Tài liệu Triển khai bộ thí nghiệm xác định giá trị điện tích nguyên tố theo phương pháp giọt dầu của millikan

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  VĂN THỊ TRÚC LINH ĐỀ TÀI: TRIỂN KHAI BỘ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ ĐIỆN TÍCH NGUYÊN TỐ THEO PHƯƠNG PHÁP GIỌT DẦU CỦA MILLIKAN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP + U +z q.U/d -𝐹𝑟 -mg �⃗ 𝐄 Thành phố Hồ Chí Minh – 2012 d BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  ĐỀ TÀI: TRIỂN KHAI BỘ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ ĐIỆN TÍCH NGUYÊN TỐ THEO PHƯƠNG PHÁP GIỌT DẦU CỦA MILLIKAN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn : TS. NGUYỄN LÂM DUY Sinh viên thực hiện : VĂN THỊ TRÚC LINH Thành phố Hồ Chí Minh – 2012 LỜI CẢM ƠN Suốt thời gian qua để có thể thực hiện và hoàn thành bài luận này là nhờ vào kiến thức tích lũy được trong 5 năm đại học dưới sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô. Bên cạnh sự cố gắng của bản thân, em cũng đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ các thầy cô và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong khoa Vật lý đã truyền đạt kiến thức, các thầy cô phụ trách phòng thí nghiệm vật lý nâng cao trường Đại học Sư Phạm đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình đo đạt thực nghiệm. Và nhất là em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Lâm Duy, thầy đã trực tiếp hướng dẫn em thực hiện bài khóa luận, giúp em những kiến thức chuyên môn cũng như kiến thức thực tế trong quá trình thực hiện khóa luận. Chính nhờ sự động viên, đôn đốc, sự nhiệt tình, ân cần, chu đáo của thầy là động lực lớn giúp em hoàn thành bài luận văn này. Em cũng xin cảm ơn đến thầy phản biện đã dành thời gian đọc và đóng góp ý kiến cho bài khóa luận này được hoàn thành tốt hơn. Cảm ơn các bạn bè đã quan tâm chia sẻ trong thời gian qua. MỞ ĐẦU 1. Mục đích đề tài Việc phối hợp các thí nghiệm chứng minh vào các tiết dạy Vật lý là rất cần thiết và phù hợp với đặc trưng thực nghiệm của môn học. Sau quá trình nghiên cứu những kiến thức về điện tích-điện tích nguyên tố, chúng tôi muốn sử dụng những kiến thức này vào việc triển khai một bộ thí nghiệm. Trong quá trình triển khai bộ thí nghiệm chúng tôi tìm ra những ưu nhược điểm của bộ thí nghiệm và có hướng khắc phục một số nhược điểm để cải thiện kết quả thí nghiệm. Vì những lý do như trên nên chúng tôi quyết định chọn đề tài khoa học là “Triển khai bộ thí nghiệm xác định giá trị điện tích nguyên tố theo phương pháp giọt dầu Millikan” 2. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu những kiến thức về điện tích-điện tích nguyên tố, cơ học chất lưu. - Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị. - Thực hiện thí nghiệm trên thiết bị có tại phòng thí nghiệm Vật lý nâng cao. - Rút ra kết luận để việc sử dụng đồ dùng dạy học Vật lý ngày càng hiệu quả và hoàn thiện hơn. 3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Kiến thức cơ bản về điện tích-điện tích nguyên tố, cơ học chất lưu. Triển khai bộ thí nghiệm. - Phạm vi nghiên cứu: Thí nghiệm khảo sát chuyển động của giọt dầu trong điện trường đều từ đó xác định điện tích nguyên tố e 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu về kiến thức điện tích-điện tích nguyên tố, cơ học chất lưu. - Xác định các dụng cụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động các bộ phận của bộ thí nghiệm. - Triển khai bộ thí nghiệm. Ứng dụng thiết bị vừa thiết lập để đo đạc và lấy số liệu thực nghiệm. - Rút ra những kết luận. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: - Đọc, nghiên cứu tài liệu về điện tích-điện tích nguyên tố, cơ học chất lưu.; kiến thức vật lý về chuyển động của một vật trong lưu chất. -Nhờ giảng viên hướng dẫn và bạn bè góp ý để xây dựng sơ đồ và cấu tạo của thiết bị thí nghiệm. -Thu thập tài liệu ở các sách và trên mạng Internet. -Tổng hợp, phân tích, chứng minh, so sánh, khái quát tài liệu thu thập được. Phương pháp thực nghiệm: Kiểm tra cấu tạo và hoạt động ở từng bộ phận của bộ thí nghiệm, rút ra ưu – nhược điểm. DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Hình 1.1: Nhà bác học R.A.Millikan ....................................................................... 4 Hình 1.2: Thiết bị thí nghiệm thí nghiệm của Millikan ........................................... 5 Hình 1.3: Một vài số liệu thí nghiệm của Millikam ................................................. 7 Hình 1.4: Lực tương tác hai điện tích .................................................................... 12 Hình 1.5: Điện trường do điện tích q gây ra .......................................................... 15 Hình 1.6: Điện trường giữa hai bản tụ điện ........................................................... 15 Hình 2.1: Lực nội ma sát giữa hai lớp chất lưu ...................................................... 17 Hình 2.2: Hình 2.3: Quả cầu chuyển động tịnh tiến trong khối chất lưu ............................... 18 Hình 2.4: Hai bản mỏng nhúng vào lưu chất ......................................................... 19 Hình 2.5: Ống trụ dài L .......................................................................................... 20 Hình 2.6: Chất lưu chảy thành lớp ......................................................................... 22 Hình 2.7: Chất lỏng chảy qua vật rắn, tạo thành các chỗ xoáy .............................. 23 Hình 2.8: Hằng số k phụ thuộc hình dạng vật rắn.................................................. 24 Hình 3.1: Mô hình hai bản tụ điện trong thí nghiệm Millikan ............................... 26 Hình 3.2: Giọt dầu chuyển động trong trọng trường ............................................. 26 Hình 3.3: Điện trường giữa hai bản tụ ................................................................... 28 Hình 3.4: Giọt dầu tích điện âm đi lên phía trên .................................................... 29 Hình 3.5: Tụ điện ................................................................................................... 32 Hình 3.6: Kính hiển vi ............................................................................................ 32 Hình 3.7: Đèn ......................................................................................................... 33 Hình 3.8: Bơm dầu phun dạng hơi ......................................................................... 33 Hình 3.9: Bên ngoài công tắc điều khiển ............................................................... 34 Hình 3.10: Bên trong công tắc điều khiển ............................................................. 34 Hình 3.11: Nguồn điện ........................................................................................... 34 Hình 3.12: Hệ thống quang học ............................................................................. 35 Hình 3.13: Sơ đồ thí nghiệm .................................................................................. 36 Hình 3.14:Hình ảnh một giọt dầu ........................................................................... 38 Hình 3.15: Mô hình hai bản tụ điện trong thí nghiệm Millikan ............................. 54 Hình 3.16: Giọt dầu tích điện âm đi lên phía trên .................................................. 55 Hình 3.17: Sơ đồ thí nghiệm .................................................................................. 58 Hình 3.18: Bên ngoài công tắc điều khiển ............................................................. 58 Hình 3.19: Bên trong công tắc điều khiển ............................................................. 58 Hình 3.12: Hệ thống quang học ............................................................................. 59 ĐỒ THỊ Đồ thị 3.1: Khảo sát phân bố điện tích của 7 giọt dầu ........................................... 42 Đồ thị 3.2: Khảo sát phân bố điện tích của 75 giọt dầu ........................................ 50 Đồ thị 3.3: Mật độ phân bố điện tích của 75 giọt dầu ........................................... 52 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 3 MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 4 DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ ................................................................ 6 ĐỒ THỊ............................................................................................................. 7 MỤC LỤC ........................................................................................................ 8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỆN TÍCH - ĐIỆN TÍCH NGUYÊN TỐ ............................................................. 10 1.1. Lịch sử nghiên cứu về điện tích ......................................................................10 1.2. Điện tích- điện tích nguyên tố ........................................................................16 1.2.1 Điện tích ...................................................................................................16 1.2.2 Sự nhiễm điện của các vật và tương tác điện từ ...................................17 1.2.4 Định luật bảo toàn điện tích ...................................................................19 1.2.5 Ðiện tích nguyên tố..................................................................................20 1.3. Điện trường-lực điện trường ...........................................................................21 1.3.1 Định luật Coulomb ..................................................................................21 1.3.2 Vectơ cường độ điện trường ........................................................................23 CHƯƠNG II: CƠ HỌC CHẤT LƯU ......................................................... 26 2.1. Hiện tượng nội ma sát- công thức Stokes.......................................................26 2.1.1 Hiện tượng nội ma sát và định luật Newton [3] ...................................26 2.2. Chuyển động của chất lưu thực[2] .................................................................27 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM ................................................ 34 3.1. Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm .......................................................................34 3.1.1. Mục đích thí nghiệm ...................................................................................34 3.1.2. Cơ sở lý thuyết thí nghiệm [5] ....................................................................34 3.2. Cách tiến hành-quan sát thí nghiệm ..............................................................41 3.2.1. Dụng cụ thí nghiệm: ...................................................................................41 3.2.2. Sơ đồ thí nghiệm-lắp đặt thí nghiệm ..........................................................44 3.2.3. Các bước tiến hành thí nghiệm ...................................................................47 3.3. Xử lý số liệu-kết quả thí nghiệm [5] ...............................................................50 3.3.1. Sai số phép đo giátrị điện tích giọt dầu.......................................................50 3.3.2. Số liệu có được khi chưa lắp đặt hệ thống máy tính và camera ngoài .......50 3.3.3. Số liệu có được khi lắp đặt hệ thống máy tính và camera ngoài ................52 3.3.4. Bán kính giọt dầu r......................................................................................55 3.3.5. Điện tích giọt dầu- điện tích nguyên tố e....................................................56 3.3.6. Mẫu bài thí nghiệm xác định điện tích nguyên tố e bằng phương pháp giọt dầu của Millikan ...................................................................................................64 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN .......................................................................... 74 4.1 Kết luận ........................................................................................................74 4.2 Đề xuất và hướng phát triển ......................................................................74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 75 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỆN TÍCH - ĐIỆN TÍCH NGUYÊN TỐ 1.1. Lịch sử nghiên cứu về điện tích Từ năm 600 trước Công Nguyên những người Hy Lạp cổ đã biết rằng nếu cọ xát hổ phách thì nó có thể hút được những mẩu giấy. Các nhà tư tưởng thời Cổ đại và Trung đại bị vướng mắc bởi việc thiếu công cụ, bởi một phương pháp không hoàn thiện, bởi đức tin tôn giáo hoặc các tổ chức ngăn cấm, và các tư tưởng bảo thủ đã làm tiến trình nghiên cứu gián đoạn. Cho