Bài học

Nguồn điện và dòng điện trong mạch kín

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao một mạch điện cần có nguồn điện để dòng điện tồn tại liên tục, và xác định đúng chiều quy ước của dòng điện trong một mạch kín đơn giản gồm nguồn điện, dây dẫn và bóng đèn.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 7, em đã học rằng một vật bị nhiễm điện có thể hút các vật nhẹ, và hai điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, khác dấu thì hút nhau. Bài này dùng lại đúng ý tưởng đó: dòng điện không phải một thứ tự sinh ra trong dây dẫn, mà là các hạt mang điện vốn đã có sẵn trong kim loại — bắt đầu dịch chuyển có hướng khi có một nguyên nhân đủ mạnh thúc đẩy chúng.

Khởi động

Đèn pin sáng khi lắp đủ hai viên pin và bật công tắc. Rút một viên pin ra, dây và bóng đèn vẫn nguyên vẹn, nhưng đèn tắt ngay lập tức. Vật gì đã biến mất khỏi mạch, và tại sao thiếu nó thì dòng điện không còn nữa?

Kiến thức trọng tâm

Trong kim loại luôn có sẵn rất nhiều electron tự do chuyển động hỗn loạn theo mọi hướng. Khi chưa nối vào nguồn điện, các electron này va chạm qua lại nhưng không tạo thành một dòng chảy có hướng nào cả — giống hệt các hạt bụi lơ lửng trong không khí lặng. Nguồn điện (pin, ắc quy, máy phát điện) là bộ phận duy trì một sự chênh lệch nhất định giữa hai cực của nó; chính sự chênh lệch này đẩy các electron tự do trong dây dẫn dịch chuyển đồng loạt theo một hướng, tạo thành dòng điện. Không có nguồn điện, mạch có thể vẫn khép kín về mặt hình học, nhưng electron chỉ chuyển động hỗn loạn tại chỗ — không có dòng điện.

Trong kim loại luôn có sẵn rất nhiều electron tự do chuyển động hỗn loạn theo mọi hướng. Khi chưa nối vào nguồn điện, các electron này va chạm qua lại nhưng không tạo thành một dòng chảy có hướng nào cả — giống hệt các hạt bụi lơ lửng trong không khí lặng. **Nguồn điện** (pin, ắc quy, máy phát điện) là bộ phận duy trì một sự chênh lệch nhất định giữa hai cực của nó; chính sự chênh lệch này đẩy các electron tự do trong dây dẫn dịch chuyển đồng loạt theo một hướng, tạo thành dòng điện. Không có nguồn điện, mạch có thể vẫn khép kín về mặt hình học, nhưng electron chỉ chuyển động hỗn loạn tại chỗ — không có dòng điện.

Một mạch điện kín gồm nguồn điện, dây dẫn, và ít nhất một vật tiêu thụ điện (bóng đèn, quạt...) nối liền thành một vòng khép kín, thường có thêm công tắc K để đóng hoặc ngắt mạch theo ý muốn. Chỉ khi mạch khép kín, dòng điện mới chạy liên tục.

Các nhà khoa học đặt ra một quy ước chiều dòng điện: ở mạch ngoài (ngoài nguồn điện), dòng điện quy ước có chiều đi từ cực dương, qua dây dẫn và các vật tiêu thụ, rồi về cực âm của nguồn. Quy ước này có từ thời trước khi con người biết bản chất hạt mang điện trong kim loại là electron mang điện âm — nên chiều dòng điện quy ước thực ra ngược chiều với chiều chuyển động thực của electron tự do (electron chạy từ cực âm sang cực dương). Sách giáo khoa và mọi bài toán ở trường đều dùng chiều quy ước này, không dùng chiều thật của electron.

Một **mạch điện kín** gồm nguồn điện, dây dẫn, và ít nhất một vật tiêu thụ điện (bóng đèn, quạt...) nối liền thành một vòng khép kín, thường có thêm công tắc K để đóng hoặc ngắt mạch theo ý muốn. Chỉ khi mạch khép kín, dòng điện mới chạy liên tục. Các nhà khoa học đặt ra một **quy ước chiều dòng điện**: ở mạch ngoài (ngoài nguồn điện), dòng điện quy ước có chiều đi từ cực dương, qua dây dẫn và các vật tiêu thụ, rồi về cực âm của nguồn. Quy ước này có từ thời trước khi con người biết bản chất hạt mang điện trong kim loại là electron mang điện âm — nên chiều dòng điện quy ước thực ra **ngược chiều** với chiều chuyển động thực của electron tự do (electron chạy từ cực âm sang cực dương). Sách giáo khoa và mọi bài toán ở trường đều dùng chiều quy ước này, không dùng chiều thật của electron.

