Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 3)

Lực điện từ

Nếu ánh sáng thật sự là sóng, thì có vẻ hợp lí thôi nếu ta hỏi: chính xác thì cái gì đang dao động như sóng? Các tính chất của một hiện tượng có vẻ chẳng liên quan gì, lực điện từ, rốt cuộc lại đem đến câu trả lời.

Năm 1831, Michael Faraday khám phá hiện tượng cảm ứng điện từ, trong đó những dòng điện biến thiên “cảm ứng” ra những từ trường biến thiên, và ngược lại. Các thí nghiệm của Faraday (cái vẫn là nền tảng cho sự phát điện) cho thấy một liên hệ rõ ràng giữa lực điện và lực từ, nhưng mãi đến năm 1865 thì James Clerk Maxwell mới thiết lập một mô hình lí thuyết cho biết sự cảm ứng điện từ và các hiệu ứng có liên quan xảy ra như thế nào. Lí thuyết của Maxwell cho biết các điện trường và từ trường dao động, hoán chuyển, có thể truyền đi trong không gian dưới dạng sóng điện từ. Điều quan trọng, ông tìm thấy sóng điện từ di chuyển tự do trong chân không, và truyền đi ở tốc độ 300.000 km/s (186.000 dặm/s), đúng bằng tốc độ ánh sáng. Nếu aether đã không tồn tại, thì có lẽ ánh sáng là sóng điện từ chăng?

Chuyển động của dòng điện (dòng hạt electron tích điện âm) qua dây dẫn gây cảm ứng một từ trường vây xung quanh vật dẫn. Đảo chiều dòng điện làm đảo chiều của từ trường.

Các phương trình Maxwell

Để giải thích trọn vẹn lực điện từ, James Clerk Maxwell đã sử dụng một số phương trình từ các nhà khoa học khác và thiết lập chúng thành một lí thuyết chặt chẽ. Phương trình thứ nhất của ông mô tả cường độ của một điện trường giảm như thế nào theo bình phương khoảng cách. Nói cách khác, khi khoảng cách đến nguồn tăng gấp đôi thì trường yếu đi bốn lần. Phương trình thứ hai mô tả độ lớn của từ trường và cách chúng luôn luôn đi theo những đường khép kín giữa các cực từ.

Phương trình thứ ba của Maxwell mô tả làm thế nào tương tác giữa các điện trường và từ trường dao động có thể tạo ra “suất điện động”, cái biểu hiện dưới dạng điện áp. Cuối cùng, phương trình thứ tư mô tả làm thế nào một dòng điện biến thiên có thể cảm ứng một từ trường có độ lớn tỉ lệ với cỡ của dòng điện. Những phương trình này kết hợp với nhau mô tả sóng điện từ hành xử như thế nào, đồng thời cung cấp một lí giải trên lí thuyết cho biết sóng ánh sáng chính xác là thứ gì, nó truyền đi như thế nào trong chân không và nó tương tác như thế nào với điện trường và từ trường.

Trong các phương trình Maxwell, E biểu diễn điện thông, B là từ thông, r là điện tích trong một thể tích không gian, và J là dòng điện chạy trong một vật dẫn.

Vật lí Lượng tử Tốc hành | Gemma Lavender
Phần tiếp theo >>

Bài trước | Bài kế tiếp