Bài giảng Điện học (Phần 19)

Benjamin Crowell

3.5 Tính dẫn điện của vật chất

Định luật Ohm có một tính chất đáng chú ý, đó là dòng điện sẽ chạy đáp lại sự chênh lệch điện thế có giá trị nhỏ tới mức mà chúng ta còn có thể cẩn thận tạo ra được. Tương tự như việc đẩy một cái sọt trên nền nhà, ví dụ như một con bọ đẩy trượt cái sọt trên nền nhà, mặc dù ở tốc độ rất chậm. Con bọ không thể làm đươc việc này vì lực ma sát tĩnh, chúng ta nghĩ đó là một hiệu ứng phát sinh từ khuynh hướng của những chỗ lồi và lõm vi mô trên cái sọt và nền nhà khóa lại với nhau. Thực tế thì định luật Ohm áp dụng cho hầu hết chất rắn có một cách giải thích thú vị: ít nhất thì cũng có một số electron không bị “khóa chân” hoàn toàn trong bất kì nguyên tử đặc biệt nào.

Tổng quát hơn, chúng ta có thể hỏi có bao nhiêu điện tích thật sự chạy trong những chất rắn, chất lỏng, và chất khí khác nhau. Câu hỏi này sẽ đưa chúng ta tới chỗ giải thích nhiều hiện tượng thú vị, như tia sét, lớp vỏ xanh xanh gắn trên các cực của bình xe hơi, và nhu cầu điện phân trong thức uống thể thao.

Chất rắn

Theo thuật ngữ nguyên tử, đặc trưng xác định của chất rắn là các nguyên tử của nó liên kết chặt chẽ với nhau, và hạt nhân không thể chuyển động quá xa vị trí cân bằng của chúng. Như vậy, các electron, chứ không phải ion, là hạt mang điện khi dòng điện chạy trong chất rắn. Sự thật này đã được Tolman và Stewart xác minh bằng thực nghiệm, trong một thí nghiệm trong đó họ xoay tròn một cuộn dây lớn rồi bất ngờ làm nó dừng lại. Họ thấy dòng điện trong dây ngay tức thì sau khi cuộn dây dừng lại, cho thấy các hạt mang điện không phải bị khóa cố định vào một nguyên tử đặc biệt nào tiếp tục chuyển dời vì quán tính riêng của chúng, ngay cả sau khi vật chất của dây nói chung đã dừng lại. Hướng của dòng điện cho thấy các hạt mang điện âm đang tiếp tục chuyển dời. Tuy nhiên, dòng điện chỉ tồn tại trong một khoảnh khắc; vì khi các hạt mang điện âm tập trung ở 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 tích toàn phần dương. Tolman và Stewart còn xác định được cả tỉ số khối lượng trên điện tích của các hạt đó. Chúng ta không cần đi vào phân tích chi tiết ở đây, nhưng các hạt có khối lượng lớn sẽ khó giảm tốc, dẫn tới xung điện mạnh hơn và lâu hơn, còn các hạt có điện tích lớn sẽ chịu lực điện mạnh hơn làm hãm chúng lại, gây ra xung điện yếu hơn và ngắn hơn. Như thế, tỉ số khối lượng trên điện tích xác định được phù hợp với tỉ số m/q của electron trong phạm vi độ chính xác của thí nghiệm đó, về cơ bản đã xác minh các hạt đó là electron.

Thực tế chỉ có các electron mang điện trong chất rắn, chứ không phải ion, có nhiều ứng dụng quan trọng. Một ví dụ là nó giải thích tại sao các dây không bị cọ sờn hay hóa thành bụi sau khi dẫn điện một thời gian dài. Các electron rất nhỏ (có thể xem như chất điểm), và thật dễ hình dung chúng truyền qua giữa các khe hở giữa các nguyên tử mà không tạo ra chỗ trống hay khe nứt trong cấu trúc nguyên tử. Với những người có chút kiến thức hóa học, nó cũng giải thích được tại sao mọi chất dẫn điện tốt nhất đều nằm bên trái của bảng tuần hoàn hóa học. Những nguyên tố trong vùng đó chỉ liên kết rất lỏng lẻo với những electron lớp ngoài cùng của chúng.

Chất khí

Các phân tử trong chất khí trải qua đa số thời gian ở cách nhau những khoảng cách lớn, nên chúng không thể dẫn điện theo cách như chất rắn, bằng cách chuyển dời electron từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Do đó, không có gì phải ngạc nhiên trước việc chất khí là một chất cách điện tốt.

Chất khí cũng thường phi ohm tính. Khi các điện tích trái dấu thiết lập trên một đám mây giông và mặt đất bên dưới, sự chênh lệch điện thế càng lúc càng lớn dần. Tuy nhiên, không hề có dòng điện nào chạy mãi cho đến khi hiệu điện thế đạt tới một giá trị ngưỡng nào đó và chúng ta có một ví dụ ấn tượng về cái được gọi là tia lửa điện hay sự phóng điện. Nếu không khí tuân theo định luật Ohm, thì dòng điện giữa đám mây và mặt đất sẽ tăng một cách đều đặn đơn giản khi hiệu điện thế tăng lên, chứ không bằng không cho đến khi hiệu điện thế đạt tới giá trị ngưỡng. Hành vi này có thể giải thích như sau. Tại một số chỗ, lực điện tác dụng lên các electron và hạt nhân của các phân tử không khí trở nên mạnh đến mức các electron bị bứt ra khỏi một số phân tử. Khi đó, các electron gia tốc về phía đám mây hoặc mặt đất, tùy thuộc phía nào tích điện dương, và các ion dương gia tốc về phía ngược lại. Khi những hạt mang điện này gia tốc, chúng va chạm và làm ion hóa các phân tử khác, tạo nên đợt thác hạt phát triển nhanh chóng.

