Benjamin Crowell
3.2 Mạch điện
Làm thế nào chúng ta có thể đặt cho dòng điện hoạt động ? Phương pháp duy nhất điều khiển điện tích mà chúng ta đã biết trước đây là tích điện cho các chất khác nhau, ví dụ như nhựa cao su và lông thú, bằng cách cọ xát chúng lên nhau. Hình d/1 cho thấy một cố gắng sử dụng kĩ thuật này để thắp sáng một bóng đèn. Phương pháp này không ổn. Thật vậy, dòng điện sẽ chạy qua bóng đèn, vì các electron có thể chuyển động qua dây kim loại, và các electron dư thừa trên thanh nhựa do đó sẽ đi qua dây dẫn và bóng đèn do lực hút của lông thú tích điện dương và lực đẩy của các electron khác. Vấn đề là ở chỗ sau một phần vô cùng nhỏ của giây của dòng điện, cả thanh nhựa và lông thú đều mất hết điện tích. Sẽ không có dòng điện chạy qua nữa, và bóng đèn sẽ tắt.
Hình d/2 biểu diễn một cơ cấu hoạt động được. Pin đẩy điện tích qua mạch điện, và cứ thế xoay chuyển nó theo vòng. (Chúng ta sẽ có nhiều thứ để nói hơn ở phần sau cuốn sách này về sự hoạt động của pin) Dòng này được gọi là một dòng điện kín. Ngày nay, từ “mạch điện” đã ăn sâu vào tâm trí đối với đa số mọi người, nhưng ý nghĩa ban đầu của nó là truyền đi xung quanh và thực hiện một hành trình khép kín, giống như một vị quan tòa cưỡi ngựa đi khắp vùng hoang vu phân phát sự công bằng cho từng thành phố vào một ngày nhất định.
Lưu ý là một ví dụ như hình d/3 sẽ không hoạt động. Dây dẫn sẽ nhanh chóng bắt đầu thu được một điện tích thực, vì nó không có cách nào giải phóng lượng điện tích đã chạy vào nó. Lực đẩy của điện tích này sẽ khiến nó càng lúc càng khó gởi thêm bất kì điện tích nào nữa vào, và chẳng bao lâu thì lực điện tác dụng bởi pin sẽ triệt tiêu nhau hoàn toàn. Toàn bộ quá trình diễn ra nhanh đến nỗi sợi dây tóc không có đủ thời gian để nóng và sáng lên. Mạch điện này được gọi là mạch hở. Hiện tượng giống hệt như thế sẽ xảy ra nếu như mạch điện kín trong hình d/2 bị cắt đứt đâu đó bằng một cái kéo, và trên thực tế nguyên tắc hoạt động của một công tắc bóng đèn là đóng/mở khe hở trong mạch điện.
d/ 1. Điện tĩnh hoạt động rất nhanh. |  |
Định nghĩa dòng điện mà chúng ta đã phát triển có hiệu quả to lớn ở chỗ nó dễ đo. Trong hoạt động điện thực tế, người ta hầu như luôn luôn đo dòng điện, chứ không phải điện tích. Dụng cụ dùng để đo dòng điện gọi là ampere kế. Một ampere kế đơn giản, hình d/4, gồm một cuộn dây nam châm có lực làm xoắn một cái kim sắt dưới sức cản của lò xo. Dòng điện càng lớn thì lực càng mạnh. Mặc dù cấu tạo của ampere kế có thể khác đi, nhưng việc sử dụng chúng luôn luôn giống nhau. Chúng ta cắt ngang đường đi của dòng điện và đặt vào giữa một máy đo, giống như một ê-cốt nằm trên đường, d/5. Vẫn có một mạch điện kín, và chừng nào pin và bóng đèn còn nối với nhau, ampere kế chỉ là một đoạn khác của dây dẫn mà thôi.
