Điện và từ tính có mối liên hệ như thế nào?

Nguyên tắc cơ bản của điện

Điện bắt nguồn từ các hạt như electron (có điện tích âm) và proton (có điện tích dương). Các điện tích trái dấu thì hút nhau (ví dụ, các proton bị hút bởi các electron), trong khi các điện tích cùng dấu đẩy nhau (ví dụ, proton này đẩy proton khác, electron này đẩy electron khác).

Khi các hạt tích điện chuyển động, nó được gọi là dòng điện. Dòng điện xảy ra khi các hạt tích điện chạy qua dây dẫn theo một hướng nhất định. Trong thực tế, điện được truyền qua dây dẫn để vận hành các thiết bị như đèn, quạt, tủ lạnh, máy tính, tivi, máy giặt,...

Các ví dụ quen thuộc về điện bao gồm nhà máy điện, trạm biến áp, ổ cắm điện, pin, tĩnh điện, sét... 

Các đơn vị điện phổ biến bao gồm ampe (A) cho dòng điện, coulomb (C) cho điện tích, volt (V) cho điện áp, ohm (Ω) cho điện trở và watt (W) cho công suất.

Nguyên tắc cơ bản của từ tính

Từ tính là một loại lực hút hoặc lực đẩy giữa các vật thể. Từ tính được tạo ra bởi các điện tích chuyển động (đặc biệt là các electron). Khoảng cách mà lực hút hoặc lực đẩy tạo ra bởi từ tính được gọi là từ trường. Hướng quay của các electron xác định hướng của từ trường.

Bất kỳ vật thể từ tính nào cũng có cực “bắc” và cực “nam”. Khi hai vật liệu từ tính được đặt gần nhau, chúng sẽ chịu một lực hút hoặc lực đẩy. Các cực giống nhau của một nam châm đẩy nhau (ví dụ, cực bắc đẩy cực bắc), trong khi các cực đối diện của nam châm thì hút nhau (cực bắc và cực nam hút nhau).

Các ví dụ quen thuộc về từ tính bao gồm phản ứng của kim la bàn với từ trường Trái đất, lực hút và lực đẩy của nam châm, từ trường xung quanh nam châm điện.

Các đơn vị chính của từ trường bao gồm tesla (T) cho mật độ từ thông, weber (Wb) cho từ thông, ampe trên mét (A/m) cho cường độ từ trường, henry (H) cho độ tự cảm.

Quan hệ điện – từ hình thành như thế nào?

Từ “điện từ” (electromagnetism) xuất phát từ sự kết hợp giữa tiếng Hy Lạp “elektron”, có nghĩa là hổ phách và “magnetis lithos”, có nghĩa là đá magnesian, một loại quặng sắt từ tính. Người Hy Lạp cổ đại đã quen thuộc với điện và từ nhưng coi chúng là hai hiện tượng riêng biệt. Ban đầu các nhà khoa học cũng tin rằng điện và từ là hai lực riêng biệt.

Năm 1820, Hans Christian Oersted (1777 – 1851), nhà khoa học người Đan Mạch đã phát hiện một điều đáng ngạc nhiên, khi ông bật viên pin có dòng điện chạy qua, kim la bàn di chuyển ra xa điểm phía bắc. Sau thí nghiệm này, ông kết luận dòng điện tác dụng lên kim la bàn và tạo ra từ trường. Ông là nhà khoa học đầu tiên tìm ra mối liên hệ giữa điện và từ.

Năm 1831, nhà khoa học người Anh Michael Faraday (1791 – 1867) đã nghiên cứu tác dụng của dòng điện lên nam châm, phát hiện ra rằng từ trường được tạo ra xung quanh một dây dẫn mang dòng điện, từ đó tạo cơ sở cho khái niệm trường điện từ. Faraday cũng khám phá ra các nguyên lý cảm ứng điện từ, nghịch từ.

Tuy nhiên, mối quan hệ điện - từ vẫn chưa được mô tả cụ thể cho đến khi James Clerk Maxwell (1831 – 1879), nhà vật lý và toán học người Scotland, xuất bản cuốn Lý thuyết về điện và từ vào năm 1873. Maxwell tóm tắt và tổng hợp những khám phá của Coloumb, Oersted, Ampere, Faraday thành các phương trình toán học nổi tiếng. Các phương trình Maxwell ngày nay được sử dụng làm cơ sở của lý thuyết điện từ. Maxwell cũng dự đoán mối liên hệ giữa điện và từ trường, dẫn đến dự đoán về sóng điện từ.

Năm 1885, nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz (1857 – 1894) đã chứng minh lý thuyết sóng điện từ của Maxwell là đúng. Trong quá trình đó, Hertz đã tạo ra và phát hiện sóng điện từ. Việc phát hiện ra sóng điện từ đã dẫn đến sự phát triển của radio, truyền hình, thông tin di động... Đơn vị tần số của sóng đo bằng chu kỳ trên giây được đặt tên là "hertz" để vinh danh ông.

Các thí nghiệm, nghiên cứu của các nhà khoa học đã chứng minh một cách khoa học về điện và từ, hai hiện tượng này có mối quan hệ với nhau. Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra một từ trường ở bên ngoài dây. Hướng của từ trường phụ thuộc vào hướng của dòng điện. Theo cách tương tự, từ trường thay đổi có thể khiến các hạt tích điện chuyển động, tạo ra dòng điện trong dây dẫn.

Cùng với lực hấp dẫn, lực điện từ gần như giải thích mọi hiện tượng xảy ra trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta.