Điện là gì? Nguyên lý dòng điện và cách ứng dụng vào đời sống

Điện là một nguồn năng lượng không thể thiếu trong đời sống sinh hoạt cũng như sản xuất của xã hội hiện nay. Nó đóng vai trò nền tảng, một trong những sản phẩm đứng đầu chuỗi cung ứng của toàn xã hội. Vậy cụ thể điện là gì? Nguyên lý dòng điện và cách ứng dụng vào đời sống như thế nào?

Điện là gì?

Khái niệm

Điện được hiểu là sự dịch chuyển hay đứng yên của điện tích âm và điện tích dương cũng như điện trường và từ trường do chúng tạo nên. Đơn giản hơn điện cũng là một tập hợp các hiện tượng vật lý liên quan đến sự hút hoặc đẩy nhau của các electron và nơtron. Chính quá trình hút và đẩy nhau này sẽ tạo ra năng lượng điện.

Phần lớn điện được sản xuất chủ yếu bởi máy phát điện tại các nhà máy điện. Hoặc  điện cũng có thể được tạo ra nhờ các nguồn năng lượng sơ cấp khác như cối xay gió. Tuy nhiên, tổng hợp lại đều có chung cách hoạt động là dùng hiện tượng cảm ứng điện từ. 

Hiện nay, điện được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và quen thuộc đối với mọi hoạt động sinh sống, tồn tại và phát triển của con người. Cụ thể là dùng để sản xuất hàng hoá trong các ngành công nghiệp (như dệt may, in ấn, tivi…), nông nghiệp (làm thức ăn vật nuôi, làm lạnh…) và dịch vụ (truyền thông, viễn thông…).

Điện được phát minh năm nào?

Về nguồn gốc phát minh của điện, theo văn liệu của người Ai Cập cổ đại có niên đại từ 2750 TCN. Thời điểm này con người đã nhận thức được về những cú điện giật từ những con cá điện. Sau đó một thời gian nhiều nhà khoa học cổ đại như Pliny the Elder và Scribonius Largus đã chứng minh được tác dụng làm tê liệt do điện giật từ cá da trơn phát điện và cá đuối điện.

Đến năm 600 trước công nguyên, những người Hy Lạp cổ quanh Địa Trung Hải đã biết một số vật như miếng hổ phách khi chà xát với lông mèo có thể hút được các vật nhẹ như da động vật hoặc giấy. Sau đó, nhà khoa học Thales của Miletos đã thực hiện nghiên cứu về hiện tượng tĩnh điện. Ông cho rằng khi ma sát lên thanh hổ phách sẽ sinh ra nam châm và với các khoáng vật như magnetit sẽ không cần chà xát, nam châm sẽ tự sinh ra.

Tuy nhiên, nghiên cứu này của ông đã bị phản bác bởi các nhà khoa học khác. Họ cho rằng Thales không đúng với nghiên cứu chứng minh lực hút là do hiệu ứng tương tự như nam châm. Mà đó là minh chứng giữa từ học và điện học, chúng có mối liên hệ với nhau.

Tiếp những năm sau đó, dự hiểu biết về điện vẫn chỉ là sự tò mò trí tuệ của nhân loại. Đến giai đoạn 1600, nhà khoa học người Anh William Gilbert đã thực hiện nghiên cứu chi tiết về điện học và từ học với việc phân biệt hiệu ứng từ đá nam châm với hiệu ứng tĩnh điện từ hổ phách bị chà xát. Ông đã đưa ra thuật ngữ La Tinh mới electricus cho những vật có tính chất hút các vật nhỏ sau khi bị chà xát. Sau đó, từ này được xuất hiện trong bản in Pseudo Doxia Epidemica của Thomas Browne năm 1646 và là nguồn gốc tiếng Anh cho từ electric, electricity.

Sau đó, các nhà khoa học  Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray và C. F. du Fay đã tiếp tục tiến hành nghiên cứu sâu hơn về điện. Điển hình nhất, trong thế kỷ 18, nhà khoa học Benjamin Franklin đã bán hết tài sản để thực hiện thí nghiệm gắn một cái chìa khóa kim loại vào cuối sợi dây bị ướt của một cái diều và thả vào cơ bão. Kết quả ông đã tìm ra được sự liên hệ giữa hiện tượng sét và điện và được miêu tả trong cuốn Present Status of Electricity.

Năm 1791, Luigi Galvani đá công bố nghiên cứu khám phá ra hiện tượng điện từ sinh học chứng minh điện là môi trường giúp các tế bào thần kinh truyền tín hiệu đến các cơ. Năm 1800, Alessandro Volta phát minh ra pin Volta được làm từ đồng và kẽm với ưu điểm nguồn điện duy trì lâu hơn so với các nguồn tĩnh điện. Trong giai đoạn 1819 – 1820, Michael Faraday đã phát minh ra động cơ điện; điện học và từ học được James Clerk Maxwell thống nhất với nhau và được mô tả trong tác phẩm  On Physical Lines of Force.

Sang thế kỷ 19, có nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu và thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện. Cũng trong giai đoạn này điện đã được chuyển từ lý thuyết khoa học sang công cụ cơ bản cho nền văn minh hiện đại. Đây cũng chính là tiền đề cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 2.

Năm 1905, nhà khoa học Albert Einstein đã công bố bài báo để giải thích cho phát hiện của nhà khoa học Heinrich Hertz vào năm 1887 khi chiếu tia cực tím vào tấm điện cực sẽ tạo ra sự phóng tia điện. Tác phẩm này đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1921. Và chứng minh được hiệu ứng quang điện là cơ sở cho sự hoạt động của pin Mặt Trời, các CCD trong máy ảnh kỹ thuật số và nhiều ứng dụng khác.

Sau một thời gian dài, với nhiều nghiên cứu, thí nghiệm, chứng minh của các nhà khoa học trên thế giới. Điện được ra đời và thiết bị sử dụng vật liệu trạng thái rắn đầu tiên là thiết bị dò sợi râu mèo để thu tín hiệu vô tuyến. Sau đó, lần lượt xuất hiện các thiết bị bán dẫn khác.

Cường độ dòng điện là gì?

Cường độ dòng điện là lượng điện tích đi qua bề mặt trong thời gian nhất định. Ta có công thức tính cường độ dòng điện như sau:

I = Q/t

Từ công thức tính cường độ dòng điện, ta suy ra được công thức tính cường độ dòng điện trung bình. Công thức cụ thể như sau:

I trung bình = ΔQ/Δt

Trong đó:

• I tb là cường độ dòng điện trung bình (A)
• ΔQ là điện lượng đi qua bề mặt trong thời gian Δt (C)
• Δt là khoảng thời gian (s)

Ứng dụng của điện vào cuộc sống

Dòng điện đóng vai trò quan trọng trong các hoạt động của con người. Chúng có mặt ở khắp mọi nơi, ở tất cả các hoạt động, sự kiện.

Nhưng 1 lợi ích ít được biết đến của dòng điện, đó là trong lĩnh vực y tế chữa bệnh:

• Giảm ngưỡng kích thích của các sợi cơ trong cơ thể con người.
• Giảm tính đáp ứng của dây thần kinh tủy sống truyền lên não bộ. Đây là phát hiện lớn trong công tác gây mê giảm đau trong phẫu thuật.
• Tăng cường khả năng dinh dưỡng của một số vùng có dòng điện chạy qua.