TRA LOI BAN THACH THI THU HUONG

electrodynamics
Điện động lực học
electrodynamics
Sách tham khảo bt
Bài tập vật lý lý thuyết – Nguyễn Hữu Mình tập 1 và 2, nxb Giáo Dục
Cac de tai seminar
Hieu ung Hall va ung dung
Ung dung cua tu truong trong cuoc song va khoa hoc (dac biet vat ly)
Lịch sử hình thành hệ pt Maxwell
ứng dụng của sóng điện từ trong thông tin liên lạc
Laser (chú ý laser siêu ngắn có cường độ cao) và các ứng dụng trong khoa học kĩ thuật (chú trọng trong vật lý)
Các nguồn bức xạ sóng điện từ và ứng dụng
Lịch sử hình thành thuyết tương đối
So sánh cơ học Newton và cơ học Einstein: không gian, thời gian, vũ trụ, vật chất…
Các thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng (càng mới càng tốt)
Các thí nghiệm kiểm chứng các hệ quả của thuyết tương đối
Các nghịch lí và giải thích chúng trong thuyết tương đối
Điện động lực học tương đối
MỤC TIÊU
Một bức tranh tương đối hoàn chỉnh về điện từ trường cùng các quy luật biến đổi; tương tác giữa điện từ trường với vật chất; bản chất của sóng điện từ. Ngoài ra cơ sở của lý thuyết tương đối hẹp cũng được xây dựng như một hệ quả của lý thuyết điện từ.
map
Vài nét lịch sử
Charles-Augustin de Coulomb
Carl Friedrich Gauss
André-Marie Ampère
Michael Faraday

James Clerk Maxwell
Albert Einstein
BÀI 1: ĐIỆN TRƯỜNG
Nội Dung Cơ bản
Lực tĩnh điện. Định luật Cu-lông
Xây dựng khái niệm trường tĩnh điện.
Điện trường của một điện tích điểm
Nguyên lý chồng chất của điện trường. Điện trường của một phân bố điện tích.
Định luật Gauss cho điện trường
Lịch sử vấn đề
- 600 tCN Thales
Lịch sử vấn đề
- 1551 : lực từ và lực hút của hổ phách với các vật nhỏ là khác nhau (do người Ý phát hiện)
1.1 Lực tĩnh điện
2 loại tương tác
Ví dụ
Âm:

Dương:

Trung hòa:
Định luật Coulomb
q1
F12
q2
Định luật Coulomb
r1
F12
q2
O
q1
r2
Sơ đồ 1: Tương tác giữa hai điện tích:
Điện tích
Điện tích
Lực Coulomb
1.2 Điện trường
Vấn đề:
Môi trường vật chất chung quanh một điện tích, thông qua đó điện tích này tác dụng lên điện tích khác một lực tĩnh điện ta gọi là điện trường.
Thí nghiệm
F
Kết quả
Đo lần lượt lực tĩnh điện tác dụng lên các điện tích đó, ta được

