Bài giảng vật lý đại cương 2 chương 7 pgs ts nguyễn thành vấn

.c om an co ng CHƯƠNG cu u du o ng th TRƯỜNG ĐIỆN TỪ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.1 LUẬN ĐIỂM THỨ NHẤT CỦA MAXWELL c om 7.1.1 Điện trường xoáy cu u du o ng th an co ng - Theo thí nghiệm Faraday tượng cảm ứng điện từ - Từ đó, ta rút nhận xét: + Từ trường biến đổi làm xuất vòng dây lực lạ tác dụng lên hạt mang điện có vịng dây  + Dịng điện cảm ứng điện trường E B tạo dây dẫn Chiều điện trường dây dẫn chiều dòng điện cảm ứng + Để tạo thành dịng điện cơng điện trường để dịch chuyển hạt tải điện theo đường cong kín phải khác khơng, điều có nghĩa sức điện động cảm ứng εc lưu số vectơ cường độ điện trường E B dọc theo vòng dây kín ( C )    C   E B d  C + Điện trường gây nên dịng điện cảm ứng có đường sức khép kín điện trường xốy CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om 7.1.2 Phát biểu luận điểm du o ng th an co ng Sự xuất điện trường xoáy mạch không phụ thuộc chất, trạng thái, nhiệt độ dây dẫn  Sự xuất điện trường xoáy từ trường biến thiên theo thời gian gây u Luận điểm thứ Maxwell: cu “Bất kì từ trường biến thiên theo thời gian sinh điện trường xoáy” CuuDuongThanCong.com Jame Clerk Maxwell (1831 - 1879) https://fb.com/tailieudientucntt 7.1.3 Phương trình Maxwell - Faraday Xét vịng dây kín (C) từ trường biến thiên theo thời gian Theo định luật tượng cảm ứng điện từ, mạch xuất sức điện động cảm ứng xác định từ th an co ng d m d c      B.dS dt dt S   d   C E B d    dt S B.dS c om - ng - Trong trường hợp tổng quát vectơ B vừa hàm số thời gian vừa hàm số không gian nên: cu u du o    B  C E B d   S t dS Lưu số vectơ cường độ điện trường xoáy dọc theo vịng dây kín giá trị tuyệt đối, trái dấu với tốc độ biến thiên theo thời gian từ thơng gửi qua diện tích giới hạn đường cong CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt -     Sử dụng công thức Stokes [  A.d      A dS  C  (0.20) ] vế trái S phương trình, ta đưa phương trình đến dạng : Vòng dây bao quanh mặt S vòng dây bất kỳ, muốn cho phương trình với vịng dây biểu thức dấu tích phân phải nhau: co - ng c om B S (  E B ).dS   S t dS du o Chính Maxwell cho từ trường biến thiên theo thời gian tạo nên điện trường xốy khơng gian khơng phụ thuộc vào có mặt vịng dây Sự có mặt vịng dây phương tiện để ta lấy điện trường xốy mà Theo luận điểm Maxwell: Từ trường biến thiên gây nên xuất điện trường điện trường khác với điện trường tĩnh (do hạt điện tích đứng yên gây ra) Như ta biết: lưu số trường tĩnh điện theo vòng dây kín ln khơng nên rot phải ln không cu u - ng th an   B   EB   t - CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt   - Vậy điện trường trường E q trường xoáy E B c om Trong trường hợp tổng quát điện trường gồm điện trường điện trường xốy  từ về sau nói đến điện trường E ta hiểu E  E q  E B , ta ln có: th an co ng    B  (dạng tích phân) E d    d S C S t (dạng vi phân) du o ng B E   t cu u Là phương trình Maxwell- Faraday (dạng tích phân vi phân) - Sự tồn mối tương quan điện trường từ trường nguyên nhân việc khảo sát điện trường, từ trường riêng biệt có giá trị tương đối CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.2 LUẬN ĐIỂM THỨ HAI CỦA MAXWELL 7.2.1 Dòng điện dịch: ng d i j D - jd + + d j V u du o V ng th i j an j + -  jd  co + D c om a) Khái niệm: cu Vì cấp điện xoay chiều nên điện tích hai thay đổi theo thời gian, tạo điện trường hai tụ thay đổi theo thời gian, có tác dụng dịng điện, gọi dịng điện dịch CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om Giải thích: Trong ½ chu kỳ, điện trường E có chiều hình