lịch sử phát triển điện, từ trong thế kỉ thứ xx và ứng dụng trong thông tin

Cùng với đó là sự phát triển của các học thuyết về tương tác điện từ, đặc biệt đó là sự ra đời của học thuyết về trường điện từ một học thuyết mà th o như lời nhà Vật Lý Richard F yman “

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

MSSV: 1100253 Lớp: SP Vật Lý K36

Cần Thơ, 5/2014

1.1.1.1.1.1.1.1

A.MỞ ĐẦU .1

B.NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .3

1.1 TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỪ - THUYẾT TRƯỜNG ĐIỆN TỪ .3

1.1.1 Tương tác tĩnh điện .3

1.1.1.1 Điện tích .3

1.1.1.2 Cấu trúc của vật chất 4

1.1.1.3 Định luật Coulomb 6

1.1.1.4 Điện trường và lực điện .6

1.1.1.5 Véctơ cường độ điện trường 7

1.1.1.6 Véctơ cảm ứng điện .8

1.1.1.7 Nguyên lý chồng chất điện trường .9

1.1.1.8 Đường sức điện trường – định luật Gauss cho điện trường .9

1.1.1.9 Năng lượng điện trường .12

1.1.2 Tương tác tĩnh từ .13

1.1.2.1 Từ tích - đơn cực từ : 13

1.1.2.2 Định luật Ampere về tương tác giữa hai yếu tố dòng 14

1.1.2.3 Từ trường và lực từ .15

1.1.2.4 Véctơ từ trường .15

1.1.2.5 Nguyên lý chồng chất từ trường .16

1.1.2.6 Đường cảm ứng từ .17

1.1.2.7 Định luật Gauss cho từ trường .17

1.1.2.8 Năng lượng từ trường .18

1.1.2.9 Mật độ năng lượng từ trường 19

1.2 ĐIỆN TỪ TRƯỜNG .20

1.2.1 Từ trường biến thiên - nguồn sinh ra điện trường .20

1.2.1.1 Định luật Faraday về cảm ứng điện từ 20

1.2.1.2 Luận điểm thứ nhất của Maxwell .21

1.2.1.3 Định luật mp r về lưu th ng từ trường .23

1.2.1.4 Khái niệm về dòng điện dịch - luận điểm thứ hai của Maxw ll .23

1.2.2 Trường điện từ - m i trường vật chất .25

1.2.3 Hệ phương trình Maxw ll .26

1.3 ĐIỆN MÔI, TỪ MÔI .27

1.3.1 Điện môi .27

1.3.1.1 Hiện tượng phân cực điện môi .27

1.3.1.2 Giải thích hiện tượng phân cực điện môi .27

1.3.1.3 Điện trường trong chất điện môi .28

1.3.2 Từ m i .29

1.3.2.1 Sự từ hóa các chất, cảm ứng từ trong từ m i .29

1.3.2.2 Vécto từ hóa .30

1.3.2.3 Cường độ từ trường trong từ m i .30

1.3.3 Thuận từ, nghịch từ, sắt từ .31

1.3.3.1 Thuận từ, nghịch từ .31

1.3.3.2 Giải thích sự từ hóa của các chất thuận từ 33

1.3.3.3 Giải thích sự từ hóa của các chất nghịch từ 33

1.3.3.4 Sắt từ 34

1.4 HẠT CHUYỂN ĐỘNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG, TỪ TRƯỜNG .36

1.4.1 Điện tích trong điện trường 36

1.4.2 Hạt chuyển động trong từ trường đều .36

CHƯƠNG 2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐIỆN TỪ HỌC TRONG THẾ KỈ XX 38

2.1 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ ĐIỆN TỪ HỌC THỜI KÌ SƠ KH I ĐẾN THẾ KỈ XX 38

2.1.1 600 trước C ng nguyên – 1599 38

2.1.2 Giai đoạn 1600 – 1799 39

2.1.3 Giai đoạn 1800 - 1899 42

2.2 LỊCH SỬ ĐIỆN TỪ HỌC THẾ KỈ XX .51

2.2.1 Giai đoạn 1900-1909 .51

2.2.2 Giai đoạn 1910-1929 .54

2.2.3 Giai đoạn 1930-1939 .58

2.2.4 Giai đoạn 1940-1959 .61

2.2.5 Giai đoạn 1960-1979 .65

2.2.6 Giai đoạn 1980-2003 .69

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG ĐIỆN TỪ HỌC TRONG THÔNG TIN LIÊN LẠC .73

3.1 V I TRÒ THÔNG TIN LIÊN LẠC ĐỐI VỚI CUỘC SỐNG .73

3.2 Tín hiệu .73

3.2.1 Tín hiệu mors 73

3.2.2 Tín hiệu vệ tinh và Radio .75

3.3 ĐIỆN THOẠI .76

3.3.1 Lịch sử điện thoại .76

3.3.2 Điện thoại di động .77

3.3.2.1 Tiện ích của điện thoại di động .77

3.3.2.2 Các đặc điểm chính của th ng tin di động .77

3.3.2.3 Nguyên tắc hoạt động .79

3.3.2.4 Nguồn phát tín hiệu 79

3.3.2.5 Mã hóa và điều chế dữ liệu .79

3.3.2.6 Điều chế dữ liệu .80

3.3.2.7 Lấy mẫu tín hiệu analog .80

3.3.2.8 Lượng tử hoá tín hiệu .80

3.3.2.9 Nguồn thu tín hiệu - chuyển đổi tín hiệu digital thành tín hiệu analog .81

3.3.2.10 Các tần số .81

3.3.2.11 Sự chuyển giao .82

3.3.2.12 Các cod của điện thoại di động .82

3.3.2.13 ĐTDĐ và CB Radio(C ll Phon s and CBs) .83

3.3.2.14 Phần bên trong của một chiếc ĐTDĐ (Insid a C ll Phon ) .84

3.3.2.15 AMPS - Advanced Mobile Phone System (dịch vụ điện thoại di động cải tiến)85 3.3.2.16 long com s digital (kĩ thuật số) .85

3.3.2.17 C llular acc ss t chnologi s (c ng nghệ truy cập di động) .86

3.3.2.18 C llular cc ss T chnologi s: FDM (phân chia tần số truy cập nhiều) .86

3.3.2.19 C llular cc ss T chnologi s: TDM (phân chia thời gian truy cập nhiều) 87

3.4 THÔNG TIN VŨ TRỤ - VỆ TINH TRUYỀN THÔNG .87

3.4.1 Giới thiệu .87

3.4.2 Nguyên lý hoạt động .88

3.4.3 Các loại quỹ đạo chuyển động của vệ tinh nhân tạo .88

3.4.3.1 Quỹ đạo địa tĩnh .88

3.4.3.2 Quỹ đạo trái đất thấp 89

3.4.3.3 Quỹ đạo Molniya .90

3.4.4 Phân loại vệ tinh nhân tạo .91

3.4.5 Ứng dụng của vệ tinh .92

3.4.5.1 Điện thoại .92

3.4.5.2 Truyền hình vệ tinh .92

3.4.5.3 Vệ tinh dịch vụ cố định 93

3.4.5.4 Vệ tinh phát sóng trực tiếp .93

3.4.5.5 C ng nghệ vệ tinh di động .93

3.4.5.6 Radio vệ tinh .94

3.4.5.7 Radio nghiệp dư .94

3.4.5.8 Vệ tinh Int rn t 95

3.4.5.9 Ứng dụng trong quân đội 95

3.4.5.10 Dẫn đường .95

3.4.6 Lịch sử phát triển .95

3.4.6.1 Vệ tinh nhân tạo đầu tiên .95

3.4.6.2 Lịch sử ban đầu của chương trình vệ tinh nhân tạo Hoa Kỳ .95

3.4.7 Các nước có khả năng phóng vệ tinh nhân tạo .99

C.TÀI LIỆU TH M KHẢO 102

A MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vật lý học là cơ sở quan trọng của nhiều ngành kỹ thuật và công nghệ Sự phát triển của khoa học Vật lý gắn bó chặt chẽ, có tác động qua lại, trực tiếp với sự tiến bộ của khoa học, kỹ thuật công nghệ Vì vậy, những hiểu biết và nhận thức về Vật lý có giá trị to lớn trong đời sống và sản xuất, đặc biệt trong cuộc sống hàng ngày.Nhìn về lịch sử phát phát triển của nghành vật lý nói chung và lịch sử của điện, từ nói riêng ta thấy sự phát triển ấy vượt bậc là từ thế kỉ thứ XX Từ những hiểu biết về Vật lý đó con người đã có những nghiên cứu, khám phá thế giới tự nhiên và đồng thời, với những nhận thức đó con người đã phát minh ra nhiều thứ thiết yếu phục vụ cho cuộc sống của con người hiện tại và trong tương lai Và một

trong những phát minh, khám phá vĩ đại đó mà t i muốn nhắc đến ở đây là “thông tin liên lạc dựa trên hai mảng lớn của vật lý là điện và từ” Với những lý thuyết cơ

bản về điện từ con người đã tạo nên những bước tiến quan trọng trong lịch sử phát triển khoa học công nghệ

Với lý do trên nên trong quá trình tìm kiếm đề tài luận văn tốt nghiệp, tôi

đã quyết định chọn đề tài “Lịch sử phát triển điện, từ trong thế kỉ thứ XX và ứng dụng trong thông tin”

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Thông qua việc nghiên cứu đề tài này giúp t i có được kiến thức vững vàng hơn

về các lý thuyết liên quan đến điện từ, lịch sử phát triển và những nguyên tắc sử dụng

lý thuyết đó trong khoa học kỉ thuật đặt biệt là trong thông tin liên lạc

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Lý thuyết về điện và từ

Các sách khoa học liên quan đến điện, từ học

Các sách kĩ thuật c ng nghệ

4 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên quan đến điện và từ

Nhìn về bước tiến trong lịch sử phát triển

5 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

Bước 1: Nghiên cứu lý thuyết

Bước 2: Tìm hiểu trong giai đoan có những phát hiện gì

Bước 3:Tìm hiểu trong giai đoạn hiện nay trong lĩnh vực thông tin hiện đại và phổ biến nhất là gì

