Vũ Trọng QuangĐiện trở là một đại lượng vật lý quen thuộc mà hầu như bất kỳ ai đều đã từng được nghe qua, thậm chí là vận dụng nó vào rất nhiều các công thức khác nhau.
Bài viết nhằm giúp bạn đọc tìm hiểu về sự ra đời của điện trở, nguyên nhân gây ra hiện tượng sinh nhiệt khi truyền điện cũng như mối liên hệ giữa điện trở các đại lượng vật lý khác. Trong bài viết tôi sẽ không chú trọng đề cập nhiều đến các công thức tính toán, nhằm mang lại cho các bạn một cách hiểu sâu hơn về các khái niệm liên quan đến dòng điện.
Đọc thêm bài viết Điện Trở - Resistor để tìm hiểu thêm về linh kiện điện trở và một số công thức liên quan.
Dòng điện và hiệu điện thế
Electron là gì?
Electron là các hạt mang điện tích âm rất nhỏ. Electron có thể là các hạt tự do hoặc tham gia cấu tạo thành nguyên tử cùng với proton và notron. Electron nằm bên ngoài vỏ nguyên tử.
Một số thông số cơ bản của electron:
- Điện tích: −1.602 × 10−19 Coulomb
- Khối lượng: 9.1094 × 10−31 kg
Hiệu điện thế và điện thế (điện áp)
Điện thế có phần phức tạp và bài này không tập trung vào vấn đề đó nên tôi sẽ giải thích đơn giản thế này, trong một nguồn điện, sẽ gồm hai cực âm và dương đối với nguồn điện một chiều – DC (pin, acquy…) thì mỗi đầu sẽ có một mức điện áp khác nhau. Khi đó, hiệu điện thế chính là sự chênh lệch điện áp giữa hai đầu cực âm và cực dương.
Kí hiệu hiệu điện thế: U, đơn vị Volt. (Kí hiệu: V).
Dòng điện và electron
Dòng điện như chúng ta đã học đó là dòng chuyển dịch có hướng của các hạt mang điện. Các hạt mang điện có thể là các electron tự do trong dây dẫn (hoặc vật dẫn điện), ion hoặc các chất điện li (gồm cả điện tích âm và dương).
Cường độ dòng điện chính là lượng electron di chuyển qua một mặt phẳng trong dây dẫn trong một đơn vị thời gian. Dòng điện càng có nhiều electron tham gia thì cường độ dòng điện càng mạnh.
Kí hiệu cường độ dòng điện: I, đơn vị Ampe. (Kí hiệu: A)
Tại sao lại có điện trở?
Hiểu về dòng điện
Theo quy ước, chiều dòng điện là chiều từ cực dương qua cực âm là bởi lý do lịch sử (người ta đã từng cho rằng dòng điện là dòng chuyển động của proton) và tới tận sau này thì mới chứng minh được rằng dòng điện được tạo ra do sự chuyển động của các electron (có chiều từ cực âm sang cực dương) và các hạt proton chỉ dao động tại chỗ.
Theo như mô hình nguyên tử Rutherford thì bao bên ngoài nguyên tử sẽ là các electron và các electron này xếp theo từng lớp khác nhau (mỗi lớp sẽ cách hạt nhân một khoảng cách cố định và có số lượng electron khác nhau, đồng thời các lớp càng gần hạt nhân electron thì càng được gắn chặt hơn vào nguyên tử và ngược lại).
Ở đây chúng ta sẽ xét về vấn đề dòng điện được tạo ra từ sự di chuyển của các electron và điện trở của chúng, vật liệu được nhắc đến trong bài này là các vật liệu thông dụng trong đời sống. Đối với một số loại vật liệu khác thì bản chất nó hơi khác nên chúng ta tạm thời không xét đến nó.
Số lượng electron
Số lượng electron đi qua mặt phẳng dây dẫn trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện.
Mọi vật liệu và nói theo một cách dễ hiểu, chính là mọi thứ chúng ta nhìn thấy xung quanh được cấu thành từ mạng lưới các nguyên tử. Và như chúng ta đã biết ở phần trên bài viết này tôi đã nói rằng các electron ở càng xa hạt nhân nguyên tử thì càng chịu lực hút ít hơn, và có thể bị tách khỏi nguyên tử.
Và thực tế, các electron dễ bị tách khỏi nguyên tử này lại có trong mạng lưới nguyên tử tạo thành kim loại, các electron này sẽ bị tách ra khỏi nguyên tử và trở thành các electron tự do, cho nên kim loại dẫn điện cực kỳ tốt. Càng tách ra nhiều electron khả năng dẫn điện càng tốt, điện trở càng giảm.
Nhưng đối với các vật chất khác như nhựa, sứ… hoặc một số chất cách điện khác thì không tồn tại các electron dễ bị tách ra khỏi nguyên tử để trở thành các electron tự do.
Cản trở bởi sự dao động giữa các nguyên tử và electron
Mạng lưới nguyên tử của kim loại cũng đóng một vai trò trong việc tạo ra và làm tăng điện trở.
Khi các electron tự do di chuyển sẽ va chạm vào mạng lưới các nguyên tử này làm điện trở tăng theo, làm vật liệu dẫn điện nóng lên. Hơn nữa như chúng ta đã biết nguyên tử sẽ dao động ngày càng mạnh khi nhiệt độ ngày càng cao, nên ngày càng làm cho điện trở tăng theo.
Một vấn đề nữa chính là giữa các hạt electron với nhau khi di chuyển sẽ đẩy nhau (do có cùng điện tích âm) và làm chệch hướng đi của nhau, va chạm chính lẫn nhau nên cũng gây nên điện trở. Các vật dẫn điện có tiết diện càng nhỏ thì điện trở càng tăng lên càng thể hiện điều này rõ ràng hơn.
Dưới góc độ khoa học nếu bạn muốn hiểu kỹ hơn hoặc học chuyên ngành Vật Lý thì nên tìm hiểu thêm các lý thuyết xung quanh: cơ học lượng tử, lý thuyết vùng dẫn…
