Bài giảng Điện học - Phần 2: Điện tích, điện tính và từ tính 1.2 Điện tích, điện tính và từ tính Điện tích “Điệntích” làthuậtngữ chuyên môndùng để chỉ cho biết mộtvật đã được làm nhiễmđể tham gia vào tương tácđiện. Cần phân biệtvới cách sử dụngphổ biến, trong đó thuật ngữ này đượcsử dụngbừa bảiđể chỉ bấtcứ tínhchấtđiện nào. Chẳnghạn, mặc dù chúng ta nói mộtcách thông tục là “điện tích” của pin,nhưng bạn có thể dễ dàng xácminhlà pin không hề có điện tích nào về ý nghĩa chuyên môn, tức lànó khôngtác dụngbấtcứ lực điện nào lên một miếngbăng đã bị làm cho nhiễm điệnnhư đã mô tả ở phần trước. Hai loại điện tích Chúng tacó thể dễ dàng thu thập hàngloạt dữ liệu về lực điện giữa các chất khác nhau được làm cho tích điện theo nhữngcách khác nhau.Ví dụ, chúng talấy lông mèo nhiễm điện bằngcách cọ xát lên lông thỏ sẽ hút thủy tinh đã chà xát lên lụa. Vậy chúngta có thể hiểu tất cả nhữngthông tin này như thế nào ? Chúng ta có thể thu được một sự đơn giản hóa rấtlớn bằng cách lưu ý rằng thựctế chỉ có hai loại điện tích. Giả sử chúng ta chọnlông mèo cọ xát lên lông thỏ là đại diện của loại A, và thủy tinhcọ lên lụa làđại diệncho loại B. Bây giờ chúng ta sẽ thấy là không có “loại C”. Bất kìvậtnào đượclàm chonhiễm điện bằng bấtcứ phương pháp nào thuộcloại A, hút các vật mà A hút và đẩy cácvật mà Ađẩy, hoặclà thuộcloại B, có cùng tính chất hút và đẩy như B. Hai loại,A và B, luôn luôn biểuhiện 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 Mặcdù chỉ có hai loạiđiện tích, nhưng mỗiloại có thể biểu hiện lượng điện khác nhau. Đơn vị hệ mét của điện tích là coulomb, được định nghĩanhư sau: Một coulomb (C) là lượng điện tích sao cho một lực 9,0. 10 9 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 trongđịnh nghĩacó nguồn gốc lịch sử, và khôngphải học thuộc lòng chính xác. Địnhnghĩaphát biểu chochất điểm, tứclà những vật rấtnhỏ,vì nếu không thì những phần khác nhaucủa chúngsẽ cách nhau những khoảng khácnhau. Mô hình hai loại hạt mang điện Thí nghiệmcho thấymọi phươngpháp cọ xát hoặc bất kì phươngpháp nào khác làm tích điện cho vật đều gồmhai vật,và cả hai cuối cùngđều tích điện. Nếu một vật cần một lượng nhất địnhcủa mộtloại điện tích, thì vật kiasẽ có lượng tương đương loại điệntíchkia. Có thể có nhiều cách hiểu khác nhau về điều này, nhưngcáchđơn giảnnhấtlànhữngviêngạchcấutrúccơ bảncủavậtchấtcó haivị, mỗivị ứng vớimột loại điệntích. Việccọ xát các vậtlên nhaulàmdi chuyển một số hạt nàytừ vật này sangvật kia.Theomô hìnhnày, một vật chưa bị làm cho nhiễm điện cóthể thật sự có một lượnglớncả hai loại điện tích, nhưng số lượngcủa chúng bằng nhau và chúng phân bố đều nhaubêntrong vật.Vì loại A đẩy bất cứ thứ gì mà loại B hút,và ngược lại, nên vậtsẽ tác dụng mộtlực tổng hợp bằng khônglên bất cứ vật nào khác. Phầncòn lại củachương này sẽ làm sáng tỏ mô hình này và bàn xemnhững hạt bí ẩn này có thể được hiểu như thế nào với ý nghĩa là những phần cấu trúcnội của nguyên tử. Sử dụng kí hiệu điện tích dương và âm Vì hai loại điệntích cóxu hướng triệttiêu lực lẫn nhau, nên người ta gán nhãncho chúng bằng kí hiệudươngvà âm, và nói về điện tích toàn phần của một vật. Việc gọiđiện tíchnày là dương, điện tích kialà âm, làhoàn toàn độc đoán. BenjaminFranklinquyết địnhmô tả loại thứ nhấtmà chúng ta gọi là “A”là âm, nhưng thật rakhôngcó vấn đề gì nếu như ai ai cũng đều gọi như vậy. Một vật có điện tíchtoànphần bằng không (lượngđiện tíchthuộc hailoại bằng nhau)được gọi là trung hòađiện. ¤ Hãy bìnhluận phátbiểu sau: “Có hailoại điện tích,hút vàđẩy”. Định luật Coulomb Một đối tượnglớn của những quan sát thực nghiệm có thể được tóm