10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

101. Vì sao chim đậu trên dây điện mà không bị điện giật?

Mọi người đều biết, nếu người đứng trên mặt đất tiếp xúc với dây điện cao áp thì sẽ xảy ra nguy cơ bị điện giật. Song lạ kì thay, chúng ta thường trông thấy một số con chim đậu trên dây điện cao áp trần, sau một tràng ríu rít líu lo lại bình yên bay đi. Vì sao chim không bị điện giật nhỉ?

Cái đó không phải là chim có bản lĩnh gì đặc biệt đâu. Bạn xem kìa, chúng đều đậu trên một sợi dây điện. Khi ấy thân thể chúng chỉ tiếp xúc với một sợi dây điện, không tạo thành mạch điện, cũng tức là không có dòng điện chạy qua trên thân mình chúng, cho nên không bị điện giật.

Nếu chúng ta đứng trên mặt đất, còn thân thể chạm vào dây lửa (dây mang điện áp cao) trong đường điện thì coi như nối liền mạch điện, dòng điện sẽ qua người chúng ta mà chạy xuống đất. Thế là xảy ra điện giật.

Nếu chúng ta đi giày cao su cách điện rất đáng tin cậy hoặc đứng trên ghế gỗ cách điện thì cho dù có lấy tay sờ vào dây lửa cũng không bị điện giật. Khi ấy, bạn giống như trường hợp con chim đậu trên dây điện. Một số thợ điện có kinh nghiệm, có thể tiến hành thao tác khi có điện, chính là đã nắm được nguyên lí này.

Một khi không có dòng điện chạy qua thì dù điện áp có cao đến mấy cũng không bị điện giật. Thế thì, tại sao ở gần đường dây cao áp cũng có thể gặp nguy hiểm nhỉ?

Đó là vì khi người đi gần dây điện cao áp, thân thể người ấy chịu cảm ứng cao áp, nếu khoảng cách quá gần, lớp không khí giữa người và dây điện cao áp liền có khả năng bị đánh xuyên. Không khí vốn là vật cách điện rất tốt, sau khi bị đánh xuyên liền trở thành vật dẫn điện. Thế là dòng điện rất mạnh sẽ chạy qua thân người, gây nên điện giật. Vì vậy, nhất thiết không được đến gần dây điện cao áp!

Ngoài ra, cũng không được dùng tay ướt hoặc khi một phần của thân thể ngâm trong nước mà lại chạm vào công tắc hoặc đồ dùng có điện. Vì trong điều kiện điện áp không biến đổi, điện trở càng nhỏ, dòng điện sinh ra càng lớn, điện trở của cơ thể người về căn bản là ở trên da dẻ, nếu tay khô thì vào khoảng vài chục kilô ôm. Nếu vô ý chạm vào điện áp 220 vôn, có thể bị điện giật mạnh, nhưng nói chung không đến nỗi nguy hiểm cho tính mạng; nếu tay bị ướt rồi, hoặc một phần thân thể ngâm trong nước, vì nước là vật dẫn điện tốt, điện trở của da liền bị giảm nhiều, khi ấy mà chạm vào điện 220 vôn, liền có khả năng bị điện giật chết.

Khi gặp phải tình huống này: một đường dây có điện cao áp nếu bị rơi xuống chiếc ô tô bạn đang ngồi, khi ấy ô tô có mang điện. Vì lốp ô tô là vật cách điện rất tốt, tuy điện áp của thân thể bạn và của ô tô đều rất cao, nhưng lại không có dòng điện chạy qua người bạn. Vì vậy, ngồi yên trong xe là rất an toàn, không hề bị điện giật. Hãy nhớ kĩ: nhất thiết đừng bước ra ngoài xe! Vì khi bạn vừa đặt chân xuống đất, điện trên ô tô sẽ thông qua thân thể bạn mà chạy xuống đất, trong người bạn sinh ra dòng điện rất lớn mạnh, đó mới là điều thật sự nguy hiểm.

Để phòng ngừa điện giật, không nên thả diều gần đường dây tải điện, dòng điện cao áp có khả năng truyền đến tay bạn theo dây diều; không nên trèo cột điện, điện cao áp trên ấy có thể làm chết người; đừng thử dùng ngón tay chọc vào lỗ cắm điện, một khi thân thể bạn cấu thành mạch điện liền có dòng điện chạy qua; đừng đến gần dây điện đứt rời; nếu có người bị điện "hút" chặt thì không được dùng tay chạm vào người ấy, mà phải gấp rút tìm gậy gỗ hoặc thanh tre khô ráo gạt dây điện ra. Điện cũng như lửa vậy, đều là "người giúp việc" có ích, chỉ cần nắm được quy luật của nó, thì có thể bắt nó phục vụ chúng ta tốt hơn mà không gây ra nguy hại gì.

Từ khoá: Điện giật; Dòng điện; Điện cao áp; Vật cách điện; Vật dẫn điện.

102. Tại sao cầu chì có tác dụng bảo vệ?

Bóng đèn điện trong nhà nếu bỗng nhiên vụt tắt, bao giờ chúng ta cũng kiểm tra trước tiên cầu chì có bị cháy hay không, tuyệt đại đa số các trục trặc đều từ chỗ đó mà ra. Cầu chì dễ bị cháy như vậy, tại sao không thể thay nó bằng một loại dây kim loại không dễ cháy rời nhỉ? Thực ra, khi cầu chì bị cháy chính là thể hiện tác dụng bảo vệ an toàn của nó đấy.

Cầu chì là một loại dây hợp kim có điểm nóng chảy rất thấp. Lắp cầu chì ở ngoài công tơ điện gia dụng thì có thể hạn chế cường độ của dòng điện trong mạch điện vào trong một phạm vi an toàn. Chúng ta biết rằng, dùng điện quá nhiều, hoặc trong mạch điện xảy ra chập mạch, sẽ dẫn đến dòng điện quá lớn trong mạch điện. Điều đó vô cùng nguy hiểm. Chẳng những nó có thể hủy hoại các loại đồ dùng điện, hiệu ứng nhiệt đo dòng điện sinh ra còn có thể làm cho trên dây dẫn sinh ra quá nhiều nhiệt lượng, đốt cháy lớp vỏ cách điện của dây dẫn. Một khi lớp vỏ đó mất đi tác dụng cách điện thì có thể xảy ra một loạt sự cố về điện như chập mạch, hở điện v.v. gây nên hậu quả không lường được như hoả hoạn, điện giật v.v.

Lắp cầu chì vào trong mạch điện thì có thể phòng ngừa một cách hữu hiệu các sự cố như vậy xảy ra. Khi có một dòng điện mạnh chạy qua, khi qua cầu chì nó sẽ sinh ra một lượng nhiệt lớn trên cầu chì, mà điểm nóng chảy của cầu chì lại thấp hơn của dây kim loại trong dây dẫn, một khi dòng điện vượt quá một giá trị nhất định, cầu chì sẽ bị nóng chảy, mạch điện cũng theo đó mà bị cắt đứt, dòng điện mạnh đó không thể đi vào mạch điện sử dụng, tránh cho các loại sự cố xảy ra. Nếu dùng dây đồng thay cho cầu chì, điểm nóng chảy của dây đồng rất cao, cho dù có dòng điện mạnh đi vào cũng không bị nóng chảy, không thể đạt được mục đích tự động cắt đứt dòng điện, dễ xảy ra nguy hiểm.

Cố nhiên, cường độ dòng điện cần thiết đối với những nơi khác nhau, những đồ dùng điện khác nhau cũng không như nhau. Vì vậy, phải căn cứ vào tình hình cụ thể mà chọn cầu chì có quy cách khác nhau. Đường kính cầu chì càng lớn, dòng điện mà nó cho phép đi qua cũng càng lớn. Thông thường chọn dùng dòng điện quy định của cầu chì phải lớn hơn dòng điện công tác trên mạch điện. Nếu dòng điện quy định của cầu chì được chọn mà quá nhỏ thì trên mạch điện không thể có dòng điện với cường độ cần thiết; ngược lại, nếu chọn dùng dòng điện quy định của cầu chì quá lớn thì lại không làm được tác dụng bảo hiểm.

Trên các đồ điện gia dụng thường có ghi trị số của công suất và dòng điện quy định. Đó tức là cường độ của dòng điện cần thiết cho đồ điện gia dụng hoạt động bình thường. Cho nên người ta cũng lắp cầu chì trong rất nhiều đồ dùng điện. Khi dòng điện quá lớn đi qua nó, cầu chì sẽ tự động cắt mạch, bảo vệ đồ dùng điện khỏi bị tổn hại.

Từ khoá: Cầu chì; Dòng điện.

103. Tại sao trước khi đèn nê ông bật sáng, cái tắc te phải chớp nháy vài lần?

Bóng đèn dây tóc, chỉ cần thông điện là chiếu sáng ngay, còn trước khi đèn ống bật sáng, thường thường có thể nhìn thấy cái tắc te chớp nháy vài lần. Đó là vì sao vậy?

Hiện tượng đó phải giải thích từ nguyên lí phát sáng của đèn ống. Bên trong ống đèn của đèn ống có nạp một ít thuỷ ngân và khí acgon, hai đầu ống có lắp điện cực. Các electron từ âm cực phóng ra, va chạm với các phân tử khí acgon trong ống, có thể sinh ra càng nhiều electron. Những electron này kích phát hơn nữa khi thuỷ ngân phóng điện, bức xạ ra tia tử ngoại không nhìn thấy. Khi tia tử ngoại chiếu vào chất huỳnh quang phết lên vách trong của ống đèn, liền phát ra ánh sáng nhìn thấy. Nhưng muốn cho âm cực phóng xạ ra electron, và để cho electron phóng xạ ra có năng lượng đầy đủ, cùng phân tử khí acgon va chạm làm bật ra càng nhiều electron thì cần phải đặt lên hai cực ống đèn một điện áp rất cao. Điện áp 220 vôn thông dụng không sao cung cấp đủ năng lượng cần thiết để electron va chạm. Vì vậy, bật sáng đèn ống cần có một điện áp khởi động cao hơn 220 vôn rất nhiều. Điện áp khởi động ấy do cái tắc te và cái chấn lưu phối hợp chặt chẽ sinh ra.

Sau khi đèn ống nối thông với nguồn điện, trong ống đèn chưa sinh ra hiện tượng phóng điện, mà lại là giữa hai tấm lưỡng kim trong ống nê ông của tắc te xảy ra sự phóng điện phát sáng, phát ra ánh sáng màu đỏ. Nhiệt lượng sinh ra bởi phóng điện phát sáng làm cho nhiệt độ của tấm lưỡng kim trong tắc te lên cao. Thế là độ cong của đầu co duỗi sinh ra biến đổi. Khi nó chạm vào đầu cố định, sự phóng điện phát sáng ngừng lại, và tắc te không sáng nữa.

