10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

91. Vì sao trên kính cửa sổ lại đóng hoa băng đẹp đẽ?

Trong những ngày rét đậm, vừa thức dậy sáng tinh mơ, nhìn lên kính cửa sổ, thấy mặt kính đã đóng đầy hoa băng đẹp mắt, có cái giống hoa lan, có cái giống thông đuôi ngựa, trong suốt óng ánh. Ai vẽ lên kính những bức tranh đẹp đẽ ấy nhỉ?

Ngoài thế giới tự nhiên ra, còn ai vào đây nữa. Đó là giá lạnh vẽ tranh bằng băng đấy. Chúng ta ai cũng đều thấy cả rồi. Băng đóng trên mặt nước là từng mảng từng mảng lớn. Đó là vì phân tử nước tương đối dày đặc, khi một lượng nước lớn đóng băng, các tinh thể băng đều quấn chặt vào nhau; còn hoa tuyết có hình sáu cạnh, vì phân tử hơi nước tương đối thưa, khi ngưng kết, lại không phải chịu áp lực không đồng đều bên ngoài, tinh thể băng cấu thành ngoại hình từ góc độ vốn có của nó. Kì thực, băng ở dạng khối lớn, tinh thể băng của nó cũng là hình sáu cạnh, vì chúng quấn chặt lấy nhau, chúng ta nhìn không ra mà thôi.

Hoa băng trên kính cửa sổ vốn cũng là hình sáu cạnh. Sau khi những tinh thể băng sớm nhất kết thành rồi, liền dần dần phát triển ra bốn phía. Khi ấy, tình hình liền phức tạp hẳn lên, có lúc gió mạnh, có lúc gió yếu, vả lại mặt kính có cái trơn bóng, có cái thô ráp, có mặt kính tích tụ vết bẩn, có cái không nhiễm bụi. Như vậy, khi hơi nước trùm lên sẽ không đồng đều. Có chỗ hơi nước đọng lại nhiều một chút, có chỗ đọng ít một chút. Khi tinh thể băng vươn ra bốn phía, gặp phải chỗ hơi nước đọng nhiều, băng liền đóng dày một chút; gặp chỗ hơi nước đọng ít, băng liền đóng mỏng bớt một chút. Chỗ băng đóng đặc biệt mỏng, gặp phải chút ít nhiệt hoặc áp lực thì sẽ tan chảy ngay, vì vậy mà hình thành lên hoa văn đủ các hình dạng. Cái đó tương tự như chúng ta vẽ tranh, dùng thuốc màu nhiều một chút, màu sắc trên bức tranh đậm lên một chút; thuốc màu ít một chút, màu sắc trên bức tranh nhạt đi một chút, chỗ nào không bôi thuốc màu tức là màu sắc vốn có của giấy vẽ.

Từ khoá: Băng; Hoa tuyết; Ngưng kết.

92. Vì sao khi bay, đằng sau máy bay lại kéo theo một dải khói trắng?

Nghe tiếng máy bay ầm ĩ ở trên đỉnh đầu, ngẩng mặt nhìn lên, thường thấy: máy bay đã vút qua rồi, đằng sau lại kéo theo một cái đuôi dài dài tựa như dải khói trắng. Dải "khói trắng" đó sẽ dần dần khuếch tán, nhạt nhoà, rồi biến mất.

Có lẽ bạn sẽ nghĩ: cái đuôi đó là do khói sinh ra khi nhiên liệu máy bay bị đốt cháy, giống như kiểu khí thải mà ô tô và máy nổ các loại thải ra vậy. Thực ra, cái đuôi ấy là khói nhưng phải nói nó là mây mới xác đáng, vì nó với mây rất giống nhau.

Chúng ta biết rằng, bên trong mây có vô vàn hạt nước nhỏ và tinh thể băng nhỏ. Chúng do hơi nước trong không khí ngưng kết lại mà thành. Sự hình thành này cần có hai điều kiện: trước hết phải có đầy đủ hơi nước, và đạt tới áp suất hơi nước bão hoà; tiếp đến còn cần có hạt bụi và hạt mang điện làm hạt nhân ngưng kết. Như vậy, hơi nước đã đạt tới áp suất hơi nước bão hoà liền có thể ngưng kết xung quanh nhân ngưng kết, hình thành hạt nước nhỏ hoặc tinh thể băng nhỏ. Hạt nước nhỏ và tinh thể băng nhỏ xúm lại với nhau thì thành một vầng mây lớn.

Biết được mây hình thành lên như thế nào rồi, bây giờ chúng ta trở lại nghiên cứu tỉ mỉ trường hợp "đuôi khói trắng" của máy bay xem sao. Khi máy bay bay về phía trước, không gian mà thân máy bay vốn chiếm cứ cần có không khí xung quanh đến bù lấp vào. Nhưng, máy bay bay rất nhanh, có thể vượt cả tốc độ âm thanh, còn không khí lại là vật dẫn nhiệt không tốt. Quá trình không khí xung quanh đền bù lấp tương đương với một quá trình giãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ không khí sẽ xuống thấp trong phút chốc. Trên trời cao vốn có rất nhiều hơi nước, nhiệt độ vừa xuống thấp thì áp suất hơi nước bão hoà cũng xuống thấp theo, hơi nước xung quanh liền đạt tới áp suất hơi nước bão hoà. Điều đó thoả mãn điều kiện thứ nhất để hình thành mây. Ngoài ra, nhiên liệu máy bay bị đốt cháy quả thực có thải ra một số bụi khói, chúng có thể làm nhân ngưng kết. Thế là, hơi nước ở đằng sau máy bay nhanh chóng ngưng kết lại xung quanh những hạt bụi đó, hình thành lên rất nhiều hạt nước nhỏ. Đó tức là cái đuôi khá dài sau máy bay mà chúng ta nhìn thấy.

