Benjamin Crowell
Chương 3
MẠCH ĐIỆN, PHẦN I
Thưa bà, thế nào là một đứa trẻ ngoan ?
Micheal Faraday, khi trả lời nữ hoàng Victoria về những dụng cụ điện trong phòng thí nghiệm của ông dùng để làm gì.
Cách đây vài năm, vợ tôi và tôi mua một căn nhà có cá tính. Cá tính là một cơ chế sống còn theo xu thế phát triển nhà, nhằm thuyết phục người ta đồng ý trả khoản tiền thế chấp lớn hơn số tiền họ có thể hình dung ra lúc ban đầu. Dẫu sao, một trong những đặc điểm mang lại cá tính cho ngôi nhà của chúng tôi là nó có, xây hẳn vào trong tường nhà, một bộ ba máy chơi pachinko. Những dụng cụ cờ bạc kiểu Nhật Bản này thuộc loại giống như máy chơi pinball thẳng đứng. (Những bài báo hợp pháp chúng tôi mua từ tay những người bán báo vội vã cho chúng tôi biết chúng “chỉ nhằm mục đích tiêu khiển”) Thật không may, chỉ một trong ba máy là hoạt động khi chúng tôi chuyển đến ở, và nó sớm “tiêu tùng” trên tay chúng tôi. Đang thành một kẻ nghiện pachinko, tôi quyết định sửa nó, nhưng nói thì dễ hơn làm. Bên trong nó là cả một cơ chế Rube Goldsberg thực sự gồm các đòn bẩy, móc khóa, lò xo, và đường trượt. Tính tự cao đã ăn sâu trong máu của tôi, cùng với trình độ tiến sĩ vật lí của mình, cho tôi cảm giác nhất định sẽ thành công, và sau cùng nó đã mang lại sự thất bại hoàn toàn làm tôi mất hết tinh thần.
Ngẫm lại thất bại của mình, tôi nhận ra mức độ phức tạp của các dụng cụ cơ giới mà tôi sử dụng từ ngày này sang ngày khác. Ngoài chiếc xe hơi và cái saxophone của tôi, mọi dụng cụ công nghệ trong hệ thống yểm trợ cuộc sống hiện đại của chúng là đồ điện chứ không phải đồ cơ.
3.1 Dòng điện
Thống nhất mọi loại điện
Chúng ta bị vây quanh bởi những thứ mà chúng ta nghe nói là “điện”, nhưng rõ ràng còn lâu chúng mới có chung thứ để xác nhận là chung nhóm với nhau. Có mối quan hệ gì giữa cách thức những mỉếng tất dính vào nhau và cách thức pin thắp sáng bóng đèn ? Chúng ta nghe nói tới cả con cá chình điện và não của mình vì lí do gì đó vốn tự nhiên có tính chất điện, nhưng thật ra chúng có cái gì chung ?
Nhà vật lí học người Anh Micheal Faraday (1791 – 1867) đã bắt tay vào giải quyết vấn đề này. Ông nghiên cứu điện từ nhiều nguồn đa dạng – trong đó có cả cá chình điện! – xem chúng có tạo ra những tác dụng giống nhau không, ví dụ như va chạm và tia lửa điện, lực hút và lực đẩy. Chẳng hạn, “nung nóng” là cách dây tóc bóng đèn đạt tới đủ nóng để rực lên và phát ra ánh sáng. Cảm ứng từ là một hiệu ứng do chính Faraday khám phá liên kết điện học và từ học. Chúng ta sẽ không nghiên cứu hiệu ứng này, nó là cơ sở cho các máy phát điện, chi tiết sẽ được nói tới trong phần sau của cuốn sách này.
a/ Gymnotus carapo, một loài cá điện, sử dụng tín hiệu điện để cảm nhận môi trường và truyền tin với những đồng loại khác của nó.
Bảng trên trình bày tóm tắt một số kết quả của Faraday. Các dấu kiểm cho biết Faraday hay những người đương thời của ông có thể xác nhận một nguồn điện nhất định có khả năng tạo ra những hiệu ứng nhất định. (Họ rõ ràng đã thất bại trong việc chứng minh lực hút và đẩy giữa những vật tích điện bằng cá chình điện, mặc dù những người thợ hiện đại đã nghiên cứu chi tiết các loài này và có thể hiểu được mọi đặc tính điện của chúng tương tự các dạng thức điện khác).
Kết quả của Faraday cho thấy không có sự khác biệt cơ bản nào về các loại điện do những nguồn khác nhau cung cấp. Chúng đều tạo ra những hiệu ứng đa dạng giống hệt nhau. Faraday viết “Kết luận chung phải rút ra từ bộ thu thập thực tế này là điện, cho dù nguồn phát ra nó là gì đi nữa, đều giống nhau về bản chất của nó”.
Nếu các loại điện là cùng một thứ, vậy thì thứ đó là gì ? Câu trả lời được cung cấp bởi thực tế là mọi nguồn điện đều có thể làm cho các vật đẩy hoặc hút lẫn nhau. Chúng ta sử dụng từ “tích điện” để mô tả tính chất của một vật cho phép nó tham gia vào những lực điện như thế, và chúng ta biết rằng điện tích có mặt trong vật chất dưới dạng hạt nhân và electron. Rõ ràng là những hiện tượng điện này rút lại là chuyển động của các hạt tích điện trong vật chất.
Dòng điện
Nếu hiện tượng cơ bản đó là chuyển động của các hạt mang điện, thì làm sao chúng ta có thể vạch ra một số đo bằng số có ích của nó ? Chúng ta có thể mô tả dòng chảy của sông dễ dàng bằng vận tốc của nước, nhưng vận tốc sẽ không thích hợp đối với mục tiêu điện, vì chúng ta phải tính đến bao nhiêu điện tích có trong các hạt mang điện chuyển động, và trong bất kì trường hợp nào cũng không có dụng cụ thực tế bán tại cửa hàng đồ điện có thể cho chúng ta biết vận tốc của các hạt mang điện. Thí nghiệm cho thấy cường độ của những hiệu ứng điện khác nhau tỉ lệ với một đại lượng khác: số coulomb điện tích đi qua một điểm nhất định trong một giây. Tương tự như dòng nước chảy, đại lượng này được gọi là dòng điện, I. Đơn vị coulomb/giây của nó thường được sử dụng ngắn hơn là ampere, 1 A = 1 C/s.
Sự khéo léo chủ yếu có trong định nghĩa này là làm sao đếm hai loại điện tích. Dòng nước chảy ra từ vòi nước cấu thành từ các nguyên tử chứa các hạt tích điện, nhưng nó không tạo ra hiệu ứng nào cho chúng ta liên tưởng tới dòng điện. Chẳng hạn, bạn không bao giờ bị sốc điện khi bạn bị một vòi nước phun vào. Loại thí nghiệm này cho thấy hiệu ứng đó được tạo ra bởi chuyển động của một loại hạt tích điện có thể bị triệt tiêu bởi chuyển động của loại hạt tích điện trái dấu trong cùng hướng đó. Trong nước, mỗi nguyên tử oxygen có điện tích + 8e bị bao quanh bởi 8 electron có điện tích – e, và tương tự như thế đối với nguyên tử hydrogen.
Do đó, chúng ta có thể trau chuốt định nghĩa dòng điện của mình như sau:
định nghĩa dòng điện
Khi các hạt tích điện trao đổi giữa các vùng không gian A và B thì dòng điện chạy từ A sang B là
I = Δq/Δt
trong đó Δq là sự thay đổi điện tích toàn phẩn của vùng B xảy ra trong khoảng thời gian Δt.
Trong ví dụ vòi nước trong vườn cây, cơ thể của bạn bắt được lượng điện tích dương và âm bằng nhau, nên không gây ra sự thay đổi điện tích toàn phần của bạn, cho nên dòng điện chạy qua bạn là bằng không.
Ví dụ 1. Giải thích
Phải hiểu biểu thức Δq/Δt như thế nào khi dòng điện không phải là không đổi ?
Bạn đã thấy nhiều phương trình thuộc dạng này trước đây: Δx/Δt, F = Δp/Δt... Đây đều là sự mô tả tốc độ biến thiên, và chúng đều yêu cầu tốc độ biến thiên không đổi. Nếu tốc độ biến thiên không phải không đổi, thì bạn phải sử dụng độ dốc của đường tiếp tuyến trên đồ thị. Độ dốc của đường tiếp tuyến tương ứng với đạo hàm trong tính toán; ứng dụng của phép tính đó sẽ được nói tới trong phần 3.6.
Ví dụ 2. Ion chuyển động qua màng tế bào
Hình c/ biểu diễn các ion, có ghi tên với điện tích của chúng, chuyển động vào hoặc ra khỏi màng của ba tế bào. Nếu các ion đều đi qua màng tế bào trong cùng khoảng thời gian như nhau, thì dòng điện chạy vào tế bào so sánh với nhau như thế nào ?
Tế bào A có dòng điện dương đi vào nó, vì điện tích của nó tăng lên, tức là có giá trị Δq dương.
Tế bào B có cùng dòng điện như tế bào A, vì việc mất một đơn vị điện tích âm cũng làm tăng điện tích toàn phần của nó lên một đơn vị.
Điện tích toàn phần của tế bào C giảm ba đơn vị, nên có dòng điện âm, lớn đi vào.
Tế bào D mất một đơn vị điện tích nên có có dòng điện âm, nhỏ đi vào.
Có vẻ thật lạ khi nói rằng một hạt tích điện âm chuyển động theo một chiều tạo ra dòng điện chạy theo chiều kia, nhưng chuyện này khá bình thường. Như chúng ta sẽ thấy, dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại thông qua sự chuyển động của các electron, chúng tích điện âm, nên hướng chuyển động của các electron trong mạch điện luôn luôn ngược với hướng của dòng điện. Tất nhiên, sẽ tiện lợi biết bao nhiêu nếu như Benjamin Franklin định nghĩa dấu của điện tích âm và dương theo kiểu ngược lại, vì nhiều dụng cụ điện hoạt động trên cơ sở dây dẫn kim loại.
Ví dụ 3. Số electron chạy qua bóng đèn
Nếu một bóng đèn có dòng điện 1,0A chạy qua, hỏi có bao nhiêu electron đi qua dây tóc trong 1 giây ?
Chúng ta chỉ tính số electron chạy thành dòng, nên chúng ta có thể bỏ qua các dấu dương và âm. Giải phương trình Δq = I Δt cho dòng điện tích 1,0 C trong khoảng thời gian này. Số electron là
số electron = 1,0 C/e = 6,2 x 1018
Còn tiếp...
