Bài giảng Điện học (Phần 23) pdf

Bài giảng Điện học (Phần 23) Chương 5 CÁC TRƯỜNG LỰC Nềnkhoa học mũi nhọn dễ dàng thâmnhập vào nền văn hóa công chúng, đôi khi qua hình thức bị bóp méo.Trí tưởng tượngNewtonthống trị khắp nơi chủ yếu với chất liệu đẹp vữngchắc gọi là vật chất, nó đượccấu thành từ những quả cầu có phần rắn chắc gọi là nguyên tử.Vào đầu thế kỉ 20, các vị khách hàng của tiểu thuyết giật gân và nền khoa học đại chúnghóa bắt đầu nghenói tới mộthình ảnh mới của vũ trụ, toàn đầy tia X, tiaN và sóng Hertz.Cái mà họ bắt đầuthấm nhập quadacủa họ là sự xét lại triệt để quan niệm củaNewton về một vũ trụ cấu thành từ các khối vậtchất có vẻ tương tác thông quacác lực. Trongbức tranh mới xuấthiện, vũ trụ cấu thành từ lực, haynói mangtính kĩ thuật hơn,từ những gợn sóng trongcáctrườnglực phổ biến. Khônggiống như đa số độc giả của tác phẩm Những câu chuyện vũ trụ hồi năm 1941, bây giờ bạn có đủ kiến thức kĩ thuật để hiểu đượcmột trường lựcthật sự là cái gì. 5.1 Tại sao lại là các trường lực ? Sự trễ thời gian tác dụng lực từ xa Cái gì đã thuyết phụccác nhàvật lí rằng họ cần đếnquanniệm mới này về một trườnglực ? Mặc dù chúng ta đã quenthuộc nhiều với lực điện, nhưng hãybắt đầu với một ví dụ lực từ. (Thật ra lí dochủ yếu khiến tôi hoãn chưabàn tới từ học quá lâu vì các phép tínhtoánhọc của các hiệu ứngtừ sẽ dễ nắm bắt hơnnhiều với quan niệm về trườnglực) Trước hết, hãy nói qua một chút về cơ sở dẫn đến ví dụ của chúngta. Một thanh nam châm,a, có mộttrục mà nhiều quỹ đạo electronđịnh hướngdọc theo đó. Chính Trái Đất cũng là một nam châm, mặc dù không phải loại dạng thanh. Tương tácgiữanam châm-TráiĐất và thanh nam châm, b, làmcho chúng sắp thẳng hàngtrục củachúng theo hướng ngược nhau(nói cách khác, các electroncủa chúng quaytrongnhữngmặt phẳng songsong,nhưngmột quỹ đạo quay theo chiều kim đồng hồ và quỹ đạo kia quay ngược chiều kim đồnghồ khi nhìn dọc theo trục) Ở kích thướcnhỏ hơn,bất kì haithanhnamchâm nào đặtở gần nhau cũngsẽ tự sắp chúngđầunối đuôi, c. Bây giờ chúngta xétmột ví dụ có liên quan. Rõrànglà haingười cáchnhau một bứctườngmỏngcỡ tờ giấy có thể sử dụngmột cặp thanh namchâm để truyền tín hiệu cho nhau. Mỗi người sẽ cảm thấy namchâm củamình cố gắng xoayđi phản ứng lại với bấtkì chuyển động quaynào thựchiện bởi namchâm củangười bên kia.Phạm vi thực tế của sự truyền thông sẽ rấtngắn đốivới cách sắpđặt này, nhưng một thiết bị nhạy cóthể thu được các tín hiệu từ tính từ nhữngkhoảng cách xa hơn nhiều. Thật ra,ở đây khôngkhác gì mấy so với radiothựchiện: các electron chạylên chạyxuốngtrongănten phát tạo ra lực tácdụnglên các electrontrong ăntenthu ở xa. (Cả lực điện lẫn lựctừ đều có mặttrong các tín hiệu radiothựctế, nhưng cho đến lúc này chúng takhôngphải lo ngại gì về điều đó). Bây giờ,một câu hỏi tự nhiên phát sinh là có haykhông sự chậm trễ thời gian trong loại truyềnthôngqua cáclực từ (và điện) này. Newtonnghĩ rằng không, vì ôngquanniệm về nền vậtlí dưới dạngtác dụng lực tức thời xuyên khoảng cách. Tuy nhiên, ngày nay chúng tabiết rằngcó một sự chậm trễ thời giannhư thế. Nếu bạn thực hiệnmột cuộc gọi điện thoại đườngdài gửi tín hiệu qua vệ tinh viễn thông, bạn sẽ dễ dàng có thể phát hiện sự chậm trễ khoảng chừng nửa giây trên hành trình50.000 dặm khép kín của tínhiệu. Cácphép đo hiện đại cho thấycác lực điện, lực từ và lựchấp dẫnđều truyền đi ở tốc độ ánh sáng, 3 x10 8 m/s. (Thật ra, chúng ta sẽ sớm bàn đến việcchính bản thân ánh sáng cũngđược cấu thành từ điện và từ). Nếu như mất chút ít thời giancho lực truyềnqua không gian,thì rõràngphải có mộtthứ gì đó truyềnqua không gian. Thật ra thì hiện tượngtruyền raxa ở cùng tốc độ như nhautheo mọi hướng gợi ý rõ ràng tới phép ẩndụ sóng như các gợn sóng trên mặt hồ. Nhiều bằng chứng cho thấy các trường lực là có thật: chúng mang năng lượng Luận cứ đanhthép chokhái niệm lạ lùngnày về các gợn sónglực xuất phát từ thực tế là chúng mangnănglượng. Đầu tiên, hãy giả sử một người đangcầm thanh nam châm ở phía bên phải quyết định lộn ngược nó lại,kết quả thu được là cấuhình d.Cô ta phảithực hiện công cơ học để làm xoay nó,và nếu cô ta buôngthanh namchâmra, năng lượngsẽ được giải phóngkhi nóquayngượctrở lại c. Rõ ràng cô ta đã dự trữ năng lượng khi chuyển từ c sang d.Trongchừng mực nào đó, mọi thứ dễ dàngđược giải thích mà không cần khái niệm trường lực. Nhưng bây giờ hãy tưởng tượng hai ngườibắt đầu ở vị trí c và đồngthời lật thanh nam châm của họ cực kì nhanh sang vị trí e, giữ chúng thẳnghàng vớinhau trong toàn bộ thời gianđó. Hãy tưởngtượng,vì mục đích lập luận, rằnghọ có thể làm việc nàynhanh đếnmức từng namchâmbị đảo ngược trong khitínhiệu lực từ nam châm kia vẫn còntrên đường truyềnđi. (Đối với một ví dụ mangtính thực tế hơn, chúng ta phải cóhai ăntenradio,nhưng các namchâm thì dễ hình dunghơn) Trongkhi lật,từng namchâm vẫn cảm nhận lực từ cách thức mà nam châm kia thường định hướng. Dù cho hai namchâmvẫn thẳnghàng trongkhi lật, sự chậmtrễ thời gian khiến cho mỗi người cảm thấy sự cản trở khi cô ta xoaytròn thanh nam châm của mình.Làm thế nào lại có chuyện này ?Cả hai ngườihọ rõ ràng đang thựchiện công cơ học, nên họ phải đangdự trữ nănglượng từ bằng cách nào đó. Nhưng theo quanniệm kiểuNewton truyền thốngvề vật chất tương tác thông qua các lựctứcthời xuyên khoảngcách, năng lượng tương tác phát sinh từ vị trí tươngđối của các vật đangtương tác thông qua lực. Nếu các namchâm khôngbao giờ thayđổi sự định hướngtương đối của chúng đối với nhau, thìlàm thế nào mà năng lượng từ có thể được dự trữ ? Câu trả lời khả dĩ duy nhất lànăng lượng phải rơivào các gợn lựctừ bắt chéo không giangiữacác namchâm.Chúng ta quen thuộcvới ý tưởngrằngmột ăntenphát sóngradio tiêu thụ một lượnglớn côngsuất, vàbằng cách nào đó phát nó ra vũ trụ. Một người làmviệc xungquanhmột ănten như thế cần phải thận trọng không tiến quá gần nó, vì toàn bộ năng lượngđó có thể dễ dàng nấu chín da thịt người (mộthiện tượng đau đớn gọi là “sự đốt cháy RF”). c . Bài giảng Điện học (Phần 23) Chương 5 CÁC TRƯỜNG LỰC Nềnkhoa học mũi nhọn dễ dàng thâmnhập vào nền văn hóa công chúng, đôi khi. chúng ta đã quenthuộc nhiều với lực điện, nhưng hãybắt đầu với một ví dụ lực từ. (Thật ra lí dochủ yếu khiến tôi hoãn chưabàn tới từ học quá lâu vì các phép tínhtoánhọc của các hiệu ứngtừ sẽ dễ nắm. đại cho thấycác lực điện, lực từ và lựchấp dẫnđều truyền đi ở tốc độ ánh sáng, 3 x10 8 m/s. (Thật ra, chúng ta sẽ sớm bàn đến việcchính bản thân ánh sáng cũngđược cấu thành từ điện và từ). Nếu như