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 $c$.

5. Mở rộng và nâng cao – Dành cho học sinh giỏi và thi đánh giá năng lực

5.1. Cấu trúc của sóng điện từ

Trong sóng điện từ phẳng, $\overrightarrow{E}$, $\overrightarrow{B}$ và phương truyền sóng đôi một vuông góc; $\overrightarrow{E}$ và $\overrightarrow{B}$ dao động cùng pha.

$$\frac{E}{B}\text{= c}$$

5.2. Năng lượng và cường độ sóng

Năng lượng được truyền theo phương truyền sóng. Với sóng hình sin trong chân không, cường độ trung bình tỉ lệ bình phương biên độ điện trường:

$$\text{I =}\frac{1}{2}{\mathrm{c\epsilon }}_0{E}_0^2$$

5.3. Phổ điện từ và photon

Tần số không đổi khi sóng truyền qua mặt phân cách, còn bước sóng thay đổi theo tốc độ truyền.

$$\text{c = λf;}{E}_{\text{photon}}\text{= hf}$$

5.4. Phân cực

Sóng điện từ là sóng ngang nên có thể phân cực. Phương phân cực thường được quy ước theo phương dao động của điện trường.

5.5. Câu hỏi tư duy nâng cao

1. Khi biên độ điện trường tăng hai lần, cường độ sóng thay đổi thế nào?

2. Đại lượng nào không đổi khi sóng đi từ không khí vào thủy tinh?

3. Vì sao hiện tượng phân cực chứng tỏ sóng điện từ là sóng ngang?

Gợi ý ngắn: (1) tăng bốn lần; (2) tần số; (3) chỉ sóng ngang có phương dao động xác định vuông góc phương truyền.