Bước 4: Thu thập phân tích nội dung

Bước 5: Hoàn thành đề tài

6 ỨNG DỤNG

Điện từ học là hai phần quan trọng của vật lý đại cương và vật lý kĩ thuật nắm được các kiến thức, nguyên tắc và những đặt tính kĩ thuật cơ bản để giải thích một số hiện tượng, phân tích, nghiên cứu các đối tượng có liên quan

7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến bản chất điện từ, hiện tượng ngoài thực tế liên quan đến nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu các bài viết, tài liệu liên quan

- Frequency Division multiplexing: phân chia tần số: FDM

- Time Division multiplexing: kênh phân thời gian đồng bộ: TDM

- Đầu thu kĩ thuật số: VSAT

- (Mobil T l phon Switching Offic ) văn phòng chuyển mạch di động: MTSO

- (Code Division Multiple Access) đa truy nhập (đa người dùng) phân chia th o mã: CDMA

- (Time division multiple access) thời gian truy nhập đồng đều: TDMA

- Điện thoại di động: ĐTDĐ

- Email: thư điện tử

- Dịch vụ điện thoại di động cải tiến: AMPS

- Mã nhận diện bảo mật: Sid

- Mobile Telephone Switching Office: trung tâm chuyển giao

- long com s digital: kĩ thuật số

- Cellular access technogies: công nghệ truy cập

B NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỪ - THUYẾT TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

Cùng với sự phát triển của nhân loại, Vật lý cũng đã chuyển mình bước sang một trang mới Cùng với đó là sự phát triển của các học thuyết về tương tác điện từ, đặc biệt đó là sự ra đời của học thuyết về trường điện từ một học thuyết mà th o như lời nhà Vật Lý Richard F yman “kh ng còn nghi ngờ gì nữa, trong một vạn năm nữa, hậu thế vẫn sẽ coi phát hiện về các định luật của điện động lực học như một phát hiện lớn nhất của thế kỷ XIX So với nó cuộc chiến tranh ly khai ở Mỹ chỉ như một sự kiện ở tỉnh lẻ”

1.1.1 Tương tác tĩnh điện

1.1.1.1 Điện tích

Có rất nhiều hiện tượng điện vậy phải chăng chúng rời rạc với nhau, các vật cọ xát vào nhau có thể hút lẫn nhau vậy chúng ta có thể phân chia chúng như thế nào? Bằng nhiều thí nghiệm chúng ta nhận thấy có 2 loại điện: “điện thủy tinh” sinh ra trong thủy tinh, ngọc thạch l n dạ khi có ma sát và “điện nhựa cây” sinh ra trong nhựa cây, hổ phách tơ lụa

Giả sử chúng ta chọn “điện thủy tinh” là đại diện của loại , và “điện nhựa cây” đại diện cho loại B Và 2 loại điện tích này hút nhau Bây giờ chúng ta sẽ thấy là

kh ng có “loại C” Bất kì vật nào được làm cho nhiễm điện bằng bất cứ phương pháp nào thuộc loại , hút các vật mà hút và đẩy các vật mà đẩy, hoặc là thuộc loại B,

có cùng tính chất hút và đẩy như B Hai loại, và B, lu n lu n biểu hiện tương tác ngược nhau Nếu như biểu hiện lực hút đối với một số vật tích điện, thì B chắc chắn

sẽ đẩy nó ra xa, và ngược lại

Như vậy đến đây chúng ta có thể khẳng định chính xác rằng chỉ có 2 loại nhóm

đó là nhóm“điện nhựa cây” và nhóm “điện thủy tinh”

Nhà bác học B njamin Franklin (1706-1790) đã đề nghị gọi hai loại điện tích đó

lần lượt là điện tích âm và điện tích dương, và các tên đó vẫn đang được sử dụng ngày

nay Điện tích dương là nhóm “điện thủy tinh” và điện tích âm là nhóm “điện nhựa cây” Hai điện tích dương hoặc hai điện tích âm đẩy nhau Một điện tích dương và một điện tích âm hút nhau

Hình 1.1: Sự nhiễm điện của các vật

Hình trên chỉ ra hai thanh nhựa dẻo và một tấm da thú Sau khi chúng ta tích điện cho mỗi thanh nhựa bằng cách cọ sát nó với tấm da thú đó, thì chúng ta thấy rằng các thanh nhựa đó sẽ đẩy nhau (hình b) Khi chúng ta cọ sát các thanh thuỷ tinh (hình c) với một tấm lụa, thì các thanh thuỷ tinh đó cũng trở nên bị nhiễm điện và đẩy nhau (hình d) Nhưng một thanh nhựa bị nhiễm điện lại hút một thanh thuỷ tinh bị nhiễm điện (hình e) Hơn thế nữa, thanh nhựa dẻo và tấm da thú đó lại hút nhau, và thanh thuỷ tinh và tấm lụa đó cũng hút nhau

1.1.1.2 Cấu trúc của vật chất

Khi chúng ta tích điện cho một thanh bằng cách cọ sát nó với một tấm da l ng thú hay tấm lụa như thì kh ng có sự thay đổi có thể nhìn thấy ở bên ngoài của thanh đó Khi ấy chuyện gì thực sự xảy ra đối với thanh đó khi chúng ta tích điện cho nó?

Để trả lời câu hỏi này, chúng ta phải x m xét tỉ mỉ, chi tiết hơn nữa cấu trúc và các đặc tính điện của các nguyên tử tạo lên tất cả các loại vật chất th ng thường Cấu

trúc của các nguyên tử có thể được m tả dưới dạng ba loại hạt: electron mang điện tích âm, proton mang điện tích dương, và notron kh ng mang điện

Các proton và các notron trong một nguyên tử cấu thành một lõi nhỏ rất đậm đặc

được gọi là hạt nhân, với kích thước vào khoảng 10-15

m Xung quanh hạt nhân là các

l ctron, trải rộng tới những khoảng cách vào khoảng 10-10m từ hạt nhân Nếu một nguyên tử có kích thước khoảng một vài km, thì hạt nhân của nó sẽ có kích thước của một quả bóng t nis

Với sự chính xác được biết hiện nay, khối lượng của các hạt riêng lẻ đó là:

Khối lượng của l ctron me = 9,10938188(72).10-31 kg

Khối lượng của proton mp = 1,67262158(13).10-27kg

Khối lượng của notron mn = 1,67492716(13).10-27

kg

Điện tích âm của l ctron (trong phạm vi sai số thực nghiệm) chính xác có cùng

độ lớn với điện tích dương của proton

Trong một nguyên tử trung hoà thì số l ctron bằng số proton trong hạt nhân, và điện tích tổng cộng (tổng đại số của tất cả các điện tích) đúng bằng kh ng

Khi số proton tổng cộng trong một vật vĩ m bằng số l ctron tổng cộng, thì điện tích tổng cộng bằng kh ng và toàn bộ vật đó là trung hoà về điện

Để cho một vật thừa điện tích âm, có thể chúng ta hoặc thêm các điện tích âm vào một vật trung hoà hoặc lấy đi các điện tích dương từ vật đó Tương tự như vậy, chúng

ta có thể tạo ra một sự thừa điện tích dương hoặc bằng thêm điện tích dương vào hoặc lấy đi điện tích âm

Trong hầu hết các trường hợp, các l ctron mang điện tích âm (có tính linh động cao) được thêm vào hoặc lấy đi, “vật mang điện tích dương” là một vật đã mất đi một

số l ctron và “mang điện tích âm” là vật thêm vào một số l ctron

Ẩn ý trong phần thảo luận đã nói ở trên là hai định luật rất quan trọng Đầu tiên là

định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số của tất cả các điện tích trong bất kỳ một hệ

cô lập (hệ kín) nào là không thay đổi

Nếu chúng ta cọ sát một thanh nhựa và một tấm da l ng thú với nhau, cả hai ban đầu kh ng mang điện, thì thanh nhựa sẽ nhận được điện tích âm (bởi vì nó lấy các

l ctron từ tấm da l ng thú) và tấm da nhận điện tích dương có cùng độ lớn (bởi vì nó

đã mất số l ctron bằng số l ctron mà thanh nhựa đó nhận được) Do đó, điện tích tổng cộng trên hai vật đó lại với nhau là kh ng thay đổi Trong bất kể quá trình tích

điện nào, điện tích kh ng được tạo ra hoặc bị triệt tiêu mà nó chỉ được chuyển từ vật

này sang vật khác

Định luật bảo toàn điện tích được hiểu là một định luật bảo toàn phổ biến Không

một bằng chứng thực nghiệm nào cho bất kể sự vi phạm định luật này từng được quan sát

Định luật quan trọng thứ hai đó là độ lớn điện tích của electron hay proton là một đơn vị tự nhiên của điện tích

Mọi lượng điện tích có thể nhận thấy được lu n bằng một bội số nguyên lần đơn

vị cơ bản đó Chúng ta nói rằng điện tích bị lượng tử hoá Điện tích kh ng thể bị chia

thành những lượng nhỏ hơn điện tích của một l ctron hay proton (các điện tích hạt quark, bằng 1 / 3 và 2 / 3 điện tích của l ctron, hầu như chắc chắn kh ng thể thấy được với tư cách là các điện tích đơn lẻ) Do đó, điện tích trên bất kể vật vĩ m nào

lu n lu n hoặc bằng kh ng hoặc bằng một bội số nguyên (âm hoặc dương) lần điện tích của l ctron

Sự hiểu biết bản chất điện của vật chất cho chúng ta sự thấu hiểu sâu sắc nhiều khía cạnh của thế giới vật chất Các liên kết hoá học mà chúng giữ các nguyên tử với nhau để tạo thành các phân tử là do bởi các tương tác điện giữa các nguyên tử Lực pháp tuyến tác dụng lên chúng ta bởi chiếc nghế chúng ta đang ngồi là do bởi các lực điện giữa các hạt mang điện trong các nguyên tử của cơ thể chúng ta và trong các

nguyên tử của chiếc ghế chúng ta ngồi Lực căng trên một sợi dây bị căng ra và lực dính của keo hồ cũng là do bởi các tương tác điện của các nguyên tử

1.1.1.3 Định luật Coulomb

Lực tương tác giữa hai điện tích điểm đứng yên trong chân kh ng có phương nằm trên đường thẳng nối hai điện tích, có chiều đẩy nhau nếu hai điện tích cùng dấu và hút nhau nếu hai điện tích trái dấu, có độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện tích và

tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng

Theo ngôn ngữ toán học, lực điện Fmà các điện tích điểm q1 và q2 cách nhau

một khoảng r tác dụng lên nhau có thể biểu diễn dưới dạng:

1 2 2

k  Giá trị số của k được xác định chính xác th o c là:

Sự tỷ lệ của lực điện với 2

1 / r đã được kiểm tra với độ chính xác rất cao Những

kĩ thuật hiện đại tài tình cho phép dạng 2

1 / r của định luật Coulomb được kiểm tra đến

độ chính xác kh ng thể tin nổi, cho thấy số mũ nằm trong khoảng từ 1,99999999999999998 đến 2,00000000000000002

1.1.1.4 Điện trường và lực điện

Khi hai hạt mang điện tương tác với nhau trong chân kh ng, thì mỗi hạt biết được

sự có mặt của hạt kia như thế nào? Cái gì xuất hiện trong kh ng gian giữa chúng để truyền tác dụng của mỗi điện tích này đến điện tích khác? Chúng ta có thể bắt đầu trả lời các câu hỏi đó và đồng thời viết lại c ng thức định luật Coulomb th o một cách rất

hữu ích bằng cách sử dụng khái niệm điện trường

Để đưa vào khái niệm này, hãy x m sự đẩy lẫn nhau của hai vật nhiễm điện

dương A và B

Hình 1.2: Tương tác giữa hai vật tích điện

Vật nhiễm điện A tác dụng lực lên vật mang điện B như thế nào?