đến trước năm 1672 cũng chưa có một tiến bộ nào trong việc nghiên cứu về điện. Vào năm 1672, ông Otto Fon Gerryk khi để tay bên cạnh quả cầu bằng lưu huỳnh đang quay đã nhận được sự tích điện lớn hơn. Vào năm 1729, ông Stefan Grey đã tìm ra 1 số chất, trong đó có kim loại, có thể dẫn điện. Những chất như vậy gọi là những chất dẫn điện. Ông ta cũng phát hiện ra rằng những chất khác như thuỷ tinh, lưu huỳnh, hổ phách và sáp không dẫn điện. Những chất đó được gọi là những chất cách điện. Nhà hóa học người Pháp Charles-François de Cisternay du Fay đã lặp lại và dẫn giải về những thí nghiệm của Guericke và những người khác, đi đến một sự hiểu biết đầy đủ hơn về lực đẩy điện. Trong khi thực hiện như vậy, ông đã thu được một số kết luận quan trọng, như là đa số các vật có thể làm cho nhiễm điện chỉ bằng cách cọ xát chúng, và các chất dẫn điện tốt hơn khi bị ẩm ướt. Nhưng khám phá quan trọng nhất của du Fay là sự tồn tại của hai loại điện. Ông đã suy luận ra kết luận này với thí nghiệm sau đây. Thứ nhất, nhà hóa học đã mang một lá vàng đến tiếp xúc với một quả cầu thủy tinh bằng cách cọ xát, người ta trông đợi nó hút, nhưng nó đẩy lá vàng ra. Sau đó, ông đặt lá vàng gần một vật bị cọ xát khác – lần này là một miếng nhựa copal giống hổ phách, và ngạc nhiên thấy lá vàng hút nhựa copal. Ông đã trông đợi hai vật nhiễm điện đó đẩy lẫn nhau. Du Fay xác định phải có hai loại điện, và đặt tên một loại là điện thủy tinh và một loại là điện nhựa. Một số chất tạo ra loại điện thứ nhất, còn một số chất phát ra loại thứ hai. Mặc dù Du Fay đã quan sát rất kỹ những tính chất đối lập, nhưng ông đã sai trong giải thích của ông về chúng. Năm 1733 khi một người Pháp có tên là Duy Phey tìm ra vật tích điện dương và vật tích điện âm, mặc dù ông cho rằng đó là 2 loại điện khác nhau. Tuy nhiên, lý thuyết giải thích hiện tượng này không xuất hiện cho đến khi năm 1747, Benjamin Franklin đã đề xuất rằng tất cả các chất trong tự nhiên đều có chứa “hai chất lỏng điện”. Khi 2 chất va chạm vào nhau thì một số “chất lỏng” của chất này sẽ bị lấy sang chất khác. Ngày nay chúng ta nói “chất lỏng” được cấu tạo từ những điện tử mang điện tích âm. Năm 1747, sau khi ông có một ống thủy tinh và vải vóc để làm thí nghiệm với chúng. Với dụng cụ này và một máy phát tĩnh điện do ông chế tạo, ông đã lao vào một loạt thí nghiệm đưa ông đến chỗ tin rằng chỉ có một loại điện mà thôi, thay vì hai loại mà du Fay đã nêu ra vài năm trước đó. Franklin lí giải rằng tính chất đẩy và hút quan sát thấy ở các chất khác nhau dưới những trường hợp khác nhau là do hàm lượng tương đối của chất lỏng này bên trong chất, thay vì những loại chất lỏng khác nhau. Ông còn kết luận rằng chất lỏng này tìm thấy trong mọi vật, nó có thể truyền từ vật này sang vật kia. Nghiên cứu của Franklin còn dẫn kết luận: điện không thể được tạo ra, nó cũng không thể bị mất đi. Thay vì vậy, sự mất điện ở vật này mang lại sự thu thêm điện ở vật kia. Điều này là nguyên lí bảo toàn điện tích. Các chất nhận thêm điện tích, theo lí thuyết của Franklin, là dương, còn các chất cho đi điện tích là âm. Ông đề xuất rằng vật chất ở trạng thái trung hòa cho thấy không có tính chất điện bởi vì nó chứa một lượng bằng nhau của hai chất lỏng đã được gọi là điện dương và âm, tương ứng. Franklin cũng công nhận sự tồn tại của một hạt điện đủ nhỏ trong vật chất. Thí nghiệm Faraday trong chất điện phân, đã chứng minh rằng khi một dòng điện qua chất điện phân, khối lượng của các hợp chất tại điện cực tỷ lệ đương lượng hóa học của các hợp chất, cũng hỗ trợ cho khái niệm một hạt điện nguyên tố của Franklin. Khảo sát về electron Vào cuối thập kỷ đầu tiên của thế kỷ thứ 19, người ta đã nghiên cứu ống chùm ca-tốt (cathode ray tube). Ống chùm ca-tốt là một ống thuỷ tinh, bên trong có chứa khí có áp suất thấp, một đầu của ống là cực dương, và đầu kia là cực âm. Hai cực đó được nối với một nguồn có điện thế khác nhau, nguồn này tạo ra một dòng hạt có thể đi qua khí bên trong ống. Người ta giả thiết rằng có một chùm hạt phát ra từ cực âm đi về phía cực dương và làm cho ống phát sáng. Chùm đó được gọi là chùm ca-tốt. Khi đặt một chướng ngại vật trong ống thì vật đó bị di chuyển từ cực âm về dương, người ta