NỘI DUNG
* James Clerk Maxwell sinh ngày13 - 6 -
1831 tại Edinburgh, Scotland, và mất ngày
Ông là một nhà toán học và vật lý học nổi tiếng thế kỷ 19, có ảnh hưởng lớn đến vật lý thế kỷ 20 Ông đã phát triển lý thuyết về trường điện từ, kết hợp điện trường và từ trường, và đưa ra giả thuyết rằng ánh sáng là một dạng sóng điện từ.
* Những cống hiến của Maxwell:
Vào năm 1855 - 1856, Maxwell đã công bố bài viết "Về các đường sức từ của Faraday", trong đó ông chứng minh rằng sự tương tác giữa điện và từ trường có thể được mô tả thông qua các công thức toán học thực nghiệm.
Maxwell đã thiết lập khoảng 20 phương trình về điện động lực học, và sau khi ông qua đời, nhà vật lý Oliver Heaviside đã cô đọng thành 4 phương trình nổi tiếng Qua nghiên cứu các phương trình này, Maxwell nhận ra rằng sóng điện từ truyền đi với tốc độ gần bằng vận tốc ánh sáng, từ đó ông kết luận rằng ánh sáng chính là một dạng sóng điện từ Ông cũng chứng minh rằng điện lực và từ lực là hai khía cạnh bổ sung cho nhau của lực điện từ.
- Năm 1864, toàn bộ tập phát triển điện từ Maxwell xuất hiện trong bài báo của ông mang tên: Về một lí thuyết động lực học của trường điện từ
- Đến năm 1873, Maxwell cung cấp một sự trình bày chi tiết lí thuyết điện từ của ông trong cuốn sách: “Chuyên luận về điện từ”.
SỰ RA ĐỜI LÍ THUYẾT ĐIỆN TỪ TRƯỜNG CỦA MAXWELL
Giới thiệu về nhà vật lý James Clerk Maxwell
* James Clerk Maxwell sinh ngày13 - 6 -
1831 tại Edinburgh, Scotland, và mất ngày
Ông là một nhà toán học và vật lý học nổi tiếng của thế kỷ 19, có ảnh hưởng lớn đến nền vật lý thế kỷ 20 Ông đã phát triển lý thuyết về trường điện từ, kết hợp điện trường và từ trường, đồng thời đưa ra giả thuyết rằng ánh sáng là một dạng sóng điện từ.
* Những cống hiến của Maxwell:
Vào năm 1855 - 1856, Maxwell đã cho ra đời bài viết “Về các đường sức từ của Faraday”, trong đó ông chứng minh rằng sự tương tác giữa điện và từ trường có thể được mô tả thông qua các công thức toán học thực nghiệm.
Maxwell đã phát triển khoảng 20 phương trình về điện động lực học, và sau khi ông qua đời, nhà vật lý Oliver Heaviside đã tổng hợp chúng thành 4 phương trình nổi tiếng Qua nghiên cứu, Maxwell phát hiện rằng sóng điện từ di chuyển với tốc độ gần bằng ánh sáng, dẫn đến kết luận rằng ánh sáng thực chất là một dạng sóng điện từ Ông cũng chứng minh rằng điện lực và từ lực là hai khía cạnh bổ sung cho nhau trong lực điện từ.
- Năm 1864, toàn bộ tập phát triển điện từ Maxwell xuất hiện trong bài báo của ông mang tên: Về một lí thuyết động lực học của trường điện từ
- Đến năm 1873, Maxwell cung cấp một sự trình bày chi tiết lí thuyết điện từ của ông trong cuốn sách: “Chuyên luận về điện từ”
Khóa luận tốt nghiệp Khoa: Vật lí
Cơ sở xây dựng lí thuyết điện từ trường của Maxwell
Dựa trên ý tưởng của Michael Faraday về điện trường, Maxwell đã phát triển thuyết động học chất khí bằng cách áp dụng toán học và phương pháp thực nghiệm Năm 1865, ông đã thiết lập 20 phương trình với 20 ẩn số, tạo nên một lý thuyết mới trong lĩnh vực điện từ.
