Điện từ học

Một nam châm có thể hút một số kim loại. Mọi nam châm đều có hai đầu, gọi là cực: cực bắc (cực N) và cực nam (cực S).

Quy tắc cho hai cực giống như quy tắc cho các điện tích:

• Các cực giống nhau (N và N, hoặc S và S) đẩy nhau (đẩy ra xa): đây là lực đẩy.
• Các cực khác nhau (N và S) hút nhau (kéo lại gần): đây là lực hút.

Nam châm hút chất từ tính, chẳng hạn như sắt, thép, coban và niken. Các vật liệu khác (đồng, nhựa, gỗ) là phi từ tính và không chịu lực nào.

Từ tính cảm ứng

Đặt một miếng sắt gần hoặc chạm vào nam châm, miếng sắt sẽ trở thành một nam châm riêng. Đây là từ tính cảm ứng. Đầu của miếng sắt gần nam châm nhất sẽ mang cực ngược lại, nên hai vật sẽ hút nhau.

Nam châm tạm thời và vĩnh cửu

• Sắt mềm dễ từ hóa nhưng mất từ tính nhanh. Nó được dùng làm nam châm tạm thời.
• Thép khó từ hóa hơn nhưng giữ được từ tính. Nó được dùng làm nam châm vĩnh cửu.

Vì vậy, một miếng sắt mềm chưa từ hóa là lõi tốt nhất cho nam châm điện, trong khi thép phù hợp nhất cho nam châm thanh.

Từ trường

Từ trường là một vùng nơi một cực từ chịu tác dụng của lực. Ta biểu diễn nó bằng các đường sức từ:

• Các đường sức đi ra từ cực N và đi vào cực S.
• Hướng từ trường tại một điểm là hướng của lực tác dụng lên cực N của một nam châm thử nhỏ đặt tại điểm đó.
• Nơi các đường sức gần nhau thì từ trường mạnh; nơi chúng xa nhau thì từ trường yếu.

Bạn có thể hiển thị mô hình bằng cách rắc bụi sắt lên giấy đặt trên nam châm, hoặc bằng cách di chuyển một la bàn vẽ nhỏ quanh nó (kim la bàn chỉ theo hướng từ trường).

Ứng dụng của nam châm

• Nam châm vĩnh cửu: khóa cửa tủ lạnh, kim la bàn, loa.
• Nam châm điện (từ tính chỉ có khi có dòng điện): cần cẩu nâng sắt vụn, chuông điện, rơ-le. Nam châm điện có thể bật tắt và làm mạnh hơn, điều mà nam châm vĩnh cửu không thể làm được.

Lực từ xảy ra do các trường của hai nam châm đẩy và kéo lẫn nhau.

Có hai loại điện tích: điện tích dương và điện tích âm. Quy tắc tương tự như quy tắc cực — cùng dấu thì đẩy nhau, trái dấu thì hút nhau.

Sạc bằng ma sát

Khi cọ xát hai vật liệu khác nhau, electron (hạt mang điện âm nhỏ bé) di chuyển từ vật này sang vật kia. Đây là sạc bằng ma sát.

• Vật liệu nhận thêm electron sẽ trở thành âm.
• Vật liệu mất đi electron sẽ trở thành dương.

Chỉ có electron âm di chuyển; điện tích dương giữ nguyên vị trí. Ví dụ, một thanh nhựa cọ xát với vải sẽ trở nên âm vì electron di chuyển từ vải sang thanh nhựa, khiến vải mang điện tích dương.

Phát hiện điện tích. Một thanh nhiễm điện hút những mẩu giấy nhỏ, và làm lệch một dòng nước mỏng từ vòi. Treo một thanh nhiễm điện bằng chỉ thread và đưa một thanh nhiễm điện khác lại gần: nếu cả hai mang cùng loại điện tích, thanh treo sẽ quay đi. Sự đẩy nhau là phép thử duy nhất chắc chắn để xác định điện tích, vì sự hút cũng xảy ra với các vật chưa nhiễm điện.

Chất dẫn điện và chất cách điện

• Chất dẫn điện (đồng và các kim loại khác) cho phép điện tích chảy qua dễ dàng, vì chúng có các electron tự do có thể di chuyển.
• Chất cách điện (nhựa, cao su, thủy tinh) không cho phép điện tích chảy, vì các electron của chúng không thể di chuyển tự do.

