Dòng đối lưu và dòng dịch chuyển

15

Dòng đối lưu và dòng trộn

Đối với câu hỏi “Dòng điện là gì?” Họ thường trả lời như sau: đây là chuyển động có hướng của các điện tích dọc theo dây dẫn. Tuy nhiên, chỉ có một phần sự thật trong đáp số này. Để hình thành chính xác đáp số, hãy chuyển sang nguồn của câu hỏi.

Năm 1800, nhà vật lý người Ý Alexandro Volta đã phát hiện ra khả năng tạo ra dòng điện một chiều bằng nguồn điện. d.s., mà ngày nay chúng ta gọi là nguyên tố điện. Vào thời điểm đó, có giả thuyết cho rằng điện là chất lỏng không trọng lượng có khả năng xuyên qua các lỗ chân lông của cơ thể. Đương nhiên, dòng điện bắt đầu được biểu diễn dưới dạng chuyển động của chất lỏng này dọc theo mạch điện. Vật lý còn phải đi một chặng đường dài trước khi người ta xác định được rằng các hạt vật chất tích điện chuyển động bên trong dây dẫn.

Bước đầu tiên được thực hiện bởi Faraday, ông đã chỉ ra rằng trong nguồn điện, dòng điện tượng trưng cho chuyển động của các ion. Ion là một nguyên tử có sự thừa hoặc thiếu điện tích có dấu hiệu xác định được. Vì vậy, nó có hai đặc điểm - khối lượng và điện tích. Trong quá trình điện khí hóa, nó tách điện tích ra khỏi điện cực và đọng lại trên đó. Việc thu thập các honon đã lắng đọng tạo thành trầm tích, khối lượng của chúng có thể dễ dàng thay đổi.

Từ vô số thí nghiệm của Faraday, người ta suy ra rằng chúng có cùng hóa trị mang cùng một phần điện tích. Nhân tiện, chính kết luận này mà sau này (vào năm 1881) đã khiến Helmholtz đưa ra ý tưởng về sự tồn tại của một điện tích cơ bản (các nhà vật lý mới biết rằng nó liên kết với một hạt cơ bản - một electron - chỉ vào cuối thế kỷ 19).

Lưu ý rằng nếu Faraday bắt đầu từ ý tưởng về điện tích cơ bản và các định luật bảo toàn điện tích và vật chất, thì ông có thể thu được hai định luật của mình, vốn đòi hỏi nhiều năm khái niệm khó, từ những phép tính rất đơn giản. Giả sử rằng các ion $N$ chuyển động trong nguồn điện, mỗi ion mang một điện tích $Ze_0$, trong đó $Z$ là hóa trị, $e_0$ là độ lớn của điện tích cơ bản. Khi đó khối lượng ion lắng đọng trên điện cực sẽ là

$$M = Nm_0,$$

trong đó $m_0$ là khối lượng của ion. Những ion này mang điện tích tới điện cực

$$q = NZe_0.$$

Chia (1) cho (2), ta được

$$M = \frac{m_0}{Ze_0} q.$$

Ký hiệu $\frac{m_0}{Ze_0} = k$, ta thu được định luật Faraday thứ nhất:

$$M = kq.$$

Nhân và chia biểu thức của $k$ với số Avogadro $N_A$:

$$k = \frac{N_A \cdot m_0}{Ze_0 N_A} = \frac{\mu}{Ze_0 N_A} = \frac{1}{F} \frac{\mu}{Z},$$

trong đó $\mu$ là khối lượng mol của chất, $F = N_Ae_0$ là số Faraday.

Điều này dẫn đến định luật thứ hai của Faraday.

Do đó, các định luật Farad là hệ quả của các định luật bảo toàn và sự tồn tại của điện tích cơ bản. Biểu thức (3) cho thấy ý nghĩa vật lý của đương lượng điện hóa Faraday của một chất: khối lượng hiệu dụng của một chất lắng đọng trong một xung điện phụ thuộc vào tỷ số điện tích của ion với khối lượng của nó. Từ (3) và (4) suy ra rằng để thu được kết tủa có khối lượng lớn hơn thì phải có chất có khối lượng mol cao hơn và hóa trị thấp hơn.

Tỷ lệ điện tích của một vật thể với khối lượng của nó trong vật lý thường được gọi là độ đặc hiệu.