vẽ có giá trị:  q E   q  So E o So co ng Tốc độ biến thiên điện tích q theo thời gian dịng điện dịch Id chạy vùng khơng gian hai tụ: D D dq dE  + + Id   So jd jd +  + dt dt j j j j an i d i ng th Khi đó, mật độ dịng điện dịch: I dE dD V jd  d  o  S dt dt Trong trường hợp tổng quát, ta có: D  D(x, y, z, t) d cu u du o V D jd  t Dòng điện dịch chân không, không liên quan đến dịch chuyển loại hạt vật chất Theo Maxwell điên trường biến đổi theo thời gian chân không sinh từ trường CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ng th an co ng c om - Dòng điện dịch điện trường biến thiên theo thời gian, chuyển động hạt điện tạo nên, khơng gây hiệu ứng nhiệt Joule-Lentz không chịu tác dụng từ trường Nó giống dịng điện dẫn chỗ có khả gây từ trường - Nơi có điện trường biến thiên theo thời gian nơi có dòng điện dịch Dòng điện dịch tồn dây dẫn có dịng điện biến đổi chạy qua - Dòng điện dịch gây từ trường dòng điện dẫn nên xét từ trường vật dẫn, ta phải xét gây dịng điện dẫn dịng điện dịch, nên gọi dịng điện tồn phần u du o    jtp  j  jd cu - Tùy theo tính chất dẫn điện môi trường tốc độ biến thiên điện trường theo thời gian mà hai số hạng có vai trò khác Trong vật dẫn điện tốt, điện trường biến thiên chậm dịng điện dịch nhỏ so với dòng điện dẫn ngược lại CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.2.2 Phát biểu luận điểm: “Bất kỳ điện trường biến thiên theo thời gian sinh từ trường” dS c om 7.2.3 Phương trình Maxwell- Ampère: j th an co ng - Xét đường cong (C), mặt S, mơi trường có dịng điện dẫn điện trường biến thiên theo thời (S) gian - Định lý Ampère viết sau: jd       H.d    j  jd dS C S ng  du o  (C) Để thiết lập phương trình Maxwell – Ampère cu u Dạng tích phân phương trình Maxwell-Ampère:      D   C H.d   S  j  t .dS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Các vectơ E H ln thẳng góc với phương truyền sóng, tức sóng điện từ ln sóng ngang Ta có nhóm phương trình độc lập: H y E z   x t H y E z  0 x t v H Sóng điện từ sóng ngang E y H z  0 x t u du o ng E y H z   x t n th an co ng - c om E cu  Để mơ tả q trình sinh sóng điện từ, ta cần lấy hệ phương trình cho thành phần khác hệ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VD: 2  E  Ey  y - Từ phương trình thứ ta có:  2 x c t co Nghiệm đơn giản phương trình là: an - ng c om 2  H  Hz  z - Từ phương trình thứ ta có:  2 x c t ng th E y  Em cos  t  kx  1  du o Hz  Hm cos  t  kx  2  u kEm sin  t  kx  1   0Hm sin  t  kx    cu  kHm sin  t  kx  2   0E m sin  t  kx  1  CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Để phương trình thỏa mãn thì: + pha ban đầu + biểu thức sau phải thực hiện: kE m c om 0E m  kH m  E  E m   H m Như vậy: +các dao động vectơ điện từ sóng điện từ xảy pha x an z co ng y   0H m th + biên độ chúng liên hệ với qua hệ thức: du o ng H cu u Hình ảnh tức thời sóng điện từ phẳng Tại điểm bất kỳ, vectơ E H dao động theo quy luật điều hòa CuuDuongThanCong.com E m 0  H m 0 Khi truyền chân khơng, ta ln có: 0 Em   120  377 Hm 0 https://fb.com/tailieudientucntt 7.6 NĂNG LƯỢNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ, VECTƠ POINTING B ng + Mật độ lượng từ trường E: w e  0 E 2 B2 wm  0 : co + Mật độ lương điện trường c om Sóng điện từ truyền lượng trường điện từ không gian ng th  Mật độ lượng trường điện từ: an -  cu u du o 1 B w  0 E  2 0   E 1 0 w  0 E   0 E 2 0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - Phương trình xác định mật độ lượng trường điện từ thời điểm miền khơng gian: ng c om B w   E   c B2  0  EB w   E   EcB    0 0 EB 0 th an co u du o ng Vectơ Pointing P :Xác