Điện Là Phương Tiện Truyền Tải Năng Lượng【Electricity Is the Means for Transporting Power】
Chúng ta đã hiểu về bản chất điện tử trong vật chất và điện là dòng chuyển động của các electron từ nơi này sang nơi khác hay sự tích tụ các electron trên một vật tích điện. Rõ ràng, hầu hết các vật liệu đều có sự cân bằng về điện. Điều cần thiết là một nguồn năng lượng bên ngoài để duy trì sự dư thừa và/hoặc thiếu hụt điện tử (electron) khi có dòng điện chạy qua. Bằng cách cung cấp năng lượng bên ngoài đúng cách cho đúng thiết bị, chúng ta có thể tạo ra điện. Mặt khác, bằng cách cung cấp điện cho đúng thiết bị, chúng ta có thể chuyển đổi năng lượng của điện sang các dạng hữu ích khác như cơ năng (mechanical power) từ động cơ, nhiệt (heat) từ các thiết bị, ánh sáng từ đèn, v.v. Do đó, điện có thể được coi là phương tiện thuận tiện để vận chuyển và phân phối điện. Ví dụ, năng lượng từ thác nước có thể được khai thác bằng máy phát điện để tạo ra điện năng (electric power) được truyền tải qua đường dây truyền tải hàng trăm km đến thành phố, nơi nó được sử dụng để cung cấp năng lượng cơ học, ánh sáng, nhiệt, làm mát và các đồ vật dụng cần thiết khác. Tóm lại, khi sử dụng dòng điện này, chúng ta đang thực sự tận dụng (hay là dựa vào) sức mạnh của dòng nước đang chảy.
Chú Thích
- (Generating station): Nhà Máy Phát Điện
- (Substation): Trạm Biến Áp (trạm chuyển đổi điện)
- (Transmission lines): Đường Dây truyền tải Điện
- (homes): Nhà
- (commercial): khu thươnng mại buôn bán
- (industrail plants): Nhà Máy Công Nghiệp
Điện Được Sản Xuất Như Thế Nào【How Electricity ls Produced】
Điện được sản xuất chủ yếu thông qua sự tương tác giữa các dây dẫn (conductor) với từ trường. Đây là nguồn điện phổ biến nhất và thực tế, là nguồn chính cho hầu hết năng lượng điện mà chúng ta đang sử dụng. Ngoài ra, nguồn điện phổ biến thứ hai là từ quá trình hóa học, phổ biến nhất là pin. Các nguồn năng lượng khác (theo thứ tự quan trọng giảm dần), cũng được sử dụng để tạo ra điện, bao gồm: ánh sáng, nhiệt, áp suất và ma sát. Hãy nhớ rằng, việc sản xuất điện là quá trình chuyển đổi các dạng năng lượng khác thành hiệu điện thế (sự chênh lệch) cần thiết để tạo ra dòng điện.
Chú Thích
- (Heat): Nhiệt
- (Pressure): Áp lực (lực đẩy, lực nén)
- (Friction): Ma sát
- (Magnetism): Từ tính (từ trường)
- (Mechaical power): Năng lượng cơ học (chuyển động cơ học)
- (Chemical action): Tác Động Hóa Học
- (Light): Ánh sáng
Các Ứng Dụng Của Điện【Uses of Electricity】
Điện, trong khi đó, có thể được sử dụng để tạo ra những hiệu ứng tương tự như hiệu ứng ban đầu được sử dụng để tạo ra dòng điện đó (ví dụ: nhiệt tạo ra điện, điện tạo ra nhiệt), ngoại trừ ma sát. Các ứng dụng thông thường của điện (theo thứ tự ngược lại) là: công suất cơ học từ động cơ (làm cho động cơ chuyển động), hoạt động hóa học, ánh sáng, nhiệt, và áp lực (áp suất); và để vận hành các thiết bị điện tử khác.
Chú Thích
- (Heat): Nhiệt
- (Pressure): Áp lực (lực đẩy, lực nén)
- (Friction): Ma sát
- (Magnetism): Từ tính (từ trường)
- (Mechaical power): Năng lượng cơ học (chuyển động cơ học)
- (Chemical action): Tác Động Hóa Học
- (Light): Ánh sáng
Sản Xuất Điện Từ Lực Ma Sát (Tĩnh Điện)【Electricity Produced from Frictional Energy (Static Electricity)】
Mặc dù điện từ ma sát (frictional electricity) không phải là phương pháp quan trọng nhất trong việc tạo ra điện, nhưng nó vẫn có giá trị để nghiên cứu vì có một số ứng dụng hữu ích và quan trọng trong việc hiểu về điện tích (electric charges). Bạn đã biết trước đó rằng tĩnh điện (hoặc điện từ ma sát) có thể được tạo ra bằng cách cọ xát giữa một số vật liệu khác nhau lại với nhau. Và nguồn năng lượng trong trường hợp này là từ các cơ trên cánh tay của bạn, từ đó gây ra sự phân tách các điện tích. Một trong những ứng dụng của điện từ ma sát (tĩnh điện) là trong một thiết bị dùng trong nghiên cứu nguyên tử (atomic research) gọi là máy phát Van de Graaff (Van de Graf generator), sẽ tạo ra những tia sét cực nhỏ. Ngoài ra, điện từ ma sát (tĩnh điện) cũng thường gây ra những sự phiền toái không hề nhỏ như đã đề cập trước đó.
