21.2. Vật dẫn, vật cách điện và điện tích hưởng ứng

Một số vật liệu cho dễ dàng chuyển từ vùng này sang vùng khác, còn những vật liệu khác không cho phép. Sự khác nhau đó có thể thấy bằng một thí nghiệm truyền điện tích.

Treo một dây đồng bằng sợi nylon, cho một đầu dây chạm thanh nhựa nhiễm điện và đầu kia nối với quả cầu kim loại ban đầu trung hòa. Sau đó lấy thanh và dây đi. Nếu đưa một vật mang điện khác đến gần, quả cầu hút hoặc đẩy vật đó. Như vậy quả cầu đã nhiễm điện: đã chuyển giữa thanh nhựa và quả cầu qua dây đồng.

Hình 21.6: Truyền điện tích qua dây đồng đến quả cầu kim loại

Chú thích:

• Sợi nylon cách điện (Insulating nylon threads)
• Quả cầu kim loại (Metal ball)
• Dây đồng (Copper wire)
• Thanh nhựa mang điện (Charged plastic rod)
• Thanh thủy tinh mang điện (Charged glass rod)
• Dây dẫn chuyển điện tích từ thanh nhựa âm sang quả cầu kim loại (The wire conducts charge from the negatively charged plastic rod to the metal ball)
• Thanh nhựa âm đẩy quả cầu (A negatively charged plastic rod now repels the ball)
• Thanh thủy tinh dương hút quả cầu (A positively charged glass rod attracts the ball)

Hình 21.6: (a) Dây đồng truyền âm từ thanh nhựa đến quả cầu. Sợi nylon cách điện ngăn điện tích thoát khỏi dây và cầu. (b) Sau đó, thanh nhựa âm đẩy quả cầu. (c) Thanh thủy tinh dương hút quả cầu.

Dây đồng là điện. Nếu thay dây bằng dây cao su hoặc sợi nylon, không chuyển được đến cầu theo cách ấy. Cao su và nylon là vật cách điện. Vật dẫn cho điện tích dễ di chuyển bên trong, còn vật cách điện thì không.

Trên ngày khô, sợi thảm là tốt. Cọ giày lên thảm làm tích tụ trên cơ thể, và nó chưa thoát được qua sợi cách điện. Chạm tay nắm cửa dẫn điện tạo sự truyền điện tích nhanh giữa ngón tay và kim loại nên gây cảm giác giật. Một cách giảm hiện tượng này là quấn sợi thảm quanh lõi dẫn để điện tích có đường thoát nhẹ nhàng. Cách khác là phủ sợi bằng vật liệu chống tĩnh điện, ít trao đổi electron với giày, để hạn chế ngay sự tích tụ điện tích.

Phần lớn kim loại dẫn điện tốt, còn phần lớn phi kim là . Trong kim loại rắn như đồng, một hoặc nhiều electron ngoài cùng của mỗi nguyên tử tách khỏi nguyên tử và có thể di chuyển khắp vật. Có thể hình dung chúng như các phân tử khí đi qua khe giữa những hạt cát trong một xô cát. Những electron còn lại vẫn gắn với hạt nhân dương, còn hạt nhân bị giữ gần vị trí cố định. Vật cách điện có rất ít hoặc không có electron tự do, nên không dễ chuyển qua toàn vật. Chất bán dẫn có tính chất trung gian giữa vật dẫn tốt và vật cách điện tốt.

Nhiễm điện do hưởng ứng

Trong thí nghiệm truyền điện qua dây, một phần electron dư trên thanh nhựa chuyển sang cầu, làm âm của thanh giảm. Nhưng có một cách tạo điện tích trái dấu cho cầu mà không lấy điện tích khỏi thanh: Nhiễm điện do hưởng ứng.

Đặt quả cầu kim loại trung hòa trên giá cách điện. Đưa thanh âm lại gần mà không chạm cầu. trong cầu bị electron dư trên thanh đẩy sang phía xa. Chúng không thoát khỏi cầu vì giá đỡ và không khí xung quanh cách điện. Phía xa có dư âm, còn phía gần thiếu electron nên có điện tích dư dương. Các vùng điện tích đó gọi là điện tích hưởng ứng.

