BÀI GIẢNG ĐIỆN VÀ NGUYÊN TỬ Benjamin Crowell

BÀI GIẢNG ĐIỆN VÀ NGUYÊN TỬ Benjamin Crowell Chương ĐIỆN VÀ NGUYÊN TỬ Nơi kết thúc kính thiên văn nơi bắt đầu kính hiển vi Trong hai tầm nhìn vĩ mơ vi mơ này, quan trọng ? Victor Hugo Cha ông qua đời mẹ ông thai nghén Cậu trai bị mẹ hắt hủi nên ông bị tống khứ đến trường nội trú mẹ ông tái giá Bản thân ông chưa lấy vợ, tuổi trung niên, ơng có quan hệ gần gũi với người phụ nữ trẻ tuổi nhiều, mối quan hệ chấm dứt ơng đột phát chứng thần kinh Sau thành công khoa học buổi đầu, ông sống phần lớn qng đời cịn lại thất vọng bất lực khơng giải mã bí mật thuật giả kim Con người mơ tả Isaac Newton, khơng phải Newton hoan hỉ sách giáo khoa tiểu sử thông thường Vậy ta lại ý đến mặt buồn bã đời ông ? Đối với nhà giáo dục khoa học đại, nỗi ám ảnh lâu dài Newton với thuật giả kim xem bối rối, xao lãng khỏi thành tựu chủ yếu ông sáng lập học đại Tuy nhiên, Newton, việc nghiên cứu thuật giả kim ông có liên quan tự nhiên với nghiên cứu ông lực chuyển động Gốc rễ phép phân tích chuyển động Newton tính phổ quát nó: thành cơng việc mơ tả giới trời đất với phương trình đó, trước người ta cho mặt trời, mặt trăng, hành tinh khác biệt so với vật thể thuộc trái đất Nhưng Newton nhận thấy khoa học mô tả giới tự nhiên theo cách thống nhất, khơng đủ khả thống quy mô người với quy mơ vũ trụ: ơng khơng hài lịng ông hợp vũ trụ vi mô vào tranh Chúng ta khơng phải ngạc nhiên trước thất bại Newton Mặc dù ông tín đồ chắn tồn ngun tử, khơng có thêm chứng thực nghiệm cho tồn chúng kể từ người Hi Lạp cổ đại lần thừa nhận chúng sở túy triết học Thuật giả kim làm việc dốc sức truyền thống bí mật thần bí Newton chuyển hóa lĩnh vực “triết học tự nhiên” thành mà cơng nhận khoa học vật lí đại, thật không công phê bình ơng thất bại việc biến thuật giả kim thành ngành hóa học đại Thời gian lúc chưa chín muồi Kính hiển vi phát minh mới, khoa học mũi nhọn người đương thời Newton Hooke khám phá thể sống cấu tạo nên tế bào 1.1 Cuộc truy tìm lực ngun tử Newton khơng phải nhà khoa học Ông thầy phù thủy cuối John Maynard Keynes Tuy nhiên, cần phải nắm bắt chuỗi tư tưởng Newton xét nơi đưa đến với thuận lợi nhận thức khoa học đại Trong việc thống quy mô người vũ trụ tồn tại, ơng hình dung lại hai sân khấu diễn viên (cây cối nhà cửa, hành tinh sao) tương tác qua lực hút lực đẩy Ông bị thuyết phục đối tượng ngự trị giới vi mô nguyên tử, vấn đề lại xác định xem chúng tác dụng lên loại lực Sự sáng suốt ơng không bật so với bất lực ơng mang đến đơm hoa kết trái Ơng nhận thấy nhiều lực quy mô người – lực ma sát, lực nhớt, lực thông thường giữ vật chiếm giữ không gian, vân vân – phải đơn giản biểu loại lực tác dụng ngun tử Băng dính vào giấy ngun tử băng hút nguyên tử giấy Nhà không đổ sập xuống tâm trái đất ngun tử đẩy ngun tử bùn đất nằm Ở ơng bị sa lầy Thật cám dỗ nghĩ lực nguyên tử hình thức hấp dẫn, loại lực ông biết phổ quát, đơn giản mặt tốn học Tuy nhiên, hấp dẫn ln ln lực hút, nên sử dụng để giải thích tồn lực ngun tử đẩy lẫn hút ? Lực hấp dẫn vật có kích thước bình thường nhỏ, lí chưa ý tới xe cộ nhà cửa hút mặt hấp dẫn Thật khó hiểu hấp dẫn gây thứ mãnh liệt nhịp đập tim hay nổ thuốc súng Newton tiếp tục viết lách hàng triệu từ ghi chép thuật giả kim đầy luận số lực khác, có lẽ “lực thần thánh” hay “lực sinh dưỡng” ví dụ lực mang tinh dịch đến trứng Bốn miếng băng làm cho nhiễm điện, Tùy thuộc vào loại kết hợp chọn để kiểm tra, lực tương tác lực hút, 2, lực đẩy, Thật may mắn, ngày có đủ kiến thức để nghiên cứu mối hoài nghi khác với tư cách ứng cử viên cho lực nguyên tử: lực điện Lực điện thường thấy vật chuẩn bị cách cọ xát (hay tương tác bề mặt khác), chẳng hạn quần áo chà xát lên máy sấy Một ví dụ hữu ích rõ hình a/ 1: dán hai miếng băng lên mặt bàn, sau đặt thêm hai miếng lên chúng Kéo cặp lên khỏi bàn, tách chúng Hai miếng phía đẩy nhau, a/2, hai miếng Tuy nhiên, miếng phía