tắt như sau: Địnhluật Coulomb: Cườngđộ của lựctác dụnggiữa hai điện tích điểm cách nhau một khoảng rcho bởi phương trình trong đó k = 9,0.10 9 N.m 2 /C 2 . Lực là lực hútnếu như các điện tích khác dấu, là lựcđẩy nếu như chúng cùngdấu. Những kĩ thuật hiện đại tàitình cho phép dạng 1/r 2 của định luật Coulomb được kiểm tra đến độ chính xác không thể tin nổi, chothấy số mũ nằm trong khoảng từ 1,99999999999999998đến2,0000000000000002. Lưu ý là định luật Coulomb rất giống với định luật hấp dẫncủa Newton, trong đó độ lớn của lực làGm 1 m 2 /r 2 , ngoại trừ chỉ có một loại khối lượng,chứ khôngphải hai,và lực hấp dẫn không baogiờ là lực đẩy. Dosự tương tự gần gũi này giữa hailoại lực,nên chúng ta cóthể sử dụng lại rất nhiều hiểu biết củachúng ta về lực hấp dẫn. Chẳng hạn, có một tương đương điện của định lí lớp vỏ: lực điện tác dụngra bênngoài bởi mộtvỏ cầu tích điện đều có độ lớn như thể toàn bộ điện tích tậptrungtại tâm của nó,và lực tác dụng vàobên tronglà bằng không. Bảo toàn điện tích Một lí docòn cơ bản hơn nữa cho việc sử dụng kí hiệu dương và âmchođiện tích là các thí nghiệm cho thấy điện tích đượcbảo toàn theo định nghĩa này: trong bất kì hệ cô lập nào, tổng lượngđiệntích làmột hằngsố. Đây là lído vìsao chúng ta thấy việc cọ xát những chất ban đầu không tíchđiện lên nhau luôn luôn có kết quả là một chất có một lượngnhất định mộtloại điện tích, còn chấtkia cầnmột lượng tươngđương điện tích kia. Bảo toàn điệntích trông có vẻ tự nhiên trong mô hình của chúngta trong đó vật chất cấu thành từ những hạtdương và âm.Nếuđiện tích trên mỗi hạt là một tínhchất cố định của loại hạt đó,và nếu chínhnhững hạt đó khôngthể tự sinh ra hoặcphá hủy, thì bảo toàn điện tích là điều khôngthể tránh được. Lực điện với các vật trung hòa Như chỉ rõ tronghình b, một vật tích điện cóthể hút một vậtkhông tích điện. Làm sao điều này có thể xảy ra? Vấnđề mấu chốt làở chỗ mặc dù mỗi miếng giấy có tổng điện tích bằng không,nhưng ít nhất nó có mộtsố hạt mang điệnbên trong nó có mộtmức độ tự do chuyển độngnào đó. Giả sử miếng băng tích điện dương, c. Các hạtdi độngtrong miếnggiấy sẽ phản ứng với lựccủa miếng băng, làm chomột đầu của miếnggiấy trở nên tích điện âm và đầu kia trở nên dương.Lực hút giữa giấy vàbăng bây giờ mạnh hơnlực đẩy,vì đầu tích điện âm ở gần miếngbănghơn. ¤ Điều gì sẽ xảy ra nếu như miếng băngtích điện âm? Lối đi phía trước Chúng tabắt đầulàm việc vớinhững hànhvi điệnphức tạp mà chúng ta chưa baogiờ nhận thấy xuất hiệnrành rành ngay trước mắt mình.Không giống như chiếc ròng rọc, cái puli,và mặt phẳng nghiêngcủa cơ học, các diễnviên trên sân khấu điệnvà từ học là nhữnghiện tượngkhôngnhìn thấy xa lạ với kinh nghiệmhàng ngày củachúng ta. Vìlí do này nên nửa thứ hai củachương trìnhvật lí họccủa bạnkháchoàn toàn, tậptrung nhiều hơn vào các thí nghiệm vàkĩ thuật. Mặcdù bạn sẽ không bao giờ thật sự nhìn thấy điệntíchchuyển động quamột sợi dây, nhưng bạn có thể học cách sử dụng máy đo ampeđể đo dòng chuyểnđộng đó. Sinh viên cũng có xu hướngbị gây ấn tượng từ học kì vật lí đầu tiên của họ rằng nó là môn khoa học chếtngười. Khôngphải như thế ! Chúng ta đang lần theo vết tíchlịch sử dẫn trực tiếp đến nghiên cứuvật lí mũi nhọn mà bạn đọcthấy trên báo chí.Nhữngthí nghiệm nguyên tử xuất sắc bắtđầu vào khoảngnăm 1900, mà chúng ta sẽ nghiên cứutrong chươngnày, không khác gì mấy vớinhững thí nghiệmcủa năm 2000 – chỉ có điều nhỏ hơn, đơn giản hơn, vàrẻ tiền hơnnhiều. Lực từ Nghiêncứu toán học chi tiết của từ học sẽ không xuất hiện mãi chođến phần cuối của cuốnsách này, nhưng chúng ta cần phát triển mộtvài khái niệm đơngiản về từ họcngay bây giờ vì lực từ thường đượcsử dụng trong cácthí nghiệm và kĩ thuật mà chúng tasắp nói tới. Các namchâmthông dụnghàng ngày nói chung có hai loại. Namchâm vĩnh cửu, ví dụ như loại nằm trêntủ lạnh nhàbạn, cấu tạo từ sắt hoặc nhữngchất giống thép có chứa những nguyên tử sắt. (Những chất khác nhất địnhcũngcó từ tính, nhưng sắt rẻ nhấtvà thông dụng nhất) Loại namchâm kia, ví dụ là loại làm cho loa máy hát của bạn rung động,gồm những cuộn dây có dòngđiện chạytrongđó. Cả hai loại nam châm đều có khả năng hútsắt chưa nhiễmtừ, chẳng hạn như cánh cửa tủ lạnh. Một cách xem xét khiến chonhững hiệntượng trôngcó vẻ phức tạp này trở nên dễ hiểu hơn nhiều: đó là lực từ là tươngtác giữa các điện tíchđang chuyển động, xuất hiện cùng với lực điện. Giả sử một namchâmvĩnh cửu được mang tới gần mộtnam châm loại cuộndây.Cuộn dây có các điện tích chuyển độngbên trong nó vì chúng ta buộc các điện tích chạy thành dòng.Namchâm vĩnh cửu cũng có các điện tíchchuyển động bên trong nó, nhưng trongtrường hợp nàycác điện tích xoáy tròn tự nhiên bên trong sắt. (Cái làm cho mộtmẫu sắtbị từ hóa khác vớimột khối gỗ là ở chỗ chuyển độngcủa điện tích bên tronggỗ là ngẫu nhiên chứ không có tổ chức) Cácđiện tíchchuyển động trong cuộn dây nam châmtác dụng một lực lên các điện tích chuyển động trongnam châm vĩnhcửu, vàngượclại. Cơ sở toán họccủa từ học phức tạphơn nhiều sovới định luật Coulomb đối với điệnhọc, đó là lído vì saochúng ta phải chờ sang chương6 mới nghiên cứu sâu về chúng.Hai cơ sở đơn giản sẽ được trình bày ngaybây giờ: (1) Nếumột hạt mang điện chuyển động trong vùngkhônggiangần một hạt mang điện khác cũngđangchuyển động,thì lực từ tác dụnglên nótỉ lệ với vận tốc của nó. (2) Lựctừ tácdụng lên một hạt mangđiện chuyển động luôn luônvuônggóc với hướng hạt chuyểnđộng. Ví dụ 1. La bàn từ Trái Đấtcó nhân nóngchảybên trong, giốngnhư một bình nước sôi, nó khuấyđộng và nổisóng. Để đơn giản hóa, điện tích có thể đi theo nhữngchuyển độngkhuấy tròn, nên Trái Đấtchứa nhữngđiện tíchchuyển động.Kim namchâm của la bàn từ chính là một nam châm vĩnhcửu nhỏ.Điện tích chuyển động bên trong Trái Đất tương tác từ với điện tích chuyển động bên trong kimla bàn, làm cho kimla bànxoaytròn vàchỉ hướng bắc. Ví dụ 2. Ống phóng điện tử hình ảnhtrênti vi được vẽ bằng chùm electronbắn từ phíasau ốngphóng ra phía trước. Chùm hạtquét qua toànbộ mặt ống giốngnhư 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 trướcống,cần có lực theohướng trên-dưới, trái- phải để lái chúng. Nhưng khôngthể sử dụnglực từ để làm tăng tốc chùm hạt, vì chúng chỉ có thể đẩy vuônggóc vớihướng chuyểnđộng của các electron,chứ không cùngchiều với chúng. Câu hỏi thảo luận A. Nếu lực hút điện giữa hai chất điểm nằmcách nhau1mlà 9 x 10 9 N thì tại sao chúngta khôngthể suy ra điện tích của chúnglà + 1 Cvà – 1C ? Chúng ta cần phải cóthêm nhữngquan sátgì để chứng minhđiều này ? B. Mộtmiếng băngtích điệnsẽ hút dính vàotay bạn. Điềuđó có cho phép chúng ta nói rằng cáchạt mangđỉện tự dobên trong tay bạn là dương hayâm, hoặc cả hai, haykhông? . Bài giảng Điện học - Phần 2: Điện tích, điện tính và từ tính 1.2 Điện tích, điện tính và từ tính Điện tích “Điệntích” làthuậtngữ chuyên môndùng để chỉ. từ Nghiêncứu toán học chi tiết của từ học sẽ không xuất hiện mãi chođến phần cuối của cuốnsách này, nhưng chúng ta cần phát triển mộtvài khái niệm đơngiản về từ họcngay bây giờ vì lực từ thường đượcsử. như vậy. Một vật có điện tíchtoànphần bằng không (lượngđiện tíchthuộc hailoại bằng nhau)được gọi là trung hòađiện. ¤ Hãy bìnhluận phátbiểu sau: “Có hailoại điện tích,hút và ẩy”. Định luật Coulomb Một