Đèn pin rất có ích mà ví dụ tiêu biểu là giúp đọc sách trong đêm hay gửi các tin nhắn dạng mã. Nó cũng có thể đóng vai chính trong một buổi học thực hành trên lớp với chủ đề về điện.
Điện là một hiện tượng kì thú, được sử dụng rộng rãi trong khi khá mơ hồ, thậm chí với những người vờ như biết nó hoạt động ra sao. Nhưng may thay, ta chỉ cần hiểu một vài khái niệm cơ bản là đủ để hiểu thấu đáo cách nó hoạt động bên trong máy tính.
Đèn pin là một dụng cụ điện đơn giản có ở hầu hết trong các gia đình. Tháo một cái đèn pin bình thường ra và bạn sẽ thấy nó cấu tạo từ một cặp pin, một bóng đèn, một công tắc, vài mảnh kim loại, và một khung nhựa để giữ mọi thứ với nhau.
Nó được gọi là bóng đèn sợi đốt (dây tóc). Đa phần người Mỹ tin rằng đèn dây tóc do Thomas Edison phát minh trong khi người Anh lại chắc cú là Joseph Swan đã làm điều đó. Thật sự thì nhiều nhà khoa học và nhà phát minh khác nhau cùng khám phá ra nhiều bước tiến trước cả khi Edison hay Swan tạo ra nó.
Bên trong bóng đèn là một dây tóc bằng vonfram, sẽ phát sáng khi điện đi qua. Bóng đèn được bơm khí trơ để ngăn vonfram bị cháy khi quá nóng. Hai đầu dây tóc nối với dây dẫn mỏng gắn với trụ đỡ và chân đèn.
Bạn có thể tự làm một cái đèn bằng cách bỏ hết mọi thứ ngoại trừ pin và bóng. Bạn cũng cần vài đoạn dây điện ngắn và đủ tay để cố định mọi thứ lại:
Đèn handmade
Để ý hai đầu dây hở bên phải sơ đồ. Đó là công tắc của chúng ta. Giả sử còn pin và bóng đèn chưa cháy, cho hai đầu này chạm vào nhau đèn sẽ sáng.
Đèn sáng
Trong sách này, màu đỏ tượng trưng cho điện chạy qua dây dẫn và thắp sáng bóng đèn.
Thứ ta vừa tạo ra ở đây là một mạch điện đơn giản, và điều đầu tiên cần lưu ý đó là mạch điện là một vòng kín. Bóng đèn chỉ sáng khi đường đi từ pin sang dây dẫn tới bòng đèn qua công tắc rồi quay trở lại pin liền nhau. Hễ mạch hở thì đèn tắt. Mục đích của công tắc là để điều khiển quá trình này.
Tính khép kín của mạch điện gợi ý phải có một cái gì đó chảy quanh mạch, có lẽ cũng tương tự như nước chảy qua ống. Sự phân tích “nước và ống” thì khá phổ biến trong việc giải thích hoạt động của điện, nhưng cũng tới lúc cách giải thích ấy không còn đúng nữa, cũng giống như những phép so sánh khác. Điện không giống với bất cứ thứ gì trong vũ trụ và ta phải hiểu theo cách riêng của nó.
Một cách để hiểu về điện là lý thuyết electron, cho rằng điện là dịch chuyển của các electron.
Như ta biết, tất cả vật chất – cái ta thấy và cảm nhận (thông thường) – được tạo ra từ những thứ cực kỳ nhỏ gọi là nguyên tử. Mỗi nguyên tử cấu thành từ ba phần tử là nơtron, proton và electron. Đôi khi nguyên tử được mô tả như một hệ mặt trời thu nhỏ với nơtron và proton dính lại thành hạt nhân và các electron quay xung quanh hạt nhân như các hành tinh xung quanh mặt trời, nhưng đó là một mô hình lỗi thời.
Số lượng electron trong một nguyên tử thường bằng với số proton. Nhưng trong một vài trường hợp nhất định, electron có thể bị bứt ra khỏi nguyên tử. Điện xuất hiện từ đó.
Các từ electron và electricity đều bắt nguồn từ ngôn ngữ Hi Lạp cổ là ηλεκτρον (elektron), lạ lùng thay lại là từ để chỉ “hổ phách (amber)”, là nhựa cây đông cứng trông như gương. Lý do cho bắt nguồn kì lạ này là vì những người Hi Lạp cổ từng thử cọ sát hổ phách với len và đã làm sản sinh ra thứ mà ngay nay ta gọi là tĩnh điện. Cọ len vào hổ phách khiến len lấy đi electron trên hổ phách. Len giờ có nhiều electron hơn proton và hổ phách có ít electron hơn. Trong các trải nghiệm hiện đại, thì thảm lấy electron từ đế giày.
Proton và electron có đặc tính được gọi là điện tích (charge). Proton được gán điện tích dương (+) và electron có điện tích âm (-). Nhưng dấu (+) và (-) không mang nghĩa toán học và cũng không có nghĩa là proton có gì đó còn electron thì không. + và - chỉ để biểu thị cho việc proton và electron đối nghịch nhau theo một nghĩa nào đó thôi. Đặc điểm đối nghịch này tự nó thể hiện trong cách proton và electron liên quan với nhau.
Khi sóng sánh bên nhau với cùng một số hiệu thì các proton và electron đều có được hạnh phúc tột cùng với sự yên lành tột độ. Đến khi thế cân bằng bị phá vỡ thì tự chúng sẽ cố gắng cân đối lại. Tấm thảm lấy đi electron từ đế giày thì sau cùng mọi thứ cũng cân bằng trở lại khi chạm chân vào thứ khác với một tia lửa điện. Tia tĩnh điện đó là sự chuyển động của các electron khi đi một vòng ngoằn ngoèo từ tấm thảm qua cơ thể bạn rồi quay trở lại gót giày.
Tĩnh điện không bị giới hạn bởi các tia nhỏ sản sinh từ ngón tay chạm nắm cửa. Giữa những cơn bão, đít mây tích tụ electron trong khi đầu mây mất electron; cuối cùng sự mất cân bằng này được điều hoà với một tia sét. Sét là do rất nhiều electron chuyển động rất nhanh từ đầu này tới đầu kia.
Điện trong mạch đèn pin rõ ràng là dễ bảo hơn tia chớp. Đèn sáng đều đặn và liên tục vì các electron không phải nhảy vèo giữa hai nơi. Khi một nguyên tử trong mạch cho một electron cho một nguyên tử bên cạnh, nó sẽ lấy một electron khác từ một nguyên tử liền kề rồi nguyên tử kề đó lại lấy một electron từ nguyên tử kề kề và cứ thế. Điện trong mạch là dòng chảy các electron giữa các nguyên tử.
Nó không tự xảy ra. Chúng ta không thể cứ nối đại mấy món đồ cũ và chờ thấy điện. Chúng ta cần một động lực thúc đẩy các electron chuyển động quanh mạch điện. Hãy nhìn lại giản đồ đèn pin bên trên, có thể dễ dàng giả định thứ khơi nguồn chuyển động này không phải là dây điện hay bóng đèn, nên có thể đoán là pin.
Pin trong đèn pin thường có hình trụ và có nhãn là D, C, A, AA, hay AAA dựa vào kích cỡ. Đầu phẳng có nhãn dấu trừ (−), đầu kia lồi ra một chút nhãn dấu cộng (+).
Pin tạo điện bằng phản ứng hoá học. Chất hoá học trong pin được chọn dựa trên phản ứng giữa chúng tạo ra electron tự do ở đầu âm (gọi là cực âm hay anode) và đòi thêm electron ở đầu kia viên pin (cực dương hay cathode). Bằng cách này, năng lượng hoá học được chuyển hoá thành năng lượng điện. Pin trong đèn pin tạo ra dòng điện khoảng 1,5V. Tôi sẽ nói về ý nghĩa của con số này sớm thôi.