Mặc dù hiện nay chúng ta ít khi tạo ra tĩnh điện bằng ma sát để sự dụng, nhưng tĩnh điện lại có một số ứng dụng quan trọng. Trong đó, ứng dụng quan trọng nhất là sử dụng tĩnh điện trong các thiết bị lọc bụi tĩnh điện để loại bỏ carbon, tro bay và các hạt khác khỏi khí thoát ra từ ống khói. Quy trình này hoạt động bằng cách đưa các hạt mang điện tích một cực khi chúng bắt đầu di chuyển lên trên ống khói, sau đó thu hút chúng đến các bề mặt tập hợp có điện tích một cực tính ngược lại ở phía trên ống khói. Nhờ vào điều này, hầu hết chất rắn trong khói có thể được loại bỏ. Các kỹ thuật như vậy đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát ô nhiễm không khí từ các nhà máy công nghiệp.
Một ứng dụng quan trọng khác của tĩnh điện là trong việc phát triển các máy photocopy (xerographic copier) – như Xerox, IBM, vv. Hiệu ứng tĩnh điện được sử dụng trong quá trình in bản sao của các bản gốc tài liệu.
Một ứng dụng hữu ích khác của tĩnh điện là trong quá trình sơn tĩnh điện (electrostatic painting) được phát triển bởi Tập đoàn Ransburg, để sơn trên các cơ sở dây chuyền lắp ráp, với khối lượng lớn, ngay cả những vật thể có hình dạng bất thường không đều như thân ô tô, tủ lạnh, v.v..
Điện Tạo Áp Lực / Áp Lực Tạo Ra Điện【Electricity Produced from Pressure/Pressure Produced from Electricity】
Điện được tạo ra từ áp lực được gọi là điện piezoelectric (áp điện), được tạo ra bởi một số loại vật liệu đá tinh thể. Tinh thể là sự sắp xếp gọn gàng của các nguyên tử, khác với các vật liệu không có tinh thể (vật liệu không kết tinh | noncrystalline materials) mà các nguyên tử trong đó được sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Trong tự nhiên, có nhiều vật liệu tinh thể tồn tại và nhiều vật liệu tinh thể khác có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Vật liệu tinh thể có thể là các nguyên tố tinh khiết hoặc là hợp chất. Hai ví dụ về tinh thể tự nhiên là thạch anh, chính là thành phần chính của cát biển thông thường, và kim cương, là dạng tinh thể của carbon. Các vật liệu phổ biến nhất được sử dụng để tạo ra điện piêzoelectric (áp điện) là thạch anh, barium titanate (một loại gốm), và muối Rochelle.
Khi một tinh thể được làm từ các vật liệu này được đặt giữa hai tấm kim loại và áp lực (lực) được áp dụng (tác động) lên các tấm, một lượng điện tích (electron) sẽ được tạo ra. Kích thước (độ lớn) của điện tích phụ thuộc vào lực được áp dụng.
Chú Thích
- (Electricity from mechanical or sound pressure): Tạo ra điện từ áp lực (lực) cơ học hoặc âm thanh
- (pressure accoustical or mechanical from electricit): Tạo ra áp lực (lực) âm thanh hoặc cơ học từ điện
Mặc dù sử dụng áp lực làm nguồn điện (điện áp piezoelectric) thường chỉ áp dụng cho các ứng dụng có công suất rất thấp (thiết bị tiêu thụ điện thấp), nhưng bạn có thể thấy nó xuất hiện trong nhiều loại thiết bị khác nhau. Microphone tinh thể (Crystal microphones), bộ chuyển đổi âm thanh tinh thể (crystal phonograph) và thiết bị sonar đều sử dụng tinh thể để tạo ra điện tích từ áp lực. Trong những ứng dụng này, năng lượng cơ học được truyền từ áp lực âm thanh hoặc năng lượng âm thanh di chuyển một chiếc màng ngăn được ghép kết nối cơ học với tinh thể. Hoặc, trong trường hợp của bộ chuyển đổi âm thanh tinh thể, chuyển động của kim phono được kết nối với tinh thể. Ngược lại, nếu một điện tích được áp dụng qua các tấm kim loại, tinh thể sẽ biến dạng hoặc thay đổi hình dạng của nó, tạo ra năng lượng âm thanh hoặc cơ học. Đây là nguyên lý sử dụng trong tai nghe tinh thể (crystal headphones). Những nguồn và ứng dụng này hoàn toàn liên quan đến thiết bị điện tử và sẽ không được thảo luận thêm trong nghiên cứu về điện của chúng ta.
