Thông báo tuyển sinh

        Khai giảng khóa K98 ngày 05/09 và 20/09/2017 => Xem chi tiết Tại đây

Bài 3: Điện từ trường

Bạn đánh giá:  / 1
DỡHay 

 

Điện trường tác dụng lực lên tất cả các hạt mang điện đặt trong nó và người ta gọi lực này là lực điện. Xét về bản chất, điện trường và từ trường là các biểu hiện riêng rẽ của một trường thống nhất là điện từ trường.

* Cường độ điện trường

Cường độ điện trường là đại lượng đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực.

Nó là đại lượng vật lý có hướng, được biểu diễn thông qua vector cường độ điện trường (thường được ký hiệu là E). Cường độ điện trường trong không gian có thể được biểu diễn bằng các đường sức điện trường. Vector cường độ điện trường có phương trùng với phương tiếp tuyến của đường sức điện trường và có chiều trùng với chiều của đường sức điện trường. Tâp hợp các đường sức cường độ điện trường gọi là điện phổ.

Một điện tích, q, nằm trong điện trường có cường độ điện trường, E, chịu lực tĩnh điện, F, tính theo:

F = q E

* Điện tích điểm

Cường độ điện trường gây ra bởi điện tích điểm được tính bằng công thức:

trong đó

·         q là độ lớn điện tích

·         độ điện thẩm chân không

·         hằng số điện môi của môi trường

·         r  là khoảng cách từ điện tích đến điểm ta xét

Với cường độ điện trường này, một điện tích khác nằm trong nó sẽ chịu lực điện tỷ lệ với tích hai điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.    *    Điện thế

Như mọi trường véctơ có dạng tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách (ví dụ như lực hấp dẫn), trường véc tơ cường độ điện trường là một trường véctơ bảo toàn. Điều này nghĩa là mọi tích phân đường của véctơ cường độ điện trường E từ vị trí r0 đến r:

Đó chính là lực Coulomb.

·         Tổng quát

Để tính được điện trường do một vật mang điện gây ra, có thể chia nó ra thành nhiều vật nhỏ hơn. Nếu phép chia tiến đến một giới hạn nào đó, vật nhỏ mang điện sẽ trở thành một điện tích. Khi đó có thể áp dụng nguyên lý chồng chất cho điện trường (hay còn gọi là nguyên lý tác dụng độc lập).

Cường độ điện trường tại một điểm trong điện trường do N điện tích điểm gây ra bằng tổng vectơ cường độ điện trường do từng điện tích điểm gây ra tại điểm đó.

đều có giá trị không phụ thuộc vào đường đi cụ thể từ r0 đến r.

Như vậy tại mỗi điểm r đều có thể đặt giá trị gọi là điện thế:

với φ(r0) là giá trị điện thế quy ước ở mốc r0.

3.2. Từ trường.

Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các môment lưỡng cực từ. Xét về bản chất, từ trường và điện trường là các biểu hiện riêng rẽ của một trường thống nhất là điện từ trường.

·         Cảm ứng từ

Cảm ứng từ là một đại lượng vector, thường được ký hiệu bằng chữ B, đặc trưng cho khả năng tương tác lực của từ trường lên điện tích chuyển động (xem mục bên dưới).

Trong chân không, các phương trình Maxwell (ở dạng vi phân trong hệ đo lường SI) liên quan đến cảm ứng từ là:

(định luật Gauss)

(định luật Faraday)

(định luật Ampere mở rộng)

Ở đây, Ecường độ điện trường, ε0μ0 lần lượt là hằng số điện môi chân khônghằng số từ môi chân không, jmật độ dòng điện.

Cảm ứng từ có đơn vị đo trong SITesla (T), 1 T = 1 Wb/m² = V s/m². 1 V s/m² có thể hiểu là cảm ứng từ trường mà nếu được giảm dần về 0 trong vòng 1 giây thì sẽ gây là sức điện động 1 Volt trên vòng dây có diện tích 1 mét vuông, theo định luật cảm ứng Faraday.

Trong hệ đo lường CGS, cảm ứng từ có đơn vị Gauss (G).

·         Cường độ từ trường

Cường độ từ trường là đại lượng véctơ, thường được ký hiệu bằng chữ H, cùng phương với B trong chân không:

H = B0 (trong hệ đo lường SI)

Trong môi trường vật chất có độ từ hóa M, véc tơ H được xây dựng để đóng vai trò tương tự như cường độ điện trường E của điện trường trong các phương trình Maxwell, thông qua mối liên liên hệ với cảm ứng từ, B, và độ từ hóa, M, qua hệ thức sau:

B = μ0(H + M) (trong hệ đo lường SI)

B = H + 4πM (trong hệ đo lường CGS)

Với mối liên hệ này, H cũng thỏa mãn các phương trình Maxwell tương tự như với E trong điện trường. Trong hệ đo lường SI:

Với ρmmật độ từ tích hiệu dụng, liên hệ với độ từ hóa M qua:

j là mật độ dòng điện tự do (tức là dòng điện chạy thông thường trên các vật dẫn điện, không phải dòng cảm ứng xuất hiện trên bề mặt khi các môment từ nguyên tử xoay cùng chiều).

Như vậy, trong chân không, M = 0, nên mối liên hệ rút gọn thành biểu thức đã nêu ở trên:

B = μ0H (trong hệ đo lường SI)

Trong các chất thuận từnghịch từ, M = χH, với χ là độ cảm từ, do đó hệ thức trở thành:

B = μ0(1+χ)H = μ0μrH = μH (trong hệ đo lường SI)

Đơn vị đo của cường độ từ trường trong SIA/m, và trong hệ đo lường CGSOersted.

·         Năng lượng

Mỗi đơn vị thể tích của từ trường chứa trong nó năng lượng từ u được tính bởi công thức:

u = (B. H)/2

Năng lượng này chỉ chiếm một phần trong năng lượng của trường điện từ tổng quát, phần còn lại là năng lượng của điện trường.

·         Tương tác

-          Với điện tích điểm


Quy tắc bàn tay phải ( định luật Biot-Savart-Laplace) để xác định hướng của lực F trong phép nhân véc tơ vận tốc v với cảm ứng từ B

Hạt mang điện tích q chuyển động với vận tốc v trong từ trường có cảm ứng từ B sẽ chịu lực tác dụng:

F = q v × B

Đây là một trong các thành phần của lực điện từ tác dụng lên hạt mang điện.

·         Với dòng điện

Dòng điện có thể coi là dòng các hạt mang điện chuyển động, mỗi hạt chịu lực tác động của từ trường bên ngoài theo công thức nêu trên. Tổng hợp các lực này lại, chúng ta thu được lực tác động lên đoạn dây dài dlcường độ dòng điện chạy qua I trong từ trường có cảm ứng từ B là:

F = I dl × B

·         Với mômen từ

Mômen từ, có thể coi theo quan điểm của điện động lực học cổ điển là các vòng dây khép kín. Tổng hợp các lực tương tác lên toàn bộ vòng dây (lực tương tác lên từng đoạn dây điện ngắn được mô tả bên trên) sẽ tạo ra ngẫu lực và lực đẩy hoặc kéo tổng hợp lên mômen từ.

Kết quả là, khi một vật thể có mômen từ m đặt trong từ trườngcảm ứng từ B, sẽ có một mômen lực tác dụng lên mômen lưỡng cực từ cho bởi:

T = m × B

Mômen lực này khiến cho các mômen lưỡng cực từ có xu hướng định hướng theo chiều từ trường. Đây là nguyên lý hoạt động của la bàn hay nhiều loại động cơ điện.

Do lực từ tác động lên môment từ là lực thế, các mômen từ nằm trong từ trường cũng có thế năng:

U = -m.B

Nếu mômen từ nằm trong từ trường không đều, nó vừa chịu mômen lực vừa chịu lực đẩy hoặc kéo F:

Lực hút đẩy này lý giải lực hút đẩy giữa các nam châm.

·         Tính tương đối

-          Quy tắc bàn tay trái

Quy tắc bàn tay trái nhằm xác định hướng lực từ trong từ trường: ngón cái choãi vuông góc với ngón trỏ, lòng bàn tay hứng lấy từ trường. Chiều từ cổ tay tới ngón tay là chiều dòng điện thì ngón cái chỉ lực từ.

·         Từ trường của dòng điện đi qua cuộn dây.

-Khi ta cho dòng điện chạy qua cuộn dây, trong lòng cuộn dây xuất hiện từ trường là các đường sức song song, nếu lõi cuộn dây được thay bằng lõi thép thì từ trường tập trung trên lõi thép và lõi thép trở thành một chiếc nam châm điện, nếu ta đổi chiều dòng điện thì từ trường cũng đổi hướng

-  Dòng điện một chiều cố định đi qua cuộn dây sẽ tạo ra từ trường cố định, dòng điện biến đổi đi qua cuộn dây sẽ tạo ra từ trường biến thiên.

- Từ trường biến thiên có đặc điểm là sẽ tạo ra điện áp cảm ứng trên các cuộn dây đặt trong vùng ảnh hưởng của từ trường , từ trường cố định không có đặc điểm trên.

* Lực điện từ
Nếu có một dây dẫn đặt trong một từ trường, khi cho dòng điện chạy qua thì dây dẫn có một lực đẩy => đó là lực điện từ, nếu dây dẫn để tụ do chúng sẽ chuyển động trong từ trường, nguyên lý này được ứng dụng khi sản xuất loa điện động.

3.3. Sóng Điện Từ

3.3.1. Những kiến thức cơ bản về song điện từ

Lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell đã giải thích sự xuất hiện của sóng điện từ như sau. Mọi điện tích khi thay đổi vận tốc (tăng tốc hay giảm tốc), hoặc mọi từ trường biến đổi, đều là nguồn sinh ra các sóng điện từ . Khi từ trường hay điện trường biến đổi tại một điểm trong không gian, theo hệ phương trình Maxwell, các từ trường hay điện trường ở các điểm xung quanh cũng bị biến đổi theo, và cứ như thế sự biến đổi này lan toả ra xung quanh với vận tốc ánh sáng. Xem ( Lý Thuyết James Maxwell về Sóng Điện Từ )

Khi có sự kết hợp (nhân vector) của dao động điện trườngtừ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng gọi là Sóng Điện Từ. Sóng điện từ cũng bị lượng tử hoá thành những "đợt sóng" có tính chất như các hạt ánh sáng hay Quang Tử chuyển động với vận tốc ánh sáng


Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượngthông tin.

Sóng điện từ với bước sóng nằm trong khoảng 400 nm và 700 nm có thể được quan sát bằng mắt người và gọi là ánh sáng.

Trong chân không, các thí nghiệm đã chứng tỏ các bức xạ điện từ đi với vận tốc không thay đổi, thường được ký hiệu là c=299.792.458 m/s, thậm chí không phụ thuộc vào hệ quy chiếu. Hiện tượng này đã thay đổi nhiều quan điểm về cơ học cổ điển của Isaac Newton và thúc đẩy Albert Einstein tìm ra lý thuyết tương đối.

Sóng điện từ là sóng ngang, nghĩa là nó là sự lan truyền của các dao động liên quan đến tính chất có hướng (cụ thể là cường độ điện trườngcường độ từ trường) của các phần tử mà hướng dao động vuông góc với hướng lan truyền sóng.

Như nhiều sóng ngang, sóng điện từ có hiện tượng phân cực.

Năng lượng của một hạt quang tử có bước sóng λ là E = hc / λ

Trong tương tác với các nguyên tử, phân tử và các hạt cơ bản, các tính chất sóng điện từ phụ thuộc ít nhiều vào bước sóng (hay năng lượng của các photon). Dưới đây là một vài ví dụ. Xin xem chi tiết thêm ở các trang dành cho các loại sóng điện từ riêng.

Radio . Radio có ít tương tác với vật chất vì năng lượng của photon nhỏ. Nó có thể đi vượt qua khoảng cách dài mà không mất năng lượng cho tương tác, do vậy được sử dụng để truyền thông tin, như trong kỹ thuật truyền thanh. Khi thu nạp radio bằng ăng-ten, người ta tận dụng tương tác giữa điện trường của sóng với các vật dẫn điện. Các dòng điện sẽ dao động qua lại trong vật dẫn điện dưới ảnh hưởng của dao động điện trong sóng radio.

Vi sóng . Tần số dao động của vi sóng trùng với tần số cộng hưởng của nhiều phân tử hữu cơ có trong sinh vật và trong thức ăn. Do vậy vi sóng bị hấp thụ mạnh bởi các phân tử hữu cơ và làm chúng nóng lên khi năng lượng sóng được chuyển sang năng lượng nhiệt của các phân tử. Tính chất này được sử dụng để làm lò vi sóng.

Ánh sáng . Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người. Có 3 loại tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người, cảm nhận 3 vùng quang phổ khác nhau (tức ba màu sắc khác nhau). Sự kết hợp cùng lúc 3 tín hiệu từ 3 loại tế bào này tạo nên những phổ màu sắc phong phú. Để tạo ra hình ảnh màu trên màn hình, người ta cũng sử dụng 3 loại đèn phát sáng ở 3 vùng quang phổ nhạy cảm của người.

Sóng Điện Từ được dùng nhiều trong các ứng dụng Truyền Tin Viển Thông như Truyền Thanh , Truyền Hình không dây

·         Tính Chất Sóng Điện Từ

Mọi Sóng Điện Từ đều di chuyển với Vận tốc Ánh sáng mang theo năng lượng lượng tử

Vận Tốc di chuyển

v = λ f = C

Năng Lượng

E = h f

 Quang Phổ Sóng Điện Từ

Electromagnetic spectrum with visible light highlighted

3.3.2.Ứng Dụng

Hỗ trợ trực tuyến

Mr Nam

Yahoo! Messenger
Call: 0903406798
--------------

 Ms Lan

Yahoo! Messenger

Điện thoại: 04 38697201

Cell: 0903246758

daynghedatviet@gmail.com

Sơ đồ mạch điện Laptop

Đang có 447 khách và không thành viên đang online

Đường đến Dạy Nghề Đất Việt

Liên hệ học nghề quảng cáo và Dịch vụ
Mô hình thiết bị dạy nghề Điện lạnh