Bài giảng Điện học (Phần 27) pptx

Bài giảng Điện học
(Phần 27)
Chương 6
ĐIỆN TỪ HỌC
Trongchương này, chúng ta sẽ thảoluận mốiquan hệ mật thiết giữa từ học
và điện học do James ClerkMaxwellkhám phá ra. Maxwellnhận ra rằngánhsáng
là một sóng cấu thànhđiện trườngvà từ trường liên kết với nhau.Người ta đồn
rằng có một đêmông đã đi dạo cùng với vợ của ông và nói với bàta rằngbà là
người khác duy nhất trên thế giới biết được ánhsáng saothậtsự là cái gì.
6.1 Từ trường
Không có đơn cực từ
Nếu bạn chơi với một nắmlưỡngcựctừ và một nắm nam châm thanh,bạn sẽ
thấychúng rất giống nhau.Chẳng hạn, mộtcặp nam châm thanhcóxu hướngtự
sắp thẳng hàng nối đuôi nhau,vàmộtcặp lưỡng cực điện làm giống hệtnhư vậy
(Thật không may là không dễ dàng gì làmchomột lưỡng cực điện vĩnh cửu có thể
cầm nắm như thế này, vì điện tích có xuhướng rò rỉ).
Tuy nhiên, rốt cuộcbạnsẽ chú ý thấy sự khác biệt quantrọng giữa hailoại
đối tượng.Các lưỡngcực điệncó thể bị phá vỡ, hìnhthànhnên các hạt tích điện
dươngvà âm côlậpnhau. Dụng cụ hai đầu có thể bị chia cắt thành các phần không
phải haiđầu.Nhưng nếu bạn cắt thanhnam châm thànhhainửa, b,bạnsẽ dễ dàng
thấymình vừa tạo ra haivậthai cực nhỏ hơn.
b/Cắt mộtthanhnam châmthànhhainửa khôngtạora hai đơn cực từ, mà
tạo ra hailưỡng cực nhỏ hơn.
c/ Giải thích ở cấp độ nguyên tử.
Lí giải cho hànhvi nàykhôngkhó khăn gì từ bức tranh vimôcủa chúng ta về
các namchâm sắt vĩnh cửu. Một lưỡngcực điện có dư “chất”dươngtập trung ở
một đầu và dư chất âm ở đầu kia. Mặt khác, thanhnamchâmcó từ tính củanó
khôngphải từ sự thiếu cân bằng “chất” từ ở hai đầu mà từ sự định hướng của
chuyển động quaycủa các electron. Một cực là cựcmà từ đó chúng ta cóthể nhìn
xuống trục và thấy các electron đangquaytheo chiều kimđồnghồ, và cực kia là
cực mà từ đó chúng sẽ xuấthiện chuyển độngngược chiều kimđồng hồ. Khôngcó

sự chênhlệch giữa “chất” ở cực nàyvà cực kiacủa nam châm, c.
Chưaai từng thành công trong việc táchriêng một đơncực từ. Theo ngôn
ngữ kĩ thuật, chúngta nói rằng các đơncực từ hình như không tồn tại. Các đơn cực
điện thì thật sự tồn tại– đó là các điện tích.
Lực điện và lực từ giống nhauở nhiều phươngdiện. Cả hai đều tác dụng từ
xa,cả hai đều có thể là lực húthoặc lực đẩy, và cả hai đều liên quan mật thiếtđến
một tínhchấtcủa vật chất gọi là điệntích. (Nhắc lại từ tính làtươngtác giữa các
điện tíchđang chuyểnđộng) Óc thẩmmĩ của các nhàvật líđã bị xâm phạm suốt
một thời gian dài vì cái cóvẻ đối xứngnày bị phá vỡ bởi sự tồn tại của cácđơn cực
điện và sự thiếu vắng các đơncực từ. Có lẽ một số dạng kì lạ của vật chất có tồn tại,
gồm cáchạt là nhữngđơn cựctừ. Nếu những hạt như thế có thể tìm thấytrong tia
vũ trụ hay đấtđá mặt trăng,nó sẽ là bằngchứng chothấy sự thiếu đối xứng biểu
kiếnchỉ là sự thiếuđối xứng trong kết cấu của vũ trụ, chứ không phảilà mộtquy
luật vật lí. Vìnhững lí do phải công nhậnlà chủ quan này, đã có vài ba tìm kiếm cho
đơn cực từ. Các thí nghiệm đã được tiến hành, với kết quả âm tính, nhằm tìm kiếm
đơn cực từ có trong vật chất thôngthường. Các nhà vật lí Liên Xô trongthập niên
1960 đã đưara nhữngkhẳngđịnh kích động rằng họ đã tạo ra và phát hiện được
các đơncực từ trong các máy gia tốchạt, nhưng không hề có thành công nào trong
nỗ lực tái tạo lại kết quả ở đó hay ở những máy gia tốc khác. Cuộc tim kiếm mới
đây nhất chocác đơn cực từ bằng cách phân tích lại dữ liệu từ cuộc tìm kiếm quark
top tại Fermilab,hóa rakhông có ứngcử viên nào, cho thấyhoặc là đơn cực từ
khôngtồn tại trong tự nhiên hoặc làchúng cực kì nặng và do đó thật khó tạo ra
trong các máy gia tốc hạt.
Định nghĩa từ trường
Vì các đơncực từ dường như không tồn tại, nên khôngthể nào nghĩ tới việc
định nghĩa từ trường dưới dạng lực tácdụnglên một đơn cựcthử. Thay vì vậy,
chúng ta tuân theotriết lí củasự định nghĩa khác của điện trường, và địnhnghĩa từ
trường dưới dạng mômenquaytác dụng lên lưỡngcực từ thử. Đâychính xác là cái
mà la bàn từ hoạt động:kim la bàn là một namchâm sắt nhỏ hoạt động giống như
một lưỡngcực từ và cho chúngta thấy hướngcủa từ trườngTrái Đất.

d/ Mộtlưỡng cực chuẩncấu tạo từ một vòng dây hìnhvuông làm ngắn mạch
một chiếc pin. Nó hoạt độngrất giống với namchâmthanh,nhưng độ lớn của nó
dễ định lượng hơn.
e/ Lưỡngcực có xu hướng tự sắp thẳng hàng với từ trường xungquanh.
Tuy nhiên, để định nghĩađộ lớn của từ trường,chúng ta cầnmộtsố cách
định nghĩa độ lớn của lưỡng cựcthử, tức là chúng ta cầncó một định nghĩa của
mômenlưỡng cực từ.Chúng ta có thể sử dụng một namchâm sắt vĩnhcửu được
chế tạo theonhữngkĩ thuật nhất định, nhưng một vật như thế thật sự là một hệ
quá phứctạp gồm nhiềunguyên tử sắt, chỉ có mộtsố trong chúng sắpthẳng hàng.
Một lưỡngcựcchuẩn cơ bản hơn là một vòng điện vuông. Đây có thể là mộtmạch
điện cóchútít điện trở gồmmột hìnhvuôngdây dẫnnối ngắn mạch qua mộtchiếc
pin.
Chúng tasẽ thấy rằng mộtvòng như thế, khiđặt trongtừ trường, chịu một
mômenquaycó xu hướng sắp mặt phẳng sao chomặtcủa nó hướng theo một
hướngnhất định.(Vì vòng là đối xứng,nên không hề hấn gì nếu chúng ta quay nó
giống như bánh xemàkhông làm thayđổi mặt phẳng nó nằmtrong đó)Từ hướng
quay mặt ưu tiên này, chúng ta sẽ đi đến định nghĩa hướngcủa từ trường.
Các thí nghiệm chothấy nếu vòngdâykhôngthẳng hàng với từ trường,thì
mômenxoắn tác dụng lên nótỉ lệ với cường độ dòng điện, và cũng tỉ lệ với diện
tích giới hạn của vòngdây. Sự tỉ lệ với dòngđiện là có ý nghĩa, vì lực từ là tươngtác
giữacác điệntích đangchuyển động,và dòng điện là số đo chuyển độngcủađiện
tích.Sự tỉ lệ với diện tích vòngdây cũng không khóhiểu, vì việc tăng chiều dài các
cạnh của hình vuông làm tăng cả điện tíchchứatrong“con sông” chảytròn này và
lượng lựcđòn bẫy tạo ra mômenquay.Hai nguyên nhân vật líđộc lập cho sự tỉ lệ
với chiều dài manglại sự tỉ lệ tổng quát với bìnhphương chiều dài, đó đúng làdiện
tích của vòngdây. Vì những lí donày, chúng ta định nghĩa mômenlưỡng cực từ của
một vòngdây điện vuông là
D
m
= IA

[địnhnghĩa mômenlưỡng cực từ của một dòng điện vuông]
Bây giờ chúngta địnhnghĩa từ trường theo kiểu hoàn toàn tươngtự với kiểu
định nghĩa thứ hai của điện trường.
dịnh nghĩa từ trường
Vectơ từ trường, B, tại một điểm bấtkì trong không gianđược xác địnhbằng
cách quansát mômen quay tácdụng lên một lưỡng cực từ thử D
mt
gồm một vòng
dây điện hìnhvuông. Độ lớn của trườnglà |B|= τ/D
m
sinθ,trong đó q là góc lệch
của vòng dây. Hướng củatừ trường vuông góc với vòng dây, chúng ta chọnhướng
sao chonếu chúngta nhìn dọctheo nó, dòng điện chạy trong vòng là ngượcchiều
kim đồng hồ.
Chúng tatìmthấy từ địnhnghĩa này từ trường cóđơn vị N.m/A.m
2
=N/A.m.
Tổ hợp đơn vị khósử dụngnày đượcgọi tắt là tesla,1 T =1 N/A.m.Nhắclại cần
ghi nhớ về hướng ngược chiềukim đồnghồ ở một đầu; trong phần 6.4chúngta sẽ
thấylàm thế nào hiểu kháiniệm nàytheonhững nguyên lí cơ bản hơn.
Sự không tồntại củacác đơn cực từ có nghĩa làkhônggiốngnhư điệntrường,
f/1, từ trường,f/2, không bao giờ có nguồnphát rahay bồnhút vào. Các vectơ từ
trường hướng theo nhữngđường khép kín trở lại chínhnó, chứ không hội tụ hay
phân kìtạimột điểm.
f/ Điệntrường, 1,cóđiểm phátra và điểm thu vào, còn từ trường, 2, thì
không.
g/ Hìnhdạng từ phổ của thanhnam châm. hìnhảnhnày có được bằng cách
rải mạt sắtlêntờ giấy, và mangmột thanh nam châm đặt bên dưới nó. Lưu ý cách
thức từ phổ đi qua thân nam châm, hìnhthànhcác vòng khép kín,như tronghình
f/2. Khôngcó nguồn phát ra hay bồnthuvào.