Nguồn điện trong đời sống có nhiều dạng khác nhau. Pin biến hoá năng — năng lượng dự trữ trong phản ứng hoá học bên trong pin — thành điện năng, dùng hết thì phải thay mới. Ắc quy hoạt động theo nguyên tắc tương tự, nhưng có thể sạc lại nhiều lần, thường thấy trong xe máy, ô tô. Máy phát điện biến cơ năng, cụ thể là chuyển động quay của cuộn dây trong từ trường, thành điện năng — đây là nguyên lí của nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện và cả máy phát điện dự phòng dùng khi mất điện lưới. Dù khác nhau về cách tạo ra điện năng, cả ba loại nguồn điện đều có chung một vai trò trong mạch: duy trì sự chênh lệch giữa hai cực để dòng điện tồn tại liên tục.

Nguồn điện trong đời sống có nhiều dạng khác nhau. **Pin** biến hoá năng — năng lượng dự trữ trong phản ứng hoá học bên trong pin — thành điện năng, dùng hết thì phải thay mới. **Ắc quy** hoạt động theo nguyên tắc tương tự, nhưng có thể sạc lại nhiều lần, thường thấy trong xe máy, ô tô. **Máy phát điện** biến cơ năng, cụ thể là chuyển động quay của cuộn dây trong từ trường, thành điện năng — đây là nguyên lí của nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện và cả máy phát điện dự phòng dùng khi mất điện lưới. Dù khác nhau về cách tạo ra điện năng, cả ba loại nguồn điện đều có chung một vai trò trong mạch: duy trì sự chênh lệch giữa hai cực để dòng điện tồn tại liên tục.

Chiều dòng điện quy ước đi từ cực dương, qua mạch ngoài, về cực âm của nguồn.

Ví dụ

Xác định chiều dòng điện quy ước

1
Một mạch điện kín gồm một viên pin, một công tắc K đang đóng và một bóng đèn Đ, nối với nhau bằng dây dẫn thành một vòng duy nhất. Trên vỏ pin có kí hiệu cực dương ở đầu có núm nhỏ. Hãy xác định chiều dòng điện quy ước chạy trong mạch ngoài.
2
Quan sát vỏ pin: đầu có núm nhỏ nhô lên là cực dương (+), đầu phẳng còn lại là cực âm (–). Đây là bước bắt buộc trước khi nói tới chiều dòng điện, vì chiều quy ước luôn được xác định dựa trên vị trí hai cực.
3
Theo quy ước, ở mạch ngoài dòng điện đi từ cực dương của nguồn, qua dây dẫn và các vật tiêu thụ, rồi về cực âm. Do đó dòng điện quy ước trong mạch này đi theo thứ tự: cực dương của pin → dây dẫn → bóng đèn Đ → công tắc K → cực âm của pin.
4
Vậy dòng điện quy ước chạy theo chiều cực dương pin → Đ → K → cực âm pin, khép kín thành một vòng khi K đóng.

Ví dụ

Mạch hở và mạch kín — dòng điện có tồn tại không?

1
Hình vẽ mô tả một mạch điện gồm một pin có cực dương ở bên trái, nối qua bóng đèn Đ và công tắc K rồi về cực âm ở bên phải. Công tắc K đang ở vị trí mở. a) Bóng đèn có sáng không, vì sao? b) Nếu đóng K, hãy nêu đúng thứ tự các phần tử mà dòng điện quy ước đi qua.
2
Khi K mở, mạch bị hở tại vị trí công tắc — không còn một vòng khép kín nối liền hai cực của nguồn. Do đó electron tự do trong dây dẫn không có đường đi liên tục, dòng điện không tồn tại trong mạch, nên bóng đèn Đ không sáng.
3
Khi đóng K, mạch trở thành một vòng khép kín. Áp dụng quy ước chiều dòng điện: xuất phát từ cực dương của pin, dòng điện quy ước đi qua bóng đèn Đ, tiếp tục qua công tắc K đang đóng, rồi trở về cực âm của pin.
4
Vậy: a) K mở nên mạch hở, đèn Đ không sáng vì không có dòng điện. b) Đóng K, dòng điện quy ước đi theo thứ tự cực dương → Đ → K → cực âm, đèn Đ sáng bình thường.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nhầm chiều dòng điện quy ước với chiều chuyển động thật của electron. Trong mọi bài tập và sách giáo khoa, dòng điện quy ước luôn đi từ cực dương qua mạch ngoài về cực âm — dù electron tự do (hạt thật sự dịch chuyển trong dây dẫn kim loại) lại đi theo chiều ngược lại, từ cực âm sang cực dương.

Ghi nhớ

Dòng điện chỉ tồn tại khi có nguồn điện duy trì sự chênh lệch giữa hai cực VÀ mạch khép kín liên tục. Chiều dòng điện quy ước luôn đi từ cực dương, qua mạch ngoài, về cực âm — ngược chiều electron tự do thật sự dịch chuyển trong dây dẫn.

Bài tiếp theo, em sẽ học cách vẽ lại đúng mạch điện này bằng các kí hiệu quy ước gọn gàng, thay vì phải vẽ hình thật của pin, dây và bóng đèn mỗi lần.