Sự Di Chuyển Của Các Electron【Electrons In Motion】
Bạn đã biết rằng các electron ở lớp quỹ đạo vùng ngoài của nguyên tử, electron không bám chặt vào hạt nhân như những electron ở gần hạt nhân, và có thể dễ dàng bị đẩy ra khỏi quỹ đạo của chúng. Trong một số vật liệu được gọi là chất dẫn điện “conductors” (thường là kim loại, nhưng không phải lúc nào cũng vậy), chỉ cần rất ít năng lượng, để giải phóng các electron này.
Trên thực tế, nhiệt độ phòng thông thường (heat of normal room temperature) đã đủ để làm cho các electron này tự do trong các vật liệu dẫn điện tốt. Kết quả là có một lượng lớn electron tự do trong những vật liệu này.
Hãy nhớ rằng nguyên tử là rất nhỏ, cần có hàng tỷ tỷ tỷ nguyên tử để tạo ra một khối đồng nhỏ. Ví dụ, một khối đồng có kích thước như vậy chứa khoảng một triệu tỷ tỷ tỷ tỷ nguyên tử. Vì vậy, nếu chỉ có một trong mỗi hàng trăm nguyên tử trong khối đồng của bạn, bị nhiệt độ phòng ép buộc nhường một electron, bạn sẽ thấy có một số lượng lớn electron tự do di chuyển ngẫu nhiên qua đồng.
Sự di chuyển ngẫu nhiên của các electron tự do từ một nguyên tử sang nguyên tử khác thường xảy ra đều đặn trong mọi hướng, không làm mất hoặc tạo ra thêm electron trong một phần cụ thể của vật liệu.
Giả sử bạn kéo dài một centimet khối đồng thành một dây đồng và làm một đầu là dương, đầu kia là âm. Tất cả các electron tự do trong dây đồng sẽ được hút về phía đầu dương và bị đẩy ra khỏi đầu âm. Do đó, chúng sẽ di chuyển theo cùng một hướng dọc theo dây, từ đầu âm đến đầu dương.
Sự di chuyển này của các electron tự do trong dây, được gọi là dòng điện (current flow).
Chú Thích
- (Free Electrons In Motion): Các electron tự do đang di chuyển
- (Wire): Dây điện
- (Bound Electrons): Những Electron Bị ràng buộc trong quỹ đạo
Tất cả các electron (âm) đều bị hút bởi điện tích dương và bị đẩy bởi điện tích âm. Chúng luôn di chuyển từ nơi có nhiều electron hơn tới nơi có ít electron hơn.
Một cục pin (electric cell) hoặc bình ắc quy (battery) có đặc tính chính xác là: có quá nhiều electron ở cực âm và thiếu electron ở cực dương. Sự mất cân bằng này được duy trì bằng tác động của hóa học, mà bạn sẽ tìm hiểu sau.
Khi chúng ta kết nối dây qua các cực của một viên pin, ngay lập tức, một lực sẽ ảnh hưởng lên tất cả các electron tự do trong dây. Một số electron sẽ được kéo (hút) ra khỏi đầu dây nối với cực dương của viên pin. Đồng thời, cực âm của viên pin sẽ đẩy thêm nhiều electron tự do vào đầu dây còn lại.
Khi các electron được kéo (hút) ra khỏi một đầu của sợi dây, sẽ dẫn đến thiếu electron (và do đó mang điện tích dương) tại đầu dây đó. Tương tự, khi có nhiều electron bị đẩy bởi một nguồn bên ngoài sang đầu kia của dây, sẽ có dư electron (và do đó mang điện tích âm) ở đầu đó. Tất cả những electron dư thừa này sẽ không chỉ bị đẩy bởi nhau, mà còn được hút bởi điện tích dương ở đầu kia của dây điện.
Như vậy, các electron sẽ di chuyển liên tục từ đầu dây có điện tích âm đến đầu dây có điện tích dương, miễn là có electron được cung cấp vào một đầu dây và được lấy ra khỏi đầu dây kia.
Một ắc quy (là một chuỗi các cục pin ”electric cell” được kết nối với nhau) là một cách tốt để duy trì dòng điện bởi vì, như bạn sẽ học, nó có khả năng cung cấp một dòng luồng electron liên tục đến cực âm của nó, và loại bỏ một dòng electron liên tục từ cực dương của nó – và tiếp tục điều này trong thời gian dài.
Chú Thích
- (The Movement of Electrons Through the Battery and Wire Looks Like This): Sự di chuyển của Electron qua pin và dây trông giống như thế này
- (Chemical Action Forces Electrons to the Negative Plate): Tác động (hoạt động) hóa học, đẩy Electron đến cực âm
Nhân tiện, đừng nghĩ rằng các electron tiếp xúc vật lý trực tiếp với nhau. Bạn biết rằng các điện tích cùng dấu sẽ đẩy nhau và tất cả các electron đều mang điện tích âm. Vì thế, khi một electron đang di chuyển gần một electron khác, electron thứ hai sẽ bị đẩy ra xa bởi điện trường (từ trường của hạt electron | electric field), của electron đầu tiên mà không có sự tiếp xúc giữa hai electron.
Khi dòng điện bắt đầu chảy trong dây dẫn, các electron bắt đầu di chuyển qua dây dẫn cùng một lúc, giống như các toa của một đoàn tàu dài khởi hành và dừng lại đồng loạt.
Nếu một toa tàu di chuyển, nó sẽ kích hoạt toàn bộ đoàn tàu di chuyển cùng một lượng, và các electron tự do trong dây dẫn cũng hoạt động theo cách tương tự. Các electron tự do luôn hiện diện trong khắp dây dẫn, và khi mỗi electron di chuyển một chút, nó tạo ra một lực đẩy lên electron tiếp theo, khiến nó di chuyển một chút và tạo ra lực đẩy cho electron tiếp theo. Hiệu ứng này tiếp tục lan tỏa khắp dây dẫn.
Khi các electron di chuyển ra khỏi một đầu của sợi dây, nó trở thành mang điện tích dương, khiến tất cả các electron tự do trong dây di chuyển theo hướng đó. Sự di chuyển này, xảy ra khắp sợi dây cùng một lúc, đẩy các electron ra khỏi đầu dây kia và cho phép thêm các electron khác vào dây tại điểm đó.
Chú Thích
- (Electrons moving in a wire all start at the same time): Tất cả các electron trong dây bắt đầu di chuyển cùng một lúc.
- (When one electron moves, they all move): Khi một electron di chuyển, tất cả các electron khác cũng đều di chuyển
- (When one car moves, they all move): Khi một toa tàu di chuyển, tất cả các toa tàu khác khác cũng đều di chuyển
Hướng Của Dòng Điện【Direction of Current Flow】
Theo lý thuyết electron (electron theory), dòng điện luôn chảy từ một điện tích âm (-) đến một điện tích dương (+). Do đó, nếu một dây được kết nối giữa các cực của một pin, dòng điện sẽ chảy từ cực (-) đến cực (+).
Trước khi lý thuyết electron về vật chất được phát triển (electron theory of matter), điện đã được sử dụng để vận hành đèn, động cơ, v.v. Điện đã được khai thác nhưng không ai biết chính xác tại sao nó hoạt động. Người ta tin rằng một chất lỏng điện (electric fluid) di chuyển trong dây từ (+) đến (-). Khái niệm này, về hướng dòng điện được gọi là dòng điện truyền thống (dòng điện quy ước | conventional current flow). Bạn sẽ thấy rằng hướng dòng điện truyền thống (conventional current flow) từ (+) đến (-) thường được sử dụng khi làm việc với thiết bị điện và điện tử. Trên thực tế, không quan trọng bạn chọn hướng đi nào, miễn là bạn kiên định nhất quán trong việc giải quyết bất kỳ vấn đề cụ thể nào.
Trong tất cả các nghiên cứu về điện, chúng ta sẽ nhất quán và luôn lấy chiều của dòng điện tử (dòng điện electron | electron flow) làm chiều của dòng điện: tức là dòng điện có chiều từ âm sang dương.
Chú Thích
- (Conventional Current Flow): “Chiều dòng điện truyền thống”; “Chiều dòng điện quy ước”; Chiều dòng điện thông thường”
- (Electron Theory Current Flow): “Chiều dòng điện electron”; “Chiều dòng điện tử”; “Chiều dòng điện theo lý thuyết electron”
Đơn Vị Của Dòng Điện【Units of Current Flow】
Dòng điện, như bạn đã học, là sự di chuyển của các electron qua một vật liệu. Chúng ta đo lường dòng điện bằng cách đo (đếm) số lượng electron chảy qua một điểm nhất định trong một khoảng thời gian nhất định. Vì “coulomb” là đơn vị đo số lượng electron hiện có, chúng ta có thể sử dụng nó làm cơ sở cho việc đo lường dòng điện. 1 coulomb được xác định là khoảng sáu triệu, triệu, triệu electron (hoặc chính xác là 6,289 x 10¹⁸ electron theo thuật ngữ toán học). Đơn vị của dòng điện là ampere, được xác định là: 1 coulomb chảy qua trong 1 giây. Do đó: 1 ampe là khi một coulomb đi qua trong 1 giây (mỗi giây), và 2 ampe là khi 2 coulombs đi qua trong 1 giây (mỗi giây), và cứ thế tiếp tục vậy.
Chú Thích
- (Current is rate of flow): Dòng điện là tốc độ của dòng chảy (1 ampe là dòng chảy điện, có tốc độ 1 coulomb mỗi giây và 2 ampe là dòng chảy điện, có tốc độ 2 coulomb mỗi giây, v.v.)
- (One coulomb per second = one ampere): 1 coulomb mỗi giây = 1 ampe
Không cần thiết phải nhớ số electron trên giây trong một ampe; tuy nhiên, điều quan trọng cần nhớ là các electron chuyển động là dòng điện và ampe là đơn vị đo dòng điện này. Chúng ta sẽ sử dụng khái niệm này trong suốt quá trình nghiên cứu về điện. Nghiên cứu về điện là nghiên cứu ảnh hưởng tác động của dòng điện và kiểm soát điều khiển dòng điện. Biểu tượng ký hiệu “I” được sử dụng trong các phép tính và bản vẽ sơ đồ để chỉ dòng điện. Nó chỉ là một cách viết tắt của dòng điện (current flow). Thường bạn sẽ thấy một mũi tên kèm theo “I” để chỉ hướng của dòng điện.
Tóm tắt Đánh Giá Lại Về Dòng điện【Review of Current Flow】
Dòng điện thực hiện tất cả công việc liên quan đến hoạt động của thiết bị điện, cho dù đó là một bóng đèn đơn giản hay một số thiết bị điện tử phức tạp như một máy thu hoặc máy phát sóng vô tuyến (máy truyền phát sóng radio). Để dòng điện chảy, phải cung cấp một đường dẫn liên tục giữa hai cực của nguồn điện tích. Bây giờ, hãy xem xét lại những gì bạn đã biết về dòng điện.
- Electron tự do (FREE ELECTRONS) – Các electron tự do là các electron ở ngoài cùng của nguyên tử, có thể dễ dàng bị đẩy ra khỏi quỹ đạo của chúng
- Dòng điện (CURRENT FLOW) – Sự di chuyển của electron tự do theo cùng một hướng trong một vật liệu
- Dòng electron (ELECTRON CURRENT)– Dòng điện chảy từ điện tích âm sang điện tích dương
- Dòng điện quy ước (CONVENTIONAL CURRENT) – Dòng điện chảy từ điện tích dương đến điện tích âm
- Ampe (AMPERE) – Đơn vị đo cường độ dòng điện. Nó tương đương với 1 Coulomb mỗi giây (1 ampe = 1 đống electron chảy trong 1 giây)
- I = Dòng điện (I = CURRENT) – “I” biểu tượng được dùng để chỉ dòng điện trong các bản vẽ và công thức tính toán