Bài giảng Điện học (Phần 29)

6.3 Cảm ứng điện từ Điện từ học và chuyển động tương đối Lí thuyết điện trường và từ trường xây dựng đến đây có một nghịch lí. Một trong những nguyên lí cơ bản nhất của vật lí học, lùi ngày tháng trở lại với Newton và galileo và vẫn còn ảnh hưởng mạnh ngày nay, phát biểu rằng chuyển động là tương đối, chứ không phải tuyệt đối. Như vậy, các định luật vật lí phải không tác dụng khác nhau trong một hệ quy chiếu chuyển động, nếu không chúng ta sẽ có thể nói hệ quy...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Điện học (Phần 29) Bài giảng Điện học (Phần 29) 6.3 Cảm ứng điện từ Điện từ học và chuyển động tương đối Lí thuyết điện trường và từ trường xây dựng đến đây có một nghịch lí. Mộttrong những nguyên lí cơ bản nhất của vật lí học, lùi ngày tháng trở lại với Newtonvà galileo và vẫn còn ảnh hưởng mạnh ngày nay, phát biểu rằng chuyển động làtương đối, chứ không phải tuyệt đối. Nh ư vậy, các định luật vật lí phải không tácdụng khác nhau trong một hệ quy chiếu chuyển động, nếu không chúng ta sẽ có thểnói hệ quy chiếu nào là hệ quy chiếu ở trạng thái nghỉ tuyệt đối. Lấy ví dụ từ cơ học,tưởng tượng một đứa trẻ đang tâng một quả bóng lên xuống ở ghế ngồi phía saucủa một chiếc ô tô đang chuyển động. Trong hệ quy chiếu của đứa trẻ, chiếc xe ởtrạng thái nghỉ và phong cảnh đang chuyển động; trong hệ quy chiếu này, quả bòngđi lên xuống theo đường thẳng, và tuân theo các định luật Newton và định luật hấpdẫn của Newton. Trong hệ quy chiếu của một nhà quan sát đang nhìn từ bên lềđường, chiếc ô tô đang chuyển động và lòng đường thì không. Trong hệ quy chiếunày, quả bóng đi theo một cung parabol, nhưng nó vẫn tuân theo các định luậtNewton. Tuy nhiên, khi xét với điện học và từ học, chúng ta có một vấn đề, lần đầutiên được nói rõ ràng bởi Einstein: nếu chúng ta phát biểu rằng từ tính là tương tácgiữa các điện tích đang chuyển động, thì rõ ràng chúng ta vừa sáng tạo ra một địnhluật vật lí vi phạm nguyên tắc cho rằng chuyển động là tương đối, vì những ngườiquan sát khác nhau trong những hệ quy chiếu khác nhau sẽ không thống nhất vớinhau về mức độ nhanh mà các điện tích đang chuyển động, hay thậm chí rốt cuộcchúng có chuyển động hay không. Lời giải không chính xác mà Einstein được chỉdạy (và hoài nghi) khi còn là sinh viên khoảng thời gian năm 1900 là bản chấttương đối của chuyển động chỉ áp dụng cho cơ học, chứ không áp dụng được chođiện học và từ học. Toàn bộ câu chuyện làm sao Einstein phục hồi nguyên lí chuyểnđộng tương đối vào vị trí chính đáng của nó trong vật lí học có liên quan tới thuyếttương đối đặc biệt của ông, chúng ta sẽ không bàn đến lí thuyết đó ở trong tập sáchnày. Tuy nhiên, một vài thí nghiệm tưởng tượng đơn giản và định lượng sẽ đủ đểchỉ ra làm thế nào, dựa trên nguyên lí chuyển động là tương đối, phải có một sốmối quan hệ mới và trước nay không ngờ tới giữa điện học và từ học. Những quanhệ này hình thành nên cơ sở của nhiều thiết bị thực tế, sử dụng hàng ngày, ví dụnhư máy phát điện và máy biến thế, và chúng cũng đưa đến một cách giải thíchchính bản thân ánh sáng là một hiện tượng điện từ học. k/ Micheal Faraday (1791 – 1867), con của một người thợ rèn nghèo, đã phát minh ra hiện tượng cảm ứng điện từ bằng thực nghiệm. l/ Một đường điện tích dương Hãy tưởng tượng một ví dụ điện của chuyển động tương đối theo tinh thầngiống như câu chuyện đứa trẻ ngồi phía sau xe ô tô. Giả sử chúng ta có một đườngcác điện tích dương, l. Nhà quan sát A ở trong hệ quy chiếu nằm yên so với nhữngđiện tích này, và quan sát thấy chúng tạo ra một hình ảnh điện trường hướng rabên ngoài, ra xa khỏi các điện tích, và theo mọi hướng, giống như một bó chổi. Tuynhiên, giả sử nhà quan sát B đang chuyển động sang bên phải đối với các điện tích.Đối với B, cô ta thấy mình đang đứng yên, còn các điện tích (và nhà quan sát A) dichuyển sang bên trái. Đồng ý kiến với A, cô ta quan sát thấy một điện trường,nhưng vì đối với cô ta các điện tích là đang chuyển động nên cô ta cũng phải quansát thấy một từ trường trong cùng vùng không gian đó, giống hệt như từ trường domột sợi dây dẫn thẳng, dài gây ra. Vậy thì ai đúng ? Cả hai đều đúng. Trong hệ quy chiếu của A, chỉ có mộtmình E, còn trong hệ quy chiếu của B có cả E lẫn B. Nguyên lí chuyển động tươngđối buộc chúng ta kết luận rằng tùy theo hệ quy chiếu của chúng ta, chúng ta sẽthấy một sự kết hợp khác nhau của các trường. Mặc dù chúng ta sẽ không chứngminh nó (việc chứng minh cần đến thuyết tương đối đặc biệt, không được bàn tớitrong tập sách này), nhưng đúng là mỗi hệ quy chiếu mang lại một sự mô tả hoàntoàn trước sau như một của mọi thứ. Chẳng hạn, nếu một electron truyền qua vùngkhông gian này, cả A và B đều thấy nó chệch hướng, tăng tốc và giảm tốc. A sẽ giảithích thành công đây là kết quả của điện trường, còn B sẽ quy cho hành vi củaelectron là một kết hợp của lực điện và lực từ. Như vậy, nếu chúng ta tin vào nguyên lí chuyển động tương đối, thì chúng taphải chấp nhận rằng điện trường và từ trường là những hiện tượng liên quan mậtthiết với nhau, giống như hai mặt của một đồng xu. Bây giờ hãy xét hình m. Nh à quan sát A đứng yên so với các thanh nam châm,và thấy hạt đang bị lệch theo hướng z, theo quy luật cho trong phần 6.2 (nhìn dọctheo vectơ lực, tức là từ phía sau trang giấy, vectơ B nằm xuôi chiều kim đồng hồso với vectơ v). Mặt khác, giả sử nhà quan ...