Xem mẫu
- TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Khoa Vật Lý- lớp Lý 3A
TSKH. Lê Văn Hoàng
Giáo viên hướng dẫn :
Nhóm thực hiện: Đỗ Thị Thu Hà
Vũ Thanh Huy
Nguyễn Văn Hùng
Hoàng Văn Hưng
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 – 2009
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 3
TỔNG QUAN ................................................................................................................. 4
NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT .................................. 5
I. Các tương tác trong tự nhiện .................................................................................... 5
Tương tác hấp dẫn: "Chất keo dính của vũ trụ "................................................ 5
I.1.
Quan điểm Newton................................................................................... 5
I.1.1.
Quan điểm Einstein (tương đối): ............................................................... 6
I.1.2.
Quan điểm lượng tử:................................................................................. 7
I.1.3.
Tương tác điện từ: "Chất keo dính của các nguyên tử" ..................................... 7
I.2.
Trường điện từ ......................................................................................... 7
I.2.1.
Cơ học lượng tử: ...................................................................................... 8
I.2.2.
Tương tác mạnh: " Chất keo dính của các hạt " ................................................ 8
I.3.
Tương tác yếu: ................................................................................................. 9
I.4.
II. Sự phát triển các quan điểm tương tác điện từ .......................................................... 9
II.1. Tương tác điện từ - quan điểm cổ đại ............................................................... 9
Sự xuất hiện danh từ “điện” ...................................................................... 9
II.1.1.
Sự xuất hiện danh từ “từ” ....................................................................... 10
II.1.2.
II.2. Tương tác điện từ - thuyết trường điện từ ....................................................... 11
Tương tác tĩnh điện ................................................................................ 11
II.2.1.
II.2.1.1. Điện tích - Định luật bảo toàn điện tích ................................................. 11
II.2.1.2. Điện tích và cấu trúc của vật chất .......................................................... 13
II.2.1.3. Tương tác giữa 2 điện tích điểm - Định luật Coulomb ........................... 16
II.2.1.3.1 Thí nghiệm đo lực điện ................................................................ 16
II.2.1.3.2 Định luật Coulomb: ...................................................................... 18
Điện trường là gì ?.................................................................................. 19
II.2.2.
II.2.2.1. Điện trường và lực điện ........................................................................ 19
II.2.2.2. Véctơ cường độ điện trường.................................................................. 20
II.2.2.3. Nguyên lý chồng chất điện trường. ....................................................... 22
II.2.2.4. Đường sức điện trường – định luật Gauss cho điện trường. ................... 22
II.2.2.5. Năng lượng điện trường ........................................................................ 25
Tương tác tĩnh từ. ................................................................................... 26
II.2.3.
II.2.3.1. Từ tích - đơn cực từ : ............................................................................ 27
II.2.3.2. Định luật Ampere về tương tác giữa hai yếu tố dòng ............................. 28
Từ trường là gì?...................................................................................... 29
II.2.4.
II.2.4.1. Từ trường và lực từ ............................................................................... 29
II.2.4.2. Véctơ từ trường .................................................................................... 30
II.2.4.3. Nguyên lý chồng chất từ trường: ........................................................... 31
II.2.4.4. Đường cảm ứng từ - định luật Gauss cho từ trường: .............................. 32
II.2.4.4.1 Đường cảm ứng từ ....................................................................... 32
II.2.4.4.2 Định luật Gauss cho từ trường. ..................................................... 32
II.2.4.5. Năng lượng từ trường ........................................................................... 33
Điện từ trường ........................................................................................ 35
II.2.5.
II.2.5.1. Từ trường biến thiên - nguồn sinh ra điện trường .................................. 35
II.2.5.1.1 Định luật Faraday về cảm ứng điện từ: ......................................... 35
II.2.5.1.2 Luận điểm thứ nhất của Maxwelll ................................................ 37
Trang 1
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
II.2.5.2. Điện trường biến thiên - nguồn sinh ra từ trường.................................. 39
II.2.5.2.1 Định luật Ampere về lưu thông từ trường: ................................... 39
II.2.5.2.2 Khái niệm về dòng điện dịch - luận điểm thứ hai của Maxwell: .... 40
II.2.5.3. Trường điện từ - môi trường vật chất .................................................... 43
II.2.5.4. Hệ phương trình Maxwell ..................................................................... 43
II.3. Bộ rung điện Herzt - bằng chứng thực nghiệm cho lý thuyết trường điện từ. .. 45
Cấu tạo: .................................................................................................. 45
II.3.1.
Kết quả thí nghiệm ................................................................................. 46
II.3.2.
Phát hiện ra sóng điện từ ........................................................................ 46
II.3.3.
Kết luận.................................................................................................. 47
II.3.4.
II.4. Tương tác điện từ - thuyết trường lượng tử (QED) ........................................ 48
Thí nghiệm Lamb-Retherfor: .................................................................. 49
II.4.1.
II.4.1.1. Phương án thí nghiệm ........................................................................... 49
II.4.1.2. Kết quả thí nghiệm................................................................................ 50
II.4.1.3. Phân tích kết quả thí nghiệm: ................................................................ 50
Hạt nhân của thuyết điện động lực học lượng tử (QED) .......................... 52
II.4.2.
II.4.2.1. Khái niệm trường lượng tử.................................................................... 52
II.4.2.2. Chân không lượng tử ............................................................................ 53
II.4.2.2.1 Chân không là gì ? ....................................................................... 53
II.4.2.2.2 Vậy chân không lượng tử là gì? .................................................... 54
Điện động lực học lượng tử. ................................................................... 56
II.4.3.
II.4.3.1. Định nghĩa ............................................................................................ 56
II.4.3.2. “Photon ảo” và tính chất của tương tác điện từ theo QED ..................... 57
II.4.3.3. Tái chuẩn hóa ....................................................................................... 58
Thực nghiệm kiểm tra thuyết .................................................................. 60
II.4.4.
II.4.4.1. Giải thích sự dịch chuyển Lamb ............................................................ 60
II.4.4.2. Moment từ dị thường của electron ........................................................ 61
II.4.4.3. Hiệu ứng Casisir - lực xuất hiện từ chân không. .................................... 61
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 64
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 65
Trang 2
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
MỞ ĐẦU
Tương tác điện từ là một trong những tương tác cơ bản, vô cùng phổ biến và quan
trọng trong vũ trụ, tầm ảnh hưởng và ứng dụng của nó ngày càng được mở rộng ra mọi
mặt trong cuộc sống.
Thế nhưng hệ thống kiến thức về tương tác điện từ vẫn chưa được trình bày một
cách có hệ thống, có tính khái quát cao. Một bộ phận không nhỏ sinh viên còn chưa có
một hệ thống kiến thức đầy đủ, logic, khoa học về t ương tác điện tử. Cũng như nhằm đáp
ứng nhu cầu của một bộ phận không nhỏ những người đam mê nghiên cứu về các hiện
tượng điện từ.
Do đó, với đề tài này nhóm chúng tôi sẽ cung cấp cho độc giả một hệ thống kiến
thức phục vụ cho công việc học tập, nghiên cứu hiện nay cũng như cho công việc giảng
dạy về sau.
Trang 3
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
TỔNG QUAN
Trên cơ sở phân tích các tài liệu của các tác giả khác, nhóm nhận thấy:
Kiến thức về tương tác điện từ trong các tài liệu được trình bày một cách rời rạc,
không có hệ thống liên tục, gây khó khăn cho ng ười sử dụng tài liệu, vì phải sử
dụng nhiều tài liệu khác nhau trong quá trình nghiên cứu, học tập.
Đồng thời những kiến thức được nêu ra mang tính chất áp đặt, thiếu những thí
nghiệm để dẫn đến các định luật định lý, thiếu các lập luận logic dẫn dắt vẫn đề,
làm cho người đọc khó nắm bắt được bản chất của vấn đề.
Qua đó, nhóm quyết định xây dựng một bức tranh tổng quát về các quan điểm
tương tác điện từ từ cổ điển đến lượng tử.
Nội dung đề tài được xây dựng một cách chặt chẽ, logic. Các định luật, định lý
được xây dựng từ các thí nghiệm, sử dụng ngôn ngữ toán học một cách chặt chẽ, dẫn dắt
người đọc đi sâu vào vấn đề.