hút miếng phía trên, a/3 Lực điện có số điểm tương tự lực hấp dẫn, loại lực khác mà biết lực bản:   Lực điện phổ biến Mặc dù số chất, ví dụ lơng thú, cao su, chất dẻo, phản ứng với nhiễm điện mạnh chất khác, vật chất tham gia vào lực điện mức độ Khơng có chất chất “phi điện” Vật chất vốn có tính hấp dẫn lẫn tính điện Thí nghiệm cho thấy lực điện, giống lực hấp dẫn, lực tỉ lệ nghịch với bình phương Nghĩa là, lực điện hai cầu tỉ lệ với 1/r2, r khoảng cách tâm-nối-tâm chúng Ngồi ra, lực điện cịn có ý nghĩa lực hấp dẫn phương diện ứng cử viên cho lực ngun tử, thấy chúng hút đẩy 1.2 Điện tích, điện tính từ tính Điện tích “Điện tích” thuật ngữ chuyên môn dùng biết vật làm nhiễm để tham gia vào tương tác điện Cần phân biệt với cách sử dụng phổ biến, thuật ngữ sử dụng bừa bải để tính chất điện Chẳng hạn, nói cách thơng tục “điện tích” pin, bạn dễ dàng xác minh pin khơng có điện tích ý nghĩa chun mơn, tức khơng tác dụng lực điện lên miếng băng bị làm cho nhiễm điện mô tả phần trước Hai loại điện tích Chúng ta dễ dàng thu thập hàng loạt liệu lực điện chất khác làm cho tích điện theo cách khác Ví dụ, lấy lông mèo nhiễm điện cách cọ xát lên lông thỏ hút thủy tinh chà xát lên lụa Vậy hiểu tất thơng tin ? Chúng ta thu đơn giản hóa lớn cách lưu ý thực tế có hai loại điện tích Giả sử chọn lơng mèo cọ xát lên lông thỏ đại diện loại A, thủy tinh cọ lên lụa đại diện cho loại B Bây thấy khơng có “loại C” Bất kì vật làm cho nhiễm điện phương pháp thuộc loại A, hút vật mà A hút đẩy vật mà A đẩy, thuộc loại B, có tính chất hút đẩy B Hai loại, A B, luôn biểu tương tác ngược Nếu A biểu lực hút số vật tích điện, B chắn đẩy xa, ngược lại Đơn vị coulomb Mặc dù có hai loại điện tích, loại biểu lượng điện khác Đơn vị hệ mét điện tích coulomb, định nghĩa sau: Một coulomb (C) lượng điện tích cho lực 9,0 109 N xuất hai chất điểm có điện tích C nằm cách m Kí hiệu cho lượng điện tích q Hệ số định nghĩa có nguồn gốc lịch sử, khơng phải học thuộc lịng xác Định nghĩa phát biểu cho chất điểm, tức vật nhỏ, khơng phần khác chúng cách khoảng khác Mơ hình hai loại hạt mang điện Thí nghiệm cho thấy phương pháp cọ xát phương pháp khác làm tích điện cho vật gồm hai vật, hai cuối tích điện Nếu vật cần lượng định loại điện tích, vật có lượng tương đương loại điện tích Có thể có nhiều cách hiểu khác điều này, cách đơn giản viên gạch cấu trúc vật chất có hai vị, vị ứng với loại điện tích Việc cọ xát vật lên làm di chuyển số hạt từ vật sang vật Theo mơ hình này, vật chưa bị làm cho nhiễm điện thật có lượng lớn hai loại điện tích, số lượng chúng chúng phân bố bên vật Vì loại A đẩy thứ mà loại B hút, ngược lại, nên vật tác dụng lực tổng hợp không lên vật khác Phần lại chương làm sáng tỏ mơ hình bàn xem hạt bí ẩn hiểu với ý nghĩa phần cấu trúc nội nguyên tử Sử dụng kí hiệu điện tích dương âm Vì hai loại điện tích có xu hướng triệt tiêu lực lẫn nhau, nên người ta gán nhãn cho chúng kí hiệu dương âm, nói điện tích tồn phần vật Việc gọi điện tích dương, điện tích âm, hồn tồn độc đốn Benjamin Franklin định mô tả loại thứ mà gọi “A” âm, thật khơng có vấn đề ai gọi Một vật có điện tích tồn phần khơng (lượng điện tích thuộc hai loại nhau) gi l trung hũa in Ô Hóy bỡnh lun phỏt biểu sau: “Có hai loại điện tích, hút đẩy” Định luật Coulomb Một đối tượng lớn quan sát thực nghiệm tóm tắt sau: Định luật Coulomb: Cường độ lực tác dụng hai điện tích điểm cách khoảng r cho phương trình k = 9,0 109 N.m2/C2 Lực lực hút điện tích khác dấu, lực đẩy chúng dấu Những kĩ thuật đại tài tình cho phép dạng 1/r2 định luật Coulomb kiểm tra đến độ xác tin nổi, cho thấy số mũ nằm khoảng từ 1,99999999999999998 đến 2,0000000000000002 Lưu ý định luật Coulomb giống với định luật hấp dẫn Newton, độ lớn lực Gm1m2/r2, ngoại trừ có loại khối lượng, khơng phải hai, lực hấp dẫn không lực đẩy Do tương tự gần gũi hai loại lực, nên sử dụng lại nhiều hiểu biết lực hấp