Sản Xuất Điện Từ Nhiệt Độ (Lạnh và Nóng)【Electricity Produced from Heat (and Cold)】
Khi một đoạn kim loại dài như đồng được nung nóng ở một đầu, các electron sẽ di chuyển ra khỏi đầu nóng – về phía đầu nguội (mát) hơn. Mặc dù điều này đúng với hầu hết các vật liệu, nhưng một số vật liệu như sắt lại hoạt động theo cách khác; nghĩa là các electron sẽ chảy về phía đầu nóng. Vì vậy, nếu xoắn một sợi dây sắt và một sợi dây đồng để tạo thành một nút nối và nút nối đó bị đốt đun nóng, dòng electron sẽ tạo ra một sự chênh lệch điện tích giữa hai đầu tự do của các dây. (Cũng cần lưu ý rằng nếu áp dụng lạnh, các electron sẽ di chuyển, nhưng theo hướng ngược lại.) Trong hình minh họa – năng lượng, được cung cấp dưới dạng nhiệt từ ngọn lửa.
Chú Thích
- (Hot Juntion): Nút nóng – (là một điểm nối hoặc vùng có nhiệt độ cao)
- (Cold juntion): Nút lạnh – (là một điểm nối hoặc vùng có nhiệt độ thấp)
- (Copper Wire): dây đồng
- (Iron Wire): dây sắt
- (Bugner): đèn đầu đốt
- (Electron flow): dòng chảy electron
- (Charge difference): Sự chênh lệch điện tích (electron)
Lượng điện tích sinh ra phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa điểm nối và đầu đối diện của hai dây. Sự chênh lệch khác biệt nhiệt độ lớn, thì lượng điện (điện tích) tạo ra càng nhiều.
Một điểm nối như vậy, được gọi là cặp nhiệt điện (thermocouple) và sẽ tạo ra điện miễn là có nhiệt được cung cấp. Mặc dù có thể sử dụng dây bện xoắn để tạo thành cặp nhiệt điện (thermocouple), nhưng cặp nhiệt điện (thermocouple) hiệu quả hơn được chế tạo từ hai miếng kim loại khác nhau, được ghép bằng đinh tán (đóng đinh) hoặc hàn lại với nhau.
dòng điện tăng khi nhiệt độ của điểm nối tăng lên, cặp nhiệt điện (thermocouple) có thể dùng để đo nhiệt độ khi kết nối với một thiết bị chỉ báo phù hợp (thiết bị được sử dụng để hiển thị hoặc báo cáo giá trị nhiệt độ từ cặp nhiệt điện). Điều này thường được dùng trong các đồng hồ đo nhiệt độ của động cơ ô tô. Nhiều cặp nhiệt điện có thể kết hợp với nhau để tạo thành máy phát nhiệt điện (pin nhiệt, pin nhiệt điện | thermoelectric generator) hoặc nhiệt điện (thermopile). Nhiệt điện kế (thermopile) được sử dụng để đo nhiệt độ bên trong lò nhiệt độ cao; cũng như trong thiết bị ngắt gas dự phòng trong lò gas gia đình để đóng van gas nếu ngọn lửa mồi tắt. Các máy phát nhiệt điện (thiết bị phát điện từ nhiệt | thermoelectric generator) này sử dụng vật liệu bán dẫn ngày càng trở nên phổ biến hơn để thay thế pin, đặc biệt là trong các ứng dụng quân sự. Ưu điểm chính của chúng là cung cấp năng lượng liên tục khi nguồn nhiệt được bật. Nhược điểm chính của chúng là không thể cung cấp nhiều năng lượng điện ở các kích thước lớn hơn và không hiệu quả lắm.
Nhiệt Được Tạo Ra Từ Điện【Heat Produced from Electricity】
Mỗi khi dòng điện chạy qua một sợi dây không phải là dây dẫn điện hoàn hảo, luôn có một lượng nhiệt được tạo ra. Điều này là do một phần năng lượng điện bị mất thất thoát hoặc được sử dụng hết dưới dạng nhiệt khi dòng điện truyền qua. Các vật liệu dẫn điện tốt tạo ra ít nhiệt hơn, mặc dù vẫn có một ít chút nhiệt – vì dòng điện dễ dàng chạy qua dây dẫn. Ngược lại, các vật liệu dẫn điện kém – như nichrome, một hợp kim của niken và crom thường được sử dụng để chế tạo các bộ phận làm nóng – tạo ra rất nhiều nhiệt khi dòng điện chạy qua. Ví dụ, đồng có khả năng dẫn điện tốt gấp khoảng 60 lần so với nichrome. Do đó, chúng ta sử dụng đồng khi muốn truyền cung cấp điện với mức tổn thất tối thiểu; và nichrome, khi chúng ta muốn tạo ra nhiệt một cách hiệu quả.
Mọi thiết bị gia đình hàng ngày như bàn là, lò nướng, lò nướng bánh mì, máy sấy, chăn điện, và các loại máy sưởi khác đều sử dụng hiệu ứng làm nóng từ điện.
Điện Được Tạo Ra Từ Ánh Sáng【Electricity Produced from Light】
Điện có thể được tạo ra (hoặc điều khiển) bằng cách sử dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng. Điều này xảy ra khi các chất như kali, natri, germani, cadmium, Caesium, selen và silicon phát ra electron, khi bị kích thích bởi ánh sáng trong điều kiện thích hợp. Sự phát ra electron này được gọi là hiệu ứng quang điện (photoelectric effect).
Hiệu ứng quang điện được sử dụng theo ba cách. Ánh sáng gây ra hiện tượng phát xạ quang điện (hiện tượng quang điện ngoài | photoemission); ánh sáng chiếu vào làm cho một bề mặt phát ra các electron được tập hợp lại để tạo thành dòng điện. Ánh sáng cũng có thể gây ra sự thay đổi về mức độ dẫn điện của vật liệu. Điều này được gọi là hiệu ứng quang dẫn (photoconductive effect) . Hiệu ứng thứ ba là hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect); năng lượng từ ánh sáng chiếu vào được chuyển trực tiếp thành dòng electron. Mặc dù các hiệu ứng quang dẫn (photoconductive) và phát xạ quang điện (photoemissive) rất hữu ích, đặc biệt trong các hệ thống điện tử, nguồn duy nhất tạo ra lượng điện đáng kể từ ánh sáng liên quan đến nguyên lý hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect). Pin mặt trời được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các phương tiện không gian và vệ tinh thuộc loại này.
Chú Thích
- (light source): Nguồn ánh sáng
-
(Transparent conducting frontplate): Tấm bảng mặt trước dẫn điện trong suốt
- (Oxide layer): Lớp oxit
- (Metal backplate):Tấm bảng kim loại phía sau
- (Photovoltaic cell): pin quang điện, Tế bào quang điện, tấm pin năng lượng mặt trời
- (Solar cell): pin năng lượng mặt trời, tấm pin năng lượng mặt trời
Hầu hết các tế bào quang điện (Photovoltaic cell) được làm từ selen hoặc silic như vật liệu cơ bản. Tế bào quang điện này có cấu trúc giống như một chiếc bánh sandwich ba lớp, với một tấm nền vật liệu nguyên chất (thường là đồng) được phủ bởi một lớp oxit (selen hoặc silicon dioxide) làm trung tâm của chiếc bánh sandwich và một lớp dẫn điện trong suốt hoặc mờ mờ rất mỏng như mặt sau của chiếc bánh sandwich. Khi ánh sáng đến, nó kích thích và giải phóng các electron từ điểm nối của oxit và tấm phía trước. Những electron này chạy qua mạch bên ngoài và quay trở lại tấm phía sau. Mỗi tế bào quang điện tạo ra một lượng điện rất nhỏ, nhưng nếu làm cho các tế bào quang điện (Photovoltaic cell) lớn hơn để thu được nhiều ánh sáng hơn hoặc kết nối nhiều tế bào quang điện lại với nhau, thì có thể tạo ra một lượng điện đáng kể. Ít nhất, đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử trên vệ tinh và các phương tiện không gian tương tự.
Ánh Sáng Được Tạo Ra Từ Điện【Light Produced from Electricity】
Nhiều vật liệu dẫn kém, như volfram (Vonfram, Wolfram), sẽ tỏa phát sáng màu đỏ và thậm chí trở nên rất nóng khi chúng được làm nóng bởi dòng điện dẫn. Sự tỏa sáng này – còn được gọi là ánh sáng tỏa nhiệt – không chỉ phát ra ánh sáng mà còn phát ra nhiệt. Đèn sợi đốt hoạt động theo cách này để tạo ra phần lớn ánh sáng mà chúng ta thường sử dụng.
Ánh sáng cũng có thể được tạo ra với ít năng lượng điện hơn và không phát ra nhiều nhiệt bằng cách sử dụng huỳnh quang (fluorescence), lân quang (phosphorescence) và điện phát quang (electroluminescence). Các đèn huỳnh quang (fluorescent lights) được sử dụng trong nhà, văn phòng, nhà máy, v.v… chứa một loại khí (argon, hơi thủy ngân, v.v.), khi dẫn điện sẽ tạo ra tia cực tím và một số bức xạ nhìn thấy được. Khi bức xạ này chiếu vào lớp phủ huỳnh quang bên trong ống đèn, nó sẽ phát ra ánh sáng màu. Bằng cách kết hợp (sử dụng hỗn hợp) các vật liệu huỳnh quang (fluorescent materials) có màu sắc khác nhau, chúng ta có thể tạo ra ánh sáng trắng.
Các ống hình ảnh truyền hình tivi (Television picture tubes) hoạt động dựa trên nguyên lý lân quang, trong đó chùm tia điện tử (chùm tia electron) đánh vào một bề mặt được phủ vật liệu phát quang, từ đó phát ra ánh sáng.
Một số nguồn sáng hoạt động dựa trên nguyên lý điện phát quang (electroluminescence), trong đó một vật liệu rắn (solid material) khi dẫn dòng điện sẽ phát ra ánh sáng. Đây là nguyên lý chung hoạt động của đèn LED (thường được làm từ tấm bán dẫn photphua arsenide của gallium). Các thiết bị LED này được sử dụng trong đồng hồ đeo tay kỹ thuật số, màn hình máy tính các loại, máy tính bỏ túi, hệ thống an ninh và các ứng dụng điện tử khác, nơi cần ánh sáng cho các mục đích đặc biệt. Đèn LED có ưu điểm là hoạt động ở mức năng lượng điện thấp (tiêu thụ điện với công suất thấp).
