Tìm hiểu về một số tính chất của sóng điện từ

LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn ban chủ nhiệm khoa Vật lí, thầy giáo, cô giáo khoa tổ Vật lý lý thuyết – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội tạo điều kiện giúp hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Đặc biệt, xin trân trọng cám ơn cô giáo - Th.S Nguyễn Thị Phương Lan quan tâm tận tình hướng dẫn cho trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Mặc dù cố gắng không tránh khỏi thiếu sót Kính mong đóng góp quý báu từ phía thầy cô bạn khoa để khóa luận tốt nghiệp hoàn chỉnh Tôi xin trân trọng cám ơn! Hà Nội, ngày 21 tháng năm 2013 Sinh viên thực Đặng Thị Bích LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu khoa học riêng dựa sở kiến thức học môn Vật Lí tham khảo tài liệu liên quan với hướng dẫn giúp đỡ giảng viên- Th.S Nguyễn Thị Phương Lan Nó không trùng với kết nghiên cứu tác giả Các kết nêu đề tài trung thực Hà Nội, ngày 21 tháng năm 2013 Sinh viên thực Đặng Thị Bích MỤC LỤC MỞ ĐẦU NỘI DUNG CHƯƠNG PHƯƠNG TRÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ 1.1 Khái niệm sóng điện từ tạo thành sóng điện từ 1.2 Các vectơ đặc trưng cho trường điện từ 1.3 Hệ phương trình Maxwell với điện từ trường tự - sóng điện từ CHƯƠNG MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ 2.1 Mặt sóng 2.2 Sóng điện từ sóng ngang 2.3 Vận tốc sóng điện từ môi trường đồng chất đẳng hướng 11 2.4 Năng lượng sóng điện từ 12 2.5 Sóng điện từ tồn môi trường vật chất chân không 16 2.6 Ống dẫn sóng 18 2.7 Sự phân cực sóng điện từ 2.8 Bức xạ phổ sóng điện từ 43 39 Kết Luận 46 Tài liệu tham khảo 47 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mối quan tâm mê loài người với từ học điện học có cách 2600 năm Điện-từ học vấn đề rộng Vật lí Nó nhà Vật lí tìm hiểu nghiên cứu, có mảng sóng điện từ Đối với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ sóng điện từ đóng vai trò quan trọng Điện từ trường sinh từ nhiều nguồn khác nhau, từ hoạt động máy móc công nghiệp, thiết bị điện, va chạm vật thể, nguồn điện, máy phát sóng radio Chính mà môi trường xung quanh tồn sóng điện từ Và có nhiều ứng dụng quan trọng sống nói chung ngành Vật lí nói riêng Nhằm củng cố tìm hiểu sâu thêm sóng điện từ, bắt tay vào nghiên cứu đề tài “Tìm hiểu số tính chất sóng điện từ” Với mong muốn đóng góp phần nhỏ việc tiếp cận lí thuyết tìm hiểu tính chất sóng điện từ Mục đích nghiên cứu - Đưa hướng tiếp cận sóng điện từ hiểu khái niệm sóng điện từ - Tìm hiểu số tính chất sóng điện từ Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Sóng điện từ - Phạm vi nghiên cứu: Một số tính chất sóng điện từ Giả thuyết khoa học - Sử dụng hệ phương trình Maxwell để từ đưa phương trình sóng điện từ - Phân tích số tính chất sóng điện từ Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết trường điện từ - Đưa phương trình hệ phương trình Maxwell sóng điện từ - Tìm hiểu số tính chất sóng điện từ Phương pháp nghiên cứu - Đọc tra cứu tài liệu - Phân tích tổng hợp số tính chất sóng điện từ Cấu trúc khóa luận Khóa luận gồm chương: CHƯƠNG PHƯƠNG TRÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ CHƯƠNG MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ NỘI DUNG CHƯƠNG PHƯƠNG TRÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ 1.1 Khái niệm sóng điện từ tạo thành sóng điện từ 1.1.1 Khái niệm sóng điện từ Sóng điện từ (hay xạ điện từ) kết hợp dao động điện trường từ trường vuông góc với nhau, lan truyền không gian sóng Sóng điện từ bị lượng tử hóa thành “đợt sóng” có tính chất hạt chuyển động gọi photon Hình 1.1 Sự lan truyền sóng điện từ 1.1.2 Sự tạo thành lan truyền sóng điện từ Như ta biết, định luật Faraday định luật Ampère cho thấy khả xuất sóng điện từ truyền không gian  Giả thử điểm O chân xuất điện trường E điện trường giảm dần Theo định luật Ampère mở rộng, điện trường thay   đổi (trong trường hợp giảm) tạo từ trường B Vì E giảm, mật độ    dE dòng điện dịch j   hướng ngược với chiều E đường sức từ dt có chiều theo chiều kim đồng hồ Vì chân không dòng không đổi để    trì từ trường B, B giảm dần làm xuất điện trường xoáy E1 Chiều đường sức điện trường ngược với chiều quay kim đồng hồ (hình 1.2) Hình 1.2 Sự tạo thành sóng điện từ   Điện trường E1 triệt tiêu điện trường E điểm O lại xuất  điểm (1) bên cạnh Điện trường E1 (1) giảm làm xuất từ   trường B1 Từ trường có chiều ngược với B nên chúng triệt tiêu nhau, từ trường điểm xa Từ trường điểm giảm làm xuất  điện trường xoáy E2 Quá trình tiếp diễn vậy, kết điện trường  từ trường dịch dần sang phải Như vậy, từ điện trường biến đổi ban đầu E xuất nhiễu loạn điện từ gồm điện trường từ trường thay đổi theo thời gian, liên hệ với truyền không gian Một nhiễu loạn gọi sóng điện từ   Điện trường E từ trường B xem hai mặt tượng vật lý nhất, trường điện từ, mà nguồn gốc điện tích chuyển động không Nhiễu loạn, phát trường điện từ, sóng dịch chuyển khỏi nguồn độc lập với Về chiều truyền sóng điện từ, đối xứng cao hệ phương trình Maxwell chân không chứng tỏ nhiễu loạn truyền theo chiều đối   xứng B E   Và E B truyền chân không với vận tốc: [Điện động lực học – Đào Văn Phúc] v (1.1.5)  0 1.2 Các đại lượng đặc trưng cho trường điện từ Các trình điện từ mô tả toán học thông qua vectơ đặc trưng cho trường điện từ:   Vectơ cường độ điện trường E (V/m)   Vectơ cảm ứng điện (hay vectơ điện dịch) D (C/m2)   Vectơ cảm ứng từ B (T)   Vectơ cường độ từ trường H (A/m) Bốn vectơ không độc lập với nhau, nói chung chúng hàm tọa độ thời gian, chúng liên hệ với liên hệ với điện tích dòng điện theo quy luật xác định Trong môi trường đẳng hướng, quy luật phát biểu dạng vectơ phương trình Maxwell phương trình liên hệ sau:   D E   B  H (1.2.1) (1.2.2) Trong đó:  số điện môi tuyệt đối môi trường  độ từ thẩm tuyệt đối môi trường Bên cạnh số   , tính chất điện từ môi trường vật chất đặc trưng số:  r   e  0   0 4 9.109 số điện môi tương đối môi trường F   m H 0  4 107   m r    m   0 số điện môi chân không độ từ thẩm chân không độ từ thẩm tương đối môi trường Khi ta có:     D  1   e   E   r  E   E     B  1   m  0 H  r 0 H   H (1.2.3) (1.2.4) (Ở đây, đơn vị đại lượng tính hệ SI) [1] 1.3 Hệ phương trình Maxwell với điện từ trường tự - sóng điện từ Trường tĩnh trường dừng trường gắn liền với điện tích dòng điện, điện tích dòng điện biến đổi, chúng biến đổi theo Bên cạnh loại trường có loại trường khác tồn độc lập điện tích dòng điện, mà ta gọi từ trường tự Các điện từ trường tự nói chung hệ điện tích dòng điện sinh Nhưng sau hình thành, cách chúng tách rời khỏi hệ điện tích, dòng điện vận động theo qui luật riêng chúng, không phụ thuộc vào nguồn gốc sinh chúng Các phương trình Maxwell cho phép tiên đoán tồn điện từ trường tự trước tạo loại trường thực nghiệm Các phương trình điện từ trường tự phương trình Maxwell  ta đặt điều kiện   j  (chỉ có từ trường, điện tích dòng điện) Các điều kiện thỏa mãn điện môi đồng chất vô hạn Ta có:   B rotE   t   D rotH   t  divD   divB  (1.3.1) (1.3.2) (1.3.3) (1.3.4) Kết hợp với phương trình (1.2.1) (1.2.2), viết lại (1.3.1) – (1.3.4) sau:   H rotE    t   E rotH   t  divE   divH  (1.3.5) (1.3.6) (1.3.7) (1.3.8) Qua phương trình trên, ta thấy điện từ trường tự do, điện trường từ trường không tách rời Quan hệ chúng chặt chẽ so với trường chuẩn dừng thể hai mặt: tác dụng cảm ứng điện từ Faraday tác dụng dòng điện dịch Có thể nói từ trường biến thiên sinh điện trường ngược lại điện trường biến thiên sinh từ trường Điện trường từ trường trường xoáy Muốn xét kỹ tính chất trường điện từ tự do, ta thực số phép biến đổi Lấy rot hai vế (1.3.5) kết hợp với (1.3.6), ta có:   2E rot rotE   t So sánh với (1.3.7), ta viết được:     rot rotE  grad divE   E   E (1.3.9) (1.3.10) Ez r R (2.6.36)   J m (r ) r  R  Nếu gọi  mn , n  1,2,3, nghiệm thứ n hàm Bessell cấp m, tức là: J m ( mn )  Thì số sóng ngang tính:   mn R (2.6.37) Do bước sóng tới hạn trường TM(E) tính là:  th  2 2R    mn (2.6.38) Người ta lập bảng số giá trị  mn sau: m n 2,405 3,832 5,135 6,379 5,520 7,016 8,417 9,760 8,654 10,173 11,620 13,017 Các thành phần ngang trường TM(E) tìm theo biểu thức (3.5.8) có dạng:  KCe J m (r )cos(m  0 )     KC m E  2e J m (r )sin(m  0 )  r   E E H r   e , H   re  Zc Zc  Er   m = 0,1,2,3,…; n = 1,2,3 Trong đó: 33 (2.6.39) ZTM  mn ;  J m (r )  dJ m d r b) Sóng điện ngang TE ống dẫn sóng trụ tròn: Thành phần từ trường dọc Hz trường TE tìm từ nghiệm toán Noymann Trong hệ tọa độ trụ:  H z H z  H z    2 H z  2 r r r r  H z r (2.6.40) 0 rR Ta tiến hành bước tương tự tìm nghiệm toán cho trường TM(E) cho nghiệm hàm ( r ) R(r) giống biểu thức (2.6.12): H z ( r , )  Ch J m cos( m  0 ) (2.6.41) Ch số tùy ý Điều kiện có dạng: dJ m dr   J m' (r ) r R r R 0 (2.6.42) Ta gọi mn nghiệm thứ n, n = 1, 2, 3,… đạo hàm bậc hàm Bessell cấp m, tức J m' ( mn )  ta tính số sóng ngang bước sóng tới hạn trường