Giả sử rằng B có điện tích q và Flà lực điện do A tác dụng lên B Sự đẩy giữa A

và B như là một quá trình hai giai đoạn

Đầu tiên chúng ta tưởng tượng rằng vật A, kết quả của điện tích mà nó mang, làm thay đổi các đặc tính của không gian xung quanh nó Sau đó vật B, kết quả của điện

tích mà nó mang, cảm nhận được kh ng gian đã bị biến đổi như thế nào tại vị trí của

nó Sự đáp lại của vật B là chịu tác dụng lực F

Để x m xét kỹ lưỡng quá trình hai giai đoạn này xảy

ra như thế nào, đầu tiên chúng ta xét riêng vật A: Chúng

ta bỏ vật B đi và ký hiệu vị trí cũ của nó là điểm P

Chúng ta nói rằng vật mang điện A tạo ra hay

gây ra một điện trường tại điểm P Điện trường này

có mặt tại P ngay cả khi kh ng có điện tích khác tại

P: Nó chỉ là kết quả của điện tích trên vật A Nếu sau

đó điện tích điểm q được đặt tại điểm P, nó chịu tác

dụng lực F

Do đó, điện trường là vật trung gian qua đó vật A “truyền” sự có mặt của nó tới

q Bởi vì điện tích điểm q sẽ chịu tác dụng một lực tại bất kỳ điểm nào ở lân cận A,

nói cách khác điện trường mà A tạo ra đó tồn tại tại mọi điểm trong khoảng kh ng gian xung quanh A

Tương tự như vậy, chúng ta có thể nói rằng điện tích điểm q tạo ra một điện

trường trong kh ng gian quanh nó và điện trường này tác dụng lực  F lên vật A Đối với mỗi lực (lực của A tác dụng lên q và lực của q lên A), một điện tích tạo nên một

điện trường tác dụng một lực lên một điện tích thứ hai Một điện tích riêng rẽ tạo ra một điện trường trong khoảng kh ng gian xung quanh, nhưng điện trường này kh ng thể tác dụng một lực lên điện tích đã tạo ra nó; đây là nguyên lý chung một vật kh ng thể tác dụng một lực lên chính nó

Như vậy điện trường là m i trường vật chất chung quanh một điện tích, th ng qua đó điện tích này tác dụng lên điện tích khác một lực tĩnh điện

1.1.1.5 Véctơ cường độ điện trường

Để nghiên cứu điện trường do một hệ điện tích Q nào đó gây ra , chúng ta đặt

vào trong điện trường đó một điện tích nhỏ gọi là điện tích thử

Vì điện tích thử q dùng để nghiên cứu điện trường ở mỗi điễm nên nó phải là

một điện tích điểm Và nó cũng phải có điện tích đủ nhỏ sao cho điện trường do nó gây ra kh ng làm sắp xếp lại điện tích trên điện tích Q

Khi đặt một điện tích thử q vào điểm xác định nào đó trong điện trường điện trường sẽ tác dụng một lực điện F Lần lượt thay đổi các giá trị điện tích thử chúng ta nhận thấy mặc dù lực điện F thay đổi với các giá trị điện tích thử khác nhau (kh ng thay đổi vị trí) nhưng lực điện F lu n tỷ lệ với điện tích thử q:

F const

q 

Như vậy ta thấy rằng tồn tại một đại lượng kh ng phụ thuộc vào điện tích thử đặt vào, đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực Véctơ đặc trưng cho điện trường này ta ký hiệu là E Vậy :

F E q



Ecó ý nghĩa lực điện tác dụng lên một đơn vị điện tích Đơn vị E là vôn/mét

Với bất kỳ điểm nào trong kh ng gian cũng tồn tại lực điện F khi ta đặt một điện tích thử tại điểm đó, do đó E r( ) có thể thay đổi từ điểm này đến điểm khác Vì vậy

( )

E r kh ng phải là một đại lượng véctơ đơn lẻ mà là một tập hợp vô hạn các đại

lượng véc tơ, mỗi véctơ liên hệ với mỗi điểm trong kh ng gian Do đó chúng là một

trường véc tơ

Điện trường là một trường véctơ, nghĩa là mỗi điểm trong không gian được đặc trưng bởi một véctơ E r ( ) , sao cho khi đặt vào điểm đó một điện tích thử q thì điện tích thử này sẽ bị tác dụng một lực tĩnh điện:

F r qE r

Điện tích dương q0 được đặt trong

một điện trường: lực tác dụng lên q0

và do đó, cường độ điện trường E biến thiên đột ngột Vì vậy điện phổ bị gián đoạn ở

bề mặt phân cách hai m i trường Để khắc phục, người ta khử sự gián đoạn đó bằng cách đưa vào một đại lượng vật lý khác không phụ thuộc vào tính chất của m i trường

được gọi là véctơ cảm ứng điện D (còn gọi là véctơ điện cảm) Trong trường hợp môi

trường là đồng nhất, người ta định nghĩa:

1.1.1.7 Nguyên lý chồng chất điện trường

Trong hầu hết các trường hợp trong thực tế liên quan đến các điện trường và lực

điện, chúng ta bắt gặp điện tích được phân bố trong kh ng gian Chúng ta sẽ tính điện

trường gây ra bởi các phân bố khác nhau của điện tích

Để tìm điên trường gây ra bởi một sự phân bố điện tích, chúng ta tưởng tượng sự

phân bố đó được tạo bởi nhiều điện tích điểm q 1 , q 2 , q 3, Tại bất kỳ điểm P cho trước nào, mỗi điện tích điểm tạo ra một điện trường của chính nó E1, E2, E3 Vì thế một điện tích thử q được đặt tại P chịu tác dụng một lực F1 qE1từ điện tích q1, một lực F2  qE2 từ điện tích q2 và vv

Từ nguyên lý chồng chất lực, lực tổng cộng F mà sự phân bố điện tích tác dụng lên q là tổng véctơ của các lực riêng biệt đó:

F   F F  F   qE  qE  qE   q E  E  E 

Tác động tổ hợp của tất cả các điện tích đó trong sự phân bố này được m tả bởi

điện trường tổng cộng E tại điểm P Từ sự định nghĩa điện trường ta sẽ có:

1.1.1.8 Đường sức điện trường – định luật Gauss cho điện trường

Khái niệm điện trường có thể hơi khó hiểu bởi vì chúng ta kh ng thể nhìn trực

tiếp một điện trường được Các đường sức điện trường có thể là một một sự giúp đỡ

lớn để có thể mường tượng điện trường và làm cho chúng có vẻ như thực tế hơn

Một đường sức điện trường là một đường thẳng hoặc cong không có thật được vẽ qua một vùng không gian sao cho tiếp tuyến của nó tại một điểm bất kỳ trùng với hướng của véctơ điện trường tại điểm đó Nhà khoa học người nh Micha l Faraday

(1791-1867) là người đầu tiên đưa ra khái niệm đường sức điện trường Ông gọi chúng

là “các đường lực” nhưng thuật ngữ “đường sức điện trường” thích hợp hơn Đường sức điện trường là những đường cong không kín có điểm bắt đầu và điểm kết thúc

Các đường sức điện trường cho thấy hướng của Etại mỗi điểm, và khoảng cách

giữa chúng đưa ra một ý tưởng khái quát về độ lớn của E tại mỗi điểm Nơi E mạnh,

chúng ta vẽ các đường sức lại gần nhau hơn; nơi E yếu hơn, chúng xa nhau hơn

Với quy ước này thì số đường sức vẽ qua diện tích dS có véctơ đơn vị pháp tuyến

Như vậy th ng lượng điện trường gửi qua một hữu hạn S bất kỳ có ý nghĩa là

tổng số đường sức điện gửi qua mặt kín đó Để tìm sự liên hệ giữa th ng lượng của

véctơ cường độ điện trường và điện tích đặt trong mặt kín S trước tiên ta xét trường hợp bên trong thể tích V được bao bởi mặt kín S chỉ có một điện tích điểm q Ta lấy một mặt Gauss có tâm trùng với điện tích q có bán kính r sao cho mặt cầu này đặt trọn trong lòng mặt kín S

Ta tính th ng lượng véctơ cường độ điện trường gửi qua mặt Gauss này Ta lấy

phần tử diện tích dS trên mặt cầu

Do véctơ n và r là 2 véctơ cùng phương do đó:

Với tính chất liên tục của các đường sức  cứ có một đường sức gửi qua mặt

Gauss thì đường sức đó cũng sẽ gửi qua mặt S Cùng với ý nghĩa th ng lượng véctơ cường độ điện trường gửi qua diện tích dS biết số các sức gửi qua diện tích đó Do đó

th ng lượng véctơ cường độ điện trường gửi qua mặt Gauss cũng chính là th ng lượng

véctơ cường độ điện trường gửi qua mặt S Do đó ta cũng sẽ có

Tóm lại, đối với điện tích điểm q ta sẽ có:

khi q nằm trong mặt kín S

khi q nằm ngoài mặt kín S

Bây giờ ta sẽ mở rộng định lý này cho trường hợp khi bên trong kh ng gian là một hệ gồm n các điện tích điểm Khi đó th o nguyên lý chồng chất điện trường ta sẽ có:

