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

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Từ trường biến thiên và điện trường xoáy

• Trong vùng không gian có từ trường biến thiên theo thời gian sẽ xuất hiện điện trường xoáy.

• Điện trường xoáy là điện trường có các đường sức điện là những đường cong khép kín.

• Nếu đặt dây dẫn kín trong vùng từ trường biến thiên thì xuất hiện dòng điện cảm ứng; chiều của điện trường xoáy trùng với chiều dòng điện cảm ứng.

• Kết luận của Maxwell: Trong vùng không gian có từ trường biến thiên theo thời gian thì trong vùng đó xuất hiện điện trường xoáy.

1.2. Điện trường biến thiên và từ trường

• Điện trường biến thiên theo thời gian cũng sinh ra từ trường.

• Khi tụ điện đang tích điện hoặc phóng điện, điện trường giữa hai bản tụ điện biến thiên theo thời gian.

• Điện trường biến thiên giữa hai bản tụ điện được xem tương đương với một dòng điện gọi là dòng điện dịch.

• Chính dòng điện dịch là nguyên nhân làm xuất hiện từ trường trong không gian xung quanh.

• Các đường sức từ của từ trường này bao quanh các đường sức điện và luôn khép kín.

Kết luận: Điện trường biến thiên theo thời gian sinh ra từ trường biến thiên trong không gian xung quanh.

1.3. Điện từ trường

• Từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra điện trường biến thiên.

• Điện trường biến thiên theo thời gian sinh ra từ trường biến thiên.

• Điện trường và từ trường luôn gắn bó chặt chẽ với nhau, có thể chuyển hóa lẫn nhau.

• Điện trường và từ trường là hai mặt biểu hiện của cùng một trường thống nhất gọi là điện từ trường.

• Tại mỗi điểm trong không gian, vectơ cường độ điện trường $\overrightarrow{E}$ luôn vuông góc với vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$.

2. MÔ HÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ

2.1. Sự tạo thành sóng điện từ

• Nếu tại một điểm xuất hiện điện trường biến thiên thì sẽ sinh ra từ trường biến thiên ở vùng lân cận.

• Từ trường biến thiên mới lại sinh ra điện trường biến thiên ở vùng kế tiếp.

• Quá trình điện trường và từ trường lan truyền trong không gian tạo thành sóng điện từ.

• Sóng điện từ là quá trình lan truyền điện từ trường trong không gian.

2.2. Sự lan truyền sóng điện từ

• Trong sóng điện từ, vectơ cường độ điện trường $\overrightarrow{E}$ vuông góc với vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$.

• Cả hai vectơ $\overrightarrow{E}$ và $\overrightarrow{B}$ đều vuông góc với phương truyền sóng.

• Sóng điện từ là sóng ngang.

• Các vectơ $\overrightarrow{E}$ và $\overrightarrow{B}$ biến thiên điều hòa theo không gian và thời gian.

• $\overrightarrow{E}$ và $\overrightarrow{B}$ luôn đồng pha.

• Sóng điện từ truyền được trong mọi môi trường vật chất và cả trong chân không.

• Trong quá trình lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng.

• Sóng điện từ tuân theo các hiện tượng truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, giao thoa và nhiễu xạ giống sóng cơ.

2.3. Bước sóng điện từ trong chân không

• Tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không bằng tốc độ ánh sáng:

$$\text{c≈3,0×}{10}^8\text{ m/s}$$• Bước sóng điện từ trong chân không:

$$\text{λ=cT=}\frac{c}{f}$$Trong đó:

• $\lambda$ là bước sóng.

• $T$ là chu kì dao động điện từ.

• $f$ là tần số dao động điện từ.

• $c$ là tốc độ ánh sáng trong chân không.

3. Hiểu sâu bản chất

💡 Maxwell là người đầu tiên chỉ ra mối liên hệ giữa điện trường biến thiên và từ trường biến thiên.

💡 Từ trường biến thiên sinh ra điện trường biến thiên, đồng thời điện trường biến thiên sinh ra từ trường biến thiên.

💡 Điện trường và từ trường không tồn tại tách rời mà tạo thành một trường thống nhất gọi là điện từ trường.

💡 Điện từ trường là sự thống nhất của điện trường biến thiên và từ trường biến thiên.

💡 Sóng điện từ thực chất là sự lan truyền điện từ trường trong không gian.

💡 Trong sóng điện từ, $\overrightarrow{E}$, $\overrightarrow{B}$ và phương truyền sóng đôi một vuông góc nhau.

💡 Sóng điện từ là sóng ngang.

💡 Sóng điện từ không cần môi trường truyền nên vẫn truyền được trong chân không.

💡 Tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không bằng tốc độ ánh sáng.

4. Ghi nhớ nhanh

• Từ trường biến thiên → sinh điện trường xoáy.

• Điện trường biến thiên → sinh từ trường biến thiên.

• Điện trường biến thiên + từ trường biến thiên → điện từ trường.

• Sóng điện từ là quá trình lan truyền điện từ trường trong không gian.

• $\overrightarrow{E}\perp \overrightarrow{B}$, $\overrightarrow{E}\perp$ phương truyền sóng, $\overrightarrow{B}\perp$ phương truyền sóng, $\overrightarrow{E}$ và $\overrightarrow{B}$ đồng pha.

• Sóng điện từ là sóng ngang.

• Sóng điện từ truyền được trong môi trường vật chất và trong chân không.

• $\text{c≈3,0×}{10}^8\text{ m/s}$.

• $\text{λ=cT=}\frac{c}{f}$.

5. Lưu ý cho học sinh

• Không nhầm điện trường xoáy với điện trường tĩnh do điện tích đứng yên tạo ra; đường sức của điện trường xoáy là các đường cong khép kín.

• Không nhầm rằng điện trường tĩnh sinh ra từ trường hoặc từ trường tĩnh sinh ra điện trường; chỉ điện trường hoặc từ trường biến thiên theo thời gian mới sinh ra trường còn lại.

• Điện trường biến thiên và từ trường biến thiên luôn xuất hiện đồng thời trong điện từ trường.

• Trong sóng điện từ, $\overrightarrow{E}$ và $\overrightarrow{B}$ không chỉ vuông góc với nhau mà còn cùng vuông góc với phương truyền sóng.

• Học sinh thường nhầm sóng điện từ là sóng dọc; thực tế sóng điện từ là sóng ngang.

• $\overrightarrow{E}$ và $\overrightarrow{B}$ luôn dao động đồng pha.

• Sóng điện từ không cần môi trường truyền nên có thể truyền trong chân không, đây là điểm khác biệt quan trọng so với sóng cơ.

• Khi tính bước sóng cần nhớ: $\text{λ=cT=}\frac{c}{f}$.

• Trong chân không, tốc độ truyền của mọi sóng điện từ đều bằng tốc độ ánh sáng $c$.