Tác dụng nhiệt của dòng điện là gì? Ví dụ minh họa
Điện ngày nay được sử dụng rất rộng rãi trong đời sống, nó là một bước tiến giúp ta ngày càng phát triển. Dòng điện có gây ra một số tác dụng, và nổi bật trong đó là tác dụng nhiệt. Vậy tác dụng nhiệt của dòng điện là gì? hãy cùng tìm hiểu điều đó qua bài viết dưới đây nhé!
Nội Dung Chính
1. Dòng điện là gì?
Dòng điện có thể được thành nhờ sự di chuyển có hướng của các hạt mang điện. Các chất dẫn điện là các cho phép dòng điện chạy qua nó. Làm được điều đó là nhờ các electron di chuyển được qua các nguyên tử của vật dẫn. Tóm lại là, một điện tử electon sẽ đi vào đám mây nguyên tử của vật dẫn, và sau đó một điện tử khác sẽ rời đi. Quá trình này diễn ra liên tục tạo thành dòng điện có chạy trong dẫn.
2. Tác dụng nhiệt của dòng điện là gì?
Dòng điện có các tác dụng phổ biến như: tác dụng nhiệt, tác dụng phát sáng, tác dụng từ, tác dụng hóa học và tác dụng sinh lý. Tuy nhiên bài viết này sẽ tập trung chủ yếu vào tác dụng nhiệt của dòng điện.
Tác dụng nhiệt của dòng điện là gì? Khi cho dòng điện chạy qua các vật dẫn điện làm cho nó nóng lên, kết luận dòng điện có tác dụng nhiệt.
Tác dụng này được ứng dụng rộng rãi vào cuộc sống. Các thiết bị có cơ sở dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện là: bàn là, đèn sợi đốt, quạt sưởi,…
3. Thí nghiệm để kết luận rằng dòng điện có tác dụng nhiệt
Mắc một bóng đèn vào mạch điện. Giả sử nó được mắc như hình bên dưới. Sau đó cho dòng điện chạy qua mạch trên. Qua một thời gian ta thấy bóng đền nóng lên. Kiểm chứng điều đó bằng cách đưa tay lại gần bóng đèn hoặc sử dụng nhiệt kế.
4. Nguyên nhân hình thành tác dụng nhiệt của dòng điện là gì?
Các tác dụng của dòng điện là do sự khác biệt trong đặc điểm của hạt electron. Từ thế kỷ 19 bóng đèn sợi đốt được nhà phát minh Edison chế tạo ra. Đây là một dấu mốc quan trọng đánh dấu bước nhảy vọt về công nghệ trên thế giới. Thấy được rằng đây dẫn hoặc dây điện tỏa ra nhiệt năng khi có dòng điện chạy qua chúng.
Điều này được giải thích như sau: Khi có dòng điện chạy qua nó, các hạt electron chuyển động nhanh hơn, hỗn loạn hơn. Các chất có thể dẫn điện được là nhờ có điện trở suất. Đây là lý do dòng điện chạy qua gây ra tác dụng nhiệt của dòng điện.
Một cách giải thích khác như sau. Dòng điện là dòng các electron chạy qua chất có khả năng dẫn điện. Sẽ có các các chất dẫn điện tốt hơn các chất khác. Nhưng không chất dẫn nào gọi là hoàn hảo, chúng sẽ chống lại dòng điện tử ở một mức nào đó. Khi dòng điện bị cản lại, một phần năng lượng trong các điện tử không truyền đi hết được.
Do tác động của định luật bảo toàn năng lượng, phần năng lượng của các electron dược chuyển hóa thành nhiệt năng. Bên cạnh đó, khi tiến đến một mức nhiệt rất cao chúng có thể được chuyển đổi thành năng lượng ánh sáng. Ví dụ điển hình là dây tóc bóng đèn của đèn sợi đốt. Mức nhiệt của nó có thể lên đến 2500 độ C.