Để kiểm tra vật liệu, nối nó vào mạch với bóng đèn và pin: bóng đèn chỉ sáng đối với chất dẫn điện.

Điện trường và ion

Điện tích được đo bằng coulomb (C). Điện trường là vùng mà tại đó một điện tích cảm nhận được lực. Hướng của nó tại một điểm là hướng của lực tác dụng lên điện tích dương. Các mẫu điện trường đơn giản (các mũi tên chỉ hướng):

• xung quanh điện tích điểm: các đường thẳng, hướng ra xa điện tích dương và hướng về phía điện tích âm;
• xung quanh quả cầu nhiễm điện (hình cầu): tương tự, lan tỏa đều khắp mọi hướng;
• giữa hai bản phẳng song song mang điện tích ngược dấu: các đường thẳng, cách đều nhau từ bản dương đến bản âm.

Một nguyên tử thường trung hòa. Nếu nó mất electron, nó trở thành ion dương; nếu nó nhận thêm electron, nó trở thành ion âm.

Dòng điện là sự chuyển động của điện tích. Nó được đo bằng ampe (A) bằng ampe kế, mắc nối tiếp trong mạch.

Ampe kế vô tuyến có kim chỉ chuyển động trên thang đo; ampe kế kỹ thuật số hiển thị giá trị đọc dưới dạng con số. Cả hai đều có các thang đo khác nhau. Chọn thang đo ngay phía trên dòng điện lớn nhất bạn dự kiến, để việc đọc chính xác: thang 0–1 A cho dòng điện khoảng 0,4 A, hoặc thang 0–100 mA cho vài miliampe.

Dòng điện là lượng điện tích đi qua một điểm mỗi giây:

Ở đây $I$ là dòng điện (A), $Q$ là điện tích (C) và $t$ là thời gian (s). Chuyển vế, $Q = It$.

Ví dụ tính toán. Một dòng điện $3.0\ \text{A}$ chảy qua bóng đèn trong thời gian $20\ \text{s}$. Lượng điện tích nào đi qua nó?

Trong kim loại, dòng điện là sự di chuyển của electron tự do. Có hai "hướng" cần nhớ:

• Dòng điện convention (dòng điện quy ước) được giả định chạy từ + đến − quanh bên ngoài nguồn điện.
• Electron tự do thực sự trôi theo hướng ngược lại, từ − đến +.

Dòng điện một chiều (DC) luôn chảy theo một hướng, ví dụ từ pin. Dòng điện xoay chiều (AC) liên tục đổi hướng nhiều lần mỗi giây, ví dụ từ lưới điện quốc gia.

Pin cung cấp năng lượng cho các điện tích di chuyển qua nó. Hai đại lượng mô tả điều này, và cả hai đều được đo bằng volt (V).

• Suất điện động (e.m.f.) của nguồn là công điện mà nó thực hiện để đẩy một đơn vị điện tích đi trọn vẹn một mạch kín.
• Hiệu điện thế (p.d.) giữa hai đầu một thiết bị là công mà đơn vị điện tích thực hiện khi đi qua thiết bị đó.

Vôn kế đo e.m.f. hoặc p.d. Nó được mắc song song (ngang qua thiết bị). Giống như ampe kế, von kế có loại vô tuyến hoặc kỹ thuật số và có các thang đo khác nhau: chọn thang đo ngay phía trên điện áp lớn nhất bạn dự kiến.

Cả hai đều là công thực hiện trên mỗi đơn vị điện tích:

trong đó $W$ là năng lượng truyền (J) và $Q$ là điện tích (C). Ví dụ, nếu một pin thực hiện $120\ \text{J}$ công khi di chuyển $60\ \text{C}$ điện tích quanh mạch, suất điện động của nó là $120 / 60 = 2\ \text{V}$.

Điện trở đo lường mức độ cản trở dòng điện chảy qua. Điện trở càng lớn thì dòng điện càng nhỏ. Nó được đo bằng ohm (Ω).

