Ánh sáng, Điện và Từ học
(Phần 5)
Chương 2
Cácđịnh luậtđiện từhọc
Vào cuối thếkỉ18,điện họcđãlà một thú tiêu khiển phổbiến. Khách khứa sẽ
thu gomđiện tích bằng thanh thủy tinh và mảnh lụa. Sauđó, họsẽlàm sốc người khác với những tia lửađiện, làm cho tóc của họdựngđứng lên, và làm những trò
ảo thuậtđiện khác nữa.Điện là một mónđồchơi hấp dẫn. Nhưng nó cũng là một câuđố đối với những nhà khoa học cốgắng nghiên cứu nó.
Lí thuyết phổbiến nhất củađiện học lúcấy nói rằngđiện gồm hai loại chất lỏng. Một chất lỏng cóđiện tích dương, và một chất lỏng cóđiện tích âm. Có nhiều cáchđểthu gom những chất lỏng này. Thí dụ, cọxát một thanh thủy tinh với lông thú làm truyền ra một phần chất lỏngđó, tạo ra một vật tíchđiện. Chất lỏng kia sẽ
hút lấy chất lỏng này. Nhưng không ai từng nhìn thấy chất lỏngđiện hay tìm thấy bất kì bằng chứng nào khác rằng chúng thật sựtồn tại.
Không có cá nhân nhà khoa học nào chịu trách nhiệm khá phá ra mọi nguyên lí mô tảlựcđiện. James Clerk Maxwell là nhà khoa học cuối cùngđãviết ra hệphát triểnđầyđủcho sựhoạtđộng củađiện và từ. Nhưng các quy luật toán học mà Maxwell công bốvào năm 1864 là kết quảcủa nhiều năm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học khác.
Hãy bắtđầu câu chuyện với Benjamin Franklin. Có lẽbạnđãbiết Franklin là một chính khách, nhà văn và nhà phát minh vĩ đại người Mĩ. Nhưng ông còn là một người nghiên cứuđiện học từrất sớm. Franklin nhận ra rằng hiện tượngđiện có thểgiải thích dễdàng một loại chất lỏng, thay vì hai loại.Điện tích dương có thể
xem là sựdưthừa lượng chất lỏngđó.Điện tích âm khi đósẽlà sựthiếu hụt cũng chất lỏngđó. Lí thuyết chất lỏng không tồn tại, nhưng quanđiểm của Franklin về điện tích dương và điện tích âm là hai mặt của một lực thì tồn tại.
Franklin còn nhận ra mộtđịnh luật rất quan trọng củađiện học:định luật bảo toàn điện tích.Định luật bảo toànđiện tích phát biểu rằng với mỗiđiện tích âm
được tạo ra, phải có một lượngđiện tích dương bằng nhưvậy.Điềuđócó nghĩa là tổngđiện tích dương và điện tích âm trong vũtrụphải cân bằng hoàn toàn với nhau.
Định luật bảo toànđiện tích không có nghĩa là chúng ta không thểcó bất kì dòngđiện nào. Nhưng hễkhi nào chúng ta làm mất cân bằng lựcđiện, chúng ta phải tạo ra cácđiện tích dương vàđiện tích âm với lượng ngang bằng nhau. Thí dụ, bạn có thểtạo rađiện tích bằng cách cọxát một quảbóngđãbơm căng lên trên áo len. Quảbóng sẽnhận một ítđiện tích âm từáo len. Nhưng cái áo len cũng sẽnhận một lượngđiện tích dương ngang bằng nhưvậy. Sauđó, quảbóng sẽdính vào tường do sựchênh lệchđiện tích giữa tường và quảbóng.
Điều tương tựxảy ra khi chúng ta lê chân trên thảm trải nhà vào một ngày khô hanh. Khi chúng tađi trên thảm, cơthểchúng ta nhận một lượngđiện tích nhỏ. Một lượngđiện tích bằng nhưvậy nhưng trái dấu tạo nên bên trong tấm thảm. Khi bạn chạm tay vào núm cửa hay vật kim loại nào khác, cácđiện tích triệt tiêu với
một tia lửađiện nhỏ. Nếu bạn làm nhưthếtrong phòng tối, bạn sẽcó thểthấy tia lửađiện một cách rõ ràng.
