Bài giảng Điện học (Phần 27)

Chương 6 ĐIỆN TỪ HỌCTrong chương này, chúng ta sẽ thảo luận mối quan hệ mật thiết giữa từ học và điện học do James Clerk Maxwell khám phá ra.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Điện học (Phần 27) Bài giảng Điện học (Phần 27) Chương 6 ĐIỆN TỪ HỌC Trong chương này, chúng ta sẽ thảo luận mối quan hệ mật thiết giữa từ họcvà điện học do James Clerk Maxwell khám phá ra. Maxwell nhận ra rằng ánh sánglà một sóng cấu thành điện trường và từ trường liên kết với nhau. Người ta đồnrằng có một đêm ông đã đi dạo cùng với vợ của ông và nói với bà ta rằng bà làngười khác duy nhất trên thế giới biết được ánh sáng sao thật sự là cái gì. 6.1 Từ trường Không có đơn cực từ Nếu bạn chơi với một nắm lưỡng cực từ và một nắm nam châm thanh, bạn sẽthấy chúng rất giống nhau. Chẳng hạn, một cặp nam châm thanh có xu hướng tựsắp thẳng hàng nối đuôi nhau, và một cặp lưỡng cực điện làm giống hệt như vậy(Thật không may là không dễ dàng gì làm cho một lưỡng cực điện vĩnh cửu có thểcầm nắm như thế này, vì điện tích có xu hướng rò rỉ). Tuy nhiên, rốt cuộc bạn sẽ chú ý thấy sự khác biệt quan trọng giữa hai loạiđối tượng. Các lưỡng cực điện có thể bị phá vỡ, hình thành nên các hạt tích điệndương và âm cô lập nhau. Dụng cụ hai đầu có thể bị chia cắt thành các phần khôngphải hai đầu. Nhưng nếu bạn cắt thanh nam châm thành hai nửa, b, bạn sẽ dễ dàngthấy mình vừa tạo ra hai vật hai cực nhỏ hơn. b/ Cắt một thanh nam châm thành hai nửa không tạo ra hai đơn cực từ, mà tạo ra hai lưỡng cực nhỏ hơn. c/ Giải thích ở cấp độ nguyên tử. Lí giải cho hành vi này không khó khăn gì từ bức tranh vi mô của chúng ta vềcác nam châm sắt vĩnh cửu. Một lưỡng cực điện có dư “chất” dương tập trung ởmột đầu và dư chất âm ở đầu kia. Mặt khác, thanh nam châm có từ tính của nókhông phải từ sự thiếu cân bằng “chất” từ ở hai đầu mà từ sự định hướng củachuyển động quay của các electron. Một cực là cực mà từ đó chúng ta có thể nhìnxuống trục và thấy các electron đang quay theo chiều kim đồng hồ, và cực kia làcực mà từ đó chúng sẽ xuất hiện chuyển động ngược chiều kim đồng hồ. Không cósự chênh lệch giữa “chất” ở cực này và cực kia của nam châm, c. Chưa ai từng thành công trong việc tách riêng một đơn cực từ. Theo ngônngữ kĩ thuật, chúng ta nói rằng các đơn cực từ hình như không tồn tại. Các đơn cựcđiện thì thật sự tồn tại – đó là các điện tích. Lực điện và lực từ giống nhau ở nhiều phương diện. Cả hai đều tác dụng từxa, cả hai đều có thể là lực hút hoặc lực đẩy, và cả hai đều liên quan mật thiết đếnmột tính chất của vật chất gọi là điện tích. (Nhắc lại từ tính là tương tác giữa cácđiện tích đang chuyển động) Óc thẩm mĩ của các nhà vật lí đã bị xâm phạm suốtmột thời gian dài vì cái có vẻ đối xứng này bị phá vỡ bởi sự tồn tại của các đơn cựcđiện và sự thiếu vắng các đơn cực từ. Có lẽ một số dạng kì lạ của vật chất có tồn tại,gồm các hạt là những đơn cực từ. Nếu những hạt như thế có thể tìm thấy trong tiavũ trụ hay đất đá mặt trăng, nó sẽ là bằng chứng cho thấy sự thiếu đối xứng biểukiến chỉ là sự thiếu đối xứng trong kết cấu của vũ trụ, chứ không phải là một quyluật vật lí. Vì những lí do phải công nhận là chủ quan này, đã có vài ba tìm kiếm chođơn cực từ. Các thí nghiệm đã được tiến hành, với kết quả âm tính, nhằm tìm kiếmđơn cực từ có trong vật chất thông thường. Các nhà vật lí Liên Xô trong thập niên1960 đã đưa ra những khẳng định kích động rằng họ đã tạo ra và phát hiện đượccác đơn cực từ trong các máy gia tốc hạt, nhưng không hề có thành công nào trongnỗ lực tái tạo lại kết quả ở đó hay ở những máy gia tốc khác. Cuộc tim kiếm mớiđây nhất cho các đơn cực từ bằng cách phân tích lại dữ liệu từ cuộc tìm kiếm quarktop tại Fermilab, hóa ra không có ứng cử viên nào, cho thấy hoặc là đơn cực từkhông tồn tại trong tự nhiên hoặc là chúng cực kì nặng và do đó thật khó tạo ratrong các máy gia tốc hạt. Định nghĩa từ trường Vì các đơn cực từ dường như không tồn tại, nên không thể nào nghĩ tới việcđịnh nghĩa từ trường dưới dạng lực tác dụng lên một đơn cực thử. Thay vì vậy,chúng ta tuân theo triết lí của sự định nghĩa khác của điện trường, và định nghĩa từtrường dưới dạng mômen quay tác dụng lên lưỡng cực từ thử. Đây chính xác là cáimà la bàn từ hoạt động: kim la bàn là một nam châm sắt nhỏ hoạt động giống nhưmột lưỡng cực từ và cho chúng ta thấy hướng của từ trường Trái Đất. d/ Một lưỡng cực chuẩn cấu tạo từ một vòng dây hình vuông làm ngắn mạch một chiếc pin. Nó hoạt động rất giống với nam châm thanh, nhưng độ lớn của nó dễ định lượng hơn. e/ Lưỡng cực có xu hướng tự sắp thẳng hàng với từ trường xung quanh. Tuy nhiên, để định nghĩa độ lớn của từ trường, chúng ta cần một số cáchđịnh nghĩa độ lớn của lưỡng cực thử, tức là chúng ta cần có một định nghĩa củamômen lưỡng cực từ. Chúng ta có thể sử dụng một nam châm sắt vĩnh cửu đượcchế tạo theo những kĩ thuật nhất định, nhưng ...