Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 5) potx

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.