21.1. Điện tích

Khoảng năm 600 trước Công nguyên, người Hy Lạp đã nhận thấy hổ phách sau khi cọ xát với len có thể hút những vật khác. Ta diễn tả hiện tượng đó bằng cách nói hổ phách đã có dư, tức đã nhiễm điện. Từ electric bắt nguồn từ từ Hy Lạp elektron, nghĩa là hổ phách. Đi trên thảm nylon có thể làm cơ thể nhiễm điện, còn chải tóc khô có thể làm lược nhiễm điện.

Hai loại điện tích

Thanh nhựa và lông thú, thật hoặc nhân tạo, là những dụng cụ thuận tiện để quan sát tĩnh điện, tức tương tác giữa các đứng yên hoặc gần đứng yên. Hai thanh nhựa chưa cọ xát không hút cũng không đẩy nhau rõ rệt. Sau khi cọ xát cả hai bằng lông thú, chúng đẩy nhau, như Hình 21.1a.

Hai thanh thủy tinh cọ xát bằng lụa cũng nhiễm điện và đẩy nhau. Nhưng thanh nhựa đã cọ xát với lông thú lại hút thanh thủy tinh đã cọ xát với lụa. Thanh nhựa hút miếng lông dùng để cọ nó, còn thanh thủy tinh hút miếng lụa dùng để cọ nó.

Hình 21.1: Tương tác giữa thanh nhựa, thanh thủy tinh và vật dùng để cọ xát

Chú thích:

• Thanh nhựa (Plastic)
• Lông thú (Fur)
• Tương tác giữa hai thanh nhựa cọ xát với lông thú (Interaction between plastic rods rubbed on fur)
• Thanh nhựa chưa cọ xát không hút cũng không đẩy nhau (Plain plastic rods neither attract nor repel each other)
• Sau khi cọ xát với lông thú, hai thanh đẩy nhau (But after being rubbed with fur, the rods repel each other)
• Lụa (Silk)
• Thủy tinh (Glass)
• Tương tác giữa hai thanh thủy tinh cọ xát với lụa (Interaction between glass rods rubbed on silk)
• Thanh thủy tinh chưa cọ xát không hút cũng không đẩy nhau (Plain glass rods neither attract nor repel each other)
• Sau khi cọ xát với lụa, hai thanh đẩy nhau (But after being rubbed with silk, the rods repel each other)
• Tương tác giữa các vật mang điện tích trái dấu (Interaction between objects with opposite charges)
• Thanh nhựa cọ bằng lông thú và thanh thủy tinh cọ bằng lụa hút nhau (The fur-rubbed plastic rod and the silk-rubbed glass rod attract each other)
• Lông thú và lụa đều hút thanh mà chúng đã dùng để cọ xát (The fur and silk each attract the rod it rubbed)

Hình 21.1: (a) Hai thanh nhựa cọ bằng lông thú đẩy nhau. (b) Hai thanh thủy tinh cọ bằng lụa đẩy nhau. (c) Thanh nhựa và thanh thủy tinh hút nhau, đồng thời mỗi thanh hút vật dùng để cọ nó.

Các thí nghiệm như vậy cho thấy có hai loại . Benjamin Franklin (1706–1790) đề nghị gọi điện tích trên thanh nhựa cọ bằng lông là âm, còn điện tích trên thanh thủy tinh cọ bằng lụa là dương. Thanh nhựa và miếng lụa mang điện âm, trong khi thanh thủy tinh và miếng lông mang điện dương.

Hai dương đẩy nhau, hai điện tích âm cũng đẩy nhau. Điện tích dương và điện tích âm hút nhau.

Cùng dấu và trái dấu

“Cùng dấu” không có nghĩa hai phải bằng nhau về độ lớn. Nó chỉ có nghĩa cả hai dương hoặc cả hai âm. “Trái dấu” có nghĩa cả hai vật đều mang điện, với một điện tích dương và một điện tích âm.

Ứng dụng: Máy in laser

Lực điện được sử dụng để đưa các hạt mực đến đúng vị trí trên giấy. Trống tạo ảnh nhạy sáng được nạp điện dương. Trong khi trống quay, tia laser chiếu lên những vùng được chọn, làm chúng mang điện âm. Các hạt mực điện dương chỉ bám vào những vùng âm ấy. Khi giấy tiếp xúc với trống, các hạt mực chuyển sang giấy tạo thành hình ảnh.

Hình 21.2: Các giai đoạn hoạt động của máy in laser

Hình 21.2: Chu trình hoạt động gồm 6 bước của máy in laser:

• (1) Dây điện phun ion lên trống tạo dương.
• (2) Tia laser "ghi" lên trống, để lại các vùng mang âm nơi sẽ tạo ảnh.
• (3) Con lăn đưa hạt mực mang dương lên trống, mực chỉ bám vào các vùng mang điện âm do tia laser ghi.
• (4) Các dây điện tiếp theo tạo âm mạnh hơn trên giấy để hút mực sang giấy.
• (5) Con lăn nung nóng giấy làm mực bám vĩnh viễn vào giấy.
• (6) Đèn khử trên trống để bắt đầu chu kỳ mới.

