1.2 Điện tích, điện tính và từ tính
Điện tích
“Điện tích” là thuật ngữ chuyên môn dùng để chỉ cho biết một vật đã được làm nhiễm để tham gia vào tương tác điện. Cần phân biệt với cách sử dụng phổ biến, trong đó thuật ngữ này được sử dụng bừa bải để chỉ bất cứ tính chất điện nào. Chẳng hạn, mặc dù chúng ta nói một cách thông tục là “điện tích” của pin, nhưng bạn có thể dễ dàng xác minh là pin không hề có điện tích nào về ý nghĩa chuyên môn, tức là nó không tác dụng bất cứ lực điện nào lên một miếng băng đã bị làm cho nhiễm điện như đã mô tả ở phần trước.
Hai loại điện tích
Chúng ta có thể dễ dàng thu thập hàng loạt dữ liệu về lực điện giữa các chất khác nhau được làm cho tích điện theo những cách khác nhau. Ví dụ, chúng ta lấy lông mèo nhiễm điện bằng cách cọ xát lên lông thỏ sẽ hút thủy tinh đã chà xát lên lụa. Vậy chúng ta có thể hiểu tất cả những thông tin này như thế nào ? Chúng ta có thể thu được một sự đơn giản hóa rất lớn bằng cách lưu ý rằng thực tế chỉ có hai loại điện tích. Giả sử chúng ta chọn lông mèo cọ xát lên lông thỏ là đại diện của loại A, và thủy tinh cọ lên lụa là đại diện cho loại B. Bây giờ chúng ta sẽ thấy là không có “loại C”. Bất kì vật nào được làm cho nhiễm điện bằng bất cứ phương pháp nào thuộc loại A, hút các vật mà A hút và đẩy các vật mà A đẩy, hoặc là thuộc loại B, có cùng tính chất hút và đẩy như B. Hai loại, A và B, luôn luôn biểu hiện tương tác ngược nhau. Nếu như A biểu hiện lực hút đối với một số vật tích điện, thì B chắc chắn sẽ đẩy nó ra xa, và ngược lại.
Đơn vị coulomb
Mặc dù chỉ có hai loại điện tích, nhưng mỗi loại có thể biểu hiện lượng điện khác nhau. Đơn vị hệ mét của điện tích là coulomb, được định nghĩa như sau:
Một coulomb (C) là lượng điện tích sao cho một lực 9,0. 109 N xuất hiện giữa hai chất điểm có điện tích 1 C nằm cách nhau 1 m.
Kí hiệu cho lượng điện tích là q. Hệ số trong định nghĩa có nguồn gốc lịch sử, và không phải học thuộc lòng chính xác. Định nghĩa phát biểu cho chất điểm, tức là những vật rất nhỏ, vì nếu không thì những phần khác nhau của chúng sẽ cách nhau những khoảng khác nhau.
Mô hình hai loại hạt mang điện
Thí nghiệm cho thấy mọi phương pháp cọ xát hoặc bất kì phương pháp nào khác làm tích điện cho vật đều gồm hai vật, và cả hai cuối cùng đều tích điện. Nếu một vật cần một lượng nhất định của một loại điện tích, thì vật kia sẽ có lượng tương đương loại điện tích kia. Có thể có nhiều cách hiểu khác nhau về điều này, nhưng cách đơn giản nhất là những viên gạch cấu trúc cơ bản của vật chất có hai vị, mỗi vị ứng với một loại điện tích. Việc cọ xát các vật lên nhau làm di chuyển một số hạt này từ vật này sang vật kia. Theo mô hình này, một vật chưa bị làm cho nhiễm điện có thể thật sự có một lượng lớn cả hai loại điện tích, nhưng số lượng của chúng bằng nhau và chúng phân bố đều nhau bên trong vật. Vì loại A đẩy bất cứ thứ gì mà loại B hút, và ngược lại, nên vật sẽ tác dụng một lực tổng hợp bằng không lên bất cứ vật nào khác. Phần còn lại của chương này sẽ làm sáng tỏ mô hình này và bàn xem những hạt bí ẩn này có thể được hiểu như thế nào với ý nghĩa là những phần cấu trúc nội của nguyên tử.
Sử dụng kí hiệu điện tích dương và âm
Vì hai loại điện tích có xu hướng triệt tiêu lực lẫn nhau, nên người ta gán nhãn cho chúng bằng kí hiệu dương và âm, và nói về điện tích toàn phần của một vật. Việc gọi điện tích này là dương, điện tích kia là âm, là hoàn toàn độc đoán. Benjamin Franklin quyết định mô tả loại thứ nhất mà chúng ta gọi là “A” là âm, nhưng thật ra không có vấn đề gì nếu như ai ai cũng đều gọi như vậy. Một vật có điện tích toàn phần bằng không (lượng điện tích thuộc hai loại bằng nhau) được gọi là trung hòa điện.
