C: THẾ KỈ XIX - BỨC TRANH HIỆN THỰC MỚI CỦA
3/ Quan niệm trường của Faraday _
Faraday đã giải quyết xong vấn dé, ông đã tìm được lời giải còn lại của bài toán “quan hệ điện - từ”. Một lần nữa Faraday đã phủ nhận quan
niệm của Gilbert bằng thực nghiệm. Có thể nói Faraday đã hoàn thành tốt
nhiệm vụ của ông đặt ra. Nhưng ông đã không dừng lại ở đó. Lòng say mê khoa học, luôn tìm tòi, sáng tạo đã bắt ông phải trả lời câu hỏi “Tại sao
điện có thể biến thành từ và từ cũng có thể biến thành điện?”. Một nhiệm
vụ mới được đặt ra cho Faraday, và ông đã tiếp tục nghiên cứu tìm ra nguyên nhân, đi sâu vào giải thích hiện tượng và tìm ra quy luật của sự
biến đổi đó.
Lúc bấy giờ, mặc dù thuyết tương tác xa của Newton đã bắt đầu gặp
khó khăn từ thí nghiệm của Oersted nhưng nó vẫn còn là ngọn đuốc soi
đường cho hầu hết các nhà bác học. Họ đã đặt ra nhiều giả thuyết để giải
thích hiện tượng điện từ để cứu vãn tình thế bế tắc.
Faraday đã có một tư tưởng hết sức cách mạng, ông tự hỏi tại sao
chúng ta cứ phải cố gắng dựa trên những lý thuyết cũ kỹ để đi giải thích những điều mới mẽ. Ông thấy được khuyết điểm của thuyết tương tác xa,
ông không tán thành và chính ông là người đầu tiên bước lên “vũ đài”
chống lại thuyết tương tác xa của Newton bằng cách xây dựng lý thuyết
tương tác gần.
Một lần nữa Faraday cho thấy sự sáng tạo của mình, lập trường
vững chắc, và quan điểm tiến bộ khi ông khôi phục và phát triển thuyết tương tác gần của Descartes. Faraday đã cho thuyết tương tác gần một sức
8⁄0 72 : rang Si Di 39
@402⁄2 : Od Hguydn Thi Thég Lugn odn tất nghi¢p
sống mới,chính vì thé người ta vẫn thường gọi thuyết đó là của Faraday.
Và ông đã chứng minh được tính đúng đắn của nó khi lấy đó làm cơ sở
giải thích thành công thí nghiệm của Oersted và của chính ông. Như vậy,
đã có cuộc đấu tranh không chính thức giữa hai quan điểm tương tác xa của Newton và tương tác gần của Faraday.
Như đã biết, thuyết tương tác xa cho rằng “các lực tương tác là tức
thời từ xa, không cần môi trường truyền tương tác và vận tốc truyền
tương tác ấy là vô hạn”. Dĩ nhiên thuyết của Faraday là mâu thuẫn hoàn
toàn. Thuyết tương tác gần cho rằng : “các lực tương tác là tương tác
gần, cần phải có một môi trường để truyền tương tác và vận tốc tương
tác ấy là hữu hạn”. Chính vì thế, Faraday đã tìm ra được hướng giải quyết của mình là phải tìm ra môi trường truyền tương tác đó. Từ đó tất nhiên sẽ
biết được quy luật của nó.
Thoạt tiên ông đặt ra giả thiết là môi trường bao quanh nam châm hoặc dây dẫn có dòng điện ở một trạng thái đặc biệt gọi là “trạng thái kích
thích điện”. Nếu ta đưa dây dẫn lại gần hoặc ra xa nam châm thì trạng thái
kích thích điện sẽ được tăng cường hoặc giảm bớt, sự thay đổi đó làm điện
xuất hiện. Và Faraday gọi môi trường ấy là từ trường, còn môi trường bao
xung quanh điện tích đứng yên gọi là điện trường. Như vậy, khái niệm điện trường và từ trường đã có từ đó (mặc dù trước đó hai môi trường này
cũng đã được các nhà bác học biết đến ). Sau này, người ta định nghĩa lại dạng quen thuộc ta biết trong sách giáo khoa.
