MỘT CHUỖI CÁC PHÁT MINH VĨ ĐẠI
Năm 1831 sau một loạI thí nghiệm không thành công Faraday đã phát kiến ra định luật cảm ứng điện từ mà ngày nay mang tên ông.
Thực nghiệm dẫn dắt đến phát hiện đó được Faraday mô tả trong bài báo ''Về cảm ứng của các dòng điện'' (năm 1831). ''Trên một vòng xuyến gỗ rộng dùng làm lõi, quấn dây đồng dài 203 bộ, còn xen kẽ giữa các vòng dây ấy lại quấn một cuộn khác có cùng độ dài, được cách li với cuộn đầu bằng vải và giấy. Một trong các cuộn được nối với điện kế còn cuộn kia nối với một nguồn pin mạnh... Khi đóng mạch sẽ quan sát thấy một tác động tức thời nhưng rất yếu trên điện kế. Khi ngắt dòng thì lại quan sát thấy đúng như thế. Còn khi liên tục có dòng điện đi qua một cuộn dây thì sẽ không quan sát được sự lệch nào của kim điện kế nó với cuộn kia''.
Từ đây, phát minh nối tiếp phát minh: Ngày 17 tháng 9 năm 1831 Faraday thu được dòng điện chỉ bằng một thỏi nam châm. ''Một đầu của thanh nam châm hình trụ đường kính ¾ insơ, dài 8,5 insơ được đưa tới sát ống dây dẫn hình trụ. Nhanh chóng đẩy nam châm đi suốt chiều dài ống - kim điện kế sẽ bị lệch đi; khi kéo thanh nam châm ra kim lại bị lệch đi theo chiều ngược lại. Hiệu ứng đó quan sát được mỗi lần nam châm chạy vào chạy ra và vì thế sẽ phát sinh một dòng điện dạng sóng''.
Còn một ghi chép đề ngày 28 tháng 10 năm 1831: ''Bắt một đĩa đồng quay giữa các cực một nam châm hình móng ngựa lớn của Hội hoàng gia. Trục và một điểm rìa của đĩa nối với điện kế. Khi quay đĩa thì kim điện kế di chuyển''. Vậy là đã quan sát được các dòng điện cảm ứng trong kim loại và tạo ra được máy phát điện đầu tiên - bánh xe Faraday.
Các năm 1833 - 1834 bằng thực nghiệm Faraday thiết lập được các định luật về điện phân về sau mang tên ông. Theo định luật thứ nhất, khối lượng vật chất m kết tủa trên mặt dương cực (anôt) tỉ lệ với thời gian dòng điện đi qua chất điện giải t và với cường độ dòng điện I.
M=klt
Hệ số tỉ lệ k được gọi là đương lượng điện hóa của một chất.
Định luật thứ hai xác định dương lượng điện hóa k qua đương lượng hoá học A:
k = (1/F)A
Hệ số tỉ lệ 1/F là nghịch đảo của số Faraday F = 96.500 C/moll, về trị số đúng bằng điện lượng cần phải chảy qua chất điện giải đề trên điện cực kết tủa được khối lượng vật chất bằng k.
Các năm 1837 - 1839 Faraday nghiên cứu tính chất điện môi. Kết quả là trong khoa học xuất hiện các thuật ngữ ''chất điện môi'', ''độ thấm điện môi''... Faraday xây dựng các phương pháp đo độ thấm điện môi và phát hiện sự phân cực điện môi. Tại một trong loạt bài báo ''Các nghiên cứu thực nghiệm về điện'' công bố các năm 1831 - 1835 có nói: ''Chúng ta hãy tưởng tượng rằng không gian xung quanh quả cầu tích điện chứa đầy hỗn hợp chất điện môi cách điện (ví dụ dầu mỡ, dầu thông hay không khí) và các vật dẫn điện nhỏ bé hình tròn như viên bi cách ly nhau trên những khoảng cách nhỏ. Một hệ thống như thế xét theo trạng thái và tác dụng tương ứng với trạng thái và tác động mà tôi gán cho các phần tử điện môi. Khi quả cầu được tích điện, thì tất cả các viên bi dẫn điện tí hon cũng bị phân cực. Còn nếu quả cầu phóng điện thì các viên bi chuyển về trạng thái thường, và lại có thể phân cực khi quả cầu tích điện trở lại''. Khi đó Faraday đã nghiên cứu cả sự phóng điện trong không khí loãng.
