BÀI 1: Dòng điện là gì ? Cường độ dòng điện là gì ?

Dòng điện là gì

Dòng điện là dòng chuyển dịch có hướng của các hạt mang điện. Trong các mạch điện, dòng điện tạo ra do sự chuyển dịch của các electron dọc theo dây dẫn. Ngoài ra, hạt mang điện cũng có thể là các ion hoặc chất điện ly. Trong trường hợp plasma thì cả ion và electron đều đóng vai trò này.

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.

Phần tử dòng điện là gì

Phần tử dòng điện dòng điện là một đoạn rất ngắn của dòng điện, được đặc trưng bởi Id→l, có phương chiều là phương chiều của dòng điện và có độ lớn bằng Idl.

Quy ước chiều dòng điện

Dòng điện được qui 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 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.

Dòng điện trong môi trường

Tổng hợp toàn bộ kiến thức lý thuyết về dòng điện trong các môi trường và đặc biệt là dòng điện trong chất điện phân và Định luật Fa- ra- đây giúp bạn đọc nắm được bao quát lý thuyết.

Dòng điện trong kim loại là gì

Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron ngược chiều điện trường.
Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ: ρ = ρo[1 + α(t – to)]. α: hệ số nhiệt điện trở (K−1)
- ρo: điện trở suất của vật liệu tại nhiệt độ t0
- Suất điện động của cặp nhiệt điện:E = αT(T1 – T2).
- Trong đó T1 – T2 là hiệu nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh;αT là hệ số nhiệt điện động.
Hiện tượng siêu dẫn: Là hiện tượng điện trở suất của vật liệu giảm đột ngột xuống bằng 0 khi khi nhiệt độ của vật liệu giảm xuống thấp hơn một giá trị Tc nhất định. Giá trị này phụ thuộc vào bản thân vật liệu.

Dòng điện trong chất điện phân

Trong dung dịch, các axit, bazơ, muối bị phân li thành ion.

Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion trong điện trường theo hai hướng ngược nhau.

Hiện tượng gốc axit trong dung dịch điện phân tác dụng với cực dương tạo thành chất điện phân tan trong dung dịch và cực dương bị mòn đi gọi là hiện tượng dương cực tan.

Nội dung các định luật Faraday:

Định luật 1: Khôi lượng chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó.
- m = kq
Định luật 2: Đương lượng hóa học của nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam
- A/n của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là 1/F trong đó F gọi là số Faraday.
- k=1/F.A/n
Biểu thức kết hợp nội dung hai định luật:
- m=1/F.A/n.It

Dòng điện trong chất khí

Trong điều kiện thường thì chất khí không dẫn điện. Chất khí chỉ dẫn điện khi trong lòng nó có sự ion hóa các phân tử.

Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương, ion âm và các electron do chất khí bị ion hóa sinh ra.

Khi dùng nguồn điện gây hiệu điện thế lớn thì xuất hiện hiện tượng nhân hạt tải điện trong lòng chất khí.

Quá trình phóng điện vẫn tiếp tục được quy trì khi không còn tác nhân ion hóa chất khí từ bên ngoài gọi là quá trình phóng điện tự lực.

Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực hình thành dòng điện qua chất khí có thể giữ được nhiệt độ cao của catod để nó phát được eletron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử.

Dòng điện trong chân không

Là dòng chuyển động ngược chiều điện trường của các electron bứt ra từ điện cực.

Diot chân không chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều, nó gọi là đặc tính chỉnh lưu.

Dòng electron được tăng tốc và đổi hướng bằng điện trường và từ trường và nó được ứng dụng ở đèn hình tia catot (CRT).

Dòng điện trong chất bán dẫn

Một số chất ở phân nhóm chính nhóm 4 như Si, Ge trong những điều kiện khác nhau có thể dẫn điện hoặc không dẫn điện, gọi là bán dẫn.

Bán dẫn dẫn điện hằng hai loại hạt tải là electron và lỗ trống.

Ở bán dẫn tinh khiết, mật độ electron bằng mật độ lỗ trống. Ở bán dẫn loại p, mật độ lỗ trống rất lớn hơn mật độ electron. Ở bán dẫn loại n, mật độ electron rất lớn hơn mật độ lỗ trống.

Lớp tiếp xúc n – p có đặc điểm cho dòng điện đi theo một chiều từ p sang n. Đây gọi là đặc tính chỉnh lưu. Đặc tính này được dùng để chế tạo diot bán dẫn. Bán dẫn còn được dùng chế tạo transistor có đặc tính khuyếch đại dòng điện.

Tần số dòng điện là gì

Tần số dòng điện là số lần của một hiện tượng lặp lại trên một đơn vị thời gian.

Đơn vị: Hz

Chu kỳ và tần số của dòng điện xoay chiều

Chu kỳ của dòng điện xoay chiều (ký hiệu là T) là khoảng thời gian mà điện xoay chiều lặp lại vị trí cũ , chu kỳ được tính bằng giây (s)
Tần số dòng điện xoay chiều là số lần lặp lại trang thái cũ của dòng điện xoay chiều trong một giây (ký hiệu là F), đơn vị là Hz

Trong đó: F = 1 / T

Cường độ dòng điện là gì

Cường độ dòng điện là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của dòng điện hay đặc trưng cho số lượng các điện tử đi qua tiết diện của vật dẫn trong một đơn vị thời gian.

Trong điện tử học, dòng điện 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.

Cường độ dòng điện tùy mức độ mạnh yếu sẽ có ảnh hưởng nhất định tới sức khỏe của con người. Với cường độ dòng điện mạnh có thể gây tử vong.

Trong hệ SI, cường độ dòng điện có đơn vị Ampe.

I=Q/t=(q₁+q₂+q₃+…+q_n)/t

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=ΔQ/Δt

Trong đó:

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

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

I=d_Q/q_t

Kí hiệu và đơn vị đo cường độ dòng điện

Đơn vị của cường độ dòng điện là ampe.
Kí hiệu là A, đơn vị đo cường độ dòng điện I trong hệ SI, lấy tên theo nhà Vật lí và Toán học người Pháp André Marie Ampère.1 Ampe tương ứng với dòng chuyển động của 6,24150948.
Dụng cụ đo cường độ dòng điện là ampe kế.

André-Marie Ampère (20 tháng 1 năm 1775 – 10 tháng 6 năm 1836) là nhà vật lý người Pháp và là một trong những nhà phát minh ra điện từ trường và phát biểu thành định luật mang tên ông (định luật Ampere). Đơn vị đo cường độ dòng điện được mang tên ông là ampere và ampere kế.

Mật độ dòng điện ký hiệu là , là dòng điện chạy qua 1mm2 tiết diện dây dẫn.

Mật độ dòng điện có ý nghĩa trong thiết kế mạch điện, trong điện tử học. Các thiết bị tiêu thụ điện thường bị nóng lên khi có dòng điện chạy qua, và chỉ hoạt động tốt dưới một mật độ dòng điện an toàn nào đấy; nếu không chúng sẽ bị nóng quá, chảy hoặc cháy.

Ngay cả trong vật liệu siêu dẫn, nơi điện năng không bị chuyển hóa thành nhiệt năng, mật độ dòng điện lớn quá có thể tạo ra từ trường quá mạnh, phá hủy trạng thái siêu dẫn.

Định nghĩa cường độ dòng điện không đổi

Cường độ dòng điện không đổi là cường độ dòng điện có giá trị không thay đổi theo thời gian.

Định nghĩa cường độ dòng điện hiệu dụng

Cường độ dòng điện hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là đại lượng có giá trị bằng cường độ của một dòng điện không đổi, sao cho khi đi qua cùng một điện trở R thì công suất tiêu thụ trong R bởi hai dòng điện đó là như nhau.

Công thức tính cường độ dòng điện

Công thức tính cường độ dòng điện của dòng điện không đổi

I = q / t (A)

q: là điện lượng được chuyển qua tiết diện thẳng của 1 vật dẫn trong khoảng thời gian t

Công thức tính cường độ dòng điện theo định luật ôm

I = U / R

Trong đó:

I: Cường độ dòng điện (đơn vị A)
U: Hiệu điện thế (đơn vị V)
R: Điện trở (đơn vị Ω)

Cường độ dòng điện trong đoạn mạch theo định luật ôm

Nối tiếp: I = I₁ = I₂ = … = I_n

Song song: I = I₁ + I₂ + … + I_n

Công thức tính cường độ dòng điện hiệu dụng:

I=I₀/√2

Trong đó:

I là cường độ dòng điện hiệu dụng
I₀ là cường độ dòng điện cực đại

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 zic zac, 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 theo chiều của điện trường.

Tốc độ di chuyển vĩ mô của các điện tích có thể tìm được qua công thức: I=nAvQ 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 1: 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 2: 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. 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. 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).