16

không có phí. Đây là một số lượng rất quan trọng. Cần nhấn mạnh ngay rằng có một sự khác biệt rất lớn về độ lớn điện tích riêng của các vật thể vi điện. Đối với hạt cơ bản “nhẹ” - electron

$$\frac{e_0}{m_e} = \frac{1,6 \cdot 10^{-19} \text{KJ}}{9,1 \cdot 10^{-31} \text{Kr}} \approx 2 \cdot 10^{11} \text{KJ/kr}$$

cho “nặng” - proton

$$\frac{e_0}{m_p} \approx 10^8 \text{KJ/kr}.$$

Để tạo ấn tượng cho các giá trị này, chúng ta hãy thử tính điện tích riêng của một quả bóng có bán kính 1 cm làm bằng hợp kim nhôm có mật độ $\rho = 2 \cdot 10^3 \text{kr/m}^3$. Khối lượng của nó

$$m = \rho V = 4/3 \pi r^3 \cdot \rho \approx \frac{4 \cdot 3,14}{3} (10^{-2})^3 \cdot 2 \times 10^3 \text{kr} \approx 8 \cdot 10^{-3} \text{kr}.$$

Một quả bóng như vậy có thể chịu điện tích gì? Người ta biết rằng dòng điện tích mạnh từ bề mặt cơ thể bắt đầu khi điện trường có hướng $E_0 \approx 3 \cdot 10^6 \text{B/m}$. Điện áp trường của một quả cầu có bán kính $r$ có điện tích $q$ bằng

$$E = \frac{1}{4 \pi \epsilon_0} \frac{q}{r^2}.$$

Điện tích tối đa mà một quả cầu như vậy có thể “giữ” được xác định bởi điều kiện $E = E_0$. Như vậy,

$$q_{\text{max}} = 4 \pi \epsilon_0 r^2 E_0 \approx 4 \cdot 3,14 \cdot 8,86 \times 10^{-12} (10^{-2})^2 \cdot 3 \cdot 10^6 \text{KJ} \approx 3 \cdot 10^{-8} \text{KJ}.$$

Vậy điện tích riêng cực đại của quả cầu nhôm sẽ là

$$\frac{q_{\text{max}}}{m} \approx \frac{3 \cdot 10^{-8} \text{KJ}}{8 \cdot 10^{-3} \text{kr}} \approx 4 \cdot 10^{-6} \text{KJ/kr}.$$

Điện tích riêng của proton lớn hơn điện tích riêng của quả bóng nhôm $10^{13}$ lần!

Hãy tưởng tượng rằng chúng ta muốn có được dòng điện 1A bằng cách sử dụng các quả bóng nhôm tích điện. Theo định nghĩa $I = q/t$. Điện tích của một quả bóng được ký hiệu là $q_1$; thì $q = Nq_1$, trong đó $N$ là số quả bóng. Hiện tại $I = \frac{Nq_1}{t}$ và $N = \frac{It}{q_1} \approx \frac{1A \cdot 1c}{3 \cdot 10^{-8} \text{KJ}} \approx 3 \cdot 10^7$.

Dòng chảy của các viên bi phải sao cho 30 ml đi qua bệ cố định trong một giây. quả bóng! Nếu chúng ta tưởng tượng dòng chảy này trong một đường ống thì tiết diện của nó sẽ là

$$S = N \pi r^2 = 3,14 \cdot 30 \cdot 10^6 \times (10^{-2})^2 \text{m}^2 \approx 10^4 \text{m}^2!$$

Đồng thời, dòng điện một ampe đi qua một dây có đường kính một phần milimet, chỉ làm nóng nó. Điều này được giải thích chính xác là do các vi điện (electron) có điện tích riêng lớn.

Chúng ta hãy quay trở lại câu hỏi về bản chất của dòng điện. Dòng điện được tạo ra do sự chuyển động của các hạt tích điện. Không phải điện tích, mà là các hạt tích điện! Và mặc dù chúng ta viết $I = q/t$, nhưng theo điện tích $q$, chúng ta muốn nói đến tổng điện tích của các hạt có khối lượng nhất định. Vì vậy dòng điện có tính chất cơ học. Chúng được phát hiện lần đầu tiên trong các thí nghiệm của Tolman và Stewart. Chất solenua, ở hai đầu của nó có gắn một điện kế, được đặt ở chế độ quay nhanh rồi dừng lại đột ngột. Điện kế ghi lại dòng điện và hướng của dòng điện này tương ứng với chuyển động của các hạt tích điện. Trong những thí nghiệm này, điện tích riêng của các hạt, chuyển động xác định dòng điện, đã thay đổi. Hóa ra giá trị tìm được trùng với giá trị điện tích riêng của electron, tìm được từ độ lệch của điện trường và từ trường. Các thí nghiệm của Tolman và Stewart lần đầu tiên tiết lộ sự tồn tại của các electron tự do trong kim loại. Được liên kết yếu với mạng tinh thể, sau khi solenua dừng lại, các electron tiếp tục chuyển động theo quán tính - xuất hiện dòng điện ngắn hạn.

Trong nguồn điện, dòng điện là một dòng điện kép di chuyển ngược chiều nhau. Các ion có cùng điện tích nhưng khối lượng khác nhau. Ví dụ, trong dung dịch đồng sunfat, các hạt mang dòng điện là $\text{Cu}^{++}$ và $\text{SO}_4^{2-}$. Khối lượng đồng của nó là 63,5 a. ví dụ, khối lượng của nó là $\text{SO}_4^{2-} - 32,1 + 4 \cdot 16 - 96,1$ - lớn hơn nhiều. Trên một thí nghiệm đơn giản có thể

17

Pis. 1.

đặt ở nhà rất dễ nhận ra sự khác biệt này.

Một bình có hai điện cực chứa đầy dung dịch đồng sunfat. Các vật thể nhẹ, chẳng hạn như những mảnh giấy nhỏ, đọng lại trên bề mặt chất lỏng. Dòng điện một chiều được bật. Nếu bạn đưa một nam châm vĩnh cửu lại gần lọ (Hình 1), các mảnh giấy sẽ bắt đầu quay. Hiệu ứng này được giải thích là do lực Lorentz tác dụng lên các ion chuyển động trong từ trường làm chúng bị xoắn. Những cái quay mang theo các phân tử nước và toàn bộ chất lỏng bắt đầu quay. Các mảnh giấy nổi trên bề mặt được cố định hiệu quả. ECT Đương nhiên, lực Lorentz làm xoắn cả C++ và SO₄⁻. Tuy nhiên, hướng quay của chất lỏng được xác định bởi hướng chuyển động của các ion nặng hơn (ion SO₄⁻). Chuyển động quay gây ra bởi sự gia tăng các nút C++ nhẹ bị “ngăn chặn” bởi chuyển động quay của các nút SO₄⁻ nặng hơn. Sự thay đổi hướng của dòng điện hoặc cực tính của nam châm dẫn đến sự thay đổi hướng quay của chất điện phân.

Một hiệu ứng tương tự xảy ra trong trường hợp điện tích “rút cạn” từ đầu nhọn.

Được biết, mật độ của các bộ phận chịu tải tăng mạnh theo hướng của đầu nên xung quanh nó có một điện trường mạnh đáng kể. Các phân tử không khí trung tính trong trường như vậy không bị ion hóa. Nếu đầu nhọn mang điện dương thì các electron trong không khí sẽ chảy vào đầu nhọn và các ion dương sẽ chuyển động theo hướng ngược lại. Dòng của các onon này cuốn theo các phân tử không khí trung tính, giống như dòng của các onon trong chất điện phân cuốn theo các phân tử nước. Cái gọi là “gió điện” được tạo ra. Franklin đã chứng minh kinh nghiệm thổi tắt ngọn nến với cơn gió như vậy vào giữa thế kỷ 18.

Trong các trường hợp được xem xét, chúng ta đang xử lý dòng đối lưu của chất lỏng và không khí. Chính trải nghiệm lịch sử về việc thổi tắt một ngọn nến đã dẫn đến một dòng đối lưu dễ hiểu. Người ta tin rằng, cùng với sự đối lưu thông thường - dòng chuyển động của các hạt trung tính - còn có sự đối lưu điện - dòng chuyển động của các hạt tích điện. Thật vậy, nghiên cứu sâu hơn đã chỉ ra rằng dòng điện trong kim loại, chất điện phân và chất khí dễ bị ảnh hưởng bởi dòng hạt tích điện. Vì các hạt có khối lượng nên không có sự khác biệt cơ bản giữa đối lưu thông thường và đối lưu điện. Trong một tác phẩm năm 1875, Helmoholtz viết: “Tôi dùng từ này [đối lưu - V.D.] theo nghĩa nó được dùng trong lý thuyết về nhiệt, để chỉ sự lan truyền điện thông qua chuyển động của các vật tích điện”. Helmoholtz đã đặt ra một câu hỏi cơ bản quan trọng: liệu chuyển động của các vật vĩ mô tích điện (ví dụ, các quả bóng nhôm của chúng ta) có thể được coi là một dòng đối lưu thông thường hay không.

Đáp số Câu hỏi này có thể được trả lời bằng một thí nghiệm tương tự như thí nghiệm do nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christan Oersted thực hiện vào năm 1820. Ông phát hiện ra rằng nếu một kim nam châm được đặt gần một dây dẫn có dòng điện thì nó sẽ bị lệch. Con trỏ chịu tác dụng của một lực tỉ lệ với cường độ dòng điện. Hướng của lực này phụ thuộc vào hướng của dòng điện.

Helmoholtz đề nghị học trò của ông là Henry Rowland thực hiện thí nghiệm sau: sạc đĩa, đặt

18

Hình 2.

Đặt một kim nam châm gần nó và cho đĩa quay. Nếu chuyển động quay của một đĩa tích điện tương đương với dòng điện (qua một mạch kín), thì, như trong trường hợp dòng điện, sự quay của đĩa sẽ gây ra sự xuất hiện của từ trường.

Quả thực, Rowland đã phát hiện ra sự lệch của kim nam châm. Cuộc thử nghiệm thật khó khăn. Như đã đề cập, các cơ quan macrosopper không thể “vận chuyển” các điện tích lớn. Vì vậy, cần phải thay đổi từ trường của dòng điện rất yếu.

Vì vậy, dòng điện trong tất cả các chất - lỏng, rắn, khí - đều bị khử thành dòng đối lưu. Dòng điện có thể tồn tại trong chân không nơi không có hạt vật chất không? Chúng ta hãy chuyển sang thí nghiệm, sơ đồ được hiển thị trong Hình 3. Nếu bạn bật nguồn biến emf, ampe sẽ cố định dòng điện. Thí nghiệm cho kết quả sau. Độ lớn của dòng điện trong mạch tỷ lệ thuận với tần số dao động do nguồn emf tạo ra và giá trị emf của bộ đối lưu. Kinh nghiệm được mô tả đã được biết đến vào thế kỷ trước. Họ giải thích theo cách này: nguồn gốc của E.m.f. làm cho các hạt tích điện dao động trong vật dẫn nối các tấm, chúng “chạy” từ tấm này sang tấm khác, trong khi không có gì xảy ra giữa các tấm hoặc có chân không. Trong những lập luận này, dòng điện được biểu diễn dưới dạng một quá trình chuyển động cơ học của các hạt tích điện.

Nhà vật lý lỗi lạc người Anh James Clerk Maxwell đã đưa ra một ý tưởng mới về cơ bản. Chuyển động của các hạt tích điện gắn liền với điện trường và từ trường. Một sự thay đổi trong dòng điện dẫn đến một sự thay đổi trong các trường. Faraday đã phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ, theo Maxwell, hiện tượng này được quy về sự xuất hiện của một điện trường khi từ trường thay đổi. Tự tin vào hiện tượng điện từ đối xứng, Maxwell đề xuất rằng những thay đổi trong điện trường sẽ tạo ra từ trường.

Trong mạch điện ở hình 3, điện trường thay đổi giữa các bản của tụ điện. Theo Maxwell, quá trình này dẫn đến sự xuất hiện của từ trường. Nhưng từ trường là do dòng điện gây ra. Do đó, quá trình xảy ra giữa các bản của tụ điện có thể được hiểu là dòng điện. Không có “kết thúc” của hiện tại. Nếu mạch bị đứt bởi chất điện môi hoặc chân không, dòng điện vẫn tiếp tục đi, chỉ có điều nó sẽ có bản chất khác. Maxwell gọi dòng điện này là dòng điện trộn. Nguồn gốc của thuật ngữ này như sau. Maxwell gợi ý rằng không gian dường như trống rỗng đối với chúng ta, được lấp đầy bằng một môi trường vật chất có tính chất đặc biệt - ether. Ether có cấu trúc tế bào (chẳng hạn như mạng tinh thể) và dưới tác dụng của lực điện trường, các tế bào có thể bị biến dạng - dịch chuyển, giống như các hạt điện môi dịch chuyển.

Dòng điện có thể được gây ra bởi sự đối lưu hoặc hỗn hợp. Trong trường hợp dòng đối lưu, cường độ của nó tỷ lệ thuận với tốc độ chuyển động của các hạt tích điện; Dòng trộn được xác định bởi tốc độ trộn và nó tỷ lệ thuận với tần số dao động. Điện dung của tụ điện càng lớn thì thể tích ether càng lớn (ở một khoảng cách nhất định giữa các bản), do đó hiệu ứng trộn càng lớn. Đây là hình ảnh vật lý.

Maxwell đã trình bày các tính chất toán học của giả thuyết như sau:

$$i_{\text{CM}} = \varepsilon_0 S \frac{dE}{dt}$$

• dòng điện trộn tỷ lệ với diện tích S của phần ngắt mạch (hoặc diện tích của mặt phẳng tụ điện) và tốc độ thay đổi cường độ điện trường ($\varepsilon_0 = 8,86 \cdot 10^{-12} \text{ Ф}/\text{м}$).