Phản ứng hoá học không thể xảy ra trừ khi có cách nào đó để electron có thể bứt ra từ cực âm và truyền sang cực dương. Điều này xảy ra với một mạch điện nối 2 cực. Các electron đi quanh mạch này ngược chiều kim đồng hồ:
Electron từ chất hoá học trong pin không thể trộn lẫn tự do với electron trong dây đồng nếu không vì một chân lý đơn giản: Tất cả electron, dù tìm thấy ở đâu, đều giống nhau. Không phân biệt giữa electron của đồng với electron khác.
Để ý cả hai viên pin đều xoay cùng hướng. Cực dương của pin dưới lấy electron từ cực âm của pin trên như được ghép lại thành một viên pin to hơn với một đầu dương và một đầu âm vậy. Ghép lại được 3V.
Nếu ta đổi chiều một viên pin, mạch sẽ không hoạt động:
Hai cực dương đều cần electron cho phản ứng hóa học, thế nhưng làm sao các electron có thể đến được các cực khi chúng dính chặt vào nhau thế kia. Nếu hai cực dương nối với nhau thì hai cực âm cũng phải vậy:
Như vầy thì hoạt động được. Các viên pin được nối song song còn các trường hợp trước đó là nối nối tiếp. Điện thế gộp giờ là 1,5V tương đương với điện thế của mỗi viên pin. Đèn có thể vẫn sáng nhưng sẽ không sáng bằng khi hai viên pin được nối tiếp. Nhưng chúng sẽ sáng lâu hơn gấp đôi.
Ta thường thích nghĩ các viên pin như là nguồn cấp điện cho mạch. Tuy nhiên ta vừa thấy rằng cũng có thể hiểu mạch như là nguồn cấp một lối đi để các phản ứng hóa học trong pin xảy ra. Mạch lấy đi các electron từ cực âm và truyền chúng tới cực dương. Phản ứng đó xảy ra cho tới khi cạn hết chất hóa học, tới đó một là sạc lại hai là ném luôn.
Từ cực âm sang cực dương, các electron chảy qua dây dẫn và bóng đèn. Thế nhưng sao ta lại cần dây dẫn? Dòng điện không thể truyền qua không khí được sao? Chà, vừa có thể vừa không. Dòng điện có thể truyền qua không khí (cụ thể là khí ẩm) bằng không thì ta đã chẳng thấy sấm sét. Nhưng điện không dễ dàng đi qua không khí được.
Một số chất thì tốt hơn các chất khác trong việc mang electron. Khả năng một nguyên tố mang điện liên quan đến cấu trúc hạ nguyên tử của nó. Các electron quay xung quanh hạt nhân trong nhiều lớp, được gọi là các vỏ. Một nguyên tử chỉ có một electron ở lớp vỏ ngoài cùng có thể dễ dàng từ bỏ electron đó, đấy là điều cần thiết để mang điện. Những chất này lợi thế trong việc mang điện và do đó được gọi là chất dẫn điện (conductors). Chất dẫn tốt nhất là đồng, bạc và vàng. Nên không phải ngẫu nhiên mà bạn thấy chúng nằm cùng một cột trong bảng tuần hoàn. Đồng là chất phổ biến nhất để dùng làm dây dẫn.
Đối nghịch với tính dẫn điện là tính kháng điện (resistance). Vài chất gây trở ngại nhiều cho dòng điện truyền hơn các chất khác chúng được biết đến là điện trở (resistors). Nếu một chất có điện trở kháng cao – nghĩa là chúng không dẫn điện tốt – chúng được gọi là chất cách điện (insulator). Cao su và nhựa là các chất cách điện tốt, đó là lý do tại sao chúng được dùng để bọc dây điện. Quần áo hay vải len cũng là các chất cách điện tốt, giống với không khí khô. Tuy nhiên, nếu điện áp đủ cao, bất cứ thứ gì cũng sẽ dẫn điện.