Trang 4
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT
I. Các tương tác trong tự nhiện
Thế giới xung quanh chúng ta đầy rẫy những phương tiện gây tác động:
những chiếc vợt đập vào quả bóng, những vận động viên nhảy cầu có thể tung
mình lao xuống từ những cầu nhảy cao, các nam châm lớn nâng những đo àn tàu
cao tốc trên đường ray riêng của chúng… Và bản thân chúng ta cũng có thể tác
động lên các vật bằng cách kéo, đẩy hoặc lắc chúng, bằng cách ném hoặc bắn các
vật khác vào chúng, bằng cách kéo giãn, vặn xoắn hoặc nghiền nát chúng, hoặc
bằng cách làm lạnh, đốt nóng, hoặc đốt cháy chúng… Trong suốt thế kỷ XX, các
nhà vật lý đã tích lũy được rất nhiều bằng chứng cho thấy tất cả những tương tác
đó giữa các vật và các chất khác nhau, cũng như hàng triệu tương tác khác mà
chúng ta gặp hằng ngày, đều có thể quy về những tổ hợp của bốn tương tác: tương
tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu.
I.1. Tương tác hấp dẫn: "Chất keo dính của vũ trụ "
Là tương tác quen thuộc nhất. Chính lực này đã giữ cho Trái Đất của chúng ta
quay quanh Mặt Trời và cũng nhờ nó mà bàn chân chúng ta bám chặt được vào
mặt đất.
Tương tác hấp dẫn là tương tác giữa các hạt vật chất có khối lượng. Bán kính
tác dụng của lực hấp dẫn lớn vô cùng nhưng so với các tương tác khác thì cường
độ của tương tác hấp dẫn là rất nhỏ.
I.1.1. Quan điểm Newton
Lí thuyết mang tính định lượng đầu tiên của lực hấp dẫn xây dựng trên các
quan sát do Isaac Newton thiết lập vào năm 1687 trong cuốn “Principia” của ông.
Ông viết rằng lực hấp dẫn tác dụng lên mặt trời và các hành tinh phụ thuộc vào
lượng vật chất mà chúng chứa. Nó truyền đi những khoảng cách xa và luôn luôn
Trang 5
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Công thức viết cho lực F giữa hai
vật có khối lượng m1 và m2 cách nhau khoảng r là
m1 m 2
F G
r2
trong đó G là hằng số tỉ lệ, hay hằng số hấp dẫn. Newton không ho àn toàn hài
lòng với lí thuyết của ông vì nó giả sử một tương tác xuyên khoảng cách. Khó
khăn đã bị loại trừ khi khái niệm trường hấp dẫn được nêu ra, một trường thấm
đẫm không gian và được truyền đi một cách tức thời. Lí thuyết Newton đ ược áp
dụng rất thành công cho cơ học thiên thể trong thế kỉ 18 và đầu thế kỉ 19.
I.1.2. Quan điểm Einstein (tương đối):
Vào năm 1845, Leverrier tính th ấy quỹ đạo của Thủy tinh tiến động 35” trên
thế kỉ, trái với giá trị theo thuyết Newton là bằng không. Năm 1915, Einstein mới
có thể giải thích được sự không nhất quán này.
Einstein đã sửa đổi dạng của định luật vạn vật hấp dẫn để cho phù hợp với các
nguyên lý tương đối. Nguyên lý đầu tiên nói rằng khoảng cách x không thể đ ược
vượt qua một cách tức thời nh ưng lý thuyết Newton lại bảo rằng lực tác dụng tức
thời. Do đó Einstein phải tiến h ành sửa đổi các định luật Newton lại, những sửa
đổi đó phải rất nhỏ. Nội dung của việc sửa đổi như sau: vì ánh sáng có năng lượng
do đó sẽ có khối lượng, mà mọi vật có khối lượng đều hút nhau.
Einstein chỉ ra rằng trường hấp dẫn là đại lượng hình học vạch rõ cái gọi là
thời gian đích thực, đó là khái niệm nhận cùng một giá trị trong mọi hệ tọa độ
tương tự như khoảng cách trong không gian thông thường.
