Lĩnh vực vật lý về điện từ

Lĩnh vực vật lý về điện từ là ngành khoa học nghiên cứu và giải thích các hiện tượng điện và từ, cũng như mối liên hệ giữa chúng. Điện từ học kết hợp sự tương tác phức tạp giữa điện và từ, trong đó điện trường tạo ra từ trường và ngược lại. Điện từ trường, tổ hợp của hai trường này, là trung tâm của lĩnh vực này. Tương tác điện và từ được gọi là tương tác điện từ, với lực điện từ là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên (bên cạnh lực hấp dẫn, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu).

Đôi khi, thuật ngữ 'điện từ học' được sử dụng để chỉ những lý thuyết cổ điển, phân biệt với các lý thuyết hiện đại như điện động lực học lượng tử.

Lịch sử

Lý thuyết đầu tiên khá chính xác về điện từ học bắt nguồn từ các nghiên cứu khác nhau của các nhà vật lý trong thế kỷ 19, và được tổng hợp bởi James Clerk Maxwell qua bốn phương trình nổi tiếng, được gọi là phương trình Maxwell. Bên cạnh việc hợp nhất những kết quả nghiên cứu trước đó, Maxwell còn phát hiện ra rằng ánh sáng là sóng điện từ. Trong điện từ học cổ điển, điện từ trường tuân theo các phương trình Maxwell, và lực điện từ tuân theo định luật của Lorentz.

Điện từ học cổ điển không tương thích với cơ học cổ điển. Các phương trình Maxwell đã dự đoán vận tốc ánh sáng không đổi trong mọi hệ quy chiếu. Điều này vi phạm nguyên lý tương đối Galileo, một trong những nguyên lý cơ bản của cơ học cổ điển. Năm 1905, Albert Einstein đã giải quyết mâu thuẫn này bằng thuyết tương đối. Trong lý thuyết này, từ trường chỉ là một hiệu ứng tương đối của điện trường tĩnh và không cần nhiều phương trình như các phương trình Maxwell để mô tả.

Năm 1905, Einstein cũng đã giới thiệu hiệu ứng quang điện, cho thấy ánh sáng có thể được giải thích như các hạt, sau này được gọi là photon, giải thích một số hiện tượng không được giải thích bởi điện từ trường cổ điển. Lý thuyết này mở rộng lời giải cho vấn đề bức xạ đen của Max Planck năm 1900, vấn đề mà điện từ học cổ điển không thể giải quyết. Những lý thuyết này đã đóng góp vào việc phát triển vật lý lượng tử, đặc biệt là cơ học lượng tử. Cơ học lượng tử, bắt đầu từ năm 1925 và hoàn thành vào những năm 1940, là một trong những lý thuyết vật lý chính xác nhất ngày nay.

Khám phá

Những phát hiện cơ bản trong lĩnh vực điện từ

• Hans Christian Oersted năm 1819 phát hiện hiện tượng dòng điện tạo ra từ trường quanh dây dẫn.
• Năm 1820, André-Marie Ampère chỉ ra rằng hai dây dẫn song song có dòng điện cùng chiều sẽ hút nhau.
• Jean-Baptiste Biot và Félix Savart khám phá luật Biot-Savart năm 1820, định luật miêu tả chính xác từ trường tạo ra xung quanh dây dẫn có dòng điện chảy qua.

Dựa trên ba khám phá này, Ampère đã đưa ra một mô hình thành công cho điện từ vào năm 1825. Trong mô hình này, ông chỉ ra sự tương đương giữa dòng điện và từ trường[5] và đề xuất rằng từ trường được tạo ra bởi các dòng dòng vĩnh cửu (đường sức) thay vì từ lưỡng cực như trong mô hình của Poisson.[nb 3] Mô hình này cũng giải thích tại sao không có từ đơn cực. Ampère đã dựa trên mô hình này để suy ra cả định luật lực Ampère, miêu tả lực giữa hai dây dẫn có dòng điện chạy qua, và định luật Ampère (hay còn gọi là định luật Biot–Savart), miêu tả chính xác từ trường xung quanh một sợi dây dẫn có dòng điện. Trong công trình này, Ampère cũng đưa ra thuật ngữ điện động lực để mô tả mối liên hệ giữa điện và từ.

Năm 1831, Michael Faraday phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ khi ông làm thay đổi từ trường qua một vòng dây, dẫn đến sinh ra dòng điện trong vòng dây. Ông miêu tả hiện tượng này bằng định luật cảm ứng Faraday.

Lý thuyết điện từ, được hình thành từ nhiều nghiên cứu của các nhà vật lý trong thế kỷ 19 và được James Clerk Maxwell thống nhất trong bốn phương trình nổi tiếng, các phương trình Maxwell, là lý thuyết đầu tiên khá chính xác về điện từ học. Ngoài việc tổng hợp các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học tiền nhiệm, Maxwell còn chỉ ra rằng ánh sáng là sóng điện từ. Trong điện từ học cổ điển, điện từ trường tuân theo các phương trình Maxwell, và lực điện từ tuân theo định luật lực Lorentz.

Lý Thuyết Điện Từ

Các Ứng Dụng

• Nam châm điện
• Nam châm vĩnh cửu
• Biến dòng điện
• Động cơ điện
• Máy phát điện