Các phương trình của Maxwell bao gồm các định luật cơ bản của điện trường và từ trường
Năm 1884, Oliver Heaviside và Willard Gibbs đã chuyển đổi 20 phương trình Maxwell thành dạng phương trình vectơ, dựa trên tính đối xứng của các trường trong biểu diễn toán học Điều này đã tạo nền tảng cho sự phát triển của vật lý hiện đại, bao gồm thuyết tương đối hẹp và vật lý lượng tử.
Các phương trình Maxwell dự đoán sự tồn tại của sóng điện từ, cho thấy điện từ trường biến thiên và truyền trong không gian với một vận tốc xác định Qua các thí nghiệm, Maxwell đã chứng minh rằng sóng điện từ và ánh sáng có cùng vận tốc, từ đó ông kết luận rằng ánh sáng chính là sóng điện từ.
Những nghiên cứu thực nghiệm xác minh sự tồn tại của trường điện từ
Heinrich Rudolf Hertz (sinh ngày 22
Heinrich Hertz (1857-1894) là một nhà vật lý người Đức nổi bật, người đã làm sáng tỏ và mở rộng lý thuyết điện từ của ánh sáng do James Clerk Maxwell đề ra Ông là người đầu tiên chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ bằng cách chế tạo thiết bị phát và thu sóng vô tuyến VHF và UHF Năm 1885, Hertz trở thành giáo sư tại Đại học Karlsruhe, nơi ông đã phát hiện ra sóng điện từ.
Khóa luận tốt nghiệp Khoa: Vật lí
Năm 1887, Heinrich Hertz đã nghiên cứu hiệu ứng quang điện trong việc phát và thu sóng điện từ, công trình này được công bố trên tạp chí Annalen der Physik Đến đầu năm 1886, ông đã phát triển thiết bị thu sóng ăng ten Hertz, một hệ thống thiết bị đầu cuối không dựa vào các hoạt động điện của nó.
Vào năm 1887, Heinrich Hertz đã tiến hành các thí nghiệm với sóng vô tuyến trong phòng thí nghiệm của mình, phát hiện ra rằng sóng này có khả năng truyền qua nhiều loại vật liệu và có thể bị phản xạ bởi các vật thể khác, điều này đã đặt nền tảng cho sự phát triển của công nghệ rađa sau này.
Ông không nhận ra tầm quan trọng của các thí nghiệm mà mình thực hiện, cho rằng chúng không có giá trị thực tiễn và chỉ nhằm chứng minh rằng Maxwell đã đúng.
- Vào năm 1887, Heinrich Hertz đã thực hiện thành công các thí nghiệm phát và thu sóng điện từ
+ Dụng cụ: Một cuộn dây cảm ứng; một đầu kim loại dài khoảng 1 mét
Để thực hiện thí nghiệm, đầu tiên, bạn cần kết nối một nguồn điện xoay chiều cao tần vào hai đầu của cuộn dây cảm ứng (cuộn dây Ruhmkorff) và một đầu kim loại dài 1 mét Điều chỉnh công suất các phần tử để đạt được cộng hưởng điện, sau đó điều chỉnh điện áp và khoảng cách giữa hai đầu kim loại để tạo ra hiện tượng phóng tia lửa điện Cuối cùng, đặt toàn bộ thiết bị vào trong một hộp tối để quan sát rõ hơn hiện tượng tia lửa điện.
Heinrich Hertz đã phát minh ra một mạch dao động bằng cách chế tạo một vòng kim loại có khe nhỏ bên trong, nhằm thiết kế một thiết bị nhận sóng Khi vòng kim loại được đưa gần máy dao động, các tia lửa điện từ dòng điện nhảy qua khe, chứng minh rằng sóng điện có thể phát hiện và truyền đi trong không gian.
- Nhận xét: Xuất hiện xung điện biến thiên giữa hai bản kim loại
Khóa luận tốt nghiệp Khoa: Vật lí
Khi nguồn điện xoay chiều được áp dụng vào hệ thống, điện tích của hai bản kim loại sẽ tăng đến mức tối đa và sau đó ngừng tích điện Sự hiện diện của cuộn cảm trong hệ thống tạo ra một mạch dao động giữa cuộn cảm và thanh kim loại, dẫn đến hiện tượng phóng điện giữa hai bản kim loại.
- Giải thích theo quan điểm Maxwell:
Khi xảy ra phóng điện giữa hai bản kim loại, điện trường sẽ giảm và biến thiên theo thời gian Sự biến thiên của điện trường này dẫn đến việc hình thành một từ trường biến thiên trong không gian xung quanh.
Khi từ trường biến thiên theo thời gian thì lại làm xuất hiện điện trường xoáy
Kết quả là làm xuất hiện một trường điện từ lan truyền trong không gian Sự lan truyền đó gọi là sóng điện từ
1.3.2 Máy vô tuyến điện đầu tiên của Popov
Aleksandr Stepanovich Popov(1859 - 1905), nhà vật lý học Nga,sinh tại thành phố Perm
Vào ngày 7 tháng 5 năm 1895, Popov đã trình bày một báo cáo tại Hội Vật lý và Hóa học Nga về mối quan hệ giữa bột kim loại và dao động điện, tổng kết những hiểu biết và kinh nghiệm của ông về sóng điện từ Sau một năm làm việc chăm chỉ để hoàn thiện các bộ phận như máy thu, máy phát và ăng-ten, Popov đã thành công trong việc truyền đi bức điện vô tuyến đầu tiên trên thế giới với hai chữ "Heinrich Hertz".
Khóa luận tốt nghiệp Khoa: Vật lí
GIẢ THUYẾT VÀ HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VỀ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ
Hai giả thuyết của Maxwell
Khi từ trường thay đổi theo thời gian, nó tạo ra một điện trường xoáy, với các đường sức điện bao quanh các đường cảm ứng từ.
Khi điện trường thay đổi theo thời gian, nó tạo ra một từ trường, trong đó các đường cảm ứng từ bao quanh các đường sức của điện trường.
Một số khái niệm cơ bản về trường điện từ
2.2.1 Vectơ cường độ điện trường
- Đặt một điện tích thử q trong điện trường thì điện tích q chịu tác dụng của lực điện
Cường độ điện trường là đại lượng phản ánh tác dụng lực của điện trường lên một điện tích thử Nó được tính theo công thức cụ thể, thể hiện mối quan hệ giữa lực và điện tích trong điện trường.
2.2.2 Vectơ điện cảm và vectơ phân cực điện
- Khi đặt điện môi vào trong điện trường thì xảy ra hiện tượng phân cực Mức độ phân cực điện môi được đặc trưng bởi vectơ phân cực điện P
- Vectơ điện cảm D được định nghĩa: D = ε0 E + P (2.2)
Khóa luận tốt nghiệp Khoa: Vật lí
(F/m) : hằng số điện Đơn vị [D] = C/m 2
- Đối với môi trường tuyến tính và đẳng hướng thì: P = ε0 χ0 E (2.3) Với χ0 : là hệ số phân cực điện
Với: εr = 1 + χ0 là độ điện thẩm tỉ đối của môi trường so với chân không ( hay hệ số điện môi tương đối) ε = ε0 εr (F/m) : Độ thẩm điện của môi trường
- Một điện tích thử q được đặt trong một từ trường và chuyển động với vận tốc v, thì hạt chịu tác dụng của lực Lorenxo: F L = q.vB (2.5)
- Vectơ cường độ từ trường B được đặc trưng cho lực tác dụng của từ trường lên điện tích chuyển động
2.2.4 Vectơ cường độ từ trường và vectơ phân cực từ
Từ môi là môi trường chứa các dòng phân tử có liên kết, khi chịu tác động của từ trường, các spin và dòng phân tử sẽ xoay theo hướng của từ trường B, tạo ra các cực từ nhỏ Hiện tượng này được gọi là phân cực từ.
Khi từ môi được đặt trong từ trường, hiện tượng phân cực xảy ra, với mức độ phân cực được biểu thị bằng vectơ phân cực từ M.
- Vectơ cường độ từ trường H được định nghĩa: H = B M
Với μ0 = 4π.10 -17 (H/m) : hằng số từ Đơn vị [H] = A/m
- Đối với môi trường tuyến tính và đẳng hướng thì: M = μ0 χM H (2.7) Với χM : là hệ số phân cực từ
Khóa luận tốt nghiệp Khoa: Vật lí
Với: μ r = 1 + χM là độ từ thẩm tỉ đối của môi trường so với chân không ( hay hệ số từ môi tương đối) μ = μ 0 μ r (H/m) : Độ từ thẩm của môi trường
2.2.5 Dòng điện dẫn và mật độ dòng điện dẫn
Dòng điện dẫn là sự chuyển động có hướng của các hạt mang điện dưới tác động của điện trường Cường độ dòng điện I được xác định bằng lượng điện tích q di chuyển qua một diện tích S vuông góc với dòng chảy trong một khoảng thời gian nhất định.
Mật độ dòng điện dẫn J là một vectơ có hướng tương ứng với chuyển động của điện tích tại điểm khảo sát, với độ lớn thể hiện lượng điện tích đi qua một bề mặt vuông góc với hướng chuyển động trong một đơn vị thời gian.
2.2.6 Dòng điện dịch và mật độ dòng điện dịch
- Dòng điện dịch là dòng điện tương đương với dòng điện biến đổi theo thời gian về phương diện sinh ra từ trường
- Vectơ mật độ dòng điện dịch bằng tốc độ biến thien theo thời gian của vectơ điện cảm D t
Hệ thống các phương trình trường điện từ
Trong trường điện từ, ta có các hệ thống phương trình trường điện từ như sau:
* Dạng tích phân: dS t dl B
Khóa luận tốt nghiệp Khoa: Vật lí
Phương trình mô tả rằng lưu số của vectơ cường độ điện trường xoáy qua một đường cong kín bất kỳ có giá trị tuyệt đối bằng với tốc độ biến thiên theo thời gian của từ thông qua diện tích giới hạn bởi đường cong đó, nhưng có dấu hiệu trái ngược.
- Ý nghĩa: Cho phép ta tính được điện trường xoáy E nếu biết trước quy luật biến đổi của từ trường theo thời gian
Nội dung của phương trình cho thấy rằng lưu số của vector cường độ từ trường dọc theo một đường cong kín bất kỳ tương đương với cường độ dòng điện toàn phần chạy qua diện tích giới hạn bởi đường cong đó Điều này nhấn mạnh mối liên hệ giữa từ trường và dòng điện trong các hiện tượng điện từ.
Điện từ trường cho phép chúng ta xác định từ trường dựa trên sự phân bố của dòng điện và quy luật biến đổi theo thời gian của điện trường tại mọi điểm trong không gian.
(2.15) với D = εε0 E : là vectơ điện cảm
2.3.3 Định lí Ostrogradsky - Gauss đối với điện trường:
S (2.16) với q : điện tích tự do bên trong mặt kín S
- Dạng vi phân: divD = ρ ; divB z
2.3.4 Định lí Ostrogradsky - Gauss đối với từ trường:
Khóa luận tốt nghiệp Khoa: Vật lí
2.3.5.1 Hệ phương trình Maxwell thứ nhất
* Dạng tích phân: * Dạng vi phân:
* Ý nghĩa: Giúp ta xác định từ trường do dòng điện và từ trường biến thiên ra
2.3.5.2 Hệ phương trình Maxwell thứ hai
* Dạng tích phân: * Dạng vi phân:
* Ý nghĩa: Giúp ta xác định được điện trường xoáy do từ trường biến thiên gây ra.
Tính tương đối của trường điện từ
Theo thuyết tương đối, không gian và thời gian là tương đối, dẫn đến trường điện từ cũng mang tính tương đối Điều này có nghĩa là các đặc tính của trường điện từ phụ thuộc vào hệ quy chiếu quán tính mà chúng ta đang xem xét.
* Xét hai hệ quy chiếu quán tính Oxyz và O’x’y’z’ trong trường hợp v