Đo điện trở. Nối linh kiện theo nối tiếp với pin, công tắc, ampe kế và biến trở, sau đó mắc vôn kế song song với linh kiện. Đóng công tắc, đọc $I$ và $V$, rồi thay đổi biến trở để thu được nhiều cặp số liệu hơn. Either tính $R = V/I$ cho mỗi cặp và lấy trung bình, hoặc vẽ $V$ theo $I$: đối với dây kim loại ở nhiệt độ không đổi, đồ thị là đường thẳng đi qua gốc tọa độ, và hệ số góc của nó là $R$.

Ví dụ có lời giải. Một nguồn $12\ \text{V}$ tạo ra dòng điện $0.50\ \text{A}$ chạy qua bóng đèn. Tìm điện trở của bóng đèn.

Đối với dây kim loại ở nhiệt độ không đổi:

• dây dài hơn có điện trở lớn hơn — điện trở tỷ lệ thuận với chiều dài, $R \propto l$;
• dây dày hơn có điện trở nhỏ hơn — điện trở tỷ lệ nghịch với diện tích tiết diện, $R \propto \dfrac{1}{A}$.

Vì vậy, nếu gấp đôi chiều dài thì điện trở cũng gấp đôi; nếu gấp đôi diện tích thì điện trở giảm đi một nửa. (Diện tích phụ thuộc vào bình phương đường kính, nên một sự thay đổi nhỏ về đường kính sẽ làm thay đổi điện trở rất nhiều.)

Đồ thị dòng điện – hiệu điện thế cho thấy cách ba linh kiện hoạt động:

Mạch điện truyền năng lượng từ nguồn (pin hoặc lưới điện) đến các linh kiện, rồi tỏa ra môi trường xung quanh (thường dưới dạng nhiệt, ánh sáng hoặc âm thanh).

Công suất điện là năng lượng truyền đi mỗi giây, đo bằng watt (W):

Năng lượng điện truyền trong thời gian $t$, đo bằng joule (J), là:

Ví dụ có lời giải. Một động cơ $12\ \text{V}$ tiêu thụ dòng điện $2.0\ \text{A}$. Tính công suất của nó, và năng lượng mà nó truyền đi trong $30\ \text{s}$.

Kilowatt-giờ

Hóa đơn điện gia đình sử dụng một đơn vị năng lượng lớn hơn, là kilowatt-giờ (kWh). Một kilowatt-giờ là năng lượng tiêu thụ bởi một thiết bị $1\ \text{kW}$ trong $1$ giờ.

Ví dụ, một máy sưởi $2\ \text{kW}$ dùng trong $3$ giờ sẽ tiêu thụ $2 \times 3 = 6\ \text{kWh}$. Nếu một kWh có giá $20$ xu, tổng chi phí là $6 \times 20 = 120$ xu.

Các linh kiện mạch điện

Bạn cần biết các linh kiện này và cách chúng hoạt động:

Nối tiếp và song song

Trong mạch nối tiếp, các bộ phận tạo thành một vòng khép kín duy nhất:

• dòng điện giống nhau tại mọi điểm;
• hiệu điện thế nguồn được phân chia giữa các linh kiện;
• các pin nối tiếp cộng lại e.m.f. của chúng (khi cùng chiều);
• các điện trở nối tiếp cộng lại: $R_{\text{total}} = R_1 + R_2 + \dots$

Trong mạch song song, các bộ phận nằm trên các nhánh riêng biệt:

• mỗi nhánh nhận đủ hiệu điện thế nguồn;
• dòng điện phân tách, nên dòng điện từ nguồn lớn hơn dòng điện trong bất kỳ nhánh nào;
• điện trở tổng nhỏ hơn điện trở đơn lẻ nhỏ nhất.

Các bóng đèn trong nhà được đấu nối song song: mỗi bóng nhận đủ điện áp, và nếu một bóng hỏng thì các bóng khác vẫn sáng.

Để tính toán (với các quy tắc trên):

• tại nút giao, tổng dòng điện chảy vào bằng tổng dòng điện chảy ra;
• trong mạch nối tiếp, hiệu điện thế nguồn bằng tổng các hiệu điện thế trên các linh kiện;
• trong mạch song song, hiệu điện thế trên mỗi nhánh là như nhau;
• hai điện trở nối tiếp kết hợp như sau

Ví dụ minh họa. Một điện trở $6\ \Omega$ và một điện trở $3\ \Omega$ được mắc song. Tìm điện trở tổng hợp của chúng.