Để tính tích phân này ta sẽ tách tích phân này thành 2 phần Một phần gồm l điện

tích q i nằm trong S và k điện tích điểm q j nằm ngoài S

Như đã khẳng định ở trên ta sẽ có

0

i i

Các đường sức điện xuất phát từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm nên ta

có điện trường là một trường thế

Việc tiếp cận bài toán tĩnh điện bằng việc sử dụng định luật Coulomb và định luật Guass cho điện trường là hoàn toàn tương đương Có nghĩa là chúng ta có thể suy ra định luật Coulomb từ định luật Gauss và ngược lại chúng ta cũng có thế suy ra định luật Gauss từ định luật Coulomb

Tuy nhiên về mặt bản chất vật lý thì việc tiếp cận bài toán th o định luật Gauss mang ý nghĩa lớn lao hơn

Định luật Coulomb thể hiện quan điểm tương tác xa, nghĩa là tương tác giữa các điện tích xảy ra tức thời, bất kể khoảng cách giữa chúng là bao nhiêu Nói cách khác, vật tốc truyền tương tác là v hạn

Định luật Gauss thể hiện quan điểm tương tác gần, sở dĩ các điện tích tác dụng lực lên nhau được là nhờ một m i trường vật chất đặc biệt bao quanh các điện tích –

đó là điện trường Tính chất cơ bản của điện trường là tác dụng lực lên các điện tích

khác đặt trong nó Như vậy, th o quan điểm tương tác gần, hai điện tích q 1 và q 2 không

trực tiếp tác dụng lên nhau mà điện tích thứ nhất gây ra xung quanh nó một điện trường và chính điện trường đó mới tác dụng lực lên điện tích kia.

1.1.1.9 Năng lượng điện trường

Giả sử ta dùng nguồn điện một chiều để nạp điện tích vào hai bản của tụ điện có điện dung C Nguồn điện sinh c ng để đưa điện tích đến hai bản và c ng đó chuyển

thành năng lượng của điện trường tồn tại giữa 2 bản của tụ điện Tại thời điểm t, hiệu điện thế giữa hai bản là u, điện tích mỗi bản là q Sau thời gian dt nguồn đưa thêm lượng điện tích dq đến cho mỗi bản Vì dq rất nhỏ nên hiệu điện thế u coi như kh ng

đổi, do đó c ng vi phân của nguồn là:

Ở tụ điện phẳng, điện trường giữa hai bản cực là đều, có độ lớn E = U/d và thể tích

kh ng gian trong đó tồn tại điện trường bằng V = S.d Khi đó năng lượng của tụ điện

là:

Nếu V = 0 suy ra, W e = 0 suy ra, nơi nào có điện trường nơi đó có năng lượng

điện trường, vậy điện trường là một trường vật chất

Từ đó ta tính được mật độ năng lượng của một điện trường đều bằng:

Như vậy, năng lượng điện trường trong thể tích dV là:

Do đó năng lượng của một điện trường bất kỳ chiếm thể tích V, bằng:

1.1.2 Tương tác tĩnh từ

Các hiện tượng về điện, từ đã được con người biết đến từ lâu, nhưng kh ng biết chúng có liên quan với nhau Mãi đến năm 1820, O rst d, nhà vật lý người Đan Mạch phát hiện ra hiện tượng dòng điện đặt gần kim la bàn làm kim la bàn kh ng chỉ th o hướng Bắc – Nam nữa mà bị lệch đi thì người ta mới biết rằng điện và từ có liên quan với nhau Sau đó mp r , nhà vật lý người Pháp, phát hiện rằng, các dòng điện cũng tương tác với nhau Như vậy, về phương từ thì một dòng điện cũng có thể coi như một nam châm Nói cách khác tương tác giữa nam châm với nam châm, nam châm với dòng điện, dòng điện với dòng điện cùng chung một bản chất Đó chính là tương tác giữa các hạt mang điện chuyển động và chúng ta gọi đó là tương tác từ

1.1.2.1 Từ tích - đơn cực từ :

Nếu chúng ta chơi với một nắm lưỡng cực điện và một nắm nam châm, chúng ta

sẽ thấy chúng rất giống nhau Chẳng hạn, một cặp nam châm thanh thẳng có xu hướng

tự sắp thẳng hàng nối đu i nhau, và một cặp lưỡng cực điện làm giống hệt như trên Tuy nhiên, chú ý kỹ chúng ta sẽ chú ý thấy sự khác biệt quan trọng giữa hai loại đối tượng

Các lưỡng cực điện có thể bị phá vỡ, hình thành nên các hạt tích điện dương và

âm độc lập nhau Nhưng nếu chúng ta cắt thanh nam châm thành hai nửa, chúng ta sẽ

dễ dàng thấy mình vừa tạo ra hai vật có hai cực nhỏ hơn

Hình 1.3: Từ tính của nam châm

Một lưỡng cực điện có dư “chất” dương tập trung ở một đầu và dư chất âm ở đầu kia

Mặt khác, thanh nam châm có từ tính của nó kh ng phải từ sự thiếu cân bằng

“chất” từ ở hai đầu mà từ sự định hướng của chuyển động quay của các l ctron Một cực là cực mà từ đó chúng ta có thể nhìn xuống trục và thấy các l ctron đang quay

th o chiều kim đồng hồ, và cực kia là cực mà từ đó chúng sẽ xuất hiện chuyển động ngược chiều kim đồng hồ Kh ng có sự chênh lệch giữa “chất” ở cực này và cực kia của nam châm Chưa ai từng thành c ng trong việc tách riêng một đơn cực từ Chúng

ta nói rằng các đơn cực từ hình như kh ng tồn tại, các đơn cực điện thì thật sự tồn tại–

đó là các điện tích

Đã có rất nhiều công trình tìm kiếm đơn cực từ Tuy nhiên cho đến giờ phút này, đơn cực từ chỉ là một khái niệm trên lý thuyết Tuy nhiên, với việc máy gia tốc hạt LHC đã được khởi động thì công cuộc tìm kiếm đơn cực từ trở nên sáng sủa hơn bao giờ hết

1.1.2.2 Định luật Ampere về tương tác giữa hai yếu tố dòng

Sau khi phát hiện ra tương tác giữa 2 dòng điện mp r đặt vấn đề dựa vào thí nghiệm để tìm ra c ng thức định lượng về sự tương tác giữa 2 yếu tố dòng Đây là một bài toán rất khó, vì yếu tố dòng kh ng có ý nghĩa vật lý trực tiếp, và cũng kh ng thể thực hiện được trong các thí nghiệm

Thế thì phải giải quyết vấn đề như thế nào? Sau một thời gian suy nghĩ tìm tòi,

ng đã tìm ra phương pháp dựa vào suy luận, nêu lên các dạng của c ng thức cho trường hợp các yếu tố dòng, sau đó tổng hợp các lực tác dụng trong một số trường hợp đơn giản của các dòng điện có kích thước hữu hạn, rồi sau đó đ m so sánh, kết quả thu được bằng tính toán như vậy với kết quả đo bằng thí nghiệm, để điều chỉnh lại c ng thức dự kiến ban đầu của ng Sau một thời gian tính toán và hoàn chỉnh cuối cùng

ng đã đi đến c ng thức phù hợp với các kết quả thực nghiệm mà chúng ta gọi là Định luật Ampere về tương tác giữa hai yếu tố dòng

Yếu tố dòng (hay còn gọi là yếu tố dòng điện) là một đoạn dòng điện chạy trong

dây dẫn hình trụ có chiều dài dl và tiết diện ngang dS rất nhỏ Yếu tố dòng được đặc

trưng bởi tích I dl, trong đó I là cường độ dòng điện qua tiết diện dS và dl là véctơ có

độ lớn bằng dlvà có chiều là chiều của dòng điện

Và mp r đã chứng minh từ thực nghiêm rằng yếu tố dòng ở vị trí O tác dụng lên yếu tố dòng ở vị trí r một lực như sau:

3

( )4

o I dl I dl r dF

vu ng góc với và có phương là chiều tiến của đinh ốc khi ta xoay đến véctơ th o góc nhỏ nhất)

Chiều: xác định th o qui tắc cái đinh ốc: xoay cái đinh ốc từ véctơ I dl2 đến véctơ n th o góc nhỏ nhất thì chiều tiến của cái đinh ốc là chiều của véctơ dF

Độ lớn:

1 2 1 2

2

sin sin 4

Điểm đặt: tại yếu tố dòng: I dl2.

khái niệm từ trường

Để đưa vào khái niệm này, hãy x m sự tương tác của hai yếu tố dòng I dl0 0 ,

Giả sử rằng yếu tố dòng có độ lớn là và chiều là chiều dòng điện, lực từ

do yếu tố dòng I dl0 0 tác dụng lên yếu tố dòng I dl1 là F1 Để mường tượng sự tương tác giữa I dl0 0và như là một quá trình hai giai đoạn Đầu tiên chúng ta tưởng

tượng rằng I dl0 0 , kết quả sự chuyển động của các hạt mang điện chuyển động, làm thay đổi các đặc tính của không gian xung quanh nó Sau đó , kết quả sự chuyển động của các hạt mang điện chuyển động, cảm nhận được kh ng gian đã bị biến đổi như thế nào tại vị trí của nó Sự đáp lại của là chịu tác dụng lực Như vậy từ trường là môi trường vật chất chung quanh một điện tích chuyển động, thông qua đó điện tích chuyển động này tác dụng lên điện tích chuyển động khác một lực từ

I  Vẫn là thí nghiệm trên nhưng bây giờ thay vì thay đổi cường độ dòng điện I

chúng ta sẽ thay đổi vi phân chiều dài dl Thay đổi các giá trị của vi phân chiều dài dl

(đủ nhỏ) chúng ta cũng nhận thấy lực từ lu n vu ng góc với yếu tố dòng và mặc dù

lực tác dụng lên yếu tố dòng sẽ là khác nhau với những vi phân chiều dài dl khác nhau nhưng độ lớn lực tác dụng lu n tỷ lệ với vi phân chiều dài dl :