Chúng ta phải đặt ampere kế vào chỗ nào trong mạch điện ? Liệu ta có thể đặt nó ở phía bên trái của mạch điện, chẳng hạn, thay cho bên phải được không ?Sự bảo toàn điện tích cho chúng ta biết điều này có thể thực hiện được mà không có sự khác biệt nào cả. Điện tích không bị phá hủy hay “sử dụng hết” bởi bóng đèn, nên chúng ta sẽ đo được cùng một dòng điện cho dù là ở phía bên nào cũng vậy. Cái bị “sử dụng hết” là năng lượng dự trữ trong pin, nó đã chuyển hóa thành nhiệt và năng lượng ánh sáng.
3.3 Điện thế
Đơn vị volt
Mạch điện có thể dùng để gửi tín hiệu, lưu trữ thông tin, hay thực hiện tính toán, nhưng mục đích phổ biến nhất của chúng từ trước đến nay là thao tác năng lượng, như trong ví dụ pin và bóng đèn trong mục trước. Chúng ta biết bóng đèn có tốc độ đo bằng đơn vị watt, tức là bao nhiêu joule/giây năng lượng chúng có thể chuyển hóa thành nhiệt và ánh sáng, nhưng làm sao điều này lại quan hệ với dòng điện tích như đo trong ampere kế ? Bằng cách tương tự, giả sử bạn của bạn, người đó không học vật lí, không tìm được việc gì tốt hơn là ngồi ném những kiện cỏ khô. Số calo anh ta đốt cháy mỗi giờ nhất định sẽ phụ thuộc vào số lượng kiện cỏ anh ta ném trong một phút, nhưng nó cũng sẽ tỉ lệ với lượng công cơ học mà anh ta thực hiện trên từng kiện cỏ. Nếu công việc của anh ta là ném chúng vào một vựa cỏ khô, anh ta sẽ mệt nhanh hơn kẻ chỉ làm công việc chuyền cỏ từ xe tải xuống. Trong đơn vị hệ mét
hay công suất = dòng điện x công trên đơn vị điện tích
Đơn vị J/C được gọi gọn lại là volt, 1 V = 1 J/C, theo tên nhà vật lí người Italia Alessandro Volta. Mọi người đều biết pin được đánh giá theo đơn vị volt, nhưng khái niệm điện thế tổng quát hơn; hóa ra điện thế là một tính chất của mỗi điểm trong không gian. Để hiểu kĩ hơn, hãy nghĩ thận trọng hơn về cái diễn ra trong pin và mạch điện bóng đèn.
Khái niệm điện thế
Để thực hiện công trên một hạt tích điện, tất nhiên là pin phải tác dụng lực lên nó. Vậy pin thực hiện việc này như thế nào ? Chỉ có một thứ có thể tác dụng lực lên một hạt tích điện là một hạt tích điện khác. Cứ như thể là những kiện cỏ đẩy và hút nhau vào vựa cỏ khô! Đây có thể là một tình huống quá phức tạp. Cho dù là chúng ta biết có bao nhiêu điện tích dương và âm dư thừa tại mỗi điểm trong mạch điện (trên thực tế thì chúng ta không biết được), thì chúng ta phải tính vô số lực bằng định luật Coulomb, thực hiện mọi phép cộng vectơ, và cuối cùng tính được bao nhiêu công đã thực hiện trên các điện tích khi chúng chuyển động qua. Còn khiếp đảm hơn nữa, có tới hơn một loại hạt mang điện chuyển động: electron là thứ chuyển động trong dây dẫn và dây tóc bóng đèn, còn ion là những hạt mang điện tích chuyển động bên trong pin. Thật may mắn, có hai cách chúng ta có thể là đơn giản hóa mọi thứ:
Trạng thái đó không biến đổi. Không giống như cơ cấu tưởng tượng trong đó chúng ta cố gắng thắp sáng một bóng đèn bằng một thanh nhựa và một mảnh lông thú, mạch điện này tự nó duy trì ở trạng thái cân bằng (có lẽ sau khoảng thời gian chừng một micro giây sau khi ráp mạch điện). Dòng điện đó ổn định, và khi điện tích chạy ra khỏi một nơi nào đó của mạch điện, nó được thay thế bằng cùng lượng điện tích chạy vào. Lượng điện tích dương hay âm dư thừa trong bất cứ phần nào của mạch điện, do đó, vẫn giữ không đổi. Tương tự, khi chúng ta nhìn một dòng sông chảy, nước vẫn trôi đi nhưng dòng sông không biến mất.
