Chủ đề II. Điện

Một số vật sau khi được cọ xát có khả năng hút các vật nhẹ như mẩu giấy, hoặc tương tác với vật nhiễm điện khác. Ta nói vật bị nhiễm điện. Hai vật nhiễm điện cùng loại đẩy nhau, khác loại hút nhau. Tuy vậy, việc một vật hút giấy chưa đủ để xác định dấu điện tích của nó, vì vật đã nhiễm điện cũng có thể hút một vật nhẹ đang trung hòa.

Nguyên tử có hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm. Trong mô hình nhiễm điện do cọ xát, electron có thể chuyển từ vật này sang vật kia; nếu ban đầu trung hòa, vật mất bớt electron mang điện dương, vật nhận thêm electron mang điện âm. Điện tích không tự sinh ra từ việc cọ xát; cần xét sự phân bố lại electron giữa các vật liên quan.

Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. Trong dây dẫn kim loại, những hạt chuyển dời có hướng là electron tự do. Chuyển động nhiệt hỗn độn của electron khi chưa có dòng điện không đồng nghĩa với dòng điện. Để một thiết bị hoạt động liên tục, cần có điều kiện giúp các điện tích chuyển dời theo hướng trong mạch.

Nguồn điện cung cấp năng lượng để duy trì dòng điện trong mạch thích hợp. Pin và ắc quy là những nguồn quen thuộc; mỗi nguồn có hai cực được đánh dấu dương và âm. Nguồn không có nhiệm vụ tạo mới electron trong dây dẫn. Khi nguồn nối với thiết bị bằng một đường dẫn kín và các bộ phận phù hợp, năng lượng có thể truyền tới thiết bị để thiết bị hoạt động.

Vật dẫn điện cho dòng điện đi qua tương đối dễ, ví dụ dây đồng trong điều kiện sử dụng thông thường. Vật cách điện cản trở dòng điện, ví dụ lớp nhựa bọc dây. Sự phân biệt này gắn với điều kiện cụ thể: lớp cách điện bị hỏng hoặc môi trường ẩm có thể làm mất an toàn. Không dùng cơ thể để kiểm tra một vật có dẫn điện hay không.

Khi học về dòng điện, cần phân biệt hiện tượng nhiễm điện tĩnh với dòng điện được duy trì trong mạch. Học sinh chỉ lắp mạch với pin điện áp thấp và linh kiện do giáo viên cho phép, ngắt mạch khi thay đổi cách mắc. Không thao tác với ổ điện, điện lưới hoặc pin bị hỏng. Các hiện tượng đời sống được dùng để giải thích, không phải lời mời tự thử các tình huống nguy hiểm.

Mạch điện đơn giản có nguồn điện, thiết bị tiêu thụ điện, dây nối và thường có công tắc. Sơ đồ mạch dùng kí hiệu để biểu diễn các bộ phận và cách nối, giúp người đọc hiểu cấu trúc mà không cần vẽ hình dáng thật. Khi vẽ, cần thể hiện dây nối liên tục, vị trí các nút và trạng thái công tắc; các đường chạm nhau không rõ dễ làm người đọc hiểu sai.

Khi mạch kín, nguồn tốt và các bộ phận phù hợp, dòng điện có thể đi qua thiết bị. Mở công tắc làm gián đoạn đường dẫn, tạo mạch hở và ngừng dòng điện trong nhánh bị ngắt. Nếu đèn không sáng, chưa thể kết luận ngay pin hỏng: dây đứt, tiếp xúc kém, công tắc mở hoặc bóng đèn hỏng đều là khả năng cần kiểm tra theo trình tự an toàn.

Chiều dòng điện quy ước trong mạch ngoài là từ cực dương của nguồn, qua dây dẫn và thiết bị, trở về cực âm. Trong dây kim loại, chiều chuyển dời có hướng của electron ngược chiều quy ước đó. Khi đánh dấu mũi tên, phải xác định cực nguồn trước và đi theo đường dẫn kín; không vẽ chiều dòng điện nhảy qua khoảng hở của công tắc.

Dòng điện có tác dụng nhiệt: khi đi qua nhiều vật dẫn, nó làm vật dẫn nóng lên. Tác dụng phát sáng thể hiện ở một số loại đèn hoặc linh kiện phát sáng khi hoạt động phù hợp. Một thiết bị có thể đồng thời có nhiều tác dụng, nhưng tác dụng có ích chính phụ thuộc mục đích sử dụng. Nhiệt tỏa ra ở đèn có thể là phần năng lượng không phục vụ trực tiếp việc chiếu sáng.

Dòng điện còn có tác dụng hóa học trong những điều kiện thích hợp, chẳng hạn làm thay đổi chất trong dung dịch điện phân. Tác dụng sinh lí thể hiện khi dòng điện tác động lên cơ thể, có thể gây tổn thương nghiêm trọng. Học sinh nhận biết các tác dụng qua mô hình, hình ảnh hoặc thí nghiệm giáo viên chuẩn bị; không dùng người, động vật hoặc hóa chất tùy ý để thử nghiệm.

Nối trực tiếp hai cực nguồn bằng dây dẫn mà bỏ qua thiết bị hạn chế dòng phù hợp có thể tạo đoản mạch, làm nguồn và dây nóng lên. Khi lắp mạch học tập, dùng pin điện áp thấp, giữ công tắc mở lúc nối và nhờ kiểm tra trước khi đóng. Không mắc dây vào ổ điện trong nhà, không sửa thiết bị đang có điện và không giữ mạch hoạt động khi thấy nguồn nóng bất thường.

