Chương 3
Dòng điện – Định luật Ohm và Định luật Joule
Điện năng đã trở thành dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trong thế giới hiện đại của chúng ta. Nhưng để khai thác điện năng, chúng ta phải biết nó hoạt động như thế nào trong một mạch điện. Với kiến thức đó, các thiết bị và đồ dùng bằng điện có thể được thiết kế để làm việc an toàn và hiệu quả.
Vào thế kỉ 19, người ta nghĩ dòng điện là một dòng chảy của những điện tích qua bất kì chất dẫn nào, thí dụ như một sợi dây. Ngày nay, chúng ta biết những điện tích đó là những hạt nhỏ xíu gọi là electron. Năng lượng điện thật ra là sự chuyển động của các electron trong mạch điện.
Mạch điện là đường dẫn qua đó dòng điện có thể chạy. Nó thường là một loạt dây dẫn và các dụng cụ điện nối với một nguồn cấp điện.
Năng lượng điện trong mạch điện do nguồn điện cung cấp. Nguồn này có thể là pin, thiết bị tạo ra năng lượng điện bằng phản ứng hóa học. Hoặc nó có thể là máy phát điện tạo ra dòng điện bằng cách cho các dây dẫn chuyển động trong từ trường. Các công ti điện thương mại sản xuất điện bằng những máy phát khổng lồ 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 một suất điện động. Bạn có thể nghĩ suất điện động là lượng “áp suất” điện gửi dòng điện đi trong mạch. Suất điện động trong mạch được đo bằng đơn vị volt (đặt theo tên Alessandrdo Volta, người phát minh ra pin).
Suất điện động thường được gọi là hiệu điện thế, hay đơn giản là thế. Nó chỉ tạo ra dòng điện khi nào mạch điện nối với cực dương và cực âm của nguồn điện là khép kín. Nếu không, nó chỉ có thế, hoặc khả năng, tạo ra dòng điện. Một cục pin 6 volt có 6 volt điện thế cho dù nó có nối hay không nối với một mạch điện.
Lượng điện tích chạy qua mạch điện được gọi là dòng điện. Nó được đo bằng ampere (theo tên André-Marie Ampère, một nhà khoa học khác đã nghiên cứu dòng điện). Ampere đo số electron chạy qua mạch điện trong mỗi giây.
Hãy nhớ rằng dòng điện và điện áp là hai thứ khác nhau. Có thể có một dòng điện lớn chạy trong mạch ở mức điện áp thấp, hoặc một dòng điện nhỏ chạy ở điện áp rất cao. Điện áp thì đo lực điện, còn ampere thì đo tổng điện lượng chạy trong mạch điện.
Khi dòng điện chạy trong mạch điện, nó gặp phải sự cản trở. Điện trở là bất kì cái gì đó ngăn cấm hoặc cản trở dòng chảy của điện trong mạch. Điện trở trong mạch biến một phần năng lượng điện thành nhiệt lượng. Điện trở được đo theo ohm (theo tên George Ohm, người chúng ta sẽ nói tới ngay ở phần sau).
Mọi thứ 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 trong mạch, 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 khá tốt. Rất ít năng lượng điện đi qua dây đồng bị chuyển hóa thành nhiệt do điện trở. Đó là nguyên do đồng thường được dùng trong mạch 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. Nó trở nên rất nóng khi dòng điện đi qua nó. Vì lí do này, Nichrome thường được dùng làm bộ phận nung nóng trong lò nướng hoặc máy sấy tóc.
Một số chất liệu, như thủy tinh và cao su, có điện trở quá lớn nên dòng điện chẳng thể chạy qua chúng. Những chất liệu như thế này được gọi là chất cách điện.
Sợi dây càng dài thì điện trở của nó càng lớn. Và dây càng dày thì điện trở của nó càng nhỏ. Giống như nước chảy qua một cái ống lớn, dòng điện chạy qua vật dẫn dày thuận lợi hơn.
Nhiệt độ của một chất cũng ảnh hưởng đến điện 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 động của dòng điện trong một mạch điện, hãy hình dung sự tương đồng giữa một mạch điện và hệ thống ống dẫn nước. Trong hệ thống nước, nước bị buộc chảy qua các ống do máy bơm. Máy bơm đó tương ứng với máy phát điện hoặc pin trong mạch điện. Máy bơm tạo ra áp lực buộc nước chuyển động trong hệ. Áp lực này tương đương với suất điện động, hay điện áp. Lượng nước chảy trong các ống tương ứng với lượng điện chạy trong mạch điện.
