Chương 6: Từ trường và sóng điện từ - Môn: Vật lý đại cương

Chia sẻ: Ba Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

192
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liêụ tham khảo bài giảng về Vật lý đại cương ((A1)) dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học . Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động cơ học (phương trình chuyển. vật lý có quan hệ mật thiết với toán học.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 6: Từ trường và sóng điện từ - Môn: Vật lý đại cương

Chương 6 T TRƯ NG VÀ SÓNG ðI N T § 6.1. T TRƯ NG VÀ VÉC TƠ C M NG T 6.1.1.Thí nghi m v tương tác t Thí nghi m 1: ðưa thanh nam châm l i g n kim nam châm thì kim nam châm b hút ho c b ñ y tùy theo c c gi a chúng Thí nghi m 2: ðưa kim nam châm l i g n dòng ñi n thì kim nam châm cũng b hút ho c b ñ y (hình 6.1.a). Thí nghi m 3: ðưa thanh nam châm l i g n ng dây ñi n, ng dây s b hút ho c b ñ y (hình 6.1.b). ho c ñ y nhau tùy theo chi u c a dòng ñi n. .v n Thí nghi m 4: ðưa hai dây d n có dòng ñi n ch y qua l i g n nhau, chúng s hút nhau I 4 h N o c2 ih S N S V (a) u (b) I Hình 6.1 Các tương tác x y ra trong các thí nghi m ñư c g i là tương tác t . 6.1.2. Khái ni m v t trư ng. Qua thí nghi m v tương tác t ta có th rút ra tương tác t là tương tác gi a các ñi n tích chuy n ñ ng. ð gi i thích quá trình x y ra tương tác t , v t lý hi n ñ i ñã cho r ng: Xung quanh các dòng ñi n hay các ñi n tích chuy n ñ ng ñã xu t hi n môi trư ng ñ c bi t ñ th c hi n truy n các tương tác gi a các ñi n tích chuy n ñ ng. Môi trư ng ñó là t trư ng. V y: T trư ng là môi trư ng v t ch t ñ c bi t t n t i xung quanh các ñi n tích chuy n ñ ng và là nhân t trung gian ñ truy n l c tương tác gi a các ñi n tích chuy n ñ ng. 76
6.1.3. Véc tơ c m ng t - ð nh lu t Biot - Savart - Laplace ð ñ c trưng cho t trư ng v phương di n tác d ng l c t i m t ñi m trong t trư ng, ngư i ta ñưa ra ñ i lư ng v t lý ñư c g i là véc tơ c m ng t . B ng th c nghi m Biot - Savart - Laplace ñã xác ñ nh ñư c véc tơ c m ng t do m t r r ño n dòng ñi n Id l gây ra t i ñi m M cách dòng ñi n m t kho ng r là véc tơ dB có phương vuông góc v i m t ph ng ch a ño n ño n dòng ñi n và ñi m M, có chi u ñư c xác ñ nh theo quy t c v n ñinh c (hình 6.2) và có ñ l n ñư c xác ñ nh theo công th c: M µ 0 µ Idl ⋅ sin θ dB = ⋅ v 4π r2 Idl H v r V i µ 0 = 4π ⋅10 −7 là h ng s t , µ là ñ t m θ th m c a môi trư ng và θ là góc h p b i ño n dòng r r ñi n Id l và r . .v n r µ 0 µ Id l × r dB = ⋅ 4 h Ta có th bi u di n c m ng t dư i d ng véc tơ: r r Hình 6.2 c2 4π r3 r o Quy t c v n ñinh c: Quay cái v n ñinh c theo góc bé nh t t ño n dòng ñi n Id l r r ih sang véc tơ r thì chi u ti n c a cái v n ñinh c là chi u véc tơ c m ng t dB . u ðơn v c m ng t là Tesla (T). 6.1.4. Nguyên Lý ch ng ch t t trư ng V Trư ng h p có m t dòng ñi n gây ra t trư ng, ñ xác ñ nh véc tơ c m ng t do dòng ñi n gây ra t i m t ñi m ta chia dòng ñi n thành các ño n dòng ñi n và áp d ng nguyên r lý ch ng ch t t trư ng: B = ∫ dB r ca dong r r r Trư ng h p có n dòng ñi n gây ra t trư ng B1 , B2 , B3 L t i m t ñi m, thì t i ñi m ñó r r r r r có: B = B1 + B2 + B3 + L = ∑ Bi i B ng th c nghi m và tính toán ngư i ta ñã xác ñ nh ñư c c m ng t t i ñi m cách µ0 µi dòng ñi n th ng dài vô h n m t kho ng r là: B = 2πr 77
µ0 µi V i dòng ñi n hình tròn, bán kính r, cư ng ñ i thì t i tâm có: B = B = 2r V i 1 ng dây ñi n th ng có chi u dài r t l n hơn ti t di n có dòng ñi n i thì c m ng N t ch t n t i trong ng dây, có ñ l n: µ 0 µ i l § 6.2. ðƯ NG S C T VÀ T THÔNG. 6.2.1.ðư ng s c t : ð có hình nh c th v t trư ng, ngư i ta ñưa ra khái ni m ñư ng s c t , ñư c ñ nh nghĩa: ðư ng s c t là ñư ng sao cho ti p tuy n v i nó t i m i ñi m trùng v i phương c a véc tơ c m ng t t i ñi m ñó và có chi u là chi u c a t trư ng. I Ngư i ta quy ư c cách v ñư ng s c t như sau: S ñư ng s c t v qua m t ñơn v di n tích ñ t vuông góc v i ñư ng s c t b ng ñ l n c m .v Hình 6.3 n 4 h ng t t i ñó. V i quy ư c này, ta nh n th y ch nào ñi n trư ng m nh các ñư ng s c v mau và ch nào ñi n trư ng y u các ñư ng s c v thưa. o c2 Khi nghiên c u ñư ng s c t trư ng, ta th y các ñư ng s c t là nh ng ñư ng cong kín. M t trư ng có ñư ng s c khép kín là trư ng xoáy, nên t trư ng có tính ch t xoáy. ñi n (hình 6.3) uih Dư i ñây là hình nh ñư ng s c t c a m t dòng ñi n th ng và m t ng dây có dòng t trư ng Gi V 6.2.2. T thông. ð nh lý O –G v i s có di n tích S ñ t trong t trư ng b t kỳ, ta tư ng v n tư ng chia di n tích thành các ph n v α B vô cùng nh dS sao cho t trư ng dS trên di n tích dS là ñ u v i c m ng r t B . Khi ñó t thông g i qua di n tích S ñư c ñ nh nghĩa: S⊥ S r r φs = ∫ BdS = ∫ BdS ⋅ cos α s s Hình 6.4 78
r dS có chi u hư ng theo véc tơ pháp tuy n n c a dS và có ñ l n b ng di n tích dS , α là góc gi a v r r B B và n (hình 6.4). ðơn v c a t thông là Vêbe ( Wb ) Tính ch t xoáy c a t trư ng ch ng t trong t nhiên không t n t i h t “t tích” mà t trư ng là α v do các ñi n tích chuy n ñ ng gây ra. F r r I T ñó ta suy ra: ∫ BdS = 0 MK ðây là ñ nh lu t O – G ñ i v i t trư ng. § 6. 3. TÁC D NG L C C A T TRƯ NG Hình 6.5 6.3.1.L c Ampere r .v n r Xét m t ño n dòng ñi n Id l ñ t trong t trư ng ñ u có véc tơ c m ng t B , thì t 4 h trư ng s tác d ng ño n dòng ñi n m t l c có phương vuông góc v i m t ph ng ch a ño n dòng ñi n và t trư ng, có chi u ñư c xác ñ nh theo quy t c bàn tay trái, có ñ l n xác ñ nh c2 theo công th c: r r ( ) o F = Idl ⋅ B ⋅ sin Id l × B ih r r r v Hay: F = Id l × B B V u L c tác d ng ñó là l c Ampere (hình 6.5). Quy t c bàn tay trái: ðưa bàn tay trái cho ñư ng s c t trư ng xuyên vào lòng bàn tay, chi u t c tay ñ n ngón tay theo chi u dòng ñi n thì chi u + +q v v ngón tay cái choãi là chi u c a l c Ampere. Dư i tác d ng c a l c Ampere, gi s ño n FL dòng ñi n d ch chuy n ñư c m t ño n dx theo phương vuông góc v i t trư ng thì công c a l c v B Ampere th c hi n là: FL dA = Fdx = Idl ⋅ B ⋅ dx v v Hay: dA = Idφ v i dφ = B ⋅ dl ⋅ dx là t thông g i qua - -q ph n di n tích mà ño n dòng ñi n ñã quét ñư c trong d ch chuy n. ðó là bi u th c tính công c a l c t . Hình 6.6 79
6.3.2. L c Lorentz. r Gi s có h t ñi n tích + q chuy n ñ ng v i v n t c v trong t trư ng ñ u có véc tơ r c m ng t B . H t ñi n tích chuy n ñ ng tương ñương v i ño n dòng ñi n th a mãn h th c: r r Id l = qv Khi ñó h t ñiên tích s ch u tác d ng c a t trư ng m t l c có phương vuông góc v i m t ph ng ch a v n t c c a h t ñiên tích và t trư ng, có chi u xác ñ nh theo quy t c bàn tay trái v i chú ý chi u c a dòng ñi n là chi u chuy n d i c a ñi n tích dương và có ñ l n: r r r r r ( ) FL = qv ⋅ B sin v , B Hay FL = qv × B L c tác d ng c a t trư ng lên h t ñi n tích ñư c g i là l c Lorentz (hình 6.6). Vì l c Lorentz vuông góc v i v n t c chuy n ñ ng c a h t ñi n tích, nên không làm thay ñ i ñ l n v B c a v n t c mà ch làm thay ñ i phương c a v n t c v chuy n ñ ng. K t qu n u h t ñi n tích chuy n ñ ng n v I e− vuông góc v i t trư ng ñ u thì l c Lorentz s làm cho EH h t ñi n tích chuy n ñ ng trên qu ñ o tròn có bán kính R ñư c xác ñ nh theo h th c: h .v v B 4 EH v 2 vI c2 mv e+ qvB = (m là kh i lư ng h t ñi n tích) R 6.3.3. Hi u ng Hall ih o Ta xét trư ng h p cho dòng ñi n không ñ i Hình 6.7 r V u ch y qua m t b n ch t bán d n hình ch nh t ñư c ñ t trong t trư ng ñ u có véc tơ c m ng t B vuông góc v i m t ph ng b n. Khi ñó h t d n ñi n trong b n b l c Lorentz tác d ng làm chúng chuy n ñ ng l ch v 1 c nh c a b n. S (hình 6.7). N K t qu trên hai c nh c a b n theo phương vuông góc v i dòng ñi n xu t hi n m t ñi n trư ng EH , ñi n trư ng này ch ng l i s l ch c a ñi n tích, t c là ch ng l i l c Lorentz. Khi l c Lorentz cân b ng v i l c ño ñi n G trư ng EH thì tr ng thái chuy n ñ ng c a h t ñi n n ñ nh và ñi n trư ng EH ñ t giá tr xác ñ nh. Hi n tư ng ñó g i là hi u ng Hall. Hình 6.8 Hi u ng Hall ñư c ng d ng ñ xác ñ nh loa h t 80
d n ñi n cơ b n trong ch t bán d n, t c là xác ñ nh lo i ch t bán d n là p hay n. § 6. 4. HI N TƯ NG C M NG ðI N T 6.4.1.Hi n tư ng Th c nghi m cho th y n u thay ñ i v trí tương ñ i c a thanh nam châm và m t ng dây d n kín thì trên ng dây s xu t hi n dòng ñi n (hình 6.8). Dòng ñi n ñó ñư c g i là dòng ñi n c m ng và hi n tư ng xu t hi n dòng ñi n c m ng ñư c g i là hi n tư ng c m ng ñi n t . Phân tích hi n tư ng c m ng ñi n t Faraday ñã rút ra các ñ nh lu t sau: - S thay ñ i c a t thông qua m ch ñi n kín là nguyên nhân sinh ra dòng ñi n c m ng trong m ch ñi n ñó. - Cư ng ñ dòng ñi n c m ng t l v i t c ñ thay ñ i c a t thông qua m ch. n 6.4.2. ð nh lu t Lenz .v Nghiên c u chi u c a dòng ñi n c m ng, Lenz ñã ñưa ra ñ nh lu t: ñ i c a t thông sinh ra nó. 4 h Dòng ñi n c m ng ph i có chi u sao cho t trư ng mà nó sinh ra ch ng l i s thay c2 6.4.3. Su t ñi n ñ ng c m ng ih o Ta bi t r ng su t ñi n ñ ng là ñ i lư ng ñ c trưng cho kh năng sinh ra dòng ñi n, nên s xu t hi n dòng ñi n c m ng ch ng t trong m ch ñã có m t su t ñi n ñ ng c m ng. D a trên các ñ nh lu t Faraday và ñ nh lu t Lenz, có th tìm ñư c bi u th c su t ñi n ñ ng c m ng: V u e=− dφ dt 6.4.4. Hi n tư ng t c m a) Hi n tư ng V i m t m ch ñi n kín, n u trong m ch có ng dây thì khi ñóng m ch dòng ñi n trong m ch tăng, khi ng t m ch dòng ñi n trong m ch gi m. Trong th i gian dòng ñi n trong m ch tăng ho c gi m, t trư ng trong ng dây cũng tăng ho c gi m, do ñó t thông qua di n tích các vòng dây thay ñ i. Vì v y trên các vòng dây xu t hi n dòng ñi n c m ng ch ng l i s thay ñ i c a dòng ñi n trong m ch . S xu t hi n dòng ñi n c m ng ñây là do s thay ñ i c a dòng ñi n chính m ch ñó gây ra nên ñư c g i là hi n tư ng t c m. 81
b) Su t ñi n ñ ng t c m Vì hi n tư ng t c m là trư ng h p riêng c a hi n tư ng c m ng ñi n t nên su t ñi n ñ ng t c m là su t ñi n ñ ng c m ng. M t khác vì t thông ph thu c vào t trư ng và t trư ng ph thu c vào dòng ñi n, nên: φ = LI dφ d dI T ñó ta có: etc = − = − (LI ) = − L dt dt dt V i h s t l L ph thu c vào hình d ng kích thư c và ñ c ñi m c a m ch ñi n, g i là h s t c m c a m ch ñi n. H s t c m c a m ch ñi n ñ c trưng cho m c ñ quán tính c a m ch ñi n và có ñơn v ño là Henri (H). § 6. 5. NĂNG LƯ NG T TRƯ NG L Xét m t m ch ñi n g m m t ngu n ñi n su t ñi n ñ ng e , m t ng dây có h s t c m L, m t ñi n tr R (c a toàn m ch) và m t khóa k m c n i ti p nhau .v n h R (hình 6.9). c24 N u ta ñóng khóa k, dòng ñi n trong m ch b t ñ u tăng t 0 ñ n giá tr xác ñ nh I 0 , trong th i gian ξ K Hình 6.9 dòng ñi n tăng ih o ng dây xu t hi n dòng ñi n t c m, nên trong m ch t n t i hai su t ñi n ñ ng (c a ngu n e và su t ñi n ñ ng c m ng). u Theo ñ nh lu t Ohm cho m ch kín, ta có: Ve + etc = iR hay: e = iR + L di dt Nhân các s h ng v i idt ta ñư c: eidt = Ri 2 dt + Lidi Trong ñó ta ñã bi t eidt là năng lư ng c a ngu n ñi n sinh ra trong th i gian dt, Ri 2 dt là năng lư ng t a nhi t trên ñi n tr R trong th i gian dt . Còn Lidi = idφ là công c a ngu n ñi n ch ng l i s c n tr c a dòng ñi n t c m ñ tăng dòng ñi n trong m ch lên m t lư ng di. T ñó ta suy ra: ñ tăng dòng ñi n trong m ch t 0 ñ n I 0 hay ñ thành l p dòng ñi n trong m ch ngu n ñi n ph i cung c p m t năng lư ng: I0 1 2 W = ∫ Lidi = LI 0 0 2 82
Theo ñ nh lu t b o toàn năng lư ng, năng lư ng c a ngu n ñi n ñ thành l p dòng ñi n hay thành l p t trư ng s bi n thành năng lư ng t trư ng c a dòng ñi n và phân b trong không gian có t trư ng. V i m t ng dây th ng có chi u dài l , ti t di n S r t nh so v i l , g m N vòng ta N 1 có: B = µ 0 µ I và φ = N .B.S nên WB = B2S ⋅l l 2µ 0 µ 1 Hay: WB = B 2 ∆V 2µ0 µ V i ∆V = S ⋅ l là th tích không gian có t trư ng. V y: Trong không gian có t trư ng v i c m ng t B s có năng lư ng v i m t ñ 1 năng lư ng là: ω B = B2 2µ 0 µ § 6. 6. TRƯ NG ðI N T VÀ SÓNG ðI N T 6.6.1. Các lu n ñi m c a Maxwell v trư ng ñi n t .v n a) Lu n ñi m 1 4 h c2 Theo hi n tư ng c m ng ñi n t ta nh n th y: Khi có t trư ng thay ñ i qua di n tích vòng dây d n kín thì trên dòng dây xu t hi n dòng ñi n. ði u ñó ch ng t ñã có ñi n trư ng ih o tác d ng lên các ñi n tích làm chúng chuy n ñ ng, ñi n trư ng trong trư ng h p này có kh năng sinh công ñ ñưa các ñi n tích d ch chuy n d c theo ñư ng cong kín nên ñi n trư ng u này ph i có các ñư ng s c là ñư ng cong kín và ñư c g i là ñi n trư ng xoáy. T ñó Maxwell ñưa ra lu n ñi m: M t t trư ng thay ñ i theo th i gian s sinh ra m t ñi n V trư ng xoáy cũng thay ñ i theo th i gian. b) Lu n ñi m 2 ð có lu n ñi m ta xét thí nghi m: N i hai b n kim lo i song song v i hai c c c a ngu n ñi n xoay chi u cao t n, khi ñó gi a hai b n có m t ñi n trư ng thay ñ i theo th i gian. ð t gi a hai b n kim lo i m t v E vòng dây hai ñ u n i v i bóng ñèn nh sao cho m t ph ng vòng dây vuông góc v i hai b n kim lo i (hình i 6.10) Thí nghi m cho th y bóng ñèn sáng lên, ch ng t Hình 6.10 qua di n tích gi i h n c a vòng dây ñã có t trư ng thay ñ i. 83
T ñó Maxwell ñưa ra lu n ñi m: M i khi có ñi n trư ng thay ñ i theo th i gian s sinh ra m t t trư ng cũng thay ñ i theo th i gian. 6.6.2. Khái ni m v trư ng ñi n t Theo các lu n ñi m c a Maxwell thì ñi n trư ng hay t trư ng thay ñ i theo th i gian s ñ ng th i t n t i và bi n ñ i qua l i l n nhau, t o thành m t trư ng duy nh t g i là trư ng ñi n t . V y: Trư ng ñi n t là môi trư ng v t ch t ñ c bi t bao g m ñ ng th i c ñi n trư ng thay ñ i và t trư ng thay ñ i theo th i gian. Trong không gian có trư ng ñi n t s có năng lư ng v i m t ñ : 1 1 ω E , B = ε 0ε ⋅ E 2 + B2 2 2µ0 µ 6.6.3. Sóng ñi n t a) Khái ni m .v n h Do trư ng ñi n t luôn v n ñ ng, th hi n ch : ði n trư ng và t trư ng bi n ñ i 4 luôn chuy n hoá l n nhau, nh ñó trư ng ñi n t lan truy n trong không gian, t o thành sóng c2 ñi n t . V y: Sóng ñi n t là quá trình lan truy n trư ng ñi n t trong không gian. ih o b) Tính ch t cơ b n c a sóng ñi n t B ng th c nghi m và lý thuy t v trư ng ñi n t c a Maxwell ta có th rút ra m t s V u tính ch t t ng quát c a sóng ñi n t : - Sóng ñi n t lan truy n ñư c trong chân không và trong các môi trư ng v t ch t thông thư ng. + Trong chân không sóng ñi n t truy n v i v n t c: 1 v0 = C = = 3 ⋅108 m ε 0 µ0 s + Trong môi trư ng v t ch t, v n t c sóng ñi n t : 1 C v= = ε 0εµ0 µ εµ r r - Sóng ñi n t là sóng ngang: Trong quá trình lan truy n véc tơ E và véctơ B luôn vuông góc nhau và vuông góc v i phương truy n. 84
r r - Trong quá trình lan truy n, véc tơ E và B luôn dao ñ ng cùng pha. - Trong quá trình lan truy n sóng ñi n t mang theo năng lư ng, khi g p các v t thì sóng ñi n t truy n cho chúng m t ph n năng lư ng. D a vào tính ch t này ngư i ta ñã ch t o ra các d ng c thu và phát sóng ñi n t . § 6.7. M T S NG D NG C A T TRƯ NG VÀ SÓNG ðI N T T trư ng và sóng ñi n t có nhi u ng d ng trong s n xu t và ñ i s ng. Dư i ñây ta ch nói ñ n m t vài ng d ng trong lĩnh v c sinh h c: - Khi t trư ng tác d ng lên cơ th sinh v t có th gây ra nh ng bi n ñ i khác nhau nên ngư i ta ng d ng nó trong vi c ch n ñoán hay ch a b nh b ng cách tìm hi u hay làm thay ñ i tính ch t t c a nh ng vùng ñang có t n thương. - Năng lư ng c a sóng ñi n t , ñ c bi t sóng siêu cao t n, ñư c s d ng nhi u trong vi c làm nóng c c b các vùng c a cơ th , ñ ch a b nh cho ngư i hay gia súc. .v n - Trong t nhiên có khá nhi u loài ñ ng v t (ñ c bi t m t s loài cá, chim...) có kh năng c m nh n hay phát và thu t trư ng, sóng ñi n t ; D a vào ñi u này ngư i ta có th c n thi t. 4 h nghiên c u ñư c s di chuy n c a chúng, t ñó có nh ng bi n pháp b o v hay săn b t khi o c2 CÂU H I ÔN T P uih 1- Trình bày khái ni m t trư ng và véc tơ c m ng t . 2- Nêu cách xác ñ nh l c Ampere, t ñó suy ra l c Lorentz. V 3- Trình bày hi n tư ng c m ng ñi n t . 4- L p bi u th c tính năng lư ng t trư ng 5- Phân tích ñ rút ra các lu n ñi m c a Maxwell. Nêu khái ni m trư ng ñi n t . 6- Sóng ñi n t là gi ? Nêu các tính ch t c a sóng ñi n t . 85