Trống tạo ảnh quay và giấy chuyển sang trái trong suốt quá trình này.

Điện tích và cấu tạo vật chất

Thanh bị nhiễm điện do cọ xát không thay đổi hình dáng nhìn thấy. Để hiểu điều đã xảy ra, cần xét cấu tạo nguyên tử, những đơn vị tạo nên vật chất thông thường.

Nguyên tử gồm electron mang điện âm, proton mang điện dương và neutron không mang điện. Proton và neutron được cấu tạo từ các quark. Quark có bằng những phần ba hoặc hai phần ba điện tích cơ bản, với dấu dương hoặc âm tùy loại. Chưa quan sát được quark cô lập, và lý thuyết cho thấy không thể tách một quark riêng để quan sát như một hạt tự do.

Proton và neutron tập trung trong hạt nhân rất nhỏ, có kích thước cỡ ${10}^{-15}\mathrm{m}$. Electron ở xung quanh, vươn đến khoảng cách cỡ ${10}^{-10}\mathrm{m}$ tính từ hạt nhân. Nếu phóng nguyên tử rộng vài kilômét, hạt nhân chỉ lớn cỡ bóng tennis. Electron âm được hạt nhân dương giữ lại bằng lực hút điện. Trong hạt nhân bền, lực hạt nhân mạnh giữ proton và neutron gần nhau, thắng lực đẩy điện giữa các proton. Tương tác mạnh có tầm tác dụng ngắn, không vươn xa ra ngoài hạt nhân.

Hình 21.3: Hạt nhân và electron của nguyên tử lithium

Chú thích:

• Nguyên tử (Atom)
• Hạt nhân (Nucleus)
• Electron mang điện âm, khối lượng khoảng 9,109 × 10⁻³¹ kg (Electron: Negative charge. Mass = 9.109 × 10⁻³¹ kg)
• Neutron không mang điện, khối lượng khoảng 1,675 × 10⁻²⁷ kg (Neutron: No charge. Mass = 1.675 × 10⁻²⁷ kg)
• Proton mang điện dương, khối lượng khoảng 1,673 × 10⁻²⁷ kg (Proton: Positive charge. Mass = 1.673 × 10⁻²⁷ kg)
• Phần lớn thể tích nguyên tử có electron phân bố thưa (Most of the atom’s volume is occupied sparsely by electrons)
• Hạt nhân rất nhỏ so với nguyên tử nhưng chứa hơn 99,9% khối lượng nguyên tử (Tiny compared with the rest of the atom, the nucleus contains over 99.9% of the atom’s mass)
• Điện tích electron và proton bằng nhau về độ lớn (The charges of the electron and proton are equal in magnitude)

Hình 21.3: Hạt nhân chỉ chiếm một phần rất nhỏ kích thước nguyên tử nhưng chứa hơn $99.9\mathrm{\%}$ khối lượng. Phần lớn thể tích còn lại có electron phân bố thưa. electron và proton bằng nhau về độ lớn. Khối lượng gần đúng được ghi bên hình là $9.109\times {10}^{-31}\mathrm{kg}$ cho electron, $1.673\times {10}^{-27}\mathrm{kg}$ cho proton và $1.675\times {10}^{-27}\mathrm{kg}$ cho neutron.

Các giá trị khối lượng cùng độ bất định được sử dụng trong bộ dữ kiện này là:

$$\begin{array}{rl}{m}_e& =9.10938356(11)\times {10}^{-31}\mathrm{kg},\\ m_p& =1.672621898(21)\times {10}^{-27}\mathrm{kg},\\ m_n& =1.674927471(21)\times {10}^{-27}\mathrm{kg}.\end{array}$$

Những số trong ngoặc chỉ độ bất định ở hai chữ số cuối. Khối lượng proton và neutron gần bằng nhau, và mỗi hạt nặng xấp xỉ 2000 lần electron. Vì thế hơn $99.9\mathrm{\%}$ khối lượng nguyên tử tập trung trong hạt nhân.

Trong giới hạn sai số thực nghiệm, âm của electron có độ lớn bằng điện tích dương của proton. Nguyên tử trung hòa có số electron bằng số proton, nên tổng đại số các điện tích bằng không. Số proton của một nguyên tố, cũng là số electron của nguyên tử trung hòa, gọi là số hiệu nguyên tử.

Loại một hoặc nhiều electron khỏi nguyên tử tạo ion dương. Thêm một hoặc nhiều electron tạo ion âm. Quá trình thêm hoặc bớt electron như vậy gọi là ion hóa.