Lực chỉ phụ thuộc vào vị trí. Vì sự phân bố điện tích là không thay đổi, nên lực điện tổng hợp tác dụng lên một hạt tích điện chỉ phụ thuộc vào điện tích riêng của nó và vào vị trí của nó. Nếu một hạt tích điện khác cùng loại đi đến đúng vị trí đó vào lúc sau, nó sẽ cảm nhận một lực đúng bằng như cũ.
Quan sát thứ hai cho chúng ta biết không có sự khác biệt nào về sự trải nghiệm của một hạt tích điện so với một hạt tích điện khác. Nếu chúng ta chọn một hạt để chú ý tới, và tính lượng công thực hiện trên nó bởi lực điện khi nó đi từ điểm A đến điểm B dọc theo một quỹ đạo nhất định, thì cũng lượng công này sẽ thực hiện trên bất kì hạt tích điện nào khác cùng loại với nó đi theo cùng quỹ đạo đó. Cho dễ hình dung, hãy nghĩ về quỹ đạo bắt đầu từ một cực của pin, đi qua dây tóc của bóng đèn, và kết thúc tại điện cực bên kia. Khi một vật chịu một lực chỉ phụ thuộc vào vị trí của nó (và khi những điều kiện kĩ thuật khác được thỏa mãn), chúng ta có thể định nghĩa năng lượng điện gắn với vị trí của vật đó. Công do lực điện thực hiện trên hạt đó khi nó di chuyển từ điểm A tới điểm B bằng với độ giảm năng lượng điện giữa A và B. Năng lượng điện này là thứ đã chuyển hóa thành những dạng năng lượng khác, như nhiệt và ánh sáng. Vì vậy, chúng ta định nghĩa điện thế nói chung là năng lượng điện trên đơn vị điện tích:
Đó là một số khổng lồ hạt tích điện, nhưng độ giảm năng lượng điện toàn phần sẽ chỉ bằng điện tích tổng cộng của chúng nhân với hiệu điện thế qua đó chúng di chuyển
ΔUđiện = qΔV = (6,5 x 103 C) (1,2 V) = 7,8 kJ
Ví dụ 5. Đơn vị volt-ampere
Chuông cửa thường được đánh giá bằng đơn vị volt-ampere. Sự kết hợp đơn vị này có nghĩa là gì ?
Dòng điện nhân với hiệu điện thế cho đơn vị công suất, P = I ΔV, nên VA thật ra chỉ là một cách ghi watt không chuẩn. Chúng cho chúng ta biết công suất mà chuông cửa yêu cầu.
Ví dụ 6. Công suất tiêu hao bởi pin và bóng đèn
Nếu một pin 9,0 V gây ra dòng 1,0 A chạy qua một bóng đèn, hỏi công suất tiêu thụ là bao nhiêu ?
Điện thế ước tính của pin cho chúng ta biết hiệu điện thế được thiết kế duy trì giữa hai cực của nó.
P = I ΔV = 9,0 A.V = 9,0 (C/s) (J/C) = 9,0 J/s = 9,0 W
Điều đáng kể duy nhất trong bài toán này là đơn vị. Người ta nhanh chóng quen với việc chuyển những kết hợp thông dụng như A.V sang những đơn vị đơn giản hơn.
Ở đây là một số câu hỏi và trả lời về khái niệm điện thế.
Hỏi: OK, vậy thì thật ra điện thế là gì ?
Trả lời: Một dụng cụ giống như pin có điện tích dương và âm bên trong nó đẩy các điện tích khác chạy vòng tròn theo mạch điện ngoài. Pin có điện thế càng cao thì có mật độ điện tích trong nó càng dày, nó sẽ thực hiện công lớn hơn lên từng hạt tích điện chuyển động qua mạch ngoài.