Để xây dựng điện trường và từ trường , Faraday đã dùng hình ảnh
các đường sức điện và đường sức từ (đường sức điện chúng ta có thể hiểu là những đường xuất phát từ một điện tích đến các điểm trên hình cầu có
tâm là điện tích đó). Ban đầu Faraday chỉ coi các đường sức từ như những phương tiện biểu diễn cụ thể sự phân bố của từ lực trong khoảng không
gian bao quanh nam châm hoặc dòng điện, còn đường sức điện là phương
tiện biểu diễn sự phân bố của lực điện trong khoảng không gian bao quanh
điện tích đứng yên. Điện trường và từ trường được coi như một môi trường tưởng tượng nào đó.
Tuy nhiên, khi đi sâu vào nghiên cứu hiện tượng cảm ứng tĩnh điện Volta và cảm ứng điện từ, ông thấy vai trò của môi trường đó ngày càng
nỗi rõ. Do đó, Faraday ngày càng tin vào sự tổn tại của điện trường và từ trường, chúng là những thực thể Vật lý và những đường sức là những cấu
trúc thực của các trường đó. Faraday cho rằng lực tương tác giữa dòng điện
=—ˆỄˆỄỄ——————
SOTH : Trang Si Di 40
lên kim nam châm trong thí nghiệm Oersted hoàn toàn dựa trên môi trường tương tác đặc biệt này.
Dựa vào môi trường ấy, Faraday giải thích hiện tượng cảm ứng tĩnh
điện như sau: "Mỗi hạt của môi trường bao quanh vật nhiễm điện bị phân
cực thành một hạt có hai cực (đương và âm). Trạng thái phân cực của môi
trường sẽ truyền từ hạt này sang hạt kia, nhờ sự
phân cực đó mà xảy ra hiện tượng tĩnh điện”.
Đối với hiện tượng cảm ứng điện từ,
Faraday đã giải thích như sau: Khi ta dịch chuyển
nam châm lại gần hoặc xa vòng dây, thì đường
sức từ hay còn gọi là đường cảm ứng từ xuyên qua
mặt vòng dây thay đổi. Chính sự thay đổi này làm
sinh ra dòng điện cảm ứng trong khung dây. Ông gọi đó là định luật cảm
ứng điện từ.(Khi mới tìm ra hiện tượng cảm ứng điện từ Faraday đã giải
thích rất khó hiểu :Vật chất xung quanh nam châm hoặc dòng điện nằm trong một trạng thái điện hoạt, khi trạng thái này biến đổi thì nó làm phát
sinh dòng điện cảm ứng). Sau này, người ta đã gọi số đường cảm ứng từ
xuyên qua vòng dây là từ thông $ và đã chỉnh sửa lại định luật cảm ứng
điện từ được sử dụng trong sách giáo khoa ở phổ thông.
Tuy nhiên, Faraday chỉ nhận thấy được khi dịch chuyển nam châm
ngược chiều thì dòng cảm ứng cũng đảo chiều nhưng
chưa đưa ra cách xác định rõ ràng. Việc xác định
chiểu của dòng điện cảm ứng được E.Lenz (1804-
1865) nhà vật lý người Nga viện sĩ viện hàn lâm
Petecbua thiết lập bằng một định luật gọi là định luật
Lenz :”Đòng điện cảm ứng có chiều sao cho nó chống lại sự biến đổi đang làm cho nó phát sinh ”.
Tiếp theo Neumann (1798-1895) đã xây dựng
được biểu thức định lượng định luật cảm ứng điện từ
của Faraday bằng cách đưa vào khái niệm là suất điện động cảm ứng của
đòng điện cảm ứng.
ꮜ
Tuy nhiên, Neumann vẫn phải dựa trên nguyên lý tác dụng xa để xây
dựng biểu thức ấy.
Trở lại thí nghiệm của Faraday, ông cho rằng cuộn dây, thanh nam
châm hay điện kế chỉ là những phương tiện để thấy sự diễn biến của qúa
SOTH : Trang Si Di 41
“02 : @6 Nguyen Thy Thép Lugn odn tất nghiên
trình Vật lý. Cho nên trong sự mô tả trực quan, Faraday chú ý nhiều đến từ
trường tạo ra xung quanh dây dẫn có dòng điện chạy qua. Các nghiên cứu điện môi và tính nghịch từ của Faraday cho ta thấy vai trò của “trường” tập trung xung quanh dây dẫn hay các qủa cầu kim loại. Môi trường nằm giữa dây dẫn và thanh nam châm ảnh hưởng lên sự tương tác giữa chúng, tức là
Faraday nghĩ môi trường ấy là nguyên nhân gây ra tác dụng lực làm thanh
nam châm chuyển động trong thí nghiệm Oersted.
Faraday viết :”Tôi nghiêng về giả thuyết là các đường sức của từ trường ton tại, các đường sức của điện trường cũng tôn tại giống như
vay”.
Từ năm 1846, Faraday dùng hình ảnh các đường sức của minh để
nghiên cứu sâu về hiện tượng cảm ứng điện từ.Ông nói rằng đường sức là có thật và có bản chất Vật lý. Ông cũng cho rằng vật chất bao gồm các
nguyên tử và các hạt ête không trọng lượng tương tác với nhau bằng những
đường sức: Đường sức hấp dẫn, đường sức điện, đường sức từ và còn có thể
xuất hiện khi cú đường sức __~=ÊE” ——————— ơ
từ cắt ngang qua dây dẫn. CB FY › )
Cường độ dòng điện trong `*E /WW“--—-
dây dẫn phụ thuộc vào số Í INNEKI1411⁄14111
lượng các đường cảm ứng từ
cắt ngang dây dẫn trong \_
một đơn vị thời gian Tuy TT“ >=—___ ee
nhiên Faraday không xây dựng được cu thể đường sức là gì.
Ông cũng viết vào một tác phẩm của mình :
"Những ai tán thành giả thuyết ête đến một mức độ nào đó có thể
coi như đường sức đó như những dòng chảy hoặc như những dao động
đang truyền đi, hoặc như một chuyển động sóng dừng, hoặc như trạng
thái của một sự căng ”.
Nói như vậy chúng ta có nên nghĩ rằng Faraday công nhận sự tồn tại
của ête như nhiều nhà bác học lúc bấy giờ? Nhưng có ête hay không có ête đối với Faraday là không quan trọng, ông chỉ biết rằng có đường sức điện
và đường sức từ, và đó chính là cơ sở để ông xây dựng các đường lực, hay
nói đúng hơn đó chính là trường. (Ngày nay chúng ta hiểu các đường lực
chính là trường theo Einstein)
=———ễễễễễễễỄễễỄễỄ
SOT : Trang 8i Di 42
Như vậy, Faraday cố gắng tìm thấy các đường sức bao bọc toàn bộ trường tại những nơi các nhà toán học chỉ biết các tâm tác động lên nhau từ
xa. Ông nhìn thấy mọi trường chuyển tiếp, trong khi những người khác
không thấy gì ngoài khoảng cách giữa các điện tích giữa các dòng điện hay nam châm và một môi trường ête đàn hồi.
Đó chính là quan điểm hết sức cách mạng của Faraday - quan niệm
“trường”. Theo quan niệm đó, Faraday cho là tác động thực truyền qua
môi trường, còn những người khác tự thỏa mãn với việc biểu diễn được
cường độ của lực tác dụng lên nhau của các chất lỏng điện. Chính vì thế
người ta nói rằng Faraday đã bắt đầu làm thay đổi bức tranh điện từ, đưa
vào bức tranh ấy một màu sắc mới mẽ, nét chấm phá độc đáo. Vì vậy
người ta đã liệt ông vào các nhà Vật lý đi tiên phong vào lĩnh vực mới của
Vật lý học.
Mặc dù tính đúng đắn của trường sẽ được thế hệ sau chứng minh, nhưng Faraday đã không dám tuyên bố một cách mạnh mẽ với khoa học
rằng “trường chắc chắn có thật” mà ông chỉ để nó đứng trên một quan
niệm, còn chưa sáng tỏ. Nói “không dám”, không phải là Faraday thiếu sự tự tin tưởng vào sự tồn tại của “trường” mà vì ông chịu sự chống đối khá mạnh mẽ của các nhà bác học khác. Năm 1836, Faraday đã viết một bức thư tới viện Hoàng gia Anh, bức thư ấy ông yêu cầu phải 100 năm sau mới được mở ra xem. Đúng 100 năm sau, 1936, bí mật của Faraday được tiết lộ.
Bí mật ấy đã làm cho các nhà bác học hết sức ngạc nhiên, vừa cảm phục tài năng tiên đoán của Faraday, ông viết bức thư với nội dung có thể tóm lại chuẩn xác bằng một câu: “Tôi tin chắc rằng Điện từ trường là có thật”.
Khi đó thì không còn bàn cãi gì nữa bởi nó đã được chứng minh thí nghiệm
và có cả một hệ thống lý thuyết vững chắc. Và từ bức thư đó ta cũng thấy, từ năm 1836, Faraday đã có tư tưởng thống nhất điện trường và từ trường
làm một thực thể gọi là “Điện từ trường”.
Faraday là nhà bác học tự học, mọi khám phá và phát minh của ông
đều mang một dấu ấn rất riêng, rất đặc trưng của một người luôn tìm tòi và
sáng tạo trong khoa học. Sau khi khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ Faraday đã tập trung mọi sức lực, sự khéo léo của một thiên tài thực
nghiệm và sự kiên trì hiếm có cho sự nghiệp khoa học. Có thể lúc đó ông cũng chưa đánh giá hết tầm quan trong của các khám phá trong việc làm thay đổi quan niệm cố hữu về thế giới tự nhiên, và có thể ông cũng chưa hiểu hết ý nghĩa thực tiễn của những gì mà ông cống hiến cho nhân loại.
=ễễ—
SOTH : Trang Si Di 43
Nhưng ông tin tưởng sâu sắc các khám phá khoa học chỉ có thể có lợi cho sự phát triển của xã hội loài người.
Thật vậy, những khám phá của Faraday có một vai trò hết sức quan trọng trong đời sống, đặc biệt là hiện tượng cảm ứng điện từ. Ngay cả trong mô hình thực nghiệm của ông, khi quấn các cuộn đây trên lõi thép
hình vành khăn để tạo dòng cảm ứng thì đó chính là hình ảnh đầu tiên về
chiếc máy biến thế. Dựa trên đó Faraday đã chế tạo được chiếc máy phát điện đầu tiên vào năm 1863, và người ta cũng chế tạo được những động cơ
điện...không thể thiếu được trong đời sống người hiện đại. Có thể nói cống
hiến của Faraday cho khoa học và lợi ích chung của nhân loại là vô giá.
Helmholtz đã nói rằng :
“cho đến khi nào loài người còn chịu ơn của điện thì sẽ còn nghĩ đến Faraday với lòng biết ơn ”.
Chúng ta không chỉ chịu ơn Faraday vì các công trình của ông đã
đem lại lợi ích thiết thực cho nền sản xuất và đời sống và nghiên cứu ứng dụng. Điều đặc biệt hơn cả và có ý nghĩa nhất đó là Faraday đã làm thay đổi bức tranh cơ học thống trị tư tưởng nhân loại trong suốt gần hai thế kỷ.
Faraday đã cho chúng ta một quan niệm mới về vật chất. Thay cho các vật thể cơ học, Điện từ trường xuất hiện giữa chúng trở thành vai chính trong
vở kịch của tự nhiên.
Faraday cũng luôn coi thuyết nguyên tử cơ học là xa lạ đối với Vật
lý học, ông thậm chí không thích chữ “nguyên tử” cứng nhắc. Ông thường
tránh dùng các biểu diễn “Am ~ dương”. Bởi vì theo quan điểm Faraday thì điện tích không phải là chất lỏng mà là điểm gốc, là nguồn của điện
trường, còn dòng điện là trục của từ trường. Vật chất có các tâm lực hoạt
động, chứ không phải là vật thể thụ động như những người thao quan điểm
Newton đã nói. Faraday đã nói như sau:
"Các tài liệu thí nghiệm phong phú khẳng định rằng giữa các
nguyên tử của vật chất và các lực của điện trường có sự liên quan, trong số các tính chất quan trọng nhất của nguyên tit có các lực hóa học, mà chính thuộc tính này có thể giải thích nhờ các lực này ”.
Nói tóm lại, những phát minh thực nghiệm của Faraday được mọi
người biết đến rất nhanh và dễ dàng chấp nhận một cách thuyết phục và nó được ứng dụng một cách nhanh chóng vào đời sống. Chính điều đó đã
đưa danh tiếng của Faraday lên đỉnh cao, chúng đã mang lại cho ông một
uy tín khoa học rất cao ngay khi ông còn sống. Thế nhưng quan niệm
SOTH : Trang Si Di 44
—ễỄễE>>=->ềễễễEEễEễễ—--—
$7 : Trang Si Di 45
HWU Maxwell va lý thuyết Trường điện từ
1/ Vài nét về tiểu sử Maxwell
Từ thập niên 70 của thế kỷ XIX, không ai không biết đến Maxwell,
bởi tên tuổi của ông đã qúa nổi tiếng cùng với lý thuyết Trường điện từ do
ông sáng lập. Các nhà bác học đã phong tặng cho Maxwell danh hiệu
“Newton của điện học”. Bởi vì công lao của ông trong lĩnh vực điện từ
cũng giống như của Newton đối với cơ học cổ điển.
James Clerk Maxwell sinh ngày 13-6- 1831 tại Edinburgh của Scotland. Cậu bé lớn lên trong một trang trại nhỏ của cha mẹ. Cũng
như nhiều đứa trẻ nông thôn khác, Maxwell đã từng có những niềm vui nho nhỏ ở miền quê.
Cha của cậu là một người rất khéo tay và vui
tính, thường bày ra nhiều trò chơi bổ ích cho
việc phát triển trí tuệ của cậu con trai ham hiểu
biết.
Mawel de abi Ở trường học, lúc đầu Maxwell không có
gì nổi bật so với các bạn học cùng lớp, cậu ta hầu như không có bạn. Trong giờ trống cậu có thể ngồi hàng giờ với các
mô hình cơ khí hay đọc truyện thơ dân gian. Nhưng chỉ vài năm sau, tài
năng của Maxwell phát triển đột ngột. Năm 15 tuổi, Maxwell đã có công
trình nghiên cứu đầu tiên về các đường cong bầu dục và được đăng trong
tạp chí của hội Hoàng gia Edinburgh.
Ba năm đầu học đại học, Maxwell học ở Edinburgh, từ năm 1850
chuyển sang học ở Cambridge, một trường đại học rất nổi tiếng của Anh Quốc. Chính tai đây, kiến thức toán học của Maxwell được chuẩn bị day
đủ cho sự nghiệp nghiên cứu sau này. Trong những năm thực tập ở
Cambridge, Maxwell thực hiện nhiều thí nghiệm quang học, nghiên cứu lý thuyết về màu sắc và bắt đầu học các công trình của Faraday và quyết
định nghiên cứu lĩnh vực điện từ.
Sau đó, Maxwell được phong giáo sư và giảng dạy tại trường đại
học Aberdeen. Những bài giảng của ông mẫu mực đến mức có thể đi in
SOTH : 7rang cŠ¿ (2) 46