Dòng điện là gì? Những kiến thức có thể bạn chưa biết

Điện có một vị trí rất quan trọng trong cuộc sống ngày nay. Chúng ta khai thác sức mạnh của điện hàng ngày nhưng có rất nhiều kiến thức về điện mà chúng ta chưa biết. Vậy dòng điện là gì? dòng điện có bao nhiêu loại, nó có tác dụng gì và làm sao để đo được dòng điện.

Bài viết này của Thiết bị điện Goldsun sẽ cung cấp kiến thức cơ bản về dòng điện cũng như giới thiệu dễ hiểu về các vấn đề đó. Cùng theo dõi nhé!

Nguồn gốc và sự phát triển của dòng điện là gì

Từ thời xa xưa, con người đã biết đến dòng điện thông qua các hiện tượng như sấm sét khi trời mưa. Nhưng mãi đến thế kỳ XVII hay XVIII thì các thuyết về dòng điện mới được hình thành và phát triển. Tuy nhiên các thuyết này cũng chỉ giải thích các hiện tượng tự nhiên của dòng điện chứ thực ra chưa có ai áp dụng vào các ứng dụng thực tế như bây giờ.

Cho đến cuối thế kỷ XIX ở rất nhiều quốc gia sẽ có cách sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau để khai thác làm năng lượng điện khiến cho việc dùng điện không còn nhiều khó khăn, trở ngại. Ngày nay điện đang được tạo thành từ 3 nguồn năng lượng chính như:

Nguồn năng lượng đầu tiên phải kể đến chính là năng lượng mặt trời. Bởi vì ánh sáng của mặt trời rất mạnh nên khi con người khai thác và đưa vào sử dụng làm năng lượng điện sẽ rất thuận tiện.

Nguồn năng lượng thứ hai chính là năng lượng gió. Đây cũng là một loại năng lượng rất phổ biến, ngày nay chúng ta thấy có rất nhiều trang trại gió làm theo dạng một cái chong chóng lớn màu trắng với hơn hàng ngàn cái như vậy làm nhiệm vụ thu gió từ tuabin.

Chính nhờ cách này mà tuabin hoạt động và chúng cứ việc quay đều như thế gió được hấp thụ rồi sau đó chuyển hóa thành năng lượng điện, bạn có thể gọi một cách chính xác là tuabin hoạt động như một cái máy phát giúp cho điện được sản xuất ra làm cho đời sống con người cải thiện hơn.

Nguồn năng lượng thứ 3 là cái quan trông nhất và hiện nay cũng được nhiều quốc gia khai thác nhất chính là nguồn năng lượng từ thủy điện. Thường thì năng lượng này dựa vào việc các con đập lớn, nước chảy càng mạnh thì năng lượng điện sản sinh ra càng nhiều và chính điều này mà thủy điện càng ngày càng được quan tâm hơn khi mà các con đập ngày càng bị lão hóa nên cần chú trọng hơn việc sử dụng nước vừa để có nước dùng trong sinh hoạt mà vừa làm cho nước có thể chuyển hóa thành năng lượng điện.

Trên đây là 3 trong số rất nhiều nguồn năng lượng có thể chuyển hóa thành điện năng để giúp cho nhu cầu sử dụng của con người được tốt hơn. Ngày nay năng lượng điện đang được ứng dụng sâu trong tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội từ công nghiệp, xây dựng, dân dụng, giáo dục, giao thông…Và từ đây ngành công nghiệp này được xem như ngành xương sống cho một thế giới hiện đại.

Đến đây thì chắc chắn bạn đã biết dòng điện được hình thành từ đâu rồi phải không nào? Phần tiếp theo chúng ta cùng đi tìm hiểu để đưa ra một khái niệm hoàn chỉnh về dòng điện là gì nhé.

Tìm hiểu về khái niệm dòng điện là gì?

Dòng điện là một dòng các hạt mang điện, chẳng hạn như electron hoặc ion, di chuyển qua một chất dẫn điện hoặc qua một không gian. Nó được đo bằng tốc độ ròng của dòng điện tích qua một bề mặt hoặc vào một control volume.

Các hạt chuyển động được gọi là phần tử mang điện, có thể là một trong nhiều loại hạt khác nhau, tùy thuộc vào chất dẫn điện. Trong mạch điện, hạt mang điện thường là các electron chuyển động trong dây dẫn. Trong chất bán dẫn, chúng có thể là electron hoặc lỗ trống. Trong chất điện li, các hạt mang điện là các ion, trong khi ở plasma, một chất khí bị ion hóa, chúng là các ion và electron.

Đơn vị SI của dòng điện là ampe, hoặc amp (ký hiệu: A), là dòng điện tích chạy qua một bề mặt với tốc độ một coulomb mỗi giây. Dòng điện được đo bằng dụng cụ gọi là ampe kế.

Dòng điện tạo ra từ trường, được sử dụng trong động cơ, máy phát điện, cuộn cảm và máy biến áp. Trong các dây dẫn thông thường, chúng gây ra Joule heating, tạo ra ánh sáng trong bóng đèn sợi đốt. Dòng điện thay đổi theo thời gian phát ra sóng điện từ, được sử dụng trong viễn thông để phát thông tin.

Ví dụ về dòng điện là gì

Sét là một dòng điện mạnh, gồm các ion hay electron di chuyển bởi lực Culông giữa các đám mây mang điện trái dấu, hoặc giữa đám mây tích điện và mặt đất,
Gió Mặt Trời, là các điện tích bay ra từ Mặt Trời, khi rơi vào khí quyển Trái Đất có thể gây ra hiện tượng cực quang.
Trong điện tử học, dòng điện có thể là dòng chuyển động của electron trong dây dẫn điện kim loại, trong các điện trở, hay là dòng chuyển động của các ion trong pin, hay dòng chảy của các hố điện tử trong vật liệu bán dẫn.
Trong plasma, các electron, ion âm và dương có thể di chuyển tự do, và sẽ di chuyển thành dòng, khi nằm trong điện trường.

Quy ước dòng điện là gì

Trong vật liệu dẫn, các hạt tích điện có khả năng dịch chuyển tạo ra dòng điện được gọi là các hạt mang điện. Trong kim loại, chất dẫn điện phổ biến nhất, các hạt nhân tích điện dương không thể dịch chuyển, chỉ có các electron tích điện âm có khả năng di chuyển tự do trong vùng dẫn, do đó, trong kim loại các electron là các hạt mang điện.

Trong các vật liệu dẫn khác, ví dụ như các chất bán dẫn, hạt mang điện có thể tích điện dương hay âm phụ thuộc vào chất pha. Hạt mang điện âm và dương có thể cùng lúc xuất hiện trong vật liệu, ví dụ như trong dung dịch điện ly ở các pin điện hóa.

Dòng điện được quy ước là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích dương, chính vì thế, trong mạch điện với dây dẫn kim loại, các electron tích điện âm dịch chuyển ngược chiều với chiều của dòng điện trong dây dẫn.

Do dòng điện trong dây dẫn có thể dịch chuyển theo bất kì chiều nào, khi có 1 dòng điện I trong mạch, hướng của dòng điện qui ước cần được đánh dấu, thường là bằng mũi tên trên sơ đồ mạch điện. Đây gọi là hướng tham chiếu của dòng điện I, nếu dòng điện di chuyển ngược hướng tham chiếu thì I có giá trị âm.

Khi phân tích dòng điện, hướng thực tế của dòng điện qua một thành phần của mạch điện thường chưa biết. Chính vì thế, hướng tham chiếu cần được nêu rõ. Khi một mạch điện đã được đánh dấu hoàn thiện, giá trị âm có nghĩa dòng điện thực tế ngược với hướng của dòng tham chiếu.

Trong mạch điện, hướng tham chiếu thường được chọn là hướng nối đất. Đa phần các trường hợp thì nó đúng với hướng di chuyển thực tế của dòng điện trong mạch, vì hầu hết các mạch điện, điện thế áp vào mạch là dương so với đất.

Cường độ dòng điện

Cường độ dòng điện qua một tiết diện được định nghĩa là lượng điện tích di chuyển qua tiết diện đó trong một đơn vị thời gian. Nó thường được ký hiệu bằng chữ I, từ chữ tiếng Pháp Intensité, nghĩa là cường độ. Trong hệ SI, cường độ dòng điện có đơn vị ampe.

I={\frac {Q}{t}}=(q_{1}+q_{2}+q_{3}+...+q_{n})/t

Cường độ dòng điện trung bình

Cường độ dòng điện trung bình trong một khoảng thời gian được định nghĩa bằng thương số giữa điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian đó và khoảng thời gian đang xét.

$I_{tb}={\Delta Q \over \Delta t}$
Trong đó,

I tb là cường độ dòng điện trung bình, đơn vị là A (ampe)
ΔQ là điện lượng chuyển qua tiết diện được xét trong khoảng thời gian Δt, đơn vị là C (coulomb)
Δt là khoảng thời gian được xét, đơn vị là s (giây)

Cường độ dòng điện tức thời

Khi khoảng thời gian được xét vô cùng nhỏ, ta có cường độ dòng điện tức thời:

I={dQ(t) \over dt}

Đơn vi ̣đo của điện tích [q] = [Coulomb] ; [t] = [s] ; [ i ] = [A]

Tốc độ dòng điện

Dòng điện chảy theo một hướng, nhưng các điện tích đơn lẻ trong dòng chảy này không nhất thiết chuyển động thẳng theo dòng. Ví dụ như trong kim loại, electron chuyển động zigzag, va đập từ nguyên tử này sang nguyên tử kia; chỉ nhìn trên tổng thể mới thấy xu hướng chung là chúng bị dịch chuyển ngược chiều của điện trường.

Tốc độ di chuyển vĩ mô của các điện tích có thể tìm được qua công thức

I=n.A.v.q

Với:

$I$ là cường độ dòng điện.
$n$ là số hạt tích điện trong một đơn vị thể tích.
$A$ là diện tích mặt cắt của dây dẫn điện.
$v$ là tốc độ di chuyển vĩ mô của các hạt tích điện.
$q$ là điện tích của một hạt tích điện.

Ví dụ, một dây đồng với diện tích mặt cắt bằng 0.5 mm2, mang dòng điện có cường độ 5 A, sẽ có dòng electron di động với tốc độ vĩ mô là vài millimét trên giây. Ví dụ khác, các electron chuyển động trong bóng hình của tivi theo đường gần thẳng với tốc độ cỡ 1/10 tốc độ ánh sáng.

Tốc độ di chuyển vĩ mô của dòng điện không nhất thiết phải là tốc độ truyền thông tin của nó. Tốc độ truyền thông tin của dòng điện trong dây đồng nhanh gần bằng tốc độ ánh sáng.

Đó là do, theo lý thuyết điện động lực học lượng tử, các electron truyền tương tác với nhau thông qua photon, hạt chuyển động với vận tốc ánh sáng. Sự di chuyển, có thể là chậm chạp, của một electron ở một đầu dây, sẽ nhanh chóng được biết đến bởi một electron ở đầu dây kia, thông qua tương tác này.

Điều này cũng giống như khi đầu tàu hỏa chuyển động với vận tốc nhỏ (ví dụ vài cm/s), gần như ngay lập tức toa cuối cùng của đoàn tàu cũng nhận được thông tin và chuyển động theo. Chuyển động tổng thể của đoàn tàu là chậm, nhưng thông tin lan truyền dọc theo đoàn tàu rất nhanh (vào cỡ tốc độ âm thanh lan truyền dọc theo tàu).

Định luật Dòng điện

Định luật Ohm

Định luật Ohm nói rằng cường độ dòng điện chạy qua một điện trở (hoặc các thiết bị Ôm) tuân theo:

$I={\frac {U}{R}}$

Với

$I$ là cường độ dòng điện ( $A$ )
$U$ là hiệu điện thế giữa 2 đầu đoạn mạch ( $V$ )
$R$ là điện trở ( $\Omega$ )

Định luật Ohm vi phân

Ngoài ra, để xét đến trạng thái dòng điện tại từng yếu tố vi phân của dòng điện, người ta còn dùng 1 dạng khác của định luật Ohm đó là định luật Ohm vi phân:

$j=\sigma E={\frac {E}{\rho }}$

Với:

$j={\frac {dI}{dS}}$ Là mật độ dòng điện ( $A.m^{-2}$ )

$\sigma ={\frac {1}{\rho }}$ là độ dẫn điện ( $\Omega ^{-1}.m^{-1}$ )

E là cường độ điện trường ( $V.m^{-1}$ )

Chiều của dòng điện

Dòng điện trong dây dẫn có thể dịch chuyển theo bất kỳ chiều nào, khi có 1 dòng điện I trong mạch, hướng của dòng điện quy ước cần được đánh dấu, thường là bằng mũi tên trên sơ đồ mạch điện.

Đây gọi là hướng tham chiếu của dòng điện I, nếu dòng điện di chuyển ngược hướng tham chiếu, thì I có giá trị âm.

Có 2 loại dòng điện đó là dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều.

Dòng điện xoay chiều (AC)

Dòng điện thay đổi hướng của nó theo định kỳ được gọi là dòng điện xoay chiều kí hiệu là AC theo tiếng anh (nghĩa là Alternating Current). Thông thường sự thay đổi của dòng điện trong quá trình truyền sẽ có tính chu kì theo biên dạng hình sin. Độ lớn của chúng thay đổi theo thời gian, các electron tự do sẽ di chuyển theo 2 hướng.

Dòng xoay chiều có thể chuyển đổi từ giá trị cao sang giá trị thấp nhờ có máy biến áp. Vì vậy nó chủ yếu được dùng để truyền tải và phân phối.

Trong khi dòng điện DC chạy theo một hướng thông qua dây dẫn, điện AC xoay chiều theo hướng chuyển động qua lại. Hướng thay đổi giữa 50 và 60 lần mỗi giây, tùy thuộc vào hệ thống điện của mỗi quốc gia.

Chúng thường được tạo ra từ các máy phát điện xoay chiều hoặc là được biến đổi từ nguồn điện một chiều.

Điều đặc biệt về điện xoay chiều là điện áp có thể dễ dàng thay đổi, do đó làm cho nó phù hợp hơn cho việc truyền tải đường dài hơn so với điện một chiều.

Dòng điện một chiều (DC)

Dòng điện một chiều hay còn gọi là dòng điện trực tiếp thường được viết tắt là 1C, hoặc theo tiếng anh chúng ta có dạng viết tắt là DC. Nghĩa là “Direct Current“. Là dòng chuyển dời các điện tích theo một hướng nhất định và không thay đổi trong suốt quá trình truyền. Độ lớn của dòng điện trực tiếp luôn không đổi và tần số của dòng điện bằng 0.

Nó được sử dụng trong điện thoại di động, xe điện, thiết bị điện tử,vv.

Ngoài ra chúng ta còn có thể nghe đến khái niệm điện áp một chiều. Là hiệu điện thế giữa hai cực của dòng điện một chiều, thường có giá trị là 5VDC, 12VDC, 24VDC.

Nguồn của dòng điện một chiều bao gồm nguồn điện, pin điện hóa học và pin, và pin và pin quang điện. Pin và các nguồn khác nhau của dòng điện dc tạo ra một điện áp không đổi. Điều này được gọi là dòng điện dc thuần và có thể được biểu thị bằng một đường thẳng, nằm ngang trên biểu đồ điện áp theo thời gian.

Các tác dụng của dòng điện là gì trong cuộc sống hiện đại ngày nay.

Như chúng ta có thể thấy, những tác dụng của dòng điện đang được áp dụng phổ biến trong mọi hoạt động thường ngày của chúng ta. Cụ thể dưới đây là một số những tác dụng chi tiết về dòng điện là gì mà quý độc giả có thể tham khảo.

Tác dụng nhiệt.

Thực tế hầu hết những vật dẫn điện đều có xu hướng nóng lên sau một thời gian sử dụng. Chính vì vậy bằng việc tận dụng những vật dẫn điện tốt giúp đưa ngưỡng nhiệt mong muốn đến một giá trị nhất định đáp ứng nhu cầu sử dụng của người dùng.

Bếp hồng ngoại, bếp hay lò sưởi là những ví dụ điển hình cho chúng ta thấy được rõ nhất những tác dụng nhiệt của dòng điện phục vụ cho cuộc sống của con người.

Tác dụng chiếu sáng.

Đây có lẽ là một trong những tác dụng được phát hiện và ứng dụng sớm nhất của dòng điện. Đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang hay những sản phẩm đèn chiếu sáng hiện đại được ra mắt sau đó là những minh chứng cho tác dụng này.

Tác dụng sinh lý.

Thực tế việc tiếp xúc với dòng điện trong quá trình sử dụng tiềm ẩn khá nhiều nguy hiểm cho người dùng. Tuy nhiên bằng việc tiếp xúc đúng cách, việc đưa dòng điện qua cơ thể người và động vật giúp ích rất nhiều cho quá trình phát triển của nền y học cũng như việc chữa trị các căn bệnh nguy hiểm.

Tác dụng từ.

Bên cạnh khả năng chiếu sáng, tỏa nhiệt và sinh lý, tác dụng từ cũng đang được sử dụng phổ biến hiện nay. Bằng việc đưa dòng điện tác động nên các nam châm được đặt gần đó tạo thành lực từ lớn phù hợp với nhu cầu sử dụng.

Bếp điện từ hay một số phương pháp trị liệu được xem là những thành tựu của việc áp dụng tác dụng từ trong việc cải tiến chất lượng cuộc sống của chính chúng ta.

Tác dụng hóa học.

Khi được sử dụng tại các phòng thí nghiệm trong lĩnh vực hóa học, dòng điện được sử dụng như một phương pháp phân ly các ion âm và dương trong dung dịch. Đây cũng chính là cơ sở của việc mạ điện đang được áp dụng khá phổ biến hiện nay.

Các nguy hại từ dòng điện

Có thể nói dòng điện đi qua cơ thể con người phần lớn đều không tốt. Các mối nguy hiểm sẽ phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy qua cơ thể chúng ta. Dòng điện trực tiếp nguy hiểm hơn dòng điện xoay chiều. Trong dòng điện xoay chiều, cường độ của dòng điện trở nên cao và thấp trong khoản thời gian đều đặn.

Với dòng điện trực tiếp thì cường độ vẫn giữ nguyên. Khi cơ thể người bị sốc, dòng điện vào và ra cơ thể theo thời gian đều đặn; trong khi dong điện trực tiếp ảnh hưởng đến cơ thể liên tục. Bạn có thể tham khảo một số số liệu mà các nhà nghiên cứu đã thu thập được trong quá trình thực nghiệm.

Cách đo dòng điện là gì

Trong một mạch điện và điện tử, dòng điện là một thông số thiết yếu cần được đo.

Một dụng cụ có thể đo cường độ dòng điện gọi là ampe kế. Để đo dòng điện ampe kế phải mắc nối tiếp với đoạn mạch có cường độ dòng điện cần đo.

Phép đo cường độ dòng điện qua điện trở bằng ampe kế được thể hiện trong hình dưới đây.

Ngoài ra, còn có một số phương pháp đo dòng điện là gì khác như:

Dòng điện cũng có thể được đo bằng điện kế. Điện kế cho biết cả chiều và độ lớn của dòng điện.
Dòng điện có thể được đo bằng cách phát hiện từ trường liên kết với dòng điện mà không làm đứt mạch. Có nhiều dụng cụ khác nhau được sử dụng để đo dòng điện mà không làm đứt mạch.
Bộ cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall
Máy biến dòng (CT) (Chỉ đo AC)
Đồng hồ kẹp
Điện trở Shunt
Cảm biến trường điện trở Magneto

Trên đây là những chia sẻ của Thiết bị Điện Goldsun về điện hay dòng điện. Đến đây chắc chắn bạn đọc đã phần nào hiểu được khái niệm dòng điện là gì và bản chất của hiện tượng vật lý này rồi phải không nào. Đây là những ý kiến của cá nhân. Mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đóng góp chia sẻ của bạn đọc để bài viết có thể hoàn thiện hơn.

Tin tức

Dòng điện là gì? Những kiến thức có thể bạn chưa biết

Nguồn gốc và sự phát triển của dòng điện là gì