Bài giảng Điện học (Phần 19) 3.5 Tính dẫn điện của vật chất Địnhluật Ohm có một tính chất đángchú ý, đó là dòng điện sẽ chạy đáp lại sự chênhlệch điện thế cógiátrị nhỏ tới mức mà chúngta còn có thể cẩn thận tạo ra được. Tương tự như việc đẩy một cáisọt trênnền nhà, ví dụ như một con bọ đẩy trượtcái sọttrên nềnnhà, mặc dù ở tốc độ rất chậm.Con bọ khôngthể làm đươc việc này vì lực ma sát tĩnh,chúng ta nghĩ đó là một hiệu ứngphátsinh từ khuynh hướngcủa những chỗ lồi và lõmvi mô trên cái sọt và nền nhà khóa lại vớinhau. Thựctế thì định luật Ohm áp dụng chohầu hếtchất rắncó một cách giải thích thú vị: ítnhất thì cũngcó một số electronkhôngbị “khóa chân” hoàn toàn trong bấtkì nguyêntử đặc biệt nào. Tổngquát hơn, chúngta có thể hỏi có bao nhiêuđiện tích thật sự chạy trong những chất rắn, chất lỏng,và chất khí khác nhau.Câu hỏi này sẽ đưa chúngtatới chỗ giải thích nhiều hiệntượng thú vị, như tia sét, lớp vỏ xanh xanhgắn trên các cực của bìnhxe hơi, và nhu cầu điện phân trong thức uống thể thao. Chất rắn Theo thuật ngữ nguyêntử, đặctrưng xác địnhcủa chấtrắn là các nguyên tử của nóliênkết chặt chẽ với nhau, vàhạt nhânkhông thể chuyển độngquá xavị trí cân bằng của chúng. Như vậy, các electron, chứ không phảiion, là hạt mangđiện khi dòng điện chạy trong chất rắn. Sự thật này đã đượcTolmanvà Stewartxác minh bằng thựcnghiệm, trong một thí nghiệm trongđó họ xoay tròn mộtcuộn dây lớn rồi bất ngờ làm nó dừng lại. Họ thấy dòng điện trong dây ngay tức thì saukhi cuộn dây dừng lại, cho thấy cáchạt mang điện khôngphải bị khóa cố địnhvào một nguyêntử đặc biệt nàotiếp tục chuyểndời vìquán tính riêng của chúng, ngaycả sau khi vật chấtcủa dây nói chung đã dừng lại. Hướngcủa dòng điện chothấy các hạt mang điện âm đangtiếp tụcchuyển dời. Tuynhiên, dòng điện chỉ tồn tại trong một khoảnh khắc; vì khi các hạt mangđiện âm tập trungở đầu cuối dòng của dây, thì những hạt khác bị ngăn gia nhập vào đó vì lực đẩy điện của chúng,cũng như lực hút từ phía đầu ngược dòng, nơi còn lại điện tíchtoàn phần dương. Tolmanvà Stewart còn xácđịnh được cả tỉ số khối lượng trên điện tích của các hạt đó. Chúng ta không cầnđi vào phân tích chi tiết ở đây, nhưng các hạtcókhối lượnglớn sẽ khó giảm tốc, dẫn tới xungđiện mạnh hơn và lâu hơn, còn cáchạt cóđiện tích lớn sẽ chịu lựcđiện mạnh hơn làm hãm chúnglại, gâyra xungđiện yếu hơn và ngắn hơn. Như thế, tỉ số khối lượng trênđiện tíchxác định được phù hợpvới tỉ số m/qcủa electrontrongphạm viđộ chính xáccủa thí nghiệmđó, về cơ bản đã xác minh các hạt đó là electron. Thựctế chỉ có các electron mangđiện trong chất rắn, chứ không phải ion,có nhiều ứng dụng quan trọng. Mộtví dụ là nó giải thích tạisao các dây khôngbị cọ sờn hay hóa thành bụi saukhi dẫn điện một thời gian dài.Các electronrất nhỏ (có thể xemnhư chất điểm), vàthật dễ hình dungchúng truyềnqua giữacác khehở giữacác nguyên tử mà không tạo rachỗ trống hay khe nứt trong cấu trúcnguyên tử. Với những người cóchút kiến thức hóa học, nó cũng giải thích được tại saomọi chất dẫn điệntốt nhấtđều nằm bên trái củabảng tuần hoàn hóa học. Những nguyêntố trong vùng đó chỉ liên kết rấtlỏng lẻo với những electron lớpngoàicùng của chúng. Chất khí Các phân tử trong chất khí trảiqua đasố thời gianở cách nhau những khoảng