Dòng điện hình thành từ chuyển động điện tích thế nào?

Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. Nói cách khác, khi các điện tích không còn chuyển động hoàn toàn hỗn loạn mà có một thành phần chuyển động theo một hướng xác định, ta có dòng điện.

Các hạt mang điện có thể là những loại khác nhau tùy môi trường:

·         Trong kim loại, các electron tự do là hạt tải điện chủ yếu

·         Trong dung dịch điện phân, ion dương và ion âm cùng tham gia chuyển động

·         Trong chất khí bị ion hóa, electron và ion có thể cùng tạo thành dòng điện

Điểm quan trọng là không phải cứ có hạt mang điện chuyển động là có dòng điện theo nghĩa quan sát được. Chuyển động nhiệt của các hạt trong vật chất thường có hướng ngẫu nhiên nên các chuyển động theo những hướng khác nhau có xu hướng triệt tiêu nhau. Dòng điện xuất hiện khi có sự chuyển dời điện tích theo một hướng ưu tiên.

Vì sao chuyển động có hướng của điện tích tạo thành dòng điện?

Cơ chế có thể hiểu từ sự tác dụng của điện trường lên các hạt mang điện.

Trong kim loại, electron tự do vốn đã chuyển động hỗn loạn do chuyển động nhiệt. Khi đặt một hiệu điện thế vào hai đầu vật dẫn, điện trường được thiết lập bên trong vật dẫn. Điện trường tác dụng lực lên các electron, làm chuyển động của chúng có thêm một thành phần định hướng.

Các hạt lân cận cố định dao động; mẫu vẫn giữ nguyên hình dạng

RắnLỏngKhí

Việc chuyển đổi mô hình giúp so sánh các trạng thái ổn định. Nội dung này không thể hiện sự chuyển pha hay việc năng lượng được thêm vào hoặc lấy đi. Đường chuyển động cho thấy các kiểu và phạm vi chuyển động, chứ không phải thứ hạng tốc độ.

Vì electron mang điện tích âm nên chiều chuyển động có hướng của electron trong kim loại ngược chiều điện trường. Tuy nhiên, chiều dòng điện quy ước lại được lấy theo chiều chuyển động của điện tích dương, tức cùng chiều điện trường.

Do đó cần phân biệt:

·         Chiều chuyển động của electron: từ cực âm về phía cực dương trong mạch ngoài

·         Chiều dòng điện quy ước: từ cực dương về cực âm trong mạch ngoài

Sự khác nhau này không có nghĩa là hai mô tả mâu thuẫn; chúng chỉ dùng hai quy ước khác nhau để mô tả cùng một quá trình vận chuyển điện tích.

Dòng điện được xác định bằng lượng điện tích chuyển qua tiết diện thế nào?

Để định lượng dòng điện, không chỉ cần biết các hạt mang điện đang chuyển động mà còn phải xét lượng điện tích đi qua một tiết diện trong một khoảng thời gian.

Cường độ dòng điện trung bình được xác định bởi:

I=ΔtΔQ​

Trong đó:

·         I là cường độ dòng điện, đơn vị ampe (A)

·         ΔQ là độ lớn điện lượng đi qua tiết diện, đơn vị coulomb (C)

·         Δt là khoảng thời gian, đơn vị giây (s)

Vì vậy, dòng điện có thể được hình dung như một tốc độ chuyển giao điện tích qua một tiết diện. Nếu trong cùng một khoảng thời gian có nhiều điện tích đi qua tiết diện hơn thì cường độ dòng điện lớn hơn.

Với dòng điện không đổi, có thể viết:

I=tQ​

Điều này cũng cho thấy vì sao chỉ nói “các hạt mang điện đang chuyển động” là chưa đủ để mô tả đầy đủ dòng điện. Cần xét cả hướng chuyển động và lượng điện tích được chuyển qua một tiết diện theo thời gian.

Những môi trường khác nhau tạo dòng điện bằng cách nào?

