lý thuyết trường điện tử và cơ sở kĩ thuật siêu cao tần

BÀI GIẢNG MÔN LÝ THUYẾT TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ CƠ SỞ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ I. Khái niệm chung trường điện từ • Dạng vật chất đặc biệt • Tồn thuộc tính bản: • Tồn khách quan: • Vận động khách quan: • Mục đích môn học: khảo sát tương tác môi trường điện từ môi trường chất khác • loại trường điện từ loại môi trường -Trường điện từ tĩnh: -Trường điện từ dừng: -Trường điện từ biến thiên: -Điện môi: -Vật dẫn: -Bán dẫn: CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ II. Các thông số  1. Cường độ điện trường E - Trường vùng không gian khảo sát   - FE  E  ngược lại - [E]=V/m : chênh lêch điện theo khoảng cách Vậy nguồn sinh điện trường chênh lệch điện áp điểm CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ  2. Cường độ điện cảm D - Gọi vectơ dịch chuyển điện - D thể mối quan hệ điện trường với môi trường - Ví dụ nạp điện áp cho tụ khác (khác môi trường điện môi…) - Điện trường điện môi đặc trưng bởi: CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ  3. Mật độ dòng điện dẫn J  I J   A / m  S - Mật độ dòng điện dẫn cường độ dòng điện đơn vị diện tích đặt vuông góc. - Chú ý xét với dòng chiều dòng xc không phân bố dây dẫn   J   .E - : điện dẫn suất (độ dẫn điện), : điện trở suất l   1  Rd .S   S   .m    m  CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ  4. Cường độ từ cảm B CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ  4. Cường độ từ trường H    B   r 0 H   H CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Tóm tắt:    - Điện trường thông số E, D, J   FE E q    D   r E   E   J E - Từ trường thông số   B, H    FM  q v  B     B   r 0 H   H - Môi trường vật chất thông số , , Môi trường điện môi: , ≠0, =0 Môi trường vật dẫn: ,≠0, =0 Môi trường bán dẫn: , ,≠0 CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ III. Cơ sở toán học 1. Trường vô hướng trường vectơ - Đại lượng vô hướng: đặc tính xác định độ lớn - Trường vô hướng: tập hợp đại lượng vô hướng xác định điểm không gian phần không gian - Đại lượng vectơ: đại lượng xác định thông số phương, chiều, độ lớn - Trường vectơ: tập hợp đại lượng vô hướng xác định điểm không gian phần không gian - Trường vectơ có đại lượng: - Tích vô hướng Tích có hướng CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ - Tích vô hướng     c  a.b  b.a  a . b .cos   c max a  b c a  b - Tích có hướng: phương vuông góc mặt phẳng chứa      c  a  b  b  a   a,b    c  a . b .sin 2. Gradien trường vô hướng -Xét trường vô hướng U - U1 U2 mặt đẳng mức - Giả sử U1 > U2 từ U1 sang U2 có giảm giá trị, chiều giảm theo phương vuông góc CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ      D    E    rot H  J     E     J  J cd Maxwellđặt:  t t     D  E mật độ dòng chuyển dịch J cd   t t   mật độ dòng dẫn J  E - Môi trường điện môi (không dẫn  điện)   0,    E có dòng chuyển dịch  J cd   t     0,    J d   E - Môi trường dẫn có dòng dẫn   - Môi trường bán dẫn J d , J cd - Sóng lan truyền không khí (điện môi lý tưởng) có dòng chuyển dịch CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VI. Trường điện từ tĩnh 1. Các phương trình CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ   Nhận xét: - E , H có tính chất hay trường tĩnh trường    - E , H quan hệ với nhau, tức trường tĩnh E , H độc lập Điện trường tĩnh -Công dịch chuyển q từ M→M0 M A M0 M   FE dl    q.Edl M0 M  E  A q 1culong    M0  Edl E vô hướng  dl phương chuyển dịch điện tích    E E   l  gradE Ngược lại l điện trường tốc độ biến thiên điện CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ   Thay pt MX3 divD   .divE   hay divgrad E     E    Từ trường tĩnh   .divgrad E    phương trình Laplace- Poisson M H    M0  H dl  H   grad M  M từ vô hướng  M  - Thực không tồn tự nhiên từ tích CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ 2. Các mô tả hình học a) Mặt đẳng -  E ,  M vô