Lưu ý rằng điện trở tương đương ($2\ \Omega$) nhỏ hơn điện trở nhỏ nhất trong hai điện trở.

Bộ phân áp

Hai điện trở mắc nối tiếp chia điện áp nguồn. Đây là bộ phân áp. Với cùng một dòng điện, điện trở lớn hơn sẽ có hiệu điện thế lớn hơn đặt lên nó, nên điện trở lớn hơn nhận được phần điện áp lớn hơn:

Một bộ phân áp biến đổi (hoặc điện trở biến) cho phép bạn thay đổi điện áp đầu ra một cách trơn tru, ví dụ từ $0\ \text{V}$ đến toàn bộ điện áp nguồn. Nếu sử dụng thermistor hoặc LDR làm một trong hai điện trở, điện áp đầu ra sẽ thay đổi theo nhiệt độ hoặc ánh sáng — rất hữu ích để tự động bật tắt máy sưởi hoặc đèn.

Một ngôi nhà được cấp điện từ lưới điện. Lưới điện rất nguy hiểm nếu bị sử dụng sai cách.

Các mối nguy hiểm

Đây là các mối nguy hiểm (nguy cơ) liên quan đến điện lưới:

• vỏ cách điện bị hư hỏng — dây trần có thể gây điện giật hoặc bắt lửa;
• cáp bị quá nóng — quá nhiều dòng điện khiến cáp nóng lên, có thể dẫn đến cháy fires;
• điều kiện ẩm ướt — nước cho phép dòng điện đi vào cơ thể người, làm tăng nguy cơ điện giật;
• quá tải — cắm quá nhiều thiết bị vào một ổ cắm sẽ kéo theo dòng điện quá lớn.

Dây pha, dây trung tính và dây nối đất

Một dây điện lưới có ba dây:

• dây pha mang điện áp cao;
• dây trung tính hoàn thành mạch ở mức điện áp xấp xỉ không;
• dây nối đất là dây an toàn được nối với mặt đất.

Công tắc (và cầu chì) phải được lắp đặt trong dây pha. Khi đó, khi công tắc断开, thiết bị bị ngắt khỏi nguồn điện áp cao và an toàn để chạm tay vào.

Cầu chì, công tắc bảo vệ và nối đất

Cầu chì là một sợi dây mỏng tan chảy nếu dòng điện trở nên quá lớn, phá vỡ mạch trước khi cáp bị quá nóng. Chọn điện áp định mức cầu chì ngay phía trên dòng điện hoạt động bình thường — ví dụ, cầu chì $13\ \text{A}$ cho thiết bị thường tiêu thụ khoảng $10\ \text{A}$.

Công tắc bảo vệ (circuit breaker) làm nhiệm vụ tương tự nhưng phản ứng nhanh hơn và có thể được đặt lại trạng thái thay vì phải thay mới.

Vỏ kim loại của thiết bị phải được đảm bảo an toàn bằng một trong hai cách sau:

• nối đất: vỏ được nối với dây nối đất. Nếu dây pha chạm vào vỏ, dòng điện lớn sẽ chảy xuống đất và làm cháy cầu chì.
• cách điện kép: vỏ làm bằng nhựa, nên không bao giờ trở nên mang điện. Thiết bị như vậy không cần dây nối đất; cầu chì của nó vẫn bảo vệ cáp điện.

Hiệu ứng từ của dòng điện

Dòng điện trong dây tạo ra từ trường xung quanh nó.

• Xung quanh dây thẳng, các đường sức từ là những vòng tròn bao quanh dây; từ trường mạnh gần dây. Đảo chiều dòng điện thì từ trường cũng đảo chiều.
• Cuộn dây solenoid (một cuộn dây dài) tạo ra từ trường giống hệt nam châm thanh, với cực N ở một đầu và cực S ở đầu kia. Từ trường bên trong mạnh và đều.

Bạn có thể minh họa cả hai mô hình này bằng vụn sắt hoặc la bàn chỉ hướng. Từ trường trở nên mạnh hơn nếu bạn tăng dòng điện, thêm nhiều vòng dây, hoặc đặt lõi sắt mềm bên trong.

