ly thuyet truong dien tu 5658

Lý thuyết trường điên tử Chương 1: Một số khái niệm 1.1 Định nghĩa “Trường điện từ” Lý thuyết Trường điện từ ngành vật lý nghiên cứu tượng điện từ tổng thể chúng Trường điện từ Trường điện từ sinh hạt mang điện chuyển động chúng Trường điện từ sinh sau đến lượt lại tương tác với hạt mang điện Trường điện từ định nghĩa sau: Trường điện từ dạng vật chất bản, chuyển động với vận tốc c hệ quy chiếu qn tính chân khơng Nó thể tồn vận động qua tương tác với dạng vật chất khác hạt môi trường chất mang điện 1.2 Sơ lược “Lý thuyết Trường điện từ” Lý thuyết Trường điện từ nhà bác học James Maxwell tổng hợp từ lý thuyết tồn trước lý thuyết điện trường tĩnh, lý thuyết điện động học, lý thuyết từ trường tĩnh Lý thuyết tổng hợp nghiên cứu đề liên quan đến hạt mang điện, dịng điện, nam châm, sóng điện từ (ánh sáng, sóng vơ tuyến, ) Khái niệm lý thuyết Trường điện từ Trường điện từ Lý thuyết nghiên cứu tượng điện từ đây: • điện trường tĩnh sinh hạt mang điện đứng yên; • từ trường tĩnh sinh dịng điện khơng đổi; • từ động tượng từ sinh dịng điện biến đổi theo thời gian; • điện động liên quan đến tương tác động học dịng điện; • vơ tuyến điện liên quan đến tượng truyền sóng điện từ Chương - Trang 1.3 Các biến trạng thái trường điện từ Theo định nghĩa chung, biến trạng thái hệ biến định nghĩa để trực tiếp hay gián tiếp đo, biểu diễn trạng thái trình động lực học hệ, đo, biểu diễn lực tương tác hệ Đối với trường điện từ, có hai biến trạng → → thái véctơ cường độ điện trường E véctơ cường độ từ cảm B Chúng đo lực tác động lực trường điện từ môi trường chất → 1.3.1 Véctơ cường độ điện trường E Biến trạng thái đại diện cho mặt điện trường trường điện từ Trong mơi trường có hệ số điện mơi ε, điện tích điểm Q gây điểm M mơi → trường điện trường có véctơ cường độ điện trường E có biểu thức sau: → E= Q → r0 4πε r (1.1) → r khoảng cách từ điện tích điểm Q đến điểm M r0 véctơ đơn vị nằm đường nối từ điện tích Q đến điểm M có chiều ln ln hướng từ từ điện tích Q đến điểm M (hình 1.1) → → Q r0 + M E r → → Q r0 E – r M Hình 1.1 Điện trường điện tích gây điểm Như véctơ cường độ điện trường điện tích dương gây ln hướng xa điện tích dương véctơ cường độ điện trường điện tích âm gây ln hướng vào → Nếu điểm M, ta đặt điện tích q điện trường E điện tích Q tác → dụng lên điện tích q lực Coulomb F tính sau: → → F = qE = Qq → r0 4πε r (1.2) Như hai điện tích trái dấu tồn lực hút hai điện tích dấu tồn lực đẩy Chương - Trang Nếu mơi trường nói trên, tồn n điện tích điểm Qi (với i = → n) véctơ → cường độ điện trường tổng E tồn điện tích gây điểm M xác định theo nguyên lý xếp chồng điện trường: → → n Qi → r0i 4πε ri n E = ∑ Ei = ∑ i =1 i =1 (1.3) → với E i véctơ cường độ điện trường điện tích Qi gây điểm M → Nếu điểm M, ta đặt điện tích q lực Coulomb tổng F điện trường → tổng E tác dụng lên điện tích q là: → → → n n F = q E = q ∑ Ei = ∑ i =1 i =1 n → Qi q → r = Fi ∑ 0i 4πε ri i =1 → (1.4) → Fi lực Coulomb điện trường E i (gây điện tích Qi) tác dụng lên điện tích q Trong hệ đơn vị SI (tức hệ MKSA), cường độ điện trường E có đơn vị V/m → 1.3.2 Véctơ từ cảm B Biến trạng thái đại diện cho mặt từ trường trường điện từ Theo vật lý cổ điển, từ trường dòng điện sinh Ở phạm vi vi mô, electron quay chung quanh hạt nhân tạo nên dòng điện, gọi dòng điện nguyên tử, tạo nên từ trường Để biểu diễn đo lực tác dụng lực từ trường, người ta định nghĩa véctơ → → từ cảm B Khi có vật có điện tích dq chuyển động với vận tốc v từ → → trường có từ cảm B từ trường tác dụng lên vật lực Lorenx từ dFm xác định sau: → → → dFm = dq( v ∧ B ) (1.5) ký hiệu ∧ dùng để biểu diễn tích hữu hướng hai véctơ Nếu đoạn dây dẫn dài dl có dịng điện i chạy qua lực Lorenx từ từ trường tác dụng lên đoạn dây dẫn là: → → → dFm = i( dl ∧ B ) (1.6) → dl véctơ có chiều chiều với dịng điện i chạy qua đoạn dây dẫn Chương - Trang Trong hệ đơn vị SI, từ cảm B có đơn vị Tesla (T) Trong hệ đơn vị CGSM, từ cảm B đo Gauss với T = 104 Gauss 1.4 Các biến khác trạng thái thông số hành vi trường môi trường Khái niệm biến trạng thái đề cập mục 1.3 bên Thông số hành vi biểu diễn tính quy luật hoạt động, hành vi thực thể trình tương tác với thực thể khác Khi không gian trường điện từ tồn mơi trường vật chất kích thích trường điện từ, mơi trường xảy tượng phân cực điện, phân cực từ hay dẫn điện (tùy theo loại môi trường) Để đo trạng thái tượng (tức đo tương tác động lực học trường điện từ môi trường) để biểu diễn phản ứng mơi trường ba mặt đó, ngồi véctơ cường độ → → điện trường E véctơ từ cảm B trường điện từ, cần định nghĩa thêm số biến trạng thái hệ trường-môi trường thông số hành vi môi trường 1.4.1 Các biến trạng thái thông số hành vi phân cực điện Trong nhiều chất điện môi hiểu mơi trường có hạt mạng → điện ràng buộc, tác dụng điện trường E , điện tử ràng buộc (liên kết) tiếp nhận lượng điện trường dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng, tâm quỹ đạo điện tử bị kéo xa nút có điện tích dương đoạn l hình thành nên lưỡng cực điện Đó tượng phân cực điện mơi Trạng thái phân cực → lưỡng cực điện đo véctơ momen điện p tính sau: → → p=ql (1.7) → với q điện tích cực lưỡng cực l véctơ có độ lớn khoảng cách l hai cực lưỡng cực (chính độ lệch tâm quỹ đạo điện tử nút có điện tích dương), có phương nằm đường nối hai cực có chiều từ tâm quỹ đạo điện tử đến nút có điện tích dương Nếu lân cận điểm mơi trường, số lưỡng cực tính trung bình cho đơn vị thể tích N trạng thái phân cực điểm đo biến trạng → thái gọi véctơ phân cực điện P : Chương - Trang khác sinh dịng điện Theo định luật bảo tồn điện tích, lượng điện tích di chuyển khỏi mặt S kín khoảng thời gian lượng điện tích suy giảm bên thể tích V chứa mặt S khoảng thời gian Giả sử lượng điện tích q phân bố bên thể tích V với mật độ điện tích khối ρ: q = ∫ ρ ⋅ dV (3.16) V Gọi ∂q lượng điện tích suy giảm bên thể tích V khoảng thời gian ∂t điện tích di chuyển khỏi mặt S tạo thành dòng điện i Ta có: ∂q i=− =− ∂t ∂( ∫ ρ ⋅ dV ) V ∂t = −∫ V ∂ρ ⋅ dV ∂t (3.17) (dấu trừ thể chiều biến thiên ngược dòng điện i suy giảm lượng điện tích bên thể tích V; điện tích di chuyển khỏi mặt S nhiều dịng điện i tăng mà lượng điện tích bên thể tích V suy giảm) → Gọi J mật độ dòng điện i chảy qua mặt S lưu ý đến định lý Ostrogradsky-Gauss, ta có: → → → i = Đ∫ J ⋅ dS = ∫ div J ⋅ dV S (3.18) V Suy phương trình Maxwell 5: → div J = − ∂ρ ∂t (3.19) Phương trình cho thấy: điện tích bên thể tích V tồn trạng thái tĩnh, không di chuyển qua mặt S mật độ điện tích khối ρ thể tích V bất → biến theo thời gian J = , tức khơng có dòng điện i chảy qua mặt S 3.2.6 Các phương trình trạng thái mơ tả hành vi mơi trường Như thấy chương 1, để đặc trưng cho hệ trường-môi trường, người ta định → → → → → nghĩa biến trạng thái E , D , B , H J Chúng liên hệ với qua Chương - Trang 16 phương trình trạng thái mơ tả hành vi mơi trường mà ta nghiên cứu chương 1: → → → → → → • Trong mơi trường điện mơi có hệ số điện mơi tuyệt đối ε: D = ε E • Trong mơi trường từ mơi cú h s t thm tuyt i l à: ã Trong mơi trường dẫn điện có điện dẫn suất σ: B=µH J =σ E Chương - Trang 17 ... chương 1: → → → → → → • Trong mơi trường điện mơi có hệ số điện mơi tuyệt đối ε: D = ε E • Trong mơi trường từ mơi có hệ số từ thẩm tuyt i l à: ã Trong mụi trng dn in có điện dẫn suất σ: B=µH J =σ... dòng điện biến đổi theo thời gian; • điện động liên quan đến tương tác động học dịng điện; • vơ tuyến điện liên quan đến tượng truyền sóng điện từ Chương - Trang 1.3 Các biến trạng thái trường... nghiên cứu đề liên quan đến hạt mang điện, dòng điện, nam châm, sóng điện từ (ánh sáng, sóng vơ tuyến, ) Khái niệm lý thuyết Trường điện từ Trường điện từ Lý thuyết nghiên cứu tượng điện từ đây: