Trường điện từ

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm

Trường điện từ (còn gọi là trường Maxwell) là một trong những trường của vật lý học. Nó là một dạng vật chất đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mang điện. Trường điện từ cũng do các hạt mang điện sinh ra, và là trường thống nhất của điện trườngtừ trường. Đặc trưng cho khả năng tương tác của trường điện từ là các đại lượng cường độ điện trường, độ điện dịch, cảm ứng từcường độ từ trường (thường được ký hiệu lần lượt là E, D, BH).

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

Năm 1865, nhà vật lý người Anh James Clerk Maxwell đã kết hợp các định luật về điệntừ đã biết để tạo ra lý thuyết Maxwell. Lý thuyết này dựa trên sự tồn tại của các trường, hiểu nôm na là môi trường truyền tác động từ nơi này đến nơi khác. Ông nhận thấy rằng các trường truyền nhiễu loạn điện và từ là các thực thể động: chúng có thể dao động và truyền trong không gian. Lý thuyết Maxwell có thể gộp lại vào hai phương trình mô tả động học của các trường này, gọi là các phương trình Maxwell. Dựa vào lý thuyết này, Maxwell đã đi đến một kết luận: tất cả các sóng điện từ đều truyền trong không gian (chân không) với một vận tốc không đổi bằng vận tốc ánh sáng.

Các phương trình Maxwell[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Phương trình Maxwell

Để mô tả trường điện từ, Maxwell đã đưa ra những phương trình cơ bản tạo thành hệ các phương trình Maxwell về trường điện từ.

Phương trình Maxwell-Faraday[sửa | sửa mã nguồn]

Phương trình này diễn tả luận điểm thứ nhất của Maxwell về mối liên hệ giữa từ trường biến thiênđiện trường xoáy.

Dạng vi phân:

\nabla\times\mathbf E = - {\mathbf{dB} \over dt} \,

Dạng tích phân:

\oint_{C} \mathbf E \mathbf {dl} = - \iint_{S}^{} {\mathbf {dB} \over dt} \mathbf {dS} \,

Phương trình Maxwell-Ampere[sửa | sửa mã nguồn]

Phương trình này diễn tả luận điểm thứ hai của Maxwell, theo đó điện trường biến thiên cũng sinh ra từ trường như dòng điện dẫn.

Dạng vi phân:

\nabla \times \mathbf H = \mathbf j + {\mathbf {dD} \over dt} \,

Dạng tích phân:

\oint_{C} \mathbf H \mathbf {dl} = \iint_{S}^{} (\mathbf j + {\mathbf {dD} \over dt}) \mathbf {dS} \,

Định lí Otrogradski - Gauss với điện trường[sửa | sửa mã nguồn]

Định lí này diễn tả tính không khép kín của các đường sức điện trường tĩnh, chúng luôn từ các điện tích dương đi ra và đi vào các điện tích âm.

Dạng vi phân:

\nabla\cdot \mathbf D = \rho \,

Dạng tích phân:

\iint_{S}^{} \mathbf D \mathbf {dS} = q \,

Định lí Otrogradski - Gauss với từ trường[sửa | sửa mã nguồn]

Định lí này diễn tả tính khép kín của các đường sức từ, theo đó từ trường là trường không có nguồn.

Dạng vi phân:

\nabla\cdot\mathbf B = 0 \,

Dạng tích phân:

\iint_{S}^{} \mathbf B \mathbf {dS} = 0 \,

Năng lượng[sửa | sửa mã nguồn]

Trong khoảng không gian có trường điện từ thì cũng có năng lượng định xứ, với mật độ u tính bằng:

u = (E.D + B.H)/2

Ở đây, E, D, B, H lần lượt là cường độ điện trường, độ điện dịch, cảm ứng từcường độ từ trường của điện từ trường. Như vậy trên thể tích V, tổng năng lượng điện từ là:

W = {1 \over 2} \int_{V}^{} (\mathbf{E}\cdot\mathbf{D} + \mathbf{B}\cdot\mathbf{H})dV \,

Trong chân không, D = ε0EB = μ0H với ε0 và μ0 lần lượt là hằng số điện môi chân khônghằng số từ môi chân không. Do đó, mật độ năng lượng điện từ trường trong chân không có thể rút gọn thành:

u = (ε0|E|2 + μ0|H|2)/2

Trong môi trường điện môi lý tưởng D = ε0εrE = εEthuận từ hoặc nghịch từ lý tưởng B = μ0μrH = μH. Do đó, mật độ năng lượng điện từ trường trong các môi trường này có thể rút gọn thành:

u = (ε|E|2 + μ|H|2)/2

Tính tương đối[sửa | sửa mã nguồn]

Trường điện từ được sinh ra bởi các điện tích chuyển động và đứng yên. Tính chất chuyển động hay đứng yên của các hạt mang điện hoàn toàn phụ thuộc vào hệ quy chiếu. Do đó, các tính chất của trường điện từ phụ thuộc hệ quy chiếu trong đó ta đứng yên để quan sát chúng.

Tương tác[sửa | sửa mã nguồn]

Một hạt mang điện tích q chuyển động với vận tốc v trong một điện từ trường, có cường độ điện trường E và cảm ứng từ B sẽ chịu lực tác dụng, F, gọi là lực Lorentz:

\mathbf{F} = q(\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B})

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  • Jackson J.D., Classical Electrodynamics, John Wiley & Sons, 1962.
  • Nguyễn Phúc Thuần, Điện động lực học, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, 1998.

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]