Hiệu điện thế giống như độ chênh áp lực đẩy nước đi trong ống, dòng điện giống lượng nước chảy qua ống mỗi giây, còn điện trở giống độ hẹp và độ nhám của đường ống. Áp lực càng lớn và ống càng thông thì nước chảy càng mạnh. Điện cũng vậy: hiệu điện thế càng cao và điện trở càng nhỏ thì dòng điện càng lớn.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Vôn, ampe, ôm là ba chữ ai cũng thấy trên sạc điện thoại hay ổ cắm, nhưng ít người hình dung được chúng khác nhau thế nào. Tập này mình mượn đường ống nước trong nhà để dựng một hình ảnh dễ nhớ, rồi chỉ ra chỗ hình ảnh đó bắt đầu sai để bạn không hiểu nhầm.
Hiệu điện thế: áp lực đẩy dòng chảy
Hình dung một bồn nước đặt trên mái nhà nối ống xuống vòi ở sân. Bồn càng cao, nước ở vòi phun càng mạnh. Thứ đẩy nước đi chính là độ chênh độ cao, hay nói chính xác hơn là chênh lệch áp suất giữa hai đầu ống.
Trong mạch điện, hiệu điện thế đóng vai trò đó. Nó là độ chênh giữa hai điểm, đẩy các hạt mang điện chạy trong dây dẫn. Đơn vị là vôn. Cục pin tiểu có khoảng một rưỡi vôn, bình ắc quy xe máy khoảng mười hai vôn, ổ điện trong nhà ở Việt Nam là hai trăm hai mươi vôn.
Chữ hiệu trong hiệu điện thế nghĩa là hiệu số, tức sự chênh lệch. Một điểm riêng lẻ không có hiệu điện thế; phải có hai điểm để so. Con chim đậu trên dây điện cao thế không bị giật cũng vì điều này, mình sẽ kể ở một tập sau.
Pin và máy phát điện giống như cái máy bơm, liên tục đưa nước lên bồn cao để duy trì độ chênh. Khi pin cạn, máy bơm yếu đi, độ chênh giảm, dòng chảy yếu theo.
Dòng điện: bao nhiêu điện tích chảy qua mỗi giây
Dòng điện giống lưu lượng nước, tức bao nhiêu lít nước chảy qua một mặt cắt của ống trong mỗi giây. Với điện, đó là lượng điện tích chạy qua một mặt cắt của dây dẫn mỗi giây, đo bằng ampe.
Trong dây đồng, thứ chạy là các electron. Điều bất ngờ là bản thân từng electron trôi rất chậm, chậm hơn cả con kiến bò. Nhưng dây đã đầy electron sẵn, nên vừa bật công tắc thì electron ở mọi nơi trong dây cùng bắt đầu dịch chuyển gần như tức thì, giống ống nước đã đầy nước, mở vòi là nước ra ngay.
Cũng như nước, dòng điện chỉ chảy khi có đường khép kín. Mạch hở ở đâu đó, công tắc tắt hay dây đứt, thì dòng dừng ở mọi nơi trong mạch.
Còn một điều nữa: nước đi qua vòi rồi đổ ra xô, còn electron không bị tiêu hao. Chúng đi một vòng rồi trở về. Thứ được tiêu thụ là năng lượng chúng mang theo, không phải bản thân electron.
Điện trở và định luật Ôm
Ống càng hẹp, càng dài, càng nhiều cặn thì nước càng khó chảy. Dây dẫn cũng vậy: dây càng mảnh, càng dài, làm bằng vật liệu dẫn điện càng kém thì điện trở càng lớn. Đơn vị điện trở là ôm.
Ba đại lượng liên hệ với nhau bằng định luật Ôm: dòng điện bằng hiệu điện thế chia cho điện trở. Giữ nguyên hiệu điện thế, điện trở tăng gấp đôi thì dòng giảm một nửa. Giữ nguyên điện trở, tăng gấp đôi hiệu điện thế thì dòng gấp đôi.
Đồng và nhôm được dùng làm dây điện vì điện trở rất nhỏ. Dây tóc bóng đèn sợi đốt, dây mayso bàn là thì cố ý làm bằng vật liệu có điện trở lớn, để dòng điện đi qua làm chúng nóng lên.
Định luật Ôm đúng tốt với dây kim loại ở nhiệt độ ổn định. Với những linh kiện như đèn LED hay đi ốt, quan hệ giữa dòng và hiệu điện thế phức tạp hơn nhiều, nhưng cái khung ý tưởng vẫn dùng được.
Công suất và vì sao dây điện nhỏ dễ nóng
Công suất là năng lượng được truyền đi mỗi giây, đo bằng oát. Với điện, công suất bằng hiệu điện thế nhân với dòng điện. Ấm siêu tốc ghi hai nghìn oát chạy ở hai trăm hai mươi vôn thì kéo một dòng khoảng chín ampe.
Dòng điện đi qua dây dẫn luôn làm dây nóng lên một chút, vì dây có điện trở. Phần nhiệt này tăng theo bình phương của dòng điện. Dòng gấp đôi thì nhiệt sinh ra trên dây gấp bốn.
Đây là lý do dây điện phải chọn đúng tiết diện theo tải. Cắm ấm siêu tốc, bàn là và máy sưởi vào cùng một ổ kéo dài dây mảnh, dòng tổng rất lớn, dây nóng chảy vỏ nhựa, có khi bén lửa. Phích cắm lỏng, tiếp xúc kém cũng nóng vì chỗ tiếp xúc có điện trở lớn.
Nếu thấy dây hay ổ cắm ấm nóng bất thường, có mùi khét, phải rút bớt thiết bị và nhờ thợ điện kiểm tra. Đó là dấu hiệu đang có quá nhiều dòng chạy qua một đoạn không chịu nổi.
Chỗ phép so sánh với ống nước bắt đầu sai
Hình ảnh ống nước giúp ích nhiều, nhưng đừng đẩy nó đi quá xa. Ống nước bị thủng thì nước phun ra ngoài; dây điện bị hở thì điện không tự chảy ra không khí. Nó chỉ đi ra khi có một đường dẫn khác, và đường dẫn đó có thể chính là cơ thể bạn.
Nước chảy chậm hơn khi ống dài, còn tín hiệu điện truyền dọc dây nhanh gần bằng tốc độ ánh sáng. Điện xoay chiều trong nhà còn đổi chiều qua lại năm mươi lần mỗi giây, điều mà nước trong ống không làm.
Và quan trọng nhất: nước không gây nguy hiểm vô hình. Điện hai trăm hai mươi vôn thì có. Bạn không nhìn, không nghe, không ngửi thấy nó cho tới khi đã quá muộn.
Nên hãy dùng hình ảnh đường ống để hiểu, còn khi đụng tới điện lưới thật, hãy quên phép so sánh đi và nhớ một luật duy nhất: ngắt cầu dao trước, và nếu không chắc thì gọi thợ. Tập sau mình sẽ nói kỹ vì sao.
Câu hỏi thường gặp
Vôn và ampe cái nào nguy hiểm hơn?
Thứ gây hại trực tiếp là dòng điện đi qua cơ thể, đo bằng ampe. Nhưng dòng lớn hay nhỏ lại do hiệu điện thế và điện trở cơ thể quyết định, nên điện áp cao nguy hiểm vì nó đẩy được dòng lớn qua người.
Vì sao sạc điện thoại ghi năm vôn mà vẫn sạc được pin?
Bộ sạc hạ điện áp hai trăm hai mươi vôn của lưới xuống mức thấp, cỡ năm vôn hoặc cao hơn với sạc nhanh, phù hợp với pin. Pin điện thoại chỉ cần vài vôn nên điện áp thấp là đủ.
Định luật Ôm do ai tìm ra?
Định luật mang tên Georg Ohm, nhà vật lý người Đức thế kỷ mười chín. Đơn vị điện trở ôm cũng được đặt theo tên ông.
Vì sao dây điện làm bằng đồng mà không bằng bạc?
Bạc dẫn điện tốt hơn đồng một chút nhưng đắt hơn rất nhiều. Đồng dẫn điện gần như tốt bằng mà rẻ và bền, nên là lựa chọn hợp lý cho dây điện dân dụng.
Ổ cắm kéo dài nên dùng thế nào cho an toàn?
Chọn loại có dây đủ to và ghi rõ công suất tối đa, không cắm cùng lúc nhiều thiết bị sinh nhiệt như ấm đun, bàn là, máy sưởi. Không cắm nối tiếp nhiều ổ kéo dài vào nhau, và thay ngay khi vỏ nhựa bị chảy hay ổ lỏng.