Hiệu ứng từ được ứng dụng trong rơ le và loa. Trong rơ le, dòng điện nhỏ chạy qua cuộn dây từ hóa lõi sắt mềm, kéo đóng công tắc trong mạch thứ hai. Mạch thứ hai có thể dẫn dòng điện lớn, nên công tắc nhỏ hoặc cảm biến có thể điều khiển an toàn động cơ hoặc máy sưởi (ví dụ, công tắc igni ô tô khởi động động cơ thông qua rơ le). Trong loa, dòng điện biến thiên trong cuộn dây khiến cuộn dây đẩy và kéo màng loa bằng giấy, làm chuyển động không khí và tạo ra âm thanh.

Cảm ứng điện từ

Khi dây dẫn di chuyển cắt ngang từ trường, hoặc từ thông qua cuộn dây thay đổi, một e.m.f. (e.m.f. cảm ứng) được sinh ra trong dây. Nếu dây là một phần của mạch kín, e.m.f. này sẽ đẩy dòng điện. Hiện tượng này gọi là cảm ứng điện từ.

Để chứng minh: di chuyển nam châm vào và ra khỏi cuộn dây nối với đồng hồ đo nhạy, và quan sát kim đồng hồ nhấp nháy. E.m.f. cảm ứng lớn hơn khi bạn dùng nam châm mạnh hơn, di chuyển nhanh hơn, hoặc dùng nhiều vòng dây hơn. E.m.f. cảm ứng luôn tác dụng để chống lại sự thay đổi gây ra nó. Chiều của dòng điện cảm ứng được xác định bởi qui tắc bàn tay phải Fleming: giữ ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa của bàn tay phải vuông góc với nhau; ngón cái chỉ theo chiều di chuyển của dây, ngón trỏ chỉ theo chiều từ trường (từ N đến S), và ngón giữa sẽ chỉ chiều dòng điện cảm ứng.

Máy phát điện xoay chiều

Máy phát điện xoay chiều chuyển động cơ học thành điện năng. Một cuộn dây được quay trong từ trường (hoặc nam châm được quay gần cuộn dây). Khi quay, từ thông qua cuộn dây liên tục thay đổi, nên một e.m.f. xoay chiều được cảm ứng.

• Vòng trượt và chổi than carbon dẫn dòng điện ra ngoài mạch trong khi cuộn dây vẫn tiếp tục quay.
• Suất điện động (e.m.f.) lớn nhất khi cuộn dây nằm ngang (di chuyển nhanh nhất qua từ trường) và bằng không khi cuộn dây đứng thẳng (di chuyển dọc theo từ trường). Do đó, đồ thị suất điện động–thời gian là một sóng: cực đại, không, cực đại ngược, không, cho mỗi vòng quay.

Lực tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện

Khi một dây dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường, từ trường của dây và từ trường của nam châm đẩy nhau, khiến dây dẫn chịu một lực. Đây chính là hiệu ứng động cơ.

• Đảo chiều dòng điện, hoặc đảo chiều từ trường, thì lực sẽ đảo chiều.
• Làm tăng cường độ dòng điện hoặc từ trường mạnh hơn, thì lực cũng lớn hơn.

Lực, từ trường và dòng điện vuông góc với nhau. Bạn có thể xác định hướng lực bằng qui tắc bàn tay trái Fleming: ngón cái = lực (chuyển động), ngón trỏ = từ trường (từ Nam sang Bắc), ngón giữa = dòng điện.

Trình diễn lực. Đặt một thanh đồng cứng (hoặc dải giấy nhôm) giữa hai cực của nam châm chữ U và kết nối nó với pin thông qua công tắc. Khi dòng điện chạy, thanh đồng nhảy lên hoặc xuống. Đảo chiều pin thì thanh đồng nhảy theo hướng ngược lại; lật ngược nam châm thì nó lại đảo chiều nữa. Dòng điện lớn hơn hoặc nam châm mạnh hơn sẽ tạo ra cú nhảy lớn hơn.

Dòng chảy các hạt mang điện là dòng điện, nên từ trường cũng đẩy nó sang bên — nó lệch hướng chùm tia. (Nhớ rằng electron di chuyển ngược chiều so với dòng điện quy ước.)

