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 học đã là một thú tiêu khiển phổ biến. Khách khứa sẽ thu gom điện tích bằng thanh thủy tinh và mảnh lụa. Sau đó, họ sẽ làm sốc người khác với những tia lửa điện, làm cho tóc của họ dựng đứng lên, và làm những trò ảo thuật điện khác nữa. Điện là một món đồ chơi hấp dẫn. Nhưng nó cũng là một câu đố đối với những nhà khoa học cố gắng nghiên cứu nó.

Lí thuyết phổ biến nhất của điện học lúc ấy nói rằng điện gồm hai loại chất lỏng. Một chất lỏng có điện tích dương, và một chất lỏng có điện tích âm. Có nhiều cách để thu gom những chất lỏng này. Thí dụ, cọ xát một thanh thủy tinh với lông thú làm truyền ra một phần chất lỏng đó, tạo ra một vật tích điện. Chất lỏng kia sẽ hút lấy chất lỏng này. Nhưng không ai từng nhìn thấy chất lỏng điện hay tìm thấy bất kì bằng chứng nào khác rằng chúng thật sự tồn tại.

Không có cá nhân nhà khoa học nào chịu trách nhiệm khá phá ra mọi nguyên lí mô tả lực điện. James Clerk Maxwell là nhà khoa học cuối cùng đã viết ra hệ phát triển đầy đủ cho sự hoạt động của điện và từ. Nhưng các quy luật toán học mà Maxwell công bố vào năm 1864 là kết quả của nhiều năm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học khác.

Hãy bắt đầu câu chuyện với Benjamin Franklin. Có lẽ bạn đã biết Franklin là một chính khách, nhà văn và nhà phát minh vĩ đại người Mĩ. Nhưng ông còn là một người nghiên cứu điện học từ rất sớm. Franklin nhận ra rằng hiện tượng điện có thể giải thích dễ dàng một loại chất lỏng, thay vì hai loại. Điện tích dương có thể xem là sự dư thừa lượng chất lỏng đó. Điện tích âm khi đó sẽ là sự thiếu hụt cũng chất lỏng đó. Lí thuyết chất lỏng không tồn tại, nhưng quan điểm của Franklin về điện tích dương và điện tích âm là hai mặt của một lực thì tồn tại.

Franklin còn nhận ra một định luật rất quan trọng của điện học: định luật bảo toàn điện tích. Định luật bảo toàn điện tích phát biểu rằng với mỗi điện tích âm được tạo ra, phải có một lượng điện tích dương bằng như vậy. Điều đó có nghĩa là tổng điện tích dương và điện tích âm trong vũ trụ phải cân bằng hoàn toàn với nhau.

Định luật bảo toàn điện tích không có nghĩa là chúng ta không thể có bất kì dòng điện nào. Nhưng hễ khi nào chúng ta làm mất cân bằng lực điện, chúng ta phải tạo ra các điện tích dương và điện tích âm với lượng ngang bằng nhau. Thí dụ, bạn có thể tạo ra điện tích bằng cách cọ xát một quả bóng đã bơm căng lên trên áo len. Quả bóng sẽ nhận một ít điện tích âm từ áo len. Nhưng cái áo len cũng sẽ nhận một lượng điện tích dương ngang bằng như vậy. Sau đó, quả bóng sẽ dính vào tường do sự chênh lệch điện tích giữa tường và quả bóng.

Điều tương tự xảy ra khi chúng ta lê chân trên thảm trải nhà vào một ngày khô hanh. Khi chúng ta đi trên thảm, cơ thể chúng ta nhận một lượng điện tích nhỏ. Một lượng điện tích bằng như vậy nhưng trái dấu tạo nên bên trong tấm thảm. Khi bạn chạm tay vào núm cửa hay vật kim loại nào khác, các điện tích triệt tiêu với một tia lửa điện nhỏ. Nếu bạn làm như thế trong phòng tối, bạn sẽ có thể thấy tia lửa điện một cách rõ ràng.