Có thể bạn sẽ hỏi, tại sao mây có thể lơ lửng trên trời một quãng thời gian rất dài, còn dải "mây" kéo theo đằng sau đuôi máy bay sao lại tiêu tán rất nhanh? Trước hết là thể tích của hai loại đó khác nhau. Đường kính của một đám mây ít nhất cũng tới vài chục kilômét. Mây cũng có thể dần dần tiêu tán, nhưng cho đến lúc nó hoàn toàn tiêu tán cũng phải có một quãng thời gian tương đối dài. Còn mây sinh ra đằng sau máy bay suy cho cùng nhỏ hơn rất nhiều, cho nên rất dễ bị tiêu tán hết. Còn có một nguyên nhân rất quan trọng nữa, đó là mây đằng sau máy bay hình thành lên trong chớp mắt khi máy bay bay qua, do nhiệt độ không khí xuống thấp, áp suất hơi nước bão hoà hạ xuống nên hơi nước mới đạt đến áp suất hơi nước bão hoà. Theo đà nhiệt độ không khí từ từ lên trở lại, hơi nước không đạt tới áp suất hơi nước bão hoà, hạt nước nhỏ và tinh thể băng nhỏ lại dần dần bốc hơi thành hơi nước và biến mất không còn bóng dáng.

Từ khoá: Máy bay; Mây; Ngưng kết; Áp suất hơi nước bão hoà; Hạt nhân ngưng kết; Giãn nở đoạn nhiệt.

93. Vì sao không thể chế tạo ra động cơ vĩnh cửu?

Từ thời đại xa xưa, để duy trì sự sinh tồn, con người đã phát minh và chế tạo ra các máy đơn giản, như mặt phẳng nghiêng, ròng rọc, đòn bẩy v.v. Về sau, theo đà phát triển của văn minh vật chất của xã hội, con người lại chế tạo ra nhiều máy móc. Lợi dụng máy móc, loài người tạo ra của cải vật chất và tinh thần phong phú. Song, cho dù có cải tiến như thế nào đối với máy móc, người ta phát hiện, bất cứ dụng cụ hoặc máy móc nào cũng cần phải có tác động của ngoại lực mới vận hành được. Những ngoại lực này bao gồm sức người, sức súc vật, sức gió cùng với sức điện; sức nước, lực hoá học, lực hạt nhân nguyên tử v.v. trong nền sản xuất hiện đại hoá. Vả lại, lợi dụng bất kì máy móc nào cũng chỉ có thể giảm bớt cường độ của lực, thay đổi hướng của lực, chứ không thể giảm nhỏ công của lực làm ra. Cũng có nghĩa là, muốn cho máy móc làm bao nhiêu công việc, con người ít ra phải cung cấp cho máy móc bấy nhiêu năng lượng tương ứng, thậm chí năng lượng nhiều hơn. Một khi ngừng cung cấp năng lượng, bất cứ cỗ máy nào cũng không thể vận hành tiếp. Cách làm "vừa muốn ngựa chạy, lại muốn ngựa không ăn cỏ" là điều khẳng định không làm được trong đời sống thực tế.

Trong lịch sử, có một số người đã từng tìm cách chế tạo ra hai loại động cơ vĩnh cửu. Loại thứ nhất là hoàn toàn cách li máy móc với bên ngoài, dựa vào năng lượng của bản thân máy móc để vận hành. Tuy nhiên, cho dù phương án thiết kế có tỉ mỉ, chu đáo đến đâu, thậm chí "tổn hao tâm huyết" rất nhiều, trong việc chế tạo thực tế đều vì thất bại mà xếp xó. Nguyên nhân của nó là, trong điều kiện không có tác động của bất kì ngoại lực nào, lực cản ma sát trong quá trình vận hành của máy móc là không thể nào trừ bỏ được. Nó sẽ dần dần tiêu hao năng lượng của tự thân máy móc và cuối cùng làm cho máy móc không vận hành được nữa. Trong thiên nhiên tồn tại một định luật vật lí áp dụng rộng rãi - định luật thứ nhất của nhiệt động học. Nó là biểu hiện của định luật bảo toàn năng lượng trong nhiệt động học. Nội dung Định luật: Nếu không có bất cứ ngoại lực nào cung ứng năng lượng, năng lượng của vật thể vừa không thể sinh ra, cũng không thể mất đi. Khi không thể tránh được sự tồn tại của lực ma sát, năng lượng của máy móc một khi "hết sạch đạn dược và lương thảo" thì không sao vận hành được nữa, động cơ vĩnh cửu cũng trở thành không tưởng.

Loại động cơ vĩnh cửu thứ hai là chỉ vào máy móc không hoàn toàn cách li với thế giới bên ngoài, nhưng chỉ là nhận lấy năng lượng nhiệt từ một nguồn nhiệt bên ngoài một cách đơn phương để vận hành.

Loại máy móc này cũng là loại không thể chế tạo được. Đó là vì bất cứ máy móc nào muốn duy trì vận hành được phải có hai ống trao đổi năng lượng với bên ngoài. Máy móc tiếp nhận năng lượng từ một ống thông, một phần dùng để thực hiện công mà người ta muốn nó làm, một phần khác tán phát ra qua một ống khác không thể tránh được. Động cơ của ô tô chính là một ví dụ điển hình. Không có xăng, động cơ ô tô không thể nào nổ máy được. Nhưng nếu chỉ có xăng mà không có lối thông xả khí thải thì ô tô cũng không thể chạy mãi như thế. Các nhà vật lí thông qua rất nhiều lần thực nghiệm đã tổng kết ra định luật thứ hai của nhiệt động học. Nó cho ta biết: sự chuyển hoá năng lượng có tính phương hướng. Con người không thể vi phạm tính phương hướng này để chế tạo ra động cơ vĩnh cửu. Trong cuộc sống hằng ngày, con người có thể xoa tay liên tục làm cho lòng bàn tay nóng lên. Đó là quá trình công cơ học biến thành nhiệt. Nhưng động cơ ô tô nhận được năng lượng từ xăng lại không thể dùng hoàn toàn vào việc chạy ô tô, có một phần nhiệt lượng trong đó nhất định sẽ "trốn chạy". Điều đó chứng tỏ nhiệt không thể chuyển hoá toàn bộ thành công. Đó tức là tính đơn hướng giữa tiêu hao nhiệt và sinh ra công. Còn nữa, nếu để một cốc nước nóng sát cạnh một cốc nước lạnh, để chúng truyền nhiệt cho nhau. Kết quả là nước nóng nguội bớt, nước lạnh nóng lên, cho đến khi nhiệt độ hai cốc nước bằng nhau. Chẳng có một ai chứng kiến được hiện tượng nước nóng tự động nhận thêm nhiệt lượng từ trong nước lạnh để tiếp tục tăng nhiệt lên, còn nước lạnh thì hạ tiếp nhiệt độ xuống. Đó là tính phương hướng của sự truyền nhiệt.

Tóm lại, động cơ vĩnh cửu loại một và động cơ vĩnh cửu loại hai đều không thể chế tạo ra được, vì chúng vi phạm định luật phổ cập về biến đổi năng lượng thiên nhiên, điều này đã được chứng minh qua rất nhiều thực nghiệm.

Từ khoá: Động cơ vĩnh cửu; Định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng; Định luật thứ nhất của nhiệt động học; Định luật thứ hai của nhiệt động học.

94. Vì sao một giọt mực sau khi khuếch tán ở trong nước sẽ không thể tự động tụ lại?

Trong cuộc sống hằng ngày, khuếch tán là một hiện tượng rất phổ cập. Ví dụ, nhỏ một giọt mực đen vào trong cốc nước sạch, sau một khoảng thời gian, mực và nước sạch hoàn toàn trộn lẫn vào nhau. Nước sạch vốn trong suốt không màu đã biến thành nước hơi hơi bị nhuộm đen. Hoặc đặt lọ nước hoa đã mở nắp trong một gian phòng đóng kín các cửa, chẳng bao lâu, mùi nước hoa toả khắp cả gian phòng.

Hiện tượng khuếch tán có nguyên nhân phát sinh từ chuyển động nhiệt hỗn loạn của phân tử. Khi một giọt mực nhỏ vào trong cốc nước sạch, thoạt đầu các phân tử mực tụ tập ở vị trí của một khu vực, về sau do chuyển động va chạm quyết liệt xảy ra giữa phân tử mực và phân tử nước, các phân tử mực liền phân bố đồng đều trên khắp khu vực không gian của cái cốc. Sự khuếch tán của phân tử nước hoa cũng như vậy. Các loại hiện tượng khuếch tán cho chúng ta biết, khuếch tán cuối cùng vẫn là sự biến đổi tự phát từ một loại trạng thái tương đối có trật tự (như mực và nước sạch có mặt phân cách nhất định) sang trạng thái vô trật tự (như hai loại vật chất hoàn toàn trộn lẫn).

Vì sao khuếch tán chung quy vẫn là tự phát từ có trật tự biến thành vô trật tự nhỉ? Hoá ra là xác suất xuất hiện trạng thái vô trật tự rất nhiều. Để nói rõ bản chất này của khuếch tán, chúng ta hãy giả thiết có một cái hộp đậy kín, nửa phần bên trái của hộp có chứa ba phân tử chất khí, nửa phần bên phải không có phân tử chất khí.

Do chuyển động hỗn loạn của phân tử chất khí, sự phân bố của ba phân tử đó trong cả cái hộp có tám loại khả năng. Trong tám loại khả năng này, trạng thái có trật tự cả ba phân tử đều ở trong nửa phần bên trái hoặc nửa phần bên phải chỉ có hai loại; còn trạng thái vô trật tự tương đối có một trong ba phân tử ở vào nửa phần bên trái (hoặc nửa phần bên phải) hai phân tử còn lại ở vào nửa phần kia lại có sáu loại. Vì vậy, với trường hợp ba phân tử, xác suất xuất hiện trạng thái vô trật tự lớn gấp ba lần xác suất xuất hiện trạng thái có trật tự. Rõ ràng là con số các phân tử càng nhiều thì xác suất xuất hiện trạng thái vô trật tự phân bố đồng đều càng lớn. Con số các phân tử chứa đựng trong một giọt mực hoặc một giọt nước hoa lên tới trên trăm tỉ. Vì vậy, khi những phân tử đó khuếch tán, xác suất xuất hiện sự phân bố đồng đều lớn hơn xác suất tụ tập vào một vị trí cục bộ nào đó rất rất nhiều. Điều đó giải thích nguyên nhân vì sao đủ loại hiện tượng khuếch tán mà thông thường chúng ta quan sát thấy rốt cuộc vẫn là ngả về phân bố đồng đều, về trạng thái vô trật tự.

Về mặt lí thuyết, đã là chuyển động nhiệt hỗn loạn, thì ắt phải có một thời khắc nào đó các phân tử mực đã khuếch tán vẫn tụ tập vào với nhau, khôi phục lại hình trạng một giọt mực. Nhưng tính toán thực tế cho thấy, thời gian mà con người chờ đợi loại xác suất này xuất hiện vượt quá tuổi tác của Vũ Trụ rất nhiều. Vì vậy, một giọt mực sau khi khuếch tán trong nước, trên thực tế là không thể tự động tụ tập lại được.

Từ khoá: Khuếch tán; Có trật tự; Vô trật tự.

95. Vì sao khi cởi áo len lại nghe có tiếng "lẹt rẹt"?

Buổi tối khi cởi áo len, có lúc bạn lại nghe thấy tiếng "lẹt rẹt", nếu đèn đã tắt, bạn còn có thể nhìn thấy hoa điện chớp chớp nữa! Đó là chuyện gì vậy nhỉ?

Có lẽ bạn nghĩ rằng, trên thân mình bạn vừa trải qua hàng trăm lượt "sấm sét". Đó không phải là nói chuyện giật gân đâu. Nhà vật lí người Mĩ Franklin, ngay từ năm 1752 đã dùng thực nghiệm thả diều nổi tiếng của mình để chứng minh sét tức là hiện tượng phóng điện trong thiên nhiên. Cố nhiên quy mô phóng điện của sét rất lớn, còn điều mà thân mình bạn trải qua, chẳng qua chỉ là "sét vi mô" có quy mô phóng điện rất nhỏ, cho nên bạn có thể tuyệt nhiên không cảm thấy gì. Nhưng trên thân thể sao lại mang điện nhỉ?

Chúng ta biết rằng, vật thể đều do nguyên tử tạo nên. Trong nguyên tử có chứa vài electron. Electron mang điện tích âm, hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương. Khi điện tích dương và âm bằng nhau, vật chất đối với bên ngoài không thể hiện ra tính chất điện. Nếu chúng ta dùng da, lông chà sát que cao su, dùng miếng nhựa chà xát que thuỷ tinh, các vật thể vốn không mang điện đó liền mang điện, có thể hút được các vụn giấy nhỏ. Thì ra, khi có sự cọ xát liên tục giữa các vật thể, do năng lực hút electron của hạt nhân nguyên tử của vật chất khác nhau có mạnh có yếu, sự cọ xát có thể làm cho một số electron từ vật thể có năng lực hút electron yếu chạy sang vật thể có năng lực hút electron tương đối mạnh. Kết quả là, vật thể bị mất electron mang điện tích dương, vật thể nhận được electron mang điện tích âm. Quá trình này tức là ma sát sinh điện. Điện do ma sát sinh ra không thể di chuyển, gọi là tĩnh điện. Có rất nhiều ví dụ về ma sát sinh điện trong đời sống. Ví dụ như khi thời tiết khô hanh, dùng lược bằng nhựa hoặc cao su cứng chải tóc sạch xong, liền có một số electron từ tóc chạy sang cái lược, làm cho tóc trên đầu mang điện tích dương, cái lược mang điện tích âm. Để cái lược bên cạnh mái tóc, tóc sẽ bị cái lược nhè nhẹ hút vào.

Chúng ta mặc áo len, suốt ngày không ngừng hoạt động, làm cho giữa áo len với sơ mi, giữa sơ mi với lớp da không ngừng ma sát. Ma sát lại làm cho quần áo và thân thể chúng ta mang điện tích. Đến tối khi cởi áo len, một số điện tích dương và điện tích âm lại trung hoà, sinh ra hiện tượng phóng điện. Thế là chúng ta liền nghe tiếng "lẹt rẹt", nhìn thấy hoa lửa điện chớp chớp.

Có thể bạn còn có một ít băn khoăn. Thân thể mang điện, liệu có bị điện giật không nhỉ? Chớ quên rằng điện trên người bạn là tĩnh điện, không hề có dòng điện nào chạy qua người bạn cả, cho nên không có gì trở ngại đối với bạn đâu. Thế thì khi cởi áo len có xảy ra hiện tượng phóng điện, chẳng phải là có dòng điện hay sao? Có đấy, song do điện lượng trên thân thể cực nhỏ, chỉ có khoảng ãmột phần triệu culông, cho dù thời gian phóng điện là một phần trăm giây thì cường độ dòng điện cũng chỉ có 0,1 mA, so với dòng điện 50mA gây điện giật cho người thì sự chênh lệch này rất là xa.

Tuy dòng điện sinh ra khi tĩnh điện trên thân thể phóng điện không tổn hại gì đối với cơ thể chúng ta, song nó lại có thể gây nên hậu quả nghiêm trọng khác. Tia lửa điện do phóng điện sinh ra có thể làm xăng bốc cháy dẫn tới nổ. Vì vậy, nhân viên công tác ở kho xăng không được mặc quần áo bằng ni lông hoặc bằng terylen (sợi tổng hợp của Anh). Ngoài ra, các xe xi tec vận chuyển xăng đều phải kéo lê một "cái đuôi" dây xích sắt. "Cái đuôi" đó dùng để truyền kịp thời tĩnh điện tích luỹ trên xe xuống mặt đất.

Tĩnh điện cũng có mặt có thể lợi dụng được. Photocopy tĩnh điện và máy in laze là dùng phương pháp quang học làm hình thành một ảnh ẩn tĩnh điện trước đã, dựa vào lực hút tĩnh điện hút lấy bột mực, rồi chuyển dịch bột mực lên giấy photocopy như kiểu chụp con dấu lên, sau cùng hơ nóng cho bột mực lưu lại vững chắc trên giấy. Máy sinh điện Van de Graaf cũng là dùng tĩnh điện để gia tốc các ion, có thể được dùng vào việc nội xạ ion vào chất bán dẫn và trong nghiên cứu vật lí hạt nhân.