cách lớn, nên chúng khôngthể dẫn điện theo cách như chất rắn, bằng cách chuyển dời electron từ nguyên tử này sangnguyên tử khác. Do đó,khôngcó gì phải ngạc nhiên trước việc chấtkhí là mộtchấtcách điện tốt. Chất khí cũng thườngphi ohmtính. Khi các điện tích trái dấu thiết lập trên một đám mâygiông và mặt đấtbên dưới, sự chênh lệch điện thế càng lúccàng lớn dần. Tuynhiên, không hề có dòngđiệnnào chạy mãi cho đến khi hiệu điện thế đạt tới mộtgiá trị ngưỡngnào đó và chúng ta cómột ví dụ ấntượng về cái đượcgọi là tia lửađiện haysự phóng điện. Nếu không khítuân theođịnhluật Ohm,thì dòng điện giữa đám mây và mặt đất sẽ tăng một cách đều đặn đơn giản khihiệu điện thế tăng lên, chứ không bằngkhông cho đếnkhihiệu điệnthế đạt tới giátrị ngưỡng. Hành vi này có thể giải thích như sau.Tại một số chỗ, lựcđiệntác dụng lên các electronvà hạt nhân của các phân tử không khí trở nên mạnh đến mức các electronbị bứt ra khỏi một số phân tử.Khi đó, các electron gia tốc về phía đám mây hoặc mặt đất, tùythuộc phía nào tích điện dương, và các ion dương giatốc về phía ngược lại. Khi những hạt mangđiệnnày giatốc, chúng va chạm và làm ionhóa các phân tử khác, tạo nên đợt thác hạtphát triển nhanh chóng. Chất lỏng Các phân tử chất lỏng có thể trượt qua nhau, nêncácion cũng như electron đều có thể mang dòng điện. Nước tinh khiết là một chất dẫn điện kém vì các phân tử nước có xu hướng giữ chặt các electron củachúng, và do đó không có nhiều electronhayion sẵn có để chuyển dời. Tuynhiên,nước có thể trở thành mộtchất dẫn điện khá tốt, nếu chúnghòa tan thêm một lượng nhỏ những chất nhất địnhgọi là chất điện phân, chúng thườnglà muối. Ví dụ, nếu chúngta thêm muối ăn, NaCl, vào nước, các phân tử NaCl sẽ phân lithành các ion Na + và Cl - , khi đó chúng có thể chuyển dời vàtạo ra dòng điện.Đây lànguyên nhân vì saodòng điện có thể chạy giữacác tế bào trongcơ thể bạn: thể lỏng của tế bào có hòa tanmột ít muối.Khi chúng ta đổ mồ hôi, chúng ta khôngchỉ mất nước mà còn mấtchất điện phân, nên sự khử nướcđóng vai trò hủy hoại hệ thống điện tế bào của chúng ta. Đây là lído cho sự có mặt của chất khoángtrong thức uống thể thao và nướccấp thêmchotrẻ em bị tiêu chảy. Vì dòng điện trongchất lỏng toànbộ là các ion, nên không có gìngạc nhiên khi chúng ta nhìn thấy bằng chứngvậtchất khinó xảy ra. Ví dụ,sau khi dùng bình xe hơi một thời gian, axitH 2 SO 4 trong bình trở nên cạn kiệt các ion hydrogen, chúng làhạtmang điện chủ yếu khép kín dòngđiện bêntrongbình. Khi đó, phần SO 4 thừa lại hình thành nên một lớp bụimàu xanh nhìn thấy đượctrêncác cực của bình. Tốc độ của dòng điện và tín hiệu điện Khi tôi nói chuyện điện thoại vớimẹ vợ của mình ở cách đây haingàn dặm, tôi khôngđể ý thấy sự trì hoãn nào trong khicáctín hiệu truyền tới lui trong hành trìnhdài của nó. Do đó,các tínhiệu điện phải truyền rấtnhanh,nhưng chính xáclà nhanhcỡ nào ? Câu trả lời khá tinh vi. Để chắc chắn, chúng ta hãy tự giới hạn chỉ xét dòng điện trong kim loại, chúng bao gồm các electron. Bản thân các electron có lẽ chỉ di chuyển ở tốc độ vài ngàn dặm một giờ,và chuyển động của chúng làchuyển độngnhiệt chủ yếu làngẫunhiên. Như vậy, các electrontrongchiếc điện thoại của tôikhông thể chạy tới chạy lui giữaCalifornia và NewYorkđủ nhanhđể mangcáctín hiệuđiện. Chodù chuyển động ngàn-dặm- một-giờ củachúng là chuyểnđộng cótổ chức chứ không phải ngẫu nhiên, nhưng chúng vẫn phải mất nhiều phút để đi về. Trên thực tế, trungbình còn mất nhiều thời gian hơn nữa cho electron thực hiện cuộc hànhtrình. Dòng điện trongdây chỉ gồm một sự trôi giạt chungchậm chạp, ở tốc độ vào bậc vài centimét một giây, hòa cùng với chuyểnđộngnhiệt ngẫu nhiên nhanh hơn. Chúng ta có thể so sánh tốc độ này với sự di cư từ từ sang phía tâycủa dân số nước Mĩ. Nếu chúng ta quayphim về sự chuyển dời của toàn bộ dân cư nước Mĩ từ không gian bên ngoài,và có thể chiếunó ở tốc độ cao sao cho người ta có vẻ đi lại hối hả như những con kiến, chúng ta nghĩ chuyển động đó là khá ngẫu nhiên, và trong tứcthời chúng ta không chú ý tới sự chuyển dịch sangphía tây. Chỉ sau nhiều nămchúng ta mớinhận rasố dân tràn sangmiền tây đã vượt quá số ngườiđi sang phía đông,nên dân cư ở Californiađã tăng lên. Vậy tại sao tín hiệu điện lại truyềnnhanhnhư thế nếu như tốc độ trôi giạt trung bìnhlà quáchậm ? Câu trả lời là một sự nhiễu loạntronghệ thống điện truyền đi nhanhhơn rất nhiềuso với chính cácđiện tích. Để hình dung, bạn hãy cho những quả bónggolf vào đầytrong một cái ống vàsau đó chèn thêm một quả nữa ở đầu phía bên này, khiến cho mộtquả rơi ra ở đầubên kia. Lựctruyền đến đầu kiachỉ trong một phần của giây,nhưng trong khoảng thời gianđó các quả bóng chỉ đi đượcvàicentimét. Vì thực tế sự dẫn điện quá phức tạp nênchúng ta thường mô tả hiện tượng bằngnhững biểu tượng khôngchínhxác về mặt kĩ thuật. Điều này cònphù hợp chừng nào chúngta cònbiết chúng chỉ là nhữngbiểu tượng.Ví dụ, giả sử tổng thống Pháp và tổng thống Nga bắt tay nhau,và vị chính khách nướcPháp tìnhcờ bắt được một điện tích dương, điện tích đó làm sốcvị chính kháchngười Nga kia. Chúng tacó thể nói rằngcác hạt tích điện dươngcó thừatrongcơ thể vị người Pháp, chúng đều đẩy lẫn nhau, khiến cái bắt tay là một cơ hội để các điệntích phân bố ra xa nhau.Trên thực tế, phải mất hàng phút các iontrong cơ thể của một người mớicó thể thật sự trôi giạtsâu vào cơ thể một người khác. Cái thật sự xảy ra là trong cơ thể của người nhận cú sốc đã có sẵn những iondươngvà âm khác nhau tự do dichuyển. Ngaytrướckhibàn taytích điện của kẻ thủ phạm chạm vào bàn tay đẫm mồ hôi của người nạn nhân,cácđiện tíchtrong cơ thể của người bị sốc bắt đầu đẩy các ion dương và hút các ion âm trong cơ thể người kia.Cảm giác sốc rất nhanhgây rabởi sự phóng độtngộtcủa cácion của nạn nhân qua khoảng cách có lẽ là một micromét, hiệu ứng này xảy rađồng thời trong toàn bộ cơ thể, mặc dù nó diễn ramạnh hơn ở cánh tay vàbàntay, vì chúng ở gần cơ thể người kia hơn. . Bài giảng Điện học (Phần 19) 3.5 Tính dẫn điện của vật chất Địnhluật Ohm có một tính chất đángchú ý, đó là dòng điện sẽ chạy đáp lại sự chênhlệch điện thế cógiátrị nhỏ tới. tốc, dẫn tới xungđiện mạnh hơn và lâu hơn, còn cáchạt c điện tích lớn sẽ chịu lựcđiện mạnh hơn làm hãm chúnglại, gâyra xungđiện yếu hơn và ngắn hơn. Như thế, tỉ số khối lượng trênđiện tíchxác định. chung đã dừng lại. Hướngcủa dòng điện chothấy các hạt mang điện âm đangtiếp tụcchuyển dời. Tuynhiên, dòng điện chỉ tồn tại trong một khoảnh khắc; vì khi các hạt mangđiện âm tập trungở đầu cuối dòng