dẫn Chẳng hạn, có tương đương điện định lí lớp vỏ: lực điện tác dụng bên ngồi vỏ cầu tích điện có độ lớn thể tồn điện tích tập trung tâm nó, lực tác dụng vào bên khơng Bảo tồn điện tích Một lí cịn cho việc sử dụng kí hiệu dương âm cho điện tích thí nghiệm cho thấy điện tích bảo tồn theo định nghĩa này: hệ lập nào, tổng lượng điện tích số Đây lí thấy việc cọ xát chất ban đầu khơng tích điện lên ln ln có kết chất có lượng định loại điện tích, cịn chất cần lượng tương đương điện tích Bảo tồn điện tích trơng tự nhiên mơ hình vật chất cấu thành từ hạt dương âm Nếu điện tích hạt tính chất cố định loại hạt đó, hạt khơng thể tự sinh phá hủy, bảo tồn điện tích điều khơng thể tránh Lực điện với vật trung hòa Như rõ hình b, vật tích điện hút vật khơng tích điện Làm điều xảy ? Vấn đề mấu chốt chỗ miếng giấy có tổng điện tích khơng, có số hạt mang điện bên có mức độ tự chuyển động Giả sử miếng băng tích điện dương, c Các hạt di động miếng giấy phản ứng với lực miếng băng, làm cho đầu miếng giấy trở nên tích điện âm đầu trở nên dương Lực hút giấy băng mạnh lực đẩy, đầu tích điện âm gần miếng băng hn Ô iu gỡ s xy nu nh ming băng tích điện âm ? Lối phía trước Chúng ta bắt đầu làm việc với hành vi điện phức tạp mà chưa nhận thấy xuất rành rành trước mắt Khơng giống ròng rọc, puli, mặt phẳng nghiêng học, diễn viên sân khấu điện từ học tượng khơng nhìn thấy xa lạ với kinh nghiệm hàng ngày Vì lí nên nửa thứ hai chương trình vật lí học bạn khác hồn tồn, tập trung nhiều vào thí nghiệm kĩ thuật Mặc dù bạn khơng thật nhìn thấy điện tích chuyển động qua sợi dây, bạn học cách sử dụng máy đo ampe để đo dịng chuyển động Sinh viên có xu hướng bị gây ấn tượng từ học kì vật lí họ mơn khoa học chết người Không phải ! Chúng ta lần theo vết tích lịch sử dẫn trực tiếp đến nghiên cứu vật lí mũi nhọn mà bạn đọc thấy báo chí Những thí nghiệm nguyên tử xuất sắc bắt đầu vào khoảng năm 1900, mà nghiên cứu chương này, khơng khác với thí nghiệm năm 2000 – có điều nhỏ hơn, đơn giản hơn, rẻ tiền nhiều Lực từ Nghiên cứu toán học chi tiết từ học không xuất phần cuối sách này, cần phát triển vài khái niệm đơn giản từ học lực từ thường sử dụng thí nghiệm kĩ thuật mà nói tới Các nam châm thơng dụng hàng ngày nói chung có hai loại nam châm vĩnh cửu, ví dụ loại nằm tủ lạnh nhà bạn, cấu tạo từ sắt chất giống thép có chứa nguyên tử sắt (Những chất khác định có từ tính, sắt rẻ thơng dụng nhất) Loại nam châm kia, ví dụ loại làm cho loa máy hát bạn rung động, gồm cuộn dây có dịng điện chạy Cả hai loại nam châm có khả hút sắt chưa nhiễm từ, chẳng hạn cánh cửa tủ lạnh Một cách xem xét khiến cho tượng trơng phức tạp trở nên dễ hiểu nhiều : lực từ tương tác điện tích chuyển động, xuất với lực điện Giả sử nam châm vĩnh cửu mang tới gần nam châm loại cuộn dây Cuộn dây có điện tích chuyển động bên buộc điện tích chạy thành dịng Nam châm vĩnh cửu có điện tích chuyển động bên nó, trường hợp điện tích xốy trịn tự nhiên bên sắt (Cái làm cho mẫu sắt bị từ hóa khác với khối gỗ chỗ chuyển động điện tích bên gỗ ngẫu nhiên khơng có tổ chức) Các điện tích chuyển động cuộn dây nam châm tác dụng lực lên điện tích chuyển động nam châm vĩnh cửu, ngược lại Cơ sở toán học từ học phức tạp nhiều so với định luật Coulomb điện học, lí phải chờ sang chương nghiên cứu sâu chúng Hai sở đơn giản trình bày bây giờ: (1) Nếu hạt mang điện chuyển động vùng không gian gần hạt mang điện khác chuyển động, lực từ tác dụng lên tỉ lệ với vận tốc (2) Lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động luôn vng góc với hướng hạt chuyển động Ví dụ La bàn từ Trái Đất có nhân nóng chảy bên trong, giống bình nước sơi, khuấy động sóng Để đơn giản hóa, điện tích theo chuyển động khuấy tròn, nên Trái Đất chứa điện tích chuyển động Kim nam châm la bàn từ nam châm vĩnh cửu nhỏ Điện tích chuyển động bên Trái Đất tương tác từ với điện tích chuyển động bên kim la bàn, làm cho