Ông cũng thành công trong việc xây dựng các phương trình cho trường hấp
dẫn được đặt tên là các phương trình Einstein, và với các phương trình này ông đã
có thể tính được giá trị đúng cho sự tiến động đối với quỹ đạo của Thủy tinh. Các
phương trình đó cũng cho giá trị đo đ ược của sự lệch của các tia sáng truyền qua
mặt trời và không còn có sự nghi ngờ nào rằng các phương trình đó cho kết quả
chính xác đối với sự hấp dẫn vĩ mô.
Trang 6
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
I.1.3. Quan điểm lượng tử:
Lực hấp dẫn giữa 2 hạt vật chất được mang bởi một hạt, được gọi là hạt
graviton. Hạt này có spin bằng 2, không mang điện, không có khối lượng nghỉ và
có tầm tác dụng là vô cùng.
Các sóng này rất yếu và khó phát hiện do đó chưa quan sát được cụ thể bằng
thực nghiệm trên Trái Đất.
I.2. Tương tác điện từ: "Chất keo dính của các nguyên tử"
Tương tác điện từ là tương tác giữa các hạt mang điện như electron, proton …
I.2.1. Trường điện từ
James Clerk Maxwell, vào năm 1865, cu ối cùng đã thống nhất các khái niệm
điện và từ thành một lí thuyết về điện từ. Lực này được trung chuyển bởi trường
điện từ.
Có 2 loại điện tích: điện tích dương và điện tích âm. Lực giữa hai điện tích
dương cũng như giữa hai điện tích âm đều là lực đẩy, lực giữa một điện tích âm và
một điện tích dương là lực hút.
Trong thế giới vi mô, ở quy mô nhỏ như các nguyên tử và phân tử, lực điện từ
chiếm ưu thế so với lực hấp dẫn. Lực hút điện từ giữa các electron mang điện âm
trong nguyên tử và các proton mang điện dương trong hạt nhân nguyên tử làm cho
các electron “quay” xung quanh hạt nhân nguyên tử.
Trang 7
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
I.2.2. Cơ học lượng tử:
Trường điện từ có thể hiểu là dòng các hạt nhỏ gọi là photon cấu thành nên
trường điện từ. Nếu chúng ta nghĩ lực điện giữa hai điện tích là trường điện từ
trung chuyển nó xuyên khoảng cách, thì bây giờ chúng ta có thể có một bức
tranh cơ bản hơn dưới dạng một dòng photon gửi ra từ hạt đến chạm vào hạt
kia.
Tương tác điện từ được hình dung như được gây bởi sự trao đổi một số lớn
photon. Các photon được trao đổi khi đó là các hạt “ photon ảo”.
I.3. Tương tác mạnh: " Chất keo dính của các hạt "
Tương tác mạnh có liên quan đ ến lực hạt nhân mạnh - là lực tương tác giữa
các proton và neutron bên trong hat nhân nguyên tử, giữ cho proton và neutron ở
trong hạt nhân.
Tương tác mạnh là tương tác giữa các hadron như tương tác giữa các
nuclon trong hạt nhân tạo nên lực hạt nhân hay tương tác dẫn đến sự sinh hạt
hadron trong các quá trình va ch ạm giữa các hadron.
Ngày nay người ta tin rằng lực hạt nhân đ ược “mang” bởi một hạt gọi là hạt
gluon có spin bằng 1 và có “màu sắc”. Hạt gluon chỉ tương tác với chính nó và với
các hạt quark.
Lực hạt nhân mạnh có một tính chất kì lạ là sự “cầm tù”: nó luôn luôn liên kết
các hạt lại thành các tổ hợp “không có màu”.
Sự “cầm tù ” không cho phép có m ặt một gluôn riêng lẻ tự nó, vì mỗi gluôn
đều có “màu sắc”; thay vì thế người ta cần phải có một tổ hợp các gluôn với tổng
màu là “trắng”(một tập hợp như thế tạo nên một hạt không bền gọi là “glueball” ).
Việc “cầm tù” không cho phép chúng ta quan sát đư ợc một gluon cô lập dường
như làm cho toàn bộ khái niệm về các gluon trở nên hơi có vẻ siêu hình. Tương tác
mạnh cũng là tương tác giữa các pi-mezon và K-mezon và các hiperon với các
nuclon và giữa chúng với nhau.
Trang 8
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
I.4. Tương tác yếu:
Tương tác yếu gây ra sự phóng xạ và chỉ thể hiện ở lực hạt nhân yếu tác dụng
lên các hạt có spin 1/2, chứ không tác dụng lên các hạt có spin 0, 1, 2 như photon
và graviton.
Năm 1967 các nhà bác học A. Salam và S. Weinberg đưa ra giả thuyết ngoài
photon còn có 3 hạt có spin bằng 1 khác gọi là các hạt bôzôn- véctơ nặng mang
lực hạt nhân yếu. Đó là các hạt W+, W- và Z0 , mỗi hạt có khối lượng tương ứng
khoảng gần 200 nghìn me (khoảng 100 tỉ electron- vôn). Ở những năng lượng cao,
lớn hơn 100 tỉ electron- vôn nhiều thì ba hạt mới này xử sự một cách hoàn toàn
tương tự như photon (có tính cách như h ạt photon). Ở những năng lượng thấp hơn
thì ba hạt mới này lại có khối lượng lớn làm cho các lực mà chúng mang lại có tầm
tác dụng ngắn. Năm 1983, tại Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu ( CERN)
nhờ có máy gia tốc mạnh người ta đã phát hiện được ba hạt này có tính chất và
khối lượng đúng như giả thuyết.
II. Sự phát triển các quan điểm tương tác điện từ
II.1. Tương tác điện từ - quan điểm cổ đại
II.1.1. Sự xuất hiện danh từ “điện”
Chuyện xảy ra ở Hy Lạp khoảng 2600 năm về trước. Nhà triết học Thales có
một cô con gái. Nàng tuy còn nhỏ tuổi nhưng đã biết dệt rất khéo. Nàng được cha
mẹ mua cho một con thoi bằng hổ phách rất đẹp, do một tay thợ khéo xứ Ph ênixi
chuốt. Một hôm, cô bé lỡ tay đánh rơi con thoi xuống nước. Nàng bèn dùng vạt áo
len lau con thoi. Khi lau xong, thì nàng th ấy con thoi bám đầy tơ len. Ngỡ là thoi
còn chưa ráo nàng lại lau mạnh hơn, nhưng lạ thay, tơ len lại càng bám nhiều hơn
trước. Kinh ngạc, nàng vôi chạy đi tìm cha để cha giảng giải cho nàng về hiện
tượng kì lạ đó. Nghe con gái kể lại đầu đuôi câu chuyện, Thales cũng hết sức ngạc
nhiên. Vốn là một triết gia chân chính, ông bèn làm lại và nghiên cứu hiện tượng
đó. Quả nhiên, sự việc xảy ra đúng như cô bé kể. Thales bèn dùng dạ xát những
Trang 9
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
con thoi bằng hổ phách khác, những vòng tròn và những thanh bằng hổ phách, và
ông cũng thu được kết quả y hệt như trước. Hổ phách, trong tiếng Hy Lạp
“elektron” vì vậy người ta mới gọi cái lực thần bí dó là “electrictite” có nghĩa là
“điện”. Sau này người ta còn thấy có cả thủy tinh, lưu hu ỳnh, nhựa cây, lụa và
nhiều thứ khác cũng có tính chất như hổ phách.
II.1.2. Sự xuất hiện danh từ “từ”
Mốc sự kiện đầu tiên là vào khoảng 900 năm trước công nguyên, một người
chăn cừu tên là Magnus đã phát hiện ra một hiện tượng lạ trong tự nhiên và khiến
con người chú ý. Khi anh ta đi ngang qua một khu vực có những phiến đá m àu
đen, anh đã phát hiện ra là những cái đinh và đầu cây gậy bằng sắt của anh bị
những phiến đá này hút một cách kì lạ.
Đá nam châm
Hiện tượng này đã khiến chàng chăn cừu Magnus vô cùng ngạc nhiên, và
cũng từ đó khu vực n ày đã được con người chú ý đến nhiều hơn. Sau đó, khu vực
này đã được mọi người biết đến nhiều hơn với tên gọi “Magnesia”.
Hiện tượng mà Magnus đã thấy chính là do tại khu vực đó có một lượng lớn
quặng magie oxit (quặng sắt từ). Vì vậy, từ “magnet” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp
“magnitis lithos” có nghĩa là “đá có magie oxit”. Về sau người Hy Lạp đã gọi
những quặng đặc biệt này là “loadstone” (or lodestone) - đá nam châm.
Trang 10
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
Như vậy tương tác điện từ theo quan điểm cổ điển chỉ là do một số vật có
tính chất đặc biệt . Nguyên nhân mà “đá nam châm” hay “hổ phách” có thể hút
các vậy là bởi những viên đá này có chiếm giữ linh hồn hay có một thần lực nào
bên trong các vật này. Trong giai đoạn này những suy nghĩ duy tâm còn ảnh
hưởng rất lớn đến các nhà triết học, còn có cả những quan điểm cho rằng hiện
tượng lạ trong tự nhiên này chính là do có bàn tay của Chúa can thiệp.
II.2. Tương tác điện từ - thuyết trường điện từ
Cùng với sự phát triển của nhân loại Vật lý cũng đ ã 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 theo
như lời nhà Vật Lý Richard Feyman “không 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 nh ư
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”
II.2.1. Tương tác tĩnh điện
II.2.1.1. Điện tích - Định luật bảo toàn 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 len 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 A, và “điện thủy
tinh” đại diện cho loại B. Và 2 loại điện tích này hút nhau. Bây giờ chúng ta sẽ
thấy là không có “loại C”. Bất kì vật nào được làm cho nhiễm điện bằng bất cứ
phương pháp nào thuộc loại A, hút các vật mà A hút và đẩy các vật mà A đẩy,
hoặc là thuộc loại B, có cùng tính chất hút và đẩy như B. Hai loại, A và B, luôn
Trang 11
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
luôn biểu hiện tương tác ngược nhau. Nếu như A 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 Benjamin 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 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, th ì 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 (hình f).
Trang 12
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
II.2.1.2. Điện tích và cấu trúc của vật chất
Khi chúng ta tích điện cho một thanh bằng cách cọ sát nó với một tấm da
lông thú hay tấm lụa như thì không 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 xem xét tỉ mỉ, chi tiết hơn nữa cấu trúc
và các đặc tính điện của các nguyên tử, loại tạo lên tất cả các loại vật chất thông
thường. Cấu trúc của các nguyên tử có thể được mô tả dưới dạng ba loại hạt:
electron mang điện tích âm, proton mang điện tích dương, và notron không mang
điện.
Các proton và các notron trong m ột 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 electron, 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 tenis.
Với sự chính xác được biết hiện nay, khối lượng của các hạt riêng lẻ đó là:
Khối lượng của electron 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).10-27kg
Điện tích âm của electron (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 electron bằng số proton trong hạt nhân,
và điện tích tổng cộng (tổng đại số của tất cả các điện tích) đúng bằng không.
Trang 13
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
Một nguyên tử Một iôn dương có Một iôn âm thừa
trung hoà có số sự hụt thiếu về các các electron
bằng số
electron electron.
proton.
Trang 14
- Khi số proton tổng cộng trong một vật vĩ mô bằng số electron tổng cộng, thì
đ iện tích tổng cộng bằng không 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 ho à hoặc lấy đi các điện tích dương từ vật đó. Tương tự nh ư 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 electron mang điện tích âm (có tính linh
động cao) đ ược thêm vào hoặc lấy đi, và m ột “vật mang điện tích dương” là một vật
đ ã m ất đi một số electron bổ sung thông thường của nó.
Ẩn ý trong phần thảo luận đã nói ở trên là hai định luật rất quan trọng. Đầu tiên
là định luật bảo to àn 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 lông thú với nhau, cả hai
b an đầu không mang điện, th ì thanh nhựa sẽ nhận đ ược điện tích âm (bởi vì nó lấy
các electron từ tấm da lông thú) và tấm da nhận điện tích d ương có cùng độ lớn (bởi
vì nó đã mất số electron b ằng số electron m à thanh nhựa đó nhận được). Do đó, điện
tích tổng cộng trên hai vật đó lại với nhau là không thay đổi. Trong bất kể quá trình
tích điện nào, điện tích không được tạo ra hoặc bị triệt tiêu mà nó chỉ được chuyển
từ vật này sang vật khác.
Định luật bảo to àn điện tích đ ược hiểu là một định luật bảo toàn phổ biến.
Không một bằng chứng thực nghiệm nào cho b ất 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 luôn bằng một bội số nguyên lần
đ ơn vị cơ bản đó. Chúng ta nói rằng điện tích bị lượng tử hoá. Điện tích không thể
b ị chia th ành những lượng nhỏ hơn điện tích của một electron hay proton (các điện
tích hạt quark, bằng 1 / 3 và 2 / 3 điện tích của electron, hầu nh ư ch ắc chắn
không th ể thấy đư ợc với tư cách là các điện tích đơn lẻ). Do đó, điện tích trên b ất kể
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
vật vĩ mô n ào luôn luôn ho ặc bằng không hoặc bằng một bội số nguyên (âm hoặc
dương) lần điện tích của electron.
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 nghế 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.
II.2.1.3. Tương tác giữa 2 điện tích điểm - Định luật Coulomb
Như đã nói ở trên các vật có thể hút nhau có thể
đẩy nhau, như vậy có một quy luật định luật vật lý nào
chi phối sự hút hay đẩy giữa các vật hay không?
II.2.1.3.1 Thí nghiệm đo lực điện
Nhà bác học Charles Augustin De Coulomb (1736 -
1806) nghiên cứu lực tương tác của các hạt mang điện một
cách chi tiết vào năm 1784. Ông đã sử dụng một cái cân
xoắn để nghiên cứu tương tác giữa 2 điện tích điểm.
Cấu tạo cân xoắn:
Gồm một sợi dây mảnh bằng tơ tằm hoặc bằng kim
lo ại đặt trong một ống thủy tinh ở vị trí thẳng đứng. Cuối
sợi dây gắn một chiếc kim ngắn đặt nằm ngang, có thể
quay trước những vạch chia độ khắc trên thành bình thủy
tinh. Khi có một lực nhỏ tác động vào một hòn bi nhỏ gắn
ở một đầu kim, nó làm cho kim quay m ột góc nhỏ và xo ắn
sợi dây lại. Khi lực xoắn cân bằng với lực tác dụng th ì
Cân xoắn
chiếc kim dừng lại. Theo định luật, góc xoắn tỉ lệ với lực
Trang 16
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
tác dụng vì vậy khi xác định đư ợc các góc xoắn do hai lực khác nhau gây ra ta có
th ể so sánh được hai lực đó.
Kết quả thí nghiệm:
Năm 1785, Coulomb công bố những kết quả đầu tiên về phép đo lực đẩy của
các điện tích bằng cân xoắn . Để khảo sát sự phụ thuộc n ày, Culomb đã chia một
đ iện tích thành hai phần bằng nhau bằng cách đặt một vật dẫn h ình cầu mang điện
nhỏ tiếp xúc với một vật giống như vậy nhưng không mang điện; do tính chất đối
xứng, điện tích đư ợc chia đều bằng nhau giữa hai quả cầu (lưu ý vai trò thiết yếu
của định luật bảo to àn điện tích trong phương thức này). Theo cách đó, ông ta có thể
nhận được một nửa, một phần tư và ... điện tích ban đầu. Ông đ ã thực hiện nhiều
phép đo khác nhau và đã công bố kết quả của 3 lần đo, trong đó khi giữ các điện
tích cùng dâu không đổi, và cho khoảng cách giữa chúng thay đổi theo tỉ lệ: 36: 18:
8 ,5 thì lực đẩy giữa chúng thay đổi theo tỉ lệ: 36: 144: 575, tức là lực đẩy giữa
chúng gần đúng tỉ lệ nghịch với b ình phương kho ảng cách. Coulomb đã giải thích
sự sai khác đó là do trong quá trình tiến hành thí nghiệm một phần điện tích đã bị
“rò” đi m ất.
Sau đó Coulomb tiến hành đo lực hút. Phép đo này khó hơn, vì khi cho hai hòn
b i nhỏ tích điện rất khó ngăn sao cho chúng khỏi chạm nhau. Dù sao sau nhiều lần
thí nghiệm, ông cũng đi đến kết quả là lực hút của các điện tích cũng tỉ lệ nghịch
với bình phương kho ảng cách giữa chúng.
Cải tiến thí nghiệm
Những kết quả đó thật là đáng khích lệ, nhưng ông vẫn chưa hài lòng. Ông biết
rằng định luật n ày có vai trò quan trọn g như thế nào trong sự phát triển của điện
học. Ông đ ã sử dụng và cải tiến phương pháp đo để tăng độ chính xác của phép đo
h ơn n ữa. Phương pháp chính xác đó ngày nay được gọi là “phương pháp dao động”.
Chúng ta đ ã biết rằng khi con lắc dao động, tần số của nó phụ thuộc vào trọng
lực tác dụng của con lắc. Giống như vậy tần số dao động của m ột cái kim tích điện
d ao động trong mặt phẳng nằm ngang cũng phụ thuộc vào lực điện tác dụng lên nó,
thành thử khi đo được tần số dao động của kim, ta có thể xác định đư ợc lực điện tác
Trang 17
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
dụng. Coulomb đã làm một chiếc kim nhỏ bằng chất cách điện, dao động trong mặt
phẳng nằm ngang. Ở đầu kim có gắn mọt tấm kim loại nhỏ, đặt thẳng đứng và tích
đ iện. Phía trư ớc tấm kim loại có đặt một hòn bi nhỏ tích điện ngược dấu với nó. Khi
cho kim dao động trong một thời gian đủ d ài, có thể xác đinh đư ợc chính xác tần số
d ao động và tính ra lực điện tác dụng.
Phương pháp đo chính xác này đã khẳng định hoàn toàn định luật về sư phụ
thuộc của lực điện theo tỉ lệ bình phương khoảng cách. Định luật này ngày nay
chúng ta gọi là định luật Coulomb
II.2.1.3.2 Định luật Coulomb:
Lực tương tác giữa hai điện tích điểm đứng yên trong chân không 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 F mà các điện tích điểm q1 và q2 cách nhau
một khoảng r tác dụng lên nhau có th ể biểu diễn dưới dạng:
q1q2 r
F k 2
rr
Trong đó k là một hằng số tỷ lệ, trong hệ SI giá trị h ằng số k là:
k 8,987551787.109 N.m 2 /C . Giá trị số của k được xác định chính xác theo c là:
k 107 N.s 2 / C2 c 2
Hướng của các lực m à hai điện tích tác dụng lên nhau luôn luôn n ằm dọc theo
đường thẳng nối giữa chúng. Khi các điện tích q1 và q2 cùng dấu, hoặc cùng dương
hoặc cùng âm, thì các lực là đẩy nhau khi các điện tích ngược dấu, th ì các lực là hút
nhau.
Sự tỷ lệ của lực điện với 1 / r 2 đ ã được kiểm tra với độ chính xác rất cao.
Những kĩ thuật hiện đại tài tình cho phép d ạng 1 / r 2 của định luật Coulomb được
Trang 18
- Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng
kiểm tra đến độ chính xác không thể tin nổi, cho thấy số mũ nằm trong khoảng từ
1 ,99999999999999998 đ ến 2,0000000000000002
II.2.2. Điện trường là gì ?
II.2.2.1. Điện trường và lực điện
Khi hai hạt mang điện tương tác với nhau trong chân không, th ì mỗi hạt biết
được sự có mặt của hạt kia nh ư thế nào? Cái gì xuất hiện trong không gian giữa
chúng đ ể truyền tác dụng của mỗi điện tích đến điện tích khác? Chúng ta có thể bắt
đ ầu trả lời các câu hỏi đó và đồng thời viết lại công thức định luật Coulomb theo
một cách rất hữu ích bằng cách sử dụng khái niệm điện trường.
Để đ ưa vào khái niệm này, hãy xem sự đẩy lẫn nhau của hai vật nhiễm điện
dương A và B
Vật nhiễm điện A tác dụng lực lên vật mang điện B như thế nào?
Giả sử rằng B có điện tích q và F là lực điện do A tác dụng lên B. Sự đẩy giữa
A và B như là một quá trình hai giai đo ạn.
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
đ iện tích mà nó mang, cảm nhận đư ợc không 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 xem xét kỹ lưỡng quá trình hai giai đo ạn
n ày 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.
Trang 19
nguon tai.lieu . vn
