽ bị nóng quá, chảy hoặc cháy. Ngay cả trong vật liệu siêu dẫn, nơi điện năng không bị chuyển hóa thành nhiệt năng, mật độ dòng điện lớn quá có thể tạo ra từ trường quá mạnh, phá hủy trạng thái siêu dẫn.

Các đơn vị điện từ trong SI

TênKý hiệuThứ nguyênĐại lượng đo
ămpe (đơn vị cơ bản của SI)AADòng điện
culôngCA·sĐiện tích, Điện lượng
vônVJ/C = kg·m2·s−3·A−1Điện thế, Hiệu điện thế
ômΩV/A = kg·m2·s−3·A−2Điện trở, Trở kháng, Điện kháng
ôm métΩ·mkg·m3·s−3·A−2Điện trở suất
faraFC/V = kg−1·m−2·A2·s4Điện dung
fara trên métF/mkg−1·m−3·A2·s4Điện môi
fara nghịch đảo1/F hay F−1kg·m2·A−2·s−4Elastance??
siêmenSΩ−1 = kg−1·m−2·s3·A2Độ dẫn điện, độ dẫn nạp, độ điện nạp
siêmen trên métS/mkg−1·m−3·s3·A2Suất dẫn điện
weberWbV·s = kg·m2·s−2·A−1Từ thông
teslaTWb/m2 = kg·s−2·A−1Mật độ từ thông
ămpe trên métA/mA·m−1Cảm ứng từ
ămpe trên weberA/Wbkg−1·m−2·s2·A2Từ trở
henryHV·s/A = kg·m2·s−2·A−2Tự cảm
henry trên métH/mkg·m·s−2·A−2Độ từ thẩm
(Phi thứ nguyên)Cảm từ

 

Có bao giờ bạn tự hỏi dòng điện làm các thiết bị điện hoạt động như thế nào không? Bạn đã có câu trả lời đầy đủ và chính xác chưa. Hãy cùng sieuthivattudien tìm hiểu đi tìm câu trả lời cho vấn đề trong chuyên mục tin tức ngày hôm nay các bạn nhé!

Tìm câu trả lời cho dòng điện làm các thiết bị điện hoạt động như thế nào

Cho dù là một lò nướng bánh hay một chiếc xe điện, mọi thứ mà dòng điện điều khiển có chung một đặc điểm: là do các electron chuyển động một cách trật tự

Khi các electron bị buộc chuyển động đồng bộ, chúng có thể tạo ra nhiệt và 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 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?

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.

Tới đây bạn đã biết dòng điện làm thiết bị điện hoạt động như thế nào rồi phải không nào? Theo dõi chuyên mục của chúng tôi để biết thêm những thông tin bổ ích về điện khác các bạn nhé.