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 xâydựngđến đây có một nghịch lí. Một trong những nguyên lí cơ bản nhất củavật lí học, lùi ngày tháng trở lại với Newton và galileo và vẫn còn ảnh hưởngmạnhngày nay,phátbiểu rằng chuyển động là tương đối, chứ không phải tuyệt đối. Như vậy, các định luật vật lí phải không tác dụngkhác nhautrongmột hệ quy chiếu chuyển động, nếu không chúngta sẽ có thể nói hệ quychiếunào làhệ quychiếu ở trạngthái nghỉ tuyệt đối. Lấy vídụ từ cơ học, tưởng tượngmột đứatrẻ đang tâng một quả bóng lênxuống ở ghế ngồi phía sau của một chiếc ô tô đangchuyển động. Trong hệ quy chiếu của đứa trẻ, chiếcxe ở trạngthái nghỉ và phongcảnh đang chuyển động; trong hệ quy chiếu này, quả bòng đi lên xuống theo đườngthẳng, và tuân theo cácđịnh luật Newtonvà định luật hấp dẫn củaNewton. Tronghệ quy chiếu củamộtnhà quansát đang nhìn từ bên lề đường,chiếc ôtô đang chuyểnđộng và lòng đường thì không. Trong hệ quy chiếu này, quả bóng đi theo một cungparabol, nhưngnó vẫntuân theocác định luật Newton. Tuy nhiên, khixét với điện học và từ học, chúng ta có mộtvấn đề, lần đầu tiên đượcnói rõ ràng bởiEinstein:nếuchúng ta phát biểu rằng từ tínhlà tương tác giữacác điện tích đangchuyển động,thì rõ ràng chúngta vừasáng tạora một định luật vật lí vi phạm nguyên tắc cho rằngchuyển độnglàtương đối,vì những người quan sát khác nhau trongnhữnghệ quy chiếu khác nhausẽ không thốngnhất với nhau về mức độ nhanh mà các điện tích đangchuyển động,hay thậm chí rốt cuộc chúng có chuyển động haykhông.Lời giảikhông chính xác mà Einsteinđược chỉ dạy (và hoài nghi)khi còn là sinhviên khoảng thời gian năm 1900là bảnchất tương đối của chuyển động chỉ áp dụng chocơ học, chứ không áp dụngđược cho điện học và từ học. Toàn bộ câu chuyện làm sao Einstein phục hồi nguyên lí chuyển độngtương đốivào vị trí chínhđáng của nótrong vật lí học có liên quantới thuyết tương đối đặc biệt của ông,chúng ta sẽ không bàn đến lí thuyếtđó ở trong tập sách này. Tuynhiên, một vài thí nghiệm tưởng tượng đơngiảnvà địnhlượngsẽ đủ để chỉ ra làm thế nào, dựa trên nguyên lí chuyển độnglàtương đối, phải cómột số mốiquan hệ mới và trướcnay không ngờ tới giữa điện học vàtừ học. Nhữngquan hệ này hình thành nên cơ sở của nhiều thiết bị thực tế, sử dụng hàng ngày, ví dụ như máy phátđiện và máy biến thế, và chúng cũng đưađến mộtcách giải thích chínhbản thân ánh sánglà một hiệntượng điện từ học. k/ MichealFaraday (1791– 1867),con củamộtngười thợ rèn nghèo, đã phát minhra hiện tượngcảm ứng điện từ bằngthực nghiệm. l/ Một đường điện tích dương Hãy tưởng tượngmột ví dụ điện của chuyển động tương đối theotinh thần giống như câu chuyệnđứa trẻ ngồi phíasau xeô tô. Giả sử chúngta có một đường các điện tích dương, l. Nhà quansát A ở trong hệ quy chiếu nằmyên sovới những điện tíchnày, và quan sát thấy chúng tạo ramộthình ảnhđiện trườnghướng ra bên ngoài, ra xakhỏi các điệntích, và theo mọi hướng, giốngnhư mộtbó chổi. Tuy nhiên,giả sử nhà quan sát B đangchuyển động sang bênphải đối với các điện tích. Đối với B,cô ta thấy mình đang đứng yên, còn các điện tích (và nhà quansát A) di chuyển sang bên trái. Đồngýkiến với A, cô ta quansát thấy một điện trường, nhưng vì đối với cô ta cácđiện tích là đang chuyển động nên cô ta cũng phảiquan sát thấy một từ trường trong cùngvùngkhông gian đó, giống hệt như từ trườngdo một sợidây dẫn thẳng, dài gâyra. Vậy thì ai đúng ?Cả hai đềuđúng. Tronghệ quy chiếu của A, chỉ cómột mình E,còn trong hệ quy chiếu củaB có cả E lẫn B. Nguyên lí chuyển độngtương đối buộc chúng ta kết luận rằngtùy theo hệ quychiếucủa chúngta, chúngta sẽ thấymột sự kết hợp khác nhaucủa các trường. Mặc dù chúng ta sẽ khôngchứng minh nó (việcchứng minhcần đến thuyết tươngđối đặcbiệt, không đượcbàn tới trong tập sáchnày), nhưngđúng là mỗi hệ quychiếumang lại một sự mô tả hoàn toàntrước saunhư một của mọi thứ.Chẳnghạn, nếumột electron truyền qua vùng khônggian này, cả A và B đều thấy nó chệch hướng, tăngtốc vàgiảmtốc. A sẽ giải thích thành công đây là kết quả của điệntrường,còn Bsẽ quy cho hành vicủa electronlà mộtkết hợp của lựcđiện và lực từ. Như vậy, nếu chúng ta tin vàonguyên lí chuyểnđộng tươngđối, thì chúngta phải chấp nhận rằng điện trường và từ trường là nhữnghiện tượng liên quan mật thiết với nhau,giống như hai mặt củamột đồng xu. Bây giờ hãy xét hìnhm.Nhàquansát Ađứngyênso vớicácthanhnamchâm, và thấy hạt đangbị lệch theo hướng z,theo quy luật chotrong phần 6.2(nhìndọc theo vectơ lực,tức làtừ phía sau tranggiấy, vectơ B nằm xuôi chiều kimđồng hồ so với vectơ v). Mặt khác, giả sử nhà quansátB đang chuyển động sang bên phải dọc theo trục x,banđầu ở tốc độ bằng với tốcđộ hạt. B nhìn thấy các thanhnam châmđang chuyển độngsangbên trái và hạtban đầu đứng yên nhưng sau đó gia tốc dọc theo trụcz theo đường thẳng. Từ trườngkhôngcó khả năng làm cho một hạt chuyển độngnếu như ban đầu nó đứng yên, vì từ tính là tươngtác giữa các điện tíchđang chuyểnđộng với các điệntích đang chuyểnđộng. Như vậy khiến B khôngthể tránhkhỏi kết luận rằng cómột điện trườngtrong vùngkhônggian này, trường đó hướngdọc theo trụcz. Nóicách khác, cái A nhận thấy là trường B thuần túy, thì Bnhìn thấy làhỗn hợp của E và B. Nói chung, cácnhà quansát không đứng yên so vớinhausẽ nhìn thấy những hỗnhợp khácnhau của điện trường vàtừ trường. m/ Nhà quan sát Athấy một hạt tích điện dương chuyểnđộng qua vùng từ trường hướng từ dưới lên, chúng ta giả sử đó là trường đều, giữa các cực của hai nam châm. Lực thuđược dọctheo trục z làm chođườngđi của hạt bị lệch về phía chúng ta. Nguyên lí cảm ứng Cho đến đây, mọi thứ chúng ta làmkhôngcó vẻ gì thựcsự có ích, vì dường như sẽ không cógì bấtngờ xảy ra khi chúng ta dựa vào một hệ quy chiếu, và không phải lolắng về cái mà những người trong nhữnghệ quy chiếu khác nghĩ tới. Tuy nhiên,đó chưa phải là toàn bộ câu chuyện, như đã đượckhám phá bằngthực nghiệmbởiFaraday vào năm 1831và khảo sát bằng toán học do Maxwellthực hiện sauđó cũng trong thế kỉ 19.Chúngta hãy phát biểu ý tưởng của Faraday trước,và sau đó nhìnxem làm thế nào cái gìđó giống như nó phải chắc chắn tuân theo nguyên lí chuyển động là tương đối: nguyên lí cảm ứng Bất kì một điệntrường biến thiên theo thời gian sẽ tạora một từ trường trong không gianxung quanhnó. Bất kì một từ trườngbiến thiên theo thời giansẽ tạo ra một điện trường trong không gianxung quanhnó. n/ Hìnhdạng của trường cảm ứng.Trường cảm ứng có xuhướng hình thành một hìnhảnh xoáy theo sự biến thiên vectơ tạo ra nó. Lưu ý cách thức chúngquay tròn theo những hướng ngược nhau. Trường cảm ứng có xu hướng có hình ảnh xoáy, như chỉ ra trong hìnhn, nhưng hình ảnh xoáy không nênquá hiểu theo nghĩa đen;nguyênlí cảm ứngthật ra chỉ yêu cầumột hìnhảnh trường như thế này, nếungười ta xenmột kimnam châmvào trong nó, kimnam châm đó sẽ quay tròn. Tất cả hình ảnh trường biểu diễn trên hình ođều là trường cóthể tạo ra bằngsự cảm ứng; tất cả đều có “xoáy” ngược chiều kimđồnghồ đối với chúng. o/ Ba trường xoáy ngượcchiều kimđồnghồ p/ 1. Nhàquan sát A đứngyên so với thanh nam châm, và thấy từ trường có cường độ khác nhau tại những khoảng cách khác nhautính từ thanh namchâm. 2. Nhà quansát B, ở trong vùngphía bên trái thanhnam châm, nhìn thấy namchâm đang chuyểnđộng về phía côta, và phát hiện thấy từ trường trong vùngđó mạnh hơnkhi thời giantrôi qua. Như trong hình 1, có mộtđiện trườngdọc theotrục z vì cô ta chuyển độngso với thanhnam châm. Vectơ DB hướnglên trên, và điện trườngcó xoáy: mộtbánhguồng đưa vào trongđiệntrường này sẽ quay theo chiều kim đồng hồ khi nhìn từ trên xuống, vì xoáy theo chiềukimđồng hồ do điện trường mạnh ở phía bên phải sinh ralớn hơn xoáyngượcchiều kim đồng hồ do điện trườngyếu ở phía bên trái sinhra. Hình p cho thấy một ví dụ củanguyênnhân cơ bản vì saomột trườngB biến thiên lại sinh ramột trường E.Điện trường sẽ không thể giải thíchđược với nhà quan sát B nếu như cô ta chỉ tin ở địnhluậtCoulomb,và nghĩ rằng mọi điện trường đều phải do cácđiện tíchgâyra. Tuy nhiên, nếucô ta biết về nguyên lí cảm ứng, thì sự tồn tại của trường này là cần thiết. Ví dụ 4. Máy phát điện Một máy phát, q, gồm mộtnam châm vĩnh cửu quaybên trong một cuộn dây. Nam châm được điều khiển bằng một độngcơ hoặc một cái quaytay (khôngchỉ ra trong hình). Khi nó quay, từ trường xung quanh sẽ biến thiên. Theo nguyênlí cảm ứng,từ trường biến thiên này sinhra một điện trường xoáy. Điện trường này tạo ra mộtdòng điện chạy trong các cuộn dây, và chúng ta có thể sử dụng dòng điện này để thắpsáng bóngđèn điện. © Khibạn lái xe hơi thì động cơ xe liêntục nạp điện lại cho bìnhăcquy bằng một dụng cụ gọi là máy dao điện, nó thật ra chỉ là một máy phátgiống như cái mô tả ở trang trước, ngoại trừ ở chỗ cuộn dây quay còn nam châm vĩnh cửu thì cố định tại chỗ.Vậy tại sao bạn không thể sử dụng máy dao điệnđể khởi động động cơ xe nếu như bìnhăcquayxe bạn bị hỏng ? q/ Máyphát điện Ví dụ 5. Máy biến thế Trongphần 4.3,chúng ta đã nói về sự thuận lợi của công suất truyền tải trên đườngdây điện bằng hiệu điện thế cao và dòngđiện thấp. Tuy nhiên, chúng ta chẳng aimuốn các ổ cắm tườnghoạt động ở 10 000 volt!Vì lí donày, công ti điện sử dụng một thiết bị gọi là máybiếnthế, (g), để chuyển thànhđiện thế thấp hơnvà dòngđiện lớn hơn trong nhà bạn. Cuộn dây ở mạch vào tạo ra mộttừ trường. Máy biến thế làm việc với dòng điện biếnthiên, nên từ trườngxung quanh cuộndây vào luôn luônbiến thiên. Từ trường này cảm ứng ra mộtđiện trường, tạo ra dòng điện chạy trong cuộn dây ra. Nếu cả hai cuộn dây là như nhau,thì sự sắp xếplà đối xứng, vàcông suấtra bằngvới côngsuất vào, nhưng cuộndây ra cósố vòng dây ít hơncho lựcđiện khoảng cách đẩy electronnhỏ hơn. Công cơ học trên đơnvị điện tích kém hơn có nghĩa là hiệu điện thế thấp hơn. Tuy nhiên,sự bảo toànnăng lượng bảođảm rằng lượng công suấtở ngõra phải bằng với lượngcôngsuất vàolúc ban đầu, I vào V vào = I ra V ra , nên hiệu điện thế giảm đi này phải đi cùngvới dòngđiện tăng lên. r/ Ví dụ 6 Ví dụ 6. Sự tương tự điện – cơ Hình rbiểu diễnmột ví dụ của sự cảm ứng(bên trái) với sự tương tự cơ học (bên phải). Hai thanh nam châm banđầu định hướng ngượcnhau, 1,và từ trường của chúngtriệt tiêu nhau.Nếu một thanh nam châm đảo lật lại,2, thì trường của chúng tăng cường nhau, nhưngsự thay đổi từ trường cần thời gian để lan truyền trong không gian. Cuối cùng, 3, từ trường sẽ trở thành cái mà bạn mong đợitừ lí thuyết tĩnh từ học. Trongsự tương tự cơ học, chuyểnđộng độtngột của bàn tay tạo ra một nútthắt hayxung sóng ở trong dây,xung đó truyềndọctheo dây,và cần có thời gianchosợi dây ổn địnhtrở lại. Một điện trườngcũngđược cảm ứng rabởi từ trường biến thiên, mặc dù không hề có điệntích tổng thể nào ở đâu đó đóng vai trò nguồnphát sinh. (Những hìnhảnh đơngiản hóa này không phải là biểu diễn chínhxác của hình ảnh bachiều hoàn chỉnhcủa điện trường vàtừ trường) . 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 xâydựngđến đây có một nghịch. áp dụng chocơ học, chứ không áp dụngđược cho điện học và từ học. Toàn bộ câu chuyện làm sao Einstein phục hồi nguyên lí chuyển độngtương đốivào vị trí chínhđáng của nótrong vật lí học có liên quantới. hiệntượng điện từ học. k/ MichealFaraday (1791– 1867),con củamộtngười thợ rèn nghèo, đã phát minhra hiện tượngcảm ứng điện từ bằngthực nghiệm. l/ Một đường điện tích dương Hãy tưởng tượngmột ví dụ điện