Bài giảng vật lý đại cương A2 (Trường điện từ)

1 1. Trường điệntừ 2. Dao động điệntừ 3. Sóng điệntừ CHƯƠNG 7 – TRƯỜNG ĐIỆN TỪ DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ 2 1. Trường điệntừ Hệ phương trình Maxwell Thí nghiệm Faraday về hiệntượng cảm ứng điệntừ Michael Faraday (1791-1867) dt d m C Φ −= E ª Suất điện động cảm ứng: ª Dòng cảm ứng: I c ) Biếnthiêntừ thông (sinh ra bởi nam châm hoặccuộn dây có dòng điện) 3 ) Tồntạimột điệntrường cùng chiều dòng cảm ứng I c E r Jame Clerk Maxwell (1831 - 1879) I c B đang tăng E r B đang giảm I c E r 1. Trường điệntừ ª Không phụ thuộcbảnchấtdâydẫn ª Không phụ thuộcnhiệt độ Hệ phương trình Maxwell Điệntrường xoáy và luận điểmthứ nhấtcủa Maxwell 4 1. Trường điệntừ ) Luận điểmcủa Maxwell: Bấtkỳ mộttừ trường nào biến đổitheothời gian cũng sinh ra một điệntrường xoáy! ) Điệntrường của dòng cảm ứng I c (sinh ra bởitừ trường) có đường sức khép kín ⇒ điệntrường xoáy. E r ) Điệntrường tĩnh ª Điện tích cốđịnh ª Đường sức không khép kín 0. = ∫ dlEq ª Công thựchiện di chuyển điện tích theo đường cong kín = 0: Không thể làm các điệntíchdịch chuyểntheođường cong kín để tạothành dòng điện 0. ≠ ∫ dlE ) Để các điện tích dịch chuyểntheođường cong kín tạo ra dòng điện ⇒ công dịch chuyểntheođường cong kín phải ≠ 0, tứclà: Hệ phương trình Maxwell Điệntrường xoáy và luận điểmthứ nhấtcủa Maxwell 5 1. Trường điệntừ Hệ phương trình Maxwell Điệntrường tĩnh Điệntrường xoáy So sánh điệntrường tĩnh và điệntrường xoáy ª Điện tích cốđịnh ª Đường sức không khép kín 0. = ∫ dlEq ª Công thựchiện di chuyển điện tích theo đường cong kín = 0 ª Điện tích di chuyển ª Đường sức khép kín ª Công thựchiện di chuyển điện tích theo đường cong kín ≠ 0 0. ≠ ∫ dlEq 6 ) Lưusố của vector cường độ điệntrường xoáy dọctheomột đường cong kín bấtkỳ bằng nhưng trái dấuvớitốc độ biến thiên theo thờigiancủatừ thông gửi qua diệntíchgiớihạnbởi đường cong kín đó. Phương trình Maxwell-Faraday ) Vòng dây dẫnkínđặt trong B biến đổi ª Biếnthiêntừ thông d Φ m gửi qua vòng dây trong thờigiandt ⇒ xuấthiệns.đ.đ cảm ứng E c ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −= Φ −= ∫ S m c SdB dt d dt d r r . E ª dlE C ∫ = )( C r E ª Đ/n s.đ.đ: ∫∫ −= SC SdB dt d ldE r r r r . )( (dạng tích phân) 1. Trường điệntừ Hệ phương trình Maxwell 7 dt Bd Erot r r −= ) Dạng vi phân: ∫∫ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −=− SS Sd dt Bd SdB dt d r r r r . ª VP có thể viết được: 1. Trường điệntừ Hệ phương trình Maxwell Phương trình Maxwell-Faraday Jame Clerk Maxwell (1831 - 1879) Michael Faraday (1791-1867) ( ) ∫∫∫ =×∇= SSC SdErotSdEldE r r r r r r )( ª VT theo đ/lý Stokes: ∫∫ −= SC SdB dt d ldE r r r r . )( ) Dạng tích phân: 8 1. Trường điệntừ Hệ phương trình Maxwell ) Mạch điệncóL và C: L C I I DE r r , Dòng điệndịch và luận điểmthứ hai của Maxwell ª Điệntrường biến đổi ⇔ dòng điện= dòng điệndịch I d – (displacement current), có cùng chiềuvàđộ lớnnhư dòng điệndẫn. I d S I I II S Từ trường củadòngI d Từ trường củadòngI Từ trường củadòngI ª C phóng điện ⇒ E và D trong không gian giữa2 bảncựcgiảm ª Bấtkỳ một điệntrường biến đổitheothời gian cũng sinh ra mộttừ trường ) Luận điểmcủa Maxwell: ª C nạp điện ⇒ E và D trong không gian giữa2 bảncựctăng 9 ª Dòng điệndịch chính là điệntrường biến thiên theo thờigian 1. Trường điệntừ Hệ phương trình Maxwell I I I d dt dD J d = Vì D = σ ⇒ dt Dd J d r r = ª t E t D J khôngchân d ∂ ∂ ε= ∂ ∂ = r r r 0 hoặc: dt d S q dt d dt dq SS I S I J d d σ = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ==== 1 ) Mật độ dòng điệndịch (trong chân không): Dòng điệndịch và luận điểmthứ hai củaMaxwell 10 ª Chất điệnmôi: mật độ điệntíchmặt liên kết σ ’= P en , ∫∫∫∫ ∂ ∂ = ∂ ∂ = ∂ σ∂ == S e S en SS pcpc Sd t P dS t P dS t SdJI r r r r ' ª Dòng qua dS: ⇒ )()( cucphândkhôngchândd JJJ r r r += t P J e pc ∂ ∂ = r r ª 1. Trường điệntừ Hệ phương trình Maxwell Dòng điệndịch và luận điểmthứ hai củaMaxwell +σ’ -σ’ dS + - - - - - - + + + + + + E r e P r n r α e PED r r r += 0 ε ) Đốivớichất điệnmôi: t P t E t D J e d ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ = r r r r 0 ε ) Mật độ dòng điệndịch trong chất điệnmôi: ) Mật độ dòng toàn phầncủachất điện môi khi có dòng điện đi qua: t D JJ tp ∂ ∂ += r rr [...]... S⎝ Điện thông gửi qua mặt kín bất kỳ = tổng đại số đ/tích trong đó r r ∫ D.dS = ∑ q = ∫ ρdV S V r r r ∇.D = divD = ρ 13 1 Trường điện từ Trường điện từ và năng lượng trường điện từ Từ trường biến đổi sinh ra điện trường (khép kín) và điện trường biến đổi cũng sinh ra từ trường Từ trường và điện trường đồng thời tồn tại, cũng như có mối liên hệ với nhau tạo thành một trường thống nhất gọi là trường điện. .. định khoảng thời gian lặp lại của dao động, T= 2π ω0 15 2 Dao động điện từ Dao động điện từ điều hòa U0 Dao động điện từ riêng mạch LC Mạch gồm cuộn dây L và tụ điện C Mạch được cung cấp năng lượng ban đầu bằng cách nạp điện cho tụ C có: U 0 = K q0 C 2 1 q0 Năng lượng của tụ: W0 = 2C 16 2 Dao động điện từ Dao động điện từ điều hòa Dao động điện từ riêng mạch LC -q0 +q0 t=0 2 1 q0 We = 2C 1 t= T 4 Wm (max)... I20max) ⇒ dây dẫn nóng lên ⇒ ảnh hưởng đến chất lượng mạch điện Tác dụng: làm tụ xoay cho các bộ khuếch đại trong mạch thu tín hiệu vô tuyến, mạch lọc tần số… 26 3 Sóng điện từ Thí nghiệm Hertz về sự hình thành sóng điện từ Quả cầu tạo tia lửa điện Khe không khí Quả cầu tạo tia lửa điện Cuộn dây cảm ứng Dụng cụ thu sóng Sóng điện từ: sự lan truyền của điện- từ trường biến thiên trong không gian Heinrich Rudolf... động: 2 dt m Dạng dao động: Đại lượng vật lý: Năng lượng: x (t)= x0.cos(ω0.t + ϕ) 1 q2 1 2 W = + LI = const 2 C 2 d 2q 1 + q=0 dt 2 LC q(t) = q0cos(ω0 t + ϕ) 2 x ⇔ q; k ⇔ 1/C; m ⇔ L; v ⇔ I; ω0 = 1 2 1 q2 1 1 kx ⇔ và mv 2 ⇔ LI 2 2 2 C 2 2 k 1 ⇔ m LC 20 2 Dao động điện từ Dao động điện từ tắt dần Mạch dao động RLC Mạch gồm cuộn dây L và tụ điện C d không nối với a: Tụ C được tích điện d nối với a: Xảy ra... trường thống nhất gọi là trường điện từ Trường điện từ là một dạng vật chất đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mang điện