Tài liệu Cơ sở vật lý. tập 5, điện học 2

DAVID HALLIDAY - ROBERRTT RESNICK - JEARL WALKER cơ sở VẬT ú TẬP N Ă M : E»IỆN HỌC - II (T á i b ản lááần th ứ năm) Chkiủ biên : HOÀNCCG HŨU THƯ NguMỜi dịch : ĐÀM TPIRƯNG ĐỒN LÊ KHHẮC BÌNH ĐÀO MKIM NGỌC NHÀ X U Ấ T BẢN CG3IÁ0 DỤC V IỆ T NAM N gu yên bản : F U N D A M E N T A L S O F PHYSICS C ác tác g i ả : DAVID HALLIDAY R O BERT RESNICK JE A R L W A L K E R N h à x u ấ t bẩn : JOHN WILEY & SONS, ĨNC Công ty cổ phần sách Đại học - bạy nghề - Nhà xuất bận Giáo dục Việt Nam giữ quyển công bố tác phẩm. * 19 - 2010/C X B /318 - 2244/G D Mã số : 7K268yO - DAI TỪ TRƯÒNG 30 .Vờií hạn dã .ngoạ i v à o m ộ i d ê m lôi trù i, lại m ộ t m i ê n có v ĩ dù c a o , bạn có thô dã dược nhìn th ấ y m ộ t cực quang. D ỏ lù m ộ t "mùn sáng" m u quá rù tù bầu trời xuống. N ỏ kh ôn g p h ả i ch ỉ xu ất hiện ỏ m ộ t m i ê n hựp, m à C( thê cao tới vùi trăm k m , dùi vùi tiíỊÙn k m , căn g trên m ộ t cu ng q u a n h Trá t)fíi. Tuy vậy nó d ầ y k h ô n g quá l k m . C ái gì d ã gây ra lùện tượng kì vĩ nảy I '/ sao nỏ lại m ò n g đ ế n thê ? :ì 30-1. TỪ TRƯÒNG Ta dã phân tích, một thanh chất dèo tích điện sinh ra tại mọi đ i ể m quanh nó một trường vectơ gọi là điện trường E như th ế nào. Tương tư như vậy, một thanh nam châm sinh ra một trường vectơ, gọi là t ừ t r ư ờ n g B tại mọi điểm trong không gian bao quanh nó. Bạn có thể cd một ý niệm vể từ trườn g mỗi khi d ù n g một nam châm nhò để ghim một mảnh giấy ờ cửa tủ lạnh, hoặc do không may bạn xóa hết chương trình trên đĩa mềm của máy vi tính khi để nđ gần một na m châm. Một loại nam châm quen thuộc có thể là một cuộn dây có dòng điện chạy qua, quấn qu anh một lõi sát. Cường độ từ tr ư ờn g' đượ c xác định bởi độ lớn của dòng ■điện. Trong công nghiệp,, c á c n a m c h â m d iệ n như th ế được dùng đ ể hút vụn sát ra khòi các vật khác (hình 30-1). Hinh 30-2 trình bày một loại n a m châm điện khác dùng trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu. Có lẽ quen thuộc hơn với các bạn là c á c n a m c h â m v ĩn h c ừu, tức là các nam châm không cấn d ò n g điện cũng ‘t ạo được, từ trường. Hình 30- 3 giới thiệu hinh dạng của từ trường q u a n h một nam châm vĩnh cửu nhỏ, thông qua các mạt sắt. HỈNH 30-1 D ùng nam ch Am (JiỌn đô Ihu sấi vụn trọng nha máy luyộn thép H iN H 3 0 -2 . Các num chrtm uiC-ri dung líõ làm cong dưòng đi va hội tụ một chùm hạt tích điỌn trong máy gíÍI tổc hrtt 0 chương 24 ta đã biểu diễn mối quan hệ giữa điện tích và diên trường E như sau : điện tích E *->điện tích The nghĩa là các điện tích sinh ra điện trường, và điện trườn g đến lượt nó lại íat' dung một lực (điện) lên một điện tích khác nếu nó được đ ặ t trong trường này Phép đối xứng - một công cụ đác lực đã được dùng nhiểu lẩn trước đây - gợi ý cho ta thiết lập một quan hộ tương tự như trên đối với hiện tượng từ : từ tích B <-> từ tích, (30-2) trong đó B là từ trường. Ý tưởng trên chi bị vướng một điểu là hinh như không cú các từ tích*. Điếu đó có nghía là không có các chất điểm cô lập nào phá t ra được các đường sức từ. Một sổ thuyết dư đoán có thể tổn tại các dơn cực từ như váy, và cũng có nhiều nhà vật lí ủng hộ các thuyết ấy, nh ư n g cho đến nay người ta vẫn chưa kh ằn g định được sự tổn tại của các đơn cực từ đó. Vậy thỉ từ trư ờng do đâu sinh ra ? Thí nghiệm chứng tỏ rằng nó do điện tích chuyền dôn g sinh ra. Diện tích sinh ra diện trường bất kể nđ đứng yên hay chuyển đỏng ; tuy nhiên chỉ khi chuyền động điện tích mới sinh ra được từ trường. Đâu là các điện tích chuyển động ấy ? Trong nam châm vỉnh cửu vẽ trên hình 3 0 - 3 chúng ìà -các electron của các nguyên tử sắt tạo, nôn nam ch âm ấy. Trong các nam châm điện vẽ trẽn hình 30-1 và 30-2, chúng là các electron chạy trong các cuộn dây dẫn mà ta đâ cuốn quanh các nam châm ấy. Nhơ vậy trong từ học, chúng ta nghĩ vế kiểu tương quan sau đây điên tích X 4* chuyên động 1 _ B điẽn tích 71 chuyên động. (30-3) Vị dòng điện trong dây dẫn là một luổng các điện tích chuyển động nên ta cùng có thể viết phương trình (30-3) như sau : dòng diện «-*. B ♦-♦dòng điện. (30-4) Các phương trỉn h (30-3) và (30^4) ndi lên rằng : . 1) Một điện tích chuyển động hay một dòng điện sinh ra m ột từ trường. 2) Nếu ta đật một điện tích chuyển động hoặc một sợi dây dẫn có dòng điện chạỵ qua vào trong từ trường thì nổ sẽ bị lực từ tác dụng. Chính nhà vật lí Đan Mạch H a n s Christian Oersted là người đẩu tiên (vào n à m 1820) đã liên kết được hai khoa HỈNH 30-3. Mại sắi đâ lâm hiỌn ra từ học riêng biệt vé dòng điện và vẽ hiện tượng từ trưòng irong khổng gian ba chiéu- chung vôi nhau, khi* ông t a ch ứn, g tỏ rằng dòng điện trong , 1 , . . d ịnh sê luôn vào tẠn trong dâyJ dân có thê làm lệch kim nam châm của la bàn. bò. . . () A dẫy. nam_ chAm UA_ co, tác. dụng / _ ngăn . x__ t • các IVong chương này ta chi bàn tới một nửa số vấn đề được tóm t á t tro n g các phương trinh (30-3) ° Tư khrti - mành sắt vụn, mã vổ linh khi an bỏ dâ nuổt không cho chúng ir?, dón rnm non nv, ò dó chúng gAy ra các lỏn thuong. ND. 5 dạ dày cò và (30-4). Cụ th ể là ta cho rằ n g đã có sản từ trư òn g - c h ản g h ạn ở tron g không gian giữa hai m ặ t cực của một nam châm điện - và tự hỏi trư ờ n g d ụng lên điện tích chuyển động một lực như th ế nào ? Trong chương tiếp sẽ bàn nốt nửa số v ấn đễ còn lại tức là từ trư ờng đã được giả định là có do đâu mà có ? khoáng v. ấy tác theo ta 1, sẵn ấy Ị 3 0 -2 . ĐỊNH NGHĨA CỦA B Ệ Dề định nghĩa điện trư ờ n g ở một điểm, ta đã đ ặ t một điện tích th ử q đứng yên tại điểm đó và đo lực điện Fp. tác dụng lên điện tích ấy. Từ đấy ta định nghía E dựâ vào hệ thức F e = ợE. (30-5) Nếu có được m ột đơn cực từ, ta cũng sẽ định nghĩa B b ằ n g cách tươ ng vị trong thiên nhiên không có những h ạt như vậy, nên ta phải định nghĩa cách 'khác, dựa trê n lực từ tác dụng lên một điện tích ch uy ển động như đã tron g phương trìn h 30-3. tự. Bởi B một nêu ra Để làm việc đó, vê nguyên tác, ta phải bán m ột điện tích th ử vào điểm niậ ta cần xác định 'B, bằng cách chò điện tích thử' các tóc độ và hướng bay khác nhau, ta xác định lực (nếu có) tác dụng lên điện tích ở điểm đó. Sau khi th ử đi th ử lại nhiếu lần, ta thấy r à n g lực F B tác dụng lên m ột điện tích th ử có vận tốc V và điện tích q ctí th ể viết bàn g tích vectơ của V và m ột đại lượng vectơ B m à ta gọi là từ trường : ' Fjj = q v X B, tr ò n g ’ àồ q có th ể dừớng hoặc ám. Phương trin h dù n g đ ể biết cả hướng (phương, chiểu) lẫn cường độ của trường. Sau của B mà ta tìm được bàng cách phân tích lực tảc dụ n g lêĩi • cũng- chính là' hư ớ n g chỉ bởi- k im tianrch&ttV 'củà' lầ 'bărì 'đặt' (30-6) định ng hía B - n à y cho n ày ta sẽ thấy, húớng điện tích chuyển ặộng 'tròng' t ừ ’ trứárig 'ầý.......... .. Dưới đây là m ột sổ điểu m à các b ạn có th ể nghiệm lại từ p hươ ng trìn h (30-6) và từ hình 30-4•; ỹế m inh họa nđ. p ^ 1 - Lực từ F à _ iu ô n tác đ ụn g vuông gổc vội vectơ vận tốc. T h ế ng h ĩa là m ộ t từ ttư ờ n g đểu và Tmông biến dổi thì không th ể tă n g tốc hoặc h â m m ột h ạ t điện tích chuyển động, m à chỉ cổ th ể làm lệch hướng chuyển động c ủ a nổ, N h ư vậy Ịư£_lừ c hỉ thay dổi dược Hướng của_Mectct -vâa.-tấc V. m à không làm th a y đối dưac-dộ-4ám của nci (Kết quả này hình như ctí vẻ vi phạm định lu ật 2 N ew ton ; nh ư n g , c ầ n lựu ý là đính luật N ew ton F - m a , eó quan hệ với các đại lượng vectơ ; khi vectơ vận tốc V thay đổi dù chi là vé hướng thỉ vẫn cđ gia tốc). Vì độ ìớn của V không thay đổi, nên lực từ không làm thay đổi động' nàng cùa hạt. H ìn h ’ 3 0 -5 cho th á y một chùm tia electron tro n g ống ph át tia âm cực có th ể bị từ trư ờ n g làm lệch hưồng. 2 - Từ trư ờng không tác dung Iưc nảo lên một h a t tích điAn chuyển dộng song cùng chiều (hoãc ngước chiều với trưòngV-Từ phương trin h 3 0-6 , ta th ấy độ lốn của lực từ cho bởi hệ thức • F tì = qvB sin một- • • • electron (vết x o á n ốc đ á n h d ấu e") và một poditron (vốt đ á n h dấu e+) khi ntí đập vào một nguyên tử h iđ rô và làm b ậ t ra m ột electron (vết dài đ á n h dấu e~) D ùng phương tr in h 3 0 - 6 đ ể k iể m t r a lại ba vết dọ hai điện'* tích â m và m ộ t điện tích dương để lại, t a th ấ y c h ú n g đ a bị cong vé phía: đúng n h ư tín h toán, Trong h ệ đơn vị SI, đơn vị cùa B suy từ phương trin h 3 0 - 6 và 3 0 -7 lầ n iutơ n tré n c u lô n g -n ié t t r ê h giây ; Đ ể cho tiện, tã đ ặ t tên Ĩ1Ổ là t e s ỉ a (T) th à n h ra : (30-8) Đơn vị cũ c ủ a B (k h ố n g tr o n g hệ SI) m à đến nay v ân còn người dùng, là gausă (G) và 1 tesla = 104 gauss. (30-9) Bảng 3 0-1 cho b iết tù trư ờ n g tro n g một sổ tru ờ n g hợp. N ên nho là từ trư ớng của Trái Đ ất ở g ấ n m ặ t đ ẵ t vào cỡ 10"4 T = 100/mT hay 1 gạuss. 8 BẨNCi 30-1 MỘT VÀI TỪ TRƯỜNG^) - ò bà mật sao nơtrổn (tinh toán) 108T - Mỏt nam châm diộn 1.51 - 0 gấn một nam châm nhỏ 10’2T - ỏ hổ mạl '1'rái Đ át 10 *T - lrong khoáng khổng vũ irụ giữa các sao 10 ,0T - Cìiá trị nhò nhát ỏ trong một phỏng cómàn chắn tù 10‘Ỉ4T. (a) Các giá trị gán đúng Các đưòng súc từ Chúng ta có th ể biểu diễn từ trường bằng các đường sức từ . Đối với điện trường chúng ta cũng đã làm đ ú n g như vậy. Điẽu đó cố n gh ĩa là : 1 - Phương của tiếp tuyến với đường sức từ ở mỗi điểm trù n g với phương của B tại điểm đđ. 2 - Độ m au th ư a của các đường sức từ là số đo độ lớn của B ; Chỗ nào các đường sức từ sát lại nh a u thì từ trường m ạnh và ngược lại. Hình 3 0 -7 cho biết từ trường ở gán một th a n h n am châm được biểu diễn như th ế nào qua đường sức từ. Chú ý rằng đường sức từ đi vào nam châm thẹo, phương vuống gốc và t ạ o n ẽ n j ih ữ n g vòng kin. Hiệu ứng từ ở bẽn ngoài th a n h nam châm m ạnh n h ấ t ở gán hai đẩu cùa nđ. H lN H 3 0 -7 . C ác của m ột th a n h C ác dưòng sú c là i ra từ cực bắc, và đ ư ò n g sủ c tù nam cham . cAc vòng kín, đ i'v à n cuc na M ụ t sál dược s ắ p x ế p d ọ c th a ) lừ iruòng được iạ o ra bài hai nam chAm vĩnh cừu. a - T rôn hinh a : Sự sắp xếp girìng như diCn irưòng của hai diỌn lích cùng dắu (hình 24-4. lập 4). 9 b) Trôn, hình b : Sụ sắp xếp giống như điện trilòng cùa hai diện tích trái dấu như ỏ hinh 2 4 -5 , tập 4. Đ áu th an h p h á t ra đường sức từ gọi là cục bác, đấu kia gọi là cực n a m . Thí nghiệm cho th ấ y các cực từ khác tên thi hút nhau. Từ đặc điểm ấy và từ hiện tượng cực bắc c ủ a kim la bàn (thực chất là một n am châm nhò) chỉ vé phương bắc, ta kết luận rà n g cực đ ịa từ của Trái Đ ất ở bác bán cấu là từ cực nam . Như vậy ở bắc cực các đường sức của địa từ trư ờng hướng th ẳ n g xuống m ặ t đất. Cực địa từ của Trái Đ ấ t ở n a m cực là- từ cực bác và đường sức của địa từ trư ờ n g ở m ién này hướng th ẳ n g từ m ặ t đất lên trẽn. BÀI TOÁN MẤU 3 0 -1 Một từ trư ờ ng đểu B cừờng độ 1,2 mT hướng th ẳ n g đ ứng từ dưới lẽn trê n choán h ết th ể tích của TOỘt phòng thí nghiệùi. Một prỗtôn động nftng 5,a ỊyĩeV bay vào tro n g phòng theo chiêu n a m bác trê n m ặ t phẳng ngang. Xác định lực từ tá c d ụ n g lên prôtôn khi nó bay vào phòng. K h â i lưạng của p rô tôn là 1 ,6 7 .1 0 '27 kg. KhâL w •■■ ■ • • BẢI GIẢI - Lực từ phụ thuộc vận tốc của prôtôn m à t a cd cđ th ể tính được th eò eo côrig thức K -=-- 2 m ?11'2i'2' ra ra V, 'te ta được đ ư ợ c :: H ÌN H ■ ___ _ I 2K V sr ___— ________ _ . . , r _ I 2(5,3MeV)(l,6.10_ 15)J/MeV — y -2 7 u m 1, . s > .1 . - 0 , a7_ , ~ 0 ,3 6 .1 0 r n / s . g Dùng phương trỉn h 30“ 7, ta óo : 30-8. Bài tậ p mỗu 30-1 : M ột sinh viôn " trong phòng có từ iruòng đang nhin mội prôiôn chuyẻn động bị lệch vé hương đông - Ảnh nhìn tù trôn cao x u ố n g - tù tr ư ò n g h ư ớ n g th e o phương thẳng đứng, từ dưới Ìôn trôn. F b = qưBsintp = = (1,6.10~19 culông) X (3,2.10 7m/s) X (1,2.10- 3T) X sin(90°) = 6,1 .1 0 - 15N. (Đáp số) 10 Lực ấy cơ vẻ nhỏ, như n g vì no' tác dụng lên một hạ t khối lượng nhò nên gây ra một gia tốc lớn : F \ì 6,1 X 10~15N a = — = — _ = 3,7.10 12 m/s2. ra l,67.10~27kg Bây giờ còn phải xác định chiéu của F|J. Chúng ta biết, rằ n g V hướng theo phương nằm ngang từ nam đến bắc và B có chiểu thảng đứng từ dưới lên trên, Quy .tắc bàn tay phải (xem hình 30-4b) cho biết lực từ F|J phải theo phương nằm ngang, từ tây san g đông như vẽ trên hình 30-8. Nếu điện tích của h ạ t là âm, lực từ 'cổ chiểu ngược lại, nghĩa là phương nàm ngang và hướng từ đông san g tây. Điểu này suy ra trực tiếp từ phương trình 3 0 -6 , nếu ta thay q bằn g ~e. Trong sự tính toán này chúng ta đã sử dụng biểu thức cổđiển (gán đúng) (K = 2 mv2) cho động năng của prôtôn mà không dùng biểu thức tương đổi tính (chính xác) (xem p.t. 7-34). Tiêu chuẩn để khi biểu 'thức cổ điển có th ể được sử dụn g một cách an toàn là K « m c2, tro n g đó m c 2 là nán g lượng nghỉ của hạt. Trong trư ờ n g hợp này K = 5,3MeV và nàng lượng nghỉ cùa một prôtôn là 938MeV. P rô tô n này thỏa m ãn tiêu chuẩn đo' và chúng ta đà chứng minh được bằng cách coi nó như là "chậm". Dó là khi sử dụng công thức K = —mv 2 cổ điển cho động nảng. Khi x é t tới các h ạt n â n g lượng cao ch ún g t a phấi luôn luôn cảnh giác điểu này. 3 0 -3 . S ự PH Á T HIỆN RA Ê LEC TR Ô N Chùm êlectrôn cđ th ể bị từ trư ờng làm lệch. Bạn có th ể rấ t q.uen thuộc với kết luận này, n h ư n g ít khi làm thử. Sự lệch này đã tạo ra hỉnh ảnh trê n h ấu hết các loại màn hình của tivi, viết chữ trên m àn máy vi tính. N h ư n g trước đây không phài ai củng biết như vậy. Vào cuối th ế kỉ trước, ống tia âm cực là loại thiết bị tối tân n h ấ t tro ng sổ tra n g thiết bị nghiên củu ở các phòng thí nghiệm chứ ở các nh à d ân làm sao có được. N àm 1897 J .J . Thom son ở Đại học Cambridge, đã chứng tỏ rà n g "tia" p h