Điều quan trọng nên nhớlà hễkhi nào chúng ta cấp cho một vật mộtđiện tích âm, thìđồng thời chúng ta cũng cho một vật khác mộtđiện tích dương. Cái áo len nhậnđiện tích dương ngang bằng với quảbóng nhậnđiện tích âm. Mỗi vật nhận mộtđiện tích, và cácđiện tích cân bằng với nhau.Đólàđịnh luật bảo toàn
điện tích.
Khám pháđiện học tiếp theo do nhà khoa học người Pháp Charles-Augustin de Coulomb thực hiện vào năm 1789. Coulomb biết rằng cácđiện tích trái dấu thì hút nhau và cácđiện tích cùng dấu thìđẩy nhau. Ông muốnđođộlớn của lực hút
đó.
Để đo lựcđiện, Coulom treo một thanh ngang bên dưới một sợi dây mỏng (Xem hình bên dưới). Tại mỗiđầu thanh là một quảcầu tíchđiện làm bằng kim loại. Sauđó, ông tíchđiện trái dấu cho hai quảcầu khácđặt gầnđó. Ông biết chính xác mỗi quảcầu có bao nhiêuđiện tích. Bằng cáchđo lượng xoắn trên sợi dây, ông có thểtính ra lực hút giữa những quảcầu.
Các kết quảcủa Coulom thật bất ngờvà thú vị. Ông khám phá ra lựcđiện tỉlệ
thuận với lượngđiện tíchởhai vật và tỉlệnghịch với bình phương khoảng cách của chúng.
Trước khi chúng ta tiếp tục,điều quan trọng là nên hiểu tỉlệthuận và tỉlệ
nghịch nghĩa là gì. Chúng không khó hiểu nhưtên gọi của chúng gợi lên.
Nếu hai số đo là tỉlệthuận, thì khi một sốtăng lên, sốkia cũng tăng theo. Thí dụ, nếu bạn lái xe với tốcđộ80 km/h, quãngđường bạnđi tỉlệthuận với thời gian bạn lái xe. Khi thời gian tăng lên, quãngđườngđócũng tăng lên. Bạn lái xe càng lâu thì quãngđường bạnđi càng xa.
Nếu hai số đo là tỉlệnghịch, thì khi một sốtăng lên, sốkia giảmđi. Thí dụ, nếu bạnđi một hành trình dài 160km, thì thời gian của chuyếnđi sẽtỉlệnghịch với
tốcđộbạn lái xe. Bạn lái xe càng nhanh, thì thời gian của chuyếnđi càng ngắn. Khi tốcđộtăng lên, thời gian giảmđi.
Để đo lựcđiện, Coulomb sửdụng những quảcầu tíchđiện treo bên dưới một sợi dây mảnh.
Định luật Coulomb cho chúng ta biết rằng lựcđiện giữa haiđiện tích phụ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
thuộc vàođộlớn của hai điện tíchđó.Độchênh lệchđiện tích giữa hai vật càng lớn, thì lực hút giữa chúng càng mạnh. Nó cũng có nghĩa là khi hai vật cách xa nhau ra, thì lực hútđógiảmđi nhanh. Nếu hai vật chuyển ra xa gấpđôi, thì lực hút chỉbằng một phần tưlúcđầu. Nếu chúng chuyển ra xa gấp ba lần, thì lực hút giảmđi chín lần.
Vềmặt toán học,định luật Coulombđược viết nhưsau: F = K x q(1) q(2) / r2
Trong phương trình này, F kí hiệu cho lực hút, q(1) và q(2) làđiện tích của hai vật, và d là khoảng cách giữa hai vật. K là một hằng số, một con sốnhỏcho phép tính ra chính xác lực hútđiện.
Coulomb còn làm thí nghiệm với lực từtheo kiểu tương tự. Hóa rađịnh luật hút từcũng là mộtđịnh luật nghịchđảo bình phương. Thật là hào hứng khi khám phá những lực khác nhau này tuân theo nhữngđịnh luật giống nhau. Nó cho thấy cácđịnh luật của vũtrụphải khớp vào một khuôn mẫuđơn giản và có trật tự.
Khám phá quan trọng tiếp theo về điện học do Hans Christian Ørsted thực hiện vào năm 1820. Ørsted thực hiện khám phá của ông một cách tình cờ. Ông nối một sợi dây với nguồn cấpđiệnđểtạo ra một dòngđiện. Một cái la bànđặt trên bàn thí nghiệm gầnđó. Ørstedđểý thấy khi dòngđiện chạy qua dây thì kim la bàn bịhút vềphía nó.