Vào những năm 40 của thế kỷ XIX Faraday tiếp tục những nghiên cứu về từ. Ông cho rằng từ trường tác dụng lên mọi vật không trừ chất liệu nào chứ không chỉ lên hợp kim chứa sắt có từ tính. Nhà bác học đã phân chia chất không từ tính thành nghịch từ và thuận từ (cả hai thuật ngữ đều do ông đưa ra: diamagnetic và para-magnetic) và lần đầu tiên nghiên cứu chúng tỉ mỉ.
Xuất phát từ giả thuyết về tương tác giữa các hiện tượng vật lý khác nhau Faraday đã khảo sát mối tương quan của từ trường và ánh sáng. Sau rất nhiều thí nghiệm ông phát hiện được sự quay mặt phẳng dao động của ánh sáng phân cực tuyến tính truyền trong vật chất dọc theo từ trường không đổi (hiệu ứng Faraday). Năm 1848 ông rút ra sự phụ thuộc các tính chất từ của tinh thể vào hướng của trường trong nó gọt là sự dị hướng từ của tinh thể (một năm trước đó đã được phát hiện bởi nhà toán học và vật lý học người Đức Juluis Plucker (1801- 1868).
CÁC ĐƯỜNG SỨC VẬT LÝ CỦA FARADAY
Sự thiếu vắng các khả năng toán học ở Faraday có lẽ sẽ thành một nhược điểm nghiêm trọng, song chớ vội kết luận. Nhược điểm ấy đã buộc ông tư duy về các hiện tượng điện từ qua các hình ảnh trực quan, điều ai cũng có thể tiếp thu, nhưng do thiếu bộ khung toán học, lý thuyết của ông có vẻ thô sơ. Chúng ta lấy ví dụ giản đơn như lực hút của kim nam châm bé tới nam châm lớn hình móng ngựa. Đối với nhà vật lý uyên thâm toán học thì vấn đề chủ yếu sẽ là các chất liệu từ và định luật nghịch đảo bình phương đối với lực tương tác giữa các từ cực. Còn với Faraday tất cả các cái đó không có ý nghĩa là mấy. Tất cả các nam châm ấy và các hạt mạt sắt hoặc các cây kim nhỏ, cho dù có thể sờ mó được chúng, với ông chỉ là cái gì đó chết cứng, không toàn thiện. Nam châm móng ngựa chẳng hạn được ông vẽ bao quanh bằng vô số các vòng tròn của các “xúc tu” vô hình và xuyên qua toàn thể không gian, chúng từ mỗi cực nam châm đó vươn ra hút các kim nam châm bé nhỏ về phía mình và tác dụng lên bất kì đối tượng nào khác có khả năng cảm nhận được lực từ. Hơn nữa các ''xúc tu'' ấy đáng ra có thể nhìn thấy nhờ các mạt sắt, mà theo ý Farađay, chúng tồn tại một cách mặc nhiên dù có hay không có ở chỗ đó các mạt sắt làm minh chứng.
Faraday gọi chúng là các đường sức và với ông chúng là thực tại từ tính hàng đầu. Không gian bao quanh nam châm không trống rỗng: nó đầy ắp các xúc tu từ tính ấy, luôn luôn đứng xa, luôn luôn xiết chặt các thứ ở gần mình; là cái mà ông gọi là từ trường. Ông cũng quan niệm đúng như vậy về các điện tích - gắn với các đường sức điện - là thực thể điện hàng đầu, tạo ra cái mà ông gọi là điện trường.
Các đường sức có chứa đựng cái gì đó hiện thực, hay đó chỉ là hình ảnh tưởng tượng giúp cho Faraday - con người xa lạ với toán học - nắm bắt lấy cái trật tự mơ hồ ở đâu đó trong các thí nghiệm của mình?
So với các công thức mà các nhà vật lý giỏi toán biết viết ra đúng chỗ và khéo léo, thì các xúc tu ấy của Faraday có vẻ thô sơ, giản dị và không chuẩn xác. Nhưng lạ thay chúng lại chứa đựng nội dung toán học phong phú mà 1/4 thế kỷ sau (may mắn là Faraday còn sống đến lúc ấy) đã được Maxwell vận dụng (diễn đạt thành phương trình trường điện từ ) thành công rực rỡ. Nếu bỏ qua một số thứ đòi hỏi phải tính toán thì dễ dàng diễn giải (trên ví dụ giản đơn) các bức tranh đường sức giống như các ''xúc tu vô hình'' đã giúp người ta gặt hái những thành quả toán học tuyệt vời ra sao.
Ta hãy theo Faraday giả thuyết rằng lực gây ra bởi các đường sức không phụ thuộc vào độ dài của nó; và cũng giả thuyết rằng các đường sức mỏng manh đến mức, nhiều đến mức và xít đặc đến mức là giữa chúng không còn khoảng rỗng nào, song chúng vẫn giữ nguyên vẹn tính riêng biệt của mình (bình diện toán học xuất hiện ở đây). Bây giờ ta xem xét một điện tích duy nhất cùng với các xúc tu đường sức vươn ra mọi hướng từ điện tích này. Hiển nhiên các đường sức sẽ cắt mọi mặt cầu tưởng tượng có tâm ở điện tích đó (ở đây phải nói rõ rằng điện tích phải là điện tích điểm, hoặc điện tích cầu nằm hoàn toàn bên trong mặt cầu tưởng tượng kia).
Ta bắt đầu từ hình cầu bán kính đơn vị. Nếu đặt một bản mỏng điện tích không lớn lên một khu vực nào đó của hình cầu ấy thì sẽ có một số đường sức tác động lên nó với lực bằng tổng lực của các đường sức riêng rẽ ấy cộng lại. Tăng bán kính hình cầu lên gấp đôi, diện tích mặt cầu sẽ tăng lên gấp bốn, nghĩa là các đường sức sẽ thưa đi bốn lần và vì vậy lực tác dụng lên cùng bản tích điện ấy (nhưng đặt lên hình cầu lớn hơn) sẽ giảm đi 4 lần. Tăng bán kính gấp 3 lần, thi lực tác dụng lên đơn vị diện tích bản mỏng giảm đi 9 lần... Vậy là không cần tư duy toán học, các đường sức dẫn cho ta kết quả được biết từ lâu rằng lực điện giảm theo tỉ lệ bình phương khoảng cách.
Thời Galilei người ta đã nêu câu hỏi: ''Cái gì giữ cho vật trong trạng thái chuyển động?'' Nhà bác học Italia thiên tài đã đề xuất cách làm ngược lại: hãy quan tâm tới nguyên nhân làm vật dừng lại hay thay đổi trạng thái chuyển động của mình. Faraday cũng chủ xướng một cuộc cách mạng tương tự trong cách nhìn bản chất sự vật. Trong khi mọi người tập trung chú ý tới các kim nam châm các nam châm cụ thể và các yếu tố tương tự của các hệ từ đủ loại thì Faraday kêu gọi hướng tư duy về không gian bao quanh chúng: từ trường. Cũng như Newton, bậc thầy toán học và trực giác vật lý, đã phát triển tư tưởng Galilei, Maxwell cũng đã khái quát và phát triển các tư tưởng của Faraday bằng những công cụ toán học và tâm hồn vật lý sâu sắc…
(Từ cuốn sách của B. Hoffman “cội rễ thuyết tương đối”)