Động cơ một chiều

Một cuộn dây mang dòng điện trong từ trường chịu một lực làm quay, vì các lực tác dụng lên hai cạnh của nó theo hướng ngược nhau. Đây là động cơ một chiều. Lực làm quay lớn hơn khi số vòng trên cuộn dây nhiều hơn, dòng điện lớn hơn, hoặc từ trường mạnh hơn.

Cổng commutator vòng chia đảo chiều dòng điện trong cuộn dây sau mỗi nửa vòng quay. Điều này giữ cho cuộn dây luôn quay theo cùng một hướng thay vì dừng lại sau nửa vòng quay.

Máy biến áp

Máy biến áp thay đổi độ lớn của điện áp xoay chiều. Nó gồm hai cuộn dây quấn trên lõi sắt mềm:

• Cuộn sơ cấp nhận điện áp xoay chiều;
• Cuộn thứ cấp đưa ra điện áp đã thay đổi.

Dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên trong lõi. Lõi dẫn từ trường này sang cuộn thứ cấp, nơi nó sinh ra suất điện động xoay chiều. Điện áp và số vòng dây liên hệ với nhau qua công thức:

Ví dụ minh họa. Một máy biến áp có $1200$ vòng trên cuộn sơ cấp và $100$ vòng trên cuộn thứ cấp. Cuộn sơ cấp được mắc vào nguồn điện xoay chiều $240\ \text{V}$. Tính điện áp ở cuộn thứ cấp.

Số vòng ở cuộn thứ cấp ít hơn, nên đây là máy biến áp hạ thế.

Nếu cuộn thứ cấp có nhiều vòng hơn thì đó là máy biến áp tăng thế (điện áp tăng); ít vòng hơn tạo ra máy biến áp hạ thế (điện áp giảm). Ví dụ, máy biến áp chuyển từ $240\ \text{V}$ sang $12\ \text{V}$ là loại hạ thế, và cuộn sơ cấp có $20$ lần số vòng của cuộn thứ cấp.

Nếu máy biến áp có hiệu suất 100%, công suất đầu vào bằng công suất đầu ra:

Vì vậy, máy biến áp tăng thế nâng điện áp nhưng giảm dòng điện.

Tại sao chúng ta dùng điện áp cao để truyền tải điện

Điện được truyền đi khắp nước nhà qua cáp truyền tải điện áp cao. Công suất hao phí dưới dạng nhiệt trong cáp là

trong đó $R$ là điện trở của cáp. Máy biến áp tăng thế nâng điện áp và do đó giảm dòng điện cho cùng một công suất ($P = IV$). Dòng điện nhỏ hơn nghĩa là rất ít công suất bị lãng phí trong cáp. Sau đó, máy biến áp hạ thế lại giảm điện áp xuống mức an toàn trước khi đến nhà dân.

• Dòng điện như nhau tại mọi điểm trong mạch nối tiếp; trong mạch nối song, nó phân chia giữa các nhánh. Điện áp (hiệu điện thế) được phân bổ trong mạch nối tiếp, nhưng bằng nhau trên mỗi nhánh nối song.
• Thêm điện trở nối tiếp làm tăng điện trở tổng ($R_1 + R_2$); thêm chúng nối song làm cho điện trở tổng nhỏ hơn điện trở đơn lẻ nhỏ nhất.
• Ammeter mắc nối tiếp và có điện trở rất thấp; Voltmeter mắc nối song qua một linh kiện và có điện trở rất cao.
• Trong máy biến áp $\dfrac{V_p}{V_s} = \dfrac{N_p}{N_s}$: nhiều vòng ở cuộn thứ cấp tăng điện áp lên, ít vòng làm giảm điện áp xuống. Máy biến áp chỉ hoạt động với dòng điện xoay chiều.
• Điện được truyền trên đường dài ở điện áp cao để dòng điện — và nhiệt lượng bị lãng phí trong dây dẫn, $P = I^2R$ — nhỏ đi.
• Gắn công tắc và cầu chì vào dây nóng, và chọn định mức cầu chì chỉ cao hơn một chút so với dòng điện hoạt động bình thường của thiết bị.