Bài 19. Điện từ trường. Mô hình sóng điện từ

I. LIÊN HỆ GIỮA ĐIỆN TRƯỜNG BIẾN THIÊN VÀ TỪ TRƯỜNG BIẾN THIÊN

1. Từ trường biến thiên và điện trường xoáy

Trong thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ, khi cho nam châm rơi qua ống dây, từ thông qua ống dây kín biến thiên thì trong ống dây xuất hiện dòng điện cảm ứng (Hình 19.1). Sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong dây dẫn đã xuất hiện một điện trường, có chiều là chiều của dòng điện cảm ứng; đường sức của điện trường mới này là các đường cong kín. Điện trường có tính chất này là điện trường xoáy.

James Clecrk Maxwell (Giêm Cô-lếch Mắc-xoen) đã phân tích bản chất của hiện tượng trên và cho rằng: điện trường xoáy vẫn xuất hiện ngay cả khi không có ống dây và vai trò của các vòng dây giúp ta nhận biết điện trường ấy trong suốt thời gian từ thông biến thiên.

Khái quát bản chất của hiện tượng trên, Maxwell kết luận: Trong vùng không gian có từ trường biến thiên theo thời gian thì trong vùng đó xuất hiện một điện trường xoáy.

2. Điện trường biến thiên và từ trường

Trong thí nghiệm Hình 19.1, khi từ trường biến thiên theo thời gian làm xuất hiện điện trường xoáy. Một câu hỏi ngược lại có thể đặt ra là điện trường biến thiên theo thời gian có làm xuất hiện từ trường không?

Thí nghiệm với dòng điện xoay chiều qua tụ điện cho thấy điện trường biến thiên theo thời gian và làm xuất hiện từ trường. Khi một tụ điện đang tích điện hoặc phóng điện, do sự thay đổi điện tích trên các bản tụ điện thì giữa hai bản tụ điện có một điện trường biến thiên tương đương với một dòng điện gọi là dòng điện dịch (Hình 19.3). Chính dòng điện này gây ra từ trường. Các đường sức của từ trường này bao quanh các đường sức của điện trường và luôn khép kín.

3. Điện từ trường

Maxwell đã đưa ra kết luận về mối liên quan chặt chẽ giữa điện trường biến thiên và từ trường biến thiên:

Từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra trong không gian xung quanh một điện trường biến thiên theo thời gian; ngược lại, điện trường biến thiên theo thời gian cũng sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian trong không gian xung quanh.

Như vậy, hai trường biến thiên này cùng tồn tại trong không gian, có thể chuyển hoá lẫn nhau trong một trường thống nhất, gọi là điện từ trường (Hình 19.4).

Sự biến thiên của từ trường và điện trường bao gồm sự thay đổi chiều và về độ lớn. Tuy nhiên, tại mỗi điểm trong không gian, vectơ cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\) luôn vuông góc với vectơ cường độ điện trường \(\overrightarrow{E}\).

II. MÔ HÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ

1. Sự tạo thành sóng điện từ

Nếu tại điểm O có một điện trường biến thiên \(\overrightarrow{E_1}\), thì theo kết luận của Maxwell, tại vùng lân cận sẽ xuất hiện một từ trường biến thiên \(\overrightarrow{B_1}\). Tiếp theo, vì có từ trường biến thiên, nên lại xuất hiện một điện trường \(\overrightarrow{E_2}\) biến thiên ở vùng lân cận khác, rồi tương tự, lại xuất hiện \(\overrightarrow{B_2}\),... Cứ như thế điện trường và từ trường lan truyền trong không gian như minh hoạ ở Hình 19.5.

Quá trình lan truyền điện từ trường trong không gian được gọi là sóng điện từ.

2. Sự lan truyền sóng điện từ

Tại mỗi điểm trong quá trình truyền sóng điện từ:

- Vectơ cường độ điện trường \(\overrightarrow{E}\) luôn vuông góc với vectơ cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\), cả hai vectơ này luôn vuông góc với phương truyền sóng. Do đó, sóng điện từ là sóng ngang (Hình 19.6).

- Cả \(\overrightarrow{E}\) và \(\overrightarrow{B}\) đều biến thiên điều hoà theo không gian và thời gian và luôn đồng pha.

Sóng điện từ truyền được trong chân không.

Trong chân không, sóng điện từ có bước sóng λ là:

\(\lambda=cT=\dfrac{c}{f}\)

trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không, T là chu kì của dao động điện từ, f là tần số của sóng điện từ.

Trong quá trình lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng. Sóng có tần số càng cao thì khả năng truyền càng xa. Sóng điện từ tuân theo quy luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, giao thoa và nhiễu xạ giống như sống cơ.