kết luận hạt đó có khối lượng. Khi đặt một điện trường vào thì dòng hạt bị dịch chuyển, người ta kết luận hạt đó có điện tích. Năm 1897, nhà vật lý người Anh Joseph John Thompson (1856-1940) đã kiểm chứng hiện tượng này bằng rất nhiều thí nghiệm khác nhau, ông đã đo được tỷ số giữa khối lượng của hạt và điện tích của nó bằng độ lệch hướng của chùm tia trong các từ trường và điện trường khác nhau. Thompson dùng rất nhiều các kim loại khác nhau làm cực dương và cực âm đồng thời thay đổi nhiều loại khí trong ống. Ông thấy rằng độ lệch của chùm tia có thể tiên đoán bằng công thức toán học. Thomson tìm thấy tỷ số điện tích/khối lượng là một hằng số không phụ thuộc vào việc ông dùng vật liệu gì. Ông kết luận rằng tất cả các chùm ca-tốt đều được tạo thành từ một loại hạt mà sau này nhà vật lý người Ái Nhĩ Lan George Johnstone Stoney đặt tên là "electron", vào năm 1891. Thí nghiệm đầu tiên được tiến hành đo điện tích ion do Townsend tiến hành vào những năm 1890. [9] 1. Ông giả định rằng trong hơi nước bão hòa, số ion bằng số giọt. 2. Ông tìm trọng lượng tổng cộng của đám mây hơi nước bằng cách chuyển nó qua ống và xác định sự tăng trọng lượng trong ống này. 3. Ông tìm trọng lượng trung bình của các giọt nước trong đám mây hơi nước bằng cách quan sát tốc độ rơi trong trọng trường và tính được bán kính của chúng bằng định luật Stokes. 4. Ông chia trọng lượng của cả đám mây hơi nước cho giá trị trọng lượng trung bình một giọt nước thì sẽ được số giọt nước. Nếu giả định ở trên là đúng thì số giọt nước bằng số ion, và chia tổng điện tích trên 1𝑐𝑚3 khí cho số ion, thì sẽ thu được điện tích trung bình một ion. Townsen tìm được e= 3. 10−10 e.s.u. Thompson năm 1900, phương pháp tương tự ông thu được e=6. 10−10 e.s.u Wilson cải tiến phương pháp mà Townsen và Thompson đã làm, bằng hai bản tụ nối với nguồn 2000 vôn, đo vận tốc đám mây rơi trong trọng trường không điện trường, vận tốc chuyển động khi có điện trường, từ đó ông thu được e= 3,1. 10−10 e.s.u. Millikan khảo sát về electron Ông đã cải tiến thí nghiệm của Wilson ông dùng một hiệu điện thế cao giữa hai bản tụ. Vận tốc rơi thay đổi chiều. Một số giọt mang điện chuyển động lên trên, một số chuyển động nhanh xuống phía dưới, trong khi đó một số giọt không mang điện không bị ảnh hưởng và tiếp tục di chuyển xuống. Một vài giọt mang điện tích riêng, trọng lực có thể cân bằng với lực điện trường, bằng cách điều chỉnh điện áp, Millikan có thể làm cân bằng các giọt này. Với phương pháp cân bằng này Millikan có thể thu được tính chất các điện tích và xác định điện tích của các giọt. Phương pháp giot dầu Millikan xác định điện tích nguyên tố e [6] Hình 1.1Nhà bác học R.A.Millikan [6] Một thí nghiệm năm 1911 do nhà vật lí Robert Millikan thực hiện ở trường đại học Chicago. Hãy xét một dòng giọt nước hoa hoặc chất lỏng khác cho thổi qua một lỗ đinh ghim nhỏ xí. Các giọt đi ra từ lỗ phải nhỏ, vì dòng xoáy của không khí có xu hướng làm tản loạn chúng ra. Millikan lập luận rằng những giọt đó có điện tích khi chúng cọ xát lên thành lỗ mà chúng đi qua, và nếu mô hình hạt tích điện của điện học là đúng đắn, thì điện tích có thể tách vỡ trong số nhiều giọt chất lỏng nhỏ nên một giọt có thể có lượng điện tích toàn phần dư một vài hạt tích điện– có lẽ là sự dư thừa của một hạt tích điện dương trên một giọt nhất định, hoặc sự dư thừa hai điện tích âm trên giọt khác. Thiết bị khéo léo của Millikan gồm hai bản kim loại, chúng có khả năng tích điện khi cần thiết. Ông phun một đám giọt dầu vào không gian giữa hai bản, và chọn một giọt qua kính hiển vi để nghiên cứu. Hình 1.2 Thiết bị thí nghiệm của Millikan Ban đầu, khi không có hiệu điện thế giữa các bản, ông xác định khối lượng của giọt bằng cách cho nó rơi trong không khí và đo vận tốc tới hạn của nó, tức là vận tốc ở đó lực ma sát của không khí cân bằng với lực hấp dẫn. Lực ma sát kéo theo của không khí tác dụng lên một quả cầu chuyển ðộng chậm ðã ðýợc tìm ra bằng thực nghiệm là bv , trong ðó b là một hằng số, v vận tốc tới hạn của giọt chất lỏng rơi trong không khí, r là bán kính giọt chất lỏng. Ðặt lực toàn phần bằng không khi giọt chất lỏng rõi ở vận tốc giới hạn cho ta bv – mg = 0 (1.1) và đặt tỉ trọng đã biết của dầu