Từ khoá: Ma sát sinh điện; Phóng điện; Tĩnh điện sét.

96. Sét hình thành như thế nào?

Sét bao giờ cũng đi đôi với sấm, vì sét dẫn tới sấm. Trên Trái Đất chúng ta, cứ mỗi giây xảy ra hơn 100 lần sét.

Ngay từ năm 1752, nhà khoa học Mĩ Franklin, đã dùng thực nghiệm thả diều nổi tiếng của mình để chứng minh sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển. Nhưng mãi cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa thể hoàn toàn làm rõ vì sao mây lại mang điện và sét hình thành như thế nào. Chúng ta chỉ thu được một phần đáp án có liên quan với sét mà thôi.

Con người vẫn chưa nắm rõ được làm thế nào mây giông tích tụ lại điện tích với một lượng lớn đến thế. Nhưng các nhà khoa học biết chắc chắn sự tồn tại của những điện tích đó. Các khí cầu có mang theo khí cụ thám trắc bay vào trong tầng mây, thăm dò được đỉnh mây có mang điện dương, phần giữa và chân mây có mang điện âm. Đại đa số các nhà khoa học cho rằng, loại phân bố điện như vậy là kết quả của tác động qua lại giữa vụn băng và các giọt nước trong mây. Vụn băng kết băng có mang điện tích âm, nước bám lên trên nó mang điện tích dương, các dòng không khí mạnh mẽ đi lên trong mây giông đưa hạt nước mang điện tích dương lên đỉnh đầu của tầng mây, liền hình thành lên sự phân bố điện tích trên dương dưới âm trong đám mây giông.

Khi trong mây đã tích tụ một lượng lớn điện tích, điện trường liền trở thành đủ mạnh, làm cho không khí vốn có tính năng cách điện rất tốt, phút chốc bỗng biến thành vật dẫn điện tốt. Electron liền từ phần mây mang điện âm phóng sang mây mang điện dương, trông như phóng tia lửa điện. Lúc ấy có thể trông thấy một lần sét đánh. Sét có thể chia thành ba loại: phóng điện trong mây, phóng điện giữa các đám mây và phóng điện giữa mây và đất. Hai loại trước gọi chung là sét mây, loại thứ ba gọi là sét đất. Do quan hệ giữa sét đất và hoạt động con người mật thiết nhất, loại sét người ta nghiên cứu nhiều nhất cũng là sét đất.

Sét đất là sự phóng tia lửa điện dữ dội sinh ra giữa phần chân tầng mây với mặt đất. Khi đám mây giông tới gần mặt đất, trên mặt đất cảm ứng ra điện tích dương ngược dấu với điện tích và mây đang mang, sinh ra điện trường lớn mạnh. Như đã nói tới ở trên, khi điện trường đủ mạnh, nó sẽ đánh xuyên không khí, sinh ra một lối thông ion để biến thành vật dẫn điện tốt.

Điện tích âm ở phần dưới của mây liền theo lối thông ion đi tới, vì chúng bao giờ cũng chọn con đường có điện trở nhỏ nhất mà đi. Cho nên trong quá trình di chuyển, điện tích âm liền có khả năng đổi hướng. Đó chính là nguyên nhân làm cho sét vòng vèo gấp khúc mà chúng ta thường thấy. Khi đi tới cách mặt đất khoảng 10 m, điện tích dương cảm ứng trên mặt đất bị hút vào theo lối thông ion vừa thiết lập phía trước, ùa vào chân mây, kèm theo sự phát quang vô cùng sáng chói, tức là sét mà mắt chúng ta nhìn thấy. Điện tích âm trong tầng mây và điện tích dương trên mặt đất qua lại như vậy một lần, sinh ra phóng điện, gọi là một lần sét. Sét mà chúng ta nhìn thấy tuy kéo dài không đến một giây, lại bao hàm một số lần sét đánh, có cái nhiều tới hơn 10 lần.

Dòng điện của sét có thể cao tới 100 nghìn ampe. Khi nhiệt độ không khí trong đường đi của sét tăng lên đến 20.000°C làm cho không khí nhanh chóng giãn nở, sinh ra áp suất rất lớn. Sự lan truyền của áp suất hình thành lên tiếng sấm mà chúng ta nghe thấy. Tốc độ truyền của âm thanh khoảng hơn 300 m/s, còn tốc độ truyền của ánh sáng lại nhanh hơn một triệu lần. Vì vậy, căn cứ vào quãng thời gian từ lúc nhìn thấy sét đến lúc nghe tiếng sấm, có thể rất dễ dàng tính ra khoảng cách của sét đến chúng ta.

Sét đất thường xảy ra chỗ có vật thể nhô lên trên mặt đất, vì thế trong thời tiết mưa giông, không nên đến trú mưa dưới cây to, vì ở ngoài đồng không mông quạnh, cây lớn dễ bị sét đánh vào nhất, còn ngồi trong nhà hoặc chỗ trũng là tương đối an toàn. Cũng không nên bơi trong hồ nước hoặc đến gần ao hồ, vì nước là vật dẫn điện tốt, nếu bị sét đánh trúng thì hậu quả không sao lường được.

Từ khoá: Mây giông; Sét; Sét mây;Sét đất; Phóng điện hoa lửa.