Điều quan trọng nên nhớ là hễ khi nào chúng ta cấp cho một vật một điện tích âm, thì đồng thời chúng ta cũng cho một vật khác một điện tích dương. Cái áo len nhận điện tích dương ngang bằng với quả bóng nhận điện tích âm. Mỗi vật nhận một điện tích, và các điện tích cân bằng với nhau. Đó là định luật bảo toàn điện tích.

Khám phá điện học tiếp theo do nhà khoa học người Pháp Charles-Augustin de Coulomb thực hiện vào năm 1789. Coulomb biết rằng các điện tích trái dấu thì hút nhau và các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau. Ông muốn đo độ lớn của lực hút đó.

Để đo lực điện, Coulom treo một thanh ngang bên dưới một sợi dây mỏng (Xem hình bên dưới). Tại mỗi đầu thanh là một quả cầu tích điện làm bằng kim loại. Sau đó, ông tích điện trái dấu cho hai quả cầu khác đặt gần đó. Ông biết chính xác mỗi quả cầu có bao nhiêu điện tích. Bằng cách đo lượng xoắn trên sợi dây, ông có thể tính ra lực hút giữa những quả cầu.

Các kết quả của Coulom thật bất ngờ và thú vị. Ông khám phá ra lực điện tỉ lệ thuận với lượng điện tích ở hai vật và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của chúng.

Trước khi chúng ta tiếp tục, điều quan trọng là nên hiểu tỉ lệ thuận và tỉ lệ nghịch nghĩa là gì. Chúng không khó hiểu như tên gọi của chúng gợi lên.

Nếu hai số đo là tỉ lệ thuận, thì khi một số tăng lên, số kia cũng tăng theo. Thí dụ, nếu bạn lái xe với tốc độ 80 km/h, quãng đường bạn đi tỉ lệ thuận với thời gian bạn lái xe. Khi thời gian tăng lên, quãng đường đó cũng tăng lên. Bạn lái xe càng lâu thì quãng đường bạn đi càng xa.

Nếu hai số đo là tỉ lệ nghịch, thì khi một số tăng lên, số kia giảm đi. Thí dụ, nếu bạn đi một hành trình dài 160km, thì thời gian của chuyến đi sẽ tỉ lệ nghịch với tốc độ bạn lái xe. Bạn lái xe càng nhanh, thì thời gian của chuyến đi càng ngắn. Khi tốc độ tăng lên, thời gian giảm đi.

Để đo lực điện, Coulomb sử dụng những quả cầu tích điện treo bên dưới một sợi dây mảnh.

Định luật Coulomb cho chúng ta biết rằng lực điện giữa hai điện tích phụ thuộc vào độ lớn của hai điện tích đó. Độ chênh lệch điện tích giữa hai vật càng lớn, thì lực hút giữa chúng càng mạnh. Nó cũng có nghĩa là khi hai vật cách xa nhau ra, thì lực hút đó giảm đi nhanh. Nếu hai vật chuyển ra xa gấp đôi, thì lực hút chỉ bằng một phần tư lúc đầu. Nếu chúng chuyển ra xa gấp ba lần, thì lực hút giảm đi chín lần.

Về mặt toán học, định luật Coulomb được viết như sau:

 F = K x q(1) q(2) / r²

Trong phương trình này, F kí hiệu cho lực hút, q(1) và q(2) là điện tích của hai vật, và d là khoảng cách giữa hai vật. K là một hằng số, một con số nhỏ cho phép tính ra chính xác lực hút điện.

Coulomb còn làm thí nghiệm với lực từ theo kiểu tương tự. Hóa ra định luật hút từ cũng là một định luật nghịch đảo bình phương. Thật là hào hứng khi khám phá những lực khác nhau này tuân theo những định luật giống nhau. Nó cho thấy các định luật của vũ trụ phải khớp vào một khuôn mẫu đơn giản và có trật tự.

