CHƯƠNG I: TONG QUAN VE LICH SỬ NGHIÊN CUU VE ĐIỆN TICH - DIEN TICH NGUYEN TO 1. Lich sử nghiên cứu về điện tích Từ năm 600 trước Công Nguyên những người Hy Lạp cô đã biết rằng nếu cọ xát hô phách thì nó có thé hút được những mau giấy. Các nhà tư tưởng thời Cô đại và Trung đại bị vướng mắc bởi việc thiểu công cụ, bởi một phương pháp không hoàn thiện, bởi đức tin tôn giáo hoặc các tô chức ngăn cam, va các tư tưởng bảo thủ đã làm tiến trình nghiên cứu gián đoạn. Cho đến trước năm 1672 cũng chưa có một tiền bộ nao trong việc nghiên cứu về điện.
Vào năm 1672, ông Otto Fon Gerryk khi đề tay bên cạnh quả cầu bằng lưu huỳnh đang quay đã nhận được sự tích điện lớn hơn. Vào năm 1729, ông Stefan Grey đã tìm ra 1 số chất, trong đó có kim loại, có thê dan điện. Những chất như vậy gọi là những chất dẫn điện. Ông ta cũng phát hiện ra rằng những chất khác như thuỷ tinh, lưu huỳnh, hỗ phách và sáp không dẫn điện.
Những chất đó được gọi là những chất cách điện. Nhà hóa học người Pháp Charles-Francois de Cisternay du Fay đã lặp lại và dẫn giải về những thí nghiệm của Guericke và những người khác. đi đến một sự hiệu biết day đủ hơn vẻ lực day điện. Trong khi thực hiện như vậy, ông đã thu được một số kết luận quan trọng, như là đa số các vật có thẻ làm cho nhiễm điện chỉ bằng cách cọ xát chúng, và các chất dan điện tốt hơn khi bị âm ướt.
Nhưng khám phá quan trọng nhất của du Fay là sự tồn tại của hai loại điện. Ông đã suy luận ra kết luận này với thí nghiệm sau đây. Thứ nhất, nha hóa học đã mang một lá vàng đến tiếp xúc với một quả cầu thủy tỉnh bằng cách cọ xát, người ta trông đợi nó hút, nhưng nó đây lá vàng ra. Sau đó, ông đặt lá vàng gan một vật bị cọ xát khác — lần này là một miếng nhựa copal giống hồ phách, và ngạc nhiên thay lá vàng hút nhựa copal.
Ông đã trông đợi hai vật nhiễm điện đó day lẫn nhau. Du Fay xác định phải có hai loại điện, và đặt tên một loại là điện thủy tinh va một loại là điện nhựa. Một số chất tạo ra loại điện thứ nhất, còn một số chất phát ra loại thứ hai. Mặc dù Du Fay đã quan sát rat kỹ những tinh chất đối lập, nhưng ông đã sai trong giải thích của ông về chúng.
Năm 1733 khi một người Pháp có tên là Duy Phey tìm ra vật tích điện đương và vật tích điện âm, mặc dù ông cho rằng đó là 2 loại điện khác nhau. Tuy nhiên, ly thuyết giải thích hiện tượng nay không xuất hiện cho đến khi năm 1747, Benjamin Franklin đã dé xuất rang tat cả các chất trong tự nhiên đều có chứa “hai chất lỏng điện”. Khi 2 chất va chạm vào nhau thì một số “chất lỏng” của chất này sẽ bị lấy sang chất khác. Ngày nay chúng ta nói “chất lỏng” được cau tạo từ những điện tử mang điện tích âm.
Năm 1747, sau khi ông có một ống thủy tỉnh và vải vóc dé làm thí nghiệm với chúng. Với dụng cụ này và một máy phát tĩnh điện do ông chế tao, ông đã lao vào một loạt thí nghiệm đưa ông đến chỗ tin rằng chỉ có một loại điện mà thôi, thay vi hai loại ma du Fay đã néu ra vài năm trước đó. Franklin lí giải rang tính chất đây va hút quan sát thay ở các chất khác nhau dưới những trường hợp khác nhau là do hàm lượng tương đối của chất lỏng này bên trong chất, thay vì những loại chất lỏng khác nhau. Ông còn kết luận rằng chất lỏng nảy tìm thấy trong mọi vật, nó có thé truyền từ vật này sang vật kia.