Nhằm để tương tự với hấp dẫn, bạn có thể đặt một bánh guồng tại đáy một thác nước cao hay một thác nước ngắn, nhưng một kg nước rơi qua hiệu thế năng hấp dẫn càng lớn sẽ càng có nhiều năng lượng trao cho bánh guồng ở đáy thác.
Hỏi: Tại sao chúng ta định nghĩa điện thế là năng lượng điện chia cho điện tích, thay vì chỉ định nghĩa nó là một dạng năng lượng điện ?
Trả lời: Người ta trả lời rằng đó là định nghĩa duy nhất làm cho phương trình P = IDV hoạt động. Câu trả lời tổng quát hơn là chúng ta muốn định nghĩa được hiệu điện thế giữa hai điểm bất kì trong không gian mà không cần phải biết trước có bao nhiêu điện tích mà các hạt chuyển động giữa chúng sẽ có. Nếu bạn để một cái pin 9V lên lưỡi của mình, thì các hạt tích điện đi qua lưỡi của bạn và mang cho bạn cảm giác ngứa ran không phải là các electron mà là các ion, chúng có thể có điện tích +e, - 2e, hay bất cứ giá trị thực nào khác. Nhà sản xuất có lẽ mong đợi pin được sử dụng chủ yếu trong mạch điện với dây kim loại, trong đó các hạt tích điện chạy thành dòng là các electron với điện tích – e. Nếu dòng hạt tích điện chạy qua lưỡi bạn có điện tích – 2e, thì hiệu thế năng của chúng sẽ lớn gấp đôi, nhưng chia cho điện tích – 2e của chúng theo định nghĩa sẽ vẫn cho kết quả là 9 V.
Hỏi: Có phải có hai vai trò tách biệt cho các hạt tích điện trong mạch điện, một loại vẫn dẫm chân tại chỗ và tác dụng lực, và loại kia thì chuyển động dưới tác dụng của những lực đó ?
Trả lời: Không. Mỗi hạt tích điện đồng thời đảm nhận cả hai vai trò. Định luật III Newton nói rằng bất cứ hạt nào có lực điện tác dụng lên nó cũng phải tác dụng một lực điện trở lại hạt kia. Không hề có “kẻ di chuyển chỉ định” hay “kẻ tác dụng lực chỉ định”.
Hỏi: Tại sao định nghĩa điện thế chỉ nói tới hiệu điện thế ?
Trả lời: Hoàn toàn OK để định nghĩa điện thế là V = Uđiện/q. Nhưng nhắc lại, chỉ có hiệu năng lượng tương tác, U, là có ý nghĩa vật lí trực tiếp. Tương tự, hiệu điện thế thật sự có ích hơn điện thế tuyệt đối. Volt kế đo hiệu điện thế, chứ không đo điện thế tuyệt đối.
Câu hỏi thảo luận
A. Con lăn là một dạng giống như mạch điện, nhưng nó sử dụng lực hấp dẫn tác dụng lên xe hơi thay cho lực điện. Cái gì đóng vai trò điện thế cao trong trường hợp con lăn ? Còn dòng điện cao chạy qua con lăn là cái gì ?
B. Bình luận những phát biểu sau:
“Anh ta chạm trúng dây dẫn, và 10.000 V đi qua anh ta”.
“Chiếc pin đó có điện tích 9 V”.
“Bạn đã dùng hết điện tích của pin”.
C. Khi bạn để một chiếc pin 9 V chạm vào lưỡi mình, cả điện tích dương và điện tích âm đều đi qua nước bọt của bạn. Các ion đó đi theo đường nào ?
D. Có một lần tôi chạm trúng một mẫu thiết bị vật lí được nối dây không đúng cách, và nhận một hiệu điện thế vài nghìn volt qua tay mình. Cái gì là nguyên nhân gây sốc không đủ sức làm hại đến tôi ?
Còn tiếp...