Điện Được Tạo Ra Từ Hoạt Động Phản Ứng Hóa Học【Chemical Action Produced from Electricity】
Pin (batteries) là nguồn điện phổ biến nhất được tạo ra từ hoạt động hóa học. Pin nhiên liệu (fuel cell) là một thiết bị khác được sử dụng để tạo ra điện thông qua phản ứng hóa học. Pin nhiên liệu có ưu điểm là nhẹ và có tuổi thọ cao (sử dụng được lâu), nhưng chi phí rất cao nên hiện chỉ được sử dụng cho các ứng dụng quân sự và tàu vũ trụ. Trong pin nhiên liệu, các loại khí như hydro và oxy được kết hợp trực tiếp để tạo thành nước và năng lượng được giải phóng từ phản ứng này được sử dụng trực tiếp để tạo ra điện. Đối với hầu hết các ứng dụng đòi hỏi nguồn điện di động hoặc khẩn cấp, pin sử dụng năng lượng hóa học (batteries using chemical energy) để tạo ra điện được sử dụng.
Một ắc quy thường được tạo thành từ một số tế bào ( pin | cell) giống nhau được kết nối với nhau trong một bình chứa chung. Chúng ta kết nối các tế bào (pin | cell) như vậy để có được năng lượng nhiều hơn so với một tế bào (pin | cell) đơn lẻ. Do đó, tế bào (cell) là đơn vị cơ bản của ắc quy. Khi bạn tìm hiểu về các tế bào (pin | cell), bạn sẽ biết về ắc quy (batteries). Mặc dù các vật liệu có thể khác nhau cho các loại ắc quy khác nhau, nhưng tất cả các ắc quy đều bao gồm hai tấm kim loại không giống nhau được gọi là các điện cực (electrodes) được ngâm trong một dung dịch điện phân (chất điện ly | electrolyte) có thể là một dạng hỗn hợp nhão (paste) hoặc chất lỏng.
Bạn sẽ gặp ắc quy trong nhiều mạch điện và điện tử. Khi bạn đọc các sơ đồ (diagram) mô tả cách kết nối các mạch này, bạn sẽ nhìn thấy các yếu tố phần tử mạch khác nhau được biểu diễn bằng các biểu tượng đặc biệt gọi là ký hiệu sơ đồ (schematic symbol). Các biểu tượng ký hiệu sơ đồ được sử dụng cho tất cả các loại ắc quy. Không cần thiết phải vẽ tất cả các tế bào (pin | cell) trong sơ đồ nếu chúng ta ghi bên cạnh ắc quy điện thế đầu ra của ắc quy, chẳng hạn như 6 volt.
Tất cả các tế bào (pin | cell) đều có hai điện cực (two electrodes) và một dung dịch điện phân (electrolyte). Điện được tạo ra thông qua các phản ứng hóa học xảy ra giữa các điện cực và dung dịch điện phân. Tế bào (pin | cell) đơn giản nhất, được gọi là tế bào (pin | cell) ướt, bao gồm các thanh kim loại kẽm và đồng làm điện cực, cùng với một dung dịch axit như axit sulfuric và nước làm dung dịch điện phân. Trong tế bào (pin | khô), như trong pin đèn pin, dung dịch điện phân được chuyển thành dạng hỗn hợp nhão (paste) thay vì dạng chất lỏng.
Chú Thích
- (Primary Cell): Pin sơ cấp, pin thường (không nạp lại được)
- (Cell electrodes (plates)): Điện cực tế bào (Tấm điện cực)
- (Negative terminal (Zinc)): Điểm kết nối âm (Kẽm)
- (Positive terminal (Copper)): Điểm kết nối dương (Đồng)
- (Fluid electrolyte (Sulfuric Acid and Water)): Dung dịch điện phân lỏng (Axit sunfuric và Nước)
Chúng ta sẽ thảo luận về chi tiết cách lấy được điện qua phản ứng hóa học sau. Trong tế bào (pin | cell) ở trên, kẽm bị tan chậm trong dung dịch điện phân. Khi các nguyên tử kẽm đi vào dung dịch, chúng để lại các electron trên điện cực kẽm chưa tan. Do đó, điện cực kẽm phát triển một điện tích âm. Bằng một quy trình tương tự, các electron rời điện cực đồng để kết hợp với các nguyên tử hydro, từ dung dịch điện phân axit sunfuric, để tạo thành các nguyên tử hydro trung hòa và một điện tích dương phát triển trên điện cực. Điện cực đồng không bị hòa tan vì nó chỉ cung cấp electron.
Nếu không có gì được kết nối với các cực của tế bào (pin | cell), bạn sẽ thấy các electron bị đẩy lên tấm âm (negative plate) cho đến khi không còn chỗ trống nữa. Chất điện phân (electrolyte) sẽ lấy đủ số electron từ bản dương (positive plate) để bù cho số electron mà nó đẩy lên bản âm. Khi đó cả hai tấm sẽ được nạp điện đầy và không có electron nào chuyển động giữa các tấm.
