Tại sao các điện tích chuyển động lại tạo ra từ trường? Đó là một câu hỏi rất cơ bản. Nó được mô tả bởi các phương trình Maxwell và định luật lực Lorentz để tạo thành nền tảng của điện từ học cổ điển.
Có một số lý do bạn có thể đưa ra cho điều này, nhưng bạn phải chấp nhận rằng lực điện từ là một phần cơ bản của tự nhiên, đó chỉ là cách nó hoạt động. Đó cũng chính là lực điện từ là cơ bản, chứ không phải lực điện hay lực từ. Khi bạn đưa thuyết tương đối vào, chúng bắt đầu trông giống nhau hơn.
Lực Lorentz được cho bởi:
F = qE + qv x B
Một điện tích q chuyển động trong từ trường B sẽ cảm nhận một lực F và bị đẩy ra. Điều này hoàn toàn hợp lý. Tuy nhiên, nếu bạn xem xét cùng một kịch bản nhưng từ hệ quy chiếu của điện tích, nó không chuyển động. Có một từ trường, nhưng nếu nó đứng yên v = 0 và sẽ không có lực, và nó sẽ không bị đẩy ra.
Thuyết tương đối hẹp nói rằng các định luật vật lý phải hoạt động giống nhau trong tất cả các hệ quy chiếu không có gia tốc. Điện tích không thể bị đẩy ra bởi từ trường…và không bị đẩy ra tùy thuộc vào hệ quy chiếu. Nguyên nhân của lực có thể là tương đối, có thể có hai lời giải thích khác nhau tùy thuộc vào hệ quy chiếu, miễn là kết quả cuối cùng là giống nhau.
Để giải thích những gì điện tích nhìn thấy, bạn phải xem xét nguồn của từ trường. Giả sử từ trường được tạo ra bởi các electron đi xung quanh trong một vòng dây. Trong dây kim loại có số lượng proton và electron bằng nhau, vì vậy điện tích tổng cộng là bằng không và không có điện trường. Tuy nhiên, đối với điện tích chuyển động bên ngoài, các electron đang chuyển động với tốc độ khác với proton, vì vậy thuyết tương đối hẹp nói rằng chúng sẽ trải nghiệm độ co chiều dài khác nhau,
L = L_0 * Sqrt (1 – v2 /c2)
Nếu điện tích đang chuyển động theo hướng của các electron, thì vận tốc tương đối của chúng sẽ khá giống nhau và các electron sẽ không trải nghiệm độ co chiều dài nhiều như proton. Theo điện tích chuyển động, khoảng cách giữa các proton đã bị co lại và mật độ proton bây giờ cao hơn electron, có nghĩa là có một điện trường dương ròng đẩy điện tích dương ra xa. Nếu các electron trong dây đang chuyển động theo hướng ngược lại, chúng sẽ có vận tốc lớn hơn, trải nghiệm độ co chiều dài cao hơn và sẽ có một điện trường âm ròng, thu hút điện tích dương.
Cùng một điều xảy ra trong hệ quy chiếu của người quan sát, chỉ khi bạn đổi chiều dòng điện trong dây thì từ trường đảo ngược, gây ra sự hút thay vì đẩy điện tích. Theo người quan sát vẫn không có điện trường.
Vì vậy, lực điện và lực từ thực sự chỉ là cùng một lực điện từ.
Với điều này, bạn có thể bắt đầu thấy tại sao tốc độ ánh sáng cũng xuất hiện trong các phương trình khắp nơi trong Điện từ học. Lực Coulomb được cho bởi
-
F = k_e * q1 * q2 / r2
-
Hằng số Coulomb k_e được cho bởi k_e = 1 /(4π ε_0)
-
Hằng số điện ε_0 được định nghĩa bởi ε_0 = 1 / (c2 µ_0).
-
Hằng số từ μ_0 = 2 α / e2 * (h /c).
-
Hằng số cấu trúc tinh tế α là một hằng số vật lý cơ bản định lượng cường độ của tương tác điện từ.