5. Ví dụ minh họa về ứng dụng tác dụng nhiệt của dòng điện là gì?
5.1 Công thức tính nhiệt năng tỏa ra trên điện trở
Theo định luật Jun – Lenxơ, điện năng sẽ biến đổi thành nhiệt năng. Nếu giả sử rằng điện năng hoàn toàn chuyển thành nhiệt năng, thì phần nhiệt năng tỏa ra trên điện trở là: H = I2Rt
Trong công thức trên, ta có:
- H là phần nhiệt năng tỏa ra (J).
- R là giá trị điện trở (Ω).
- I là giá trị cường độ dòng điện (I).
- t là thời gian dòng điện chạy qua điện trở (s).
Qua đó, ta thấy rằng nhiệt sinh ra trong điện trở phụ thuộc vào các yếu tố:
- Nó tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện chạy trong mạch.
- Nó tỷ lệ thuận với giá trị điện trở được mắc trong mạch.
- Nó tỷ lệ thuận với thời gian dòng điện chạy qua điện trở.
5.2 Ví dụ minh họa về các thiết bị hoạt động dựa trên tác dụng nhiệt
Các thiết bị ứng dụng tác dụng nhiệt của dòng điện được sử dụng rất phổ biến trong đời sống hiện nay. Một số ví dụ về điều đó có thể kể đến là:
- Cầu chì điện: Các thiết bị điện mà ta sử dụng có thể bị quá tải, quá nóng do cường độ tằn đột ngột. Điều đó khiến cho các vỏ dây dẫn, thiết bị dễ dàn bị cháy gây ra hỏa hoạn nghiêm trọng. Việc sử dụng cầu trì điện sẽ giúp cho dòng điện bị ngắt khi có dáu hiệu quá tải. Nhờ đó mà giảm được các hạn chế của dòng điện gây ra.
- Bóng đèn dây đốt: Sợi dây đốt bóng đèn có thành phần chủ yếu từ kim loại Vonfram. Và trong bóng đèn, kim loại này được giữ trong môi trường trơ để nó không phản ứng với không khí. Khi dòng điện chạy qua dây dẫn này khiến cho nó nóng lên rồi phát sáng.
- Máy sưởi điện: Trong các máy sưởi điện, dây nichrome có điện trở rất cao thường được dùng làm cuộn dây. Cuộn dây này được quấn trên các rãnh được tạo thành từ vật liệu gốm của tấm sắt. Khi có dòng điện chạy qua, cuộn dây sẽ ấm, nóng lên nhanh chóng.
Trên đây là một số thiết bị sử dụng tác dụng nhiệt của dòng điện, ngoài ra còn nhiều thiết bị khác có ứng dụng điều đó. Các thiết bị khác như: bàn là, lò nướng, bình nóng lạnh, bếp hồng ngoại,…
6. Nhược điểm của tác dụng nhiệt của dòng điện là gì?
Đầu tiên, nó có thể làm cho hệ thống điện hoạt động kém hiệu quả. Nguyên nhân là do khi chất rắn (các dây dẫn điện) nóng lên, các nguyên tử trong nó sẽ chuyển động hỗn loạn. Có nghĩa rằng là các đám mây electron sẽ không ở cùng nôi mọi lúc. Và đôi khi các hạt nhân của nguyên tử kim loại sẽ cản trở các electron chạy qua vật dẫn.
Ngoài ra, khi một nguyên tử bị đốt nóng lên nó có thể giữ nhiều hơn các điện tử trong một thời gian dài trước khi đưa điện tử thừa hoặc các điện tử đi tiếp tạo ra dòng điện. Như vậy, nhiệt độ làm cho vật đẫn có khả năng cản trở dòng điện cao hơn, khiến hệ thống điện hoạt động kém hiệu quả hơn.
Thứ hai, việc mức nhiệt tỏa ra quá cao có thể gây ra chảy, cháy các vỏ bọc dây dãn điện. Chính vì thế các đay dẫn điện cao thế thường có xu hướng là các dây dẫn trần. Nguyên nhân là lượng nhiệt năng mà các dây dẫn này quá cao khiến chúng co thể bị chảy ra. Tác dụng nhiệt của dòng điện cũng là một phần khiến cho lượng hao phí điện năng tăng lên.
