Sự khác biệt giữa cực từ đơn và cực điện đơn về các trường của chúng là gì?

Sự Khác Biệt Giữa Cực Từ Đơn Vị và Cực Điện Đơn Vị về Mặt Trường

Cực từ đơn vị và cực điện đơn vị là hai khái niệm quan trọng trong điện từ học, và chúng thể hiện sự khác biệt đáng kể về đặc tính và hành vi của trường. Dưới đây là so sánh chi tiết giữa hai loại cực đơn vị này về mặt trường:

1. Định nghĩa và Bối cảnh Vật lý

Cực Điện Đơn Vị: Cực điện đơn vị đề cập đến một điểm điện tích cô lập, có thể là dương hoặc âm. Theo định luật Coulomb, trường điện do cực điện đơn vị tạo ra giảm theo bình phương của khoảng cách (1/r2) và hướng ra ngoài (hoặc vào trong) từ điện tích.

Cực Từ Đơn Vị: Cực từ đơn vị là một điện tích từ giả thuyết cô lập, tương tự như khái niệm cực điện đơn vị. Tuy nhiên, cực từ đơn vị chưa được quan sát thấy trong tự nhiên. Hiện tượng từ trường hiện tại đều do các cặp cực (một cặp cực bắc và nam). Nếu cực từ đơn vị tồn tại, chúng sẽ tạo ra một trường từ tương tự như cực điện đơn vị, nhưng điều này vẫn là một giả định lý thuyết.

2. Hành vi Trường

Cực Điện Đơn Vị

Phân bố Trường Điện: Trường điện E do cực điện đơn vị tạo ra là đối xứng cầu và tuân theo định luật Coulomb:

trong đó $\mathrm{<br>}$q là điện tích, ϵ0 là độ thấm điện của không gian, $\mathrm{<br>}$r là khoảng cách từ điện tích đến điểm quan sát, và r^ là vectơ đơn vị theo hướng kính.

• Phân bố Thế Điện: Thế điện   $\mathrm{<br>\; }$V của cực điện đơn vị giảm tuyến tính theo khoảng cách:

Cực Từ Đơn Vị (Giả thuyết)

• Phân bố Trường Từ: Nếu cực từ đơn vị tồn tại, chúng sẽ tạo ra một trường từ đối xứng cầu tương tự   $\mathrm{<br>\; }$B, theo một dạng tương tự định luật Coulomb:

  

• trong đó   $\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">g\; là\; điện\; tích\; từ, </span>\; }$μ0 là độ thấm từ của không gian,   $\mathrm{<br>\; }$r là khoảng cách từ cực từ đơn vị đến điểm quan sát, và r^ là vectơ đơn vị theo hướng kính.

• Phân bố Thế Từ: Thế từ vô hướng   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$ϕm cũng giảm tuyến tính theo khoảng cách:

  

3. Đặc trưng Hình học của Đường Trường

• Đường Trường Điện: Đường trường điện của cực điện đơn vị phát ra từ điện tích dương (hoặc hội tụ vào điện tích âm) và kéo dài đến vô cùng. Các đường trường này phân kỳ, cho thấy trường điện phát ra ra ngoài.

• Đường Trường Từ: Đường trường từ của cực từ đơn vị cũng phát ra từ cực từ (hoặc hội tụ vào nó) và kéo dài đến vô cùng. Các đường trường này cũng phân kỳ, cho thấy trường từ phát ra ra ngoài.

4. Mở rộng Đa cực bậc cao hơn

• Điện đa cực: Ngoài cực điện đơn vị, còn có điện đa cực, như điện đôi cực, tứ cực, v.v. Một điện đôi cực bao gồm hai điện tích bằng nhau và ngược dấu, và phân bố trường điện của nó khác với cực điện đơn vị, thể hiện sự đối xứng và đặc tính suy giảm phức tạp hơn.

• Từ đa cực: Hiện tượng từ trường hiện tại chủ yếu do từ đôi cực, như nam châm thanh hoặc vòng dây dẫn. Phân bố trường từ của từ đôi cực tương tự như điện đôi cực, nhưng trong ứng dụng thực tế, chúng ta thường chỉ thảo luận về từ đôi cực mà không có đa cực từ bậc cao hơn.

5. Hiện diện trong Phương trình Maxwell

• Cực Điện Đơn Vị: Trong phương trình Maxwell, mật độ điện tích   $\mathrm{<br>\; }$ρ xuất hiện trong định luật Gauss cho điện:

• Điều này cho thấy sự tồn tại của cực điện đơn vị dẫn đến sự phân kỳ trong trường điện.

• Cực Từ Đơn Vị: Trong phương trình Maxwell chuẩn, không có mật độ điện tích từ   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$ρm, vì vậy định luật Gauss cho từ là:

Điều này ngụ ý rằng trong điện từ học cổ điển, không có cực từ đơn vị cô lập. Tuy nhiên, nếu cực từ đơn vị được giới thiệu, phương trình này sẽ trở thành:

Điều này cho phép sự tồn tại của cực từ đơn vị.

6. Hiệu ứng Lượng tử

• Cực Điện Đơn Vị: Cực điện đơn vị tồn tại trong thực tế và trường điện của chúng có thể được mô tả bằng cơ học lượng tử điện từ (QED).

• Cực Từ Đơn Vị: Mặc dù cực từ đơn vị chưa được quan sát, chúng có ý nghĩa lý thuyết quan trọng trong cơ học lượng tử. Ví dụ, Dirac đã đề xuất rằng sự tồn tại của cực từ đơn vị sẽ dẫn đến lượng tử hóa cả điện và từ lượng và ảnh hưởng đến pha của hàm sóng của các hạt mang điện.

Tóm tắt

• Cực Điện Đơn Vị: Được biết là tồn tại, tạo ra trường điện đối xứng cầu giảm theo bình phương của khoảng cách.

• Cực Từ Đơn Vị: Giả thuyết, theo lý thuyết nên tạo ra một trường từ đối xứng cầu tương tự giảm theo bình phương của khoảng cách.

Sự khác biệt chính nằm ở việc cực điện đơn vị là hiện tượng thực tế, trong khi cực từ đơn vị vẫn là một giả thuyết lý thuyết.