Bây giờ giả sử bạn nối một sợi dây giữa cực âm và cực dương của tế bào (pin | cell). Bạn sẽ thấy các electron ở cực âm rời khỏi đó và di chuyển qua dây dẫn đến cực dương. Vì bây giờ sẽ có nhiều chỗ hơn trên cực âm, chất điện phân sẽ mang nhiều electron hơn từ bản dương sang bản âm. Chỉ cần các electron rời khỏi cực âm và di chuyển đến cực dương bên ngoài tế bào, chất điện phân sẽ mang các electron từ bản dương sang bản âm bên trong tế bào (pin | cell).
Chú Thích
- (Electron flow is electricity. therefore, the electron flow in the wire is electricity): Dòng electron chính là điện. Điều này có nghĩa là khi có dòng electron trong dây, thì đó cũng chính là dòng điện.
- (Primary cell with plates Connected): Pin sơ cấp, khi có các tấm được kết nối
Một trong những ví dụ phổ biến nhất về tác dụng hoạt động hóa học (chemical action) được tạo ra từ điện là quá trình sạc lại ắc quy ô tô thông thường. Khi tế bào (pin | cell) của ắc quy (pin lưu trữ | storage battery) được sử dụng để tạo ra điện, một phản ứng hóa học diễn ra. Nếu dòng điện chạy qua tế bào (pin | cell) theo hướng ngược lại, phản ứng sẽ chạy theo hướng ngược lại và ắc quy sẽ được sạc lại. Các tế bào (pin | cell) làm điều này được gọi là tế bào thứ cấp (pin thứ cấp | secondary cell). Hầu hết các tế bào thứ cấp được sử dụng trong ắc quy lưu trữ đều là loại axit chì. Trong loại ắc quy này, chất điện phân là axit sunfuric, tấm dương là chì peroxide và tấm âm là chì. Trong quá trình phóng điện của tế bào (pin | cell), axit trở nên yếu hơn và cả hai tấm đều biến đổi hóa học thành chì sunfat. Việc nạp lại sẽ chuyển đổi chì sunfat thành chì nguyên chất trên một tấm và chì peroxit trên tấm kia, và cường độ của chất điện phân axit sulfuric tăng lên. Các loại tế bào (pin | cell) thứ cấp khác sử dụng niken và sắt, niken và cadmium hoặc bạc và kẽm trong chất điện phân kali hydroxit.
Vì lực cơ bản giữ các hợp chất lại là điện, nên không ngạc nhiên khi điện có thể phân hủy các hợp chất hóa học (chemical compounds). Quá trình này được gọi là điện phân (hoạt động điện phân | electrolysis), và nó rất quan trọng trong sản xuất nhiều kim loại (nhôm, đồng, v.v.) và các chất khác. Một ứng dụng quan trọng khác nữa của hoạt động hóa học được tạo ra từ điện là mạ điện (electroplating). Ở đây, ion kim loại được di chuyển đến một điện cực và bám vào nó khi chúng chuyển từ ion sang thành kim loại. Mặc dù chúng ta không nghiên cứu sâu về hoạt động hóa học từ điện trong những nghiên cứu hiện tại, nhưng nó vẫn là một phần quan trọng trong cuộc sống công nghiệp và cá nhân của chúng ta.
Chú Thích
- (Action chemical from electricity): Hoạt động hóa học từ điện
- (Electrolysis): Phản ứng điện phân
- (Electroplating): Mạ điện
- (Recharge a battery): Sạc lại ắc quy
Điện Được Tạo Ra Từ, Từ Trường【Electricity Produced from Magnetism】
Phương pháp phổ biến nhất để sản xuất điện năng là sử dụng từ trường (từ tính | magnetism). Nguồn điện phải có khả năng duy trì hiệu điện thế lớn, vì điện tích được sử dụng để cung cấp năng lượng điện.
Hầu hết năng lượng điện được sử dụng, trừ các thiết bị khẩn cấp và di động chạy bằng pin, đều được tạo ra từ máy phát điện trong nhà máy điện. Máy phát điện có thể được vận hành bằng năng lượng từ nước, tua bin hơi sử dụng hơi nước được làm nóng từ than, dầu, khí hoặc năng lượng nguyên tử, hoặc động cơ đốt trong. Cho dù máy phát điện được vận hành như thế nào, năng lượng điện mà nó tạo ra đều là kết quả của sự tương tác giữa dây dẫn và nam châm bên trong máy phát điện. Hãy nhớ, điện không tự tạo ra năng lượng mà chỉ vận chuyển nó.
Khi dây dẫn di chuyển qua nam châm hoặc nam châm di chuyển qua dây dẫn, điện sẽ được tạo ra trong dây dẫn. Bây giờ bạn sẽ tìm hiểu cách từ tính được sử dụng để tạo ra điện.
Một phương pháp mà từ trường (từ tính) tạo ra điện là thông qua chuyển động của nam châm qua một dây dẫn cố định. Khi bạn kết nối một chiếc đồng hồ cực kỳ nhạy (một thiết bị để chỉ ra dòng điện) qua hai đầu của một dây dẫn đứng yên và sau đó di chuyển một nam châm qua dây đó, kim của đồng hồ sẽ chuyển hướng. Sự chuyển động này, cho thấy rằng điện đã được tạo ra trong dây. Lặp lại chuyển động và quan sát kỹ đồng hồ, bạn sẽ thấy rằng đồng hồ chỉ chuyển động khi nam châm đi qua gần dây dẫn.