¤ Hãy bình luận phát biểu sau: “Có hai loại điện tích, hút và đẩy”.
Định luật Coulomb
Một đối tượng lớn của những quan sát thực nghiệm có thể được tóm tắt như sau:
Định luật Coulomb: Cường độ của lực tác dụng giữa hai điện tích điểm cách nhau một khoảng r cho bởi phương trình
trong đó k = 9,0. 109 N.m2/C2. Lực là lực hút nếu như các điện tích khác dấu, là lực đẩy nếu như chúng cùng dấu.
Những kĩ thuật hiện đại tài tình cho phép dạng 1/r2 của định luật Coulomb được kiểm tra đến độ chính xác không thể tin nổi, cho thấy số mũ nằm trong khoảng từ 1,99999999999999998 đến 2,0000000000000002.
Lưu ý là định luật Coulomb rất giống với định luật hấp dẫn của Newton, trong đó độ lớn của lực là Gm1m2/r2, ngoại trừ chỉ có một loại khối lượng, chứ không phải hai, và lực hấp dẫn không bao giờ là lực đẩy. Do sự tương tự gần gũi này giữa hai loại lực, nên chúng ta có thể sử dụng lại rất nhiều hiểu biết của chúng ta về lực hấp dẫn. Chẳng hạn, có một tương đương điện của định lí lớp vỏ: lực điện tác dụng ra bên ngoài bởi một vỏ cầu tích điện đều có độ lớn như thể toàn bộ điện tích tập trung tại tâm của nó, và lực tác dụng vào bên trong là bằng không.
Bảo toàn điện tích
Một lí do còn cơ bản hơn nữa cho việc sử dụng kí hiệu dương và âm cho điện tích là các thí nghiệm cho thấy điện tích được bảo toàn theo định nghĩa này: trong bất kì hệ cô lập nào, tổng lượng điện tích là một hằng số. Đây là lí do vì sao chúng ta thấy việc cọ xát những chất ban đầu không tích điện lên nhau luôn luôn có kết quả là một chất có một lượng nhất định một loại điện tích, còn chất kia cần một lượng tương đương điện tích kia. Bảo toàn điện tích trông có vẻ tự nhiên trong mô hình của chúng ta trong đó vật chất cấu thành từ những hạt dương và âm. Nếu điện tích trên mỗi hạt là một tính chất cố định của loại hạt đó, và nếu chính những hạt đó không thể tự sinh ra hoặc phá hủy, thì bảo toàn điện tích là điều không thể tránh được.
Lực điện với các vật trung hòa
Như chỉ rõ trong hình b, một vật tích điện có thể hút một vật không tích điện. Làm sao điều này có thể xảy ra ? Vấn đề mấu chốt là ở chỗ mặc dù mỗi miếng giấy có tổng điện tích bằng không, nhưng ít nhất nó có một số hạt mang điện bên trong nó có một mức độ tự do chuyển động nào đó. Giả sử miếng băng tích điện dương, c. Các hạt di động trong miếng giấy sẽ phản ứng với lực của miếng băng, làm cho một đầu của miếng giấy trở nên tích điện âm và đầu kia trở nên dương. Lực hút giữa giấy và băng bây giờ mạnh hơn lực đẩy, vì đầu tích điện âm ở gần miếng băng hơn.
¤ Điều gì sẽ xảy ra nếu như miếng băng tích điện âm ?
Lối đi phía trước
Chúng ta bắt đầu làm việc với những hành vi điện phức tạp mà chúng ta chưa bao giờ nhận thấy xuất hiện rành rành ngay trước mắt mình. Không giống như chiếc ròng rọc, cái puli, và mặt phẳng nghiêng của cơ học, các diễn viên trên sân khấu điện và từ học là những hiện tượng không nhìn thấy xa lạ với kinh nghiệm hàng ngày của chúng ta. Vì lí do này nên nửa thứ hai của chương trình vật lí học của bạn khác hoàn toàn, tập trung nhiều hơn vào các thí nghiệm và kĩ thuật. Mặc dù bạn sẽ không bao giờ thật sự nhìn thấy điện tích chuyển động qua một sợi dây, nhưng bạn có thể học cách sử dụng máy đo ampe để đo dòng chuyển động đó.
Sinh viên cũng có xu hướng bị gây ấn tượng từ học kì vật lí đầu tiên của họ rằng nó là môn khoa học chết người. Không phải như thế ! Chúng ta đang lần theo vết tích lịch sử dẫn trực tiếp đến nghiên cứu vật lí mũi nhọn mà bạn đọc thấy trên báo chí. Những thí nghiệm nguyên tử xuất sắc bắt đầu vào khoảng năm 1900, mà chúng ta sẽ nghiên cứu trong chương này, không khác gì mấy với những thí nghiệm của năm 2000 – chỉ có điều nhỏ hơn, đơn giản hơn, và rẻ tiền hơn nhiều.
