Điện từ trường là gì? Thuyết điện từ Maxwell (Mắc xoen)?

1. Điện từ trường là gì? 

Điện từ trường (magnetic field) là một phần không gian xung quanh một nam châm, dòng điện, hoặc bất kỳ vật thể nào có tính điện từ. Nó được tạo ra bởi sự chuyển động của điện tích, điện dòng, hoặc cả hai. Điện từ trường là một trường vector, có hướng và mức độ cường độ khác nhau tại các điểm trong không gian.

Một trong những đặc điểm quan trọng của điện từ trường là khả năng tương tác với các nam châm khác, các dòng điện khác, và các vật thể mang điện tích. Điện từ trường là một yếu tố quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghệ và khoa học, bao gồm trong các máy phát điện, máy biến áp, động cơ điện, và nhiều thiết bị điện tử khác.

Mối quan hệ giữa điện trường và từ trường:

Khi có sự biến thiên của từ trường, nó sẽ tạo ra một điện trường xoáy, trong đó đường sức của điện trường sẽ là những đường cong khép kín. Điện trường xoáy là một loại điện trường mà các đường sức điện từ tạo thành các vòng tròn hoặc các đường cong khép kín.

Nếu tại một điểm nào đó có một từ trường biến thiên theo thời gian, thì tại điểm đó sẽ xuất hiện một điện trường xoáy. Điện trường xoáy này có đặc điểm là các đường sức điện từ tạo thành các đường cong khép kín và luôn luân phiên hoặc thay đổi theo thời gian.

Tương tự, khi có sự biến thiên của điện trường, nó sẽ tạo ra một từ trường xoáy. Từ trường này cũng có đặc điểm là các đường sức từ tạo thành các vòng tròn hoặc các đường cong khép kín và luôn luân phiên hoặc thay đổi theo thời gian.

Mạch dao động LC lý tưởng cũng là một ví dụ, trong đó sự biến thiên của điện trường trong tụ điện sẽ tạo ra một từ trường xoáy và ngược lại. Điều này cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa điện trường và từ trường trong các hiện tượng điện từ và từ điện.

2. Thuyết điện từ Maxwell (Mắc xoen):

Thuyết điện từ Maxwell, còn được gọi là phương trình Maxwell hoặc đại lượng Maxwell, là một bộ phương trình trong lĩnh vực vật lý định lý sự tương tác của các trường điện và từ trường trong điện từ và từ điện. Thuyết này là một phần quan trọng của lý thuyết cổ điển về điện từ và từ điện và đã mở ra cánh cửa cho sự hiểu biết sâu hơn về các hiện tượng điện từ và từ điện.

Thuyết điện từ Maxwell bao gồm bốn phương trình cơ bản, được sáng tạo bởi James Clerk Maxwell vào cuối thế kỷ 19. Những phương trình này là:

– Phương trình Gauss cho điện trường: ∇·E = ρ/ε₀

– Phương trình Gauss cho từ trường: ∇·B = 0

– Phương trình Maxwell cho đường cong của điện trường: ∇×E = -∂B/∂t

– Phương trình Maxwell cho đường cong của từ trường (bao gồm dòng điện và cảm ứng từ): ∇×B = μ₀J + μ₀ε₀∂E/∂t

Trong đó:

E là điện trường.

B là từ trường.

ρ là mật độ điện tích.

J là mật độ dòng điện.

ε₀ là điện dung của không khí (hoặc chất điện tử trong chân không).

μ₀ là độ nhớt từ trường của chân không.

∇· là toán tử gradient.

∇× là toán tử curl.

∂/∂t là đạo hàm theo thời gian.

Các phương trình Maxwell mô tả mối quan hệ giữa điện trường và từ trường, và chúng đã chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ và từ điện, hay còn gọi là sóng Maxwell. Sự kết hợp của các phương trình này đã giúp Maxwell dự đoán sự tồn tại và tính chất của sóng điện từ trước khi chúng được phát hiện thực tế bởi Heinrich Hertz.

Thuyết điện từ Maxwell là một trong những thành tựu quan trọng nhất của vật lý cổ điển và là nền tảng cho sự phát triển của vật lý hiện đại, bao gồm cả lĩnh vực vật lý lý thuyết và ứng dụng trong điện tử và viễn thông.

3. Các nguồn điển hình của điện từ trường:

Có nhiều nguồn điển hình của từ trường trong thực tế, và chúng ta có thể chia thành ba loại chính như sau:

– Trường từ trường tự nhiên:

Trường từ trường Trái Đất: Trái Đất sản sinh một từ trường mạnh và định hướng từ Bắc cực đến Nam cực. Nó bảo vệ hành tinh khỏi bức xạ mặt trời và có vai trò quan trọng trong định hướng của la bàn và định vị địa lý.

Sấm chớp: Trong quá trình sấm chớp, sự tương tác giữa các hạt trong mây tạo ra từ trường, gọi là từ trường sấm chớp. Đây là một ví dụ về trường từ trường tự nhiên mạnh và ngắn hạn.

– Trường từ trường trong con người:

Trường từ trường não: Cơ thể con người sản xuất trường từ trường nhờ hoạt động của hệ thần kinh và não bộ. Điện tín hiệu trong não tạo ra trường từ trường yếu nhưng quan trọng trong việc nghiên cứu não học và hình ảnh học não.

Trường từ trường tim: Hoạt động điện của tim cũng tạo ra trường từ trường nhỏ, được sử dụng trong y học để theo dõi và chẩn đoán về sức khỏe tim mạch.

– Trường từ trường nhân tạo:

Trường từ trường điện: Trong quá trình sản xuất, truyền tải và sử dụng điện năng, người ta tạo ra trường từ trường tại các thiết bị như biến áp, động cơ, và dây dẫn điện. Đây là loại từ trường mạnh nhất và thường được kiểm soát và đo lường trong công nghiệp và hệ thống điện.

Trường từ trường từ thiết bị điện tử: Các thiết bị điện tử như máy tính, điện thoại di động, và loa cũng tạo ra trường từ trường nhỏ trong quá trình hoạt động của chúng. Điều này có thể ảnh hưởng đến các thiết bị gần nhau và cần được xem xét trong thiết kế và sử dụng các thiết bị điện tử.

Những trường từ trường này có sự tương tác với môi trường xung quanh và có ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh của cuộc sống và nghiên cứu khoa học.

4. Tác dụng và tác hại của điện từ trường:

4.1. Tác dụng của từ trường:

Tác dụng của điện từ trường rất đa dạng và có ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh trong cuộc sống và nghiên cứu khoa học. Dưới đây là một số tác dụng quan trọng của điện từ trường:

– Ứng dụng trong công nghiệp và công nghệ:

Máy phát điện và biến áp: Điện từ trường chính là nguyên lý hoạt động của máy phát điện và biến áp, giúp chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng từ trường và ngược lại.

Magnetic Resonance Imaging (MRI): Các máy MRI sử dụng trường từ trường mạnh để tạo hình ảnh cơ thể bên trong và được sử dụng rộng rãi trong y học để chẩn đoán và theo dõi bệnh lý.

– Tác động lên vật chất:

Tạo ra lực: Điện từ trường có thể tạo ra lực hoặc nén, kéo giãn các vật chất từ sắt đến magiê và ngược lại, làm cho chúng hữu ích trong các thiết bị như máy bơm, động cơ điện.

Ảnh hưởng đến tương tác giữa các hạt điện tích: Điện từ trường có tác động lên các hạt điện tích như electron, proton, tạo ra các hiện tượng như tạo ra dòng điện, phát ra ánh sáng và nhiệt.

– Tác động đối với con người:

Tác động lên hệ thần kinh và não bộ: Trường từ trường do hoạt động điện của não bộ và hệ thần kinh con người có tác dụng trong nghiên cứu về não học và hình ảnh học não.

Tác động đối với sức khỏe: Một số tia từ trường tần số thấp có thể tạo ra trường từ trường và dòng điện trong cơ thể con người, có tiềm năng gây ra các tác động xấu đối với sức khỏe.

– Ứng dụng trong việc tạo ra năng lượng và truyền tải thông tin: Điện từ trường đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra điện năng và truyền tải thông tin, đảm bảo rằng điện năng được tạo ra, chuyển đổi và truyền tải hiệu quả và an toàn.

– Sử dụng trong thiết bị điện tử và viễn thông: Trường từ trường có ảnh hưởng đến thiết bị điện tử như máy tính, điện thoại di động, và được sử dụng trong viễn thông để truyền tải tín hiệu âm thanh và hình ảnh.

4.2. Tác hại của điện từ trường:

Tác hại của điện từ trường có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường, tùy thuộc vào cường độ, tần số và thời gian tiếp xúc. Dưới đây là một số tác hại của điện từ trường:

– Tác hại cho sức khỏe con người:

Tác động lên hệ thần kinh và não bộ: Trường từ trường có thể tác động lên hệ thần kinh và não bộ của con người, gây ra mệt mỏi, đau đầu, căng thẳng, và khó ngủ.

Tác động đối với cơ thể: Các trường từ trường mạnh có thể tạo ra dòng điện trong cơ thể con người, có thể gây ra sự kích thích cơ bắp, ảnh hưởng đến tim mạch và hệ tiêu hóa.

– Tác hại đối với tế bào và mô sinh học:

Tác động lên tế bào và mô sinh học: Trường từ trường có thể gây ra sự nóng lên và tác động đối với cấu trúc tế bào và mô sinh học. Điều này có thể gây ra các biến đổi và tổn thương tế bào, ảnh hưởng đến sức kháng của cơ thể và có tiềm năng gây ra các vấn đề về sức khỏe.

– Tác hại đối với môi trường:

Ảnh hưởng đến động thực vật: Các trường từ trường mạnh có thể ảnh hưởng đến hành vi và sự phát triển của các loài động thực vật, ảnh hưởng đến chu kỳ thụ phấn và sinh sản của chúng.

Ảnh hưởng đến hệ sinh thái: Trường từ trường có thể gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái bằng cách thay đổi hành vi và sinh trưởng của các loài trong môi trường, ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn và cân bằng sinh thái tự nhiên.

– Tác hại trong công nghiệp và công nghệ:

Gây ra sự cản trở trong thiết bị điện tử: Cường độ cao của trường từ trường có thể gây ra sự cản trở và nhiễu trong thiết bị điện tử và viễn thông, gây ra sự cố và giảm hiệu suất làm việc của các thiết bị.

– Ảnh hưởng đối với sức kháng của cơ thể: Trường từ trường có thể ảnh hưởng đến hệ miễn dịch của cơ thể con người, làm yếu hệ thống miễn dịch và làm cho cơ thể dễ bị các bệnh nhiễm trùng và bệnh lý khác.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tác động của điện từ trường phụ thuộc vào cường độ, tần số và thời gian tiếp xúc. Các tiêu chuẩn an toàn và quy định đã được thiết lập để bảo vệ sức khỏe con người và môi trường khỏi tác động có hại của điện từ trường.