Nghiên cứu của Franklin còn dẫn kết luận: điện không thé được tạo ra, nó cũng không the bị mat đi. Thay vì vậy, sự mat điện ở vật nay mang lại sự thu thêm điện ở vật kia. Điều này là nguyên lí bao toàn điện tích. Các chất nhận thêm điện tích, theo lí thuyết của Franklin, là dương, còn các chất cho đi điện tích là âm.
Ông đề xuất rằng vật chất ở trạng thái trung hòa cho thấy không có tính chất điện bởi vì nó chứa một lượng bằng nhau của hai chất long đã được gọi la điện dương va âm, tương ứng. Franklin cũng công nhận sự ton tai của một hạt điện đủ nhỏ trong vật chat. Thi nghiệm Faraday trong chất điện phân, đã chứng minh răng khi một dòng điện qua chất điện phân, khối lượng của các hợp chất tại điện cực tỷ lệ đương lượng hóa học của các hợp chất, cũng hỗ trợ cho khái niệm một hạt điện nguyên t6 của Franklin. Khảo sát về electron Vào cuối thập kỷ đầu tiên của thế kỷ thứ 19, người ta đã nghiên cứu ông chùm ca-tốt (cathode ray tube).
Ong chùm ca-tốt là một ống thuỷ tỉnh, bên trong có chứa khí có áp suất thấp, một đầu của ông là cực dương, và dau kia la cực âm. Hai cực đó được nói với một nguồn có điện thế khác nhau, nguồn này tạo ra một dòng hạt có thê di qua khí bên trong ông. Người ta giả thiết rằng có một chim hạt phát ra từ cực âm đi về phía cực dương và làm cho ống phát sáng. Chùm đó được gọi là chùm ca-tốt.
Khi đặt một chướng ngại vật trong ống thì vật đó bị đi chuyền từ cực âm về đương, người ta kết luận hạt đó có khối lượng. Khi đặt một điện trường vào thì dong hat bị dich chuyển, người ta kết luận hạt đó có điện tích. Năm 1897, nhà vật lý người Anh Joseph John Thompson (1856-1940) đã kiểm chứng hiện tượng này bằng rất nhiều thí nghiệm khác nhau, ông đã đo được tỷ SỐ giữa khối lượng của hạt vả điện tích của nó bằng độ lệch hướng của chùm tia trong các từ trường và điện trường khác nhau. Thompson dùng rất nhiều các kim loại khác nhau làm cực dương và cực âm đông thời thay đôi nhiều loại khí trong ống.
Ông thấy rằng độ lệch của chùm tỉa có thê tiên đoán bằng công thức toán học. Thomson tìm thấy tỷ số điện tích/khối lượng là một hằng số không phụ thuộc vào việc ông dùng vật liệu gì. Ông kết luận rằng tat cả các chùm ca-tốt đều được tạo thành từ một loại hạt mà sau này nhà vật lý người Ái Nhĩ Lan George Johnstone Stoney đặt tên là "electron", vào năm 1891. Thí nghiệm đầu tiên được tiến hành đo điện tích ion do Townsend tiến hành vào những năm 1890.
Ong giả định rằng trong hơi nước bão hỏa, số ion bằng số giọt. Ông tim trọng lượng tông cộng của đám mây hơi nước bằng cách chuyền nó qua ông và xác định sự tăng trọng lượng trong ống nay. Ong tìm trọng lượng trung bình của các giọt nước trong đám mây hơi nước bằng cách quan sát tốc độ rơi trong trọng trường và tính được bán kính của chúng bằng định luật Stokes. Ong chia trọng lượng của cả đám mây hơi nước cho giá trị trọng lượng trung bình một giọt nước thì sẽ được số giọt nước.