F const

dl 

Bây giờ cũng tại điểm r trong kh ng gian đó chúng ta thay đổi phương của yếu

tố dòng và giữ nguyên yếu tố dòng I dl Chúng ta nhận thấy tồn tại một phương đặc trưng mà yếu tố dòng hướng th o phương này thì kh ng bị tác dụng của lực từ Và nếu yếu tố dòng hướng th o phương bất kỳ nào khác thì lực từ lu n vu ng góc với mặt phẳng chứa yếu tố dòng và phương đặc trưng Ngoài ra ta sẽ thấy lực từ lu n thay đổi với góc  ( là góc tạo bởi véctơ yếu tố dòng và phương đặc trưng) bất kỳ nhưng lực

từ lu n tỷ lệ với sin:

sin

F const

 

Tổng hợp 3 kết quả trên ta rút ra bất kỳ một yếu tố dòng nào đặt trong từ trường đều chịu tác dụng lực từ F Lực từ này lu n vu ng góc với yếu tố dòng, vu ng góc với phương đặc trưng và tỷ lệ với tích độ lớn yếu tố dòng và sin:

sin

F

const Idl  

Như vậy ta thấy rằng tồn tại một đại lượng và một phương đặt trưng cho từ trường, kh ng phụ thuộc vào yếu tố dòng đặt vào Véctơ đặt trưng cho từ trường này ta

ký hiệu là B Độ lớn của nó được xác định:

sin

F B

Idl 



và th o phương chiều đặc trưng

Bởi vì B r( ) có thể thay đổi từ điểm này đến điểm khác nên nó kh ng phải là một đại lượng véctơ đơn lẻ mà là một tập hợp vô hạn các đại lượng véc tơ, mỗi véctơ liên

hệ với mỗi điểm trong kh ng gian Do đó chúng là một trường véc tơ

Vậy từ trường là một trường véctơ, nghĩa là mỗi điểm trong không gian được đặc trưng bởi một véctơ B r( ), sao cho khi đặt vào điểm đó một yếu tố dòng I dl thì nó sẽ

tố dòng tạo ra một từ trường của chính nó B1,B2,B3…, vì thế, khi ta đặt một yếu tố dòng I dl tại điểm M, nó sẽ chịu tác dụng một lực dF1  I dl  B1 từ yếu tố dòng

1 1

I dl , một lực dF2  I dl B  2từ yếu tố dòng I dl2 2… Từ nguyên lý chồng chất lực, lực tổng hợp dFtác dụng lên yếu tố dòng I dl là tổng véctơ của các lực riêng biệt:

đường cảm ứng từ là những đường cong kín

1.1.2.7 Định luật Gauss cho từ trường

Ta đã biết rằng, đối với điện trường định lý Guass cho ta biết “điện th ng gởi qua mặt kín bất kì thì tỷ lệ với tổng các điện tích chứa trong mặt kín đó ” Bằng cách suy luận tương tự, đối với từ trường ta cũng có thể phát biểu định lí Guass cho từ trường như sau: “từ th ng gởi qua mặt kín bất kì thì tỷ lệ tổng các từ tích chứa trong mặt kín đó”

Tuy nhiên, sự khác nhau căn bản giữa điện trường và từ trường ở chỗ điện trường (tĩnh) có các đường sức kh ng phải là những đường cong hở được gây bởi các điện tích đứng yên, còn từ trường được gây ra bởi các điện tích chuyển động các đường cảm ứng từ là những đường cong kín Vì lí do đó cho nên có bao nhiêu đường sức từ gửi vào mặt Gauss thì có bấy nhiêu đường sức từ đi ra mặt Gauss nên từ th ng đi qua mặt Guass bất kỳ lu n bằng kh ng Do đó định luật Gauss cho từ trường được phát

biểu như sau: “ Từ thông gửi qua bất kỳ mặt kín nào cũng bằng không”

Biểu thức định luật:

Hay ở dạng vi phân: divB 0

Dạng vi phân của định luật Gauss đối với từ trường: divB 0 cho biết từ trường

là một trường kh ng có nguồn Do đó, các đường sức từ trường là những đường khép kín hoặc xuất phát và tận cùng ở v cùng Ta nói từ trường là một trường xoáy

1.1.2.8 Năng lượng từ trường

Bây giờ ta hãy tính năng lượng mà nguồn điện đã cung cấp cho mạch kể từ lúc đóng khóa K đến khi dòng điện trong mạch đạt giá trị ổn định I

Gọi R là điện trở của cuộn dây, r là điện trở nội của nguồn và ξ tc là suất điện động

tự cảm sinh ra trong mạch Tại thời điểm t bất kì, cường độ dòng điện trong mạch là i

Th o định luật Ohm mạch kín, ta có:

Nhân hai vế biểu thức trên với idt và thay tc di

L dt

   , rồi chuyển số hạng này sang vế phải, ta có:

Vế trái của biểu thức trên chính là năng lượng mà nguồn điện đã cung cấp cho

mạch trong thời gian dt, ta kí hiệu đại lượng này là dA Số hạng thứ nhất ở vế phải của

là năng lượng nhiệt tỏa ra trong thời gian dt, ta kí hiệu số hạng này là dQ Ta có:

A Q LI

Như vậy năng lượng mà nguồn điện cung cấp một phần chuyển hóa thành nhiệt

và một phần chuyển hóa thành dạng năng lượng khác xác định bởi biểu thức: 1 2

2LI

Năng lượng đó chắc chắn kh ng phải là các dạng năng lượng qu n thuộc như cơ năng, hóa năng, Vậy nó là năng lượng gì? Phân tích các đại lượng liên qua đến mạch điện

ta thấy, khi có dòng điện xuất hiện trong mạch thì có từ trường do dòng điện trong mạch tạo ra Vì thế buộc ta phải thừa nhận rằng biểu thức 1 2

2LI chính là năng lượng của từ trường

1.1.2.9 Mật độ năng lượng từ trường

Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ rằng: năng lượng từ trường được phân

bố trong khoảng kh ng gian của từ trường Như ta đã nói ở trên, từ trường trong ống dây thẳng và dài là từ trường đều và có thể coi là chỉ tồn tại bên trong thể tích của ống dây Như vậy, nếu ống dây dài l, tiết diện S, có thể tích V = l.S, thì năng lượng từ trường trong một đơn vị thể tích, tức là mật độ năng lượng từ trường bên trong ống dây là:

2 2

2

0 2

12

w

2

m m

n S I

m

B w





Người ta chứng minh được rằng c ng thức trên đúng đối với từ trường bất

kỳ Vì vậy, để tính năng lượng của một từ trường bất kỳ, ta chia kh ng gian của

từ trường đó thành những phần thể tích v cùng nhỏ dV, sao cho trong thể tích

ấy ta có thể coi cảm ứng từ B kh ng đổi Như vậy, năng lượng từ trường trong thể tích dV là:

Do đó nănglượng của một từ trường bất kỳ chiếm thể tích V, bằng:

0

1 W

2

m V

B dV

1.2.1 Từ trường biến thiên - nguồn sinh ra điện trường

1.2.1.1 Định luật Faraday về cảm ứng điện từ

Nếu dòng điện có thể sinh ra từ lực như nam châm thì có thể nào dùng nam châm

để tạo ra điện hay kh ng? Hay nói một cách khác, có cách nào đó để ta có thể tạo ra được điện trường từ từ trường hay kh ng?

Ông thấy rằng nếu đặt một thanh nam châm bên cạnh một cuộn dây đồng thì chẳng bao giờ tạo ra được dòng điện trong cuộn dây và do đó cuộn dây và thanh nam châm chẳng bao giờ tương tác được với nhau Hay là, thay cho thanh nam châm ta đặt một cuộn dây thứ hai có dòng điện chạy qua để tạo ra nam châm điện? Nhưng vẫn thất bại! Có lẽ vì dòng điện của pin Volta còn quá yếu chăng? Vậy làm thế nào để có một nam châm điện mạnh?

Sau một thời gian suy nghĩ ng dùng vành sắt non làm lõi ống dẫn điện: quấn một số vòng dây đồng vào một nửa vành sắt non làm thành ống dây thứ nhất ( dài 750cm) rồi đ m nối nó với bộ pin Volta, như vậy là có một nam châm điện đủ mạnh

Để có ống dây thứ hai ng lại quấn một số vòng dây dẫn (dài 2m) lên nửa vành thứ còn lại Và để kiểm tra khả năng xuất hiện dòng điện trong ống dây này ng đ m nối

nó với một điện kế

Khi ng vừa đóng mạch điện cho dòng điện chạy qua ống dây thứ nhất chiếc kim điện kế nối với ống dây thứ hai đột ngột chao đi rồi lại trở về vị trí ban đầu Đợi một

chút kh ng thấy có gì khác lạ, ng liền ngắt mạch điện ở ống dây thứ nhất Lạ lùng sao, chiếc kim điện kế lại chao đi rất nhanh! Faraday v cùng hồi hộp Ông làm lại thí nghiệm nhiều lần Lần nào khi đóng mạch điện hay ngắt mạch, ng đều thấy có dòng điện xuất hiện trong ống dây thứ hai Đó chính là lịch sử phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ H m đó là ngày 29/8/1831

Và vấn đề đã dần được sáng tỏ Faraday hiểu rằng, ống dây thứ nhất thực chất là một nam châm điện: khi có dòng điện đi qua cuộn dây thì lõi sắt non của nó đã bị nhiễm từ, tức là đã có từ tính Và chính từ lực của lõi sắt đã kích thích dòng điện cảm ứng trong ống dây thứ hai Một câu hỏi nữa liền được đặt ra: nếu thay nam châm điện bằng nam châm vĩnh cửu thì hiện tượng xảy ra sẽ ra sao? Đến khi nào thì nam châm vĩnh cửu cũng có thể kích thích được dòng điện cảm ứng ?