bằng với khối lượng của giọt chất lỏng chia cho thể tích của nó cho ta phương trình thứ hai: (1.2) Mọi đại lượng trong những phương trình này có thể đo trực tiếp, ngoại trừ m và r, nên đây là hai phương trình hai ẩn, người ta có thể giải chúng để biết kích thước giọt chất lỏng. Sau đó, Millikan tích điện cho các bản kim loại, điều chỉnh lượng điện tích cân bằng với lực hấp dẫn và đẩy giọt chất lỏng nằm lơ lửng. Chẳng hạn, nếu giọt chất lỏng mang điện tích toàn phần là âm, thì điện tích dương đặt trên bản trên sẽ hút nó, kéo nó lên, và điện tích âm nằm trên bản dưới sẽ đẩy nó, nâng nó lên. (Về mặt lí thuyết chỉ cần một bản thôi, nhưng trên thực tế sự sắp xếp hai bản như thế này cho lực điện có độ lớn đều hơn trong toàn vùng không gian giọt dầu rơi) Lượng điện tích trên hai bản cần thiết cho giọt dầu lơ lửng cho Millikan một cơ sở xác định lượng điện tích giọt chất lỏng mang. Điện tích giọt chất lỏng mang càng lớn, thì lực điện tác dụng lên nó sẽ càng mạnh, và thủ thuật là phải đặt điện tích trên các bản nhỏ. Tuy nhiên, việc biểu diễn mối quan hệ này bằng định luật Coulomb sẽ không thực tế, vì nó cần sự hiểu biết trọn vẹn về việc điện tích phân bố như thế nào trên mỗi bản, cùng với khả năng thực hiện phép cộng vectơ của tất cả các lực tác dụng lên giọt chất lỏng bởi tất cả các điện tích trên bản. Vì vậy, Millikan sử dụng một cơ sở thực tế là lực điện mà một điện tích điểm chịu tại một điểm trong không gian tỉ lệ với điện tích của nó 𝐹 = 𝑞𝐸 (1.3) Với lượng điện tích cho trước trên các bản, hằng số này có thể được xác định bằng cách bỏ giọt dầu đi, xen giữa hai bản một vật lớn hơn và dễ cầm nắm hơn có một điện tích đã biết, và đo lực với phương pháp thông thường. (Thật ra, Millikan sử dụng một bộ kĩ thuật hơi khác để xác định hằng số đó, nhưng ý tưởng cũng tương tự) Độ lớn của lực tác dụng lên giọt chất lỏng thực tế phải bằng mg, vì lực chỉ vừa đủ để nâng bổng nó lên, và một khi hằng số định cỡ đã được xác định, thì điện tích của giọt chất lỏng khi đó có thể tìm ra được dựa trên khối lượng đã xác định trước đó của nó. Hình1.3 Một vài số liệu thí nghiệm của Millikan[6] Bảng trên cho một vài kết quả từ bài báo năm 1911 của Millikan. (Millikan xử lí dữ liệu trên cả những giọt tích điện âm và dương, nhưng trong bài báo của ông, ông chỉ mang ra ví dụ dữ liệu về những giọt tích điện âm, nên ở đây toàn là số âm) Chỉ cần nhìn qua số liệu trên cũng thấy ngay rằng điện tích không đơn giản là một loạt số ngẫu nhiên. Chẳng hạn, điện tích thứ hai hầu như chính xác bằng phân nửa điện tích thứ nhất. Millikan giải thích điện tích quan sát được đều là bội số nguyên của một con số đơn giản,1,64x10−19 C. Trong cột thứ hai, lấy điện tích chia cho hằng số này được kết quả về cơ bản là số nguyên,được giới hạn bởi sai lệch ngẫu nhiên của thí nghiệm. Millikan phát biểu trong bài báo của ông rằng những kết quả này là bằng chứng trực tiếp và xác thực của sự đúng đắn của quan điểm đã được cải tiến trong nhiều năm qua và được củng cố bởi bằng chứng từ nhiều nghiên cứu cho thấy mọi điện tích, là những bội số chính xác của một điện tích cơ bản, hữu hạn, hay nói cách khác, một điện tích rải đều trên bề mặt tích điện có một cấu trúc dạng hạt hữu hạn, trên thực tế, gồm những hạt nhỏ, hay những nguyên tử điện, tất cả đều giống hệt nhau, rải trên bề mặt của vật mang điện. Nói cách khác, ông đã cung cấp bằng chứng trực tiếp cho mô hình hạt tích điện của điện học và bác bỏ những mô hình trong đó mô tả điện là một số loại chất lỏng. Điện tích cơ bản được kí hiệu là e, và giá trị hiện nay là 1,60x10−19 C. Từ “lượng tử hóa” được sử dụng trong vật lí để mô tả một đại lượng chỉ có thể có những giá trị số nhất định, và không thể có bất kì giá trị nào nằm giữa những giá trị đó. Theo cách hiểu này, chúng ta nói rằng Millikan đã phát hiện điện tích bị lượng tử hóa. Điện tích e thường được gọi là lượng tử điện tích-điện tích nguyên tố. 1.2. Điện tích- điện tích nguyên tố 1.2.1 Điện tích Điện tích là một tính chất cơ bản và không đổi của một số hạt hạ nguyên tử, đặc trưng cho tương tác điện từ giữa chúng. Điện tích tạo ra trường điện và cũng như chịu sự ảnh hưởng của điện trường. Sự tương tác giữa một điện tích với điện trường, khi nó chuyển động hoặc đứng yên so với điện trường này, là nguyên nhân gây ra lực điện từ. Điện tích còn được hiểu là "hạt mang điện". 