Do sự ngừng lại của phóng điện phát sáng, đầu co duỗi dần dần nguội đi, rồi khôi phục về hình dạng ban đầu. Khi nó tách khỏi đầu cố định, mạch điện bị ngắt ra, cắt đứt dòng điện. Trong khoảnh khắc dòng điện bị cắt, trên cái chấn lưu cảm ứng ra điện áp rất cao, có thể đạt tới 1000 vôn. Nó cùng với điện áp nguồn nhập lại đặt lên hai đầu điện cực của ống đèn. Thế là đèn ống bật sáng.

Nếu quá trình kể trên xảy ra một lần mà không thể bật sáng đèn ống, ống nê ông trong tắc te sẽ sáng trở lại rồi lại tắt, rồi lại sáng trở lại... Cứ lặp đi lặp lại như thế vài lần, chúng ta nhìn thấy cái tắc te liên tục chớp nháy cho đến khi đèn ống sáng lên mới thôi. Sau khi đèn ống sáng hẳn, dòng điện tăng lên rất nhanh, cái chấn lưu liền có tác dụng hạn chế dòng điện vào trong phạm vi quy định. Đồng thời thuỷ ngân trong ống đèn bốc hơi, điện trở giữa hai đầu điện cực giảm nhỏ đi rất nhiều, vì vậy điện áp hai đầu cũng thấp xuống. Thế là cái tắc te không còn sinh ra sự phóng điện phát sáng và cũng không còn sáng lên nữa.

Nếu điện áp nguồn hơi thấp, hoặc thời tiết mùa đông giá rét, đèn ống sẽ khó bật sáng, cái tắc te càng phải chớp sáng nhiều lần hơn. Nếu điện áp quá thấp, hoặc đèn quá cũ thì không có cách gì làm cho đèn ống bật sáng được.

Từ khoá: Đèn ống; Cái tắc te; Cái chấn lưu; Sự phóng điện phát sáng; Tấm lưỡng kim.

104. Vì sao đèn ống tiết kiệm điện hơn bóng đèn dây tóc?

Một đèn ống 40 oat xem ra sáng không kém gì một bóng đèn dây tóc 150 oat, nhưng điện năng tiêu thụ của nó lại ít hơn so với đèn dây tóc. Cũng có nghĩa là, hiệu suất phát sáng của đèn ống cao hơn đèn dây tóc, dùng nó tiết kiệm điện hơn đèn dây tóc. Vì sao vậy nhỉ?

Nguyên nhân căn bản là ở chỗ phương thức phát sáng của đèn ống và đèn dây tóc khác nhau. Đèn dây tóc dựa vào hiệu ứng nhiệt sinh ra khi dòng điện đi qua dây tóc đèn để phát sáng. Bất cứ vật thể nào khi bị đốt nóng đến 525°C trở lên đều sẽ phát sáng. Vả lại, hiệu ứng phát sáng theo sự tăng cao của nhiệt độ mà tăng cao. Cho nên, người ta thường chọn dùng dây vonfram có điểm nóng chảy cao (bằng 3410°C) để làm dây tóc. Tuy đã qua sự cải tiến không ngừng, hiệu ứng phát sáng của đèn dây tóc có được nâng cao, nhưng phần điện năng mà nó chuyển đổi thành quang năng vẫn là rất ít, tuyệt đại bộ phận điện năng còn bị biến thành nhiệt năng mà lãng phí mất một cách vô ích.

Nguyên lí phát quang của đèn ống thì lại khác hẳn. Bên trong ống đèn của nó được phết một lớp chất huỳnh quang, hai đầu có lắp điện cực, trong ống có nạp khí acgon và một ít thuỷ ngân. Khi dòng điện đi qua, điện cực phóng ra electron, những electron này chuyển động với tốc độ cực cao sang đầu bên kia của ống. Trên đường đi, khi chúng va chạm vào các phân tử acgon thì sẽ phóng ra càng nhiều electron.

Lượng electron đông đúc va chạm vào các phân tử hơi thuỷ ngân, làm cho phân tử hơi thuỷ ngân thu được một suất năng lượng ngoài quy định, và nhảy đến trạng thái năng lượng tương đối cao. Khi những phân tử này từ trạng thái năng lượng cao quay về trạng thái năng lượng bình thường liền phát xạ năng lượng dư thừa ra dưới phương thức tia tử ngoại. Tia tử ngoại không thể nhìn thấy, nhưng sau khi nó bị chất huỳnh quang trên vách ống đèn hấp thu, chất huỳnh quang liền phát ra ánh sáng nhìn thấy. Do đó có thể nói rằng, trong quá trình phát sáng của đèn ống, nhiệt lượng sinh ra rất ít, ánh sáng mà nó phát ra là một loại ánh sáng lạnh. Điều đó làm cho hiệu suất phát sáng của đèn ống được nâng cao rất nhiều, tiết kiệm điện hơn đèn dây tóc.

Do sự ngừng lại của phóng điện phát sáng, đầu co duỗi dần dần nguội đi, rồi khôi phục về hình dạng ban đầu. Khi nó tách khỏi đầu cố định, mạch điện bị ngắt ra, cắt đứt dòng điện. Trong khoảnh khắc dòng điện bị cắt, trên cái chấn lưu cảm ứng ra điện áp rất cao, có thể đạt tới 1000 vôn. Nó cùng với điện áp nguồn nhập lại đặt lên hai đầu điện cực của ống đèn. Thế là đèn ống bật sáng.

Nếu quá trình kể trên xảy ra một lần mà không thể bật sáng đèn ống, ống nê ông trong tắc te sẽ sáng trở lại rồi lại tắt, rồi lại sáng trở lại... Cứ lặp đi lặp lại như thế vài lần, chúng ta nhìn thấy cái tắc te liên tục chớp nháy cho đến khi đèn ống sáng lên mới thôi. Sau khi đèn ống sáng hẳn, dòng điện tăng lên rất nhanh, cái chấn lưu liền có tác dụng hạn chế dòng điện vào trong phạm vi quy định. Đồng thời thuỷ ngân trong ống đèn bốc hơi, điện trở giữa hai đầu điện cực giảm nhỏ đi rất nhiều, vì vậy điện áp hai đầu cũng thấp xuống. Thế là cái tắc te không còn sinh ra sự phóng điện phát sáng và cũng không còn sáng lên nữa. Hơi thuỷ ngân, làm cho phân tử hơi thuỷ ngân thu được một suất năng lượng ngoài quy định, và nhảy đến trạng thái năng lượng tương đối cao. Khi những phân tử này từ trạng thái năng lượng cao quay về trạng thái năng lượng bình thường liền phát xạ năng lượng dư thừa ra dưới phương thức tia tử ngoại. Tia tử ngoại không thể nhìn thấy, nhưng sau khi nó bị chất huỳnh quang trên vách ống đèn hấp thu, chất huỳnh quang liền phát ra ánh sáng nhìn thấy. Do đó có thể nói rằng, trong quá trình phát sáng của đèn ống, nhiệt lượng sinh ra rất ít, ánh sáng mà nó phát ra là một loại ánh sáng lạnh. Điều đó làm cho hiệu suất phát sáng của đèn ống được nâng cao rất nhiều, tiết kiệm điện hơn đèn dây tóc.

Chất huỳnh quang khác nhau có thể phát ra ánh sáng có tần số khác nhau, thể hiện ra ánh sáng màu khác nhau trong con mắt chúng ta. Nếu chọn lựa chất phát quang thích hợp thì có thể làm cho ánh sáng đèn ống rất gần với ánh sáng Mặt Trời.

Con đom đóm cũng có thể phát sáng, ánh sáng phát ra cũng là ánh sáng lạnh. Vả lại, hiệu suất phát sáng của đom đóm còn cao hơn nhiều so với đèn ống. Làm thế nào học tập được ở con vật này, tiến một bước nâng cao hiệu suất phát sáng là vấn đề mà các nhà khoa học cảm thấy rất thú vị.

Từ khoá: Đèn dây tóc; Đèn ống; Hiệu suất phát sáng, Ánh sáng lạnh.

105. Vì sao đèn iôt - vonfram có thể tích nhỏ, độ chói cao, tuổi thọ dài?

Từ khi Thomas Eđison, nhà phát minh Hoa Kỳ phát minh ra đèn điện cho đến nay, loài người dã tiến hành nhiều nghiên cứu và cải tiến đối với chiếc bóng đèn nho nhỏ. Rút cho bóng đèn thành chân không có thể phòng ngừa dây tóc bị oxi hoá, rồi nạp khí trơ (như acgon) vào lại có thể làm cho dây vonfram giảm bớt bốc hơi vì nhiệt. Song tuổi thọ của loại bóng đèn này vẫn không được dài, dùng một thời gian, độ chói của nó cũng sẽ yếu đi dần dần. Đó là do khi dây vonfram phát sáng, vonfram trên bề mặt dần dần thăng hoa, hơi vonfram chạy đến mặt trong của bóng đèn, gặp lạnh lại biến thành vonfram thể rắn đọng lại trên bóng thuỷ tinh, làm cho bóng đen đi. Đồng thời dây vonfram cũng ngày một mảnh đi, sau cùng rụng đứt.

Để kéo dài tuổi thọ của bóng đèn, loại trừ hiện tượng bóng bị đen, người ta lại nghiên cứu tiếp, sau cùng chế tạo ra đèn dây tóc có nạp iôt, nói gọn là đèn iôt - vonfram. Nó không giống với đèn dây tóc thông thường có dạng hình cầu, ngoại hình của nó có dạng hình ống. Ống đèn được làm bằng thạch anh. Thạch anh có thể chịu đựng được nhiệt độ cao.

Khi đèn iôt - vonfram làm việc, bề mặt của vonfram vẫn sẽ xảy ra thăng hoa như vậy, sinh ra hơi vonfram. Song, khi nhiệt độ ở 250°C trở lên, hơi vonfram có thể hoá hợp với iôt trong ống đèn, sinh ra khí vonfram iôtua (WI). Như vậy vonfram sẽ không đọng lại trên bóng đèn nữa. Khí vonfram iôtua khi đến gần dây tóc có nhiệt độ cực cao (trên 1400°C), lại lập tức phân li thành iôt và vonfram. Thế là vonfram đãthăng hoa lại được trả về cho dây tóc. Iôt trong ống đèn không ngừng đưa vonfram thăng hoa từ dây tóc trở về chỗ cũ, kéo dài tuổi thọ của đèn. Để bảo đảm cho vonfram và iôt có thể hoà hợp, nhiệt độ trong đèn không được xuống thấp dưới 250°C. Vì vậy, ống đèn của đèn iôt - vonfram không thể lớn, kết cấu bao giờ cũng rất gọn nhỏ.

Đèn iôt - vonfram không những thể tích nhỏ, mà còn có iôt làm "lính vận tải", nhiệt độ của dây tóc cũng có thể nâng cao lên. Cái đó làm cho hiệu suất phát sáng và độ chói đều được nâng cao.

Công dụng của đèn iôt - vonfram rất rộng rãi. Ngoài việc có thể dùng để chiếu sáng đường băng sân bay, sân bóng, quảng trường, xưởng máy, đường phố, nhà hát ra, còn có thể dùng cho chiếu bóng, chụp ảnh v.v., vừa nhẹ nhàng, vừa an toàn, hiệu quả lại cao. Do đèn iôt - vonfram sinh ra bức xạ tử ngoại nhiều hơn đèn dây tóc thông thường, khi vật thể được chiếu sáng mẫn cảm đối với tia tử ngoại, phải quan tâm chú ý nhiều hơn. Nếu dùng brom nạp vào ống đèn thay cho iôt thì có thể chế thành đèn brom - vonfram. Nguyên lí làm việc của đèn brom - vonfram cũng giống như đèn iôt - vonfram. Do iôt và brom đều là nguyên tố halogen, cho nên đèn iôt - vonfram và đèn brom - vonfram đều được gọi chung là đèn vonfram - halogen.

Từ khoá: Đèn dây tóc; Đèn iôt-vofram; Đèn brom-vonfram; Thăng hoa.

106. Vì sao máy biến áp có thể biến đổi điện áp?

Khi bạn đi qua trạm biến áp, nghe thấy bên trong có tiếng u, u. Đó là máy biến áp đang làm việc đấy! Nghe tên gọi biết nội dung, máy biến áp tức là công cụ có thể biến đổi mức độ của điện áp, từ cao xuống thấp hoặc từ thấp lên cao.

Vì sao máy biến áp có thể biến đổi mức độ của điện áp nhỉ? Chúng ta hãy tìm hiểu kết cấu của máy biến áp trước đã. Tuy máy biến áp có rất nhiều loại hình, kích thước cũng khác biệt rất lớn. Song kết cấu cơ bản của chúng na ná như nhau, đều là cuốn hai cuộn dây trên cùng một lõi sắt. Hai cuộn dây này gọi riêng rẽ là cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Dòng điện bên ngoài đi vào cuộn sơ cấp và đi ra từ cuộn thứ cấp. Nếu số vòng dây của cuộn sơ cấp nhiều hơn của cuộn thứ cấp, điện áp trên cuộn thứ cấp sẽ hạ thấp. Đó tức là máy biến áp giảm áp. Ngược lại, nếu số vòng dây của cuộn sơ cấp ít hơn của cuộn thứ cấp, điện áp trên cuộn thứ cấp sẽ tăng cao. Đó tức là máy biến áp tăng áp.

Thực ra nguyên lí làm việc của máy biến áp không hề phức tạp. Căn cứ vào nguyên lí cảm ứng, khi một vật dẫn điện nằm trong từ trường biến đổi, trong vật dẫn điện liền có thể cảm ứng ra dòng điện. Nối máy biến áp vào mạng điện xoay chiều, dòng điện truyền vào cuộn sơ cấp của máy biến áp. Khi ấy, xung quanh dòng điện sẽ sinh ra từ trường. Do hướng dòng điện của điện xoay chiều truyền vào liên tục biến đổi, làm sinh ra một từ trường biến đổi đồng bộ với dòng điện. Từ trường này cấu thành một đường khép kín men theo lõi sắt của máy biến áp. Do cường độ và hướng từ trường không ngừng biến đổi, từ đó cảm ứng ra dòng điện trong cuộn thứ cấp. Vì điện áp trên mỗi vòng của cuộn dây đều bằng nhau, cho nên số vòng dây của cuộn thứ cấp càng nhiều, điện áp từ cuộn thứ cấp truyền ra càng cao.

Nếu cho điện một chiều truyền vào máy biến áp thì sao nhỉ? Do dòng điện của điện một chiều luôn luôn theo có một hướng, hướng của từ trường sinh ra cũng sẽ không biến đổi. Thế là, trên cuộn thứ cấp cũng không thể cảm ứng ra điện áp. Cho nên máy biến áp chỉ có thể thay đổi điện áp của điện xoay chiều.

Những nơi dùng điện đều hầu như không thể thiếu được máy biến áp. Trong nhà máy điện, điện sinh ra từ máy phát điện, trước hết phải thông qua máy biến áp lớn, nâng điện áp xoay chiều lên thành điện cao áp cao tới vài chục nghìn hoặc vài trăm nghìn vôn, sau đó thông qua đường dây tải điện đưa đến những nơi dùng điện như nhà máy, trường học, hộ dân cư v.v., thông qua biện pháp tải điện cao áp đường dài có thể giảm nhỏ điện năng tiêu hao trên dây tải điện rất nhiều. Điện đến nơi sử dụng, lại phải thông qua máy biến áp hạ thấp điện áp xuống vài trăm vôn, cung cấp cho nhà máy chạy các cỗ máy hoặc cho gia đình sử dụng đồ dùng điện. Cố nhiên còn có những máy biến áp nhỏ hơn nữa, có thể hạ điện áp trong mạng điện chiếu sáng xuống chỉ còn vài chục vôn, cung cấp cho các đồ dùng gia dụng như tivi, rađiô v.v.

Khi sử dụng máy biến áp cỡ nhỏ thường ngày, lấy tay sờ vào, bao giờ máy biến áp cũng nóng. Đó là vì khi dòng điện chạy qua máy biến áp có sinh ra nhiệt lượng. Máy biến áp sử dụng trong hệ thống cao áp, do nhiệt lượng của dòng điện sinh ra làm cho máy biến áp trở nên rất nóng. Để duy trì cho máy biến áp làm việc bình thường, thông thường người ta đặt máy biến áp vào trong thùng dầu. Làm như vậy vừa có thể để cho nó nguội đi nhanh, lại vừa có thể giữ gìn tính năng cách điện tốt.

Từ khoá: Máy biến áp; Điện áp; Cuộn thứ cấp; Cảm ứng điện từ; Điện xoay chiều.

107. Rò điện là gì?

Nếu chỗ không nên có điện mà lại xảy ra hiện tượng có điện tức là rò điện. Vì sao lại rò điện nhỉ? Nguyên nhân thì rất nhiều, song chủ yếu xảy ra trên mạch tải điện. Ví dụ, cây cối ven đường mọc cao lên, xuyên qua dây điện, dây điện cùng cành cây không ngừng cọ xát, làm rách lớp cách điện bọc ở ngoài, dây dẫn liền tiếp xúc với cành lá. Gặp lúc trời mưa, cành cây ẩm ướt cũng có thể dẫn điện, thế là xảy ra rò điện. Hoặc như đường điện trong nhà dùng lâu ngày, lớp cách điện bị cứng giòn nứt toác, chỗ vốn là cách điện không còn cách điện nữa, sẽ dẫn điện cục bộ. Đó cũng có thể xảy ra rò điện.

Rò điện chẳng những tiêu hao điện năng một cách vô ích, tạo thành lãng phí, mà còn gây nguy hại cho con người. Chỗ bị rò điện, do dòng điện bị rò không ngừng sinh ra nhiệt lượng, nếu nhiệt lượng đó không được phát tán ra kịp thời, nhiệt độ chỗ ấy sẽ ngày càng cao. Nhiệt độ lên cao đến mức nhất định liền có thể đốt cháy lớp cao su cách điện và những chất cháy được ở xung quanh dây dẫn như gỗ v.v., gây nên hoả hoạn. Dòng điện bị rò càng lớn, nhiệt lượng sinh ra càng nhiều, vì vậy cũng càng nguy hiểm.

Rò điện còn có thể trực tiếp gây thương tổn cho cơ thể người. Nếu cơ thể chạm phải dòng điện bị rò, trong trường hợp dòng diện nhỏ thì có thể chỉ làm cho người cảm thấy tê tê; khi dòng điện lớn, sẽ làm cho người cảm thấy bị điện giật mạnh; dòng điện lớn hơn nữa, người có thể bị "hút dính", không sao tự mình giẫy khỏi dòng điện, sự an toàn tính mạng bị đe doạ. Nếu gặp phải tình hình này, trước hết phải cắt đứt nguồn điện, rồi tìm cách cứu chữa người bị điện giật.

Để phòng ngừa rò điện, ngoài việc thường xuyên kiểm tra đường dây ra, còn phải chú ý: phải kịp thời thay dây cắm ổ điện của đồ dùng điện khi thấy nó đã bị mài mòn, không nên để dây điện đi qua dưới tấm thảm vì thường xuyên có người giẫm chân qua lại sẽ mài mỏng lớp cách điện của nó, đồ dùng điện sử dụng xong phải kịp thời cắt nguồn điện v.v.

Từ khoá: Rò điện; Điện giật; Lớp cách điện.

108. Vì sao truyền tải điện đường dài phải áp dụng cách truyền bằng điện áp siêu cao?

Điện phát ra từ máy phát điện của nhà máy điện chỉ có 1 kilovôn đến hơn 20 kilovôn. Trong quá trình chuyển tải điện, trước hết phải dùng máy biến áp tăng áp đưa điện áp lên đến vài trăm kilovôn đã, rồi mới nối vào mạng điện truyền tải. Khi đến địa phương dùng điện, lại dùng máy biến áp giảm áp hạ điện áp từng cấp cho tới điện áp cần thiết. Vì sao trong quá trình truyền tải điện phải áp dụng cách truyền bằng điện cao áp siêu cao nhỉ?

Mục đích chủ yếu của việc áp dụng cách truyền bằng điện áp siêu cao là để giảm thấp sự lãng phí điện năng trên đường truyền tải. Chúng ta biết rằng, điện chạy qua bếp điện sẽ phát nhiệt là vì khi dòng điện đi qua dây điện trở đã chuyển điện năng thành nhiệt năng. Cũng với nguyên lí ấy, dây tải điện cũng có một trị số điện trở nhất định. Cho dù sử dụng nhôm hoặc đồng có điện trở suất rất nhỏ để làm dây điện, song vì dây điện dùng để truyền tải đường dài rất dài, điện trở của nó không thể bỏ qua được. Khi ấy, phần điện năng chuyển đổi thành nhiệt năng trên đường dây tải sẽ trở thành một con số tương đối đáng kể. Phần điện năng này hoàn toàn lãng phí một cách vô ích trong quá trình truyền tải điện.

Chắc bạn sẽ nghĩ, liệu có cách gì giảm nhỏ hoặc loại bỏ điện trở của dây dẫn hay không? Biện pháp thì có đấy, song lại không kinh tế. Cách giảm nhỏ điện trở của dây tải điện đơn giản nhất là làm tăng diện tích mặt cắt ngang của nó. Nếu như vậy, chẳng những làm cho lượng vật liệu cần thiết để chế tạo dây dẫn tăng lên rất nhiều, mà dây điện vì đó sẽ nặng lên, cột điện và tháp dây điện để đỡ dây cũng phải gia cố, tốn phí cho toàn đường dây tải điện sẽ rất lớn. Các nhà khoa học phát hiện, khi nhiệt độ của một số vật liệu hạ thấp đến một trị số nhất định, điện trở của chúng sẽ mất hoàn toàn, tức là xảy ra hiện tượng siêu dẫn. Song cho đến nay, vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao nhất mà con người phát hiện được, cũng phải xuống tới –10077°C thì điện trở mới có thể biến mất. Cho nên dùng vật liệu siêu dẫn để tải điện còn xa vời với ứng dụng thực tế.

Kiến thức vật lí mách bảo chúng ta: trong điều kiện điện trở không đổi, công suất tiêu hao của nó tỉ lệ thuận với bình phương của dòng điện. Vì vậy, giảm nhỏ dòng điện là một cách làm khác để giảm nhỏ lãng phí truyền tải điện năng. Nhưng làm thế nào mới có thể giảm nhỏ dòng điện? Vì công suất truyền tải bằng tích số của dòng điện và điện áp, trong điều kiện công suất truyền tải cố định, có thể dùng cách tăng cao điện áp để đạt được mục đích giảm nhỏ dòng điện, giảm nhỏ sự lãng phí truyền tải điện năng. Ví dụ, muốn truyền tải điện có công suất 200 kW, nếu sử dụng điện 2 kV để truyền tải, dòng điện trong dây dẫn sẽ là 100 ampe. Lại giả thiết rằng, điện trở của dây dẫn là 10 ôm. Thế thì công suất tổn thất trên dây tải điện sẽ là 100 kW, chiếm một nửa của cả công suất truyền tải. Nếu điện áp truyền tải cao lên 100 lần, đạt tới 200 kV, dòng điện trong dây dẫn chỉ còn là 1 ampe. Khi ấy, công suất tổn thất trên dây tải điện chỉ có 10 kW, tương đương với 1/10000 của năng lượng tổn thất khi dùng điện áp 2 kV để truyền tải.

Nâng cao điện áp truyền tải có thể giảm bớt lãng phí truyền tải điện năng, thế thì, có thể nâng cao không hạn chế điện áp truyền tải được không? Do việc nâng cao điện áp truyền tải có thể mang lại rắc rối khác, ví dụ như không khí giữa dây điện với dây điện bị đánh xuyên, xảy ra sự phóng điện hồ quang khi mất điện đột ngột..., hiện nay, điện áp siêu cao dùng trong việc tải điện đường xa là 500 - 1000 kV. Nếu muốn nâng cao điện áp tải điện hơn mức ấy thì còn có nhiều khó khăn về kĩ thuật cần được giải quyết.

Ở ngoại ô, bạn có thể trông thấy trên các tháp thép cao đỡ dây tải điện có treo nhiều xâu sứ cách điện. Chúng được chế tạo ra vì việc tải điện bằng điện áp siêu cao. Những người thiết kế chẳng những phải bảo đảm an toàn cho đường tải điện, mà đồng thời còn cân nhắc tới mĩ quan tạo hình nữa.

Từ khoá: Tải điện đường dài; Tải điện bằng điện siêu cao; Công suất; Điện áp; Dòng điện.

109. Phát điện từ thuỷ động là gì?

Chúng ta biết rằng, nhà máy thuỷ điện lợi dụng sức mạnh của dòng nước, đẩy tuabin của máy phát điện sinh ra điện; trong nhà máy nhiệt điện, thông qua việc đốt nhiên liệu mà chuyển nước trong nồi hơi thành hơi nước, rồi lợi dụng sức mạnh của hơi nước, kéo máy phát điện sinh ra điện. Máy phát điện quy ước đều lợi dụng chuyển động quay của cuộn dây tương đối so với từ trường, hai phía của nó không ngừng cắt đường lực từ, trong cuộn dây sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng. Còn máy phát điện từ thuỷ động là cách dùng chất lưu mang điện (chất khí ion hoá hoặc kim loại lỏng) phun vào trong từ trường với tốc độ cực cao, lợi dụng tác động sinh ra của từ trường đối với chất lưu mang điện, qua đó mà phát ra điện.

Chúng ta hãy làm quen với chất lưu mang điện trong phát điện từ thuỷ động trước đã. Chúng hình thành thông qua đốt nóng nhiên liệu, khí trơ, hơi kim loại kiềm. Ở nhiệt độ cao vài nghìn độ Celsius, chuyển động của nguyên tử và electron trong các chất này đều rất mãnh liệt. Có một số electron thậm chí có thể thoát khỏi sự ràng buộc của hạt nhân nguyên tử. Kết cục là những chất ấy biến thành hỗn hợp của electron tự do, ion mất electron và hạt nhân nguyên tử. Đó tức là plasma. Phun plasma với tốc độ siêu âm vào trong một đường ống đặt trong một từ trường mạnh. Những hạt cao tốc mang điện tích dương và âm trong plasma, chịu tác động của lực Lorentz trong từ trường, lần lượt lệch về hai cực. Thế là có một điện áp sinh ra giữa hai cực. Dùng dây dẫn nối điện áp đó vào trong mạch điện là có thể sử dụng được.

Cái hay nhất của phương pháp phát điện này là có thể nâng cao hiệu suất phát điện lên rất nhiều. Theo cách phát điện bằng sức nóng thông thường, trong số năng lượng phải phóng ra do đốt cháy nhiên liệu, chỉ có 20% được biến thành điện năng. Vả lại, người ta tính ra về mặt lí thuyết, hiệu suất của phát điện bằng nhiệt năng cao đến 40% là đã tới giới hạn cuối cùng rồi. Còn phát điện từ thuỷ động có thể dùng khí thải phun ra từ trong đường ống của phương pháp phát điện này để chạy một máy phát điện tuabin khác, hình thành một tổ hợp phát điện. Hiệu suất của loại này có thể đạt tới 50%. Nếu giải quyết tốt một số vấn đề về kĩ thuật thì hiệu quả phát điện còn có hi vọng được nâng cao thêm một bước, tới trên 60%.

Một ưu điểm khác của cách phát điện này là ít sinh ra ô nhiễm môi trường. Trong khí thải sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu trong nhà máy nhiệt điện có chứa một lượng lớn lưu huỳnh đioxit. Đó là một nguyên nhân quan trọng gây nên ô nhiễm không khí. Lợi dụng sự phát điện từ thuỷ động chẳng những làm cho nhiên liệu cháy đầy đủ hơn ở nhiệt độ cao, một số nguyên liệu phụ gia mà nó sử dụng còn có thể hoá hợp với lưu huỳnh, sinh ra kali sunfat và được thu hồi sử dụng. Điều đó tránh cho việc thải trực tiếp lưu huỳnh vào trong không khí, gây ra ô nhiễm môi trường.

Khi dùng cách phát điện từ thuỷ động, chỉ cần gia tăng tốc độ phun của chất lưu mang điện, gia tăng cường độ từ trường, là có thể nâng cao công suất của máy phát điện. Người ta sử dụng nhiên liệu năng lượng cao, lại phối hợp thêm bộ phận khởi động tốc độ cao thì có thể đưa công suất máy phát điện lên tới 10 triệu kW, đủ để thoả mãn trường hợp cần đến điện lực công suất lớn. Hiện nay, Trung Quốc, Mĩ, Ấn Độ, Ôxtrâylia và Cộng đồng các quốc gia Châu Âu v.v. đều đang tích cực nghiên cứu về mặt này.

Từ khoá: Phát điện từ thuỷ động;Plasma; Công suất phát điện.

110. Vì sao cá chình điện có thể sinh ra điện?

Cá trình điện thực ra không phải cá chình, mà là một loại cá thuộc bộ cá chép. Nó sinh sống ở dải sông Orinoco và sông Amazôn Nam Mĩ. Vì thân mình nó dài dài rất giống với cá chình, dựa vào phóng điện để bắt mồi và tự vệ, nên người ta gọi nó là cá chình điện.

Cá chình điện sinh ra điện như thế nào nhỉ? Điều đó có liên quan với kết cấu của thân thể nó. Nói chung có tới bốn phần năm chiều dài của thân thể nó là do các tế bào sinh điện tổ hợp thành. Những tế bào đầu mút dây thần kinh này xếp chặt vào nhau, một tế bào tương đương với một viên pin nho nhỏ. Thông thường một tế bào dài khoảng 0,1 mm, có thể sinh ra điện áp 0,14 vôn. Rất nhiều tế bào như vậy xếp chồng vào nhau như kiểu nhiều viên pin ghép nối tiếp nhau, có thể thu được điện áp rất cao. Cũng giống như chiếc rađiô bán dẫn mà bạn dùng cần có nguồn điện 3 vôn, bạn có thể lấy hai cục pin 1,5 vôn đấu nối tiếp thì sẽ có được một điện áp 3 vôn.

Trong thân thể của một con cá chình điện nhỏ, 1 cm độ dài có thể có 230 tế bào đầu mút dây thần kinh có thể sinh ra điện, cũng tức là có thể sinh ra điện áp 32 vôn. Cá chình điện lớn, số lượng tế bào trong 1 cm độ dài của thân mình ít hơn một chút, song thể tích của tế bào lại lớn hơn một ít, thân mình nó cũng dài hơn. Những tế bào này tập trung ở phần đuôi của cá chình.

Khi cá chình điện phát hiện con mồi hoặc gặp nguy hiểm, nó liền phóng ra dòng điện mạnh, điện áp có thể cao tới 400 - 600 vôn. Phóng điện vừa có thể giết chết hoặc làm choáng váng ếch, cá con v.v., giúp cho cá chình điện bắt được mồi, lại vừa có thể trong cơn nguy cấp, đánh trúng kẻ thù, giúp cho cá chình điện tự vệ. Ngoài những điều đó ra, phóng điện còn có thể dẫn đường cho cá chình điện, vì sau khi trưởng thành thì hai mắt của nó bị mờ đi.

Ngoài cá chình điện ra, còn có nhiều loại cá có thể sinh ra điện, ví dụ như cá diêu điện, cá vòi voi v.v., tổng cộng tới vài trăm loại! Nguyên lí phóng điện của chúng cũng giống như của cá chình vậy.

Từ khoá: Cá chình điện; Phóng điện.