định lượng sóng điện từ truyền qua đơn vị diện tích đơn vị thời gian + đơn vị: w/m2 + hướng xác định hướng truyền sóng cu - CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt y c om E A z x co ng B c dx = cdt du o ng th an Sóng điện từ truyền lượng qua diện tích A Năng lượng trường điện từ tồn trữ yếu tố thể tích dv là: cu u dW  wdv   0 E2   Acdt  Do đó, lượng trường điện từ truyền qua đơn vị diện tích sau đơn vị thời gian là: dW P CuuDuongThanCong.com A dt   cE https://fb.com/tailieudientucntt Trong chân không, E= cB, nên ta biểu diễn độ lớn vectơ P dạng: c om cB EB P  0 cE   0 0  co ng Hướng P song song với hướng vận tốc truyền sóng thẳng góc với vectơ E , B nên có dạng:  ng th an P EB 0 du o Giá trị trung bình vectơ Pointing xác định biểu thức: cu u 1 c E B0 P   cE  B0  2 0 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.7 SĨNG ĐIỆN TỪ TRONG MƠI TRƯỜNG Khi có môi trường điện môi môi trường từ, phương trình Maxwell có thay đổi - Xét mơi trường đồng chất, đẳng hướng, hệ số từ môi điện mơi số, khơng phụ thuộc hướng truyền sóng, ta có tốc độ truyền sóng điện từ mơi trường là: ng c om - th an co c v  0  du o ng  Vận tốc truyền sóng điện trừ mơi trường vật chất thường bé vận tốc ánh sóng chân khơng u Sóng điện từ khơng thể vào vật dẫn lý tưởng Đối với vật dẫn thực, sóng điện từ xuyên qua phần nên chúng tiêu hao lượng cu - CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt k' th an x co  n du o k '' Nếu gọi  hướng tiếp tuyến với mặt phân chia hai mơi trường, ta có: E1  E  cu u y ’’ ng 1 2 ng ’ k c om 7.8 SỰ PHẢN XẠ VÀ KHÚC XẠ CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ PHẲNG KHI TRUYỀN QUA MẶT PHÂN CHIA HAI MÔI TRƯỜNG ĐIỆN MÔI Sự phản xạ khúc xạ sóng điện từ mặt phân chia hai môi trường CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt (*) - Khảo sát thành phần phân cực phẳng sóng E mà hướng dao động E tạo với mặt phẳng tới góc Trong trường hợp dao động E sóng điện từ phẳng truyền dọc theo hướng k xác định công thức:  c om -  co Vectơ trường phản xạ : an - ng E  E m exp i t  kr   E m exp i  t  k x x  k y y         u Vectơ trường khúc xạ: E ''  E ''m exp i '' t  k ''x x  k ''y y   ''    cu - du o ng th E '  E 'm exp i ' t  k 'x x  k 'y y   '    CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trường tổng cộng môi trường 1: c om E1  E  E'  Em exp i  t  k x x  k y y   E' m exp i  ' t  k 'x x  k ' y y  '   ng Trường tổng cộng môi trường 2:  ng Trong điều kiện (*), ta có: th an co E  E ''  E ''m exp i '' t  k ''x x  k ''y y   ''    cu u du o E m, exp i  t  k x x   E ' m, exp i  ' t  k 'x x   '    E'' m, exp i  '' t  k ''x x  ''  Để biểu thức nghiệm với giá trị t, ta phải có:   ' CuuDuongThanCong.com '' https://fb.com/tailieudientucntt Để biểu thức (1) nghiệm với x, phải có: kx  k  k  co k sin   k ' sin '  k '' sin ''  sin   sin '  sin ''   v1 v1 v2 th an  '' x ng ' x c om - cu u du o ng Từ ta có biểu thức biểu thị định luật phản xạ, khúc xạ sóng điện từ truyền qua ranh giới môi trường: CuuDuongThanCong.com   ' sin  v1   n12 '' sin  v https://fb.com/tailieudientucntt Chiết suất tương đối môi trường môi trường 1: c om an  n1 sin   n sin '' co sin  n  '' sin  n1 th Như ng n12 c v1 v2 n2    c v2 n1 v1 sin TP ng n2 < n1 , ta có du o Khi   90 '' n2  n1 cu u Biểu thức biểu thị định luật phản xạ tồn phần sóng điện từ: TP CuuDuongThanCong.com n2  arcsin  arcsin n12 n1 https://fb.com/tailieudientucntt .c om ng co an th ng du o u cu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om ng co an th ng du o u cu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt