Điện là gì? : Điện ở xung quanh chúng ta – cung cấp năng lượng cho công nghệ như điện thoại di động, máy tính, đèn chiếu sáng, bàn là hàn và máy điều hòa không khí. Thật khó để thoát khỏi nó trong thế giới hiện đại của chúng ta. Ngay cả khi bạn cố gắng thoát khỏi dòng điện, nó vẫn hoạt động trong tự nhiên, từ tia chớp trong cơn giông đến các khớp thần kinh bên trong cơ thể chúng ta. Nhưng chính xác thì điện là gì? Đây là một câu hỏi rất phức tạp, và khi bạn tìm hiểu sâu hơn và đặt nhiều câu hỏi hơn, thực sự không có câu trả lời chắc chắn, chỉ có những đại diện trừu tượng về cách điện tương tác với môi trường xung quanh chúng ta.

Điện là một hiện tượng tự nhiên xảy ra trong tự nhiên và có nhiều dạng khác nhau. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tập trung vào điện hiện tại: thứ cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử của chúng ta. Mục tiêu của chúng tôi là hiểu cách dòng điện chạy từ nguồn điện qua dây dẫn, thắp sáng đèn LED, động cơ quay và cấp nguồn cho các thiết bị liên lạc của chúng tôi.

Điện được định nghĩa ngắn gọn là dòng điện tích, nhưng đằng sau câu nói đơn giản đó còn có rất nhiều điều. Các khoản phí đến từ đâu? Làm thế nào để chúng tôi di chuyển chúng? Họ chuyển đến đâu? Điện tích gây ra chuyển động cơ học hoặc làm cho vật sáng lên như thế nào? Rất nhiều câu hỏi! Để bắt đầu giải thích điện là gì, chúng ta cần phóng to, ngoài vật chất và phân tử, đến các nguyên tử tạo nên mọi thứ chúng ta tương tác trong cuộc sống.

Hướng dẫn này dựa trên một số hiểu biết cơ bản về vật lý, lực , năng lượng , nguyên tử và [trường] (http://en.wikipedia.org/wiki/Field_ (vật lý)) nói riêng. Chúng tôi sẽ giải thích những điều cơ bản của từng khái niệm vật lý đó, nhưng cũng có thể hữu ích khi tham khảo các nguồn khác.

Điện nguyên tử – Điện là gì?

Để hiểu các nguyên tắc cơ bản của điện, chúng ta cần bắt đầu bằng cách tập trung vào nguyên tử, một trong những nền tảng cơ bản của sự sống và vật chất. Nguyên tử tồn tại ở hơn một trăm dạng khác nhau dưới dạng các nguyên tố hóa học như hydro, carbon, oxy và đồng. Các nguyên tử của nhiều loại có thể kết hợp để tạo thành phân tử, tạo nên vật chất mà chúng ta có thể nhìn thấy và chạm vào.

Nguyên tử nhỏ , kéo dài tại một tối đa khoảng 300 picometers dài (đó là 3×10 ^-10 hoặc 0,0000000003 mét). Một xu đồng (nếu nó thực sự được làm bằng 100% đồng) sẽ có 3,2×10 ²² nguyên tử (32.000.000.000.000.000.000.000.000.000 nguyên tử) đồng bên trong nó.

Ngay cả nguyên tử cũng không đủ nhỏ để giải thích hoạt động của điện. Chúng ta cần phải đi sâu xuống một tầng nữa và xem xét các khối cấu tạo của nguyên tử: proton, neutron và electron.

Xây dựng khối nguyên tử – Điện là gì?

Một nguyên tử được xây dựng bằng sự kết hợp của ba hạt riêng biệt: electron, proton và neutron. Mỗi nguyên tử có một hạt nhân trung tâm, nơi mà các proton và neutron được xếp vào nhau dày đặc. Bao quanh hạt nhân là một nhóm các electron quay quanh hạt nhân.

Một mô hình nguyên tử rất đơn giản. Nó không phải để chia tỷ lệ nhưng hữu ích để hiểu cách một nguyên tử được tạo ra. Một hạt nhân lõi của proton và neutron được bao quanh bởi các electron quay quanh.

Mỗi nguyên tử phải có ít nhất một proton trong đó. Số lượng proton trong một nguyên tử rất quan trọng, vì nó xác định nguyên tố hóa học đó đại diện cho nguyên tố nào. Ví dụ, một nguyên tử chỉ có một proton là hydro, một nguyên tử có 29 proton là đồng, và một nguyên tử có 94 proton là plutonium. Số proton này được gọi là số nguyên tử của nguyên tử .

Đối tác hạt nhân của proton, neutron, phục vụ một mục đích quan trọng; chúng giữ các proton trong hạt nhân và xác định đồng vị của nguyên tử. Chúng không quan trọng đối với sự hiểu biết của chúng ta về điện, vì vậy chúng ta đừng lo lắng về chúng trong hướng dẫn này.

Các electron rất quan trọng đối với hoạt động của điện (lưu ý chủ đề chung trong tên gọi của chúng?) Ở trạng thái cân bằng, ổn định nhất của nó, một nguyên tử sẽ có cùng số electron với proton. Như trong mô hình nguyên tử Bohr dưới đây, một hạt nhân có 29 proton (khiến nó trở thành nguyên tử đồng) được bao quanh bởi một số electron bằng nhau.

Khi hiểu biết của chúng ta về nguyên tử đã phát triển, thì phương pháp của chúng ta để mô hình hóa chúng cũng vậy. Mô hình Bohr là một mô hình nguyên tử rất hữu ích khi chúng ta khám phá về điện.

Các electron của nguyên tử không phải là liên kết vĩnh viễn với nguyên tử. Các electron trên quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử được gọi là electron hóa trị. Với một lực bên ngoài đủ, một điện tử hóa trị có thể thoát khỏi quỹ đạo của nguyên tử và trở nên tự do. Các electron tự do cho phép chúng ta di chuyển điện tích, đó chính là điện năng. Nói về phí …

Dòng điện tích – Điện là gì?

Như chúng tôi đã đề cập ở phần đầu của hướng dẫn này, điện năng được định nghĩa là dòng điện tích. Điện tích là một thuộc tính của vật chất – giống như khối lượng, thể tích hoặc mật độ. Nó có thể đo lường được. Cũng giống như bạn có thể định lượng một vật có khối lượng bao nhiêu, bạn có thể đo lượng điện tích của vật đó. Khái niệm chính về điện tích là nó có thể có hai dạng: dương (+) hoặc âm (-) .

Để di chuyển điện tích, chúng ta cần các hạt mang điện , và đó là nơi mà kiến ​​thức của chúng ta về các hạt nguyên tử – cụ thể là electron và proton – có ích. Electron luôn mang điện tích âm, trong khi proton luôn mang điện tích dương. Nơtron (đúng với tên gọi của chúng) là trung tính, chúng không có điện tích. Cả electron và proton đều mang cùng một lượng điện tích, chỉ khác loại.

Mô hình nguyên tử liti (3 proton) với các điện tích được dán nhãn.

Điện tích của các electron và proton rất quan trọng, vì nó cung cấp cho chúng ta phương tiện để tác động lên chúng. Lực tĩnh điện!

Lực tĩnh điện – Điện là gì?

Lực tĩnh điện (còn gọi là định luật Coulomb ) là lực tác động giữa các điện tích. Nó nói rằng các điện tích cùng loại đẩy nhau, trong khi các điện tích trái dấu thì hút nhau. Những người đối lập thu hút và thích đẩy lùi .

Độ lớn của lực tác dụng lên hai điện tích phụ thuộc vào cách chúng cách xa nhau. Hai điện tích càng gần nhau thì lực (đẩy nhau hoặc kéo ra xa) càng lớn.

Nhờ lực tĩnh điện, các điện tử sẽ đẩy các điện tử khác đi và bị hút về các proton. Lực này là một phần của “chất keo” giữ các nguyên tử lại với nhau, nhưng nó cũng là công cụ chúng ta cần để làm cho các electron (và điện tích) chuyển động!

Tạo dòng điện tích – Điện là gì?

Bây giờ chúng tôi có tất cả các công cụ để làm cho dòng điện tích. Các electron trong nguyên tử có thể hoạt động như vật mang điện tích của chúng ta , bởi vì mọi electron đều mang điện tích âm. Nếu chúng ta có thể giải phóng một electron khỏi nguyên tử và buộc nó di chuyển, chúng ta có thể tạo ra điện.

Hãy xem xét mô hình nguyên tử của nguyên tử đồng, một trong những nguồn nguyên tố ưu tiên cho dòng điện tích. Ở trạng thái cân bằng, đồng có 29 proton trong hạt nhân của nó và một số electron quay xung quanh nó bằng nhau. Các electron quay quanh hạt nhân của nguyên tử những khoảng cách khác nhau. Các điện tử ở gần hạt nhân hơn cảm thấy lực hút về tâm mạnh hơn nhiều so với các điện tử ở quỹ đạo xa. Các electron lớp ngoài cùng của nguyên tử được gọi là các electron hóa trị , những electron này đòi hỏi lực giải phóng khỏi nguyên tử ít nhất.

Đây là sơ đồ nguyên tử đồng: 29 proton trong hạt nhân, được bao quanh bởi các dải electron quay vòng. Các điện tử ở gần hạt nhân hơn khó bị bứt ra trong khi điện tử hóa trị (vòng ngoài) cần tương đối ít năng lượng để đẩy ra khỏi nguyên tử.

Sử dụng đủ lực tĩnh điện lên electron hóa trị – đẩy nó bằng một điện tích âm khác hoặc hút nó bằng một điện tích dương – chúng ta có thể đẩy electron ra khỏi quỹ đạo xung quanh nguyên tử tạo ra một electron tự do.

Bây giờ hãy xem xét một sợi dây đồng: vật chất chứa vô số nguyên tử đồng. Khi electron tự do của chúng ta lơ lửng trong không gian giữa các nguyên tử, nó bị kéo và thúc đẩy bởi các điện tích xung quanh trong không gian đó. Trong sự hỗn loạn này, electron tự do cuối cùng tìm thấy một nguyên tử mới để bám vào; khi làm như vậy, điện tích âm của điện tử đó đẩy điện tử hóa trị khác ra khỏi nguyên tử. Bây giờ một electron mới đang trôi qua không gian tự do để làm điều tương tự. Hiệu ứng dây chuyền này có thể tiếp tục lặp đi lặp lại để tạo ra một dòng electron gọi là dòng điện .

Một mô hình rất đơn giản về các điện tích chạy qua nguyên tử để tạo ra dòng điện.

Độ dẫn nhiệt – Điện là gì?

Một số loại nguyên tố của nguyên tử tốt hơn những loại nguyên tố khác trong việc giải phóng các electron của chúng. Để có được dòng điện tử tốt nhất có thể, chúng tôi muốn sử dụng các nguyên tử không giữ chặt các điện tử hóa trị của chúng. Độ dẫn điện của một nguyên tố đo mức độ liên kết chặt chẽ của một electron với một nguyên tử.

Các nguyên tố có độ dẫn điện cao, có các electron rất di động được gọi là chất dẫn điện . Đây là những loại vật liệu chúng tôi muốn sử dụng để làm dây dẫn và các thành phần khác hỗ trợ dòng điện tử. Các kim loại như đồng, bạc và vàng thường là những lựa chọn hàng đầu của chúng tôi cho chất dẫn điện tốt.

Các phần tử có độ dẫn điện thấp được gọi là chất cách điện . Chất cách điện phục vụ một mục đích rất quan trọng: chúng ngăn chặn dòng chảy của các electron. Các chất cách điện phổ biến bao gồm thủy tinh, cao su, nhựa và không khí.