Định nghĩa
Điện trường là một trường véctơ, nghĩa là mỗi điểm trong không gian được đặc trưng bởi một véctơ , sao cho khi đặt vào điểm đó một điện tích thử q thì điện tích thử này sẽ bị tác dụng một lực tĩnh điện:
Điện trường của điện tích điểm
Cho điện tích Q đặt tại vị trí R, hãy xác định điện trường tạo ra trong không gian chung quanh điện tích điểm này?
Điện trường của một số hệ
Điện trường của một số hệ
Electric field surrounding a glucose and a water molecule. The small cones represent the field vectors on the points of a Cartesian grid. The cone sizes illustrate the magnitude of the field, their orientations indicate the field direction. The cones change interactively while moving one of the two molecules.
Nguyên lý chồng chất
1.3 Nguyên lý chồng chất
Nguyên lý chồng chất
Điện trường tạo ra do vật thể mang điện có cấu trúc
O
r
M
Rk
dE
Điện trường là một dạng tồn tại vật chất
Điện tích
Điện tích
Điện trường
Điện trường là một dạng của vật chất
khi ta đặt một điện tích thử vào điện trường, sẽ có một lực tác dụng lên điện tích đó hay nói khác hơn bắt đầu có quá trình trao đổi năng lượng. Điều này chứng tỏ điện trường không phải chỉ đơn thuần là khái niệm toán học thuần tuý, nó là vật chất có năng lượng, có khối lượng
Định luật Gauss cho điện trường
Định luật Gauss: Thông lượng điện trường
đi qua mặt kín tỷ lệ với điện tích chứa trong mặt kín đó.
Dạng vi phan của định luật Gauss
Bài 2
Từ Trường
Một vài hình ảnh
The magnetic field of the Earth. The Earth is like a big magnet with a North pole and a South pole that lie close to the geographic poles. The strength of the Earth`s magnetic field changes with time, These changes in strength and direction of the Earth`s magnetic field are recorded in the volcanic rocks beneath the seafloor.
Earth`s Core, Magnetic Field Changing Fast
Lực từ
Lực tác dụng giữa hai điện tích chuyển động
Dây dẫn có dòng điện tác dụng lực lên điện tích
Công thức tính lực từ
Yếu tố dòng
O
r2 –r1
r2
r1
Tương tác giữa hai điện tích
Sơ đồ tương tác
+
+
Điện tích Điện tích
chuyển động chuyển động
Lực
?????????
V1
V2
Từ trường
Thí nghiệm: Cho yếu tố dòng Idl vào vùng không gian có từ trường
Thay đổi cường độ
Các kết quả khác
Lực từ vuông góc yếu tố dòng
Tồn tại 1 phương đặc biệt (oB), nếu yếu tố dòng hướng theo phương này thì ko còn lực
Lực luôn vuông góc mp (yếu tố dòng, phương oB)
Thay đổi phương của yếu tố dòng thì lực từ tỉ lệ với sinθ
oB có chiều = yếu tố dòng X lực từ
Vectơ đặc trưng cho từ trường
Phương và chiều cua B theo phương và chiều đặc trung đã xác định
Định nghĩa
Từ trường là một trường véctơ, nghĩa là mỗi điểm trong không gian được đặc trưng bởi một véctơ , sao cho khi đặt vào điểm đó một yếu tố dòng thử thì nó sẽ bị tác dụng một lực điện:
So sánh điện trường và từ trường?
Từ trường của yếu tố dòng
Xác định từ trường do yếu tố dòng
đặt tại
Từ trường của điện tích điểm chuyển động
2.4. Nguyên lý chồng chất từ trường
2.5. Từ trường gây ra bởi một vật thể mang điện có cấu trúc
cảm ứng từ do một hệ điện tích điểm chuyển động
2.7. Định luật Gauss cho từ trường
Dạng tích phân


Dạng vi phân
Điện tích
Điện tích
Điện trường
Từ tích
Từ tích
Từ trường
Điện tích
chuyển động
Từ trường
Điện tích
chuyển động
2.6. Lực Lorentz
Lực do điện từ trường tác dụng lên điện tích điểm
Điện từ trường là một dạng vật chất
2.8.1. Năng lượng của điện từ trường



Vectơ Poynting
2.8.2. Khối lượng và xung lượng của điện từ trường
Mật độ xung lượng
Khối lượng điện từ trường
Bài 3
Các định luật cơ bản
Hệ Phương Trình Maxwell
Các nội dung chính
Định luật bảo toàn điện tích
Định luật Faraday
Định luật Ampere
Định luật bảo toàn năng lượng
Hệ phương trình Maxwell
Phương trình liên tục
Đại lượng cộng tính, cường tính
Phương trình liên tục


(Tốc độ thay đổi mật độ theo thời gian)=(dòng dịch chuyển ở ngoài vào hệ) +(tốc độ sinh ra mật độ vật chất bên trong hệ)
Định luật bảo toàn điện tích

Định luật Faraday
Định luật Ampere
Giả sử trong không gian ta có một từ trường. Chọn một đường kín L bất kỳ, lưu thông của từ trường dọc theo chu tuyến L tỷ lệ với tổng dòng điện chạy qua mặt S giới hạn bởi L:
Ví dụ
Dùng định luật Ampare để tính từ trường do một dòng điện thẳng dài tạo ra.
Định luật Ampere tổng quát
Dòng dừng
Dòng biến thiênMật độ biến thiênĐiện trường biến thiênTừ trường
Hệ phương trình Maxwell
Hệ phương trình Maxwell
Định luật bảo toàn năng lượng
Bài 4
ĐIỆN TỪ TRƯỜNG
TRONG MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT
NỘI DUNG CHÍNH
Vi mô & vĩ mô
Điện tích tự do, điện tích liên kết
Sự phân cự điện – vectơ phân cực điện
Dòng điện trong môi trường
Sự nhiễm từ - vectơ nhiễm từ
Vectơ cảm ứng điện
Vectơ cường độ từ