Đặt nam châm gần dây dẫn và giữ nó đứng yên, bạn sẽ quan sát thấy đồng hồ không chuyển hướng. Tuy nhiên, việc di chuyển nam châm khỏi vị trí này sẽ làm cho đồng hồ chuyển hướng lệch kim và cho thấy rằng chỉ có nam châm và dây dẫn điện là không thể tạo ra điện. Để làm cho kim đồng hồ chuyển hướng, chuyển động của nam châm qua dây là cần thiết.
Chuyển động là cần thiết vì từ trường (hoặc đường sức từ) xung quanh nam châm chỉ tạo ra dòng điện trong dây, khi từ trường di chuyển qua dây. Khi nam châm và từ trường của nó đứng yên, từ trường không di chuyển dọc theo dây và sẽ không tạo ra sự chuyển động của các electron trong dây.
Chú Thích
- (Moving the magnet past the wire): Di chuyển nam châm qua dây
- (The magnet at rest)Nam châm ở yên (không di chuyển)
Trong quá trình nghiên cứu về tác động của việc di chuyển một nam châm qua một sợi dây dẫn, bạn phát hiện ra rằng: chỉ khi nam châm và từ trường của nó thực sự di chuyển thì mới tạo ra điện. Nếu bạn di chuyển dây dẫn qua một nam châm đứng ở yên, thì bạn sẽ thấy kim đồng hồ chuyển động. Sự chuyển động lệch hướng kim này, chỉ xảy ra khi dây di chuyển trong từ trường.
Để sử dụng từ trường (từ tính | magnetism) để tạo ra điện, bạn có thể di chuyển từ trường qua một dây hoặc di chuyển dây qua từ trường. Trong cả hai trường hợp, việc dây cắt ngang qua các (đường sức hoặc đường từ thông hoặc từ trường) sẽ tạo ra điện. Tuy nhiên, để có nguồn điện liên tục, bạn cần phải duy trì chuyển động liên tục của dây dẫn hoặc từ trường.
Để duy trì chuyển động liên tục, dây hoặc nam châm cần phải di chuyển tới lui không ngừng. Một phương pháp thực tế hơn là làm cho dây di chuyển theo một vòng tròn trong từ trường.
Phương pháp này, của việc tạo ra điện, bằng cách di chuyển dây theo vòng tròn qua nam châm – là nguyên lý cơ bản của máy phát điện (máy phát điện một chiều | dynamo) và là nguồn cung cấp chính, của năng lượng điện.
Chú Thích
- (Moving the wire back and forth over a magnet): Di chuyển dây lên và xuống qua nam châm
- (Wire moving in a circle around the magnet): Dây di chuyển thành hình vòng tròn xung quanh nam châm
Vì điện được tạo ra bằng cách, dây cắt qua các dòng từ thông (đường sức từ | flux line), bạn có thể điều chỉnh lượng điện được tạo ra bằng cách thay đổi cường độ (độ mạnh, yếu) của từ trường hoặc bằng cách cắt nhiều dòng từ thông (đường sức từ | flux line) hơn bằng dây trong thời gian ngắn hơn.
Để tăng lượng điện tạo ra khi di chuyển dây qua nam châm, bạn có thể tăng chiều dài của dây qua từ trường, sử dụng nam châm mạnh hơn hoặc di chuyển dây nhanh hơn. Chiều dài của dây có thể được tăng lên bằng cách cuộn nó thành nhiều vòng để tạo thành một cuộn dây. Khi di chuyển cuộn dây qua nam châm, sẽ có độ lệch di chuyển kim của đồng hồ lớn hơn nhiều, so với khi di chuyển bằng một dây đơn. Mỗi lần cuộn thêm dây sẽ tạo ra một lượng điện tương đương với một sợi dây.
Chú Thích
- (Coil of wire moving past the magnet): Dây được quấn thành cuộn và di chuyển qua nam châm
Khi bạn di chuyển một cuộn dây hoặc một đoạn dây qua một nam châm yếu, sẽ có một dòng điện (dòng electron) yếu được tạo ra. Nhưng nếu bạn di chuyển cùng một cuộn dây hoặc đoạn dây ở cùng tốc độ qua một nam châm mạnh, sẽ tạo ra một dòng điện (dòng electron) mạnh hơn, được biểu thị bằng độ lệch kim của đồng hồ. Tăng tốc độ di chuyển cũng tạo ra một dòng điện (dòng electron) lớn hơn. Trong quá trình sản xuất điện, đầu ra của máy phát điện thường được điều khiển bằng cách điều chỉnh (1) cường độ của nam châm hoặc (2) tốc độ quay của cuộn dây. Bạn sẽ hiểu rõ hơn về cách từ tính tạo ra điện khi bạn học về máy phát điện.
