Điện xuất hiện xung quanh chúng ta—cung cấp năng lượng cho các thiết bị như điện thoại di động, máy tính, đèn, máy hàn, và máy điều hòa không khí. Trong thế giới hiện đại, rất khó để tránh xa khỏi điện. Ngay cả khi bạn cố gắng tránh xa điện năng, nó vẫn hoạt động mọi nơi trong tự nhiên, từ tia sét trong cơn bão đến các khớp thần kinh bên trong cơ thể chúng ta. Nhưng điện thực sự là gì? Đây là một câu hỏi rất phức tạp, và khi bạn đào sâu hơn và đặt thêm nhiều câu hỏi, thực sự không có một câu trả lời cụ thể, chỉ có những biểu diễn trừu tượng về cách điện năng tương tác với môi trường xung quanh chúng ta.
Lúc còn là học sinh trên ghế nhà trường, chúng ta được tiếp cận với kiến thức cơ bản về điện. Điện áp, dòng điện, và điện trở là những khái niệm nền tảng, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của thế giới xung quanh. Khi lên cao hơn chúng ta đi vào nghiên cứu các phương trình, định luật về điện để giải giải quyết các bài toán phức tạp về điện.
Chắc hẳn, bạn đã từng tự hỏi: Điện áp, dòng điện, và điện trở là gì? Những khái niệm này có vẻ đơn giản nhưng lại ẩn chứa những bí ẩn sâu sắc. Trong bài viết hôm nay, chúng ta sẽ cùng khám phá và hiểu sâu hơn về bản chất thực sự của chúng, cũng như vai trò không thể thiếu của chúng trong mọi khía cạnh liên quan đến điện.
Nguyên tử là nền tảng của điện
Để hiểu về cơ bản của điện, chúng ta cần bắt đầu bằng việc tập trung vào nguyên tử, một trong những cấu trúc cơ bản của sự sống và vật chất. Nguyên tử tồn tại ở hơn một trăm dạng khác nhau như các nguyên tố hóa học như hydro, carbon, oxy và đồng. Các loại nguyên tử khác nhau có thể kết hợp để tạo thành phân tử, từ đó xây dựng nên vật chất mà chúng ta có thể nhìn thấy và chạm vào được.
Nguyên tử rất nhỏ, dài tối đa khoảng 300 picomet tức là (3 x10-10 hoặc 0.0000000003 mét). Một đồng xu đồng (nếu nó thực sự được làm từ 100% đồng) sẽ có 3.2 x 1022 nguyên tử đồng bên trong nó.
Một nguyên tử được cấu tạo từ sự kết hợp của ba loại hạt khác nhau: electron, proton và neutron. Mỗi nguyên tử có một hạt nhân ở trung tâm, nơi các proton và neutron được liên kết chặt chẽ với nhau. Xung quanh hạt nhân là một nhóm electron đang quay.
Ví dụ, Nguyên tử đồng có 29 proton và 29 electron, làm cho nó trở thành một dẫn điện tuyệt vời với các ứng dụng rộng rãi trong điện và điện tử. Nguyên tử nhôm, với 13 proton và 13 electron, cũng là một dẫn điện tốt, nhưng nhẹ hơn và ít tốn kém hơn.
Bây giờ chúng ta sẽ tập chung vào Electron bởi vì đây là một hạt rất quan trọng đối với hoạt động tạo ra điện. Các electron của nguyên tử không phải lúc nào cũng liên kết mãi mãi với nguyên tử và đặc biệt hơn các electron tự do cho phép di chuyển các hạt mang điện thứ cần thiết để tạo điện.
Các electron ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử được gọi là electron hóa trị. Với một lực đủ mạnh, một electron hóa trị có thể thoát khỏi quỹ đạo của nguyên tử và trở nên tự do. Vậy lực đó là gì mà khiến electron tách khỏi nguyên tử của nó và di chuyển tự do? Hãy cũng chúng tôi tìm hiểu các khía cạnh của nó
Điện áp
Điện tích là một đặc tính của vật chất – dùng để làm đơn vị đo lường vật chất giống như khối lượng, thể tích hoặc mật độ và nó có thể đo lường được. Giống như bạn có thể định lượng khối lượng của một vật nào đó, bạn có thể đo được điện tích của nó là bao nhiêu. Ví dụ như hạt electron chúng ta sẽ có 1.6*10^-19 Coulomb (C) cho mỗi hạt hoặc để có 1C chúng ta cần 6.242 × 1018e
Trong điện trường có một lực gọi là lực tĩnh điện (còn gọi là định luật Coulomb ) là lực tác dụng giữa các điện tích. Nó phát biểu rằng các điện tích cùng loại thì đẩy nhau, trong khi các điện tích khác loại thì hút nhau. Ngược dấu thì thu hút, cung dấu thì đẩy lùi.
Trong điều kiện bình thường, các electron liên kết với nguyên tử. Tuy nhiên, với đủ năng lượng, một electron có thể được giải phóng khỏi nguyên tử của nó nhờ lực tĩnh điện này.
Nhờ lực tĩnh điện, các electron có thể đẩy các electron khác ra xa hoặc bị hút vào các proton. Lực này là một phần của “chất keo” giữ các nguyên tử lại với nhau, và cũng là công cụ cần thiết để làm cho các electron chuyển động.
Quay trở lại vấn đề về điện áp, chúng ta đã tìm hiểu về lực đẩy các electron ra khỏi nguyên tử của chúng, và chúng ta dùng điện áp để chỉ lực đẩy này. Thực tế, điện áp không hẳn là một lực đẩy; một cách chính xác hơn, nó mô tả sự chênh lệch điện thế. Trong vật lý và kỹ thuật điện, điện áp (còn được gọi là hiệu điện thế, áp suất điện, hoặc lực căng điện) là sự chênh lệch điện thế giữa hai điểm.
Khi có sự chênh lệch điện thế giữa hai điểm, nó có thể tạo ra sự dịch chuyển của electron trong dây dẫn giữa hai điểm đó nếu chúng được nối với nhau. Sự chênh lệch điện thế này được đo bằng vôn, do đó nó được gọi là “điện áp” và nó được định nghĩa là một Joule thế năng trên một điện tích tính bằng coulomb. Để dễ hiểu, để có điện thế là 1 vôn giữa hai điểm, thì việc di chuyển một điện tích 1 coulomb giữa các điểm này sẽ cần hoặc giải phóng một jun năng lượng. Mối quan hệ này có thể được biểu diễn bằng công thức:
1V = 1J / 1C
Dòng điện
Nếu đáp ứng được yêu cầu về chênh lệch điện thế thì các electron sẽ cung cấp một lực được gọi là điện áp và chúng bắt đầu chảy thành dòng và dòng đó gọi là dòng điện hay dòng điện tích.
Dòng điện là một đại lượng vật lý có thể đo được và biểu thị bằng số. Là một đại lượng vật lý, dòng điện là tốc độ dòng điện tích chạy qua một điểm trên mạch điện. Như mô tả trong hình bên dưới, dòng điện trong mạch có thể được xác định nếu có thể đo được lượng điện tích Q đi qua tiết diện của dây trong thời gian t .
1A = 1C/t
Để dễ hình dung 1C = 6.242 × 10^18 electron, vậy 1A dòng điện sẽ có sáu nghìn hai trăm bốn mươi hai tỷ tỷ electron chạy qua một điểm trong 1 giây, một con số rất lớn.
Để minh họa mật độ các hạt mang điện dày đặc như thế nào, chúng ta sẽ xem xét một loại dây điển hình được tìm thấy trong các mạch điện gia đình – dây đồng với tiết diện 2mm2. Trong một lát cắt ngang dài 0,1 mm (rất mỏng) của sợi dây này, sẽ có tới 3,51 x 10^20 nguyên tử đồng. Mỗi nguyên tử đồng có 29 electron; khó có khả năng ngay cả 11 electron hóa trị cũng chuyển động như các hạt mang điện cùng một lúc. Nếu chúng ta giả sử rằng mỗi nguyên tử đồng chỉ đóng góp một electron thì sẽ có khoảng 56 coulomb điện tích bên trong một sợi dây mỏng dài 0,1 mm. Với lượng điện tích di động lớn như vậy trong một không gian nhỏ như vậy, tốc độ trôi nhỏ có thể dẫn đến dòng điện rất lớn.
Điện trở
Khi một electron di chuyển qua dây dẫn và tải, nó gặp phải điện trở. Điện trở chính là lực cản đối với dòng điện. Đối với một electron, hành trình từ nguồn đến tải không phải là một con đường trực tiếp. Thực chất, nó là một lộ trình ngoằn ngoèo do vô số va chạm với các nguyên tử cố định bên trong vật liệu dẫn điện. Các electron gặp phải lực cản, một trở ngại cho chuyển động của chúng, bởi vì điều này gây ra mất năng lượng do vô số va chạm, điều này đồng nghĩa với hiện tượng sụt áp.
Các biến số ảnh hưởng đến điện trở
Bởi vì con đường đi của các electron là không “thuận lợi” do các va chạm với các nguyên tử vì vậy có các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến điện trở được xác định rõ ràng.
Đầu tiên, tổng chiều dài của dây sẽ ảnh hưởng đến lượng điện trở. Dây càng dài thì điện trở càng lớn. Có một mối quan hệ trực tiếp giữa lượng điện trở mà điện tích gặp phải và chiều dài của dây mà nó phải đi qua. Xét cho cùng, điện trở xảy ra do va chạm giữa các hạt mang điện và các nguyên tử của dây thì có thể sẽ có nhiều va chạm hơn ở dây dài hơn.
Thứ hai, diện tích mặt cắt ngang của dây sẽ ảnh hưởng đến điện trở. Dây rộng hơn có diện tích mặt cắt lớn hơn. Electron sẽ đi qua một đường rộng hơn với tốc độ cao và dễ hơn so với việc đi qua một đường hẹp do không gian tăng theo tiết diện dây dẫn.
Biến số thứ ba được biết là có ảnh hưởng đến khả năng chống lại dòng điện tích là vật liệu làm nên dây dẫn. Không phải tất cả các vật liệu đều được tạo ra như nhau về khả năng dẫn điện. Một số vật liệu có tính dẫn điện tốt hơn những vật liệu khác và có ít khả năng cản trở dòng điện tích hơn.
Bạc là một trong những chất dẫn điện tốt nhất nhưng không bao giờ được sử dụng làm dây điện trong các mạch điện gia dụng do giá thành của nó. Đồng và nhôm là một trong những vật liệu rẻ tiền nhất với khả năng dẫn điện phù hợp để cho phép sử dụng chúng trong dây dẫn của các mạch điện gia dụng.
Khả năng dẫn điện của vật liệu thường được biểu thị bằng điện trở suất của nó . Điện trở suất của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc electron của vật liệu và nhiệt độ của nó. Đối với hầu hết (nhưng không phải tất cả) vật liệu, điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng. Bảng dưới đây liệt kê các giá trị điện trở suất của các vật liệu khác nhau ở nhiệt độ 20 độ C.