át sáng các th à n h thủy tinh của các ống đó là m ột chùm các h ạ t tích điện m à ông gọi là các "corpuscle". Ngày nay/ ta gọi chúng là các êlectrôn. các mà gây àm, Thomson đã tiến h à n h đo thương số của khối lượng m và điện tích q của h ạ t trong tia âm cực. H ình 3 0 -9 giới thiệu một dạng hiện đại của th iế t bị cùa Thomson. Trong m ột ống chân không, các êlectrôn ph át ra từ một c atố t đốt nóng và được gia tốc bằng hiệu điện th ế V. Sau khi đi quá khe trên m àn ch án c , êlectrôn bay vào một vùng tại đấy chú ng chuyển động vuông góc với m ột điện trư ờng E và m ột từ trường B. H ai trư ờ ng này vuông gác với nhau, và gọi là các trường bát chéo. Khi chùm tia đập vào m à n huỳnh quang s, nđ gây nên m ột ch ấm sáng. Nghiên cứu hlnh 30-9, ta thấy rằn g bất luận h ạ t m a n g điện tích d ấ u gì, thi điện trường và từ trư ờ n g cũn g làm nó lệch theo hai chiẽu ngược nhau. Nói riêng nếu h ạ t tích điện âm, thì điện trường làm nđ lệch vể phía mép trê n tr a n g giấy còn từ trư ờng làm nó lệch vế phía mép dưới. Cách thí nghiệm của Thomson cũng tương đương như cách làm sau đây : 1 - Cho E — 0 và B = 0 và ghi lại vị trí không bị lệch của vết sáng 2 - Cho điện trư ờ n g E tác dụng, đo độ lệch của chùm h ạ t do nó gây ra trên m àn huỳnh quang. 3 - Giữ nguyên điện trư ờn g E cho tác dụng tới khi vết sáng trở lại vị trí ban đẩu. tiếp từ trư ờ n g B, và . chinh nó cho Độ lệch của một êlectrôn khi chỉ có điện trường (bước 2) đo tại m ép xa của các bản lái tia đã được tín h tro n g bài toán m ẫu 24-8. Trong bài to á n ấy, độ lệch đó bàng qEL2 ' w ' l30_10) trò ng đó u là vận tốc êlectrôn, L là chiểu dài cửa bản lái tia. Độ lệch y không th ể đo được trực tiếp, n h ư n g cd th ể tính được từ độ dịch chu yển của vết s á n g trê n m àn hlnh. Từ chièu lệch ta suy ra dẫu của điện tích của hạt. Khi cho cả hai trư ờ n g tác dụng và điều chinh cho tá c d ụ n g của c h ú n g tr iệ t tiêu lẫn nhau (bước 3) - (hỉnh 30-9), chúng ta suy ra từ các phương trìn h 3 0 -5 và 3 0 -7 qE = qvB (vì góc

(cos 65,5°)(7,86'x 10“ 8s) s = 9,16. 10 “ 2m = 9,16 cm. (Đáp số) 3 0 -6 . CÁC MÁY GIA T ố c CYCLÔTRÔN VÀ XANH CRÔ TRỒ N Cấu trú c cuối cù ng của vật chất là th ế nào ? Câu hỏi n à y luôn luôn nhà vật lí phải b ă n khoản. Một cách để tỉm ra câu tr à lời là cho m ột h ạ t co năng lượng cao (chẳng h ạ n một prôtôn) bán vào một bia rắn , hoậc tổ t là cho hai h ạ t prôtôn n ă n g lượng cao va chạm trực tiếp với n hau. P h â n mảnh bắn ra từ va chạm ấy là con đường hay n h ấ t để tỉm hiểu vé bản các hạt nhỏ hơn nguyên tử của vật chất. Giải Nobel vé vật lí n ă m 1976 đã được tặ n g cho các công trìn h nghiên cứu như vậy. làm các tích điện hơn nữa, tích các chất của và 1984 19