Chất lỏng

Các phân tử chất lỏng có thể trượt qua nhau, nên các ion 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 của chúng, và do đó không có nhiều electron hay ion sẵn có để chuyển dời. Tuy nhiên, nước có thể trở thành một chất dẫn điện khá tốt, nếu chúng hòa tan thêm một lượng nhỏ những chất nhất định gọi là chất điện phân, chúng thường là muối. Ví dụ, nếu chúng ta thêm muối ăn, NaCl, vào nước, các phân tử NaCl sẽ phân li thành các ion Na⁺ và Cl^-, khi đó chúng có thể chuyển dời và tạo ra dòng điện. Đây là nguyên nhân vì sao dòng điện có thể chạy giữa các tế bào trong cơ thể bạn: thể lỏng của tế bào có hòa tan một ít muối. Khi chúng ta đổ mồ hôi, chúng ta không chỉ mất nước mà còn mất chất điện phân, nên sự khử nước đóng vai trò hủy hoại hệ thống điện tế bào của chúng ta. Đây là lí do cho sự có mặt của chất khoáng trong thức uống thể thao và nước cấp thêm cho trẻ em bị tiêu chảy.

Vì dòng điện trong chất lỏng toàn bộ là các ion, nên không có gì ngạc nhiên khi chúng ta nhìn thấy bằng chứng vật chất khi nó xảy ra. Ví dụ, sau khi dùng bình xe hơi một thời gian, axit H₂SO₄ trong bình trở nên cạn kiệt các ion hydrogen, chúng là hạt mang điện chủ yếu khép kín dòng điện bên trong bình. Khi đó, phần SO₄ thừa lại hình thành nên một lớp bụi màu xanh nhìn thấy được trên các cực của bình.

Tốc độ của dòng điện và tín hiệu điện

Khi tôi nói chuyện điện thoại với mẹ vợ của mình ở cách đây hai ngàn dặm, tôi không để ý thấy sự trì hoãn nào trong khi các tín hiệu truyền tới lui trong hành trình dài của nó. Do đó, các tín hiệu điện phải truyền rất nhanh, nhưng chính xác là nhanh cỡ 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 là chuyển động nhiệt chủ yếu là ngẫu nhiên. Như vậy, các electron trong chiếc điện thoại của tôi không thể chạy tới chạy lui giữa California và New York đủ nhanh để mang các tín hiệu điện. Cho dù chuyển động ngàn-dặm-một-giờ của chúng là chuyển động có tổ chức chứ không phải ngẫu nhiên, nhưng chúng vẫn phải mất nhiều phút để đi về. Trên thực tế, trung bình còn mất nhiều thời gian hơn nữa cho electron thực hiện cuộc hành trình. Dòng điện trong dây chỉ gồm một sự trôi giạt chung chậm chạp, ở tốc độ vào bậc vài centimét một giây, hòa cùng với chuyển động nhiệt ngẫu nhiên nhanh hơn. Chúng ta có thể so sánh tốc độ này với sự di cư từ từ sang phía tây của dân số nước Mĩ. Nếu chúng ta quay phim về sự chuyển dời của toàn bộ dân cư nước Mĩ từ không gian bên ngoài, và có thể chiếu nó 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 tức thời chúng ta không chú ý tới sự chuyển dịch sang phía tây. Chỉ sau nhiều năm chúng ta mới nhận ra số dân tràn sang miền tây đã vượt quá số người đi sang phía đông, nên dân cư ở California đã tăng lên.

Vậy tại sao tín hiệu điện lại truyền nhanh như thế nếu như tốc độ trôi giạt trung bình là quá chậm ? Câu trả lời là một sự nhiễu loạn trong hệ thống điện truyền đi nhanh hơn rất nhiều so với chính các điện tích. Để hình dung, bạn hãy cho những quả bóng golf vào đầy trong một cái ống và sau đó chèn thêm một quả nữa ở đầu phía bên này, khiến cho một quả rơi ra ở đầu bên kia. Lực truyền đến đầu kia chỉ trong một phần của giây, nhưng trong khoảng thời gian đó các quả bóng chỉ đi được vài centimét.

Vì thực tế sự dẫn điện quá phức tạp nên chúng ta thường mô tả hiện tượng bằng những biểu tượng không chính xác về mặt kĩ thuật. Điều này còn phù hợp chừng nào chúng ta còn biết chúng chỉ là những biểu tượng. Ví dụ, giả sử tổng thống Pháp và tổng thống Nga bắt tay nhau, và vị chính khách nước Pháp tình cờ bắt được một điện tích dương, điện tích đó làm sốc vị chính khách người Nga kia. Chúng ta có thể nói rằng các hạt tích điện dương có thừa trong cơ thể vị người Pháp, chúng đều đẩy lẫn nhau, khiến cái bắt tay là một cơ hội để các điện tích phân bố ra xa nhau. Trên thực tế, phải mất hàng phút các ion trong cơ thể của một người mới có thể thật sự trôi giạt sâu vào cơ thể một người khác. Cái thật sự xảy ra là trong cơ thể của người nhận cú sốc đã có sẵn những ion dương và âm khác nhau tự do di chuyển. Ngay trước khi bàn tay tích điện của kẻ thủ phạm chạm vào bàn tay đẫm mồ hôi của người nạn nhân, các điện tích trong 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 nhanh gây ra bởi sự phóng đột ngột của các ion của nạn nhân qua khoảng cách có lẽ là một micromét, hiệu ứng này xảy ra đồng thời trong toàn bộ cơ thể, mặc dù nó diễn ra mạnh hơn ở cánh tay và bàn tay, vì chúng ở gần cơ thể người kia hơn.

alt