Từ electron đến dòng điện: Nguồn gốc của điện năng

Điện tích: "hạt đếm" cơ bản của điện

Mọi vật chất đều được cấu tạo từ các hạt mang điện.

• Electron mang điện tích âm.
• Proton mang điện tích dương.
• Độ lớn điện tích của proton và electron bằng nhau nhưng trái dấu.

Giá trị điện tích nhỏ nhất tồn tại độc lập trong tự nhiên được gọi là điện tích nguyên tố (e):

e = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ coulomb

Đơn vị đo điện tích là coulomb (C).

Một coulomb tương đương khoảng:

6,24 × 10¹⁸ điện tích nguyên tố

Nói cách khác, chỉ một lượng điện tích rất nhỏ của electron đã đủ tạo nên những dòng điện quen thuộc trong đời sống hằng ngày.

Dòng điện được đo bằng gì?

Đơn vị đo cường độ dòng điện là ampere (A).

Một ampere được định nghĩa là dòng điện vận chuyển:

1 coulomb điện tích trong 1 giây

Hay:

1 A = 1 C/s

Điều này cho phép các nhà khoa học đo lường và so sánh dòng điện một cách chính xác trên toàn thế giới.

Ampere đã được định nghĩa như thế nào?

Định nghĩa cũ

Trong nhiều năm, ampere được xác định thông qua lực từ giữa hai dây dẫn song song.

Nếu hai dây dẫn đặt cách nhau 1 mét trong chân không và xuất hiện một lực rất nhỏ giữa chúng, dòng điện trong dây sẽ được dùng để xác định đơn vị ampere.

Tuy nhiên, định nghĩa này khó thực hiện trong thực tế vì không thể tạo ra những dây dẫn "dài vô hạn" như mô hình lý thuyết.

Định nghĩa hiện đại

Từ năm 2019, Hệ đơn vị SI đã định nghĩa ampere dựa trực tiếp trên điện tích nguyên tố của electron.

Điều này giúp đơn vị điện trở nên ổn định hơn và không còn phụ thuộc vào các phép đo cơ học như trước đây.

Chiều dòng điện có thật là chiều electron di chuyển?

Có một điều thú vị là:

• Chiều dòng điện quy ước đi từ cực dương sang cực âm.
• Electron trong dây dẫn lại chuyển động từ cực âm sang cực dương.

Nguyên nhân là quy ước về chiều dòng điện được đặt ra trước khi các nhà khoa học phát hiện ra electron.

Mặc dù biết electron chuyển động ngược chiều, quy ước cũ vẫn được giữ nguyên để đảm bảo tính thống nhất trong khoa học và kỹ thuật.

Dòng điện không chỉ tồn tại trong dây dẫn

Sét

Một tia sét là dòng điện khổng lồ phóng qua không khí khi khả năng cách điện của khí quyển bị phá vỡ.

Một tia sét điển hình có thể đạt:

• Điện áp khoảng 300 triệu volt
• Cường độ dòng điện khoảng 30.000 ampere

Mạnh hơn rất nhiều so với điện sinh hoạt thông thường.

Cực quang

Mặt Trời liên tục phóng ra các dòng hạt tích điện gồm electron và proton.

Khi những hạt này va chạm với từ trường và khí quyển Trái Đất tại vùng cực, chúng tạo nên hiện tượng cực quang đầy màu sắc.

Hệ thần kinh con người

Ngay cả cơ thể chúng ta cũng hoạt động dựa trên các dòng điện cực nhỏ.

Tế bào thần kinh truyền tín hiệu bằng cách kiểm soát dòng chuyển động của các ion như:

• Natri (Na⁺)
• Kali (K⁺)
• Canxi (Ca²⁺)

Những dòng ion này cho phép não bộ giao tiếp với cơ bắp và các cơ quan trong cơ thể.

Điện tích và dòng điện: Mối liên hệ cốt lõi

Điện tích và dòng điện giống như nước và dòng sông:

• Điện tích là những "hạt" mang điện.
• Dòng điện là dòng chuyển động của các điện tích đó.

Nếu điện tích đứng yên, chúng chỉ tạo ra điện trường. Khi điện tích bắt đầu chuyển động, chúng tạo thành dòng điện và sinh ra từ trường.

Chính mối liên hệ đơn giản này là nền tảng của mọi công nghệ điện hiện đại, từ bóng đèn, động cơ điện cho đến máy tính và mạng Internet.

Đọc thêm

• Thuyết tương đối hẹp: khi thời gian không còn tuyệt đối
• Bí mật đằng sau cảm giác "hụt hẫng" khi vận tốc thay đổi
• Newton đã giải mã thế giới như thế nào?