Khám phá quan trọng tiếp theo về điện học do Hans Christian Ørsted thực hiện vào năm 1820. Ørsted thực hiện khám phá của ông một cách tình cờ. Ông nối một sợi dây với nguồn cấp điện để tạo ra một dòng điện. Một cái la bàn đặt trên bàn thí nghiệm gần đó. Ørsted để ý thấy khi 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 điện tích đang chuyển động tạo ra một từ trường. Hễ khi nào có dòng điện chạy trong dây thì nó tạo ra từ trường xung quanh dây.

Bạn có thể tự mình làm thí nghiệm Ørsted. Tất cả những gì bạn cần là một sợi dây dài bọc cách điện, một cái la bàn nhỏ và một nguồn cấp điện. Sử dụng pin khô 1,5V hoặc pin đèn flash 6V.

Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường, như thí nghiệm đơn giản này cho thấy.

Bóc một phần nhỏ chất cách điện ra khỏi mỗi đầu dây. Gắn một đầu dây với một cực của cục pin. Bố trí dây dẫn thành vòng và đặt cái la bàn ở gần vòng dây. Sắp xếp dây sao cho kim la bàn không hướng thẳng về phía dây. Giờ thì chạm đầu dây còn lại với cực kia của pin. Quan sát xem kim la bàn phản ứng như thế nào. Thử làm thí nghiệm với kim la bàn và vòng dây ở vài vị trí khác nhau. Mỗi lần không nên để dây nối với cả hai cực của pin lâu hơn vài ba giây. Nếu bạn làm thế, dòng điện sẽ nhanh chóng lấy hết năng lượng ra khỏi pin và sợi dây có thể trở nên nóng đến mức nguy hiểm.

Sau năm 1820, nghiên cứu điện học và từ học diễn ra với tốc độ rất nhanh. Ørsted nhận thấy dòng điện có thể tác dụng lực đủ làm cho kim la bàn quay. Những dòng điện mạnh hơn và những nam châm mạnh hơn có thể kết hợp để làm quay một động cơ. Khai thác khám phá của Ørsted, nam châm điện đầu tiên và động cơ điện đầu tiên đã được chế tạo ra vào năm 1823.

Nhà khoa học người Anh Michael Faraday đã thực hiện đóng góp quan trọng tiếp theo cho sự tìm hiểu dòng điện và nam châm. Faraday là một nhà thực nghiệm cừ khôi. Ông đã 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 nam châm có thể gây ra một dòng điện chạy trong dây dẫn hay không?

Câu trả lời của Faraday hóa ra là một trong những khám phá có ích nhất trong lịch sử khoa học. Năm 1831, Faraday đã chế tạo ra một mạch điện với một cuộn dây. Trong mạch điện đó là một điện kế, thiết bị dùng để đo những dòng điện nhỏ. Sau đó, Faraday đặt một cái nam châm bên trong cuộn dây. Ông phát hiện thấy một dòng điện sinh ra hễ khi nào cái nam châm di chuyển vào hoặc ra khỏi cuộn dây. Khi cái nam châm nằm yên, không có dòng điện nào sinh ra hết. Từ thí nghiệm này dẫn đến cái gọi là định luật Faraday: Một từ trường đang chuyển động tạo ra một dòng điện chạy trong dây.

Tại sao khám phá của Faraday lại có ích như thế? Faraday nhanh chóng nhận ra rằng việc di chuyển một sợi dây trong một từ trường mạnh có thể tạo ra một dòng điện. Cùng năm đó, ông đã chế tạo ra máy phát điện từ đầu tiên. Máy phát của Faraday có thể sản sinh ra một dòng điện đều đặn khi cần đến nó. Phát minh của Faraday không phụ thuộc vào những nguồn cung hóa chất đắt tiền, lộn xộn như trường hợp dùng pin. Và nó không bao giờ cạn kiệt năng lượng. Những hậu duệ khổng lồ ngày nay của máy phát điện đầu tiên của Faraday sản xuất điện năng dùng cho ti vi, tủ lạnh, bóng đèn điện, và nhiều thiết bị điện khác của chúng ta.

Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học
Paul Fleisher
Trần Nghiêm dịch

Phần tiếp theo >>