Dòng điện là gì? Kiến thức CƠ BẢN - Bạn cần biết

Dòng điện là gì?

Dòng điện chính là dòng dịch chuyển có hướng của các hạt mang điện tích thường là các electron trong môi trường nào đó như kim loại, chất điện phân, chất khí hay chất bán dẫn,… Dòng điện lớn hay nhỏ phụ thuộc vào số lượng electron đi qua 1 điểm nhất định trong 1 giây, nếu số lượng này lớn thì dòng điện sẽ lớn. Dòng điện được đo bằng Ampe hoặc amp.

Hay ta có thể hiểu dòng điện một cách đơn giản hơn như sau: Coi dòng điện như dòng nước chảy trong ống, khi đó nước là đại diện cho các điện tích dịch chuyển có hướng, càng nhiều nước thì áp suất càng cao, điện tích cũng vậy.

Trong các mạch điện, dòng điện chính là dòng dịch chuyển của các định tích dương, 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 điện và có chiều ngược với chiều của dòng điện. Theo đó ở các môi trường khác nhau thì các hạt mang điện sẽ có cấu tạo khác nhau tùy vào bản chất vật liệu.

Dòng điện là gì?

Cường độ dòng điện là gì?

Trong dòng điện có rất nhiều thông số khác nhau, trong đó là cường độ dòng điện. Cường độ dòng điện, kí hiệu I chính là lượng điện tích di chuyển qua bề mặt trong 1 đơn vị thời gian. Trong hệ đo lường quốc tế SI, người ta sử dụng Ampe là cường độ để đo dòng điện.

I = Q/t = (q₁+q₂+ q₃+….+q_n)/t

Cường độ dòng điện trung bình trong một khoảng thời gian là thương số giữa điện lượng di chuyển qua bề mặt trong khoảng thời gian tính toán.

I_tb = ΔQ/ Δt

Trong đó:

• Itb : cường độ dòng điện trung bình (A – ampe)
• ΔQ: Điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong Δt (C – Coulomb)
• Δt: Thời gian được xét (s – giây)

Nếu thời gian xét vô cùng nhỏ thì cường độ dòng điện tức thời bằng: I = d_Q/q_t

Cường độ dòng điện không đổi

Cường độ dòng điện không đổi là dòng điện có giá trị không đổi theo thời  gian. Ta có công thức tính cường độ dòng điện không đổi như sau:

I = q/t

Trong đó:

• I: Cường độ dòng điện không đổi (A)
• q: Điện lượng dịch chuyển qua tiết diện phẳng vật dẫn (C)
• t: Thời gian điện lượng chuyển qua tiết diện phẳng vật dẫn

Cường độ dòng điện không đổi

Cường độ dòng điện hiệu dụng

Cường độ dòng điện điện hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là đại lượng có giá trị bằng cường độ của một dòng điện không đổi, khi đi qua cùng 1 điện trở R thì công suất tiêu thụ trong R bởi 2 dòng điện giống nhau. Công thức tính cường độ dòng điện hiệu dụng là:

I = I₀/√2

Trong đó:

• I: Cường độ dòng điện hiệu dung (A)
• I₀: cường độ dòng điện cực đại (A)

Cường độ dòng điện hiệu hụng

Quy ước chiều dòng điện

Chiều dòng điện được quy ước là chiều chuyển dời có hướng của các điện tích dương. Tức là từ cực dương sang cực âm.

Còn trong các mạch điện sử dụng dây dẫn kim loại chiều dịch chuyển của Electron sẽ chuyển ngược chiều với chiều dòng điện trong dây dẫn. Từ cực âm sang cực dương.

Dòng điện trong dây dẫn có thể dịch chuyển theo các chiều khác nhau, trong mạch có dòng điện I thì hướng của dòng điện được quy ước cần đánh dấu bằng mũi tên trong sơ đồ mạch điện Đây chính là hướng tham chiếu của dòng điện I, I có giá trị âm khi dòng điện di chuyển ngược theo hướng tham chiếu.

Quy ước chiều dòng diện

Các loại dòng điện trong thực tế

Trong thực tế, dòng điện được phân thành 2 loại là dòng điện xoay chiều (AC) và dòng điện một chiều (DC). Mỗi loại sẽ có những tính năng, đặc điểm khác nhau.

Dòng điện 1 chiều

Dòng điện 1 chiều có dòng điện tích chỉ theo 1 chiều, được gọi với tên khác là dòng điện DC.