Chú Thích
- (Increasing speed of coil of wire past the magnet): Tăng tốc độ di chuyển của cuộn dây khi đi qua nam châm
- (Using a stronger magnet): Sử dụng nam châm mạnh hơn
Từ Trường Được Tạo Ra Từ Điện【Review of How Electricity ls Produced】
Từ trường có thể được tạo ra bằng điện, đúng như bạn nghi ngờ, bởi vì bạn biết rằng bạn có thể tạo ra điện từ, từ tính (từ trường). Bất kỳ dây dẫn nào mang dòng điện chảy sẽ hoạt động giống như và trên thực tế là một nam châm. Nếu dây được quấn thành cuộn thì nam châm sẽ mạnh hơn. Nam châm cũng sẽ mạnh hơn nếu dòng điện tăng lên. Vì từ trường phụ thuộc vào dòng điện, nên sẽ không có từ trường nếu loại bỏ (hay ngắt) dòng điện. Loại nam châm tạm thời loại này (Temporary magnets) được gọi là nam châm điện (electromagnets) và hiệu ứng đó gọi là hiện tượng điện từ (electromagnetism).
Chú Thích
- (If the current is interrupted, the magnetic field disappears): Nếu dòng điện bị cắt ngắt, từ trường sẽ biến mất
- (A wire carrying a current produces a magnetic field): Một sợi dây khi có dòng điện chảy qua tạo ra một từ trường
- (Current flow): Dòng điện chảy
- (No current flow): Không có dòng điện chảy
- (Iron flings): Mạt sắt
Tóm Tắt Đánh Giá Lại Cách Tạo Ra Điện【Review of How Electricity Is Used】
Điện là quá trình mà các electron bị đẩy ra khỏi quỹ đạo bình thường của chúng xung quanh hạt nhân nguyên tử. Để làm cho các electron này trở thành nguồn điện, ta cần sử dụng một loại năng lượng. Có sáu loại năng lượng có thể được sử dụng:
- Ma sát (FRICTION) – Điện được tạo ra bằng cách cọ xát hai vật liệu với nhau.
- Áp lực (PRESSURE) – Điện được tạo ra bằng cách sử dụng (áp dụng) áp lực lên một tinh thể của một số vật liệu nhất định.
- Nhiệt độ (HEAT) – Điện được tạo ra bằng cách làm nóng kết nối của một cặp nhiệt điện.
- Ánh sáng (LIGHT) – Điện được tạo ra bởi các vật liệu cảm quang chiếu vào ánh sáng.
- Hóa học (CHEMICAL) – Điện được tạo ra bởi phản ứng hóa học trong pin điện.
- Từ trường (MAGNETISM) – Điện được tạo ra khi một nam châm và một dây dẫn di chuyển so với nhau, gây ra việc cắt qua các đường sức (đường lực từ) từ nam châm. Lượng điện tạo ra phụ thuộc vào: (a) số vòng (số lượt quấn) dây trong cuộn dây; (b) tốc độ chuyển động tương đối giữa cuộn và nam châm; (c) sức mạnh (độ mạnh) của nam châm.
Tóm Tắt Đánh Giá Lại Về Cách Điện Được Sử Dụng【Review of How Electricity Is Used】
Điện (Electricity), (hoặc dòng điện “flow of current”), được sử dụng bởi tất cả chúng ta để thực hiện một số công việc trong tất cả các khía cạnh của cuộc sống hàng ngày, cũng như trong một số cách không rõ ràng. Thông thường khi sử dụng điện, nó được chuyển đổi thành một dạng năng lượng hữu ích nào đó.
- Áp lực (PRESSURE) – Nếu một hiệu điện thế được áp dụng trên các mặt, của một số loại tinh thể nhất định, chẳng hạn như muối Rochelle, thì tinh thể sẽ bị biến dạng và tạo ra áp suất hoặc chuyển động cơ học. Đây là nguyên tắc được sử dụng trong tai nghe tinh thể.
- Nhiệt độ (HEAT) – Khi dòng điện chạy qua một vật dẫn không hoàn hảo, một phần năng lượng sẽ bị tiêu hao để đẩy electron đi qua. Năng lượng này biến thành nhiệt. Các chất dẫn điện kém, không dễ nóng chảy, chẳng hạn như dây nichrome, được sử dụng làm bộ phận làm nóng.
- Ánh sáng (LIGHT) – Khi một lượng dòng điện đủ lớn đi qua một dây dẫn, nó có thể trở nên rất nóng hoặc rực sáng. Đây là cách mà bóng đèn thông thường hoạt động, và nó tạo ra ánh sáng cũng như nhiệt. Để tránh việc sợi đốt bị cháy, sợi đốt được bao bọc trong một bóng đèn có chứa khí trơ. Điện cũng có thể tạo ra ánh sáng thông qua điện phát quang, lân quang và huỳnh quang.
- Tác động hóa học (CHEMICAL) – Điện có thể làm phân hủy các hợp chất hóa học. Đây là nguyên lý của các tế bào thứ cấp (pin thứ cấp | secondary cell) được dùng trong ắc quy lưu trữ. Nó cũng là cơ sở của quá trình mạ điện và hoạt động điện phân.
- Điện từ (ELECTROMAGNETISM) – Dòng điện chảy qua một sợi dây tạo ra một từ trường xung quanh sợi dây trong suốt thời gian dòng điện đang chảy. Hiệu ứng này được gọi là điện từ.