Điện rất có ích nhưng cũng rất nguy hiểm nếu dùng sai cách. Mỗi năm có nhiều vụ tai nạn điện thương tâm xảy ra chỉ vì một sợi dây trần, một chiếc cầu chì bị "độ" dây, hay một ổ cắm quá tải.
Vì vậy, hiểu đúng về điện trở của cơ thể và của các vật cách điện giúp ta biết cách tự bảo vệ. Dây dẫn trong nhà, cầu chì, aptomat và hệ thống nối đất chính là những "người bảo vệ" cho mạch điện.
Cầu chì
- Là dây chì có nhiệt độ nóng chảy thấp.
- Tự đứt khi dòng tăng quá định mức.
- Bảo vệ mạch trước khi dây dẫn bị cháy.
Aptomat (cầu dao tự động)
- Ngắt mạch bằng tác dụng của nam châm điện.
- Có thể đóng lại sau khi ngắt.
- Dùng phổ biến trong nhà ở hiện nay.
Ẩn dụ van an toàn
Trong vật lý
Cầu chì / aptomat
Trong đời thường
Van an toàn làm vỡ trước khi nồi hơi nổ
Van an toàn được thiết kế để hỏng trước và bảo vệ hệ thống lớn. Cầu chì cũng vậy: nó đứt trước khi dòng quá lớn làm cháy dây và gây hoả hoạn.
Lưu ý: Van an toàn xả hơi, còn cầu chì đứt hẳn và phải thay mới.
- Chọn dây dẫn có tiết diện phù hợp với cường độ dòng điện định mức của thiết bị.
- Lắp cầu chì hoặc aptomat có dòng định mức phù hợp cho mỗi mạch điện.
- Dùng phích cắm và ổ cắm có tiếp xúc tốt; không dùng dây trần nhiều điểm nối.
- Ngắt nguồn trước khi sửa chữa bất cứ thiết bị điện nào.
Suy nghĩ một chút
Vì sao không nên "độ" dây vào cầu chì (dùng dây đồng nối tắt cầu chì bị đứt)?
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Tăng cường độ dòng điện I gấp đôi. Quan sát nhiệt lượng Q tăng gấp bốn lần (Q = I²Rt).
- 2Điều này giải thích vì sao khi quá tải, dây nóng lên rất nhanh và có thể cháy.
- 3Cầu chì được chế tạo để "cháy trước" dây dẫn ở một giá trị dòng xác định.
Mô phỏng: Định luật Jun–Len-xơ
- Dây dẫn nóng lên (đỏ = nhiệt cao)
- Nhiệt lượng toả ra Q
- Dòng điện I
- Nhiệt lượng Q = I²Rt
- 1.200 J
- Quy đổi calo
- 287 cal
- Điện năng (kWh)
- 0,000333 kWh
- Cường độ dòng điện
- 2 A
Q = I²Rt. Tăng cường độ dòng điện lên gấp đôi thì nhiệt lượng tăng gấp bốn lần. Quan sát dây dẫn chuyển dần sang đỏ khi Q lớn.
An toàn điện trong đời sống
Những hiện tượng dưới đây gắn trực tiếp với các kiến thức về dòng điện, điện trở và tác dụng nhiệt của bài học.
Vì sao không được chạm tay ướt vào ổ điện?
Tay khô có điện trở lớn, hạn chế dòng qua người. Nhưng tay ướt làm điện trở cơ thể giảm mạnh, nên khi chạm vào nguồn 220 V, dòng qua người tăng vọt (I = U/R với R nhỏ) và có thể gây nguy hiểm tính mạng. Đây là lí do mọi hướng dẫn an toàn đều nhấn mạnh "tay khô".
Lý thuyết của bài: I = U/R — điện trở cơ thể nhỏ thì dòng qua người lớn.
Aptomat tự ngắt khi chập điện
Khi xảy ra chập mạch, điện trở mạch giảm mạnh làm dòng tăng vọt. Aptomat phát hiện dòng vượt ngưỡng và tự ngắt. Nhờ vậy dây không kịp nóng chảy gây hoả hoạn. Đây là "người bảo vệ" tự động thay cho cầu chì.
Lý thuyết của bài: Dòng quá lớn là dấu hiệu sự cố; ngắt mạch để bảo vệ.
Dây nối đất (dây ba chấu) trên các thiết bị kim loại
Vỏ kim loại của tủ lạnh, máy giặt được nối đất. Nếu dây pha lỡ chạm vào vỏ, dòng sẽ theo dây nối đất xuống đất (điện trở nhỏ) làm aptomat ngắt ngay, thay vì chờ người chạm vào vỏ và bị điện giật.
Lý thuyết của bài: Nối đất tạo đường dẫn dòng an toàn để ngắt mạch sớm.
Không dùng nhiều thiết bị công suất lớn trên cùng một ổ cắm
Cắm chung nhiều thiết bị làm dòng qua dây tới ổ tăng cao. Theo Q = I²Rt, dây nóng lên rất nhanh và có thể chảy vỏ, gây chập. Vì vậy mỗi ổ cắm chỉ nên dùng cho tổng công suất trong giới hạn cho phép.
Lý thuyết của bài: Quá tải làm dây toả nhiệt mạnh theo Q = I²Rt.
Vì sao nên rút phích cắm khi sửa chữa thiết bị điện?
Ngắt nguồn làm hiệu điện thế trên thiết bị bằng 0, nên không còn dòng điện có thể chạy qua người khi vô tình chạm vào. Đây là nguyên tắc an toàn cơ bản rút ra từ việc hiểu dòng điện chỉ xuất hiện khi có hiệu điện thế.
Lý thuyết của bài: Không có hiệu điện thế thì không có dòng điện chạy qua người.
Vì sao hao phí điện năng lại là P_hp = I²R?
Trực giác:Trên đường dây tải điện, điện trở R của dây luôn tồn tại, nên khi dòng I chạy qua, một phần điện năng bị biến thành nhiệt vô ích. Muốn giảm hao phí, phải giảm dòng điện — nhưng vẫn phải truyền đủ công suất.
- 1Công suất cần truyền tải là P = U·I (không đổi theo yêu cầu phụ tải).
- 2Từ P = U·I suy ra I = P/U. Muốn giảm I thì phải tăng hiệu điện thế U truyền tải.
- 3Hao phí toả nhiệt trên dây có điện trở R là công suất nhiệt: P_hp = I²R (theo định luật Jun–Len-xơ, vì P = I²R).
- 4Thay I = P/U vào: P_hp = (P/U)²·R = P²R/U². Như vậy hao phí tỉ lệ nghịch với BÌNH PHƯƠNG hiệu điện thế.
- 5Vì vậy chỉ cần tăng U lên 10 lần thì hao phí giảm 100 lần — đó là lí do dùng đường dây cao thế.
Ý nghĩa: P_hp = I²R (hay P²R/U²) giải thích vì sao truyền tải điện phải dùng hiệu điện thế rất cao: tăng U giúp giảm dòng và giảm hao phí theo bình phương. Đây là nguyên lí cốt lõi của hệ thống điện quốc gia.