Năng lượng trường điện từ tồn tại và định xứ trong không gian có trường Mật độ năng lượng trường điện từ bằng tổng mật độ năng lượng của điện trường và từ trường: 1 1 w = wE + wM = εε 0 E 2 + μμ0 H 2 = (ED + BH ) 2 2 Năng lượng trường điện từ: 1 1 W = ∫ wdV = ∫ (εε 0 E 2 + μμ 0 H... bức phụ thuộc nguồn điện kích thích R2 Khi E0 và R cố định ⇒ I0 max với Z min Hay: Z L − Z C = ΩL − ⇔Ω= 1 =0 ΩC R3 0 ω0 Ω (rad/s) 1 = ω0 : tần số riêng của mạch (LC) LC I 0 max = E0 R 25 2 Dao động điện từ Dao động điện từ cưỡng bức Cộng hưởng điện từ mạch RLC Để có cộng hưởng: Điều chỉnh tần số nguồn kích thích Thay đổi hệ số tự cảm hoặc điện dung Ảnh hưởng hiện tượng cộng hưởng điện từ Tác hại: R... ⎝ 23 2 Dao động điện từ Dao động điện từ cưỡng bức Phương trình dao động điện từ cưỡng bức Có: L dI q + RI + = E 0 sinΩt C dt EΩ d 2I R dI 1 +2 + I = 0 cosΩt Đạo hàm theo t : dt 2 L 2 L dt LC Nghiệm: I(t) =I0.cos(Ωt + Φ) với: I 0 = ZC = E0 R 2 + (Z L − Z C ) và: cot gΦ = Z L − ZC R 1 : dung kháng, và ZL = ΩL: cảm kháng ΩC 24 2 Dao động điện từ Dao động điện từ cưỡng bức Cộng hưởng điện từ mạch RLC... 30 3 Sóng điện từ Tính chất sóng điện từ r r ∂E x ∂E y ∂E z ∇.E = + + =0 ∂x ∂y ∂z Trong chân không: Khi là sóng phẳng, có: r i r r ∂ ∇× H = ∂x Hx r j ∂ ∂y Hy r k r ∂ ∂E = ε0 ∂z ∂t Hz ∂E x =0 ∂x ∂E x ∂H z ∂H y và: ε 0 = − =0 ∂y ∂z ∂t Ex = const r Hay: E ⊥ phương truyền x r Tương tự: B ⊥ phương truyền x 31 3 Sóng điện từ Tính chất sóng điện từ Sóng điện từ là sóng phẳng (khi ở xa nguồn phát) Điện trường... q0cos(ω0 t + ϕ) Hoặc: I = I0sin(ω0 t + ϕ) Biến đổi năng lượng điện theo thời gian: 2 q 2 (t ) q0 We = = cos 2 (ω0t + ϕ) 2C 2C LI 2 (t ) LI 02 Wm = = sin 2 (ω0t + ϕ) 2 2 + q0 q(t) - q0 1 T 4 1 T 2 3 T 4 ωt → T Imax I(t) Imax q2 2C Năng lượng Dao động điện từ điều hòa ωt → We Wm Thời gian 19 2 Dao động điện từ Dao động điện từ điều hòa I So sánh dao động điện từ và dao động cơ điều hòa -q C C LL +q 1 1 W = kx... Marie Ampere (1775 – 1836) I I r H r dl 11 1 Trường điện từ Mặt Gauss Hệ phương trình Maxwell Phương trình Gauss cho điện trường dS r r - Dạng tích phân: ∫ D.dS = ∑ q = ∫ ρdV S - Dạng vi phân: r r r ∇.D = divD = ρ r dS V r r D, E - Diễn tả tính không khép kín của đường sức điện trường tĩnh - Điện trường tĩnh có thể tồn tại với chỉ một nguồn duy nhất (1 điện tích) Phương trình Gauss cho từ trường r r - . Trường điệntừ 2. Dao động điệntừ 3. Sóng điệntừ CHƯƠNG 7 – TRƯỜNG ĐIỆN TỪ DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ 2 1. Trường điệntừ Hệ phương trình Maxwell Thí nghiệm Faraday về hiệntượng cảm ứng điệntừ Michael. trình Maxwell Điệntrường xoáy và luận điểmthứ nhấtcủa Maxwell 5 1. Trường điệntừ Hệ phương trình Maxwell Điệntrường tĩnh Điệntrường xoáy So sánh điệntrường tĩnh và điệntrường xoáy ª Điện tích cốđịnh ª Đường. thông) ∫∫ ∑ ρ== SV dVqSdD r r . ρ==∇ DdivD r r r . ) Điện thông gửi qua mặtkínbấtkỳ = tổng đạisốđ/tích trong đó 14 Trường điệntừ và năng lượng trường điệntừ ) Từ trường biến đổisinhrađiệntrường (khép kín) và điệntrường biến đổicũng