Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 5) Chương 2 Các định luật điện từ học Vào cuối thế kỉ 18, điện họcđã là mộtthú tiêu khiển phổ biến. Khách khứa sẽ thu gom điệntích bằng thanhthủy tinhvàmảnh lụa. Sau đó, họ sẽ làm sốcngười khác vớinhữngtialửa điện,làm chotóc củahọ dựng đứnglên, và làm nhữngtrò ảo thuật điện khác nữa. Điệnlà một món đồ chơi hấp dẫn. Nhưngnócũnglà một câu đố đối với nhữngnhà khoahọc cố gắngnghiên cứu nó. Lí thuyết phổ biến nhất củađiệnhọc lúc ấy nói rằng điện gồm hai loại chất lỏng. Một chất lỏng có điện tích dương,và một chất lỏng cóđiện tích âm. Có nhiều cách để thu gom những chấtlỏngnày. Thí dụ, cọ xát một thanhthủy tinh với lông thú làmtruyền ra một phần chất lỏng đó, tạo ramột vật tích điện. Chất lỏng kiasẽ hút lấychất lỏngnày. Nhưng không aitừng nhìn thấy chất lỏng điện hay tìmthấy bất kì bằng chứng nào khác rằng chúngthật sự tồn tại. Không có cánhân nhà khoahọc nào chịu trách nhiệm khá phá ramọi nguyên lí mô tả lực điện. JamesClerk Maxwelllà nhà khoa họccuối cùngđã viết rahệ phát triển đầy đủ cho sự hoạtđộng của điệnvà từ. Nhưng cácquy luật toánhọc mà Maxwellcôngbố vàonăm 1864là kết quả của nhiều năm nghiên cứu củanhiều nhà khoahọckhác. Hãy bắt đầucâu chuyện với Benjamin Franklin. Có lẽ bạn đã biếtFranklinlà một chínhkhách, nhàvăn và nhà phátminh vĩ đại người Mĩ. Nhưng ông còn là một người nghiên cứuđiện họctừ rất sớm. Franklin nhận rarằng hiệntượng điện có thể giải thích dễ dàng một loại chất lỏng, thay vì hai loại. Điệntích dương cóthể xem là sự dư thừa lượngchấtlỏngđó. Điện tích âm khi đó sẽ là sự thiếu hụt cũng chất lỏng đó. Lí thuyếtchấtlỏngkhông tồn tại, nhưngquan điểm của Franklin về điện tíchdương vàđiện tích âmlà haimặt của một lực thì tồn tại. Franklin cònnhận ramộtđịnhluật rất quantrọng của điện học: định luật bảo toàn điện tích. Định luậtbảo toàn điệntích phát biểu rằngvới mỗi điện tích âm được tạora,phải có một lượngđiện tích dươngbằng như vậy. Điều đó cónghĩalà tổng điện tích dương vàđiện tích âmtrong vũ trụ phải cânbằng hoàn toàn với nhau. Địnhluậtbảo toàn điện tích khôngcó nghĩa là chúngta không thể có bất kì dòngđiện nào. Nhưng hễ khi nào chúngta làm mất cân bằng lực điện, chúng ta phải tạoracác điện tích dương và điệntích âm vớilượngngangbằngnhau. Thí dụ, bạn có thể tạo ra điện tích bằngcách cọ xátmộtquả bóng đã bơm cănglên trên áo len. Quả bóng sẽ nhận một ít điện tích âm từ áo len. Nhưng cái áo lencũng sẽ nhận một lượngđiện tích dương ngangbằng như vậy. Sauđó,quả bóng sẽ dínhvào tường dosự chênh lệchđiện tích giữatường và quả bóng. Điều tươngtự xảy ra khichúngta lê chân trên thảm trải nhà vào một ngày khôhanh. Khi chúngta đi trên thảm, cơ thể chúng ta nhậnmộtlượngđiện tích nhỏ. Một lượngđiện tích bằng như vậy nhưngtrái dấu tạo nên bên trong tấm thảm. Khi bạn chạm tay vào númcửa hayvật kimloại nào khác, các điện tíchtriệttiêu với một tia lửa điện nhỏ.Nếu bạn làmnhư thế trongphòngtối, bạn sẽ có thể thấy tia lửa điệnmột cách rõràng. Điều quantrọng nên nhớ là hễ khi nàochúng ta cấpcho một vật một điện tích âm, thì đồng thời chúng ta cũngcho một vật khác mộtđiện tích dương.Cái áo len nhận điệntích dương ngangbằng với quả bóng nhận điện tíchâm. Mỗi vật nhậnmộtđiện tích, vàcác điện tích cân bằngvới nhau. Đó là địnhluật bảo toàn điện tích. Khámpháđiện họctiếp theodo nhà khoa học người PhápCharles-Augustin de Coulomb thực hiệnvào năm 1789. Coulomb biết rằng các điện tích trái dấu thì hút nhauvà các điện tích cùng dấuthì đẩy nhau. Ôngmuốnđo độ lớn của lực hút đó. Để đo lực điện, Coulomtreo mộtthanhngang bêndưới một sợi dây mỏng (Xemhìnhbêndưới).Tại mỗiđầu thanh là mộtquả cầu tíchđiệnlàm bằngkim loại. Sau đó, ông tích điện trái dấu cho haiquả cầu khác đặtgần đó. Ôngbiết chính xác mỗiquả cầu cóbao nhiêu điệntích. Bằng cách đo lượng xoắn trên sợi dây, ông có thể tính ra lựchútgiữanhững quả cầu. Các kết quả của Coulom thật bất ngờ và thú vị. Ông khám phára lựcđiện tỉ lệ thuận với lượng điện tích ở hai vậtvàtỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của chúng. Trướckhi chúngta tiếptục, điều quantrọng là nên hiểu tỉ lệ thuậnvà tỉ lệ nghịch nghĩalà gì.Chúngkhông khóhiểu như tên gọi của chúnggợi lên. Nếu haisố đo là tỉ lệ thuận, thì khimộtsố tăng lên, số kia cũngtăngtheo. Thí dụ, nếu bạn lái xe vớitốc độ 80 km/h,quãngđường bạnđi tỉ lệ thuận với thời gian bạn lái xe. Khi thời gian tănglên,quãng đường đó cũngtăng lên.Bạn lái xe càng lâu thì quãng đườngbạn đi càng xa. Nếu haisố đo là tỉ lệ nghịch, thì khi một số tănglên, số kia giảm đi. Thídụ, nếu bạn đi một hànhtrình dài 160km, thì thời giancủa chuyến đi sẽ tỉ lệ nghịch với tốc độ bạn lái xe. Bạn lái xe càng nhanh,thì thời gian củachuyến đi càng ngắn. Khi tốc độ tănglên, thời gian giảm đi. Để đo lực điện, Coulomb sử dụng những quả cầu tích điện treo bên dưới một sợi dây mảnh. ĐịnhluậtCoulomb cho chúng ta biết rằng lựcđiện giữa haiđiện tích phụ thuộcvào độ lớncủa hai điện tích đó.Độ chênhlệch điện tích giữa haivậtcànglớn, thì lựchútgiữa chúng càng mạnh.Nó cũng cónghĩa là khihaivật cách xanhau ra, thì lựchútđó giảm đi nhanh.Nếu haivật chuyểnra xagấp đôi,thì lực hút chỉ bằng một phần tư lúc đầu.Nếu chúngchuyển ra xagấpba lần, thì lựchút giảm đi chín lần. Về mặt toánhọc, định luật Coulomb đượcviết như sau: F = K xq(1) q(2)/ r 2 Trongphương trìnhnày,F kí hiệu cho lực hút, q(1) vàq(2) là điệntích của hai vật, và d là khoảng cách giữa hai vật. K là một hằng số, một con số nhỏ cho phép tính rachínhxáclựchútđiện. Coulombcòn làm thí nghiệm với lực từ theo kiểu tương tự. Hóa rađịnhluật hút từ cũnglà một định luật nghịch đảobình phương. Thật là hào hứng khikhám phá những lựckhácnhaunày tuân theonhững địnhluật giống nhau. Nócho thấy các địnhluật của vũ trụ phải khớp vào mộtkhuôn mẫu đơngiản và cótrậttự. Khámpháquantrọng tiếptheo về điệnhọc doHansChristian Ørstedthực hiện vào năm 1820. Ørstedthực hiện khámphácủa ông một cách tìnhcờ. Ôngnối một sợidây với nguồn cấp điện để tạo ramộtdòng điện.Một cái la bàn đặt trên bàn thí nghiệm gần đó. Ørstedđể ý thấykhi dòng điện chạy qua dây thì kim la bàn bị hút về phía nó. Sau nhiều thí nghiệm, Ørsted chắc chắn về khám phá của ông:Một điệntích đang chuyển động tạo ra mộttừ trường.Hễ khi nào có dòng điện chạy trong dây thì nó tạo ra từ trường xungquanh dây. Bạn có thể tự mình làm thí nghiệmØrsted.Tất cả những gì bạn cần là một sợi dây dài bọc cách điện, mộtcái la bàn nhỏ và mộtnguồn cấp điện. Sử dụng pin khô1,5V hoặc pinđèn flash 6V. Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường, như thí nghiệm đơn giản này cho thấy. Bóc một phầnnhỏ chất cách điện ra khỏi mỗi đầu dây. Gắn một đầu dây với một cựccủa cục pin. Bố trí dây dẫn thành vòngvà đặtcái la bàn ở gầnvòng dây. Sắp xếpdây sao chokimla bàn không hướngthẳng về phía dây. Giờ thì chạm đầu dây còn lại với cực kiacủa pin. Quansát xem kimla bàn phản ứngnhư thế nào. Thử làm thí nghiệm với kimla bàn vàvòng dây ở vài vị trí khác nhau. Mỗi lần khôngnên để dây nối vớicả hai cực của pinlâu hơn vài ba giây.Nếu bạnlàm thế, dòngđiện sẽ nhanhchóng lấyhết năng lượngra khỏi pinvàsợidây có thể trở nên nóngđến mức nguy hiểm. Sau năm1820, nghiên cứu điện họcvà từ học diễnra với tốcđộ rất nhanh. Ørstednhận thấy dòngđiện cóthể tác dụng lực đủ làm cho kimla bàn quay.Những dòngđiện mạnh hơn và những namchâm mạnhhơn cóthể kết hợp để làmquay một độngcơ. Khaithác khám phá của Ørsted, namchâm điện đầu tiên và độngcơ điện đầu tiên đã đượcchế tạo ra vào năm 1823. Nhà khoahọc người Anh Michael Faraday đã thựchiện đónggópquantrọng tiếp theo chosự tìm hiểu dòngđiện vànam châm.Faraday là một nhàthực nghiệm cừ khôi. Ôngđã biết từ thí nghiệm của Ørsted rằng một dòng điện đang chạy có thể tạo ra từ trường. Ông tự hỏi liệu cái ngược lại có đúng không? Một namchâm có thể gây ra một dòng điện chạy trongdây dẫn hay không? Câu trả lời củaFaraday hóara là một trong nhữngkhám phá cóích nhất trong lịch sử khoa học. Năm 1831, Faradayđã chế tạo ra một mạch điệnvới một cuộn dây. Trongmạch điện đó là một điện kế, thiết bị dùng để đo những dòng điện nhỏ. Sauđó, Faradayđặtmột cái namchâmbên trong cuộn dây.Ôngphát hiện thấymột dòngđiện sinhra hễ khi nào cái namchâm di chuyển vào hoặc ra khỏi cuộn dây. Khi cái namchâmnằm yên, không códòng điện nào sinh rahết. Từ thí nghiệmnày dẫn đến cái gọi làđịnh luật Faraday: Mộttừ trường đangchuyển động tạo ra một dòngđiện chạy trong dây. Tại sao khám phá của Faradaylại có ích như thế? Faradaynhanh chóng nhận ra rằng việc di chuyểnmộtsợi dây trongmột từ trường mạnh có thể tạo ra một dòngđiện. Cùng nămđó,ông đã chế tạora máy phát điện từ đầu tiên. Máy phát của Faradaycó thể sản sinh ramộtdòngđiện đều đặnkhi cần đến nó. Phát minh của Faradaykhông phụ thuộcvào nhữngnguồncung hóa chất đắttiền, lộnxộn như trường hợp dùngpin. Và nó không baogiờ cạn kiệt năng lượng.Những hậu duệ khổnglồ ngày naycủa máyphát điện đầu tiên củaFaraday sản xuất điện năng dùngchoti vi, tủ lạnh, bóng đènđiện, và nhiều thiết bị điện khác của chúng ta. . Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 5) Chương 2 Các định luật điện từ học Vào cuối thế kỉ 18, điện học ã là mộtthú tiêu khiển phổ biến. Khách khứa sẽ thu gom điệntích. phá ramọi nguyên lí mô tả lực điện. JamesClerk Maxwelllà nhà khoa họccuối cùngđã viết rahệ phát triển đầy đủ cho sự hoạtđộng của điệnvà từ. Nhưng cácquy luật toánhọc mà Maxwellcôngbố vàonăm 1864là. nhữngnhà khoahọc cố gắngnghiên cứu nó. Lí thuyết phổ biến nhất của iệnhọc lúc ấy nói rằng điện gồm hai loại chất lỏng. Một chất lỏng có điện tích dương ,và một chất lỏng c điện tích âm. Có nhiều cách