Sự Quan Trọng của Việc Học Và Nghiên Cứu Về Điện
Thật khó để tưởng tượng rằng một thế giới không có điện. Nó chạm và ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày của mỗi chúng ta theo hàng trăm cách khác nhau. Chúng ta thấy việc sử dụng điện trực tiếp trong các ngôi nhà để thắp chiếu sáng, vận hành các thiết bị, điện thoại, tivi, radio, dàn âm thanh nổi stereo, hệ thống thiết bị sưởi ấm, v.v. Chúng ta thấy việc sử dụng điện trong giao thông vận tải. Điện đã được sử dụng trong việc sản xuất hầu hết các đồ vật dụng mà chúng ta sử dụng trực tiếp hoặc để vận hành các máy móc sản xuất hoặc chế biến, xử lý các sản phẩm mà chúng ta cần. Nếu không có điện, hầu hết những thứ chúng ta sử dụng và tận hưởng đến ngày hôm nay sẽ không thể có được.
Lịch Sử Ban Đầu Về Điện
Từ điện xuất phát từ tiếng Hy Lạp cổ có nghĩa là hổ phách -“elektron”. Người Hy Lạp thời kỳ đầu đã quan sát thấy rằng khi cọ xát hổ phách (một loại nhựa hóa thạch) với một miếng vải, nó sẽ hút các mảnh vật chất như lá khô. Sau đó, các nhà khoa học chứng tỏ chỉ ra rằng rằng đặc tính lực hút này xuất hiện ở các vật liệu khác như cao su và thủy tinh nhưng không xảy ra với các vật liệu như đồng hoặc sắt. Những vật liệu có đặc tính hút này khi cọ xát với một miếng vải được mô tả là bị tích điện, và người ta nhận thấy rằng một số vật liệu tích điện này bị một mảnh thủy tinh tích điện hút và một số khác thì bị đẩy. Benjamin Franklin gọi hai loại điện tích (hoặc điện “electricity”) này là dương và âm. Bây giờ chúng ta biết, như bạn sẽ biết, rằng cái thực sự được quan sát là sự dư thừa hoặc sự thiếu hụt các hạt gọi là electron trong vật liệu.
Đôi khi, nhiều nhà khoa học khác nhau phát hiện ra rằng điện dường như hoạt động một cách ổn định và có thể dự đoán được trong một tình huống nhất định cụ thể nào đó. Những nhà khoa học này mô tả hành vi này dưới dạng các quy tắc hoặc định luật. Những luật này. cho phép chúng ta dự đoán điện sẽ hoạt động như thế nào mặc dù ngày nay chúng ta vẫn chưa biết bản chất chính xác của nó. Bằng cách học các quy tắc hoặc định luật áp dụng cho hoạt động của điện, cũng như bằng cách học các phương pháp sản xuất, điều khiển và sử dụng nó, bạn sẽ học được điện là gì.
Lý Thuyết Electron (Lý Thuyết Hạt Điện Tử)
Tất cả các hiệu ứng hoặc mọi tác dụng của điện xảy ra do sự tồn tại của một hạt cực nhỏ gọi là Electron. Vì chưa ai thực sự nhìn thấy được một electron (một hạt điện tử), mà chỉ thấy được các hiệu ứng mà nó tạo ra, nên chúng ta gọi các quy luật điều chỉnh chi phối hành vi của nó là lý thuyết về electron. Lý thuyết về electron không chỉ là cơ sở cho thiết kế của tất cả các thiết bị điện và điện tử, mà nó còn giải thích các hoạt động hiện tượng vật lý và hiện tượng hóa học, đồng thời giúp các nhà khoa học khám phá bản chất thực sự của vũ trụ và cuộc sống của chính mình.
Vì việc giả định rằng electron tồn tại đã dẫn đến rất nhiều khám phá quan trọng về điện, điện tử, hóa học và vật lý nguyên tử, nên chúng ta có thể giả định một cách an toàn, an tâm rằng electron thực sự tồn tại. Tất cả các thiết bị điện và điện tử đều được thiết kế dựa theo lý thuyết này. Vì lý thuyết electron luôn có tác dụng hoạt động hiệu quả với mọi người nên nó cũng sẽ luôn có tác dụng hoạt động hiệu quả đối với bạn.
Toàn bộ nghiên cứu của bạn về điện sẽ dựa trên lý thuyết electron, lý thuyết này giả định rằng tất cả các hiệu ứng điện và điện tử là do sự chuyển động của các hạt electron từ nơi này sang nơi khác hoặc có quá nhiều hoặc có quá ít hạt electron ở một nơi cụ thể.
Theo lý thuyết về electron, tất cả các hiệu ứng điện và điện tử đều do sự di chuyển của electron từ nơi này đến nơi khác hoặc do có quá nhiều hoặc quá ít electron tại một nơi cụ thể, vào một thời điểm nhất định.
Trước khi bạn có thể bắt đầu xem xét các lực làm cho các electron chuyển động hoặc tích tụ, trước tiên bạn phải tìm hiểu xem hạt electron là gì.
Tất cả các vật chất đều được cấu thành từ nguyên tử có nhiều kích cỡ, mức độ phức tạp về cấu trúc và trọng lượng là khác nhau. Nhưng tất cả các nguyên tử đều giống nhau ở chỗ bao gồm một hạt nhân – khác với nguyên tử này với nguyên tử khác với hơn 100 nguyên tố hóa học tồn tại trong tự nhiên hoặc do con người tự tạo ra – và có số lượng electron khác nhau chuyển động xung quanh hạt nhân đó.
Chú Thích:
- Nucleus: Hạt nhân
- Electrons: “Hạt điện tử”; “hạt điện”; “hạt cơ bản (hạt không thể phân chia phân tách được nữa)”
Sự Phân Tách của Vật Chất
Một cách tốt để hiểu thêm về bản chất electron là nghiên cứu kỹ lưỡng thành phần của một giọt nước thông thường. Nếu bạn lấy giọt nước này và chia thành hai giọt, sau đó chia một trong hai giọt đó thành hai giọt nhỏ hơn, và lặp lại quá trình này hàng ngàn lần, bạn sẽ có được một giọt nước rất nhỏ. Giọt nhỏ này sẽ rất nhỏ đến nỗi bạn sẽ cần đến kính hiển vi tốt nhất được làm hiện nay để nhìn thấy nó. Tuy nhỏ, giọt nước nhỏ này vẫn giữ nguyên tất cả các đặc tính hóa học của nước. Nếu được kiểm tra bởi một nhà hóa học, anh ta sẽ không thể tìm thấy bất kỳ sự khác biệt hóa học nào giữa giọt nhỏ này và một cốc nước thông thường.
Bây giờ nếu bạn lấy giọt nước nhỏ này và cố chia nó làm đôi nữa, bạn sẽ không thể nhìn thấy nó trong kính hiển vi. Hãy tưởng tượng rằng bạn có sẵn một chiếc siêu kính hiển vi có độ phóng đại gấp nhiều lần so với bất kỳ chiếc kính hiển vi nào hiện có. Kính hiển vi này có thể cung cấp cho bạn bất kỳ độ phóng đại nào bạn muốn, vì vậy bạn có thể đặt giọt nước nhỏ bé của mình bên dưới nó và chia nó thành những giọt nhỏ hơn và nhỏ hơn.
Khi giọt nước được chia thành những giọt nhỏ hơn và nhỏ hơn, những giọt nhỏ này sẽ vẫn có tất cả các đặc tính hóa học của nước. Tuy nhiên, cuối cùng bạn sẽ có một giọt nhỏ đến mức bất kỳ sự phân chia tiếp theo nào cũng sẽ khiến nó mất đi đặc tính hóa học của nước. Phần nước cuối cùng này được gọi là phân tử. Do đó, một phân tử là đơn vị nhỏ nhất mà một chất có thể được chia thành và vẫn giữ được đặc tính của chất đó.
Cấu Trúc của Một Phân Tử
Khi bạn tăng độ phóng đại của kính hiển vi, bạn sẽ thấy rằng phân tử nước được tạo thành từ hai cấu trúc nhỏ giống nhau và một cấu trúc lớn khác biệt so với hai cấu trúc kia. Những cấu trúc này được gọi là nguyên tử. Hai nguyên tử nhỏ giống nhau đó là nguyên tử hydro và nguyên tử lớn, khác biệt là nguyên tử oxy. Khi hai nguyên tử hydro kết hợp với một nguyên tử oxy, bạn có một phân tử nước.
Chú Thích:
- Oxygen Atom: Nguyên tử oxy
- Hydrogen Atoms: Nguyên tử Hydro
Trong khi nước chỉ được tạo thành từ hai loại nguyên tử – oxi và hydro – các phân tử, của nhiều vật liệu có cấu trúc phức tạp hơn. Phân tử xenluloz, là phân tử cơ bản tạo nên gỗ, bao gồm ba loại nguyên tử khác nhau – cacbon, hydro và oxi. Tất cả các vật liệu đều được tạo thành từ các kết hợp khác nhau của các nguyên tử để tạo thành phân tử của vật liệu đó. Chỉ có khoảng 100 loại nguyên tử khác nhau và chúng được biết đến với tên gọi là các nguyên tố (element): oxi, cacbon, hydro, sắt, vàng, nitơ đều là các nguyên tố. Cơ thể con người với tất cả các mô phức tạp, xương, răng, vv., được tạo thành từ chỉ 15 nguyên tố, và chỉ có sáu trong số đó được tìm thấy ở số lượng đáng kể.
Bây giờ bạn đã biết rằng tất cả các vật liệu đều được tạo thành từ các phân tử bao gồm nhiều sự kết hợp khác nhau của khoảng 100 loại nguyên tử khác nhau, bạn sẽ muốn biết tất cả những điều này có liên quan gì đến điện. Hãy tăng thêm độ phóng đại của siêu kính hiển vi tưởng tượng của bạn và kiểm tra các nguyên tử trong phân tử nước. Hãy chọn nguyên tử nhỏ nhất mà bạn có thể nhìn thấy, đó là nguyên tử hydro và kiểm tra nó thật kỹ lưỡng.
Bạn thấy rằng nguyên tử hydro giống như một mặt trời với một hành tinh quay xung quanh nó. Hành tinh này được gọi là electron và mặt trời được gọi là hạt nhân. Electron mang điện tích âm (-), hạt nhân mang điện tích dương (+).
Trong một nguyên tử, tổng số electron mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân bằng chính xác số lượng điện tích dương trong hạt nhân. Các điện tích dương được gọi là proton. Ngoài proton, hạt nhân còn chứa các hạt trung hòa điện gọi là neutron – (giống như proton và electron liên kết với nhau). Các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau chứa số lượng neutron khác nhau bên trong hạt nhân, nhưng số lượng electron quay quanh hạt nhân Luôn Bằng số lượng proton (hoặc điện tích dương) bên trong hạt nhân.
Chú Thích
- Neutrons: “Hạt neutron”; “Hạt không mang điện (hạt không mang điện tích – hoặc +)”
- Electrons: “Hạt electron”; “điện tích âm -“; “hạt điện (hạt diện tử)”; “-“
- Protons: “Hạt proton”; “điện tích dương +”; “+”
Dòng Điện và Điện Tích
Dòng điện (Electric Current):
Tất cả các nguyên tử liên kết với nhau bằng lực hút rất mạnh giữa hạt nhân và các electron của nó. Tuy nhiên, các electron ở quỹ đạo bên ngoài của nguyên tử bị hút vào hạt nhân của chúng ít mạnh hơn so với các electron có quỹ đạo gần hạt nhân hơn.
Trong một số vật liệu nhất định (chúng được gọi là chất dẫn điện), các electron bên ngoài này liên kết yếu với hạt nhân của chúng đến mức chúng có thể dễ dàng bị đẩy ra khỏi hạt nhân hoàn toàn và lang thang ngẫu nhiên giữa các nguyên tử khác.
Những electron như vậy được gọi là electron tự do (free electrons). Chính sự chuyển động có hướng của các electron tự do tạo ra dòng điện.
Điện tích (Electric Charge):
Các electron bị đẩy ra khỏi quỹ đạo của chúng sẽ tạo ra sự thiếu hụt electron trong các nguyên tử mà chúng rời đi và sẽ gây ra sự dư thừa electron tại điểm chúng dừng lại. Một vật liệu thiếu electron sẽ mang điện tích dương (hoặc gọi là tích điện dương); vật liệu có thừa electron thì sẽ mang điện tích âm (hoặc gọi là tích điện âm).
Khi một nguyên tử mất đi một electron, nó sẽ mất điện tích âm. Do đó, phần nguyên tử còn lại không còn cân bằng điện nữa, vì hạt nhân của nó vẫn mang điện tích dương như trước, nhưng một trong các điện tích âm cân bằng đã mất đi. Do đó, nó được tích điện dương (điện tích dương). Vật tích điện dương (điện tích dương) này được gọi là ion dương.
Trong vật liệu rắn, các nguyên tử được giữ cố định bởi cấu trúc tinh thể của vật liệu và do đó không chuyển động như các electron tự do. Tuy nhiên, trong chất lỏng và chất khí, các Ion có thể chuyển động giống như các electron và góp phần tạo nên dòng điện.
Bạn đã biết rằng mọi vật chất đều được tạo thành từ các cấu trúc điện tử và chuyển động của các electron được giải phóng khỏi quỹ đạo bên ngoài của nguyên tử là dòng điện. Trước khi tiến xa hơn trong nghiên cứu về điện, bạn sẽ tìm hiểu làm thế nào dòng điện tử bị giới hạn, bị cản trở ở những nơi nhất định bằng cách sử dụng các vật liệu khác nhau gọi là chất dẫn điện và chất cách điện cũng như về bản chất của điện tích và từ tính. Đây là những ý tưởng rất quan trọng mà bạn sẽ cần cho tất cả các nghiên cứu về điện của mình, vì vậy điều quan trọng là bạn phải học chúng càng sớm càng tốt.
Tóm lại, Ion khá giống với nguyên tử, chỉ khác nếu có nhiều electron trong nguyên tử gọi là Ion dương (nguyên tử dương, điện tích dương | cation) và nếu thiếu hụt electron trong nguyên tử gọi là Ion âm (nguyên tử âm, điện tích âm | anion). Và nếu có đầy đủ electron trong nguyên tử gọi là (nguyên tử, nguyên tử trung hòa, điện tích | neutral).
Tóm Tắt Đánh Giá, Nhìn Lại Về Điện – Vậy Nó Là Gì
Bây giờ hãy dừng lại và xem xét những điều bạn đã tìm hiểu về điện và lý thuyết electron .Sau đó bạn sẽ sẵn sàng để tìm hiểu về chất dẫn điện (conductors), chất cách điện (insulators), chất bán dẫn (semiconductors), điện tích, v.v.
- Phân tử (MOLECULE) – Sự kết hợp của hai hoặc nhiều nguyên tử. Đơn vị nhỏ nhất mà một chất – như nước – có thể được chia ra và vẫn được xác định là chất đó.
- Nguyên tử (ATOM) – Đó là hạt nhỏ nhất của một nguyên tố – như oxy – có thể chia ra và vẫn giữ nguyên các đặc tính ban đầu của nó.
- Hạt nhân (NUCLEUS) – Phần trung tâm và mang điện tích dương của nguyên tử.
- Neutron (NEUTRON) – Các hạt trung tính trong hạt nhân, hoạt động và có tính chất giống như một sự kết hợp của proton và electron.
- Proton (PROTON) – Các hạt mang điện tích dương trong hạt nhân.
- Electron (ELECTRON) – Các hạt rất nhỏ mang điện tích âm, gần như không có khối lượng và quay quanh hạt nhân theo quỹ đạo.
- Hạt electron bị liên kết ràng buộc (BOUND ELECTRONS) – Các electron bị ràng buộc trong quỹ đạo trong một nguyên tử.
- Hạt electron tự do (FREE ELECTRONS) – Là các hạt electron đã rời khỏi quỹ đạo của chúng trong một nguyên tử và tự do di chuyển trong vật liệu.
- Dòng điện (ELECTRIC CURRENT) – Sự di chuyển của các hạt electron tự do.
- Điện tích dương ( POSITIVE CHARGE) – Là khi có thiếu hụt các hạt electron.
- Điện tích âm (NEGATIVE CHARGE) – Khi có thừa hạt electron.
Chú Thích
- (Matter): Vật Chất
- (Many Molecules Visible Matter): Vật chất có thể nhìn thấy được, là nhờ sự tổ hợp của rất nhiều phân tử
- (Molecule Compound): Hợp chất phân tử – (là sự kết hợp của nhiều các nguyên tử lại với nhau)
- (Atom): Nguyên tử – (là đơn vị nhỏ nhất của một nguyên tố, được tạo thành từ hạt nhân “proton + neutron = hạt nhân” và các “electron” xoay quanh hạt nhân)