Điện tĩnh hoặc Dòng điện

Trước khi chúng ta tìm hiểu sâu hơn, hãy thảo luận về hai dạng điện có thể sử dụng: tĩnh hoặc dòng điện. Khi làm việc với thiết bị điện tử, dòng điện sẽ phổ biến hơn nhiều, nhưng tĩnh điện cũng rất quan trọng.

Điện tĩnh

Tĩnh điện tồn tại khi có sự tích điện tích trái dấu trên các vật cách nhau bằng chất cách điện. Điện tĩnh (như trong trạng thái “ở trạng thái nghỉ”) tồn tại cho đến khi hai nhóm điện tích trái dấu có thể tìm thấy đường đi giữa nhau để hệ cân bằng.

Khi các điện tích tìm thấy một phương tiện cân bằng, một phóng điện tĩnh xảy ra. Lực hút của các điện tích trở nên lớn đến mức chúng có thể chảy qua cả những vật cách điện tốt nhất (không khí, thủy tinh, nhựa, cao su, v.v.). Phóng điện tĩnh có thể có hại tùy thuộc vào môi trường mà các điện tích truyền qua và bề mặt mà các điện tích đang chuyển. Các điện tích cân bằng thông qua một khe hở không khí có thể dẫn đến một cú sốc nhìn thấy được khi các điện tử di chuyển va chạm với các điện tử trong không khí, chúng trở nên kích thích và giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng.

Bộ đánh lửa khe hở tia lửa được sử dụng để tạo ra phóng điện tĩnh có kiểm soát. Các điện tích trái dấu tích tụ trên mỗi vật dẫn cho đến khi lực hút của chúng lớn đến mức các điện tích có thể chạy trong không khí.

Một trong những ví dụ ấn tượng nhất về phóng điện tĩnh là sét . Khi một hệ thống đám mây thu thập đủ điện tích so với một nhóm mây khác hoặc mặt đất của trái đất, các điện tích sẽ cố gắng cân bằng. Khi đám mây phóng điện, một lượng lớn các điện tích dương (hoặc đôi khi là âm) chạy trong không khí từ mặt đất đến đám mây gây ra hiệu ứng có thể nhìn thấy mà chúng ta đều quen thuộc.

Tĩnh điện cũng tồn tại một cách quen thuộc khi chúng ta xoa bóng bay lên đầu để làm tóc dựng đứng, hoặc khi chúng ta đi dép lê trên sàn nhà và làm con mèo của gia đình bị giật (tất nhiên là vô tình). Trong mỗi trường hợp, ma sát do cọ xát các loại vật liệu khác nhau sẽ truyền các electron. Vật mất electron trở nên tích điện dương, còn vật nhận electron trở nên mang điện âm. Hai vật trở nên hút nhau cho đến khi chúng tìm được cách cân bằng.

Làm việc với điện tử, chúng ta thường không phải đối mặt với tĩnh điện. Khi làm vậy, chúng tôi thường cố gắng bảo vệ các thành phần điện tử nhạy cảm của mình khỏi bị phóng điện tĩnh. Các biện pháp phòng ngừa chống tĩnh điện bao gồm đeo dây đai cổ tay ESD (phóng tĩnh điện), hoặc thêm các thành phần đặc biệt trong mạch điện để bảo vệ chống lại điện tích tăng đột biến.

Dòng mang điện – Điện là gì?

Dòng mang điện là một dạng điện làm cho tất cả các gizmos điện tử của chúng ta trở nên khả thi. Dạng điện này tồn tại khi các điện tích có thể chuyển động liên tục . Trái ngược với tĩnh điện nơi các điện tích tụ lại và đứng yên, dòng điện là động, các điện tích luôn chuyển động. Chúng tôi sẽ tập trung vào dạng điện này trong suốt phần còn lại của hướng dẫn.

Chu trình

Để dòng điện chạy qua, dòng điện cần có một mạch : một vòng kín, không bao giờ kết thúc bằng vật liệu dẫn điện. Một mạch điện có thể đơn giản như một sợi dây dẫn điện được nối từ đầu đến cuối, nhưng các mạch hữu ích thường chứa hỗn hợp dây và các thành phần khác điều khiển dòng điện. Quy tắc duy nhất khi nói đến việc tạo ra các mạch điện là chúng không được có bất kỳ khoảng trống cách điện nào trong đó.

Nếu bạn có một sợi dây chứa đầy các nguyên tử đồng và muốn tạo ra một dòng electron chạy qua nó, thì tất cả các electron tự do cần ở một nơi nào đó để chảy theo cùng một hướng chung. Đồng là một chất dẫn điện tuyệt vời, hoàn hảo để tạo ra dòng điện tích. Nếu một mạch của dây đồng bị đứt, các điện tích không thể chạy trong không khí, điều này cũng sẽ ngăn không cho bất kỳ điện tích nào ở giữa đi đến bất kỳ đâu.

Mặt khác, nếu dây được kết nối tận cùng thì các electron đều có nguyên tử lân cận và tất cả đều có thể chảy theo cùng một hướng chung.

Bây giờ chúng ta hiểu làm thế nào các electron có thể chảy, nhưng làm thế nào chúng ta làm cho chúng chảy ngay từ đầu? Sau đó, một khi các electron đang chuyển động, làm thế nào chúng tạo ra năng lượng cần thiết để chiếu sáng bóng đèn hoặc động cơ quay? Muốn vậy, chúng ta cần hiểu về điện trường.

Điện trường

Chúng tôi có cách xử lý về cách các electron di chuyển qua vật chất để tạo ra điện. Đó là tất cả những gì liên quan đến điện. Vâng, gần như tất cả. Bây giờ chúng ta cần một nguồn để tạo ra dòng electron. Thông thường nguồn của dòng điện tử đó sẽ đến từ điện trường.

Field là gì?

Một lĩnh vực là một công cụ chúng tôi sử dụng để mô hình hóa các tương tác vật lý mà không liên quan đến bất kỳ liên hệ quan sát được . Các cánh đồng không thể được nhìn thấy vì chúng không có hình dáng bên ngoài, nhưng tác dụng của chúng là rất thực tế.

Tất cả chúng ta đều quen thuộc trong tiềm thức với một trường đặc biệt: trường hấp dẫn của Trái đất , hiệu ứng của một vật thể lớn thu hút các vật thể khác. Trường hấp dẫn của Trái đất có thể được mô hình hóa bằng một tập hợp các vectơ đều hướng vào trung tâm của hành tinh; bất kể bạn đang ở đâu trên bề mặt, bạn sẽ cảm thấy lực đẩy bạn về phía nó.

Cường độ hoặc cường độ của các trường không đồng nhất ở tất cả các điểm trong trường. Bạn càng ở xa nguồn của trường thì trường đó càng ít ảnh hưởng. Độ lớn của trường hấp dẫn của Trái đất giảm dần khi bạn càng ra xa trung tâm của hành tinh.

Khi chúng ta tiếp tục khám phá điện trường, hãy nhớ cách thức hoạt động của trường hấp dẫn của Trái đất, cả hai trường đều có nhiều điểm tương đồng. Trường hấp dẫn tác dụng lực lên các vật có khối lượng và điện trường tác dụng lực lên vật có điện tích.

Điện trường – Điện là gì?

Điện trường (trường điện tử) là một công cụ quan trọng để hiểu cách dòng điện bắt đầu và tiếp tục chạy. Điện trường mô tả lực kéo hoặc đẩy trong không gian giữa các điện tích . So với trường hấp dẫn của Trái đất, điện trường có một sự khác biệt lớn: trong khi lĩnh vực của Trái đất thường chỉ thu hút các đối tượng khác có khối lượng (vì tất cả mọi thứ là rất đáng kể khối lượng nhỏ hơn), điện trường đẩy chi phí đi chỉ thường xuyên như họ thu hút họ.

Hướng của điện trường luôn được xác định là hướng chuyển động của một điện tích dương nếu nó được thả trong trường. Phí kiểm tra phải nhỏ đến mức vô hạn, để giữ cho phí của nó không ảnh hưởng đến trường.

Chúng ta có thể bắt đầu bằng cách xây dựng điện trường cho các điện tích âm và dương đơn lẻ. Nếu bạn thả một điện tích thử nghiệm dương gần một điện tích âm, điện tích thử nghiệm sẽ bị hút về phía điện tích âm . Vì vậy, đối với một điện tích âm, chúng ta vẽ các mũi tên điện trường hướng vào trong theo mọi hướng. Cùng một điện tích thử nghiệm đó rơi xuống gần một điện tích dương khác sẽ dẫn đến một lực đẩy ra bên ngoài, có nghĩa là chúng ta vẽ các mũi tên đi ra khỏi điện tích dương.

Điện trường của các điện tích đơn lẻ. Một điện tích âm có điện trường hướng vào trong vì nó hút các điện tích dương. Điện tích dương có điện trường hướng ra ngoài, đẩy ra xa như các điện tích.

Các nhóm điện tích có thể kết hợp với nhau để tạo ra điện trường hoàn chỉnh hơn.

Điện trường đều trên hướng ra khỏi các điện tích dương, hướng về bản âm. Hãy tưởng tượng một điện tích thử nghiệm dương cực nhỏ bị rơi trong trường điện tử; nó phải theo hướng của các mũi tên. Như chúng ta đã thấy, dòng điện thường liên quan đến dòng electron – các điện tích âm – chạy ngược lại điện trường.

Điện trường cung cấp cho chúng ta lực đẩy mà chúng ta cần để tạo ra dòng điện. Điện trường trong mạch giống như một máy bơm electron: một nguồn lớn các điện tích âm có thể đẩy các electron đi qua mạch về phía cục điện tích dương.

Năng lượng

Khi chúng ta khai thác điện để cung cấp năng lượng cho mạch, gizmos và các thiết bị của mình, chúng ta đang thực sự chuyển hóa năng lượng. Các mạch điện tử phải có khả năng lưu trữ năng lượng và chuyển nó sang các dạng khác như nhiệt, ánh sáng hoặc chuyển động. Năng lượng tích trữ của mạch được gọi là thế năng điện.

Năng lượng? Năng lượng tiềm năng?

Để hiểu năng lượng tiềm tàng, chúng ta cần hiểu năng lượng nói chung. Năng lượng được định nghĩa là khả năng của một vật thể thực hiện công việc trên một vật thể khác, có nghĩa là di chuyển vật thể đó đi một khoảng cách nào đó. Năng lượng có nhiều dạng , một số chúng ta có thể nhìn thấy (như cơ học) và một số khác chúng ta không thể (như hóa học hoặc điện). Bất kể nó ở dạng nào, năng lượng tồn tại ở một trong hai trạng thái : động năng hoặc thế năng.

Một vật có động năng khi nó đang chuyển động. Động năng của một vật phụ thuộc vào khối lượng và tốc độ của nó. Năng lượng tiềm năng , mặt khác, là một năng lượng dự trữ khi một đối tượng là lúc nghỉ ngơi. Nó mô tả mức độ công việc mà đối tượng có thể làm nếu được chuyển động. Đó là năng lượng mà chúng ta thường có thể kiểm soát. Khi một vật chuyển động, thế năng của nó chuyển thành động năng.

Hãy quay lại việc sử dụng lực hấp dẫn làm ví dụ. Một quả bóng bowling ngồi bất động trên đỉnh tháp Khalifa có rất nhiều năng lượng tiềm tàng (được tích trữ). Sau khi rơi xuống, quả bóng – được kéo bởi trường hấp dẫn – sẽ tăng tốc về phía mặt đất. Khi quả bóng tăng tốc, thế năng được chuyển thành động năng (năng lượng từ chuyển động). Cuối cùng, tất cả năng lượng của quả bóng được chuyển đổi từ thế năng thành động năng, và sau đó truyền cho bất cứ thứ gì nó va vào. Khi quả bóng ở trên mặt đất, nó có thế năng rất thấp.

Năng lượng điện tiềm năng

Giống như khối lượng trong trường hấp dẫn có thế năng hấp dẫn, các điện tích trong điện trường có thế năng điện . Thế năng điện tích của một điện tích mô tả năng lượng tích trữ mà nó có, khi được đặt vào chuyển động bởi một lực tĩnh điện, năng lượng đó có thể trở thành động năng và điện tích có thể hoạt động.

Giống như một quả bóng bowling ngồi trên đỉnh tháp, một điện tích dương ở gần với một điện tích dương khác có thế năng cao; để tự do di chuyển, khoản phí sẽ bị đẩy lùi khỏi khoản phí tương tự. Một điện tích thử nghiệm dương được đặt gần điện tích âm sẽ có thế năng thấp, tương tự như quả bóng bowling trên mặt đất.

Để bất cứ điều gì chúng gây dựng với năng lượng tiềm năng, chúng ta phải làm việc bằng cách di chuyển nó trên một khoảng cách. Trong trường hợp của quả bóng bowling, tác phẩm đến từ việc mang nó lên 163 tầng, chống lại trường trọng lực. Tương tự, phải thực hiện công việc đẩy một điện tích dương chống lại các mũi tên của điện trường (hoặc về phía một điện tích dương khác, hoặc ra khỏi điện tích âm). Phí càng cao, bạn càng phải làm nhiều việc hơn. Tương tự như vậy, nếu bạn cố gắng kéo một điện tích âm ra khỏi điện tích dương – chống lại điện trường – thì bạn phải làm việc.

Đối với bất kỳ điện tích nào đặt trong điện trường, thế năng điện của nó phụ thuộc vào loại (dương hoặc âm), lượng điện tích và vị trí của nó trong trường. Thế năng điện được đo bằng đơn vị jun ( J ).

Điện tích

Tiềm năng điện được hình thành dựa trên thế năng điện để giúp xác định lượng năng lượng được lưu trữ trong điện trường . Đó là một khái niệm khác giúp chúng ta mô hình hóa hoạt động của điện trường. Thế năng điện không giống như thế năng điện!

Tại bất kỳ điểm nào trong điện trường, thế năng bằng tổng thế năng chia cho điện tích tại điểm đó. Nó đưa đại lượng điện tích ra khỏi phương trình và để lại cho chúng ta ý tưởng về lượng thế năng cụ thể của các vùng cụ thể của điện trường có thể cung cấp. Điện thế được tính bằng đơn vị jun trên mỗi coulomb ( J / C ), chúng ta định nghĩa là vôn (V).

Trong bất kỳ điện trường nào, có hai điểm có tiềm năng điện mà chúng ta quan tâm. Có một điểm có thế năng cao, nơi điện tích dương sẽ có thế năng cao nhất có thể và có một điểm có thế năng thấp, nơi điện tích sẽ có thế năng thấp nhất có thể.

Một trong những thuật ngữ phổ biến nhất mà chúng ta thảo luận khi đánh giá điện là điện áp . Hiệu điện thế là hiệu điện thế giữa hai điểm trong điện trường. Hiệu điện thế cho ta biết lực đẩy của một điện trường.

Với tiềm năng và năng lượng tiềm tàng dưới vành đai của chúng tôi, chúng tôi có tất cả các thành phần cần thiết để tạo ra điện hiện tại. Hãy làm nó!

Điện và sự hoạt động

Sau khi nghiên cứu vật lý hạt, lý thuyết trường và thế năng, giờ đây chúng ta đã biết đủ để tạo ra dòng điện. Làm một mạch thôi!

Trước tiên, chúng ta sẽ xem xét các thành phần chúng ta cần để tạo ra điện:

• Định nghĩa của điện là dòng điện tích . Thông thường các điện tích của chúng ta sẽ được mang theo bởi các electron chuyển động tự do.
• Các electron mang điện tích âm được giữ lỏng lẻo trong các nguyên tử của vật liệu dẫn điện. Với một lực đẩy nhỏ, chúng ta có thể giải phóng các electron khỏi nguyên tử và làm cho chúng chuyển động theo một hướng thông thường.
• Một mạch kín của vật liệu dẫn điện tạo ra một con đường cho các electron chuyển động liên tục.
• Các điện tích được đẩy bởi một điện trường . Chúng ta cần một nguồn điện thế (hiệu điện thế), nó đẩy các electron từ điểm có thế năng thấp đến điểm có thế năng cao hơn.

Một mạch ngắn

Pin là nguồn năng lượng phổ biến chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Chúng có hai thiết bị đầu cuối, kết nối với phần còn lại của mạch. Trên một thiết bị đầu cuối có dư các điện tích âm, trong khi tất cả các điện tích dương kết hợp lại trên đầu kia. Đây là một sự khác biệt tiềm năng điện chỉ chờ để hành động!

Nếu chúng ta nối dây đầy nguyên tử đồng dẫn điện với pin, điện trường đó sẽ ảnh hưởng đến các electron tự do mang điện tích âm trong nguyên tử đồng. Đồng thời bị đẩy bởi cực âm và bị kéo bởi cực dương, các electron trong đồng sẽ di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác tạo ra dòng điện tích mà chúng ta gọi là điện.

Sau một giây của dòng điện, các electron thực sự đã di chuyển rất ít – phần nhỏ của một cm. Tuy nhiên, năng lượng tạo ra bởi dòng điện là rất lớn , đặc biệt là vì không có gì trong mạch này để làm chậm dòng chảy hoặc tiêu thụ năng lượng. Kết nối một dây dẫn thuần túy trực tiếp qua một nguồn năng lượng là một ý tưởng tồi . Năng lượng di chuyển rất nhanh trong hệ thống và được chuyển hóa thành nhiệt trong dây, có thể nhanh chóng chuyển thành dây nóng chảy hoặc cháy.

Chiếu sáng bóng đèn

Thay vì lãng phí tất cả năng lượng đó, chưa kể đến việc phá hủy pin và dây dẫn, chúng ta hãy xây dựng một mạch làm điều gì đó hữu ích! Nói chung, một mạch điện sẽ chuyển năng lượng điện thành một số dạng khác – ánh sáng, nhiệt, chuyển động, v.v. Nếu chúng ta nối bóng đèn với pin bằng dây dẫn ở giữa, chúng ta có một mạch đơn giản, có chức năng.

Sơ đồ: Một pin (bên trái) kết nối với bóng đèn (bên phải), mạch được hoàn thành khi công tắc (trên cùng) đóng. Khi đóng mạch, các điện tử có thể chảy, đẩy từ cực âm của pin qua bóng đèn, đến cực dương.

Trong khi các electron di chuyển với tốc độ ốc sên, điện trường ảnh hưởng đến toàn bộ mạch điện gần như ngay lập tức (chúng ta đang nói về tốc độ ánh sáng nhanh). Các êlectron trong toàn mạch dù ở điện thế thấp nhất, điện thế cao nhất hay ngay cạnh bóng đèn đều chịu tác dụng của điện trường. Khi công tắc đóng lại và các electron chịu tác dụng của điện trường, tất cả các electron trong mạch bắt đầu chảy dường như cùng một lúc. Những điện tích gần bóng đèn nhất sẽ đi qua mạch một bước và bắt đầu chuyển hóa năng lượng từ điện năng thành ánh sáng (hoặc nhiệt).