Bản chất chung của dòng điện là sự chuyển dời có hướng của điện tích, nhưng hạt tải điện và cơ chế chuyển động có thể khác nhau theo môi trường.

Trong kim loại

Các electron tự do là hạt tải điện chủ yếu. Khi có điện trường, chúng có chuyển động định hướng chồng lên chuyển động nhiệt hỗn loạn.

Trong dung dịch điện phân

Các ion dương và ion âm chuyển động theo những chiều khác nhau dưới tác dụng của điện trường. Ion dương chuyển về điện cực âm, còn ion âm chuyển về điện cực dương.

Trong chất khí bị ion hóa

Chất khí có thể xuất hiện electron và ion tự do. Khi có điện trường, các hạt này chuyển động có hướng và tạo nên dòng điện.

Như vậy, dòng điện không phải là một loại chuyển động chỉ xảy ra với electron. Electron chỉ là hạt tải điện đặc trưng trong một số môi trường, đặc biệt là kim loại.

Khi nào chuyển động của điện tích chưa tạo thành dòng điện theo một hướng xác định?

Một hiểu lầm phổ biến là đồng nhất mọi chuyển động của điện tích với dòng điện.

Hãy xét một vật dẫn ở trạng thái cân bằng nhiệt. Các electron tự do vẫn chuyển động liên tục, nhưng hướng chuyển động của từng electron thay đổi và phân bố gần như ngẫu nhiên. Vì vậy, xét tổng thể, không có sự chuyển dời điện tích thuần theo một hướng xác định.

Khi xuất hiện tác động làm tạo ra chuyển động có hướng, chẳng hạn điện trường do hiệu điện thế đặt vào mạch, chuyển động của điện tích có thêm thành phần định hướng. Khi đó sự vận chuyển điện tích qua tiết diện không còn triệt tiêu hoàn toàn và dòng điện được hình thành.

Điều kiện cốt lõi có thể tóm lại là:

Có hạt mang điện có chuyển động có hướng của điện tích → có dòng điện

Còn chuyển động hỗn loạn của các hạt mang điện tự nó không đủ để tạo nên dòng điện thuần theo một hướng xác định.

Hiểu dòng điện từ chuyển động điện tích có ý nghĩa gì?

Cách nhìn dòng điện như sự chuyển dời có hướng của điện tích giúp giải thích nhiều hiện tượng trong mạch điện mà không cần xem dòng điện như một “chất” chảy qua dây dẫn.

Có thể lần lượt hình dung quá trình như sau:

Nguồn điện → tạo hiệu điện thế → thiết lập điện trường trong mạch → tác dụng lên các hạt mang điện → tạo chuyển động có hướng → điện tích được vận chuyển qua tiết diện → hình thành dòng điện

Cách tiếp cận này cũng giúp phân biệt hai đại lượng thường bị nhầm lẫn:

·         Điện tích: lượng điện mà một hạt hoặc một hệ mang

·         Dòng điện: sự chuyển dời có hướng của điện tích

·         Cường độ dòng điện: mức độ nhanh của quá trình điện tích đi qua một tiết diện

Vì vậy, khi gặp câu hỏi “dòng điện hình thành như thế nào?”, câu trả lời đầy đủ không chỉ là “do electron chuyển động”, mà phải chỉ ra sự chuyển dời có hướng của các hạt mang điện và lượng điện tích đi qua tiết diện theo thời gian.

Dòng điện, về bản chất, là sự chuyển dời có hướng của điện tích. Các hạt mang điện có thể khác nhau tùy môi trường, nhưng điểm chung là chuyển động phải có thành phần định hướng tạo nên sự vận chuyển điện tích thuần qua một tiết diện. Cường độ dòng điện cho biết lượng điện tích chuyển qua tiết diện trong một đơn vị thời gian, vì thế nó liên hệ trực tiếp giữa chuyển động của điện tích và đại lượng đo được trong mạch điện.