TE ống dẫn sóng tròn là:   mn R , thh  2 R (2.6.43) mn Các thành phần ngang trường TE(H) tính từ biểu thức (*) có dạng: 34 KCh '  J m cos( m  0 )    KCh m  H   J m (r )sin(m  0 )  r  h h  Er   Z c H  , E    Z c H r   Hr   (2.6.44) Như ống dẫn sóng trụ tròn truyền vô số kiểu sóng điện ngang TEmn TE01, TE11, TE12, TE21, TE22… Bảng 1: Cấu trúc số kiểu ống dẫn sóng trụ tròn: TM10           TE01    th  1,64a th  1,14a 2.6.3 Cáp đồng trục Khi sử dụng ống dẫn sóng để truyền sóng kích thước ngang ống dẫn sóng phải có kích cỡ với bước sóng Vì để đỡ tốn kim loại thường dùng ống dẫn sóng có bước sóng cực ngắn cỡ vài cm, tức tần số siêu cao cỡ 1010 Hz Để truyền lượng tín hiệu điện từ tần số không cao (bước sóng từ vài trăm mét đến vài mét) phải dùng cáp đồng trục Cáp đồng trục có lõi vỏ trụ vật dẫn, có trục trùng (hình 2.8) 35 Hình 2.4 Cấu tạo cáp đồng trục Cáp đồng trục có ưu điểm ống dẫn sóng tránh xạ lượng điện từ xung quanh Nhưng khác với ống dẫn sóng, cáp lõi nên sóng TE, TM qua sóng điện từ ngang TEM với bước sóng, nguyên tắc không bị hạn chế kích thước tiết diện Ta đưa giả thiết cáp dài vô hạn với độ dẫn vỏ vô lớn, dẫn điện lớp điện môi coi Chọn hệ toạ độ trục tròn với trục z hướng theo trục cáp (hình2.4) Dể đơn giản ta xét sóng điện từ ngang TEM tức cường độ trường thành phần dọc trục z  E z  0, H z   Do tính chất đối xứng lõi vỏ nên cường độ từ trường có thành phần phương vị H  cường độ điện trường có thành phần xuyên trục E r với trị hiệu dụng phụ thuộc toạ độ r, không phụ thuộc toạ độ  , z Gọi   k z hệ số pha dọc trục, ta đặt:  H   H  r  e  j  z   j z  Er  E  r  e (a) (b) (2.6.45) Trong đó: H  r  , E  r  ,  hàm thông số chưa biết 36 Để tìm  ta xuất phát từ phương trình Maxwell hệ toạ độ trụ   tròn với E z  0; H z  0;  0;   j  ta có:  z   j  H   j E r   j  E r   j H    d  rH     dr (a) (b) (2.6.46) (c ) Nhân hai vế phương trình (2.6.45a), (2.6.45b) với chia hai vế cho H  , E r ta được:    2 hay     (2.6.47) Vì  số thực, nên hệ số truyền sóng  j  số ảo không phụ thuộc tần số sóng kích thước tiết diện cáp Tần số tới hạn ứng với   trường hợp th  Điều có nghĩa sóng TEM tần số, bước sóng truyền qua đượ dây cáp đồng trục Từ (2.6.45a) (2.6.45b) suy quan hệ E r , H  :  H    E r  H    H  Z H   v  Tức E r , H  biến thiên pha Biểu thức tức thời chúng có dạng: H (t , r )  H m (r )cos (t   z   )     E (t , r )  H m (r )(cos(t   z   )    (2.6.48) Như sóng điện từ ngang cáp hoàn toàn giống sóng phẳng không gian tự Bây ta xét phân bố H  E r theo toạ độ r Từ công thức (2.6.46c) ta có: 37 r H ( r )  C  c ons t Hay H (r )  C r Trong xác định số C theo luật dòng điện toàn phần đường bán kính r  a1 , ôm sát lõi cáp 2 a H   a   2 C  Im a Từ ta có: C  I / 2 Và H  r   I / 2 r (2.6.49) Tức giá trị hiệu dụng cường độ từ trường cường độ điện trường tỷ lệ nghịch với bán kính r Hình 2.9 vẽ phân bố điện trường từ trường cáp Hình 2.5 Phân bố điện trường từ trường TEM dây cáp đồng trục 2.6.4 Ống dẫn sóng điện môi Ở dải sóng mm ngắn (dưới mm hồng ngoại hay quang học), người ta dùng ống dẫn sóng điện môi để truyền dẫn lượng điện từ 38 thuận tiện có lượng tiêu hao nhỏ, kích thước bé dễ chế tạo Ống dẫn sóng điện môi có cấu tạo từ điện môi đồng dạng phẳng hay trụ tròn gồm hay nhiều lớp Nếu lớp điện môi có chiết suất đồng khác gọi có dạng nhảy bậc Còn lớp (thường lớp giữa) mà chiết suất biến đổi theo hàm số tốc độ gọi ống dẫn sóng dạng Gradient Sóng truyền dọc ống dẫn sóng điện môi sóng mặt chậm Ống dẫn sóng điện môi phẳng dùng kĩ thuật quang tích phân, thiết bị laser bán dẫn Ống dẫn sóng điện môi trục tròn dùng chủ yếu để dẫn lượng dải sóng mm hay dải sóng quang học dạng sợi quang 2.7 Sự phân cực sóng điện từ Sóng điện từ truyền môi trường, vectơ cường độ điện trường cường độ từ trường thay đổi trị số hướng Trong  trình lan truyền sóng quan sát điểm cuối vectơ E vạch quý đạo đó, dạng quỹ đạo biểu thị dạng phân cực sóng Mặt phân cực mặt phẳng chứa phương truyền sóng vectơ cường  độ điện trường E Sóng điện từ phẳng có nhiều dạng phân cực như: phân cực elip, phân cực tròn phân cực thẳng Các dạng phân cực có nhiều ứng dụng kĩ thuật 2.7.1 Phân cực Elip Giả sử ta nhìn từ nguồn phát sóng theo hướng truyền sóng, đầu cuối vectơ cường độ điện trường sóng vạch nên hình elip không gian gọi sóng phân cực elip Chúng ta phân tích sóng phân cực elip thành hai thành phần sóng có tần số, phương truyền vectơ cường độ điện trường vuông góc với không gian Giả sử ta có hai sóng phẳng sau: 39   E1  Emx cos (t   z ).ix   E2  Emy cos(t   z   ).iy Ở Emx , Emy biên độ sóng thành phần,  góc lệch pha ban đầu hai sóng Vectơ cường độ điện trường sóng tổng hợp thực theo quy tắc tổng hợp hai vectơ, tìm phương trình cho đầu cuối vectơ cường độ điện trường sóng tổng hợp Ta bình phương hai vế biểu thức biến đổi đôi chút nhận biểu thức sau:  E1   Em x   E2      Em y  EE   2cos  sin  Em x Em y  (2.7.1) Từ hình học giải tích, ta nhận thấy biểu thức (2.7.1) phương trình mô tả đường cong Elip mặt phẳng toạ độ E1 , E2 Elip có trục lớn tạo góc  với trục toạ độ x Do trình truyền sóng theo trục z đầu cuối vectơ điện trường sóng tổng hợp vạch đường xoắn không gian Giá trị  tính theo biểu thức sau: tg 2  với Emx Emy 2 Emx  Emy cos (2.7.2) Emx  Emy Hình 2.6 Phân cực elip 40 2.7.2 Phân cực tròn Trong trường hợp thành phần điện trường hai sóng thành phần có biên độ nhau: Emx  Emy  Em lệch pha góc     ta có: sin 2  1, cos  Nên phương trình (2.7.1) trở thành: E12  E22  Em2 (2.7.3) Đây phương trình đường tròn mặt phẳng tọa độ E1 , E2 Trong trường hợp này, đầu cuối vectơ điện trường vẽ nên đường xoắn tròn không gian Sóng gọi phân cực tròn Nếu nhìn theo chiều truyền sóng, vectơ điện trường quay theo chiều kim đồng hồ ta có sóng phân cực tròn quay phải, trường hợp vectơ điện trường quay ngược chiều kim đồng hồ ta gọi sóng phân cực tròn quay trái Chiều quay vectơ cường độ điện trường phụ thuộc vào dấu góc lệch pha  