Điện trở tương đương với ma sát (sự cọ xát) trong các ống dẫn nước. Máy bơm phải kháng ma sát này để cho nước chuyển động. Khi hai chất cọ xát lên nhau, sự ma sát sinh ra nhiệt. Giống như ma sát, điện trở trong mạch điện tạo ra nhiệt. Ống dẫn càng lớn cho phép nước chảy càng dễ, trong khi ống nhỏ có ma sát cản trở dòng nước 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 Ohm đã nghiên cứu sự hoạt động của mạch điện. Ông muốn biết điện trở và điện áp ảnh hưởng như thế nào đến dòng điện chạy trong dây. Ohm nhận thấy khi ông tăng điện áp trong mạch lên, thì dòng điện cũng tăng theo, miễn là những thứ khác trong mạch giữ nguyên không đổi. Giả sử chúng ta có một mạch điện 10 volt với dòng điện 1 ampere chạy qua nó. Nếu chúng ta tăng gấp đôi điện áp của mạch lên 20 volt, thì chúng ta sẽ có dòng điện tăng gấp đôi lên 2 ampere.
Ohm còn phát hiện thấy dòng điện trong mạch giảm đi khi ông tăng điện trở trong mạch. Kết quả là chỉ có một 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 Ohm được phát biểu như sau: Dòng điện trong một mạch điện tỉ lệ thuận với suất điện động (điện áp) và tỉ lệ nghịch với điện trở.
Hãy nghĩ tới sự so sánh của chúng ta giữa dòng điện và dòng nước chảy một lần nữa. Lượng nước chảy qua một cái ống phụ thuộc vào áp suất của nước và kích cỡ của ống. Nếu máy bơm tăng áp suất (áp suất cao giống với điện áp cao), thì nước sẽ chảy qua ống nhiều hơn. Nếu cái ống có tiết diện mỏng hơn (ống mỏng hơn tương đương với điện trở lớn hơn), thì nước chảy qua nó ít hơn. Định luật Ohm cho chúng ta biết cái rất giống như vậy xảy ra với dòng điện. Lượng điện chạy trong một mạch phụ thuộc vào điện áp (“áp suất” điện) và điện trở của mạch.
Về mặt toán học, định luật Ohm được viết như sau:
dòng điện = điện áp / điện trở hay I = E / R
Trong phương trình này, I kí hiệu cho cường độ dòng điện, đo theo ampere. E kí hiệu cho suất điện động, hay điện áp, của mạch. R kí hiệu cho điện trở.
Chú ý rằng cường độ dòng điện (I) được biểu diễn theo phân số. 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 khi chúng ta tăng điện trở (R), thì mẫu số của phân số trở nên lớn hơn. Điều đó làm cho giá trị của phân số nhỏ đi. Điện trở lớn hơn trong mạch mang lại dòng điện nhỏ hơn.
Định luật Ohm cho chúng ta biết rằng khi có rất nhiều điện trở thì dòng điện sẽ chạy rất ít. Nếu có điện trở nhỏ, thì dòng điện sẽ chạy nhiều hơn. Điều đó giải thích tại sao người ta cảm nhận những cú sốc điện nguy hiểm nhất khi da 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 nguy hiểm. Nhưng nếu một người đang bị ướt, đặc biệt khi người đó đang tiếp xúc với một vật dẫn tốt như nước hoặc kim loại, thì điện trở nhỏ hơn nhiều lần. Người đó trở thành một vật dẫn tốt hơn nhiều, cho nên dòng điện chạy qua cơ thể lớn hơn, gây ra một cú sốc nguy hiểm.
Một vài năm sau khi Georg Ohm thực hiện khám phá của ông, nhà vật lí người Anh James Joule đã tự tiến hành nghiên cứu xem điện năng hoạt động như thế nào. Joule quan tâm đến việc làm thế nào một dạng năng lượng này có thể chuyển hóa thành một dạng năng lượng khác. Một trong những sự biến đổi mà ông nghiên cứu là sự chuyển hóa điện năng thành nhiệt.
Công suất là lượng năng lượng phân phối trong mỗi đơn vị thời gian. Công suất điện đo bằng watt (theo tên James Watt, nhà phát minh ra động cơ hơi nước). Joule đã đo công suất do mạch điện phân phối bằng cách khảo sát lượng nhiệt mà chúng sinh ra trong một lượng thời gian nhất định. Phần lớn công suất điện trong nhà của chúng ta được sử dụng theo kiểu tương tự - sinh nhiệt để sưởi ấm hoặc để nấu chín thức ăn.
Joule nhận thấy công suất trong một mạch điện phụ thuộc vào hai yếu tố: điện áp của mạch và dòng điện chạy trong nó. Dòng điện chạy trong mạch càng lớn thì công suất mà nó phân phối càng nhiều. Và mạch có điện áp càng lớn thì công suất mà nó phân phối càng lớn. Công suất do một mạch điện sinh ra có thể tính bằng cách nhân điện áp với cường độ dòng điện:
công suất = điện áp × cường độ dòng điện hay H = E × I
Quy tắc này được gọi là định luật Joule. Định luật Joule cho chúng ta biết rằng nếu tăng điện áp hoặc cường độ dòng điện trong mạch, thì công suất do mạch phân phối sẽ tăng lên.
