Mạch điện Là Gì? Sơ đồ Mạch điện, Nguyên Lý Hoạt động

Trong Bài 1, khái niệm hiệu điện thế đã được thảo luận. Thế năng điện là lượng thế năng trên một đơn vị điện tích mà một vật mang điện sở hữu nếu được đặt trong điện trường tại một vị trí nhất định. Khái niệm thế năng là một đại lượng phụ thuộc vào vị trí – nó thể hiện đại lượng thế năng trên cơ sở mỗi điện tích sao cho độc lập với lượng điện tích thực sự có trên vật thể sở hữu thế năng. Hiệu điện thế đơn giản là sự khác biệt về hiệu điện thế giữa hai vị trí khác nhau trong một điện trường.

Mạch điện là tập hợp các linh kiện điện tử bán dẫn được nối với nhau qua dây dẫn, tạo thành một thiết bị hay mạch điện chúng có công dụng hay tác vụ nào đó. Mạch điện gồm 3 loại:

• Mạch điện tử chứa các linh kiện điện tử trong các thiết bị điện tử.
• Mạch công nghiệp trong các thiết bị điện cơ, nhà xưởng, cầu đường, tàu bè,… thực hiện truyền năng lượng đến các thiết bị công tác như mô tơ, đèn chiếu sáng, tạo nhiệt,… Cùng với mạch năng lượng có thể có mạch tín hiệu điều khiển để đóng cắt việc cấp năng lượng. Mạch truyền dẫn năng lượng cho việc truyền theo nhánh, hướng trong điện lưới quốc gia, ví dụ mạch 1 và mạch 2 trong đường dây 500 kV Bắc – Nam.

Xem thêm: sơ đồ mạch điện

Để minh họa khái niệm hiệu điện thế và bản chất của mạch điện, hãy xem xét tình huống sau. Giả sử rằng có hai tấm kim loại đặt song song với nhau và mỗi tấm được tích điện trái dấu – một là dương và một là âm. Sự sắp xếp các tấm tích điện này sẽ tạo ra một điện trường trong vùng giữa các tấm hướng ra khỏi bản dương và hướng về bản âm. Một điện tích thử nghiệm dương được đặt giữa các tấm sẽ di chuyển ra khỏi tấm dương và về phía tấm âm. Sự chuyển động của điện tích thử dương từ tấm dương sang tấm âm sẽ xảy ra mà không cần năng lượng đầu vào dưới dạng hoạt động; nó sẽ xảy ra một cách tự nhiên và do đó làm giảm năng lượng tiềm năng của điện tích. Tấm dương sẽ là vị trí có tiềm năng cao và tấm âm sẽ là vị trí có tiềm năng thấp. Sẽ có sự khác biệt về hiệu điện thế giữa hai vị trí.

Bây giờ, giả sử rằng hai tấm tích điện trái dấu được nối với nhau bằng một sợi dây kim loại. Chuyện gì sẽ xảy ra? Dây điện đóng vai trò như một loại ống dẫn điện tích mà điện tích có thể chảy qua. Theo thời gian, người ta có thể nghĩ đến các điện tích dương chuyển động từ bản cực dương qua ống tích điện (dây dẫn)sang bản cực âm. Tức là, điện tích dương sẽ tự nhiên di chuyển theo hướng của điện trường đã được tạo ra bởi sự sắp xếp của hai bản tích điện trái dấu. Khi một điện tích dương rời khỏi tấm trên, tấm sẽ trở nên ít tích điện hơn như được minh họa trong hình ảnh động ở bên phải. Khi một điện tích dương chạm tới tấm âm, tấm đó sẽ trở nên ít tích điện hơn. Theo thời gian, lượng điện tích âm và dương trên hai bản cực nhỏ dần. Vì điện trường phụ thuộc vào lượng điện tích có trên vật tạo ra điện trường, nên điện trường do hai bản tạo ra sẽ giảm dần cường độ theo thời gian. Cuối cùng, điện trường giữa các tấm sẽ trở nên nhỏ đến mức không thể quan sát được chuyển động của điện tích giữa hai tấm. Các tấm cuối cùng sẽ mất điện tích và đạt được cùng một thế điện. Trong trường hợp không có hiệu điện thế thì sẽ không có dòng điện tích.

Hình minh họa trên gần với việc chứng minh ý nghĩa của một mạch điện. Tuy nhiên, để trở thành một mạch điện thực sự, các điện tích phải liên tục chạy qua một vòng hoàn chỉnh, quay trở lại vị trí ban đầu của chúng và quay trở lại. Nếu có một phương tiện chuyển động điện tích dương từ bản âm ngược lên bản dương thì sự chuyển động của điện tích dương đi xuống qua ống nạp (tức là dây dẫn) sẽ xảy ra liên tục. Trong trường hợp này, một mạch hoặc vòng lặp sẽ được thiết lập.

Một hoạt động phổ biến trong phòng thí nghiệm minh họa sự cần thiết của một vòng lặp hoàn chỉnh sử dụng một bộ pin (tập hợp các tế bào D), một bóng đèn và một số dây kết nối. Hoạt động này bao gồm việc quan sát tác dụng của việc kết nối và ngắt kết nối dây điện trong một cách sắp xếp đơn giản của bộ pin, bóng đèn và dây điện. Khi tất cả các kết nối được thực hiện với bộ pin, bóng đèn sẽ sáng. Trên thực tế, sự chiếu sáng của bóng đèn xảy ra ngay sau khi kết nối cuối cùng được thực hiện. Không có độ trễ thời gian có thể nhận biết được giữa thời điểm kết nối cuối cùng được thực hiện và khi bóng đèn được cho là sáng lên.

Việc bóng đèn sáng và vẫn sáng là bằng chứng cho thấy điện tích đang chạy qua dây tóc bóng đèn và mạch điện đã được thành lập. Mạch chỉ đơn giản là một vòng kín mà qua đó các điện tích có thể liên tục chuyển động. Để chứng minh rằng các điện tích không chỉ chuyển động qua dây tóc bóng đèn mà còn qua dây dẫn nối bộ pin và bóng đèn, người ta thực hiện một biến đổi của hoạt động trên. Một la bàn được đặt bên dưới dây ở bất kỳ vị trí nào sao cho kim của nó được đặt thẳng hàng với dây. Khi kết nối cuối cùng được thực hiện với bộ pin, bóng đèn sẽ sáng và kim la bàn bị lệch. Kim đóng vai trò như một máy dò các điện tích chuyển động trong dây. Khi nó lệch hướng, các điện tích chuyển động qua dây dẫn. Và nếu đứt dây ở cục pin thì bóng đèn không sáng nữa và kim la bàn trở lại hướng ban đầu. Khi bóng đèn sáng, điện tích di chuyển qua các tế bào điện hóa của pin, dây dẫn và dây tóc bóng đèn; kim la bàn phát hiện chuyển động của điện tích này. Có thể nói rằng có một dòng điện – dòng điện tích trong mạch.

Mạch điện được biểu diễn bằng sự kết hợp giữa pin, bóng đèn và dây dẫn gồm hai phần rõ rệt: mạch trong và mạch ngoài. Phần mạch chứa các tế bào điện hóa của pin là phần mạch bên trong. Phần mạch mà điện tích di chuyển bên ngoài bộ pin qua dây dẫn và bóng đèn là mạch bên ngoài. Trong bài 2, chúng ta sẽ tập trung vào sự chuyển động của điện tích qua mạch ngoài. Trong phần tiếp theo của bài 2 chúng ta sẽ tìm hiểu những yêu cầu cần đạt để có điện tích chạy qua mạch ngoài.