Lực từ
Nghiên cứu toán học chi tiết của từ học sẽ không xuất hiện mãi cho đến phần cuối của cuốn sách này, nhưng chúng ta cần phát triển một vài khái niệm đơn giản về từ học ngay bây giờ vì lực từ thường được sử dụng trong các thí nghiệm và kĩ thuật mà chúng ta sắp nói tới. Các nam châm thông dụng hàng ngày nói chung có hai loại. Nam châm vĩnh cửu, ví dụ như loại nằm trên tủ lạnh nhà bạn, cấu tạo từ sắt hoặc những chất giống thép có chứa những nguyên tử sắt. (Những chất khác nhất định cũng có từ tính, nhưng sắt rẻ nhất và thông dụng nhất) Loại nam châm kia, ví dụ là loại làm cho loa máy hát của bạn rung động, gồm những cuộn dây có dòng điện chạy trong đó. Cả hai loại nam châm đều có khả năng hút sắt chưa nhiễm từ, chẳng hạn như cánh cửa tủ lạnh.
Một cách xem xét khiến cho những hiện tượng trông có vẻ phức tạp này trở nên dễ hiểu hơn nhiều : đó là lực từ là tương tác giữa các điện tích đang chuyển động, xuất hiện cùng với lực điện. Giả sử một nam châm vĩnh cửu được mang tới gần một nam châm loại cuộn dây. Cuộn dây có các điện tích chuyển động bên trong nó vì chúng ta buộc các điện tích chạy thành dòng. Nam châm vĩnh cửu cũng có các điện tích chuyển động bên trong nó, nhưng trong trường hợp này các điện tích xoáy tròn tự nhiên bên trong sắt. (Cái làm cho một mẫu sắt bị từ hóa khác với một khối gỗ là ở chỗ chuyển động của điện tích bên trong gỗ là ngẫu nhiên chứ không có tổ chức) Các điện tích chuyển động trong cuộn dây nam châm tác dụng một lực lên các điện tích chuyển động trong nam châm vĩnh cửu, và ngược lại.
Cơ sở toán học của từ học phức tạp hơn nhiều so với định luật Coulomb đối với điện học, đó là lí do vì sao chúng ta phải chờ sang chương 6 mới nghiên cứu sâu về chúng. Hai cơ sở đơn giản sẽ được trình bày ngay bây giờ:
(1) Nếu một hạt mang điện chuyển động trong vùng không gian gần một hạt mang điện khác cũng đang chuyển động, thì lực từ tác dụng lên nó tỉ lệ với vận tốc của nó.
(2) Lực từ tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động luôn luôn vuông góc với hướng hạt chuyển động.
Ví dụ 1. La bàn từ
Trái Đất có nhân nóng chảy bên trong, giống như một bình nước sôi, nó khuấy động và nổi sóng. Để đơn giản hóa, điện tích có thể đi theo những chuyển động khuấy tròn, nên Trái Đất chứa những điện tích chuyển động. Kim nam châm của la bàn từ chính là một nam châm vĩnh cửu nhỏ. Điện tích chuyển động bên trong Trái Đất tương tác từ với điện tích chuyển động bên trong kim la bàn, làm cho kim la bàn xoay tròn và chỉ hướng bắc.
Ví dụ 2. Ống phóng điện tử
Hình ảnh trên ti vi được vẽ bằng chùm electron bắn từ phía sau ống phóng ra phía trước. Chùm hạt quét qua toàn bộ mặt ống giống như một người đọc xem lướt qua một trang sách. Lực từ được sử dụng để lái chùm hạt. Khi chùm hạt đi từ phía sau ra phía trước ống, cần có lực theo hướng trên-dưới, trái- phải để lái chúng. Nhưng không thể sử dụng lực từ để làm tăng tốc chùm hạt, vì chúng chỉ có thể đẩy vuông góc với hướng chuyển động của các electron, chứ không cùng chiều với chúng.
Câu hỏi thảo luận
A. Nếu lực hút điện giữa hai chất điểm nằm cách nhau 1m là 9 x 109 N thì tại sao chúng ta không thể suy ra điện tích của chúng là + 1 C và – 1 C ? Chúng ta cần phải có thêm những quan sát gì để chứng minh điều này ?
B. Một miếng băng tích điện sẽ hút dính vào tay bạn. Điều đó có cho phép chúng ta nói rằng các hạt mang đỉện tự do bên trong tay bạn là dương hay âm, hoặc cả hai, hay không ?
Còn tiếp...
