Điện tích là gì? lịch sử vật lý điện từ
Vật liệu siêu dẫn, Tàu siêu tốc chuyển động trên đệm từ trường
Điện tích là một vật bị nhiễm điện (vật mang điện). Có hai loại điện tích là điện tích âm và điện tích dương. Các điện tích cùng dấu đặt cạnh nhau thì đẩy nhau, các điện tích trái dấu đặt cạnh nhau thì hút nhau. Môi trường đặc biệt bao quanh các điện tích đứng yên gọi là điện trường, bao quanh các hạt điện tích chuyển động gọi là từ trường.
Lịch sử vật lý điện từ thời kỳ sơ khai:
Thalès de Milet (khoảng 624TCN – 546 TCN) nhà toán học, triết gia thời Hy Lạp cổ đại đã tình cờ phát hiện ra hiện tượng miếng hổ phách khi được chà xát bằng da có thể hút được các vật nhẹ như lông chim, mẩu giấy, mẩu gỗ. Sau khi tiến hành thêm nhiều thí nghiệm, Ông đưa ra kết luận khi được chà xát miếng hổ phách có “sức mạnh” hút được các vật nhẹ.
Điện tích là gì? lịch sử vật lý điện từ
Hơn 2000 năm sau nhà vật lý, bác sĩ, nhà triết học, nhà khoa học lớn thời kỳ phục hưng của nước Anh, cũng như của Châu Âu, William Gilbert (1544-1603) đã có các nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng điện, từ. Ông đã khảo sát lại các thí nghiệm của Thalès ở mức độ rộng hơn, Ông nhận thấy rằng không chỉ hổ phách mà các vật liệu khác như lưu huỳnh, thủy tinh, Silíc đều có tính chất tương tự khi được chà xát.
Năm 1600, Gilbert cho xuất bản tác phẩm On the magnet, magnetick bodies also, and on the great magnet the earth (tạm dịch: Luận về nam châm, các vật từ tính và nam châm khổng lồ Trái Đất). Trong tác phẩm của mình ông đã đưa ra các khái niệm được coi là nền tảng của ngành vật lý điện từ như khái niệm về điện tích (électricité) được đặt theo từ Elektra (hổ phách), dụng cụ xác định một vật có nhiễm điện hay không électroscope (điện nghiệm).
Chân dung nhà vật lý học William Gilbert
Otto Von Guericke (1602-1686) một nhà khoa học, nhà phát minh, chính trị gia người Đức nổi tiếng vớithí nghiệm vật lý về chân không và áp suất khí quyển đã tiến hành lại các thí nghiệm của Gilbert thay vì chà xát thủy tinh (lưu huỳnh) để tạo ra lực điện, ông thiết kế một hệ thống tạo ra điện tích lớn hơn bằng cách cho quả cầu lưu huỳnh quay tròn và cọ xát với tấm da. Ông cũng tiến hành các thí nghiệm cho các vật khác chạm vào quả cầu lưu huỳnh và thấy rằng các vật đó cũng hút được các vật nhẹ, điều này chứng tỏ điện tích có thể dịch chuyển từ vật này sang vật khác.
Dụng cụ do Von Guericke phát minh được gọi là máy tĩnh điện.
Chân dung nhà vật ý Otto Von Guericke và tĩnh điện kế đầu tiên do ông phát minh
Trong các nghiên cứu tiếp theo về điện, Stephen Gray (1666-1736) nhà hóa học, thiên văn học người Anh đã đóng góp thêm những hiểu biết về điện như tìm ra các chất dẫn điện, chất cách điện, phương thức truyền tải điện tích đi xa, Ông kết luận kim loại là chất dẫn điện tốt nhất. Dòng các điện tích dịch chuyển từ vật này sang vật khác được gọi là dòng điện.
ảnh minh họa thí nghiệm về sự truyền điện tích thông qua các sợi dây thực hiện năm 1730 của Stephen Gray, như vậy dòng điện cũng giống như dòng nước nó có thể “chảy” từ vật này thông qua các dây dẫn điện.
Máy tĩnh điện của otto đã trở thành một dụ cụ điện không thể thiếu trong các thí nghiệm vật lý về điện, trong quá trình tiến hành thí nghiệm các nhà vật lý nhận ra rằng không khí ẩm sẽ làm giảm điện tích của máy tĩnh điện, cùng với phát hiện của Stephen Gray về chất dẫn điện và chất cách điện, Pieter Van Musschenbroek (1692-1761) một giáo sư tại trường Đại Học Leyde, Hà Lan đã giải thích hiện tượng mất điện tích là do điện tích đã truyền ra ngoài không khí. Để làm giảm sự tiêu hao điện tích này vật mang điện phải được bọc trong một chất cách điện.
Để lưu trữ và tránh sự truyền điện tích ra ngoài môi trường không khí xung quanh Musschenbroek đã sử dụng một lọ thủy tinh đựng nước nối với máy tĩnh điện kế bằng một sợi dây kim loại. Khi tích điện cho quả cầu điện tích sẽ theo sợi dây kim loại truyền vào trong nước và được lưu trữ tại đó không bị truyền ra ngoài không khi do thủy tinh đã cách điện.
Trong quá trình tiến hành thí nghiệm ông cũng phát ra khi vừa chạm tay đồng thời vào bình thủy tinh và dây kim loại ông sẽ bị giật mạnh – một tính chất vật lý của dòng điện.