Đồng có điện trở kháng rất thấp, nhưng nó vẫn có một ít tính trở. Dây dẫn càng dài thì điện trở càng lớn. Nếu bạn thử nối dây đèn pin với dây dẫn dài tới hàng dặm thì điện trở trong dây dẫn sẽ rất lớn và do đó đèn pin sẽ không sáng.
Dây dẫn càng dày, điện trở kháng càng thấp. Nghe thì hơi ngược đời xíu. Bạn có thể nghĩ rằng một dây dẫn dày thì phải cần rất là nhiều điện để “lấp đầy nó”. Nhưng thực ra thì độ dày dây dẫn tạo điều kiện để càng nhiều electron chạy qua.
Nãy tôi có nhắc tới điện thế (V) nhưng chưa định nghĩa nó. Khi một viên pin có dòng chữ 1,5V thì điều đó có nghĩa là gì? Thực ra thì điện áp (voltage) – được đặt theo tên của Count Alessandro Volta (1745-1827), người đầu tiên phát minh ra viên pin vào năm 1800 – là một trong những khái niệm khó nhất của điện cơ sở. Điện áp ám chỉ đến thế năng để làm công việc gì đó. Điện áp luôn tồn tại dù có hay không có thứ gì đó nối với pin.
Thử xem xét một viên gạch. Khi nằm trên mặt đất, viên gạch có thế năng rất thấp. Khi giữ nó trong tay ở độ cao 1 mét so với mặt đất, viên gạch sẽ có nhiều thế năng hơn. Để cảm nhận thế năng này bạn hãy thử thả viên gạch. Nắm nó trong tay khi ở đỉnh một tòa nhà cao tầng thì viên gạch càng có nhiều thế năng hơn nữa. Trong cả ba trường hợp đó, bạn giữ viên gạch trong tay và nó chẳng hề làm gì nhưng thế năng lại khác nhau.
Một khái niệm dễ hình dung hơn trong điện đó là khái niệm cường độ. Cường độ dòng điện liên quan tới lượng electron thật sự chạy xung quanh mạch. Cường độ dòng điện được đo bằng ampe (amperes), đặt theo tên của André Marie Ampère (1775–1836), nhưng mọi người hay đọc là amps, như trong “cầu chì 10-amp” (mấy cái đọc nhanh này ở bên tiếng anh, tiếng việt mình cứ đọc ampe). Để có được cường độ 1 ampe bạn cần 6.240.000.000.000.000.000 electron chảy qua một điểm cụ thể trong một giây.
Sự phân tích ống-và-nước sẽ có ích ở đây: Cường độ dòng điện tương tự như lượng nước chảy qua một ống. Điện thế thì tương tự như áp lực nước. Điện trở thì giống với chiều rộng của ống – ống càng nhỏ, điện trở càng lớn. Do đó áp lực nước càng lớn thì càng có nhiều nước chảy qua ống. Ống càng nhỏ thì có ít nước chảy qua hơn. Lượng nước chảy qua một ống (cường độ) tỉ lệ thuận với áp lực nước (điện áp) và tỉ lệ nghịch với độ bự của ống (điện trở).
Trong điện, bạn có thể tính độ lớn cường độ dòng điện khi chảy qua một mạch nếu bạn biết điện áp và điện trở. Điện trở – khuynh hướng một chất cản trở dòng điện chạy – được đo bằng ôm (ohms), đặt theo tên của Georg Simon Ohm (1789–1854), người đã phát minh định luật Ôm nổi tiếng. Định luật chỉ ra rằng:
I = E / R
trong đó I thường được dùng để đại diện cho cường độ bằng ampe, E đại diện cho điện áp (lực điện động) và R là điện trở.
Ví dụ, hãy nhìn vào một viên pin đứng một mình không nối với bất cứ thứ gì:
Điện áp E bằng 1,5V. Đó là thế năng để hoạt động. Nhưng vì hai cực âm dương chỉ liên kết với không khí, nên điện trở (ký hiệu R) là rất rất rất lớn có nghĩa là cường độ dòng điện (I) bằng 1,5V chia cho một số cực bự. Hay cường độ chỉ vào khoảng 0 ampe.