Hình 2.7 Phân cực tròn 2.7.3 Phân cực thẳng  Sóng vectơ cường độ điện trường E hướng song song theo đường thẳng trình truyền sóng gọi sóng phân cực thẳng hay phân cực tuyến tính 41   Trong trường hợp này, góc lệch pha hai sóng thành phần Ex E y có giá trị:   0,  1,  2, Nên sin   0, c os    phương trình (2.6.1) trở dạng:  E1 E   E  mx Emy Suy E2   Emy Emx   0   (2.7.4) E1 Đây phương trình đường thẳng qua góc tọa độ, nghiêng góc so với trục x  ' xác định biểu thức, mô tả hình 2.8a: tan  '  Emy (2.7.5) Emx Đối với phân cực thẳng tùy theo hướng vectơ cường độ điện trường, người ta phân làm hai trường hợp phân cực ngang phân cực đứng  + Sóng phân cực đứng (phân cực V): trường hợp vectơ E có thành phần theo phương x (hình 2.8b)  + Sóng phân cực ngang (phân cực H): trường hợp vectơ E có thành phần theo phương y (hình 2.8c) Hình 2.8 phân cực thẳng (a), đứng (b), ngang (c) 42 2.8 Bức xạ phổ sóng điện từ 2.8.1 Bức xạ sóng điện từ Bức xạ điện từ truyền lượng điện từ từ khoảng không gian hạn chế chứa nguồn sang không gian xung quanh [Nguyễn Văn Hùng – Điện động lực học] Theo quan điểm cổ điển, chuyển động điện tử xung quanh hạt nhân tương đương với lưỡng cực điện dao động với tần số riêng 0 xác định hệ thức: 0  f m (2.8.1) Trong m khối lượng điện tử f hệ số lực đàn hồi làm cho điện tử dao động Một nguyên tử trung hòa xem tập hợp dao động tử Theo lý thuyết điện từ Maxwell, chuyển động có gia tốc điện tích dẫn đến xạ sóng điện từ với tần số riêng 0 không gian xung quanh 2.8.2 Phổ sóng điện từ Tần số 0 bước sóng  sóng điện từ liên hệ hệ thức: 0   c (2.8.2) Trong 0  lấy giá trị tùy ý, nghĩa phổ sóng điện từ phổ rộng liên tục Tuy ranh giới phổ liên tục đó, sóng điện từ với bước sóng khác tương tác khác với vật chất nên thực tế người ta thường phân biệt miền sóng, theo thứ tự tần số từ thấp đến cao (hình 2.9) 43 Hình 2.9 Phổ xạ sóng điện từ  Tia X: phát kim loại chịu bắn phá chùm điện tử có lượng lớn Bước sóng nằm khoảng từ 1010  108 m Bước sóng tia X vào khoảng khoảng cách nguyên tử tinh thể chất rắn nên có tượng nhiễu xạ tia X chiếu chúng qua tinh thể Hiện tượng nhiễu xạ dùng để xác định cấu trúc tinh thể chất rắn  Tia gamma (  ): phát hạt nhân nguyên tử phân rã phóng xạ Các tia vũ trụ gồm có hạt khác tia  Bước sóng chúng chân không nằm khoảng từ 10-13 đến 10-10 m  Sóng radio : sóng có bước sóng nằm khoảng từ  106 m tần số nằm khoảng từ 103 Hz  109 Hz (AM radio: 5.105 Hz  106 Hz , FM radio: 88  108 MHz )  Sóng vi ba: sóng tạo thành từ sóng vô tuyến tần số cao nhất, phát Trái Đất, tòa nhà, xe cộ, máy bay đối tượng kích thước lớn khác Sóng vi ba có tần số từ 109 Hz  3.1011 Hz (bước 44 sóng vào cỡ dm đến mm) ứng dụng radar, lò vi sóng, thông tin vệ tinh  Bức xạ hồng ngoại: sóng có tần số nằm khoảng 3.1011 Hz  3,85.1014 Hz , vật ấm phát ra, dùng nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật, chẩn đoán y học  Ánh sáng nhìn thấy: ánh sáng tương ứng với xạ điện từ dải tần số hẹp từ 3,84.1014 Hz  7, 69.1014 Hz (Bảng 2)  Tia tử ngoại: sóng có bước sóng khoảng 10-8m Màu  (10-6 m) 0 (1014 Hz) Đỏ 0.64  0.76 3.95  4.69 Da cam 0.59  0.65 4.61  5.08 Vàng 0.57  0.60 5.00  5.26 Lục 0.50  0.57 5.26  6.00 Lam 0.45  0.51 5.88  6.67 Chàm 0.43  0.46 6.52  6.98 Tím 0.38  0.44 6.82  7.89 45 KẾT LUẬN Đề tài trình bày số tính chất sóng điện từ chuyên ngành vật lý lí thuyết Đề tài thực với mong muốn đóng góp kinh nghiệm giúp bạn đọc nghiên cứu nhiều hơn, sâu sóng điện từ mọt só tính chất sóng điện từ Dù cố gắng song bước đầu bắt tay vào nghiên cứu, trình độ kinh nghiệm thân có hạn thời gian không cho phép nên nhiều vấn đề chưa đề cập tới Bởi lần đầu làm quen với công việc nghiên cứu khoa học nên khóa luận không tránh khỏi thiếu sót hạn chế Em mong nhận góp ý quý thầy cô bạn để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Đặng Thị Bích 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đào Văn Phúc– Điện động lực học –Nhà xuất Giáo Dục 1978 Nguyễn Văn Hùng– Điện động lực học – Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội Tôn Thất Bảo Đạt, Dương Hiển Thuận– Lý thuyết trường điện từ siêu cao tần – Đại học Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Nguồn internet 47 [...]...  0 t (1.3.12) Như vậy, điện trường và từ trường cùng thỏa mãn một dạng phương trình Phương trình đó là phương trình D’Alember (Dalambe) hay phương trình sóng Điện từ trường tự do tồn tại dưới dạng sóng điện từ 8 CHƯƠNG 2 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ 2.1 Mặt sóng Xét trường hợp đơn giản của một điện từ trường tự do mà các thành   phần điện E và từ H chỉ là hàm của một tọa độ (ví dụ tọa độ là... góc với phương truyền sóng Vậy sóng điện từ là sóng ngang Hình 2.1 Sóng điện từ là sóng ngang 10 2.3 Vận tốc của sóng điện từ trong một môi trường đồng chất và đẳng hướng Vận tốc truyền sóng điện từ trong một môi trường đồng chất đẳng hướng cho bởi: v c  Trong đó c = 3.108 m/s ;  và  lần lượt là hằng số điện môi và độ từ thẩm của môi trường:  = n gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường Trong... TM và Z ch  i   K  mn Bước sóng tới hạn của trường này cũng được biểu thị như dạng của biểu thức (2.6.13) Vậy từ các biểu thức đối với sóng từ ngang TMmn và sóng điện ngang TEmn,ta có thể rút ra một số nhận xét sau đây về tính chất của sóng truyền trong ống dẫn sóng hình chữ nhật: - Trường điện từ trong ống dẫn sóng sẽ có dạng sóng chạy dọc trục z nếu hẹ số truyền K là đại lượng thuần ảo, nghĩa... t t (2.5.6) Nghĩa là, trường điện và trường từ cũng thỏa mãn các phương trình có dạng như nhau Đó là các phương trình sóng điện từ trong các vật dẫn đồng chất 2.5.2 Sóng điện từ trong các điện môi đồng chất Như ta đã biết, sóng điện từ là sự lan truyền của trường điện từ tự do, tức là nó tồn tại độc lập đối với các điện tích, hay là   0, j  0 Đối với điện môi đồng chất ta có thể viết các phương... 9.109 9.1016  3.108 m / s  c Vậy vận tốc truyền sóng điện từ trong môi trường đồng chất và đẳng hướng là: c v  (m / s ) 2.4 Năng lượng của sóng điện từ 2.4.1 Năng lượng điện từ trường Điện trường và từ trường là những dạng của vật chất, có thuộc tính của vật chất vì thế chúng có năng lượng Điện từ trường có năng lượng, năng lượng đó không tập trung vào một chỗ như đối với các vật thể mà nó được giải... với trục x gọi là mặt v  đồng pha, hay mặt sóng, và sóng ở đây gọi là sóng điện từ phẳng 2.2 Sóng điện từ là sóng ngang Nếu điện từ trường là một sóng phẳng truyền theo chiều dương của Ox và biến thiên với chu kì   2 , thì phương trình sóng có dạng: T 9    E  E 0 exp i  t  k r  a   (2.2.1)   Trong đó k là vectơ sóng, r là bán kính vectơ của điểm quan sát với:  k r  x.k x  y.k... rộng rãi trong các thiết bị siêu cao tần Để sóng điện từ trong ống dẫn sóng không bị tổn hao đáng kể sau nhiều lần phản xạ và giao thoa, tần số sóng phải lớn hơn một giới hạn nào đó được gọi là tần số giới hạn Tiết diện của ống dây dẫn sóng càng bé thì tần số giới hạn càng cao Do đó để kích thước ống dẫn sóng không quá lớn thì tần số sóng truyền trong ống dẫn sóng phải lớn thường không thấp hơn 109 Hz... và chiều truyền sóng) Trị số của P là giá trị năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng, trong một đơn vị thời gian Nếu vẽ tưởng tượng trong trường điện từ các đường cong có tiếp tuyến  tại mỗi điểm trùng với hướng của các vectơ P thì những điểm đó biểu diễn đường truyền của năng lượng điện từ và được gọi là đường dòng năng lượng Vậy, sóng điện từ có mang theo... Phân bố các đường sức điện ,từ của sóng TM11 trong ống dẫn sóng trong mặt phẳng y=b/2 28 X  : E :H  : E :H Y b) a) Hình 2.6 Phân bố các đường sức sóng TE10 trong tiết diện ngang của ống dẫn sóng 2.6.2 Ống dẫn sóng hình trụ tròn Ngoài ống dẫn sóng chữ nhật, người ta còn sử dụng ống dẫn sóng trụ tròn để truyền sóng siêu cao Ống dẫn sóng trụ tròn là một ống làm bằng kim loại dẫn điện tốt, tiết diện... trình truyền sóng trong ống dẫn sóng có tiết diện hình chữ nhật và ống dẫn sóng trụ tròn Giả sử ống dẫn sóng rất dài so với tiết diện của ống, sóng điện từ biến thiên điều hoà với tần số  Ta cũng giả thiết, sự chuyền sóng trong ống không có tổn hao, thành ống là vật dẫn lý tưởng (độ dẫn điện    ) và điện môi bên trong cũng là lý tưởng (độ dẫn điện   0 ) Khi đó biên độ hình chiếu của các vectơ ... việc tiếp cận lí thuyết tìm hiểu tính chất sóng điện từ Mục đích nghiên cứu - Đưa hướng tiếp cận sóng điện từ hiểu khái niệm sóng điện từ - Tìm hiểu số tính chất sóng điện từ Đối tượng, phạm vi... Sóng điện từ - Phạm vi nghiên cứu: Một số tính chất sóng điện từ Giả thuyết khoa học - Sử dụng hệ phương trình Maxwell để từ đưa phương trình sóng điện từ - Phân tích số tính chất sóng điện từ. .. CHƯƠNG MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ 2.1 Mặt sóng 2.2 Sóng điện từ sóng ngang 2.3 Vận tốc sóng điện từ môi trường đồng chất đẳng hướng 11 2.4 Năng lượng sóng