Bình thủy tinh dùng trong thí nghiệm của Musschenbroek sau này được cải tiến thành một dụng cụ chứa đựng điện tích gọi là chai Leyden. Chai Leyden được bọc bên ngoài bằng kẽm và được tích thêm điện bằng tĩnh điện kế sau khi dùng hết. Chai Leyden được coi là tụ điện (một dụng cụ chứa điện tích) sơ khai đầu tiên.
Chai Leyden
chân dung nhà vật lý học Jean-Antoine NOLLET (1700-1770) người đã đặt tên cho dụng cụ thí nghiệm của Musschenbroek là chai Leyden.
Nhằm nâng cao khả năng chứa điện và tạo ra dòng điện tích ổn định hơn, Alessandro Volta (1745 – 1827)nhà vật lý người Ý đã chế tạo thành công một dụng cụ chứa điện mới gồm các miếng đồng, kẽm hình tròn xếp chồng liên tiếp lên nhau và ngăn cách với nhau bằng một tấm giấy xốp tẩm dung dịch axít sunfuric (H2SO4) , sau người người ta gọi là pin Volta. Từ pin được lấy phát âm từ “pile” tiếng Ý ám chỉ các miếng tròn xếp chồng lên nhau.
Alessandro Volta và pin Volta
Việc phát minh ra pin Volta đóng vai trò quan trọng trong lịch sử phát triển của vật lý điện từ, nó là một dụng cụ chứa điện lâu dài và có thể tạo ra dòng điện ổn định góp phần quan trọng vào trong các thí nghiệm vật lý phát triển điện từ sau này. Để ghi nhận công lao của Volta người ta đặt tên đơn vị đo độ lớn của nguồn điện là Vôn (Volta)
Kết luận: Sau một khoảng thời gian khá lâu, từ những hiện tượng vật lý đầu tiên về điện, con người đãhiểu biết nhiều hơn về điện, biết cách tạo ra điện, lưu trữ, vận chuyển và truyền tải dòng điện từ vật này sang vật khác, từ nơi này sang nơi khác. Mặc dù dòng điện tạo ra vẫn còn rất nhỏ và chưa có nhiều ứng dụng nổi bật trong đời sống nhưng nó là tiền đề, là dụng cụ cho sự phát triển của ngành điện nói riêng và lý thuyết vật lý về điện và từ nói chung.
Vật lý điện từ những bước phát triển nhảy vọt
Khi các hiện tượng vật lý về điện có những bước phát triển đáng kể thì những hiểu biết của các nhà vật lý về tính chất từ của nam châm cũng đang dần được định hình. Hans Christian Ørsted (1777-1851), giáo sư Vật Lý tại trường Đại Học Copenhague trong một lần tình cờ đã phát hiện ra hiện tượng dòng điện tác dụng lên kim nam châm đặt gần nó
Mô phỏng lại thí nghiệm của Ørsted về tác dụng của dòng điện lên nam châm.
Hans Christian Ørsted
Từ thí nghiệm trên, các nhà vật lý đã hướng đến một nghiên cứu về tính chất từ của dòng điện, về sự liên quan giữa tính chất điện và tính chất từ. André-Marie Ampère (1775 – 1836) nhà toán học và vật lý người Pháp đã tiến hành một thí nghiệm cho hai dây dẫn mang dòng điện đặt song song nhau ông nhận thấy chúng tương tác hút và đẩy nhau khi thay đổi chiều dòng điện giống như tương tác từ tính hút và đẩy giữa hai nam châm đặt cạnh nhau.
André-Marie Ampère
Ampère cũng là người đã phát minh ra một dụng cụ dùng để đo được độ lớn của dòng điện (cường độ dòng điện) được gọi là Ampe kế và đơn vị cường độ dòng điện được đặt theo tên ông.
Tiếp nối những phát hiện đó, Michael Faraday (1791 – 1867) nhà vật lý người Anh đã tìm ra hiện tượng cảm ứng điện từ, một hiện tượng vật lý vô cùng quan trọng, giúp loài người chuyển sang một giai đoạn sử dụng năng lượng mới đó chính là điện năng. Thông qua các định luật của Faraday con người đã có thể tạo ra được các dòng điện vô cùng lớn từ các máy phát điện và truyền tải đi khắp mọi nơi trên trái đất.
Michael Faraday
Ứng dụng của vật lý điện từ ngày nay đã có mặt ở hầu hết tất cả các thiết bị mà bạn đang dùng như điện thoại, máy tính, tivi, tủ lạnh, các loại máy móc, động cơ …
James Clerk Maxwell (1831 – 1879) vào năm 1864 đã đưa ra lý thuyết thống nhất vật lý điện từ trong một trường chung gọi là trường điện từ.
Kết luận: Lịch sử vật lý điện từ nói riêng và lịch sử vật lý nói chung đều xuất phát từ các hiện tượng trong tự nhiên, nó có thể được phát hiện một cách tình cờ hoặc có chủ đích thông qua các thí nghiệm vật lý, từ đó định hình xây dựng nên các lý thuyết vật lý xoay quanh nhằm nâng cao hiểu biết của con người về hiện tượng, lĩnh vực đó. Lý thuyết vật lý điện từ sẽ được học trong chương trình vật lý lớp 11 cơ bản và nâng cao.