1.2.2 Sự nhiễm điện của các vật và tương tác điện từ 1.2.2.1 Sự nhiễm điện của các vật Theo quy ước, có hai loại điện tích: điện tích âm và điện tích dương. Điện tích của electron là âm, ký hiệu là -e còn điện tích của proton là dương, ký hiệu là +e với e là giá trị của một điện tích nguyên tố. Từ thế kỷ thứ 6 trước công nguyên, người ta đã thấy rằng hổ phách cọ sát vào lông thú, có khả năng hút được các vật nhẹ. Cuối thế kỷ 16, Gilbert (người Anh) nghiên cứu chi tiết hơn và nhận thấy rằng nhiều chất khác như thủy tinh, lưu huỳnh, nhựa cây v v... cũng có tính chất giống như hổ phách và gọi những vật có khả năng hút được các vật khác sau khi cọ xát vào nhau, là những vật nhiễm điện hay vật tích điện. Các vật đó có điện tích. Ta cũng có thể làm cho một vật nhiễm điện bằng cách đặt nó tiếp xúc với một vật khác đã nhiễm điện. Ví dụ ta treo hai vật nhẹ lên hai sợi dây mảnh, rồi cho chúng tiếp xúc với thanh êbônít đã được cọ xát vào da, thì chúng sẽ đẩy nhau. Nếu một vật được nhiễm điện bởi thanh êbônit, một vật được nhiễm điện bởi thanh thủy tinh, chúng sẽ hút nhau. Ðiều đó chứng tỏ điện tích xuất hiện trên thanh êbônit và trên thanh thủy tinh là các loại điện tích khác nhau. Bằng cách thí nghiệm với nhiều vật khác nhau ta thấy chỉ có hai loại điện tích. Người ta qui ước gọi loại điện tích xuất hiện trên thanh thủy tinh sau khi cọ xát vào lụa là điện tích dương, còn loại kia là điện tích âm. Giữa các vật nhiễm điện có sự tương tác điện: những vật nhiễm cùng loại điện thì đẩy nhau, những vật nhiễm điện khác loại thì hút nhau. Về phương diện dẫn điện, các vật liệu được chia ra làm hai loại. Những vật mà điện tích có thể di chuyển dễ dàng trong vật gọi là vật dẫn điện. Những vật mà điện tích chỉ có ở nơi nhiễm điện gọi là vật cách điện hay điện môi. Những vật dẫn điện lại chia thành vật dẫn điện loại 1 và loại 2. Vật dẫn điện loại 1 là vật dẫn mà sự dịch chuyển điện tích trong vật không gây ra một sự biến đổi hóa học nào của vật và cũng không gây ra một sự dịch chuyển nào có thể nhận thấy của vật chất. Kim loại và chất bán dẫn là những vật dẫn điện loại 1. Vật dẫn điện loại 2 là vật dẫn mà sự dịch chuyển các điện tích trong vật gắn liền với những biến đổi hóa học, dẫn đến sự thoát ra những thành phần vật chất tại chỗ tiếp xúc của chúng với các vật dẫn điện khác. Muối, bazơ nóng chảy, dung dịch muối, axit, bazơ là những vật dẫn điện loại 2. 1.2.2.2 Tương tác điện từ Khi các vật chưa nhiễm điện, giữa chúng đã có lực tương tác hấp dẫn, vì chúng đều có khối lượng. Tuy nhiên, lực này rất nhỏ và khó nhận thấy. Khi các vật nhiễm điện, thì lực điện tác dụng giữa chúng lớn đến mức chúng có thể bị đẩy xa nhau hoặc hút lại gần nhau. Ta nhận biết được các vật có điện tích chính là dựa vào sự quan sát và nghiên cứu tương tác điện giữa chúng. Ngày nay, khoa học chứng tỏ rằng vật chất được tạo nên từ những hạt rất nhỏ không thể phân chia được thành những hạt nhỏ hơn. Những hạt này được gọi là những hạt sơ cấp. Các hạt sơ cấp (trừ một số rất ít) có khối lượng và do đó chúng hút nhau theo định luật vạn vật hấp dẫn, bằng một lực tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Một số hạt sơ cấp còn có khả năng tương tác với nhau bằng một lực cũng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng nhưng lớn hơn lực vạn vật hấp dẫn rất nhiều. Những hạt có khả năng tương tác như thế được gọi là những hạt có mang điện tích. Cần chú ý rằng lực vạn vật hấp dẫn giữa các hạt sơ cấp (hay các vật thể) luôn luôn là lực hút, còn lực điện giữa chúng có thể là lực đẩy hoặc lực hút. Như vậy, tương tác hấp dẫn và điện từ là hai loại tương tác khác nhau. Dựa vào tương tác điện từ giữa các hạt, ta có thể biết chúng có mang điện tích hay không. Khi một hạt sơ cấp mang điện, ta không thể làm cho nó mất điện tích. Ðiện tích của hạt sơ cấp là một thuộc tính không thể tách rời khỏi hạt. Ðiện tích tồn tại dưới dạng các hạt sơ cấp mang điện. Có những hạt sơ cấp không mang điện, nhưng không thể có điện tích không gắn liền với hạt sơ cấp. Các hạt mang điện cùng dấu (cùng dương hoặc cùng âm) sẽ đẩy nhau. Ngược