Nếu giả định ở trên là đúng thi số giọt nước băng số ion, và chia tông điện tích trên Lem? khí cho số ion, thì sẽ thu được điện tích trung bình một ion.u, Thompson năm 1900, phương pháp tương tự ông thu được e=6.u Wilson cai tiến phương pháp mà Townsen và Thompson đã lam, bằng hai bản tụ nồi với nguồn 2000 vén, do vận tốc đám mây rơi trong trọng trường không điện trường, vận tốc chuyên động khi có điện trường. từ đó ông thu được e= 3,1. Millikan khảo sát về electron Ông đã cai tiến thí nghiệm của Wilson ông dùng một hiệu điện thé cao giữa hai bản tụ. Vận tốc rơi thay đổi chiều.
Một số giọt mang điện chuyên động lên trên, một số chuyên động nhanh xuống phía đưới, trong khi đó một số giọt không mang điện không bị ảnh hưởng và tiếp tục di chuyển xuống. Một vài giọt mang điện tích riêng. trọng lực có thé cân bằng với lực điện trưởng, bing cách điều chính điện áp, Millikan có thê làm cân bằng các giọt nảy. Với phương pháp cân bằng này Millikan có thé thu được tính chat các điện tích và xác định điện tích của các giọt.
Phương pháp giot dầu Millikan xác định điện tích nguyên tố e [6] Hình 1.Millikan [6] Một thí nghiệm năm 1911 do nha vật lí Robert Millikan thực hiện ở trường đại học Chicago. Hãy xét một dòng giọt nước hoa hoặc chất long khác cho thôi qua một lỗ đinh ghim nhỏ xí. Các giọt đi ra từ lỗ phải nhỏ, vì đòng xoáy của không khí có xu hướng làm tản loạn chúng ra. Millikan lập luận rằng những giọt đó cố điện tích khi chúng cọ xát lên thành lỗ ma chúng đi qua, và nếu mô hình hạt tích điện của điện học là đúng đắn, thì điện tích có thẻ tách vỡ trong số nhiều giọt chất lỏng nhỏ nên một giọt có thê có lượng điện tích toàn phần dư một vài hạt tích điện- có lẻ là sự dư thừa của một hạt tích điện dương trên một giọt nhất định, hoặc sự dư thừa hai điện tích âm trên giọt khác.
Thiết bị khéo léo của Millikan gồm hai bản kim loại. chúng có khả nang tích điện khi cần thiết. Ông phun một đám giọt dầu vào không gian giữa hai bản, và chọn một giọt qua kính hiện vi dé nghiên cứu.2 Thiết bị thí nghiệm của Millikan Ban đầu, khi không có hiệu điện thế giữa các bản, ông xác định khối lượng của giọt bằng cách cho nó rơi trong không khí và do vận tốc tới han của nó. tức là vận tốc ở đó lực ma sát của không khí cân bằng với lực hap dẫn.
Lực ma sát kéo theo của không khí tác dụng lên một quả cầu chuyển ðộng chậm 64 ðýợc tìm ra bằng thực nghiệm là bvfŸ, trong 36 b là một hằng số, v vận tốc tới hạn của giọt chất lỏng rơi trong không khí, r là bán kính giọt chất lỏng. Đặt lực toàn phần bằng không khi giọt chất lỏng rõi ở vận tốc giới hạn cho ta bvF?~ mg = 0 (1.1) và đặt tỉ trọng đã biết của dầu bằng với khối lượng của giọt chất lỏng chia cho thể tích của nó cho ta phương trình thứ hai: m a 3 (1.2) Moi dai lượng trong những phương trình nay có thê do trực tiếp. ngoại trừ m và r, nên đây là hai phương trình hai ân, người ta có thẻ giải chúng dé biết kích thước giọt chất lỏng. Sau đó, Millikan tích điện cho các bản kim loại, điều chính lượng điện tích cần bằng với lực hap dẫn và đây giọt chất long nằm lơ lửng.