Không phải mọi đều chạy sang mặt xa. Ngay khi hưởng ứng xuất hiện, vùng âm ở xa đẩy các electron khác trở lại và vùng dương ở gần hút chúng. Cân bằng đạt được khi lực từ thanh đẩy electron sang xa được lực của điện tích hưởng ứng kéo về gần cân bằng. Nếu lấy thanh ra lúc này, electron phân bố lại và cầu trở về trạng thái trung hòa.

Hình 21.7: Năm bước làm quả cầu nhiễm điện dương bằng hưởng ứng

Chú thích:

• Quả cầu kim loại (Metal ball)
• Giá đỡ cách điện (Insulating stand)
• Vùng dư electron (Electron buildup)
• Vùng thiếu electron (Electron deficiency)
• Thanh mang điện âm (Negatively charged rod)
• Đất (Ground)
• Dây dẫn (Wire)
• Điện tích âm đi vào đất (Negative charge in ground)
• (a) Quả cầu kim loại chưa nhiễm điện ((a) Uncharged metal ball)
• (b) Thanh âm đẩy electron, tạo vùng điện tích hưởng ứng âm và dương ((b) Negative charge on rod repels electrons, creating zones of negative and positive induced charge)
• (c) Dây dẫn cho electron dư chảy xuống đất ((c) Wire lets electron buildup (induced negative charge) flow into ground)
• (d) Tháo dây, quả cầu còn vùng thiếu electron nên mang điện dương ((d) Wire removed; ball now has only an electron-deficient region of positive charge)
• (e) Lấy thanh ra, electron phân bố lại nhưng quả cầu vẫn thiếu electron tổng cộng nên mang điện dương ((e) Rod removed; electrons rearrange themselves, ball has overall electron deficiency (net positive charge))

Hình 21.7: (a) Cầu kim loại trung hòa trên giá cách điện. (b) Thanh âm ở gần đẩy electron sang phía xa, tạo vùng dư electron và vùng thiếu electron. (c) Nối phía xa với đất bằng dây dẫn làm một phần electron chảy xuống đất. (d) Tháo dây nối đất trước, cầu còn thiếu electron. (e) Lấy thanh ra, electron phân bố lại nhưng tổng của cầu vẫn dương.

Trái Đất là rất lớn, có thể coi như nguồn cung electron hoặc nơi nhận electron gần như vô hạn. Khi nối cầu với đất trong lúc thanh còn ở gần, một phần âm chảy theo dây xuống đất. Tháo dây trước rồi mới lấy thanh ra để điện tích dương còn lại trên cầu. Điện tích thanh âm không đổi trong toàn quá trình. Đất nhận điện tích âm có độ lớn bằng điện tích dương còn lại trên cầu, nên tổng điện tích được bảo toàn.

Lực điện tác dụng lên vật trung hòa

Vật mang điện vẫn có thể hút vật không mang điện tổng. Cọ bóng bay lên thảm rồi áp lên trần, bóng có thể bám dù trần trung hòa. Lược vừa chải tóc khô có thể nhấc những mảnh giấy hoặc nhựa chưa nhiễm điện. Điều này xảy ra nhờ sự dịch chuyển bên trong vật trung hòa.

Ngay cả trong , cũng có thể dịch chuyển một khoảng nhỏ khi có nguồn điện tích gần đó. Lược âm làm electron trong phân tử vật cách điện dịch ra xa, nên phần dương gần lược hơn phần âm. Lực hút lên phần dương mạnh hơn lực đẩy lên phần âm vì khoảng cách nhỏ hơn, tạo lực hút tổng. Sự dịch chuyển tương đối của điện tích dương và âm gọi là .

Lược dương cũng hút trung hòa. Khi ấy electron dịch về phía lược, khiến phần âm ở gần chịu lực hút mạnh hơn lực đẩy lên phần dương ở xa. Vì vậy vật mang điện dương hoặc âm đều có thể hút vật cách điện trung hòa.

Hình 21.8: Lược mang điện hút các mảnh nhựa trung hòa nhờ phân cực

Chú thích:

• Lược mang điện âm (Negatively charged comb)
• Lược mang điện dương (Positively charged comb)
• (a) Lược tích điện hút các mảnh nhựa chưa nhiễm điện ((a) A charged comb picking up uncharged pieces of plastic)
• (b) Cách lược âm hút vật cách điện ((b) How a negatively charged comb attracts an insulator)
• (c) Cách lược dương hút vật cách điện ((c) How a positively charged comb attracts an insulator)
• Electron trong mỗi phân tử của chất cách điện trung hòa dịch ra xa lược (Electrons in each molecule of the neutral insulator shift away from the comb)
• Điện tích dương gần lược hơn điện tích âm nên chịu lực hút mạnh hơn. Hợp lực vì thế hướng về lược (As a result, the (+) charges in each molecule are closer to the comb than are the (−) charges and so feel a stronger force from the comb. Therefore the net force is attractive)
• Lần này electron trong các phân tử dịch về phía lược (This time, electrons in the molecules shift toward the comb)
• Điện tích âm gần lược hơn nên chịu lực hút mạnh hơn điện tích dương. Hợp lực vẫn là lực hút (The (−) charges in each molecule are closer to the comb, and feel a stronger force from it, than the (+) charges. Again, the net force is attractive)

Hình 21.8: (a) Lược hút những mảnh nhựa. (b) Lược âm đẩy electron trong mỗi phân tử ra xa, để dương ở gần hơn. (c) Lược dương hút electron về gần, để điện tích âm ở gần hơn. Trong cả hai trường hợp, lực hút ở phía gần mạnh hơn lực đẩy ở phía xa. Vật trung hòa tác dụng lại lên lược bằng lực hút cùng độ lớn và ngược chiều, theo định luật III Newton.

Ứng dụng: Sơn tĩnh điện

Hình 21.9: Sơn tĩnh điện lên vật kim loại nối đất

Chú thích:

• Điện tích dương hưởng ứng xuất hiện trên bề mặt kim loại (Positive charge is induced on surface of metal)
• Đầu phun sơn (Paint sprayer)
• Luồng giọt sơn mang điện âm (Spray of negatively charged paint droplets)
• Vật kim loại cần sơn (Metal object to be painted)
• Đất (Ground)

Hình 21.9: Đầu phun tạo các giọt sơn âm, còn vật kim loại được nối đất. Khi giọt sơn tiến đến, dương hưởng ứng xuất hiện trên bề mặt và hút giọt sơn vào vật. Quá trình giảm lượng sơn bay lạc ra ngoài và tạo bề mặt phủ đặc biệt nhẵn.

Bài tập: Câu hỏi ôn lại mục 21.2

Có hai quả cầu kim loại nhẹ, mỗi quả treo bằng sợi nylon cách điện. Một cầu mang điện tổng âm, cầu kia có tổng bằng không.

(a) Đưa chúng lại gần nhưng không cho chạm nhau. Chúng (i) hút, (ii) đẩy, hay (iii) không tác dụng lực lên nhau?

(b) Cho hai cầu chạm nhau rồi tách ra. Khi đó chúng (i) hút, (ii) đẩy, hay (iii) không tác dụng lực lên nhau?

Lời giải: Giải thích

(a) Chọn (i). Cầu âm đẩy electron trong cầu trung hòa, tạo vùng dương gần và vùng âm xa. Vùng dương gần chịu lực hút mạnh hơn lực đẩy lên vùng âm xa, nên hai cầu hút nhau.

(b) Chọn (ii). Khi chạm nhau, một phần electron dư chuyển từ cầu âm sang cầu còn lại vì kim loại dẫn điện. Cả hai cầu mang điện tổng âm nên đẩy nhau.

Tài liệu tham khảo

Hugh D. Young và Roger A. Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, chương 21, mục 21.2, trang 682–684.