97. Vì sao trên các toà kiến trúc lớn phải lắp cột thu lôi?

Mùa hè thường xảy ra mưa giông, bạn có thể thấy cảnh tượng sấm vang chớp giật. Trên không trung vì sao lại xuất hiện sấm chớp nhỉ? Trên thực tế, đó là không khí giữa các đám mây, hoặc giữa mây với mặt đất bị điện áp cực kì cao đánh xuyên, xảy ra hiện tượng phóng điện dữ dội. Năng lượng của loại phóng điện này rất lớn, điện áp tới vài trăm triệu vôn, dòng điện cao tới vài chục nghìn ampe, nhiệt độ của trung tâm phóng điện cũng đạt vài chục nghìn độ Celsius, uy lực sấm sét rất kinh khủng. Nếu loại phóng điện này xảy ra giữa đám mây và toà kiến trúc to cao thì sẽ làm hư hại toà nhà và gây ra hoả hoạn. Giả sử lúc ấy có người ở ngay tại khu vực phóng điện hoặc ở gần đấy thì sẽ bị sét đánh trúng. Đó là một loại tai hoạ thiên nhiên, người ta thường gọi là sét đánh.

Vì vậy, trên nhiều toà kiến trúc cao to có lắp cột thu lôi hay cột chống sét, tức là cột bảo vệ toà nhà khỏi bị sét đánh. Cột thu lôi được nhà khoa học Mĩ Franklin phát minh ra năm 1752. Nó có tác dụng "chống sét" như thế nào nhỉ?

Cột thu lôi thực ra không hề chống sét, mà là lợi dụng vị trí có lợi chĩa lên trời cao của nó hút lấy sét vào bản thân, chịu bị sét đánh, qua đó bảo vệ các thiết bị khác khỏi bị sét đánh. Cột thu lôi do ba bộ phận: đầu thu sét, dây dẫn và tấm nối đất cấu thành. Các bộ phận của cột thu lôi đều phải có điện trở rất nhỏ, mặt cắt phải đạt một kích thước nhất định để chịu đựng được dòng điện sét lớn lao đi qua. Đầu thu sét, thông thường dùng thép tròn mạ kẽm đường kính lớn hơn 4 cm hoặc ống thép để chế tạo ra, độ dài khoảng 2 m trở lên. Nó phải được lắp vững chắc trên đỉnh toà nhà hoặc trên ống khói. Dây dẫn nối liền đầu thu sét với tấm nối đất, có thể dùng dây thép xoắn mạ kẽm hoặc dây thép bẹt để làm thành. Tấm nối đất phải chôn ở độ sâu nhất định dưới mặt đất và tiếp xúc tốt với đất, dễ dàng truyền dòng điện sét xuống đất sâu. Cũng có thể lợi dụng những vật tiếp đất tự nhiên như đường ống nước máy, ống thoát nước bẩn v.v. để làm tấm nối đất.

Ngoài ra, khi mây giông chứa điện đến gần toà kiến trúc hoặc thiết bị, các điện tích mà chúng ta cảm ứng dọc theo đỉnh đầu của cột thu lôi có thể lần lượt tiến hành phóng điện chóp nhọn, trung hoà lẫn nhau với sét. Vì vậy, cột thu lôi còn có thể tránh xảy ra sét cảm ứng.

Phải lắp cột thu lôi cao tới đâu mới tốt? Tất nhiên là càng cao càng tốt. Lắp được càng cao, phạm vi bảo vệ cũng càng lớn. Nhưng cũng không nên quá cao, vì như vậy thì sự vững chắc của cột thu lôi sẽ gặp rắc rối, khi gió to thổi thì nó có thể bị nghiêng hoặc đổ sập xuống, sẽ mất đi tác dụng chống sét. Vì vậy, trên toà kiến trúc có phạm vi tương đối lớn, thường người ta lắp vài cột thu lôi có tác dụng bảo vệ an toàn như nhau.

Ở ngoại ô, mỗi khi gặp cơn mưa giông, không nên đến trú mưa ở dưới gốc cây to, vì khi mây giông phóng điện xuống mặt đất, bao giờ cũng theo con đường gần nhất, cây to nhô cao lên mặt đất chính là con đường phóng điện tốt nhất. Chúng ta thường thấy khi sét đánh bao giờ cũng đánh gẫy một số cây cao to. Nếu bạn nấp dưới cây để tránh mưa, thế thì sẽ gặp nguy cơ bị sét đánh.

Từ khoá: Cột thu lôi; Phóng điện; Sét đánh.

98. Vì sao nam châm hút được sắt?

Nam châm là đá hút sắt, bạn đã chơi với nó lần nào chưa? Dùng nam châm có thể hút được đồ vật làm bằng sắt như đinh, kim v.v., rất là thú vị.

Vì sao nam châm có thể hút được sắt nhỉ? Cái đó phải giải thích từ kết cấu phân tử của vật chất trở đi.

Mọi vật chất đều do phân tử cấu thành cả. Phân tử do nguyên tử hợp thành, nguyên tử lại do hạt nhân nguyên tử và electron hợp thành. Electron không ngừng tự quay trong nguyên tử và quay xung quanh hạt nhân nguyên tử. Hai loại chuyển động đó của electron đều có thể sinh ra từ tính. Song, trong đại đa số vật chất, hướng chuyển động của electron không giống nhau, lộn xộn, lung tung. Điều đó làm cho hiệu ứng từ tính của nội bộ vật chất triệt tiêu lẫn nhau. Vì vậy, trong tình trạng bình thường, phần lớn các vật chất không thể hiện từ tính.