lại, các hạt mang điện khác dấu sẽ hút nhau. Điện tích của một vật vĩ mô là tổng đại số của tất cả các điện tích tương ứng của các hạt phần tử cấu thành nên vật đó. Thông thường, các vật quanh ta đều trung hòa về điện, đó là do mỗi nguyên tử ở trạng thái tự nhiên đều có tổng số proton bằng tổng số electron, nên các điện tích của chúng bù trừ lẫn nhau. Tuy nhiên, ngay cả khi điện tích tổng cộng của một vật bằng không, vật ấy vẫn có thể tham gia tương tác điện từ, đó là nhờ hiện tượng phân cực điện. Các điện tích chịu sự ảnh hưởng của hiện tượng phân cực gọi là điện tích liên kết, các điện tích có thể di chuyển linh động trong vật dẫn dưới tác dụng của điện từ trường ngoài gọi là điện tích tự do. Chuyển động của các hạt mang điện theo một hướng xác định sẽ tạo thành dòng điện. 1.2.3 Đơn vị điện tích Đơn vị của điện tích trong hệ SI là Coulomb (viết tắt là C), 1 C xấp xỉ bằng 6,24×1018e. Một số hạt trung hòa về điện có điện tích bằng không như phôtôn γ và nơtrinô ν. Một số hạt khác mang điện tích âm hoặc dương, với trị số tuyệt đối đều bằng điện tích nguyên tố 1.602 x 10−19 C. Kí hiệu Q được dùng để diễn tả độ lớn một lượng điện tích xác định, gọi là điện lượng. Điện lượng trong tự nhiên là bội số nguyên của điện tích nguyên tố e 1.2.4 Định luật bảo toàn điện tích Như đã biết, cọ xát các vật với nhau là một cách làm cho chúng nhiễm điện. Tuy nhiên sự cọ xát không đóng vai trò quan trọng, mà quyết định là sự tiếp xúc giữa các vật. Khi ta cọ xát hai vật với nhau, do sự tiếp xúc trực tiếp giữa một số nguyên tử của 2 vật, mà một số êlectrôn chuyển dịch từ vật này sang vật kia. Ðộ dịch chuyển này vào cỡ khoảng cách giữa các nguyên tử . Khi ta tách hai vật ra, thì chúng đều tích điện, nhưng trái dấu nhau. Nếu hai vật không trao đổi điện tích với các vật khác (hai vật lập thành một hệ cô lập), thí nghiệm chứng tỏ rằng độ lớn điện tích dương xuất hiện trên vật này đúng bằng độ lớn của điện tích âm xuất hiện trên vật kia. Lúc đầu, hệ hai vật có điện tích tổng cộng bằng không, vì mỗi vật đều trung hòa điện. Sau khi đã tiếp xúc với nhau, hai vật đều nhiễm điện, nhưng tổng đại số điện tích của hai vật trong hệ vẫn bằng không. Như vậy bản chất của sự nhiễm điện là mọi quá trình nhiễm điện về thực chất đều chỉ là những quá trình tách các điện tích âm và dương và phân bố lại các điện tích đó trong các vật hay trong các phần tử của một vật. Ðiện tích tồn tại dưới dạng các hạt sơ cấp mang điện. Trong những điều kiện nhất định, các hạt sơ cấp có thể biến đổi qua lại . Chúng có thể xuất hiện thêm hay mất bớt đi trong quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, thực tế quan sát cho thấïy rằng các hạt mang điện bao giờ cũng sinh ra từng cặp có điện tích trái dấu và bằng nhau, và nếu mất đi (để chuyển thành những hạt khác), chúng cũng mất đi từng cặp như vậy. Nếu có một hạt mang điện chuyển hóa thành nhiều hạt khác, thì trong số những hạt mới sinh ra, bắt buộc phải có hạt mang điện tích cùng dấu với hạt ban đầu. Từ những nhận xét trên ta đưa đến kết luận là: “Trong một hệ kín (không có sự trao đổi với bên ngoài) tổng đại số các điện tích luôn luôn là một hằng số”. Ðó là nội dung của định luật bảo toàn điện tích, một định luật cơ bản của tĩnh điện học. Ðịnh luật bảo toàn điện tích là một trong những nguyên lý cơ bản nhất của vật lí. Nó có tính chất tuyệt đối đúng. Cho đến nay người ta chưa phát hiện một sự vi phạm định luật: Mọi kết quả thực nghiệm đều phù hợp với định luật. 1.2.5 Ðiện tích nguyên tố. Hạt sơ cấp có thể mang điện dương, có thể mang điện âm hoặc không mang điện. Thực nghiệm cho thấy, nếu hạt sơ cấp mang điện, thì điện tích của nó có giá trị hoàn toàn xác định. Ðiện tích của hạt sơ cấp là nhỏ nhất tồn tại trong tự nhiên, không thể bị tách ra thành lượng nhỏ hơn. Vì thế lượng điện tích đó được gọi là điện tích nguyên tố ký hiệu là e. Khi một vật bất kỳ mang điện, thì điện tích của nó luôn là một số nguyên lần điện tích nguyên tố. Hai hạt sơ cấp mang điện có thể tồn tại lâu dài ở trạng thái riêng lẻ là êlectrôn và protôn, những thành phần cấu tạo nên nguyên tử của mọi nguyên tố. Êlectrôn mang điện âm, có điện tích -e. Prôtôn mang điện dương có điện tích +e. Với e = 1.602 × 10−19 coulomb