Dòng điện là gì? Dòng điện xoay chiều và Dòng điện một chiều

Dòng điện là gì? 

Dòng điện là dòng chuyển động của các hạt mang điện, chẳng hạn như electron hoặc ion, đi qua một vật dẫn điện hoặc trong không gian. Nó được định nghĩa là tốc độ thuần (tức là tổng) của dòng điện tích đi qua một bề mặt nhất định trong một khoảng thời gian.

Trong Hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị đo của dòng điện là ampere (A) – đây cũng là một đơn vị cơ sở trong hệ SI. Dòng điện còn được gọi là cường độ dòng điện (amperage) và được đo bằng một thiết bị gọi là ampe kế (ammeter).

Kí hiệu

Ký hiệu thông thường của dòng điện là I, bắt nguồn từ cụm từ tiếng Pháp intensité du courant (cường độ dòng điện).

Cường độ dòng điện thường được gọi đơn giản là dòng điện. Ký hiệu I được André-Marie Ampère sử dụng, và đơn vị đo cường độ dòng điện được đặt theo tên ông, khi xây dựng định luật lực Ampère (1820).

Ký hiệu này đã được truyền từ Pháp sang Anh, nơi nó trở thành chuẩn mực, mặc dù ít nhất một tạp chí đã không thay đổi từ sử dụng C sang I cho đến năm 1896.

Quy ước

Chiều dòng điện theo quy ước là khái niệm được định nghĩa một cách tùy ý, rằng dòng điện sẽ được xem là di chuyển theo chiều của các điện tích dương.

Trong vật liệu dẫn điện, các hạt mang điện (charge carriers) là những phần tử chuyển động tạo nên dòng điện.

Trong kim loại, là vật liệu chính cấu tạo nên dây điện và các linh kiện dẫn điện khác,  các ion dương (lõi nguyên tử) cố định tại chỗ, còn các electron mang điện âm có thể tự do di chuyển trong mạng tinh thể kim loại và chính chúng là hạt mang dòng điện thực tế.

Ở một số vật liệu khác, đặc biệt là chất bán dẫn, hạt mang điện có thể là điện tích dương hoặc điện tích âm, tùy thuộc vào loại nguyên tố pha tạp (dopant) được thêm vào.

Trong các chất điện phân (như trong pin hoặc tế bào điện hóa), cả ion dương và ion âm đều có thể tồn tại và di chuyển cùng lúc, góp phần tạo nên dòng điện.

Dòng chuyển động của các điện tích dương theo một chiều sẽ tạo ra hiệu ứng điện giống hệt như dòng các điện tích âm di chuyển theo chiều ngược lại. Vì vậy, trong kỹ thuật điện, ta chỉ cần chọn một chiều quy ước (chiều của điện tích dương) để mô tả và phân tích dòng điện một cách thống nhất.

Hướng tham chiếu

Dòng điện trong một dây dẫn hoặc một phần tử mạch có thể chảy theo một trong hai hướng.

Khi ta định nghĩa một biến số I để biểu thị dòng điện, cần phải chọn chiều dương cho dòng điện – chiều này thường được thể hiện bằng một mũi tên trên sơ đồ mạch điện, gọi là chiều quy ước của dòng điện (reference direction).

Trong quá trình phân tích mạch, ta không biết trước chiều thực tế mà dòng điện chảy qua một phần tử cụ thể cho đến khi hoàn tất các phép tính.

Do đó, chiều quy ước thường được chọn tùy ý để phục vụ cho việc thiết lập và giải hệ phương trình mạch. Khi hoàn thành việc tính toán, nếu giá trị của dòng điện âm, điều đó có nghĩa là chiều thực tế của dòng điện ngược lại với chiều quy ước đã chọn ban đầu.

Định luật Ohm

Định luật Ohm phát biểu rằng: dòng điện chạy qua một dây dẫn giữa hai điểm tỷ lệ thuận với hiệu điện thế (hay điện áp) giữa hai điểm đó. Khi đưa vào hằng số tỷ lệ gọi là điện trở, ta sẽ thu được biểu thức toán học quen thuộc mô tả mối quan hệ này.

• I là dòng điện chạy qua dây dẫn, được đo bằng đơn vị ampe (A)
• V là hiệu điện thế (hay điện áp) giữa hai đầu dây dẫn, được đo bằng đơn vị vôn (V)
• R là điện trở của dây dẫn, được đo bằng đơn vị ôm (Ω)

Cụ thể hơn, định luật Ohm phát biểu rằng: giá trị R trong mối quan hệ này là hằng số, tức là không phụ thuộc vào dòng điện chạy qua dây dẫn.

Dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều

Trong hệ thống dòng điện xoay chiều (AC), chuyển động của điện tích sẽ đảo chiều theo chu kỳ, nghĩa là dòng điện thay đổi hướng liên tục theo thời gian.

AC là dạng điện năng phổ biến nhất được cung cấp cho các hộ gia đình và doanh nghiệp. Dạng sóng thông thường của dòng điện AC là dạng sóng hình sin, mặc dù một số ứng dụng đặc biệt có thể sử dụng các dạng sóng khác như hình tam giác hoặc hình vuông.

Một mục tiêu quan trọng trong các ứng dụng này là thu lại thông tin được mã hóa (hoặc điều chế) trên tín hiệu AC, ví dụ như trong truyền dẫn dữ liệu hoặc tín hiệu âm thanh.

Ngược lại, dòng điện một chiều (DC) là hệ thống trong đó điện tích di chuyển theo một hướng duy nhất (còn được gọi là dòng điện có hướng cố định).

DC được tạo ra từ các nguồn như: Pin, Cặp nhiệt điện , Tấm pin mặt trời, Máy phát điện loại cổ góp

Ngoài ra, dòng điện AC cũng có thể chuyển đổi thành dòng điện DC bằng cách sử dụng thiết bị gọi là bộ chỉnh lưu (rectifier).

Dòng điện DC có thể chạy qua dây dẫn như dây kim loại, nhưng cũng có thể chạy qua chất bán dẫn, vật liệu cách điện, hoặc thậm chí qua môi trường chân không, như trong chùm electron hoặc ion.

Đo lường

Dòng điện có thể được đo bằng thiết bị gọi là ampe kế (ammeter).

Một cách đo trực tiếp dòng điện là sử dụng galvanometer – một loại thiết bị đo dòng điện nhỏ. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu phải ngắt mạch điện để chèn thiết bị vào, điều này đôi khi gây bất tiện trong thực tế.

Ngoài ra, dòng điện cũng có thể được đo mà không cần ngắt mạch bằng cách phát hiện từ trường do dòng điện tạo ra. Ở cấp độ mạch điện, có nhiều kỹ thuật khác nhau để đo dòng điện, bao gồm:

• Điện trở shunt
• Cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall
• Máy biến áp (tuy nhiên không thể đo dòng điện một chiều)
• Cảm biến từ trường điện trở
• Cuộn dây Rogowski
• Kẹp đo dòng

 Điện từ học

Nam châm điện: Trong nam châm điện, một cuộn dây hoạt động như một nam châm khi có dòng điện chạy qua.

Từ trường cũng có thể được sử dụng để tạo ra dòng điện. Khi một từ trường thay đổi theo thời gian được áp dụng lên một vật dẫn điện, một suất điện động cảm ứng (EMF) sẽ được tạo ra, và nếu có một đường dẫn phù hợp, dòng điện sẽ bắt đầu chạy.

Sóng vô tuyến: Khi một dòng điện chạy trong một dây dẫn có hình dạng phù hợp ở tần số vô tuyến, sóng vô tuyến có thể được tạo ra.

Cơ chế dẫn truyền trong các môi trường khác nhau

Trong kim loại, một số electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử không bị liên kết chặt chẽ với từng phân tử riêng lẻ (như trong chất rắn phân tử), cũng không bị “giam” trong các dải năng lượng đầy như ở vật liệu cách điện, mà thay vào đó, chúng tự do di chuyển trong mạng tinh thể kim loại. Chính các electron tự do này tạo nên dòng điện.

Điện phân: Dòng điện trong chất điện phân là dòng chảy của các hạt mang điện tích (ion), không phải là electron như trong kim loại. Các ion này có thể mang điện tích dương hoặc âm và di chuyển trong dung dịch khi có điện trường.

Khí và plasma: Trong không khí và các loại khí thông thường dưới mức điện trường đánh thủng (breakdown field), dòng điện chủ yếu hình thành từ số ít các ion di động, được tạo ra bởi khí phóng xạ, tia cực tím hoặc tia vũ trụ. Trong plasma – một trạng thái ion hóa mạnh – các ion và electron có thể di chuyển tự do và tạo ra dòng điện mạnh hơn.

Chân không: Vì một “chân không hoàn hảo” không chứa các hạt mang điện, nên nó thường được xem là chất cách điện lý tưởng. Tuy nhiên, dòng điện vẫn có thể truyền qua chân không trong một số điều kiện đặc biệt, chẳng hạn như trong ống chân không  hoặc súng electron.

Siêu dẫn: Siêu dẫn là hiện tượng xảy ra ở một số vật liệu khi được làm lạnh xuống dưới một nhiệt độ tới hạn đặc trưng, tại đó vật liệu hoàn toàn không có điện trở và đẩy từ trường ra ngoài. Điều này cho phép dòng điện chạy qua mà không bị hao hụt năng lượng.

Bán dẫn: Trong chất bán dẫn, dòng điện có thể được hình dung là do các “lỗ trống” mang điện tích dương (holes) tạo nên – đây là các vị trí trong mạng tinh thể bị thiếu electron liên kết hóa trị. Tùy theo loại tạp chất được pha (dopant), hạt mang điện có thể là electron hoặc lỗ trống, và cả hai đều góp phần dẫn điện.

Mật độ dòng điện và định luật Ohm

Mật độ dòng điện là đại lượng biểu thị tốc độ mà điện tích đi qua một đơn vị diện tích được chọn. Nó được định nghĩa là một vector, với độ lớn bằng dòng điện chia cho diện tích mặt cắt ngang nơi dòng điện đi qua.

Trong các vật liệu tuyến tính như kim loại và khi hoạt động ở tần số thấp, mật độ dòng điện trên bề mặt dây dẫn được phân bố đều. Trong điều kiện như vậy, định luật Ohm phát biểu rằng dòng điện tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu của một điện trở (lý tưởng) bằng kim loại (hoặc một thiết bị ohmic khác):

Tốc độ trôi dạt

Các hạt mang điện chuyển động trong dây dẫn luôn di chuyển ngẫu nhiên theo nhiều hướng khác nhau, giống như các phân tử trong một chất khí.

Trong đa số kim loại, electron chính là hạt mang điện. Chúng không di chuyển theo đường thẳng mà đi theo quỹ đạo rối loạn, thường xuyên va chạm giữa các nguyên tử. Tuy nhiên, dưới tác dụng của điện trường, các electron có xu hướng trôi (drift) theo hướng ngược lại với chiều điện trường.

Tốc độ trôi này của electron có thể được tính toán theo một phương trình như sau:

• I là cường độ dòng điện (electric current).
• n là mật độ hạt mang điện – số lượng hạt mang điện trên một đơn vị thể tích.
• A là tiết diện ngang của dây dẫn.
• v là vận tốc trôi – tốc độ trung bình mà các hạt mang điện dịch chuyển dưới tác động của điện trường.
• Q là điện tích của mỗi hạt mang điện.

Bất kỳ dòng điện nào có sự gia tốc – tức là dòng điện thay đổi theo thời gian – sẽ tạo ra một sóng điện từ lan truyền với tốc độ rất cao bên ngoài bề mặt dây dẫn.

Tỷ số giữa tốc độ của sóng điện từ và tốc độ ánh sáng trong chân không được gọi là hệ số vận tốc (velocity factor). Hệ số này phụ thuộc vào: Tính chất điện từ của dây dẫn, vật liệu cách điện xung quanh, hình dạng và kích thước của toàn bộ hệ thống truyền dẫn.Bất kỳ điện tích nào tăng tốc, và do đó bất kỳ dòng điện nào thay đổi, đều tạo ra sóng điện từ lan truyền với tốc độ rất cao bên ngoài bề mặt của vật dẫn.

• Vận tốc trôi của các hạt mang điện trong dây dẫn là rất nhỏ, tương tự như gió – tức là chuyển động chậm của không khí.
• Tốc độ của sóng điện từ truyền đi dọc theo dây dẫn lại rất lớn, tương tự như tốc độ truyền âm thanh trong không khí, vốn nhanh hơn nhiều so với dòng chuyển động đối lưu.
• Chuyển động ngẫu nhiên của các hạt mang điện (do nhiệt năng) giống như nhiệt độ – tức là sự dao động hỗn loạn của các phân tử khí trong trạng thái nhiệt.