Dòng điện làm cho các thiết bị hoạt động như thế nào?

Bernie Hobbs

Không có dòng điện thì các thiết bị trong nhà của chúng ta chỉ là mớ đồ nhựa và kim loại vô dụng. Nhưng dòng điện thật sự là gì? Chúng sai khiến các vật hoạt động như thế nào?

alt

Cái gì đang diễn ra trong các dây dẫn làm cho các bộ nhiệt trong nhà của chúng ta nóng lên và quạt máy thì quay? (Ảnh: iStockphoto)

Chúng ta sử dụng nó mỗi ngày, nhưng đa số chúng ta không có một manh mối nào xem dòng điện làm cho các vật hoạt động như thế nào. Cái gì đang diễn ra trong các dây dẫn làm cho các động cơ chạy, và các bộ nhiệt thì nóng lên?

Cho dù là một lò nướng bánh hay một chiếc xe điện, mọi thứ mà dòng điện điều khiển có chung một đặc điểm: cái xảy ra khi bạn ‘chỉ dạy’ các electron khiêu vũ theo hàng theo ngũ.

Khi các electron bị buộc chuyển động đồng bộ, chúng có thể tạo ra nhiệt và – ấn tượng hơn – 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 vù vù 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?

alt

Nếu bạn có thể nhìn thấy cái đang diễn ra ở cấp độ nguyên tử bên trong một dây dẫn, thì nó trông như thế này. Giống như mọi kim loại, dây dẫn cấu tạo từ một giàn khung rắn chắc của các nguyên tử với một đám electron tự do vù vù xung quanh chúng. Mắc một dây dẫn với một chiếc pin (DC) thì các electron đều chuyển động đồng bộ về phía trước. Cắm dây vào một nguồn cấp trên tường, thì các electron trong dây ‘ngúc ngoắc’ tới lui tại chỗ, đổi hướng 100 lần mỗi giây (AC).

Làm mọi thứ nóng lên

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.