• Độ lớn luôn không đổi và và tần số của dòng điện bằng 0
• Sóng là dạng đường thẳng do không thay đổi chiều
• Được sử dụng trong điện áp thấp, dùng trong các mạch điện tử
• Ứng dụng để chế tạo các loại pin khác nhau như pin mặt tri, pin nhiên liệu, cặp nhiệt điện,…
• Có thể sử dụng bộ chỉnh lưu để biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều

Dòng điện xoay chiều

Dòng điện 1 chiều có dòng điện tích ngược lại chiều tuần hoàn, được gọi với tên khác là dòng điện AC với các đặc điểm riêng như sau:

• Có khả năng đổi chiều theo chu kỳ
• Bắt đầu từ 0→ tăng cực đại → giảm về 0 → đổi chiều và đạt cực đại theo chiều ngược lại → trở về giá trị ban đầu (Chu kì này được lặp lại vô hạn)
• Sóng dạng hình sin, hình tam giác, hình vuông, hình răng cưa,…(phổ biến nhất là hình sin) – là dạng sóng lặp lại, không quan trọng về hình dạng sóng
• Dòng điện xoay chiều được tạo ra từ máy phát điện xoay chiều
• Dòng điện xoay chiều có tính ứng dụng vô cùng lớn trong đời sống

Dòng điện một chiều và xoay chiều

Tốc độ của dòng điện

Xét chung thì dòng điện chạy theo 1  hướng tuu nhiên các điện tích đơn lẻ sẽ có thể chuyển động theo nhiều hình thái khác nhau (như trong kim loại, electron chuyển động dạng ziczac, tuy nhiên tổng thể thì chúng chuyển dịch ngược chiều với điện trường).

Người ta đã nghiên cứu ra công tính tốc độ di chuyển vĩ mô của các hạt điện tích như sau:  

I = n.A.v.q

Trong đó:

• I: Cường độ dòng điện.
• n: Số hạt tích điện trong một đơn vị thể tích.
• A: Diện tích mặt cắt của dây dẫn điện.
• v: Tốc độ di chuyển vĩ mô của các hạt tích điện.
• q: Điện tích của một hạt tích điện.

Tốc độ di chuyển vĩ mô của dòng điện không thể hiện tốc độ truyền thông tin. Tốc độ truyền thông tin của dòng điện trong dây đồng nhanh gần bằng tốc độ ánh sáng. Ví dụ các electron chuyển động trong bóng hình của tivi theo đường gần thẳng với tốc độ khoảng 1/10 tốc độ ánh sáng.

Tốc độ của dòng điện

Các tác dụng của dòng điện trong thực tế

Dòng điện được ứng dụng và trở thành không thể thiếu trong cuộc sống xã hội hiện nay. Dưới đây là các tác dụng nổi bật của dòng điện cũng như ứng dụng của nó trong đời sống.

• Tạo nhiệt: Dòng điện có các hạt mang điện tích chuyển động liên tục, quá trình chuyển động này sẽ sinh ra nhiệt để làm các vật nóng lên. Khả năng này giúp con người nghiên cứu ra nhiều thiết bị khác nhau như bình nóng lạnh, bếp điện từ, lò sưởi, ấm nước điện,…
• Tác dụng chiếu sáng: Dòng điện có tác dụng chiếu sáng trong các bóng đèn hiện nay như các loại đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, đèn led hay các hệ thống tín hiệu đèn.
• Tác dụng hóa học: Dòng điện có trong các môi trường điện phân vì vậy nó được ứng dụng trong công nghiệp để sản xuất các thiết bị sơn tĩnh điện, mạ điện phân, các ngành công nghiệp luyện kim,…
• Tác dụng từ: Trong bất kỳ dòng điện nào đều xuất hiện lực từ tác dụng lên các kim nam châm khi đặt gần chúng, sử dụng để sản xuất các loại thiết bị đo như ampe kế, vôn kế,…
• Tác dụng với sinh lý: Dòng điện có thể chạy được cơ thể con người, động vật. Một số ứng dụng như sử dụng súng bắn điện để áp chế đối tượng của cảnh sát hay dùng trong học như điện tim, điện châm,…

Các tác dụng của dòng điện trong thực tế

Đặc điểm của dòng điện trong các môi trường đặc biệt

Như đã nói ở phần đầu bài viết, dòng điện phụ thuộc vào vật liệu môi trường. Mỗi chất liệu, môi trường khác nhau thì dòng điện sẽ có đặc điểm riêng. Cụ thể:

