Thuyết electron cổ điển và sự nhiễm điện

Thuyết electron dẫn đến nhiều hệ quả quan trọng, giải thích được các hiện tượng nhiễm điện và

tính chất điện của các vật.Trên cơ sở của thuyết electron cổ điển, nhiều thuyết vật lý mới ra đời như

thuyết electron về sự dẫn điện trong các môi trường, thuyết electron về tán sắc ánh sáng, thuyết

electron về sự phát xạ…[9]

Nội dung thuyết electron trong việc giải thích sự nhiễm điện của các vật:

- Bình thường tổng đại số các điện tích trong nguyên tử bằng không, nguyên tử trung hoà về

điện.

Nếu nguyên tử bị mất đi một số electron thì tổng đại số các điện tích trong nguyên tử là một số

dương, nó là một ion dương. Ngược lại nếu nguyên tử nhận thêm một số electron thì nó là ion âm.

- Khối lượng của electron rất nhỏ nên độ linh động của chúng rất lớn. Vì vậy, do một số điều kiện nào đó

(cọ xát, tiếp xúc, nung nóng,...) một số electron có thể bứt ra khỏi nguyên tử, di chuyển trong vật hay di

chuyển từ vật này sang vật khác. Electron di chuyển từ vật này sang vật khác làm cho các vật nhiễm

điện. Vật nhiễm điện âm là vật thừa electron, vật nhiễm điện dương là vật thiếu electron.[6]

4.2. Thành công của thuyết electron cổ điển

4.2.1. Giải thích được tính dẫn điện của kim loại:

Khi không có điện trường ngoài (do chuyển động nhiệt) khí electron chuyển động hỗn độn vạch ra

các quỹ đạo gần giống như các phân tử khí; lượng electron trung bình chuyển động bất kỳ về chiều nào

cũng bằng lượng electron chuyển động theo chiều ngược lại. Nghĩa là khi không có điện trường ngoài,

điện tích tổng cộng mang bởi các electron theo một chiều nào đó bằng không. Do đó trong kim loại

không có dòng điện.

Khi có điện trường ngoài các electron chuyển động theo một hướng xác định. Vì vậy khi có điện

trường ngoài, chuyển động thực của electron bao gồm chuyển động định hướng và chuyển động hỗn

độn và do đó xuất hiện chiều ưu tiên trong chuyển động của các electron. Trong trường hợp này lượng

electron chuyển động ngược chiều điện trường lớn hơn lượng electron chuyển động cùng chiều điện

truờng; khi đó có sự dịch chuyển điện tích, nghĩa là có xuất hiện dòng điện.



4.2.2. Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở.



Trong chuyển động có hướng, các electron tự do luôn luôn va chạm với các ion nằm ở các nút

mạng. Giữa hai lần va chạm liên tiếp, các electron chuyển động có gia tốc dưới tác dụng của lực điện

trường và có một năng lượng xác định (ngoài năng lượng của chuyển động nhiệt). Năng lượng của

chuyển động có hướng đó được truyền hoàn toàn hay một phần cho các ion dương khi va chạm và biến

thành năng lượng của dao động hỗn độn của các ion, tức là biến thành nhiệt. Vì vậy khi có dòng điện

chạy qua, kim loại nóng lên. Ngay sau khi trường ngoài không còn nữa, chuyển động có hướng của các

electron sẽ chuyển thành chuyển động nhiệt hỗn độn và dòng điện ngừng lại. Như vậy chuyển động có

hướng của các electron trong kim loại xảy ra với ma sát do các va chạm gây ra.Ta thấy nguyên nhân gây

ra điện trở là sự va chạm của các electron tự do và các ion dương của mạng tinh thể kim loại.

Các kim loại khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau. Do đó tác dụng “ngăn cản” chuyển

động có hướng của các electron trong mạng tinh thể khác nhau là khác nhau. Đó là lý do khiến cho điện

trở suất của kim loại khác nhau thì khác nhau.

Điện trở kim loại còn phụ thuộc và nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng các ion kim loại nằm ở nút mạng

dao động mạnh lên: xác suất va chạm của các electron tự do với ion càng lớn lên. Vì vậy điện trở kim

loại tăng khi nhiệt độ tăng.



4.2.3. Giải thích ba hiện tượng nhiễm điện

4.2.3.1 Sự nhiễm điện giữa các vật

Nhiễm điện do cọ xát

Sau khi cọ xát vào lụa (len) thanh thuỷ tinh có thể hút được các mẫu giấy vụn. Thanh thuỷ tinh

đã được nhiễm điện do cọ xát (hoặc cọ xát lông thú vào gỗ khô).



Hình 4.1



Khi khảo sát sự nhiễm điện của nhiều loại thuỷ tinh thì rằng đa số thuỷ tinh khi cọ xát vào dạ thì

nhiễm điện dương. Tuy nhiên cũng có loại thuỷ tinh khi cọ xát vào dạ lại nhiễm điện âm. Điều này phụ

thuộc vào tạp chất mà pha vào thuỷ tinh.

Các loại nhựa khi cọ xát vào dạ thường nhiễm điện âm. Tuy nhiên, cũng có loại nhựa khi cọ xát

vào dạ lại nhiễm điện dương.[7]

Nhiễm điện do tiếp xúc

Đưa thanh kim loại không chưa nhiễm điện chạm vào quả cầu đã nhiễm điện thì thanh kim loại

nhiễm điện cùng dấu với điện tích của quả cầu. Thanh kim loại đã được nhiễm điện do tiếp xúc. Đưa

thanh kim loại ra xa quả cầu thì thanh kim loại vẫn nhiễm điện.



Nhiễm điện do hưỏng ứng

Đưa thanh kim loại chưa nhiễm điện đến gần quả cầu đã nhiễm điện nhưng không chạm vào

quả cầu, thì hai đầu thanh kim loại được nhiễm điện. Đầu gần quả cầu hơn nhiễm điện trái dẫu với điện

tích của quả cầu, đầu xa hơn nhiễm điện cùng dấu với điện tích của quả cầu. Hiện tượng đó được gọi là

hiện tường hưởng ứng tĩnh điện, gọi tắt là hiện tượng điện hưởng.Thanh kim loại được nhiễm điện do

hưởng ứng. Đưa thanh kim loại ra xa quả cầu thì thanh kim loại lại trở về trạng thái không nhiễm điện

như lúc đầu.



Hình 4.3: Nhiễm điện do tiếp xúc



Hình 4.4

4.2.3.2. Giải thích ba hiện tượng nhiễm diện

Nhiễm điện do cọ xát



Cơ chế của hiện tượng nhiễm điện do cọ xát rất phức tạp, có nhiều điểm đến nay vẫn còn chưa

rõ ràng.

Ở trình độ PTTH, người ta thừa nhận cách giải thích hiện tượng nhiễm điện do cọ xát là kết quả

của sự di chuyển của electron từ vật này sang vật kia.

Nhiễm điện do tiếp xúc

Khi thanh kim loại trung hoà về điện tiếp xúc với quả cầu nhiễm điện âm, thì một phần trong số

electron thừa ở quả cầu di chuyển sang thanh kim loại. Vì thế thanh kim loại cũng thừa electron. Do đó

thanh kim loại nhiễm điện âm.

Ngược lại, nếu thanh kim loại trung hoà điện tiếp xúc với quả cầu nhiễm điện dương, thì một số

electron tự do từ thanh kim loại sẽ di chuyển sang quả cầu. Vì thế thanh kim loại trở thành thiếu

electron. Do đó, thanh kim loại nhiễm điện dương.



Hình 4.5: Nhiễm điện do tiếp xúc



Nhiễm điện do hưởng ứng

Thanh kim loại trung hoà điện đặt gần quả cầu nhiễm điện âm, thì các electron tự do trong

thanh kim loại bị đẩy ra xa quả cầu. Do đó đầu thanh kim loại xa quả cầu thừa electron, nên nhiễm điện

âm. Đầu thanh kim loại gần quả cầu thiếu electron, nên nhiễm điện dương.

Thanh kim loại đặt gần quả cầu nhiễm điện dương thì electron tự do trong thanh kim loại bị hút

lại gần quả cầu. Do đó, đầu thanh gần quả cầu thừa electron nên nhiễm điện âm, còn đầu kia thiếu

electron nên nhiễm điện dương.



Thực chất của nhiễm điện do hưởng ứng là sự phân bố lại điện tích trong thanh kim loại.