hướng - Tất điểm mặt có  - Các tính chất: - Công dịch chuyển điện tích mặt đẳng =0 (không có chênh lệch điện thế) - Qua điểm tồn mặt đẳng (các mặt đẳng không cắt nhau) b) Đường sức - Đường sức qua điểm M đường mà tiếp tuyến với điểm đường trùng với phương cường độ trường (điện từ) CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Các tính chất: -Đường sức  mặt đẳng -Đường sức cho biết phân bố phương, chiều cường độ trường c) Ống sức - Là tập hợp nhiều đường sức - Ống sức cho biết phân bố độ lớn trường CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ V. Trường điện từ dừng (trường dòng điện không đổi) 1. Các phương trình  - Các đại lượng trường không biến đổi theo thời gian t   - Có dòng dẫn không đổi theo thời gian J  const - Hệ pt MX : CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Nhận xét:  rot H   rot E    H trường xoáy, phụ thuộc E  E trường độc lập Điện trường dừng -các pt giống điện trường tĩnh  E   grad E  E  CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Từ trường dừng  - rot H  J  , từ trường có tính chất xoáy →không thể xây dựng hàm vô hướng   - divB  → B chảy liên tục  divrot A  - So sánh với đẳng thức  - Có thể đo từ trường hàm từ vectơ A     - Đặt B  rot A thỏa mãn pt MX4 divB  divrot A  - Thay vào ptMX1       B H   rot A rot H  rotrot A  J      rotrot A   J    graddiv A  divgrad A   J CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ - A liên tục→divA=0→graddivA=0     Do divgrad A   A    J →pt Laplace cho từ vectơ A   A dùng để mô tả đơn giản thay cho H  Với dây dẫn:  J dV V 4 r   I A dl L 4 r A - V: thể tích dây - l: chiều dài dây CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VI. Trường điện từ biến thiên 1. Hệ phương trình  0 t   J  0, J          Hệ pt MX E D rot H  J   J t t   B rot E   t  divD    divB    rot H , rot E    → E, H xoáy quan hệ chặt chẽ với CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ -pt Darlamber    A  A  A     t t - pt quan hệ biến đổi theo thời gian theo không gian  2. Năng lượng trường điện từ- Vectơ Poynting  -mật độ lượng w=năng lượng đơn vị thể tích=năng lượng tổng/thể tích V -Năng lượng tổng W=  wdV V w=w E  w H   wE  E.D   E 2 -mật độ lượng điện trường   wH  B.H  H -mật độ lượng từ trường 2 CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ  - Đại lượng vectơ mật độ công suất hay vectơ poynting   -  =công suất trường điện từ chảy qua đơn vị diện tích đặt vuông góc [wat/m2]      EH - Vectơ poynting dạng trung bình phức      [ E H ] - Định lý Poynting mối liên hệ thay đổi lượng điện từ thể tích V với lượng điện từ chảy qua mặt kín S bao quanh thể tích này. W     dS   E dV S V t CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ W lượng tổng -vế trái công suất tổng toàn trường -dấu -  VE dV công suất tổn hao tức công suất -dấu -    dS âm dương S S dS công suất có ích, dấu –thể định luật bảo toàn lượng - Xét giả sử công suất tổn hao =0 ), Xét hai trường hợp sau: CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ  a vectơ     dS  W 0 - Trường hợp tỏa S nên t S hàm W giảm, công suất trường phân tán ngoài, tức lượng V giảm dần theo thời gian.    W - Ngược lại hình b vectơ  vào S nên  dS  t  S hàm W tăng, công suất trường đổ dồn vào, tức lượng V tăng dần theo thời gian. VII.Hiện tượng sóng trường điện từ biến thiên 1. Định nghĩa sóng - Sóng hình thái dao động chuyển động dạng vật chất phân bố liên tục không gian - Các tính chất:- Trong lan truyền lượng sóng lan truyền theo, chiều truyền sóng chiều truyền lượng, vận tốc truyền sóng phụ thuộc vận tốc truyền lượng CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ - Sóng tiếp cận môi trường khác để trao đổi lượng, khả xuyên phụ thuộc môi trường có khả dẫn sóng phụ thuộc tần số sóng   2. Phương trình sóng  E 2 E  E     t t    H  H  H     t t dạng pt Darlamber - pt dạng giống nghiệm khác đk đầu≠    2  - Với vật dẫn =0  E    E với điện môi =0  E    E   E v  t v t   2   H  H  H    t v t t   H  H   t vận tốc truyền sóng (chỉ phụ thuộc môi trường) v  C   3.108 m / s - MT chân không  0 [...]... const - Hệ pt MX : CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Nhận xét:   rot H  0  rot E  0    H là trường xoáy, phụ thuộc E  E là trường thế và độc lập Điện trường dừng -các pt giống điện trường tĩnh  E   grad E  E  0 CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Từ trường dừng   - rot H  J  0 , từ trường có tính chất xoáy →không thể xây... Môi trường dẫn chỉ có dòng   0,   0  J d   E  dẫn   - Môi trường bán dẫn J d , J cd - Sóng lan truyền trong không khí (điện môi lý tưởng) chỉ có dòng chuyển dịch CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VI Trường điện từ tĩnh 1 Các phương trình cơ bản CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ    Nhận xét: - E , H có tính chất thế hay trường. .. VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Dạng phức: 1 2      rot H    j  E      rot E   j H V) Ý nghĩa của hệ phương trình Maxwell 1 Hệ phương trình Maxwell mô tả mối quan hệ giữa điện trường và từ trường rot: biến thiên theo không gian  : biến đổi theo thời gian t CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ - Theo pt MX 1,2: có một điện trường (hoặc từ trường) ... toán tử Laplace CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ 6 Một số phép biến đổi a) Phép biến đổi Gauss:    AdS   div AdV S V b) Phép biến đổi Green-Stoke: Xét một đường cong kín   Ad l   rot A.dS L S (điều kiện S bao quanh V) CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ IV Hệ phương trình Maxwell : mật độ điện tích khối q: lượng điện tích tự do trong điện. .. từ trường (hoặc điện trường) biến đổi theo không gian và điện từ trường có tính chất xoáy 2 Hệ phương trình Maxwell mô tả mối quan hệ về hình học - Theo pt MX 3,4:  D có thể chảy liên tục, trong tự nhiên có điện tích là nguồn sinh ra điện trường   B luôn chảy liên tục, trong tự nhiên không có các từ tích là nguồn sinh ra từ trường 3 Hệ phương trình Maxwell mô tả mối quan hệ giữa trường điện từ và. ..  mặt đẳng thế -Đường sức cho biết phân bố phương, chiều của cường độ trường c) Ống sức - Là tập hợp nhiều đường sức - Ống sức cho biết phân bố về độ lớn của trường CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ V Trường điện từ dừng (trường của dòng điện không đổi) 1 Các phương trình cơ bản  - Các đại lượng của trường không biến đổi theo thời gian t  0   - Có dòng dẫn nhưng không... điện từ và môi trường chất - Quan hệ trường điện từ và môi trường chất thể hiện ở các tham số , ,  CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ      D        E    rot H  J    E     J  J cd  Maxwell đặt:  t t       D   E mật độ dòng chuyển dịch J cd   t t    mật độ dòng dẫn J  E - Môi trường điện môi (không dẫn  điện)   0,... CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VI Trường điện từ biến thiên 1 Hệ phương trình  0 t     J  0, J  0        D  Hệ pt MX E rot H  J   J t t    B rot E   t  divD     divB  0    rot H , rot E  0     → E, H đều xoáy và quan hệ chặt chẽ với nhau CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ -pt Darlamber ... lượng dương, đi ra nhiều hơn vào CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ - Cách tính:    A A A  div A   A    - Ý nghĩa: x y z - div A  0 thông lượng đi vào bằng thông lượng đi ra, gọi A liên tục, trường trong thể tích V là không có nguồn - div A  0 thông lượng vào ra khác nhau, trường không liên tục, trường có nguồn - Ví dụ: Xét 2 điện tích +, - đường sức xuất... LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ U  gradU là vectơ cùng chiều pháp tuyến gradU  n n độ lớn chỉ tốc độ thay đổi của U - Xét trường vô hướng trong hệ tọa độ Decade, dùng toán tử Napla Do đó            ix  i y  iz x y z   U  U  U  gradU  U  ix  iy  iz x y z Ý nghĩa: gradien cho biết tốc độ thay đổi của trường vô hướng CHƯƠNG 1: CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ NGUYÊN LÝ CƠ