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

Thang sóng điện từ bao gồm rất nhiều vùng như hồng ngoại, tử ngoại, ánh sáng nhìn thấy... Sóng điện từ được tạo thành và lan truyền như thế nào?

Trong thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ, khi cho nam châm rơi qua ống dây, từ thông qua ống dây kín biến thiên thì trong ống dây xuất hiện dòng điện cảm ứng (Hình 19.1). Sự xuất hiện của dòng diện căm ứng chứng tỏ trong dây dẫn dã xuất hiện một diện trường, có chiều là chiều của dòng điện cảm ứng, dường sức của điện trường mới này là các đường cong kín. Điện trường có tính chất này là diện trường xoáy.

James Clecrk Maxwell (Giêm Cò lếch Mắc-xoen) đã phân tích bản chất của hiện tượng trên và cho rằng: điện trường xoáy vẫn xuất hiện ngay cả khi không có ống dây và vai trò của các vòng dây giúp ta nhận biết điện trường ấy trong suốt thời gian từ thông biến thiên. Khái quát bản chất của hiện tượng trên, Maxwell kết luận: Trong vùng không gian có từ trường biến thiên theo thời gian thì trong vùng đó xuất hiện một điện trường xoáy.

Trong thí nghiệm Hình 19.1, khi từ trường hiến thiên theo thời gian làm xuất hiện điện trường xoáy. Một câu hỏi ngược lại có thể đặt ra là điện trường biến thiên theo thời gian có làm xuất hiện từ trường không?

Thí nghiệm với dòng điện xoay chiều qua tụ điện cho thấy điện trường biến thiên theo thời gian và làm xuất hiện từ trường. Khi một tụ điện đang tích điện hoặc phóng điện, do sự thay đổi diện tích trên các bản tụ điện thì giữa hai bản tụ điện có một diện trường biến thiên tương đương với một dòng điện gọi là dòng điện dịch (Hình 19.3). Chính dòng diện này gây ra từ trường. Các dường sức của từ trường này bao quanh các dường sức của diện trường và luôn khép kín.

Maxwell då duưa ra kết luận về mối liên quan chặt chẽ giữa điện trường biến thiên và từ trường biển thiên: Từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra trong không gian xung quanh một điện trường biến thiên theo thời gian; ngược lại, điện trường biến thiên theo thời gian cũng sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian trong không gian xung quanh. Như vậy, hai trường biến thiên này cùng tồn tại trong không gian, có thể chuyển hoá lẫn nhau trong một trường thống nhất, gọi là điện từ trường (Hình 19.4).

Sự biến thiên của từ trường và diện trường bao gồm sự thay đổi chiều và về độ lớn. Tuy nhiên, Lại mỗi điểm trong không gian, vectơ cảm ứng từ B luôn vuông góc với vectơ cường độ điện trường E.

Nếu tại điểm O có một điện trường biến thiên E₁, thì theo kết luận của Maxwell, tại vùng lân cận sẽ xuất hiện một từ trường biến thiên B. Tiếp theo, vì có từ trường biến thiên, nên lại xuất hiện một điện trường Ẻ, biến thiên ở vùng lân cận khác, rồi tương tự, lại xuất hiện B2,... Cứ như thế điện trường và từ trường lan truyền trong không gian như minh hoạ ở Hình 19.5. Quá trình lan truyền diện từ trường trong không gian dược gọi là sóng điện từ.

Tại mỗi điểm trong quá trình truyền sóng điện từ: - Vectơ cường độ diện trường E luôn vuông góc với vectơ cảm ứng từ B, cả hai vecto này luôn vuông góc với phương truyền sóng. Do đó, sóng diện từ là sóng ngang (Hình 19.6). - Cả Ẽ và B đều biến thiên điều hoà theo không gian và thời gian và luôn đồng pha.

Sóng điện tử truyền được trong chân không. Trong chân không, sóng điện từ có bước sóng ở là: $\lambda =cT=\frac{c}{f}$ trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không, T là chu kì của dao động điện từ, là tần số của sóng điện từ. Trong quá trình lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng. Sóng có tần số càng cao thì khả năng truyền cùng xa. Sóng điện từ tuân theo quy luật truyền thắng, phản xạ, khúc xạ, giao thoa và nhiễu xạ giống như sóng cơ.