Sau nhiều thí nghiệm, Ørsted chắc chắn vềkhám phá của ông: Mộtđiện tích
đang chuyểnđộng tạo ra một từtrường. Hễkhi nào có dòngđiện chạy trong dây thì nó tạo ra từtrường xung quanh dây.
Bạn có thểtựmình làm thí nghiệm Ørsted. Tất cảnhững gì bạn cần là một sợi dây dài bọc cáchđiện, một cái la bàn nhỏvà một nguồn cấpđiện. Sửdụng pin khô 1,5V hoặc pinđèn flash 6V.
Dòngđiện chạy qua dây dẫn tạo ra từtrường, nhưthí nghiệmđơn giản này cho thấy.
Bóc một phần nhỏchất cáchđiện ra khỏi mỗiđầu dây. Gắn mộtđầu dây với một cực của cục pin. Bốtrí dây dẫn thành vòng vàđặt cái la bànởgần vòng dây. Sắp xếp dây sao cho kim la bàn không hướng thẳng vềphía dây. Giờthì chạmđầu dây còn lại với cực kia của pin. Quan sát xem kim la bàn phảnứng nhưthếnào. Thửlàm thí nghiệm với kim la bàn và vòng dâyởvài vịtrí khác nhau. Mỗi lần không nênđểdây nối với cảhai cực của pin lâu hơn vài ba giây. Nếu bạn làm thế, dòngđiện sẽnhanh chóng lấy hết năng lượng ra khỏi pin và sợi dây có thểtrởnên nóngđến mức nguy hiểm.
Sau năm 1820, nghiên cứuđiện học và từhọc diễn ra với tốcđộrất nhanh. Ørsted nhận thấy dòngđiện có thểtác dụng lựcđủlàm cho kim la bàn quay. Những dòngđiện mạnh hơn và những nam châm mạnh hơn có thểkết hợpđểlàm quay mộtđộng cơ. Khai thác khám phá của Ørsted, nam châmđiệnđầu tiên vàđộng cơ điệnđầu tiênđã được chếtạo ra vào năm 1823.
Nhà khoa học người Anh Michael Faradayđãthực hiệnđóng góp quan trọng tiếp theo cho sựtìm hiểu dòngđiện và nam châm. Faraday là một nhà thực nghiệm cừkhôi. Ôngđãbiết từthí nghiệm của Ørsted rằng một dòngđiệnđang chạy có thể
tạo ra từtrường. Ông tựhỏi liệu cái ngược lại cóđúng không? Một nam châm có thểgây ra một dòngđiện chạy trong dây dẫn hay không?
Câu trảlời của Faraday hóa ra là một trong những khám phá có ích nhất trong lịch sửkhoa học. Năm 1831, Faradayđãchếtạo ra một mạchđiện với một cuộn dây. Trong mạchđiệnđólà mộtđiện kế, thiết bịdùngđể đo những dòngđiện nhỏ. Sauđó, Faradayđặt một cái nam châm bên trong cuộn dây. Ông phát hiện thấy một dòngđiện sinh ra hễkhi nào cái nam châm di chuyển vào hoặc ra khỏi cuộn dây. Khi cái nam châm nằm yên, không có dòngđiện nào sinh ra hết. Từthí nghiệm này dẫnđến cái gọi là định luật Faraday: Một từtrườngđang chuyểnđộng tạo ra một dòngđiện chạy trong dây.
Tại sao khám phá của Faraday lại có ích nhưthế? Faraday nhanh chóng nhận ra rằng việc di chuyển một sợi dây trong một từtrường mạnh có thểtạo ra một dòngđiện. Cùng năm đó, ôngđãchế tạo ra máy phátđiện từ đầu tiên. Máy phát của Faraday có thểsản sinh ra một dòngđiệnđềuđặn khi cầnđến nó. Phát minh của Faraday không phụthuộc vào những nguồn cung hóa chấtđắt tiền, lộn xộn như
trường hợp dùng pin. Và nó không bao giờcạn kiệt năng lượng. Những hậu duệ
khổng lồngày nay của máy phátđiệnđầu tiên của Faraday sản xuấtđiện năng dùng cho ti vi, tủlạnh, bóngđènđiện, và nhiều thiết bị điện khác của chúng ta.
Sóng: Các nguyên lí củaÁnh sáng, Điện và Từ học