Dòng điện
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| current/ˈkʌrənt/ | dòng điện |
| charge carriers/tʃɑːdʒ ˈkærɪəz/ | tải điện |
| conventional current/kənˈvenʃənl ˈkʌrənt/ | dòng điện quy ước |
| quantised/ˈkwɒntaɪzd/ | lượng tử hóa |
| elementary charge/ˌelɪˈmentəri tʃɑːdʒ/ | điện tích nguyên tố |
| coulomb/ˈkuːlɒm/ | coulomb |
| drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ | vận tốc trôi |
| number density/ˈnʌmbə ˈdensɪti/ | mật độ số |
| semiconductor/ˌsemɪkənˈdʌktə/ | chất bán dẫn |
Chậm hơn cả sên
- Bật công tắc và đèn sáng ngay lập tức.
- Thế nhưng bản thân các electron lại di chuyển chậm (drift) trong dây điện còn chậm hơn cả sên.
- Lực đẩy (tường điện trường) truyền nhanh; các điện tích di chuyển rât chậm.
Dòng điện là gì
- Một dòng điện dòng là sự di chuyển của hạt tải điện (electron trong kim loại, ion trong chất lỏng).
- Dòng điện quy ước chỉ hướng mà điện tích dương sẽ di chuyển — ngược chiều với electron.
Các hạt tải điện di chuyển bên trong vật dẫn
Dòng điện, hiệu điện thế và điện trở
Dòng điện là tốc độ dòng chảy của điện tích. Tăng hiệu điện thế thì dòng điện tăng; tăng điện trở thì nó giảm — I = V / R.
Dòng điện quy ước chỉ theo hướng mà:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Dòng điện quy ước là dòng chảy của điện tích dương — ngược với sự trôi của electron trong dây kim loại.
Điện tích xuất hiện dưới dạng từng gói
- Điện tích lượng tử hóa: đơn vị tự do nhỏ nhất là điện tích nguyên tố $e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.
- Mọi điện tích tự do đều là bội số nguyên của $e$. Đơn vị điện tích: Coulomb (C).
Đơn vị tự do nhỏ nhất của điện tích là điện tích ____, $e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Tất cả các điện tích tự do đều là bội số nguyên của điện tích nguyên tố $e$.
Dòng điện = điện tích mỗi giây
- $I = \dfrac{Q}{t}$, nên $Q = It$. Đơn vị: Ampe ($1\ \text{A} = 1\ \dfrac{\text{C}}{\text{s}}$).
- Đối với dòng điện biến thiên, điện tích là diện tích dưới đồ thị $I$–$t$.
- Thời gian phải tính bằng giây — một câu hỏi nói "phút" đang kiểm tra đúng điều đó.
Dòng điện $2.0\ \text{A}$ chạy trong thời gian $5.0\ \text{s}$. Bao nhiêu điện tích đã đi qua?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$Q = It = 2.0 \times 5.0 = 10\ \text{C}$.
Điện tích đã di chuyển bằng diện tích dưới đồ thị $I$–$t$.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Có — dòng điện là tốc độ dòng chảy của điện tích, nên diện tích (dòng điện × thời gian) cho tổng điện tích.
Ví dụ giải chi tiết: bao nhiêu electron?
Một dòng điện $0.25\ \text{A}$ chạy trong dây trong $4.0$ phút. Bao nhiêu điện tích đã đi qua, và đó tương đương bao nhiêu electron?
- Chuyển sang giây trước: $t = 4.0 \times 60 = 240\ \text{s}$.
- Điện tích: $Q = It = 0.25 \times 240 = 60\ \text{C}$.
- Electron: $N = \dfrac{Q}{e} = \dfrac{60}{1.60 \times 10^{-19}} = 3.8 \times 10^{20}$.
- Kiểm tra: một con số khổng lồ từ dòng điện nhỏ — điều đó bình thường, vì mỗi electron mang rất ít điện tích.
Dòng điện $0.50\ \text{A}$ chạy trong $2.0$ phút. Có bao nhiêu electron đi qua một điểm trong dây? Cho đáp án dưới dạng bội số của $10^{20}$.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$Q = It = 0.50 \times 120 = 60\ \text{C}$, nên $N = \dfrac{60}{1.60 \times 10^{-19}} = 3.75 \times 10^{20}$. Phút phải đổi sang giây trước.
Vận tốc trôi (drift velocity)
- $I = Anvq$ — diện tích $A$, mật độ hạt tải $n$, vận tốc trôi $v$, điện tích $q$ mỗi hạt.
- Cùng một dòng điện trong dây mỏng hơn → vận tốc trôi nhanh hơn; bán dẫn (mật độ $n$ nhỏ) → vận tốc trôi nhanh hơn nhiều.