kim la bàn xoay tròn hướng bắc Ví dụ Ống phóng điện tử Hình ảnh ti vi vẽ chùm electron bắn từ phía sau ống phóng phía trước Chùm hạt quét qua toàn mặt ống giống người đọc xem lướt qua trang sách Lực từ sử dụng để lái chùm hạt Khi chùm hạt từ phía sau phía trước ống, cần có lực theo hướng trên-dưới, trái- phải để lái chúng Nhưng sử dụng lực từ để làm tăng tốc chùm hạt, chúng đẩy vng góc với hướng chuyển động electron, khơng chiều với chúng Câu hỏi thảo luận A Nếu lực hút điện hai chất điểm nằm cách 1m x 109 N khơng thể suy điện tích chúng + C – C ? Chúng ta cần phải có thêm quan sát để chứng minh điều ? B Một miếng băng tích điện hút dính vào tay bạn Điều có cho phép nói hạt mang đỉện tự bên tay bạn dương hay âm, hai, hay không ? 1.3 Nguyên tử Tôi tới chỗ xem nguyên tử người bạn xinh đẹp, khó tính, có màu xám màu đỏ tùy theo cảm nhận Rutherford Thuyết nguyên tử Người Hi Lạp chịu nhiều áp hai thiên niên kỉ qua: bị người La Mã thống trị, bị ức hiếp thập tự chinh kẻ thánh chiến đến đến từ Miền đất hứa, bị người Thổ Nhĩ Kì chiếm đóng gần Khơng có ngạc nhiên mà họ thích nhớ tới ngày tháng lộn xộn đó, vào lúc nhà tư tưởng lỗi lạc họ tiến gần tới quan niệm dân chủ thuyết nguyên tử Hi Lạp trở lại dân chủ sau giai đoạn độc tài quân sự, hình nguyên tử in cách hãnh diện đồng tiền họ Đó lí khiến tơi xúc động phải nói giả thuyết Hi Lạp cổ đại vật chất cấu thành từ ngun tử cơng trình dự đốn túy Khơng có chứng thực nghiệm thực tế cho nguyên tử, hồi sinh khái niệm nguyên tử vào kỉ thứ 18 Dalton có tính chất Hi Lạp tên gọi, có nghĩa “khơng thể chia tách” Thậm chí tiếng tăm Hi Lạp bị sứt mẻ nhiều tên gọi rõ khơng thích hợp vào năm 1899, lúc nhà vật lí J.J Thomson chứng minh thực nghiệm cho thấy nguyên tử có thứ nhỏ bên chúng, tức chúng chia tách (Thomson gọi chúng “electron”) Sau “khơng thể phân tách” phân tách Nhưng tiếp tục câu chuyện Điều xảy với khái niệm nguyên tử hai ngàn năm ? Những người có học thức tiếp tục bàn luận ý tưởng đó, người u thích thường sử dụng để mang lại lời giải thích hợp lí cho nhiều việc tượng khác Một thực tế giải thích dễ dàng bảo tồn khối lượng Ví dụ, bạn trộn kg nước với kg bụi đất, bạn có xác kg bùn, khơng khơng Điều tương tự cho nhiều trình đông đặc nước, lên men bia, nghiền sa thạch Nếu bạn tin vào nguyên tử, bảo toàn khối lượng mang lại cảm nhận đầy đủ, tất q trình xem trộn lẫn bố trí lại nguyên tử, không làm thay đổi tổng số nguyên tử Tuy nhiên, chứng cho thấy nguyên tử tồn Nếu nguyên tử thật tồn tại, có loại ngun tử gì, phân biệt rõ loại khác ? Chúng có kích thước, hình dạng, trọng lượng số đại lượng khác không ? Hố ngăn cách thuyết nguyên tử cổ đại đại trở nên hiển xét đến nghiên cứu sơ khai có vấn đề kỉ Những người cổ đại định có bốn loại nguyên tử, đất, nước, khơng khí lửa; quan điểm phổ biến cho chúng phân biệt hình dạng chúng Các ngun tử nước có hình cầu, nên nước có khả chảy cách êm đềm Các nguyên tử lửa có điểm sắc nhọn, lí lửa làm đau chạm vào da người (Khơng có khái niệm nhiệt độ hai ngàn năm sau này) Cách hiểu đại khác cách cấu trúc nguyên tử thu giai đoạn cách mạng 10 năm từ 1895 đến 1905 Mục tiêu chương mơ tả thí nghiệm trọng yếu Bạn có nghe nói tới thuyết nguyên tử chưa ? “Bạn thứ bạn ăn” Câu nói đại lém lĩnh nhiều mang cách hiểu nguyên tử tiêu hóa Xét cho tiêu hóa bí ẩn thú vị vào thời cổ đại, văn hóa tiền đại thường tin ăn cho phép bạn giải phóng số dạng “lực sống” khỏi thực phẩm Chuyện thần thoại đầy dãy lực trừu tượng can đảm ô uế lễ nghi vào thể bạn thơng qua thực phẩm mà bạn ăn Trái với quan điểm siêu nhiên này, nhà nguyên tử luận cổ đại có cách hiểu hồn tồn mang tính tự nhiên tiêu hóa Thức ăn cấu tạo từ nguyên tử, bạn tiêu hóa nó, bạn đơn giản phóng thích số ngun tử khỏi xếp chúng vào hợp chất cần thiết cho mô thể bạn Các nhà khoa học xa xưa tiến nhà khoa học thời phục hưng yêu thích loại giải thích Họ nóng lịng cởi trói cho mối ràng buộc lên trung tâm vật lí Aristotle (và phiên thân nhà thờ, thêm mắm dặm muối nó, tức triết học kinh viện), theo quan điểm họ vật lí có q nhiều tính chất huyền bí “mục tiêu” cho vật Ví dụ, trường phái Aristotle giải thích ngun nhân hịn đá rơi trở lại đất “bản chất” hay “mục tiêu” phải đến nằm nghỉ mặt đất Tuy nhiên, nỗ lực ngây thơ nhằm giải thích tiêu hóa cách tự nhiên cuối khiến nhà nguyên tử luận gặp rắc rối to với Giáo hội Vấn đề chỗ thánh lễ quan trọng nhà thờ gồm ăn bánh mì rượu nhờ mà nhận tác động siêu nhiên tha thứ cho tội lỗi Đề cập đến nghi lễ này, học thuyết hóa thể khẳng định phúc lành bánh mì rượu thánh thể chuyển hóa thành máu thịt Chúa Thuyết nguyên tử nhận thức mâu thuẫn với thuyết hóa thể, thuyết ngun tử phủ nhận phúc lành làm thay đổi chất nguyên tử Mặc dù thông tin lịch sử cung cấp đa số sách giáo khoa khoa học nói galileo miêu tả bất đồng ơng với Tòa án dị giáo khơi mào tranh luận xem Trái Đất có chuyển động hay khơng, số nhà sử học tin bị trừng phạt ơng có nhiều thứ để tìm hiểu biện hộ ông cho thuyết nguyên tử làm lật đổ thuyết hóa thể (Những vấn đề khác trạng thái phức tạp phong cách đối đầu galileo, vấn đề vũ trang Tòa thánh, tin đồn cho nhân vật xuẩn ngốc tác phẩm Galileo ám đức giáo hoàng) Trong thời gian dài, niềm tin vào thuyết nguyên tử đóng vai trị biểu khơng theo lề thói nhà khoa học, cách khẳng định sở thích hiểu i/ Ví dụ Từ hình tìm hướng từ trường nam châm vĩnh cửu gây Các electron dây đồng mang điện âm nên chúng chạy từ cực âm (phẳng) pin sang cực dương (cực có núm nhơ lên, phía trước) Khi electron bị nam châm vĩnh cửu đẩy qua, tưởng tượng chúng chịu trường hướng phía nam châm, hướng xa nó, tùy thuộc vào cách đặt nam châm dính lên pin Tưởng tượng nhìn thẳng lên vectơ lực, điều bạn làm bạn rệp nằm bên sợi dây Vì electron tích điện âm, nên vectơ B phải nằm phía ngược chiều kim đồng hồ tính từ vectơ v, nghĩa hướng phía nam châm Ví dụ Quỹ đạo trịn Lực từ làm cho chùm electron chuyển động theo vòng tròn Chùm tia tạo ống chân khơng, cịn lại lượng nhỏ khí hydrogen Một vài electron va chạm với phân tử hydrogen, phát ánh sáng làm cho nhìn thấy chùm tia Từ trường tạo cách cho dòng điện chạy qua vòng dây tròn phía trước phía sau ống Trong hình bên phải, với từ trường mở, lực vng góc với hướng chuyển động electron làm cho chúng chuyển động theo vòng trịn j/ Ví dụ Ví dụ Ảo giác chụp ảnh quét MRI Trong phép chụp ảnh quét cắt lớp MRI đầu, hệ thần kinh bệnh nhân phơi trước từ trường mạnh Vận tốc trung bình ion mang điện tế bào thần kinh thấp, bệnh nhân đột ngột cử động đầu, vận tốc đủ cao khiến từ trường tác dụng lực đáng kể lên ion Hiện tượng mang lại ảo giác nhìn nghe, ví dụ nghe thấy mùi thịt rán 6.3 Cảm ứng điện từ Điện từ học chuyển động tương đối Lí thuyết điện trường từ trường xây dựng đến có nghịch lí Một nguyên lí vật lí học, lùi ngày tháng trở lại với Newton galileo ảnh hưởng mạnh ngày nay, phát biểu chuyển động tương đối, tuyệt đối Như vậy, định luật vật lí phải khơng tác dụng khác hệ quy chiếu chuyển động, khơng nói hệ quy chiếu hệ quy chiếu trạng thái nghỉ tuyệt đối Lấy ví dụ từ học, tưởng tượng đứa trẻ tâng bóng lên xuống ghế ngồi phía sau tô chuyển động Trong hệ quy chiếu đứa trẻ, xe trạng thái nghỉ phong cảnh chuyển động; hệ quy chiếu này, bòng lên xuống theo đường thẳng, tuân theo định luật Newton định luật hấp dẫn Newton Trong hệ quy chiếu nhà quan sát nhìn từ bên lề đường, tơ chuyển động lịng đường khơng Trong hệ quy chiếu này, bóng theo cung parabol, tuân theo định luật Newton Tuy nhiên, xét với điện học từ học, có vấn đề, lần nói rõ ràng Einstein: phát biểu từ tính tương tác điện tích chuyển động, rõ ràng vừa sáng tạo định luật vật lí vi phạm nguyên tắc cho chuyển động tương đối, người quan sát khác hệ quy chiếu khác không thống với mức độ nhanh mà điện tích chuyển động, hay chí rốt chúng có chuyển động hay khơng Lời giải khơng xác