Vi mô và vĩ mô
Phép lấy trung bình
Điện tích tự do, điện tích liên kết

Điện tích tự do: di chuyển xa
Điện tích liên kết: di chuyển trong phạm vi nguyên tử phân tử
Khi trung hòa và E=0
Khi có E:
Vectơ phân cực điện
+q
-q
d
Tổng quát
Xét hình hộp vi cấp




Đáy

Đỉnh
Tổng điện tích
Trong trường hợp 3D
Phương trình Maxwell
Vectơ cảm ứng điện
Mục đích định nghĩa: viết pt maxwell về dạng quen thuộc
Môi trường đồng nhất và đẳng hướng, E nhỏ
Chú ý
Nếu môi trường không đẳng hướng
Với trường hợp điện trường mạnh ta không thể bỏ qua các phụ thuộc của véc-tơ phân cực vào bậc cao của điện trường. Lúc đó không còn sự phụ thuộc tuyến tính và nói chung lý thuyết về điện môi như ta xây dựng bên trên không còn đúng nữa.
Chứng minh
Dòng điện trong môi trường
Chỉ có điện trường, định luật Ohm dạng vi phân

Tổng quát: có điện trường, từ trường



Vectơ cực: đổi dấu qua phép nghịch đảo không gian
Đối với số hạng thứ 3
E, B biến đổi chậm theo thời gian
Sự nhiễm từ - vectơ nhiễm từ
Moment lưỡng cực từ
Chứng minh
Vectơ cường độ từ trường
Điện từ trường yếu và biến đổi chậm
môi trường đồng nhất đẳng hướng
Các điều kiện biên
Điều kiện của
Điều kiện của
Điều kiện của
Điều kiện của
Điều kiện cho
Điều kiện cho
Điều kiện cho
Điều kiện cho
Hệ pt Maxwell trong môi trường
Hai hướng tiếp cận
Lực
Gia tốc
Vận tốc
Năng lượng
Động năng
Thế năng
Động lượng…
Bài toán cơ
Điện
từ trường
Bài tiếp theo
Thế vô hướng
Thế vectơ
Trường tĩnh
Thế vô hướng
Xét môi trường chỉ có phân bố điện tích không thay đổi theo thời gian.
Phương trình Maxwell
Có thể mô tả điện trường bằng một trường vô hướng
Phương trình Poisson

Thế vô hướng tĩnh điện
Bài toán 1
Cho phân bố điện tích trong không gian với mật độ . Hãy tìm dạng tường minh của thế vô hướng .
Bài toán 2
Ý nghĩa vật lý của đại lượng thế vô hướng? Vì sao trong công thức ta cho dấu trừ vào?
Bài toán 3
Chứng minh rằng trường tĩnh điện là trường thế.
Thế vectơ
Thế vectơ
Điều kiện định cỡ
Vì
Bài toán 1
Tìm thế vectơ do phân bố dòng tạo ra
Bài 2
Tìm thế vectơ do dòng điện thẳng dài 2L có cường độ I sinh ra tại một điểm trên mp trung trực
Bài 3
Thế vectơ và từ trường của dòng điện hình trụ?????
Phương trình Poisson
Năng lượng

Hạt trong điện trường


Hạt trong từ trường


Hạt trong điện từ trường
Điện từ trường có tồn tại độc lập hay không? (điện từ trường có tồn tại khi không có phân bố điện tích, không có dòng?)
???
Các minh chứng thực tế
Sóng điện từ tự do
Thiên hà andromeda cách TĐ 2t y as
Giải Nobel Vật lý 2006: Vật đen và sự bất đẳng hướng của bức xạ nền vũ trụ

Hệ phương trình Maxwell
????
Tìm các phương trình độc lập cho E,B?
Xét một thành phần bất ki
Sóng phẳng – sóng phẳng đơn sắc
Xét trường hợp 1 chiều:




Đổi biến
Ý nghĩa
Sóng truyền tới
Sóng truyền ngược lại
Mối quan hệ các vectơ điện từ
Xét sóng điện từ làn truyền theo phương ox
là phương truyền sóng
Tìm phương của các vectơ điện từ
Phương của H
Kết luận
tạo thành tam diện thuận
Vài ứng dụng
Bức xạ điện từ
Phương trình Maxwell và điều kiện định cỡ
Thế vectơ, thế vô hướng
Tính không đơn trị
Điều kiện định cỡ lorenzt
PHƯƠNG TRÌNH CHO
Phương trình cho các thế
Cho thế vectơ
Bức xạ điện từ của điện tích điểm
r’
r
O
Nếu chọn góc tọa độ tại vị trí q(t) thì hàm điện thế có tính đối xứng cầu
Giải phương trình
Khi R->0
Kết luận và ý nghĩa
Thuyết tương đối hẹp
TIỂU SỬ ALBERT EINSTEIN




















Albert Einstein năm 1920
Albert Einstein ( 1879 – 1955 ) sinh ra trong gia đình Do Thái tại miền Nam nước Đức. Lúc 12 tuổi, Einstein đã bắt đầu mê môn hình học và đã ảnh hưởng quan trọng đến cuộc đời sáng tạo sau này của ông.
Tư tưởng bài trừ Do Thái đã buộc gia đình Einstein phải chuyển đến Thụy Sĩ và ông được tuyển thẳng vào trường đại học bách khoa Zurich do thành tích học tập xuất sắc.
Hè năm 1902, Einstein được nhận vào phòng sáng chế ở Bern với chức danh : giám định viên hạng ba.
Với ba bài báo vào năm 1905 đã đưa ông trở thành nhà khoa học hàng đầu thế giới và bắt đầu hai cuộc cách mạng về tư tưởng làm thay đổi
hiểu biết của chúng ta về không gian, thời gian và bản thân thực tại.
Năm 1906, Einstein bảo vệ thành công luận án tiến sĩ. Năm 1916, ông công bố thuyết tương đối rộng, năm 1921 ông nhận giải thưởng Nobel. Mùa thu 1933, Einstein sang Mỹ và làm việc ở đó đến cuối đời.



MẦM MÓNG RA ĐỜI CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐI

* LÝ THUYẾT Ê-TE CỐ ĐỊNH


Nếu ánh sáng là sóng trong một loại vật chất đàn hồi được gọi là ê-te thì vận tốc của ánh sáng đối với người ở trên tàu vũ trụ chuyển động ngược hướng ánh sáng (a) sẽ nhanh hơn vận tốc của ánh sáng đối với người trong con tàu chuyển động cùng hướng với ánh sáng (b).
Albert Michelson
Edward Morley
Thí nghiệm Michelson – Morley : (1887)
Trong giao thoa kế Michenson-Morley, ánh sáng từ nguồn sáng được tách thành hai chùm bằng một gương bán mạ. Hai chùm sáng đi theo hai hướng vuông góc với nhau sau đó lại kết hợp thành một chùm sáng sau khi đập vào gương bán mạ một lần nữa. Sự sai khác về tốc độ ánh sáng của hai chùm sáng đi theo hai hướng có thể làm cho các đỉnh sóng của chùm sáng này trùng với đáy sóng của chùm sáng kia và chúng triệt tiêu nhau.

ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG
Sơ đồ thí nghiệm được vẽ lại từ sơ đồ được in trên tạp chí Scientific American năm 1887.
Nền móng cơ bản về thuyết tương đối hẹp Einstein công bố vào tháng 6-1905 trong tập san vật lý Annalen Der Physik ở Đức.
Trong tác phẩm năm 1905, Einstein tung ra “Thuyết Tương đối đặc biệt”
* Giả thuyết thứ I là: mọi sự chuyển động đều có tính chất tương đối.
* Giả thuyết trụ cột thứ II của Einstein là: Tốc độ của ánh sáng không bị lệ thuộc vào sự chuyển động của nguồn sáng.
- Tiên đề thứ nhất : Các định luật vật lý đều được phát biểu như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính, hay về mặt toán học, các phương trình mô tả các định luật tự nhiên đều có dạng như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính.
- Tiên đề thứ hai : Tốc độ ánh sáng trong chân không là một hằng số trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính, hay phát biểu rõ hơn, tốc độ ánh sáng về mọi hướng đều bằng nhau và không phụ thuộc vào vận tốc của nguồn sáng.
Thuyết tương đối hẹp gắn liền với tên tuổi của Einstein, tuy nhiên chúng ta cần nhắc đến công lao của các nhà khoa học khác đã chuẩn bị mảnh đất cho sự nảy mầm của thuyết tương đối hẹp.
1. Hendrik Antoon Lorentz : ( 1853 – 1928 ) nhà vật lý lí thuyết người Hà Lan.
- Lorentz cũng đi theo giả thuyết về sự tồn tại của một chất ê-te bất động. Để giải thích kết quả thí nghiệm của Michelson – Morley, ông đã nêu lên giả thiết về sự co kích thước của các vật chuyển động trong chất ê-te.

- Lorentz cũng nêu lên rằng : Khi một vật hình cầu chuyển động trong ê-te , thì nó bị nén thành một hình elipxoit và khối lượng của nó tăng lên.

Phép biến đổi của Lorentz đã đặt nền tảng cho lí thuyết tương đối của Einstein.
2. Henry Poincare : ( 1854 – 1912 ) nhà bác học người Pháp.
- Poincare đã xây dựng một phương pháp toán học gọi là không gian 4 chiều : 3 chiều không gian x, y, z và một chiều không gian ảo t, trong đó phép biến đổi Lorentz tương đương với một phép quay tọa độ.

- Năm 1905 ông viết: “ Việc không thể phát hiện được chuyển động tuyệt đối của Trái Đất có vẻ như là một quy luật tổng quát của thiên nhiên”.
Như vậy, Poincare đã nêu lên một số luận điểm quan trọng của thuyết tương đối.
3. Mincopxki : (1864 – 1909) nhà khoa học người Nga
Mincopxki đã tạo ra cho thuyết tương đối hẹp một cách biểu đạt cụ thể và hữu hiệu qua “hình học 4 chiều” . Theo quan điểm hình học của mình, ông đã giải thích rõ ràng động lực học của thuyết tương đối hẹp và chỉ ra sự thống nhất của không-thời gian.
Lightcone diagram showing the worldline of a moving observer
“ PHƯƠNG TRÌNH CỦA CHÚA “
Có lẽ đây là phương trình vật lý duy nhất mà chúng ta có thể thấy trên đường phố
Bức thư tiên đoán của Einstein gửi tổng thống Roos- evelt năm 1939
“Trong thời gian bốn tháng qua, thông qua các công trình của Joliot ở Pháp cũng như Fermi và Szilard ở Hoa Kỳ, chúng ta có thể xây dựng một phản ứng hạt nhân với một khối lượng lớn Uranium, nhờ đó mà sinh ra một nguồn năng lượng lớn. Bây giờ, chúng ta có thể làm điều này trong một tương lai gần.
Mặc dù chưa chắc chắn, nhưng hiện tượng mới này có khả năng dẫn đến việc tạo ra các quả bom có sức công phá cực lớn.”









Thử nghiệm về bom nguyên tử trong dự án Manhattan
SO SÁNH QUAN ĐIỂM NEWTON VÀ EINSTEIN
KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN
VŨ TRỤ
KHÔNG GIAN – THỜI GIAN Newton
Thời gian tuyệt đối: là sự lâu dài thuần túy, là cái trống rỗng để chứa các biến cố, không phải là vật chất.Nó vốn có sẵn từ xưa và tiếp tục tồn tại mãi mãi không thay đổi.
Không gian tuyệt đối:là cái trống rỗng để chứa mọi vật, nó không phải là vật chất,nó có sẵn từ xưa và tồn tại mãi mãi không thay đổi.Không gian tuyệt đối có 3 chiều liên tục đồng nhất đẳng hướng và không chuyển động.
Trước đây, quan niệm không và thời gian là cái “sân khấu” để vật chất trình diễn trên đó.
Nay,chính không và thời gian tham gia trực tiếp vào màn trình diễn đó.
Không thời gian Enstein
Không gian và thời gian là tương đối
Không gian và thời gian gắn liền với nhau
Khôn thời gian không chỉ còn là “sân khấu”, mà còn tham gian vào các vận động của vật chất.
KHÔNG GIAN- THỜI GIAN
KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN
VŨ TRỤ
Vũ trụ
Newton: vô thủy vô chung, không bắt đầu không kết thúc
Enstein: vũ trụ luôn thay đổi, có bắt đầu, có thể kết thúc và bắt đầu lại
Các cơ sở
Nguyên lý tương đối Galileo
Tính bất biến của khoảng cách
Phép cộng vận tốc
Nguyên lý tương đối Enstein
Tiên đề 1: các định luật vật lý (tự nhiên) đều được phát biểu như nhau trong mọi hệ qui chiếu quán tính hay về mặt toán học, các phương trình mô tả các định luật tự nhiên đều có dạng như nhau trong mọi hệ qui chiếu quán tính
Nguyên lý tương đối Enstein
Tiên đề 2: tốc độ ánh sáng trong chân không là một hằng số trong tất cả các hệ qui chiếu quán tính hay tốc độ ánh sáng về mọi hướng đều bằng nhau và không phụ thuộc vào vận tốc nguồn
Khoảng 4 chiều – tính bất biến của khoảng
Chứng minh khoảng 4D bất biến
Các trường hợp đặc biệt
Khoảng giống thời gian
Khoảng giống không gian
Nguyên lý nhân quả, nón ánh sáng
Phép biến đổi Lorentz