Cường độ dòng điện cho biết mức độ mạnh, yếu của dòng điện, kí hiệu là I. Đơn vị thường dùng là ampere, kí hiệu A; một ampere bằng một nghìn milliampere, viết 1 A = 1000 mA. Khi so sánh số đo, cần đổi về cùng đơn vị. Số 250 mA không lớn hơn 0,5 A chỉ vì phần số 250 lớn hơn 0,5.

Ampe kế là dụng cụ đo cường độ dòng điện. Muốn đo dòng qua một nhánh, mắc ampe kế nối tiếp trong nhánh đó để dòng cần đo đi qua dụng cụ. Với ampe kế một chiều có cực, phải mắc đúng cực theo hướng dẫn và chọn giới hạn đo phù hợp. Không mắc ampe kế trực tiếp vào hai cực nguồn vì có thể gây đoản mạch hoặc hỏng dụng cụ.

Hiệu điện thế giữa hai điểm đặc trưng cho khả năng tạo ra dòng điện khi nối hai điểm qua mạch phù hợp; kí hiệu U, đơn vị volt V. Nguồn điện duy trì hiệu điện thế giữa hai cực. Con số ghi trên pin cho biết giá trị danh định để lựa chọn, còn số đo thực tế có thể thay đổi theo tình trạng pin và điều kiện sử dụng.

Vôn kế dùng để đo hiệu điện thế giữa hai điểm. Vì cần so sánh hai đầu của bộ phận, vôn kế được mắc song song với bộ phận đó; không cần buộc dòng qua đèn phải đi qua vôn kế. Với dụng cụ một chiều có cực, cực dương vôn kế nối về phía có điện thế cao hơn theo sơ đồ nguồn, đồng thời chọn thang đo phù hợp.

Trong một mạch nối tiếp đơn giản không phân nhánh và ổn định, cường độ dòng điện đo ở các vị trí là như nhau theo mô hình bài học; điện tích không bị đèn tiêu thụ rồi biến mất. Thiết bị nhận và chuyển hóa năng lượng điện. Khi thay đổi nguồn cho cùng một đèn trong phạm vi phù hợp, độ sáng có thể thay đổi, nhưng không suy ra mọi quan hệ định lượng chỉ từ quan sát.

Đọc kết quả đo phải ghi cả giá trị và đơn vị, kèm thang đo khi cần. Hiệu điện thế có thể tồn tại giữa hai cực pin dù mạch ngoài đang hở và không có dòng điện qua đèn. Vì thế I và U là hai đại lượng khác nhau, đo bằng hai cách mắc khác nhau. Bài ôn này tập trung vào ý nghĩa và phép đo, chưa dùng định luật Ohm để tính điện trở.

Một phép đo điện cần bắt đầu từ câu hỏi rõ ràng: đo dòng qua nhánh nào hay đo hiệu điện thế giữa hai điểm nào. Chọn đúng dụng cụ rồi đọc các thông tin trên mặt máy: đại lượng đo, đơn vị, giới hạn đo và các đầu nối. Với đồng hồ nhiều chức năng, chỉ dùng chế độ và đầu cắm do giáo viên hướng dẫn; nhầm chế độ có thể làm hỏng thiết bị.

Trước khi mắc, giữ công tắc mở hoặc ngắt nguồn pin. Vẽ sơ đồ, lắp ampe kế nối tiếp với nhánh cần đo I và vôn kế song song với bộ phận cần đo U. Kiểm tra cực dương, cực âm của dụng cụ một chiều và của nguồn. Chỉ đóng công tắc sau khi người hướng dẫn xác nhận cách mắc phù hợp, không sửa dây khi mạch đang hoạt động.

Giới hạn đo phải lớn hơn hoặc bằng giá trị cần đo và nên phù hợp để đọc được chi tiết. Nếu chưa biết giá trị, việc chọn thang ban đầu và điều chỉnh thang phải theo hướng dẫn của dụng cụ. Với thang chia đều, giá trị một khoảng chia bằng chênh lệch hai mốc số chia số khoảng giữa chúng. Đếm khoảng, không nhầm với số vạch kể cả hai đầu.

Khi đọc dụng cụ kim, đặt mắt đúng hướng để hạn chế sai số do nhìn xiên. Dụng cụ số cũng cần kiểm tra đơn vị đang hiển thị, vì 180 mA khác 180 A. Ghi số đo cùng đơn vị và điều kiện đo; không ghi nhiều chữ số hơn mức dụng cụ cho phép đọc hợp lí. Sau mỗi lượt, có thể mở công tắc để tránh nguồn, đèn nóng lên không cần thiết.

Lặp phép đo trong điều kiện gần như nhau giúp phát hiện ghi nhầm hoặc tiếp xúc không ổn định. Các số 0,18 A, 0,19 A và 0,18 A có thể dao động nhỏ; không nên tự gọi một số là sai chỉ vì khác hai số còn lại. Cần xem độ chia, cách mắc và biến đổi điều kiện; giá trị trung bình là cách tóm tắt khi bài yêu cầu.

Cuối buổi, ngắt nguồn, thu dọn dụng cụ và báo những hiện tượng bất thường. Chỉ dùng bộ pin điện áp thấp phù hợp lớp học; không áp dụng sơ đồ thực hành này để đo ổ điện hoặc sửa thiết bị điện gia dụng. Năng lực cần luyện là chọn đúng phép đo, đọc đúng số liệu và giải thích giới hạn bằng chứng, không phải thử dòng điện càng lớn càng tốt.