Nào giờ hãy nối hai đầu viên pin với một cọng dây dẫn ngắn bằng đồng (và từ đây trở đi, chất cách điện trên dây dẫn sẽ không được vẽ nữa):
Đây được biết là một mạch ngắn. Điện áp vẫn là 1,5V, nhưng điện trở giờ đã rất là thấp rồi. Cường độ giờ bằng 1,5V chia cho một số rất nhỏ. Có nghĩa là cường độ sẽ rất rất lớn. Hàng đống hàng đống electron sẽ chảy qua dây dẫn. Trong thực tế, thì cường độ thật sẽ bị giới hạn bởi kích thước vật lý của viên pin. Pin sẽ không đủ khả năng để vận chuyển một cường độ cao như vậy, và điện áp sẽ rớt xuống dưới 1,5V. Nếu viên pin đủ lớn, dây dẫn sẽ nóng lên vì điện năng được chuyển hóa thành nhiệt. Nếu dây dẫn càng nóng, nó sẽ phát sáng và thậm chí có thể tan chảy.
Đa số các mạch điện nằm ở giữa hai thái cực này. Ta có thể ký hiệu nó như sau:
Các kĩ sư điện nhìn vào đường gấp khúc này là biết ngay đó là ký hiệu của điện trở. Ở đây mang nghĩa là mạch điện có một điện trở không quá thấp cũng như không quá cao.
Nếu một dây dẫn có điện trở thấp, nó có thể nóng dần lên và phát sáng. Đó là cách bóng đèn dây tóc hoạt động.
Dây tóc có điện trở khoảng 4 ôm. Nếu đèn pin cần 2 viên pin nối tiếp thì dòng điện là 3V chia 4 ôm bằng 0,75A cũng có thể diễn tả bằng 750 mA (miliampe). Có nghĩa là 4.680.000.000.000.000.000 electron chảy qua bóng đèn mỗi giây. Trở của dây tóc làm năng lượng điện chuyển thành ánh sáng và nhiệt.
Một đơn vị đo lường điện thông dụng khác là watt, đặt theo tên của James Watt (1736-1819), người được biết đến nhiều nhất vì thành quả của ông trong công nghệ hơi nước. Watt là một đại lượng đo lường năng lượng (P) được tính theo công thức:
P = E × I
Đèn pin 3V và 1,5A dùng một bóng đèn 2,25 watt.
Đèn LED đang dần thay thế đèn dây tóc vì chúng có thể cung cấp lượng ánh sáng tương đương với ít nhiệt và điện năng hơn. Hoá đơn tiền điện tính bằng watt, nên điện năng đèn thấp hơn vừa tiết kiệm tiền vừa bảo vệ môi trường.
Dường như nãy giờ có vẻ ta đã phân tích tất tật về đèn pin – pin, dây dẫn và bóng đèn. Nhưng ta lại quên mất phần quan trọng nhất!
Vâng, đó chính là công tắc. Công tắc cho phép dòng điện có chạy qua mạch hay không. Khi công tắc cho gật đầu thì điện mới qua được, gọi là bật hoặc đóng. Một công tắc tắt hay mở không cho dòng điện chạy qua. (Cách ta dùng từ đóng và mở cho công tắc đối nghịch với cách ta dùng chúng cho cửa. Một cánh cửa đã đóng không cho phép bất cứ ai đi qua; trong khi một công tắc đóng lại cho dòng điện chạy qua.)
Công tắc có thể đóng hoặc mở. Dòng điện có thể truyền qua hoặc không. Bóng đèn có thể sáng hoặc tối.
Như mã nhị phân được phát minh bởi Morse và Braille, đèn pin có thể bật hoặc tắt. Không có gì ở giữa. Sự giống nhau giữa mã nhị phân và mạch điện đơn giản sẽ được chứng minh là rất có ích trong các chương tiếp theo đây.