Phương trình nào biểu diễn dòng điện theo vận tốc trôi?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Dòng điện = (diện tích)(mật độ số lượng)(vận tốc trôi)(điện tích mỗi hạt tải) $= Anvq$.
Trong dây dẫn mỏng hơn mang cùng một dòng điện, electron trôi nhanh hơn.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Từ $I = Anvq$, diện tích nhỏ hơn $A$ ở cùng $I$ cần vận tốc trôi lớn hơn $v$.
Nối mỗi đại lượng trong $I = Anvq$ với đơn vị SI tương ứng.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Nhân các đơn vị: $\text{m}^{2} \times \text{m}^{-3} \times \dfrac{\text{m}}{\text{s}} \times \text{C} = \dfrac{\text{C}}{\text{s}} = \text{A}$, điều này xác nhận phương trình có ý nghĩa vật lý.
Nơi $n$ đến từ đâu
- Trong kim loại, mỗi atom nhường khoảng một electron tự do, nên $n$ đơn giản là số atom trên mét khối.
- Atom trên $\text{m}^{3}$ = $\dfrac{\text{density} \times N_{\text{A}}}{\text{molar mass}}$. Với đồng: $n = \dfrac{(8.9 \times 10^{3})(6.02 \times 10^{23})}{0.0635} = 8.4 \times 10^{28}\ \text{m}^{-3}$.
- Kim loại nằm quanh $10^{28}$–$10^{29}\ \text{m}^{-3}$; bán dẫn thấp hơn nhiều cấp十 (powers of ten).
Ví dụ giải chi tiết: vận tốc trôi trong dây đồng
Một dây đồng có đường kính $1.3\ \text{mm}$ mang dòng điện $2.0\ \text{A}$. Sử dụng $n = 8.4 \times 10^{28}\ \text{m}^{-3}$, hãy tìm vận tốc trôi. Sau đó dây bị thu hẹp lại thành một nửa đường kính.
- Diện tích: $A = \pi r^{2} = \pi (0.65 \times 10^{-3})^{2} = 1.3 \times 10^{-6}\ \text{m}^{2}$.
- Tốc độ trôi: $v = \dfrac{I}{nAe} = \dfrac{2.0}{(8.4 \times 10^{28})(1.3 \times 10^{-6})(1.60 \times 10^{-19})} = 1.1 \times 10^{-4}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$ — khoảng một phần mười milimet mỗi giây.
- Phần thu hẹp: dòng điện như nhau ở mọi nơi trên dây, nên $v \propto \dfrac{1}{A} \propto \dfrac{1}{r^{2}}$. Đường kính giảm một nửa → diện tích giảm một phần tư → bốn lần vận tốc trôi.
- Kiểm tra: các electron tăng tốc ở phần hẹp vì lý do tương tự như nước tăng tốc trong ống hẹp — cùng một lưu lượng phải chảy qua một lỗ nhỏ hơn.
Một dây dẫn có tiết diện $2.0 \times 10^{-6}\ \text{m}^{2}$ mang dòng $3.2\ \text{A}$. Mật độ số lượng electron tự do là $1.0 \times 10^{29}\ \text{m}^{-3}$. Vận tốc trôi là bao nhiêu, tính bằng mm/s?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$v = \dfrac{I}{nAe} = \dfrac{3.2}{(1.0 \times 10^{29})(2.0 \times 10^{-6})(1.60 \times 10^{-19})} = 1.0 \times 10^{-4}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}} = 0.10\ \dfrac{\text{mm}}{\text{s}}$.
Ba lỗi sai sẽ làm mất điểm ở đây. $A$ phải tính bằng $\text{m}^{2}$: đường kính mm cho diện tích là $\text{mm}^{2}$, và $1\ \text{mm}^{2} = 10^{-6}\ \text{m}^{2}$. Sử dụng bán kính bằng $\pi r^{2}$, không phải đường kính. Và một phần nhỏ hơn của dây không mang ít dòng điện hơn — dòng điện giống hệt nhau dọc theo mạch nối tiếp; thứ thay đổi là vận tốc trôi.
Bạn đã nắm vững
- dòng điện là sự di chuyển của điện tích; dòng điện quy ước = hướng di chuyển của dòng dương
- $I = \dfrac{Q}{t}$ (giây!), và điện tích là diện tích dưới đồ thị $I$–$t$; electron $= \dfrac{Q}{e}$
- drift: $I = Anvq$; $n \approx 10^{29}\ \text{m}^{-3}$ cho kim loại; cùng dòng điện, diện tích nhỏ hơn → drift nhanh hơn