Tác dụng nhiệt của dòng điện là gì? Ví dụ minh họa

Điện năng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hiện đại, là bàn đạp cho sự tiến bộ của chúng ta. Tuy nhiên, điện năng cũng có một số tác dụng, trong đó nổi bật là tác dụng nhiệt. Tác dụng nhiệt của dòng điện thực chất là gì? Hãy cùng tìm hiểu chủ đề này qua bài viết dưới đây.

1. Dòng điện là gì?

Điện được tạo ra bởi dòng chảy của các hạt tích điện. Chất dẫn điện là vật liệu cho phép dòng điện chạy qua chúng. Điều này xảy ra do các electron có thể di chuyển qua các nguyên tử của chất dẫn điện. Nói một cách đơn giản, một electron đi vào đám mây các hạt nguyên tử trong dây dẫn, và sau đó một electron khác rời đi. Quá trình liên tục này dẫn đến một dòng điện chạy qua dây dẫn.

2. Tác dụng nhiệt của dòng điện là gì?

Dòng điện có các tác dụng chung như tác dụng nhiệt, chiếu sáng, tác dụng từ, hoá học, sinh học. Tuy nhiên, bài viết này sẽ chủ yếu tập trung vào tác dụng nhiệt của dòng điện.

Tác dụng nhiệt của dòng điện là gì? Khi có dòng điện chạy qua vật dẫn thì làm vật dẫn nóng lên nên dòng điện có tác dụng nhiệt.

Hiệu ứng này được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày. Các thiết bị hoạt động dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện bao gồm: bếp điện, bóng đèn sợi đốt, quạt sưởi, v.v.”

3. Thí nghiệm để chứng minh dòng điện có tác dụng nhiệt

Treo một bóng đèn vào mạch điện. Giả sử nó được mắc như trong hình bên dưới. Sau đó cho dòng điện chạy qua mạch. Sau một thời gian, bóng đèn nóng lên và phát sáng. Kiểm tra điều này bằng cách chạm vào bóng đèn bằng tay hoặc sử dụng nhiệt kế.

4. Tác dụng nhiệt của dòng điện hình thành như thế nào

Tác dụng của dòng điện là do sự khác biệt về tính chất của các electron. Vào thế kỷ 19, Edison đã phát minh ra bóng đèn sợi đốt. Đây là một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển nhanh chóng của công nghệ trên toàn thế giới. Người ta quan sát thấy rằng dây dẫn hoặc chì trong bóng đèn phát ra nhiệt năng khi có dòng điện chạy qua.

Điều này được giải thích như sau: Khi có dòng điện chạy qua nó, các electron chuyển động nhanh hơn và trở nên hỗn loạn hơn. Các chất có thể dẫn điện làm như vậy là do điện trở của chúng. Đây là lý do tại sao một dòng điện chạy qua nó gây ra hiệu ứng nhiệt của dòng điện.”

Một cách giải thích khác là dòng điện là dòng điện tử chạy qua vật liệu dẫn điện. Một số vật liệu dẫn điện tốt hơn những vật liệu khác, nhưng không có vật liệu nào được coi là hoàn hảo, vì tất cả chúng đều chống lại dòng điện tử ở một mức độ nào đó. Khi dòng điện tử bị cản trở, một số năng lượng trong điện tử không được truyền đi.

Do tác động của định luật bảo toàn năng lượng, phần năng lượng không sử dụng hết này được chuyển hóa thành nhiệt năng. Ngoài ra, ở nhiệt độ rất cao, nó có thể được chuyển đổi thành năng lượng ánh sáng. Một ví dụ điển hình của điều này là dây tóc phát sáng trong bóng đèn sợi đốt. Nhiệt độ của nó có thể lên tới 2500 độ C.

5. Ví dụ minh họa ứng dụng tác dụng nhiệt của dòng điện

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. Các thiết bị hoạt động dựa trên tác dụng nhiệt

Các thiết bị sử dụng hiệu ứng nhiệt của dòng điện được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hiện đại. Một vài ví dụ về các thiết bị như vậy bao gồm:

• Việc dòng điện quá tải và tăng đột ngột có thể khiến các thiết bị điện bị quá nóng và dây dẫn bắt lửa, dẫn đến hỏa hoạn nghiêm trọng. Cầu dao giúp ngắt dòng điện khi xảy ra quá tải, giảm nguy cơ rủi ro về điện.
• Bóng đèn sợi đốt hoạt động bằng cách cho dòng điện chạy qua dây tóc vonfram. Dây tóc vonfram được đặt trong chân không để ngăn nó phản ứng với không khí. Khi dòng điện chạy qua dây tóc, nó nóng lên và phát ra ánh sáng.
• Lò sưởi điện sử dụng dây nichrom có ​​điện trở cao làm bộ phận làm nóng. Dây được cuộn xung quanh các rãnh sứ làm bằng chất liệu sắt. Khi dòng điện chạy qua dây dẫn, nó sẽ nóng lên nhanh chóng.

Trên đây là một số thiết bị tận dụng tác dụng đốt nóng của dòng điện, ngoài ra còn rất nhiều thiết bị khác cũng tận dụng tác dụng này. Các thiết bị khác như: bếp điện, lò nướng, tủ lạnh, bếp từ, v.v.

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 hơn. Lý do là khi chất dẫn điện (dây điện) nóng lên, các nguyên tử bên trong sẽ chuyển động hỗn loạn. Điều này có nghĩa là các đám mây điện tử sẽ không được giữ cố định mọi lúc. Và đôi khi các hạt nhân nguyên tử kim loại sẽ cản trở dòng electron qua dây dẫn.

Hơn nữa, khi một nguyên tử được nung nóng, nó có thể giữ nhiều electron hơn trong thời gian dài hơn trước khi giải phóng các electron dư thừa hoặc cho phép các electron tiếp tục hoạt động để tạo ra dòng điện. Do đó, nhiệt độ cao hơn làm tăng khả năng cản trở dòng điện của dây dẫn, làm cho hệ thống điện hoạt động kém hiệu quả hơn.

Thứ hai, quá trình sinh nhiệt quá mức có thể gây nóng chảy hoặc cháy vỏ bọc cách điện trên dây dẫn điện. Đó là lý do tại sao dây điện cao thế có xu hướng để trần. Nguyên nhân là do lượng nhiệt tỏa ra từ những sợi dây này quá cao khiến chúng bị nóng chảy. Hiệu ứng nhiệt của dòng điện cũng là một yếu tố góp phần làm tăng lãng phí năng lượng.”