Toàn bộ những thiết bị điện chúng ta cắm vào mạch điện gia dụng đều sử dụng điện năng để thực hiện công. Chúng biến đổi năng lượng điện thành nhiệt, ánh sáng hoặc chuyển động. Các thiết bị đều đưa thêm điện trở vào trong mạch. Chính điện trở của dây quấn của lò điện sinh ra điện để nướng bánh mì của chúng ta hoặc rán thịt gà cho buổi tối. Điện trở có chủ tâm này trong mạch được gọi là tải.
Các động cơ điện trong máy cạo râu, máy giặt quần áo, và máy hút bụi đều có điện trở. Chúng đặt một tải tăng dần lên mạch điện khi chúng đang hoạt động. Nếu bạn đặt tay bạn ở gần động cơ điện của bất kì thiết bị nào, bạn sẽ có thể cảm nhận nhiệt do điện trở của nó sinh ra.
Trong mạch điện gia dụng thông thường, điện áp luôn luôn giữ ổn định – 110 hoặc 220 volt. Nhưng công ti điện sẽ cung cấp cho hộ tiêu thụ lượng dòng điện đủ cho hộ sử dụng. Cho nên khi chúng ta cần công suất lớn hơn để chạy các thiết bị của mình, thì dòng điện trong mạch tăng lên. Trong nhà của chúng ta, khi chúng ta sử dụng điện công suất lớn hơn, thì chúng ta có nhiều ampere dòng điện hơn chạy trong mạch điện của mình.
Định luật Joule giải thích tại sao một lò sưởi điện lại tốn kém hơn một lò nướng bánh. Lò sưởi điện cần tạo ra nhiệt lượng lớn hơn so với lò nướng bánh. Cho nên lò sưởi sử dụng dòng điện lớn hơn lò nướng bánh. Dòng điện lớn hơn chạy qua thiết bị cho công suất lớn hơn, hay nhiệt sinh ra nhiều hơn. Nhưng chúng ta phải trả tiền năng lượng cho công ti điện. Công suất chúng ta dùng càng lớn thì chúng ta phải trả tiền càng nhiều.
Định luật Joule cũng giải thích tại sao chúng ta lắp cầu chì hoặc cầu dao tự động vào mạch điện trong nhà mình. Khi chúng ta làm mạch điện quá tải với quá nhiều thiết bị, thì các dây dẫn phải mang dòng điện rất lớn. Dây dẫn có một phần điện trở đối với dòng điện, và điện trở thì sinh ra nhiệt. Dòng điện lớn chạy trong dây thì nhiệt sinh ra càng nhiều. Nếu các dây dẫn quá nóng, chúng có thể dễ dàng bắt lửa.
“Sự ngắn mạch” xảy ra khi hai dây dẫn trong mạch chạm nhau mà không có thiết bị tiêu thụ nào trong mạch. Hiện tượng đó có thể xảy ra nếu như 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 có thể sinh đủ nhiệt trong các dây để bắt đầu cháy.
May thay, mỗi mạch điện gia dụng còn có lắp cầu chì hoặc cầu dao tự động. Cầu chì hoạt động giống như bất kì mẩu dây dẫn nào khác trong mạch điện. Chúng dẫn điện là một phần của mạch điện, và chúng có một phần điện trở. Chúng càng nóng lên khi dòng điện chạy qua chúng càng lớn. Nhưng cầu chì được thiết kế để tan chảy khi có dòng điện quá lớn chạy qua chúng. Khi cầu chì tan chảy, nó ngắt mạch điện. Không còn dòng điện nào chạy nữa. Sự ngắt mạch như thế làm kết thúc tình trạng quá tải điện, nếu không thì nhiệt sinh ra đủ nóng để gây cháy nổ. Cầu dao tự động có vai trò bảo vệ mạch tương tự như vậy, nhưng không cần phải thay chúng sau mỗi lần “bật”.
Mỗi khi bạn bật bóng đèn lên, hoặc nướng bánh mì, hoặc là cái áo sơ mi, thì những khám phá của Georg Ohm, James Joule và những đồng nghiệp của họ lại đang phát huy tác dụng trước bạn. Việc hiểu rõ định luật Ohm, định luật Joule và những định luật khác của mạch điện cho phép các kĩ thuật viên và kĩ sư điện xây dựng thế giới điện khí hóa của chúng ta an toàn và hiệu quả.
Ngày nay, các nhà khoa học hiểu rất rõ sự hoạt động của dòng điện. Nhưng vẫn có nhiều thứ cần tìm hiểu thêm về vũ trụ. Chúng ta vẫn phải học hỏi nhiều về các ngôi sao và hành tinh, về nguyên tử, và sự kì diệu của sự sống. Vẫn còn những định luật cần khám phá và những bí ẩn cần giải thích. Có lẽ một ngày nào đó bạn sẽ có thể ghi thêm tên của mình vào danh sách những nhà khoa học đã giúp khám phá ra những bí ẩn của vũ trụ.
Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học
Paul Fleisher
Trần Nghiêm dịch
![[Sách] Sóng - Các nguyên lí của ánh sáng, điện và từ học](/bai-viet/images/2011/08/song-nguyenli.bmp)