Hình 4.6: Nhiễm điện do hưởng ứng



4.3. Hạn chế của thuyết electron cổ điển

Thuyết electron cổ điển gặp khó khăn khi giải thích hiện tượng nhiễm điện do cọ xát.

Thuyết electron cổ điển không còn đúng với hiện tượng siêu dẫn. Khi vật ở trạng thái siêu dẫn,

điện trở của nó bằng không.



Hình 4.7: Điện trở của cột thuỷ ngân

phụ thuộc vào nhiệt độ



Sự sai lệch giữa thuyết electron cổ điển và thuyết lượng tử về vật rắn càng ít khi mật độ electron

dẫn càng bé và nhiệt độ càng cao. Đối với kim loại thì sự khác biệt giữa hai lý thuyết là rõ rệt vì mật độ

electron dẫn trong đó rất lớn. Còn trong các trường hợp khác mà mật độ electron là nhỏ (như đối với



electron trong chất khí hay nhiều hiện tượng trong chất bán dẫn) thuyết electron cổ điển áp dụng được

không những một cách định tính mà cả định lượng nữa.



4.4. Vài nét về thuyết electron hiện đại

Theo cơ học lượng tử, sự huỷ và sinh vật chất tuân theo các định luật bảo toàn năng xung lượng

là có thể xảy ra. Oppenheimer tuy không phải là người đầu tiên đưa ra ý tưởng về sự sinh cặp nhưng ông

và người học trò Milton S.Plesset đã đưa ra được sự mô tả chính xác đầu tiên về hiện tượng này vào

năm 1933. Một năm sau đó, Oppenheimer lại cùng với học trò Wendell H.Furry phát triển lý thuyết

electron –positron theo hình thức hiện đại. Họ chỉ ra rằng, điện tích được quan sát đối với electron

không phải điện tích thực mà được liên kết với một hiện tượng gọi là sự tái chuẩn hoá điện tích.



5. Định luật bảo toàn điện tích

Điện tích tuân theo định luật bảo toàn điện tích, có nhiều cách phát biểu khác nhau về định luật

bảo toàn điện tích:

♦ Tổng điện tích của một hệ kín là không thay đổi theo thời gian, không phụ thuộc vào các biến

đổi trong hệ. [1]

♦ Các điện tích không tự sinh ra mà cũng không tự mất đi, chúng chỉ có thể truyền từ vật này

sang vật khác hoặc dịch chuyển bên trong vật. [3]

♦ Điện tích của một vật hay một hệ vật đặt cô lập luôn luôn có giá trị không đổi. Cô lập ở đây

phải hiểu là biên của vật hay hệ vật không tiếp xúc với vật khác.[5]

Vậy nội dung của định luật bảo toàn điện tích

Tổng đại số các điện tích trong một hệ cô lập là không đổi.

Hệ cô lập về điện là hệ không trao đổi điện tích với các hệ khác.

Định luật bảo toàn điện tích được coi là một nguyên lý; nó không được chứng minh chặt chẽ. Cơ

sở duy nhất của nó là thực nghiệm; mọi kết quả thực nghiệm đều phù hợp với định luật này. Định luật

bảo toàn điện tích là một trong những định luật chính xác nhất của vật lý và có tính chất tuyệt đối đúng.



6. Định luật Cu-lông (Coulomb)



Hình 6.1: Nhà bác học Cu-lông



Thực nghiệm chứng tỏ các điện tích luôn luôn tương tác với nhau: Các điện tích cùng dấu đẩy

nhau, các điện tích khác dấu hút nhau. Tương tác giữa các điện tích đứng yên gọi là tương tác tĩnh điện.

Cu-lông dùng cân xoắn để khảo sát lực tương tác giữa hai quả cầu nhiễm điện có kích thước nhỏ

so với khoảng cách giữa chúng.



Hình 6.2: Cân xoắn Cu-lông



Năm 1785, Cu-lông đã thiết lập định luật thực nghiệm xác định lực tương tác giữa hai điện tích

điểm. Điện tích điểm là một vật mang điện có kích thước nhỏ không đáng kể so với khoảng cách từ điện

tích đó tới những điểm hoặc những vật mang điện khác mà ta khảo sát.



6.1. Định luật Cu-lông trong chân không

6.1.1. Nội dung