• Dòng điện trong kim loại: Là dòng dịch chuyển có hướng của electron tự do ngược chiều điện trường. Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt do chuyển động nhiệt của mạng tinh thể cản trở chuyển động có hướng của các Electron. Vì vậy nhiệt độ tăng thì áp suất kim loại tăng, một số kim loại siêu dẫn khi nhiệt độ đột ngột giảm xuống nhỏ hơn 1 nhiệt độ giới hạn nào đó thì điện trở của nó cũng giảm đột ngột về giá trị 0.
• Dòng điện trong chất điện phân: Đây là dòng chuyển dịch của ion dương có hướng lệch theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường. Môi trường này không dẫn điện tốt bằng kim loại, vì mật độ hạt mang điện tích thấp hơn, tốc độ nhỏ hơn do kích thước và khối lượng các ion lớn, bị cản trở chuyển động của các ion do môi trường dung dịch hỗn loạn.
• Dòng điện trong chất khí: Chất khí có bản chất không dẫn điện, muốn chúng có khả năng dẫn điện cần có các tác nhân ion hóa để tạo ra các hạt mang điện tích. Dòng điện trong chất khí là dòng dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm electron ngược chiều điện trường.
• Dòng điện trong chân không: Đây là môi trường lý tưởng, nó không chứa hạt điện tải nào nên không có khả năng dẫn điện. Dòng điện trong chân không là dòng dịch chuyển có hướng của các electron dưới tác động của điện trường. Người ta tạo dòng điện trong môi trường này bằng cách đưa electron vào giữa 2 điện cực trong chân không.
• Dòng điện trong chất bán dẫn: Là dòng electron tự do chuyển dời vào các lỗ trống trong đó lỗ trống chuyển động thuận chiều điện trường, electron ngược chiều điện trường. Chất bán dẫn có điện trở suất có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất của chất bán dẫn tinh khiết cũng giảm mạnh. Tạp chất có trong tinh thể chất bán dẫn ảnh hưởng cực lớn đến tính chất điện.

Cách tạo ra điện hiện nay

Hiện nay, người ta đã nghiên cứu ra nhiều cách khác nhau để tạo ra điện. Sau đây là các cách phổ biến mà bạn có thể tham khảo:

• Sử dụng sức nước (thủy điện): Đây là cách sản xuất điện phổ biến nhất tại nước ta hiện nay. Người ta thực hiện chặn sông lớn bằng các đập với cơ chế sử dụng động năng do sức nước để thành điện năng qua hệ thống dây điện chuyên biệt để đáp ứng và phục vụ cho đời sống con người. Ở nước ta có thể kể đến các công trình thủy điện lớn như Hòa Bình, Sông Đà, Sơn La

Cách tạo ra điện bằng sức nước

• Sử dụng lực gió (phong điện): Sử dụng sức gió tự nhiên để tạo ra dòng điện xoay chiều với các tuabin gió cỡ lớn, gió tác dụng làm quay cánh quạt để sinh điện với nguyên lý biến đổi cơ năng thành điện nay. Hiện nay tại Việt Nam cũng đã áp dụng phương pháp này như Điện Gió Bình Thuận, Cà Mau,…

Cách tạo ra điện bằng sức gió

• Sử dụng năng lượng mặt trời: Lắp đặt các tấm pin mặt trời để hấp thụ năng lượng trực tiếp từ ánh sáng mặt trời. Chúng thiết kế với các tế bào quang điện làm từ Silicon để biến đổi ánh sáng thành điện năng, tạo ra dòng điện 1 chiều.

Cách tạo ra điện bằng mặt trời

• Sử dụng máy phát điện: Thiết bị chạy bằng xăng, dầu thông qua việc làm động cơ quay tạo ra nguồn điện phục vụ mục đích sinh hoạt và sản xuất của con người.

Cách tạo ra điện bằng máy phát điện

• Tạo điện bằng phản ứng hạt nhân (điện hạt nhân): Đây là cách tạo ra điện mới, tạo ra các phản ứng phân hạch để tạo ra điện, tuy nhiên phương pháp này cũng tiềm ẩn các nguy cơ rủi ro như vụ nổ nhà máy điện hạt nhân đã xảy ra tại Nhật Bản.

Cách tạo ra điện bằng điện hạt nhân

Lưu ý các nguy hiểm từ dòng điện mà bạn nên tránh

Dòng điện mang đến các lợi ích cho con người tuy nhiên chúng có thể trực tiếp ảnh hưởng gây nguy hiểm đến tính mạng chúng ta khi ở mức điện áp cao. Dòng điện có thể đi qua cơ thể gây các phản ứng, triệu chứng khác nhau tùy vào cường độ:

• 1 mA: Gây cảm giác đau nhói tại vị trí tiếp xúc với dòng điện
• 5 mA: Cảm giác bị giật nhẹ
• 50 – 150 mA: Khiến phân hủy cơ, suy thận dẫn đến tử vong
• 1 – 4 A: Bị rối loạn lưu thông máu,, rối loạn nhịp tim
• 10 A: Là mức nguy hiểm có thể dẫn đến chết người nhanh

Chính vì các nguy cơ mất an toàn về dòng điện như kể trên thì bạn cần sử dụng các thiết bị bảo vệ mạch điện như cầu chì, cầu dao đóng  rò giật, MCB, MCCB, RCBO, RCCB,… giúp bảo vệ an toàn cho con người đặc biệt các gia đình có trẻ em, trách các sự cố ngắn mạch, quá tải gây chập cháy và hư hại thiết bị.

Tóm lại, trên đây là thông tin chi tiết giải đáp vấn đề dòng điện là gì, cường độ dòng điện cũng như tác dụng của chúng trong thực tế. Hãy tiếp tục theo dõi AME Group trong các bài viết tiếp theo để nhận được các thông tin hữu ích nhất!