Hình 21.4: Nguyên tử lithium trung hòa, ion dương và ion âm

Chú thích:

• Proton (Protons)
• Neutron (Neutrons)
• Electron (Electrons)
• Nguyên tử liti trung hòa (Neutral lithium atom)
• Ion liti dương (Positive lithium ion)
• Ion liti âm (Negative lithium ion)
• Ba proton, bốn neutron và ba electron (3 protons (3+), 4 neutrons, 3 electrons (3−))
• Ba proton, bốn neutron và hai electron (3 protons (3+), 4 neutrons, 2 electrons (2−))
• Ba proton, bốn neutron và bốn electron (3 protons (3+), 4 neutrons, 4 electrons (4−))
• Số electron bằng số proton nên tổng điện tích bằng không (Electrons equal protons: Zero net charge)
• Thiếu electron so với proton nên tổng điện tích dương (Fewer electrons than protons: Positive net charge)
• Thừa electron so với proton nên tổng điện tích âm (More electrons than protons: Negative net charge)

Hình 21.4: (a) Lithium trung hòa có 3 proton, 4 neutron và 3 electron. (b) Ion ${\mathrm{Li}}^{+}$ vẫn có 3 proton, 4 neutron nhưng chỉ còn 2 electron. (c) Ion ${\mathrm{Li}}^{-}$ có thêm electron thứ tư. Các vòng electron là sơ đồ biểu diễn đám mây electron khuếch tán, lớn hơn hạt nhân nhiều lần, không phải quỹ đạo cổ điển được xác định chính xác.

Vật vĩ mô trung hòa nếu tổng số proton bằng tổng số electron. Có thể tạo dư âm bằng cách thêm điện tích âm hoặc lấy bớt điện tích dương. Tương tự, thêm điện tích dương hoặc lấy bớt điện tích âm tạo điện tích dư dương. Trong phần lớn quá trình nhiễm điện thông thường, electron dễ chuyển động là những hạt được thêm hoặc bớt. Do đó vật nhiễm điện dương thường là vật đã mất một phần electron vốn có.

Khi nói của một vật, ta hiểu là điện tích tổng của nó. Điện tích dư thường chỉ là một phần rất nhỏ, điển hình không quá ${10}^{-12}$, của toàn bộ điện tích dương hoặc toàn bộ điện tích âm đang có trong vật.

Bảo toàn điện tích

Định luật bảo toàn : Tổng đại số mọi điện tích trong một hệ kín giữ nguyên.

Cọ thanh nhựa và miếng lông đều đang trung hòa làm electron chuyển từ lông sang nhựa. Thanh nhựa nhận âm, còn miếng lông có điện tích dương cùng độ lớn vì mất đúng số electron đó. Tổng điện tích hai vật không đổi. Trong quá trình nhiễm điện, điện tích không được tạo ra hoặc mất đi mà chuyển giữa các vật.

Bảo toàn được xem là định luật phổ quát, chưa có bằng chứng thực nghiệm cho sự vi phạm. Ngay cả trong tương tác năng lượng cao có tạo hoặc hủy hạt, chẳng hạn tạo cặp electron–positron, tổng điện tích của hệ kín vẫn giữ nguyên.

Điện tích được lượng tử hóa

Độ lớn electron hoặc proton là một đơn vị tự nhiên. Các lượng điện tích quan sát được của vật cô lập là bội nguyên của đơn vị này. Ta nói điện tích được lượng tử hóa.

Có thể hình dung bằng việc thanh toán tiền mặt theo từng cent: Không chia một khoản thanh toán thành phần nhỏ tùy ý hơn một cent. Tương tự, của một vật vĩ mô bằng không hoặc bằng một số nguyên lần điện tích cơ bản, với dấu dương hoặc âm. Điện tích phân số của quark không được quan sát như điện tích của quark cô lập.

Các lực quen thuộc có nguồn gốc điện

Liên kết hóa học giữa các nguyên tử bắt nguồn từ tương tác điện. Chúng bao gồm liên kết ion mạnh giữa natri và clo trong muối ăn, cũng như liên kết tương đối yếu giữa các mạch DNA mang mã di truyền. Khi đứng trên sàn, lực pháp tuyến xuất hiện từ tương tác điện giữa các hạt trong nguyên tử của giày và của sàn. Lực căng dây và lực bám của keo cũng có nguồn gốc từ tương tác giữa nguyên tử.

Hình 21.5: Các lực tác dụng lên người trượt nước

Hình 21.5: Tương tác điện giữa các phân tử tạo lực của nước lên ván trượt, lực căng dây kéo, lực cản không khí và lực liên kết các nguyên tử trong cơ thể. Lực hoàn toàn không có nguồn gốc điện ở tình huống này là trọng lực.

Bài tập: Câu hỏi ôn lại mục 21.1

Hai vật mang điện đẩy nhau bằng lực điện. của chúng thuộc trường hợp nào?

(i) Một dương, một âm. (ii) Cả hai dương. (iii) Cả hai âm. (iv) Hoặc (ii), hoặc (iii). (v) Bất kỳ trường hợp (i), (ii), (iii).

Lời giải: Giải thích

Chọn (iv). Hai vật mang điện đẩy nhau nếu cùng dấu, tức đều dương hoặc đều âm.

Tài liệu tham khảo

Hugh D. Young và Roger A. Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, chương 21, mục 21.1, trang 679–682.