Giáo trình trường điện từ_Chương 1 + 2

Tương tác điện từ là một trong những dạng tương tác cơ bản trong tự nhiên, nó được thực hiện thông qua trường điện từ. Trường điện từ tồn tại ngay trong các hệ vi mô như nguyên tử, phân tử, lực điện từ có cường độ bằng khoảng 10 mũ trừ hai lần so với lực tương tác hạt nhân.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình trường điện từ_Chương 1 + 2 HOÏC VIEÄN COÂNG NGHEÄ BÖU CHÍNH VIEÃN THOÂNG KHOA VIEÃN THOÂNG II BAØI GIAÛNG Bieân soaïn: TS. Phan Hoàng Phöông (Löu haønh noäi boä) TP HCM - 2000 Chöông I. MÔÛ ÑAÀ U Töông taùc ñieän töø laø moät trong caùc daïng töông taùc cô baûn trong töï nhieân, noù ñöôïc thöïc hieän thoâng qua tröôøng ñieän töø. Tröôøng ñieän töø toàn taïi ngay trong caùc heä vi moâ nhö nguyeân töû, phaân töû, löïc ñieän töø coù cöôøng ñoä baèng khoaûng 10−2 laàn so vôùi löïc töông taùc haït nhaân. Ngoaøi ra aûnh höôûng cuûa tröôøng ñieän töø coøn coù theå ñöôïc lan truyeàn döôùi daïng soùng trong khoâng gian vaø trong caùc moâi tröôøng chaát. Trong moät soá tröôøng hôïp ta coù theå khaûo saùt rieâng tröôøng ñieän vaø tröôøng töø, tuy nhieân trong ña soá caùc tröôøng hôïp tröôøng ñieän vaø tröôøng töø coù moái töông quan chaët cheõ. Trong chöông naøy ta seõ xeùt moät soá khaùi nieäm cô baûn veà tröôøng ñieän töø: caùc thoâng soá, ñònh luaät, … laøm cô sôû ñeå khaûo saùt caùc chöông sau. I.1 Caù c ñaï i löôï n g vector ñaë c tröng cho tröôø n g ñieä n töø Xeùt hai ñieän tích ñieåm q vaø q1 döùng yeân trong chaân khoâng, choïn goác toïa ñoä truøng vôùi vò trí cuûa q, q1 naèm taïi ñieåm P. Moãi ñieän tích ñeàu sinh ra moät tröôøng ñieän. Löïc ñieän cuûa tröôøng gaây bôûi q taùc ñoäng leân q1 laø r q ⋅ q1 r FE = ⋅ ir goïi laø löïc Coulomb, trong ñoù ε 0 = 1 [F / m] laø 4π ⋅ ε 0 ⋅ ε r ⋅ r 2 4π ⋅ 9 ⋅ 109 haèng soá ñieän, hay ñoä thaåm ñieän cuûa moâi tröôøng chaân khoâng, r laø khoaûng caùch r giöõa q vaø q1. FE höôùng veà phía q neáu q vaø q1 traùi daáu (löïc huùt), höôùng ra xa q neáu q vaø q1 cuøng daáu (löïc ñaåy). r r F q r V r Xeùt ñaïi löôïng vector E = e = ⋅ ir   . Vaä y E chæ phuï q1 4π ⋅ ε 0 ⋅ ε r ⋅ r 2 m  r r thuoäc vaøo ñieän tích q taïo ra ñieän tröôøng vaø vector baùn kính r = r ⋅ ir . Do ñoù ta r coù theå duøng ñaïi löôïng E ñeå ñaëc tröng cho ñieän tröôøng gaây bôûi q taïi moät ñieåm r r trong khoâng gian. E goïi laø vector cöôøng ñoä ñieän tröôøng coù ñôn vò laø V / m . E höôùng vaøo q neáu q < 0, höôùng ra xa q neáu q > 0 (hình 1.1). Xeùt moâi tröôøng ñieän moâi ñöôïc caáu taïo bôûi caùc phaân töû, moâi tröôøng naøy trung hoøa veà ñieän. Neáu ñaët ñieän moâi vaøo moät ñieän tröôøng, ñieän moâi bò phaân cöïc (hình 1.2). Möùc ñoä phaân cöïc ñieän ñöôïc ñaëc tröng bôûi vector phaân cöïc ñieän r P. Hình 1.1 Khi ñoù vector cöôøng ñoä ñieän tröôøng taïi moät ñieåm trong ñieän moâi ñöôïc ñònh nghóa nhö sau: 3 r q r V E = ⋅ i  m  4π ⋅ ε ⋅ r 2 r trong ñoù ε laø ñoä thaåm ñieän cuûa moâi tröôøng. Hình 1.2 Hình 1.3 Ngoaøi ra, ngöôøi ta coøn ñaëc tröng cho tröôøng ñieän baèng vector caûm öùng ñieän: r r r  c  D = ε0 E + P  2  . m  Vôùi moâi tröôøng tuyeán tính, ñaúng höôùng hoaëc khi cöôøng ñoä ñieän tröôøng r r khoâng quaù lôùn, vector P tæ leä vôùi E : r r P = ε 0 ⋅ k E ⋅ E , trong ñoù k E laø ñoä caûm ñieän cuûa moâi tröôøng. r r r r v r Khi ñoù D = ε 0 (1 + k E ) ⋅ E = ε 0 ε r E = εE , töùc D = εE . ε = ε 0 ε r laø ñoä thaåm ñieän cuûa moâi tröôøng, ε r goïi laø ñoä thaåm ñieän töông ñoái cuûa moâi tröôøng. r Neáu ñieän tích ñieåm q chuyeån ñoäng vôùi vaän toác v thì taïi moãi ñieåm trong r r r r r chaân khoâng ngoaøi löïc ñieän FE coøn coù löïc töø taùc duïng FM = qv × B , trong ñoù B laø vector caûm öùng töø coù ñôn vò laø Tesla [T] (hình 1.3). Toång cuûa löïc ñieän vaø löïc töø laø löïc ñieän töø hay löïc Lorentz: r r r r r r F = FE + FM = qE + qv × B . Neáu ñaët töø moâi trong töø tröôøng, töø moâi seõ bò phaân cöïc töø. Moãi phaân töû töø moâi coù theå xem nhö töông ñöông vôùi moät doøng ñieän chaûy kheùp kín goïi laø doøng r r r ñieän phaân töû. Moment töø cuûa phaân töû: m = i ⋅ S ⋅ in , trong ñoù in laø vector phaùp r tuyeán cuûa maët coù chöùa doøng ñieän phaân töû. Goïi M laø vector phaân cöïc töø ñaëc tröng cho möùc ñoä bò phaân cöïc cuûa töø moâi: n ∑ r mi r i=1 A M = lim ∆V→0 ∆V  m  ...