Còn nam châm thì không phải như vậy. Nói chung nam châm do nguyên liệu sắt từ như sắt, coban, niken hoặc ferit v.v. làm thành. Từ tính của nam châm bắt nguồn chủ yếu từ sự tự quay của electron. Trong chất sắt từ, sự tự quay của electron có thể tự phát sắp xếp ở phạm vi nhỏ, tức là mọi electron trong nguyên tử ở trong phạm vi nhỏ đó đều giữ được hướng tự quay như nhau, hình thành một vùng từ hoá nhỏ tự phát. Loại vùng từ hoá tự phát này gọi là miền từ (đômen từ). Kích thước của miền từ không giống nhau. Tóm lại, mỗi miền từ chiếm thể tích khoảng 109 cm3, chứa khoảng 1015 nguyên tử. Vì hướng từ tính của tất cả nguyên tử trong một miền từ đều đồng nhất, kết quả của sự xếp chồng là từ tính tăng cường lẫn nhau. Một miền từ tương đương với một "nam châm nhỏ", cục nam châm là do một lượng lớn "nam châm nhỏ" như vậy hợp thành.

Trước khi từ hoá, hướng từ tính của mọi miền từ trong nội bộ nguyên liệu sắt từ không giống nhau, không phối hợp với nhau, hướng nào cũng có. Kết quả là các từ trường khác hướng triệt tiêu lẫn nhau, đối với bên ngoài vẫn là không thể hiện từ tính. Tuy nhiên, sau khi đặt vào từ trường mạnh bên ngoài, chúng liền sắp xếp lại theo hướng của từ trường. Chúng ta nói chất sắt từ đã bị từ hoá. Nó liền biến thành một cục nam châm. Nhưng, ở những vật liệu khác khi đặt trong từ trường, các electron trong nguyên tử không tuân "mệnh lệnh" mà "xếp hàng ngay ngắn", vẫn chuyển động hỗn độn. Đó là các vật liệu phi từ tính như đồng, nhôm, chì v.v. Ở đó các electron lại giống như một đám trẻ con không vâng lời, cho dù có đặt vào một từ trường bên ngoài mạnh hơn nữa, chúng vẫn vận động lộn xộn theo ý mình. Cho nên những vật liệu ấy không thể từ hoá, cũng tức là không có từ tính.

Sở dĩ nam châm hút được sắt là vì nam châm có từ tính. Khi ở gần sắt, từ trường của nam châm liền làm cho cục sắt bị từ hoá. Giữa các cực khác nhau của nam châm và cục sắt sinh ra lực hút, cục sắt liền "dính" chặt vào nam châm. Song các kim loại như đồng, nhôm, chì v.v. không thể bị từ trường của nam châm từ hoá, không sinh ra được từ tính, vì vậy nam châm đành bất lực đối với chúng.

Nam châm vĩnh cửu mà chúng ta thường gặp có hai loại: nam châm nhân tạo và nam châm thiên nhiên. Nam châm nhân tạo được chế tạo bằng cách đặt nguyên liệu có tính sắt từ vào trong từ trường, làm cho nó từ hoá. Sau khi rút bỏ từ trường bên ngoài, điện tử trong nguyên liệu có tính sắt từ vẫn duy trì "hàng lối chỉnh thể", thể hiện từ tính rất mạnh đối với bên ngoài. Còn nam châm thiên nhiên là một loại đá quặng sắt trong thiên nhiên, dưới tác động từ hoá của từ trường Trái Đất, nó có mang từ tính vĩnh cửu.

Từ khoá: Nam châm; Miền từ; Từ hoá; Nam châm nhân tạo; Nam châm thiên nhiên.

99. Vì sao nam châm nung đỏ không hút được sắt?

Hiểu rõ nguyên lí hút sắt của nam châm rồi, nhưng bạn đã làm thử thí nghiệm này hay chưa: nếu nung cho nam châm đỏ hồng lên, liệu nó có còn hút được sắt? Có còn từ tính nữa không nhỉ?

Thí nghiệm cho thấy, nam châm sau khi nung đỏ, nó liền mất đi từ tính. Đó là vì sao vậy?

Chúng ta biết rằng, nam châm có từ tính là vì bên trong nam châm có rất nhiều miền từ đang sắp xếp hàng lối ngay ngắn theo cùng một hướng. Khi các đinh sắt ở gần nam châm, bị từ trường của nam châm từ hoá, cũng biến thành "nam châm nhỏ", từ cực khác nhau của chúng hút nhau, nam châm liền hút chặt lấy đinh.

Nhưng, theo đà nhiệt độ tăng cao, chuyển động nhiệt của phân tử trong nam châm tăng mạnh. Khi ấy, hướng sắp xếp của miền từ liền không quy tắc, lắc lư sau, trước, trái, phải, từng miền từ một biến thành tự do tản mạn, dần dần ngả về trạng thái vô trật tự, kết cục dẫn tới từ tính bị suy yếu. Khi nam châm nóng đỏ lên, nhiệt độ tăng cao đến một giá trị nào đó, chuyển động nhiệt của phân tử dữ dội làm cho miền từ trở lại trạng thái hoàn toàn vô trật tự, nam châm liền hoàn toàn mất từ tính. Các nhà vật liệu học gọi nhiệt độ sắt từ hoàn toàn mất từ tính là "nhiệt độ Curie". Nhiệt độ Curie của sắt thép là 769°C.

Bây giờ bạn đã hiểu vì sao nam châm nung đỏ không hút được sắt. Cùng với nguyên lí như vậy, nếu ngược lại đốt nóng cho đinh sắt đỏ lên, nam châm cũng không hút được nó. Trong nhà máy luyện thép, người ta dùng cần cẩu điện từ nhấc nguyên liệu gang v.v. cho vào lò luyện thép, nhưng lại không sao dùng cần cẩu điện từ để mang thép thỏi vừa mới sản xuất đi chỗ khác. Trên cần cẩu điện từ có một nam châm điện rất lớn. Lợi dụng nam châm điện hút gang tất nhiên không có vấn đề gì, nhưng đối với thép thỏi vừa mới đông cứng thì nó đành bất lực. Vì nhiệt độ của thép thỏi lúc ấy cao tới 1400°C cho dù hơi nguội đi thì trong thời gian ngắn cũng có nhiệt độ trên nghìn độ Celsius, vượt rất xa nhiệt độ Curie của sắt thép, thép thỏi mất tính sắt từ, miền từ bên trong không thèm để ý đến từ trường của nam châm điện, từng cái từng cái vẫn rất sống động. Thép thỏi không bị từ trường bên ngoài từ hoá, nam châm điện cũng đành bó tay. Người ta chỉ còn cách dùng bánh xe guồng để chuyển dịch các thép thỏi vừa mới đúc xong.

Thực ra, ngoài nhiệt độ cao có thể phá hoại tính sắt từ ra, chấn động dữ dội, từ trường cao tần cũng sẽ làm cho từ tính của nam châm suy yếu hoặc mất đi.

Từ khoá: Nam châm; Miền từ; Nhiệt độ Curie; Nam châm điện.

100. Điện từ đâu đến vậy?

Tác dụng của điện trong cuộc sống của chúng ta thì không nói cũng rõ. Máy giặt, tủ lạnh, lò vi sóng, tivi... các loại đồ điện gia dụng đều không tách rời với điện được. Nhà máy, trường học, cửa hàng cũng không thể không có điện.

Người ta dùng điện để chiếu sáng, sưởi ấm, làm lạnh, truyền tin... Có điện, cuộc sống của chúng ta ngày càng thoái mái, ngày càng tiện lợi. Thế thì, điện từ đâu đến nhỉ?

Điện mà chúng ta thường sử dụng là điện thành phố 220 vôn, đến từ nhà máy điện. Trong nhà máy điện, máy phát điện phát ra điện, rồi lại thông qua các đường tải điện đưa đến hàng ngàn, hàng vạn hộ gia đình.

Vậy thì, điện do máy phát điện "chế tạo" ra đấy ư? Không! Điện không phải được tạo ra một cách không có cơ sở. Điện tức là điện năng, nó là một loại năng lượng. Ngày thường, chúng ta hay nói dùng hết bao nhiêu điện, kì thực là chỉ sự tiêu hao bao nhiêu điện năng. Ví dụ như lò sưởi điện phải dùng điện, khi ấy chính là chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng. Còn máy phát điện thì ngược lại, nó chuyển đổi năng lượng của các dạng năng lượng khác thành điện năng.

Trong nhà máy thuỷ điện, nước chảy có cơ năng. Khi dòng nước đẩy tuabin nước quay, làm cho cụm nam châm của máy phát điện quay theo, sinh ra từ trường biến đổi. Từ trường biến đổi lại cảm ứng ra dòng điện trong cuộn dây quấn ở xung quanh. Thế là máy phát điện phát ra điện. Vì vậy, thuỷ điện làm chuyển đổi cơ năng của dòng nước thành ra điện năng. Trong nhà máy phát điện bằng sức gió, từng hàng từng hàng cánh quạt gió to lớn đồng thời quay, kéo máy phát điện quay theo và phát ra điện. Đó là tiêu hao cơ năng của không khí chuyển động để sinh ra điện năng. Trong nhà máy nhiệt điện, đốt các nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, ga thiên nhiên v.v. đun nước trong lò hơi thành hơi nước, hơi nước đẩy tua bin khí quay, điện được phát ra. Đó là chuyển đổi hoá năng được giải phóng ra khi đốt cháy nhiên liệu thành điện năng.

Theo đà sử dụng điện năng ngày càng rộng rãi, lượng nhu cầu của con người đối với nó cũng ngày càng lớn. Còn trữ lượng của tài nguyên thiên nhiên trên Trái Đất như than đá, dầu mỏ, ga thiên nhiên v.v. lại cạn kiệt dần dần. Lấy tốc độ tiêu hao hiện nay mà xét, trữ lượng dầu mỏ chỉ còn đủ cho loài người sử dụng khoảng 70 năm nữa. Tài nguyên than đá tuy có phong phú hơn một ít, song nhiều nhất cũng chỉ đủ dùng cho 500 năm. Sự cạn kiệt của nguồn năng lượng đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng mà loài người sắp phải đối mặt.

Các nhà khoa học phát hiện, trong hạt nhân nguyên tử có ẩn chứa năng lượng lớn lao, gọi là nguyên tử năng lượng. Một kilo urani-235 khi xảy ra phản ứng phân hạch, nguyên tử năng lượng được giải phóng tương đương với năng lượng được giải phóng khi đốt khoảng 2700 tấn than tiêu chuẩn. Có thể dùng nguyên tử năng lượng để phát điện không nhỉ? ở nhà máy điện hạt nhân, chính là dựa vào việc đốt cháy nhiên liệu hạt nhân để phát điện. Nhiên liệu hạt nhân hiện dùng chủ yếu là urani và thori. Một loại nhiên liệu hạt nhân khác - đơteri, có thể giải phóng năng lượng nhiều hơn. Trữ lượng của đơteri trong nước biển có thể cung cấp cho loài người sử dụng 10 triệu năm! Làm thế nào để lợi dụng năng lượng bên trong đơteri nhỉ? Các nhà khoa học vẫn đang không ngừng nghiên cứu tìm tòi. Do khó khăn về mặt kĩ thuật quá lớn, hiện nay vẫn chưa thể dùng nó để phát điện. Sử dụng năng lượng nguyên tử vào mục đích hoà bình là một vấn đề hàng đầu của các nhà vật lí hiện tại.

Từ khoá: Điện năng; Nhà máy điện; Máy phát điện; Thuỷ điện; Phát điện bằngsức gió; Nhiệt điện; Nguyên tử năng.