mà Einstein dạy (và hồi nghi) sinh viên khoảng thời gian năm 1900 chất tương đối chuyển động áp dụng cho học, không áp dụng cho điện học từ học Toàn câu chuyện Einstein phục hồi nguyên lí chuyển động tương đối vào vị trí đáng vật lí học có liên quan tới thuyết tương đối đặc biệt ơng, khơng bàn đến lí thuyết tập sách Tuy nhiên, vài thí nghiệm tưởng tượng đơn giản định lượng đủ để làm nào, dựa nguyên lí chuyển động tương đối, phải có số mối quan hệ trước không ngờ tới điện học từ học Những quan hệ hình thành nên sở nhiều thiết bị thực tế, sử dụng hàng ngày, ví dụ máy phát điện máy biến thế, chúng đưa đến cách giải thích thân ánh sáng tượng điện từ học k/ Micheal Faraday (1791 – 1867), người thợ rèn nghèo, phát minh tượng cảm ứng điện từ thực nghiệm l/ Một đường điện tích dương Hãy tưởng tượng ví dụ điện chuyển động tương đối theo tinh thần giống câu chuyện đứa trẻ ngồi phía sau xe tơ Giả sử có đường điện tích dương, l Nhà quan sát A hệ quy chiếu nằm yên so với điện tích này, quan sát thấy chúng tạo hình ảnh điện trường hướng bên ngồi, xa khỏi điện tích, theo hướng, giống bó chổi Tuy nhiên, giả sử nhà quan sát B chuyển động sang bên phải điện tích Đối với B, ta thấy đứng n, cịn điện tích (và nhà quan sát A) di chuyển sang bên trái Đồng ý kiến với A, cô ta quan sát thấy điện trường, ta điện tích chuyển động nên ta phải quan sát thấy từ trường vùng không gian đó, giống hệt từ trường sợi dây dẫn thẳng, dài gây Vậy ? Cả hai Trong hệ quy chiếu A, có E, cịn hệ quy chiếu B có E lẫn B Ngun lí chuyển động tương đối buộc kết luận tùy theo hệ quy chiếu chúng ta, thấy kết hợp khác trường Mặc dù khơng chứng minh (việc chứng minh cần đến thuyết tương đối đặc biệt, không bàn tới tập sách này), hệ quy chiếu mang lại mô tả hoàn toàn trước sau thứ Chẳng hạn, electron truyền qua vùng không gian này, A B thấy chệch hướng, tăng tốc giảm tốc A giải thích thành cơng kết điện trường, cịn B quy cho hành vi electron kết hợp lực điện lực từ Như vậy, tin vào nguyên lí chuyển động tương đối, phải chấp nhận điện trường từ trường tượng liên quan mật thiết với nhau, giống hai mặt đồng xu Bây xét hình m Nhà quan sát A đứng yên so với nam châm, thấy hạt bị lệch theo hướng z, theo quy luật cho phần 6.2 (nhìn dọc theo vectơ lực, tức từ phía sau trang giấy, vectơ B nằm xi chiều kim đồng hồ so với vectơ v) Mặt khác, giả sử nhà quan sát B chuyển động sang bên phải dọc theo trục x, ban đầu tốc độ với tốc độ hạt B nhìn thấy nam châm chuyển động sang bên trái hạt ban đầu đứng yên sau gia tốc dọc theo trục z theo đường thẳng Từ trường khả làm cho hạt chuyển động ban đầu đứng n, từ tính tương tác điện tích chuyển động với điện tích chuyển động Như khiến B khơng thể tránh khỏi kết luận có điện trường vùng khơng gian này, trường hướng dọc theo trục z Nói cách khác, A nhận thấy trường B túy, B nhìn thấy hỗn hợp E B Nói chung, nhà quan sát khơng đứng n so với nhìn thấy hỗn hợp khác điện trường từ trường m/ Nhà quan sát A thấy hạt tích điện dương chuyển động qua vùng từ trường hướng từ lên, giả sử trường đều, cực hai nam châm Lực thu dọc theo trục z làm cho đường hạt bị lệch phía Nguyên lí cảm ứng Cho đến đây, thứ làm không thực có ích, dường khơng có bất ngờ xảy dựa vào hệ quy chiếu, lo lắng mà người hệ quy chiếu khác nghĩ tới Tuy nhiên, chưa phải toàn câu chuyện, khám phá thực nghiệm Faraday vào năm 1831 khảo sát tốn học Maxwell thực sau kỉ 19 Chúng ta phát biểu ý tưởng Faraday trước, sau nhìn xem làm giống phải chắn tuân theo nguyên lí chuyển động tương đối: ngun lí cảm ứng Bất kì điện trường biến thiên theo thời gian tạo từ trường khơng gian xung quanh Bất kì từ trường biến thiên theo thời gian tạo điện trường khơng gian xung quanh n/ Hình dạng trường cảm ứng Trường cảm ứng có xu hướng hình thành hình ảnh xốy theo biến thiên vectơ tạo Lưu ý cách thức chúng quay tròn theo hướng ngược Trường cảm ứng có xu hướng có hình ảnh xốy, hình n, hình ảnh xốy khơng nên hiểu theo nghĩa đen; nguyên lí cảm ứng thật yêu cầu hình ảnh trường này, người ta xen kim nam châm vào nó, kim nam châm quay trịn Tất hình ảnh trường biểu diễn hình o trường tạo cảm ứng; tất có “xốy” ngược chiều kim đồng hồ chúng o/ Ba trường xoáy ngược chiều kim đồng hồ p/ Nhà quan sát A đứng yên so với nam châm, thấy từ trường có cường độ khác khoảng cách khác tính từ nam châm Nhà quan sát B, vùng phía bên trái nam châm, nhìn thấy nam châm chuyển động phía ta, phát thấy từ trường vùng mạnh thời gian trơi qua Như hình 1, có điện trường dọc theo trục z cô ta chuyển động so với nam châm Vectơ DB hướng lên trên, điện trường có xốy: bánh guồng đưa vào điện trường quay theo chiều kim đồng hồ nhìn từ xuống, xốy theo chiều kim đồng hồ điện trường mạnh phía bên phải sinh lớn xốy ngược chiều kim đồng hồ điện trường yếu phía bên trái sinh Hình p cho thấy ví dụ ngun nhân trường B biến thiên lại sinh trường E Điện trường khơng thể giải thích với nhà quan sát B cô ta tin định luật Coulomb, nghĩ điện trường phải điện tích gây Tuy nhiên, ta biết ngun lí cảm ứng, tồn trường cần thiết Ví dụ Máy phát điện Một máy phát, q, gồm nam châm vĩnh cửu quay bên cuộn dây Nam châm điều khiển động quay tay (khơng hình) Khi quay, từ trường xung quanh biến thiên Theo nguyên lí cảm ứng, từ trường biến thiên sinh điện trường xoáy Điện trường tạo dòng điện chạy cuộn dây, sử dụng dịng điện để thắp sáng bóng đèn điện © Khi bạn lái xe động xe liên tục nạp điện lại cho bình ăcquy dụng cụ gọi máy dao điện, thật máy phát giống mô tả trang trước, ngoại trừ chỗ cuộn dây quay cịn nam châm vĩnh cửu cố định chỗ Vậy bạn sử dụng máy dao điện để khởi động động xe bình ăcquay xe bạn bị hỏng ? q/ Máy phát điện Ví dụ Máy biến Trong phần 4.3, nói thuận lợi công suất truyền tải đường dây điện hiệu điện cao dòng điện thấp Tuy nhiên, chẳng muốn ổ cắm tường hoạt động 10 000 volt! Vì lí này, công ti điện sử dụng thiết bị gọi máy biến thế, (g), để chuyển thành điện thấp dòng điện lớn nhà bạn Cuộn dây mạch vào tạo từ trường Máy biến làm việc với dòng điện biến thiên, nên từ trường xung quanh cuộn dây vào luôn biến thiên Từ trường cảm ứng điện trường, tạo dòng điện chạy cuộn dây Nếu hai cuộn dây nhau, xếp đối xứng, công suất với cơng suất vào, cuộn dây có số vịng dây cho lực điện khoảng cách đẩy electron nhỏ Cơng học đơn vị điện tích có nghĩa hiệu điện thấp Tuy nhiên, bảo toàn lượng bảo đảm lượng công suất ngõ phải với lượng công suất vào lúc ban đầu, IvàoVvào = IraVra, nên hiệu điện giảm phải với dịng điện tăng lên r/ Ví dụ Ví dụ Sự tương tự điện – Hình r biểu diễn ví dụ cảm ứng (bên trái) với tương tự học (bên phải) Hai nam châm ban đầu định hướng ngược nhau, 1, từ trường chúng triệt tiêu Nếu nam châm đảo lật lại, 2, trường chúng tăng cường nhau, thay đổi từ trường cần thời gian để lan truyền không gian Cuối cùng, 3, từ trường trở thành mà bạn mong đợi từ lí thuyết tĩnh từ học Trong tương tự học, chuyển động đột ngột bàn tay tạo nút thắt hay xung sóng dây, xung truyền dọc theo dây, cần có thời gian cho sợi dây ổn định trở lại Một điện trường cảm ứng từ trường biến thiên, khơng có điện tích tổng thể đóng vai trị nguồn phát sinh (Những hình ảnh đơn giản hóa khơng phải biểu diễn xác hình ảnh ba chiều hoàn chỉnh điện trường từ trường) Câu hỏi thảo luận Trong hình m q, nhà quan sát B chuyển động sang phía bên phải Điều xảy ta di chuyển sang bên trái ? BÀI GIẢNG SĨNG ĐIỆN TỪ 6.4 Sóng điện từ Hệ quan trọng cảm ứng tồn sóng điện từ Trong sóng hấp dẫn gồm khơng gợn lăn tăn trường hấp dẫn, ngun lí cảm ứng cho biết khơng thể có sóng điện túy hay sóng từ túy Thay vậy, có sóng có điện trường từ trường, giống sóng sin biểu diễn hình bên Maxwell chứng minh sóng hệ phương trình ơng, nhận tính chất chúng tốn học Việc thiết lập nằm ngồi khn khổ tốn học sách này, nên phát biểu kết s/ Một sóng điện từ Một sóng điện từ kiểu sin có dạng hình học biểu diễn hình s Các trường E B vng góc với hướng chuyển động, đồng thời vng góc với Nếu bạn nhìn dọc theo hướng chuyển động sóng, vectơ B ln ln lệch 90 độ theo chiều kim đồng hồ so với vectơ E Độ lớn hai trường liên hệ với phương trình |E| = c |B| Sóng điện từ tạo ? Nó phát ra, chẳng hạn, electron quay xung quanh nguyên tử dòng điện chạy tới lui ănten phát sóng Nói chung, điện tích gia tốc tạo sóng điện từ, có dịng điện biến thiên dạng sin theo thời gian tạo sóng dạng sin Một phát sinh, sóng lan tỏa khơng gian mà khơng cần điện tích hay dịng điện để tiếp tục lan tỏa Khi điện trường dao động tới lui, cảm ứng từ trường, từ trường dao động lại tạo điện trường Toàn dạng sóng truyền khơng gian trống rỗng tốc độ c = x 108 m/s, tốc độ liên hệ Sự phân cực Hai sóng điện từ truyền chiều khơng gian khơng giống điện trường từ trường chúng có hướng khác nhau, tính chất sóng gọi phân cực Ánh sáng sóng điện từ Một Maxwell nhận tồn sóng điện từ, ông trở nên chắn chắn chúng tượng ánh sáng Cả hai sóng ngang (tức dao động vng góc với hướng sóng chuyển động), vận tốc Heinrich Hertz (tên ông đặt cho đơn vị tần số) xác nhận ý tưởng Maxwell thực nghiệm Hertz người thành công việc tạo ra, phát hiện, nghiên cứu sóng điện từ cách chi tiết ănten mạch điện Để tạo sóng, ơng phải làm cho dòng điện dao động nhanh mạch điện Thật ra, thật khơng có chút hi vọng tạo dòng điện đảo chiều tần số 10 15 Hz mà ánh sáng khả kiến có Dao động điện nhanh ơng tạo 10 Hz, cho bước sóng khoảng 30 cm Ơng thành cơng việc rằng, giống hệt ánh sáng, sóng ơng tạo phân cực, bị phản xạ khúc xạ (tức bị bẻ cong, ví dụ thấu kính gây ra), ơng chế tạo dụng cụ ví dụ gương parabol hoạt động theo nguyên lí quang học ánh sáng sử dụng Kết Hertz chứng thuyết phục ánh sáng sóng điện từ giống Phổ điện từ Ngày nay, sóng điện từ vùng mà Hertz sử dụng gọi sóng vơ tuyến Các nghi ngờ “sóng Hertz”, gọi, loại sóng sóng ánh sáng nhanh chóng bị xua tan thí nghiệm tồn ngưỡng tần số giữa, tần số nằm ngồi phạm vi Tương tự phổ ánh sáng khả kiến, nói tồn phổ điện từ, phổ khả kiến đoạn Thuật ngữ dành cho phần khác phổ điện từ thật đáng để nhớ, dễ học cách nhận mối quan hệ lôgic bước sóng tính chất sóng mà bạn quen thuộc Sóng vơ tuyến có bước sóng sánh với kích thước ănten vơ tuyến, tức từ hàng mét tới hàng chục mét Vi sóng gọi tên chúng có bước sóng ngắn nhiều so với sóng vơ tuyến; thực phẩm nấu khơng lị vi sóng, khoảng cách nhỏ điểm nóng lạnh nửa bước sóng sóng dừng mà lị vi sóng tạo Sóng hồng ngoại, khả kiến, tử ngoại hiển nhiên có bước sóng ngắn nhiều, khơng chất sóng ánh sáng rõ ràng trước người chất sóng sóng đại dương Để nhớ tia tử ngoại, tia X tia gamma nằm phía bước sóng ngắn ánh sáng khả kiến, nhớ lại ba sóng gây ung thư (Như thảo luận phần sau tập sách này, có ngun lí giải hỏng hóc gây ung thư ADN gây song điện từ bước song ngắn Trái với niềm tin phổ biến, vi song khơng thể gây ung thư, lí có lị vi song, khơng phải lị tia X!) Ví dụ Tại bầu trời có màu xanh ? Khi ánh sáng Mặt Trời vào bầu khí tầng trên, phân tử khơng khí định tự bị gột song điện từ có tần số f Các hạt tích điện phân tử (hạt nhân electron) hoạt động giống dao động tử bị chi phối lực dao động, phản ứng cách dao động tần số f Năng lượng bị rút khỏi chùm ánh sang Mặt Trời tới chuyển hóa thành động hạt dao động Tuy nhiên, hạt gia tốc, nên chúng hoạt động giống ănten vô tuyến nhỏ đưa lượng khỏi trở lại dạng sóng ánh sang cầu trải theo hướng Một vật dao động tần số f có gia tốc tỉ lệ với f2, hạt tích điện gia tốc tạo sóng điện từ có trường vng góc với gia tốc nó, nên trường sóng cầu tái phát xạ tỉ lệ với f2 Năng lượng trường tỉ lệ với bình phương cường độ trường, nên lượng sóng tái phát xạ tỉ lệ với f4 Vì ánh sáng xanh có tần số gấp khoảng lần ánh sáng đỏ, nên trình diễn với ánh sáng xanh mạnh gấp 24 = 16 lần so với ánh sáng đỏ, lí bầu trời có màu xanh