Gần 1 tháng sau, 24/9/1831 Faraday mới lại bắt tay vào tiếp tục làm thí nghiệm với một nam châm vĩnh cửu Kết quả thí nghiệm làm ng thấy rằng: với một nam châm vĩnh cửu thì dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện trong ống dây khi nam châm chuyển động cắt mặt phẳng các vòng dây Lại những đêm suy nghĩ và sau hai lần thí nghiệm nữa vào ngày 1/10 và 17/10 , Mich al Faraday mới khẳng định rằng ng đã khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ mà mp re đã dự đoán

Định luật cảm ứng điện từ Faraday :suất điện động cảm ứng luôn luôn bằng về trị số nhưng ngược dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gửi qua diện tích của mạch điện

d dt

1.2.1.2 Luận điểm thứ nhất của Maxwell

Trong thí nghiệm của Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ, ng đã đặt một vòng dây dẫn kín kh ng biến dạng tại một vị trí cố định trong một từ trường biến đổi

th o thời gian Trong vòng dây sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng, và do đó có dòng điện cảm ứng có chiều tuân th o định luật L nz Sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong vòng dây đã xuất hiện một điện trường, véctơ cường độ điện trường cùng chiều với dòng điện cảm ứng

Vậy phải chăng chính vòng dây dẫn kh ng phải là nguyên nhân gây ra điện trường? Làm thí nghiệm với nhiều vòng dây dẫn khác nhau, có chất khác nhau, ở nhiệt

độ khác nhau, Maxw ll đã nhận thấy rằng: suất điện động cảm ứng xuất hiện trong vòng dây dẫn kh ng phụ thuộc vào bản chất của dây dẫn, và cũng kh ng phụ thuộc vào trạng thái của dây dẫn Điều đó có nghĩa là, vòng dây dẫn kh ng phải là nguyên nhân gây ra điện trường, mà chỉ là phương tiện giúp ta phát hiện ra sự có mặt của điện trường đó

Trong hiện tượng cảm ứng điện từ, sự biến đổi của từ th ng qua mạch điện là nguyên nhân nhân gây ra suất điện động cảm ứng, tức là gây ra một điện trường Vì mạch điện đứng yên, kh ng biến dạng và chỉ có từ trường biến đổi th o thời gian, nên

từ trường biến đổi th o thời gian đã gây ra sự biến đổi từ th ng, vậy ta có thể kết luận rằng: từ trường biến đổi th o thời gian đã gây ra một điện trường

Nếu đường sức của điện trường này cũng hở như đường sức của điện trường tĩnh thì c ng của lực điện trường này dọc th o một đường cong kín sẽ bằng kh ng và như vậy nó kh ng thể làm cho các điện tích chuyển động th o đường cong kín để tạo nên dòng điện cảm ứng trong mạch kín Muốn làm cho các hạt điện chuyển động th o đường cong kín để tạo thành dòng điện thì đường sức của điện trường này phải là những đường cong kín, và c ng của lực điện trường này dọc th o đường cong kín phải khác không:

Thực nghiệm đã xác nhận rằng điện trường gây nên suất điện động cảm ứng có những đường sức khép kín Vì vậy, chúng ta gọi điện trường này là điện trường xoáy

Trên cơ sở những phân tích trên, Maxwell đã phát biểu một luận điểm tổng quát, gọi là luận điểm thứ nhất của Maxwell: Bất kỳ một từ trường nào biến đổi theo thời gian cũng sinh ra một điện trường xoáy

Như vậy chúng ta sẽ biểu diễn lại c ng thức về định luật cảm ứng điện từ dưới sự liên hệ giữa sự biến thiên của từ trường và điện trường

Từ định luật Faraday về cảm ứng điện từ:

d dt

1.2.1.3 Định luật mpere về lưu thông từ trường

Ta có dòng điện sinh ra từ trường bây giờ chúng ta hãy viết lại mối liên hệ giữa dòng điện và từ trường đây chính là nội dung của định định luật mp r : giả sử trong

kh ng gian ta có một từ trường Chọn một đường kín L bất kỳ, lưu th ng của từ trường

B dọc th o chu tuyến L tỷ lệ với tổng dòng điện chạy qua mặt S giới hạn bởi L:

0

k L

Đây chính là công thức vi phân của định luật mpere

1.2.1.4 Khái niệm về dòng điện dịch - luận điểm thứ hai của Maxwell

Định nghĩa dòng điện dịch Hình 1.5

Xét mạch điện như hình bên

Trên đó, ξ là một nguồn điện xoay chiều,

C là một tụ điện, là một amp kế xoay

chiều Nhờ một dụng cụ đo từ trường, chúng

ta thấy kh ng chỉ xung quanh dây dẫn có từ

trường mà tại các điểm bên trong tụ điện cũng

có từ trường Chúng ta biết rằng trong tụ là

chất cách điện nên kh ng thể có dòng điện dẫn Vậy từ trường bên trong tụ phải có nguồn gốc khác

Vì điện tích trên hai bản của tụ điện biến thiên nên bên trong tụ có điện trường biến thiên Maxw ll đã đưa ra giả thuyết là chính điện trường biến thiên trong lòng tụ điện đã sinh ra từ trường

Để dễ quan niệm, Maxw ll cho rằng trong tụ điện đã tồn tại một dòng điện khác Maxw ll gọi nó là dòng điện dịch (để phân biệt với dòng điện dẫn là dòng chuyển dời

có hướng của các điện tích tự do) Chính dòng điện dịch đã nối tiếp dòng dẫn trong phần kh ng gian dòng điện dẫn kh ng qua được (trong lòng tụ điện), nhờ đó có dòng điện khép kín trong toàn mạch Th o Maxw ll, đặc tính duy nhất của dòng điện dịch là tạo ra từ trường như dòng điện dẫn Từ đó, Maxw ll đã phát biểu thành luận điểm:

“Bất kỳ một điện trường nào biến đổi th o thời gian cũng gây ra một từ trường”

Về bản chất, dòng điện dịch kh ng phải là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích, nó được gọi là dòng điện chỉ vì nó tương đương với dòng điện dẫn về mặt gây ra từ trường Vậy thì phương, chiều và độ lớn nó như thế nào?

Phương, chiều độ lớn của dòng điện dịch

Để giải quyết vấn đề này, ta xét một mạch điện gồm một tụ điện có điện dung C,

và một cuộn dây điện có hệ số tự cảm L mắc nối tiếp với nhau

Giả sử lúc đầu tụ điện phóng điện Điện tích trên hai bản của tụ giảm, ở trong tụ điện véctơ E hướng từ bản dương sang bản âm và đang giảm, véctơ  E ngược chiều với véctơ E, nhưng cùng chiều với dòng phóng điện

Còn khi điện tích trên tụ tăng, điện tích trên hai bản của tụ tăng, véctơ E ở trong

tụ tăng, sự phóng điện qua tụ

và  E ở trong tụ cùng chiều

với nhau và cùng chiều với

Trong cả hai trường hợp,

ta đều thấy véctơ  E và dòng

điện dẫn ở trên dây dẫn cùng

chiều với nhau Ta cũng biết

rằng trong mạch điện nối tiếp,

cường độ dòng điện qua mỗi tiết diện của dây phải bằng

nhau Do đó Maxw ll cho rằng: dòng điện dịch chạy qua toàn bộ kh ng gian giữa hai bản của tụ điện cùng chiều với dòng điện dẫn trong mạch, và có cường độ bằng cường

độ của dòng điện dẫn trong mạch đó

Từ đó ta suy ra rằng cường độ dòng điện dẫn I trên thành tụ C phải bằng cường

trường, thì bất kỳ điện trường nào biến đổi th o thời gian cũng giống như một dòng điện, gọi là dòng điện dịch, có véctơ mật độ dòng bằng:

Với giả thuyết của Maxw ll, tại một vị trí nào đó của m i trường, nếu đồng thời

có dòng điện dẫn và dòng điện dịch, thì từ trường do cả dòng điện dẫn và dòng điện dịch gây ra, do đó Maxw ll đã đưa ra khái niệm dòng điện toàn phần là tổng của dòng điện dẫn và dòng điện dịch

1.2.2 Trường điện từ - môi trường vật chất

Th o hai luận điểm của Maxw ll, từ trường biến đổi th o thời gian gây ra điện trường, và ngược lại điện trường biến đổi th o thời gian thì gây ra từ trường Như vậy, trong kh ng gian, điện trường và từ trường có thể đồng thời tồn tại, duy trì lẫn nhau và liên hệ chặt chẽ với nhau, tạo nên một trường thống nhất Từ đó ta có định nghĩa: điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong kh ng gian tạo thành một trường thống nhất gọi là trường điện từ

Trường điện từ là một dạng đặc biệt của vật chất Người ta đã chứng minh rằng

nó có năng lượng, khối lượng và động lượng Năng lượng đó định xứ trong khoảng

kh ng gian có trường điện từ

Mật độ năng lượng của trường điện từ bằng tổng mật độ năng lượng điện trường

và mật độ năng lượng từ trường:

2 2 0

2 2 0

Cũng trong c ng trình này, Maxw ll đã khẳng định rằng trường điện từ là có thật

và có mang năng lượng

1873 ông c ng bố “Giáo trình điện học và từ học” trong đó ng tổng kết và hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết của mình thể hiện rõ 2 luận điểm cơ bản như đã nói ở trên

C ng trình của ng có thể được tóm gọn trong 4 phương trình sau:

Phương trình Biểu thức toán học Ý nghĩa

Định lý Gauss

đối với điện trường 0

1( )

Maxwell –

Faraday

B rotE

t



 



Mọi biến đổi của từ trường

th o thời gian đều làm xuất hiện một điện trường xoáy

Định lý Gauss

đối với từ trường divB0

Đường sức từ trường kh ng có nguồn hay trong tự nhiên kh ng

Bảng 1.1: Hệ các phương trình Maxwell

Lấy phương hướng dựa trên nguyên lý tác dụng gần của Faraday và lấy khái niệm trường làm cơ sở, Maxw ll đã chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ: tại một điểm trong không gian có từ trường biến thiên th o thời gian thì vùng kh ng gian đó phải xuất hiện điện trường xoáy và ngược lai, cứ như vậy điện từ trường lu n tồn tại đồng thời, chuyển hóa lẫn nhau và lan truyền trong kh ng gian dưới dạng sóng gọi là sóng điện từ

Cũng trong c ng trình này, ng đã trình bày tỉ mỉ lý thuyết điện từ về ánh sáng Ông đã đưa ra kết luận, ánh sáng là một loại sóng điện từ do sự kết hợp của véctơ điện

trường và từ trường vu ng góc với nhau, biến thiên hình sin th o thời gian Như vậy bằng lý thuyết của mình, Maxw ll đã thống nhất được điện học, từ học và quang học

1.3 ĐIỆN MÔI, TỪ MÔI

1.3.1 Điện môi

Điện m i là những chất kh ng dẫn điện, nghĩa là kh ng có các hạt điện tích tự

do Tuy nhiên khi đặt điện m i trong điện trường ngoài thì nó có những biến đổi đáng

kể Phần này nghiên cứu các tính chất của điện m i và những biến đổi của nó trong điện trường

1.3.1.1 Hiện tượng phân cực điện môi

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, khi đặt một thanh điện m i trong điện trường ngoài thì trên các mặt giới hạn của thanh điện môi sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu Mặt đối diện với hướng đường sức điện trường ngoài sẽ xuất hiện các điện tích âm, mặt bên kia

sẽ xuất hiện các điện tích dương Nếu thanh điện m i kh ng đồng chất và đẳng hướng thì ngay cả trong lòng thanh điện m i cũng xuất hiện các điện tích

Hiện tượng xuất hiện các điện tích trên thanh điện m i khi nó đặt trong điện

trường ngoài được gọi là hiện tượng phân cực điện môi Khác với hiện tượng điện

hưởng ở vật dẫn kim loại, các điện tích xuất hiện ở chỗ nào trên bề mặt thanh điện môi

sẽ định xứ ở đó, kh ng di chuyển được Ta gọi đó là các điện tích liên kết

Các điện tích liên kết sẽ gây ra trong lòng thanh điện môi một điện trường phụ làm cho điện trường ban đầu trong thanh điện m i thay đổi Điện trường tổng hợp trong điện môi khi điện môi bị phân cực là:

1.3.1.2 Giải thích hiện tượng phân cực điện môi

Ta biết, trong mỗi nguyên tử, các electron luôn chuyển động quanh hạt nhân với vận tốc rất lớn Tuy nhiên khi xét tương tác giữa các electron của nguyên, phân tử với điện tích hay điện trường bên ngoài ở những khoảng cách khá lớn so với kích thước phân tử, một cách gần đúng, ta có thể coi tác dụng của các l ctron tương đương với tác dụng của một điện tích tổng cộng –q đứng yên tại một vị trí trung bình nào đó

trong phân tử, gọi là tâm của các điện tích âm Một cách tương tự, ta coi tác dụng của hạt nhân tương đương với điện tích dương +q đặt tại tâm của các điện tích dương

Tùy theo phân bố các electron quanh hạt nhân mà tâm của các điện tích âm và tâm của các điện tích dương có thể lệch nhau hoặc trùng nhau Trường hợp thứ nhất, mỗi phân tử chất điện m i đã là một lưỡng cực điện Trường hợp thứ hai,phân tử chất điện môi không tự phân thành lưỡng cực điện, nhưng khi đặt phân tử trong điện trường

ngoài thì tác dụng của điện trường ngoài luôn làm tâm của các điện tích dương và tâm của cách điện tích âm lệch xa nhau và bản thân phân tử trở thành lưỡng cực điện có

m m n điện khác không

Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các m m n điện của các phân tử chất điện môi sẽ xoay và định hướng th o đường sức điện trường ngoài một cách trật tự Kết quả trong lòng khối điện m i các điện tích trái dấu của các lưỡng cực phân tử vẫn trung hòa nhau, còn ở hai mặt giới hạn xuất hiện các điện tích trái dấu Các điện tích này chính là tập hợp các điện tích của các lưỡng cực phân tử trên các bề mặt giới hạn,

chúng không phải là các điện tích tự do mà là các điện tích liên kết

Điện trường ngoài càng mạnh, sự phân cực điện m i càng rõ rệt Khi kh ng có điện trường ngoài, các m m n điện của các lưỡng cực phân tử sắp xếp một cách hỗn loạn hoặc triệt tiêu (đối với loại có tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau) Kết quả các điện tích liên kết biến mất, khối điện m i kh ng bị phân cực

1.3.1.3 Điện trường trong chất điện môi

Xét điện trường đều gây bởi hai mặt phẳng song song vô hạn tích điện đều, trái dấu với mật độ điện mặt ±σ Lấp đầy khoảng không gian giữa hai mặt phẳng một chất điện môi thì khối điện môi sẽ bị phân cực Gọi mặt độ điện tích liên kết trên các mặt giới hạn là –σ’ và + σ’ Các điện tích liên kết này sẽ gây ra trong lòng khối điện

m i một điện trường phụ cùng phương, ngược chiều với Khi đó, th o nguyên lí chồng chất, điện trường trong lòng điện m i là :

Với ε = 1 + là một hệ số, phụ thuộc vào tính chất của m i trường, gọi là hệ số điện môi của m i trường Do nên

Công thức:

chứng tỏ cường độ điện trường trong lòng chất điện môi giảm đi ε lần so với cường độ điện trường trong chân không

1.3.2 Từ môi

1.3.2.1 Sự từ hóa các chất, cảm ứng từ trong từ môi

Một vật dẫn có dòng điện chạy qua được đặt trong một m i trường nào đó thì cảm ứng từ tại mỗi điểm trong m i trường đó khác với cảm ứng từ trong chân kh ng, tức là do tác dụng của từ trường của dòng điện thì m i trường đó bị biến đổi Ta nói rằng m i trường đó bị từ hóa hay bị nhiễm từ Các chất có khả năng bị từ hóa được gọi

là từ m i hay vật liệu từ

Ta đã biết, điện m i đặt trong điện trường thì bị phân cực tạo ra điện trường phụ Điện trường trong điện m i là kết quả của sự chồng chất điên trường phụ lên điện trường ban đầu Điện trường phụ sinh ra sự phân cực điện m i, còn điện trường ban đầu chính là các điện tích tự do gây ra

Tương tự như vậy khi ta đặt từ m i vào từ trường thì nó bị từ hóa tạo ra từ trường phụ có cảm ứng từ là Cảm ứng từ tổng hợp trong từ m i là kết quả của sự chồng chất từ trường phụ này với từ trường ban đầu

Th o giả thuyết của amp re đây là các dòng điện khép kín trong phạm vi một phân tử hay nguyên tử và ta gọi đó là dòng điện phân tử Từ trường thực tại mỗi điểm trong từ m i gọi là từ trường vi m có những giá trị rất khác nhau kể cả trong giới hạn của một phân tử, cũng như trong giới hạn khoảng cách giữa các phân tử Vì thế cảm ứng từ tổng hợp trong c ng thức trên là cảm ứng từ trung bình còn gọi là từ trường vĩ

m trong thể tích đủ nhỏ của từ m i Giá trị trung bình của cảm ứng từ vi m trong thể tích từ m i chính bằng giá trị của cảm ứng từ vĩ m

Căn cứ vào phương, chiều và độ lớn của v cto người ta phân từ m i thành 3 loại:

- Chất thuận từ: cùng chiều với và có độ lớn rất nhỏ so với B0 Gồm các chất như: nh m v nfram, platin, xi, nitơ, kh ng khí…

- Chất nghịch từ: ngược chiều với và có độ lớn rất nhỏ so với B0 Gồm các chất như: bismus, đồng, bo, vàng, bạc, thủy tinh, thạch anh, nước và khí trơ như h li, argon

- Chất sắt từ: cùng chiều với và có độ lớn có thể lớn hơn so với B0 Gồm các chất như: sắt, nik n, coban, các kim loại thộc nhóm đất hiếm và một

số hợp kim đặt biệt như thép vonfram,… là những chất sắt từ

1.3.2.2 Vécto từ hóa

Khi từ m i chưa bị từ hóa, các m m n từ phân tử phân bố hỗn loạn, nên tác dụng

từ của chúng triệt tiêu lẫn nhau Nếu đặt từ m i trong từ trường thì các m m n từ phân

tử sắp xếp th o một trật tự xác định th o hướng của từ trường Vì vậy, một vật bị từ hóa tức là bên trong nó có một hệ thống dòng điện phân tử được định hướng toàn bộ, vật có m m n từ bằng tổng các m m n từ phân tử Cường độ từ trường trong từ m i càng lớn thì những dòng điện trong phân tử được định hướng càng mạnh Do đó tổng các m m n từ phân tử trong một một đơn vị thể tích càng lớn Một cách tự nhiên chúng ta có thể đặt trưng cho mức độ từ hóa một vật bằng mom n từ của một đơn vị thể tích của nó Đại lượng này ta gọi là v cto từ hóa kí hiệu là Như vậy v cto từ hóa của một vật đã được từ hóa điều, th o định nghĩa sẽ bằng:

Trong đó là tổng của các véctơ từ phân tử trong thể tích

Nếu vật bị từ hóa kh ng đều thì có những giá trị khác nhau trong những phần khác nhau của vật Trong trường hợp này ta định nghĩa véctơ từ hóa của vật tại mỗi điểm bằng giới hạn của biểu thức khi dần tới kh ng, nghĩa là lấy đủ nhỏ để trong phạm vi đó kh ng đổi:

Véctơ từ hóa là đại lượng đặc trưng cho trạng thái nhiễm từ của một vật Khi biết được véctơ từ hóa ở mỗi điểm nào đó của một vật, trong nhiều trường hợp, ta có thể xác định từ trường của cả vật từ hóa sinh ra

1.3.2.3 Cường độ từ trường trong từ môi

Trong tĩnh điện, khi xét điện trường trong điện m i, ngoài v cto cường độ điện trường chúng ta đưa thêm v cto điện dịch Trong từ học cũng có sự tương tự như thế Khi xét từ trường trong từ m i, ngoài véctơ cảm ứng từ chúng ta cũng đưa thêm vào véctơ cường độ từ trường được định nghĩa bởi c ng thức:

Trong đó là véctơ từ hóa Đối với chân kh ng nên:

Như đã xét ở mục trên, cường độ từ trường trong từ m i càng mạnh thì những dòng điện phân tử định hướng càng mạnh, nghĩa là véctơ từ hóa càng mạnh Thí nghiệm chứng tỏ rằng trong các chất thuận từ và nghịch từ đồng chất, véctơ tỉ lệ thuận với cường độ từ trường Trong hệ SI ta đặt bằng:

Hệ số được gọi là độ từ hóa của chất

Vì trùng thứ nguyên với nên kh ng có thứ nguyên Độ từ hóa của một chất phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của từ m i Thí nghiệm chứng tỏ rằng trong các chất thuận từ và nghịch từ, giá trị của nhỏ hơn 1 nhiều Đó là những chất từ tính yếu Đối với chất thuận từ thì , còn chất nghịch từ thì đối với chất sắt từ thì Ngoài ra cường độ từ hóa của chất sắt từ còn phụ thuộc vào cường

Chất nghịch từ là chất kh ng có m m n từ nguyên từ (tức là m m n từ sinh ra do các điện tử bù trừ lẫn nhau), vì thế khi đặt một từ trường ngoài vào, nó sẽ tạo ra các

m m n từ ngược với từ trường ngoài Th o nguyên lý, vật nghịch từ sẽ bị đẩy ra khỏi

từ trường Nhưng th ng thường, ta khó mà quan sát được hiệu ứng này bởi tính nghịch

từ là rất yếu (độ từ thẩm của chất nghịch là nhỏ hơn và xấp xỉ 1 - độ cảm từ âm và rất

bé, tới cỡ 10-6) Các chất nghịch từ điển hình là H2O, Si, Bi, Pb, Cu, Au

Chất thuận từ là chất có m m n từ nguyên từ, nhưng m m n từ này cũng rất nhỏ,

có thể x m một cách đơn giản các nguyên tử của chất thuận từ như các nam châm nhỏ, nhưng kh ng liên kết được với nhau (do khoảng cách giữa chúng xa và m m n từ yếu)

Hình 1.6 Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ

Khi đặt từ trường ngoài vào chất thuận từ, các "nam châm" (m m n từ nguyên tử) sẽ

có xu hướng bị quay th o từ trường, vì thế m m n từ của chất thuận từ là dương, tuy nhiên do mỗi "nam châm" này có m m n từ rất bé, nên m m n từ của chất thuận từ cũng rất nhỏ Hơn nữa, do các nam châm này kh ng hề có tương tác với nhau nên chúng kh ng giữ được từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từ trường ngoài

Như vậy, chất thuận từ về mặt nguyên lý cũng bị hút vào từ trường (một hình ảnh ví

dụ là Ôxy lỏng bị hút vào cực của nam châm điện (hình dưới - Haliday et al

Fundamentals of Physics, 7th Ed.) nhưng thực tế, bức tranh này ta chỉ quan sát thấy trong từ trường mạnh

Hình 1.7:Sự phân cực oxi lỏng

Ôxy lỏng (chất thuận từ) bị hút vào cực của nam châm điện

Các chất thuận từ điển hình là l, Na, O2, Pt

Trước đây, người ta thường coi các chất thuận từ và nghịch từ là các chất từ tính yếu, hay phi từ, gần đây, các chất có tính chất giống thuận từ (siêu thuận từ) lại được nghiên cứu ứng dụng mạnh, và kh ng phải là từ tính kém

1.3.3.2 Giải thích sự từ hóa của các chất thuận từ

Các chất thuận từ phải là những chất có m m n từ nguyên tử khác kh ng Khi

kh ng có từ trường ngoài các m m n từ sắp xếp hoàn toàn hỗn loạn, kh ng có phương

ưu tiên do chuyển động nhiệt Vì vậy m m n từ tổng hợp trong toàn vật thuận từ bằng

kh ng và vật kh ng có từ tính

Khi có từ trường ngoài thì các m m n từ phân tử có xu hướng sắp xếp th o

hướng của từ trường đó là phương ưu tiên Do đó toàn bộ vật thuận từ có m m n từ khác kh ng và m m n từ tổng hợp có chiều cùng chiều với từ trường ngoài Đó là hiệu ứng thuận từ

1.3.3.3 Giải thích sự từ hóa của các chất nghịch từ

Các chất nghịch từ là những chất có tổng các v cto m m n từ quỹ đạo và

môm n từ riêng bằng kh ng (do cấu trúc nguyên tử đối xứng), là các chất nghịch từ Khi đặt chúng vào từ trường, do hiệu ứng nghịch từ (dưới tác dụng của từ trường ngoài chuyển động phụ của l ctron sinh ra m m n từ cảm ứng ngược chiều từ trường ngoài) toàn bộ các nguyên tử có m m n từ phụ lu n ngược chiều với từ trường ngoài

1.3.3.4 Sắt từ

Chất sắt từ được biết đến là

chất có từ tính mạnh, tức là khả năng

cảm ứng dưới từ trường ngoài mạnh

Fe, Co, Ni, Gd Là những ví dụ điển

hình về loại chất này Chất sắt từ là các chất có m m n từ nguyên tử Nhưng nó khác biệt so với các chất thuận từ ở chỗ các m m n từ này lớn hơn và có khả

năng tương tác với nhau Ta tưởng

tượng tương tác này như là các nam

châm đứng gần nhau, chúng hút

nhau và giữ cho nhau song song

nhau Tất nhiên, bản chất vật lý của

tương tác trao đổi kh ng như thế, bản chất của tương tác trao đổi là tương tác tĩnh điện đặc biệt Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là các đ m n từ) mà trong

mỗi đ m n này, các m m n từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau (do tương tác trao đổi), tạo thành từ độ tự phát của vật liệu (có nghĩa là độ từ hóa tồn tại

ngay cả khi kh ng có từ trường)

Nếu kh ng có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho m m n từ của các đ m n trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0 các domain từ, trong các domain, m m n từ hoàn toàn song song với nhau

Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ có 2 hiện tượng xảy ra:

- Sự lớn dần của các đ m n có m m n từ th o phương từ trường

- Sự quay của các m m n từ th o hướng từ trường

khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta có hiện tượng bão hòa từ, lúc đó tất cả các m m n từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu chỉ có một đ m n duy nhất Nếu ta ngắt từ trường, các m m n từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn và lại tạo thành các đ m n, tuy nhiên, các đ m n này vẫn còn tương tác với nhau (ta tưởng tượng hình ảnh các nam châm hút nhau làm chúng kh ng hỗn độn được) do vậy tổng m m n từ trong toàn khối kh ng thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, gọi là

độ từ dư Điều này tạo thành hiện tượng trễ của vật liệu Nếu muốn khử hoàn toàn

m m n từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược sao cho m m n từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực kháng từ Đường cong từ hóa (sự phụ thuộc của từ độ vào từ

Hình 1.8: Mom n từ của chất sắt từ

trường ngoài của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó là đường cong phi tuyến (của thuận từ là tuyến tính) và đạt tới bão hòa khi từ trường đủ lớn (hình 7)

Hình 7 Đường cong từ trễ (a) và nhiệt độ Curi (b) của chất sắt từ

Hai đặc trưng cơ bản cần nhớ của chất sắt từ là (x m hình 7):

- Đường cong từ trễ

- Và nhiệt độ Curie tc

Nhiệt độ curi là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất trật tự từ, và khi t>tc chất trở thành thuận từ

Mỗi chất sắt từ có khả năng "từ hóa" (tức là chịu biến đổi về từ tính dưới tác động của

từ trường ngoài) và khử từ (sự mất từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài ngược với nội trường) khác nhau Từ tính chất này, người ta lại phân chia chất sắt từ thành những nhóm khác nhau, mà cơ bản có 2 nhóm chất sắt từ là sắt từ mềm và sắt từ cứng

Sắt từ cứng là loại sắt từ có cảm ứng khử từ B lớn Tính từ dư của loại này vừa mạnh vừa bền vững Vì vậy người ta dùng loại sắt từ này để chế tạo nam châm vĩnh cửu

Sắt từ mềm là loai sắt từ có cảm ứng khử từ nhỏ Loại sắt từ này làm tăng cảm ứng từ trong nó lên rất mạnh nhưng đồng thời tính từ dư của nó lại dể khử Vì vậy người ta dung nó để làm lõi trong nam châm điện, lõi biến thế…

1.4 HẠT CHUYỂN ĐỘNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG, TỪ TRƯỜNG

1.4.1 Điện tích trong điện trường

Giả sử, có một điện tích dương q được đưa vào điện trường Khi đó trường sẽ tác dụng lên điện tích Khi đó trường sẽ tác dụng lên điện tích dương đó một lực , lực có hướng dọc đường sức Nếu ngoài lực điện kh ng có các lực khác tác dụng lên

nó, thì hạt mang điện sẽ chuyển động nhanh dần đều dọc th o đường sức Đối với các hạt mang điện âm thì điện trường tác dụng lên nó một lực kh ng đổi, nhưng có hướng ngược với đường sức Bởi vậy, các hạt mang điện tích âm cũng chuyển động nhanh dần đều nhưng th o chiều ngược với chiều chuyển động của hạt mang điện tích dương Giả sử rằng, có một điện tích dương q bay vào điện trường giữa hai bản song song của

tụ điện, nghĩa là đường sức vu ng góc với hướng bay Trọng lượng P của hạt mang

điện và lực điện ,cùng tác dụng lên điện tích này Cả hai lực đều hướng thẳng đứng xuống phía dưới Vì vậy hạt chuyển động nhanh dần đều th o phương thẳng đứng hướng xuống phía dưới Kh ng có lực nào tác dụng lên hạt th o phương nằm

ngang và bởi vậy nó chuyển động theo phương này Chuyển động đó hoàn toàn giống

như chuyển động của vật thể bị ném th o phương nằm ngang trong trường hấp dẫn

Bởi vậy, quỹ đạo chuyển động của hạt mang điện tích dương trong điện trường kh ng đổi và đồng nhất là đường parabol

1.4.2 Hạt chuyển động trong từ trường đều

Chuyển động của hạt mang điện trong từ trường phức tạp hơn nhiều so với trong điện trường

Nếu điện tích đứng yên, thì từ trường hoàn toàn kh ng tác dụng lên nó Nếu điện tích chuyển động với vận tốc , thì từ trường tác dụng lên nó một lực gọi là lực

Lorentz Lực Lor ntz được tính bằng:

Độ lớn của lực Lor ntz kh ng chỉ phụ thuộc v ào trị số vận tốc mà còn phụ thuộc

vào hướng của vận tốc Hướng của lực Lor ntz: vu ng góc với và Chiều tuân

th o quy tắc bàn tay trái Xét từ trường đồng nhất và kh ng đổi, quỹ đạo chuyển động của hạt mang điện khi: