Tính Chất Sóng Điện Từ

     

1. Hệ phương trình Maxwell mô tả sóng điện từ

Theo thuyết năng lượng điện từ của Maxwell, mỗi một khi điện trường đổi thay thiên sẽ ra đời từ trường, từ trường sóng ngắn này trở nên thiên lại ra đời điện trường. Cứ như vậy, điện từ trường lan truyền trong không khí tạo thành sóng năng lượng điện từ.

Bạn đang xem: Tính chất sóng điện từ

Vậy, sóng năng lượng điện từ là sự việc lan truyền của năng lượng điện từ ngôi trường trong không khí theo thời gian.

Phương trình biểu đạt sự viral của sóng năng lượng điện từ chính là các phương trình Maxwell:

(rotoverrightarrowE= abla imes overrightarrowE=-fracpartial overrightarrowEpartial t) (6.15)

(divoverrightarrowB= abla .overrightarrowB=0) (6.16)


(rotoverrightarrowH= abla imes overrightarrowH=overrightarrowj+fracpartial overrightarrowDpartial t) (6.17)

(divoverrightarrowD= abla .overrightarrowD= ho ) (6.18)

(overrightarrowj=sigma overrightarrowE) (6.19)

Nếu ta xét sự viral của sóng năng lượng điện từ trong môi trường xung quanh điện môi đồng điệu và đẳng hướng ( ( sigma =0 ), không có các điện tích thoải mái ( ho =0 )) thì hệ phương trình Maxwell diễn đạt sóng điện từ trong môi trường xung quanh đó là:

 ( abla imes overrightarrowE=-fracpartial overrightarrowBpartial t ); ( abla imes overrightarrowH=fracpartial overrightarrowDpartial t ) (6.20)

 ( abla .overrightarrowD=0; abla .overrightarrowB=0 ) (6.21)

Trong đó: ( overrightarrowD=varepsilon varepsilon _0overrightarrowE ); ( overrightarrowB=mu mu _0overrightarrowH ) (6.22)

Các phương trình (6.20) cùng (6.21) là những phương trình vi phân cấp cho 2, biểu diễn sự biến chuyển thiên của điện từ ngôi trường ( ( overrightarrowE,overrightarrowB )) trong không khí theo thời gian, có nghĩa là biểu diễn sự viral của sóng năng lượng điện từ trong không gian. Giải những phương trình này, chúng ta sẽ tiên đoán được những đặc điểm của sóng năng lượng điện từ.

2. Sóng điện từ phẳng, phân rất thẳng

*

Bây giờ chúng ta tiến hành search nghiệm của (6.20) và (6.21) trong trường hợp solo giản. Đó là xét sự viral trong chân ko của sóng điện từ bỏ phẳng dọc từ trục x vuông góc với phương diện sóng. Trong trường vừa lòng này, từ những phương trình Maxwell suy ra rằng, vectơ năng lượng điện trường ( overrightarrowE ) sẽ xấp xỉ theo phương y cùng vectơ cảm ứng từ ( overrightarrowB ) giao động theo phương z (hình 6.3). Sóng như vậy, được call là sóng phân rất thẳng. Ngoài ra, họ thừa nhận rằng, tại mỗi điểm trong ko gian, độ mập của điện trường E và từ trường B chỉ phụ thuộc x và t nhưng không phụ thuộc vào vào tọa độ y tuyệt z.


Chúng ta cũng hình dung rằng, mối cung cấp phát xạ những sóng điện từ này ở bất kì điểm nào trong khía cạnh phẳng yz, phát xạ sóng điện từ theo phương x và toàn bộ các sóng vạc xạ đó là đồng pha với nhau. Nếu hotline đường truyền của sóng là tia sóng thì toàn bộ các tia sóng đều tuy nhiên song với nhau. Tập hợp toàn thể các sóng đó được gọi là sóng phẳng. Một mặt phẳng nối tất cả các điểm thuộc pha trên các sóng được hotline là mặt sóng. Khác với sóng năng lượng điện từ được bức xạ xuất phát từ 1 nguồn điểm và lan truyền theo đa số hướng trong không gian, khía cạnh sóng là mặt cầu, ta điện thoại tư vấn đó là sóng cầu.

Trong hệ tọa độ Descartes, hệ phương trình Maxwell diễn đạt sóng điện từ phẳng trong trường hợp này còn có dạng:

(fracpartial Epartial x=-fracpartial Bpartial t) (6.23)

(fracpartial Hpartial x=-fracpartial Dpartial t) xuất xắc (fracpartial Bpartial x=-mu _0varepsilon _0fracpartial Epartial t) (6.24)

Lấy đạo hàm hai vế của (6.23) theo biến chuyển x rồi kết hợp với (6.24), ta có:

 ( fracpartial ^2Epartial x^2=fracpartial partial xleft( -fracpartial Bpartial t ight)=-fracpartial partial tleft( fracpartial Bpartial x ight)=mu _0varepsilon _0fracpartial ^2Epartial t^2=frac1c^2fracpartial ^2Epartial t^2 ) (6.25)

Tương tự, lấy đạo hàm nhị vế của (6.24) theo trở thành x rồi kết phù hợp với (6.23), ta có:

 ( fracpartial ^2Bpartial x^2=-mu _0varepsilon _0fracpartial partial xleft( fracpartial Epartial t ight)=-mu _0varepsilon _0fracpartial partial tleft( fracpartial Epartial x ight)=mu _0varepsilon _0fracpartial ^2Bpartial t^2=frac1c^2fracpartial ^2Bpartial t^2 ) (6.26)

Phương trình (6.25) với (6.26) là những phương trình đạo hàm riêng cấp 2, trình bày sự lan truyền của sóng điện từ vào chân không; vào đó, đại lượng

 ( c=frac1sqrtmu _0varepsilon _0=3.10^8 ext m/s ) (6.27)


Chính là tốc độ viral của sóng điện từ. Tốc độ truyền sóng điện từ bằng với tốc độ ánh sáng, vị đó, Maxwell đã khẳng định rằng, thực chất của tia nắng là sóng năng lượng điện từ.

Nghiệm dễ dàng nhất của phương trình (6.25) và (6.26) tất cả dạng:

 ( E=E_mcos left( kx-omega t ight) ) (6.28)

 ( B=B_mcos left( kx-omega t ight) ) (6.29)

Trong đó Em và Bm là giá trị biên độ hay giá chỉ trị cực to của năng lượng điện trường cùng từ trường; k điện thoại tư vấn là số sóng, ( k=frac2pi lambda ), ( lambda ) là cách sóng của sóng năng lượng điện từ; ( omega ) là tần số góc, ( omega =2pi f ), f là tần số của sóng năng lượng điện từ.

Tỉ số ( fracomega k ) chính là vận tốc của sóng năng lượng điện từ: (fracomega k=frac2pi ffrac2pi lambda =lambda f=c=3.10^8 ext m/s) (6.30)

Phương trình (6.28) với (6.29) chứng minh rằng, điện trường cùng từ trường luôn luôn biến thiên thuộc tần số và thuộc pha với nhau.

Lấy đạo hàm (6.28) theo x với (6.29) theo t, ta có: ( fracpartial Epartial x=-kE_msin left( kx-omega t ight) ), ( fracpartial Bpartial t=omega B_msin left( kx-omega t ight) ). Vậy vào (6.23). Ta được: ( kE_m=omega B_m ). Từ kia suy ra: (fracE_mB_m=fracomega k=c).

Sử dụng kết quả này, kết phù hợp với (6.28) với (6.29), ta có: ( fracEB=fracE_mB_m=c ) (6.31)

Vậy, ở bất cứ thời điểm nào, tỉ số giữa độ mạnh điện ngôi trường E với cảm ứng từ B là ko đổi, bởi với vận tốc truyền sóng năng lượng điện từ.


3. Tính chất tổng quát tháo của sóng năng lượng điện từ

*

Phân tích các công dụng trên, ta đúc kết được những đặc điểm tổng quát lác của sóng điện từ sau đây:

Tính chất 1: Sóng năng lượng điện từ là sóng ngang: tại mỗi điểm trong không khí có sóng điện từ, những vectơ ( overrightarrowE ) và ( overrightarrowH ) luôn dao hễ theo nhì phương vuông góc cùng vuông góc cùng với phương truyền sóng (hình 6.4).

Tính hóa học 2: Sóng điện từ có tương đối đầy đủ các đặc thù của sóng cơ như phản bội xạ, khúc xạ, giao thoa, nhưng khác với sóng cơ học ở phần sóng năng lượng điện từ truyền được trong chân không.

Tính chất 3: Vận tốc viral sóng năng lượng điện từ trong chân không là

 ( c=frac1sqrtvarepsilon _0mu _0=frac1sqrt8,85.10^-12.4pi .10^-7=3.10^8 ext m/s ) (6.23)

Vận tốc viral sóng năng lượng điện từ trong môi trường xung quanh vật chất đồng hóa và đẳng hướng là:

 ( v=frac1sqrtmu mu _0varepsilon varepsilon _0=fraccsqrtmu varepsilon =fraccn ) (6.33)

với (n=sqrtvarepsilon mu ) là tách suất tuyệt đối của môi trường; (varepsilon) cùng (mu ) là hệ số điện môi và từ môi của môi trường thiên nhiên đó. Vì chưng ( varepsilon ,mu >1 ) cần ( n>1 ) và ( v

Tính chất 4: Sóng năng lượng điện từ có mang năng lượng. Tích điện sóng điện từ chính là năng lượng của năng lượng điện từ trường. Mật độ năng lượng sóng năng lượng điện từ trong chân không là:


 ( w=w_e+w_m=frac12varepsilon _0E^2+frac12mu _0B^2 ) (6.34)

Trong đó, ( w_e=frac12varepsilon _0E^2 ) là tỷ lệ năng lượng điện trường; ( w_m=frac12mu _0B^2 ) là tỷ lệ năng lượng từ bỏ trường.

Xem thêm: Lấy Hạt Chôm Chôm Có Ăn Được Không Ngờ Tới Điều Bất Ngờ??? Cách Để Ăn Chôm Chôm

Vì giữa năng lượng điện trường và từ trường có quan hệ ( E=cB ), bắt buộc ta có:

 ( E^2=left( cB ight)^2=c^2B^2=fracB^2mu _0varepsilon _0 )

Do đó: ( w=frac1mu _0B^2=varepsilon _0E^2=sqrtfracvarepsilon _0mu _0.EB ) (6.35)

Các cách làm (6.34) cùng (6.35) diễn tả mật độ tích điện trường điện từ tại bất kể thời điểm nào, trong bất cứ miền nào của không gian có điện từ trường.

Đối với vượt trình viral sóng điện từ, năng lượng cũng khá được truyền đi. Năng lượng sóng điện từ truyền qua một đơn vị diện tích s vuông góc cùng với phương truyền sóng trong một đơn vị thời hạn được call là mật độ dòng năng lượng và được màn biểu diễn bằng vectơ Pointing ( overrightarrowP ) – điện thoại tư vấn là vectơ mật độ dòng năng lượng. Vị trí hướng của vectơ Pointing ( overrightarrowP ) là hướng truyền sóng. Ta xét một diện tích s dS đặt vuông góc với phương truyền sóng. Vào khoảng thời hạn ngắn dt, sóng truyền qua diện tích dS đi được quãng mặt đường ( dx=c.dt ). Tích điện trường năng lượng điện từ trong nguyên tố thể tích ( dV=dx.dS=c.dt.dS ) là: ( dW=w.dV=left( varepsilon _0E^2 ight).c.dt.dS )

Suy ra, năng lượng sóng điện từ truyền sang một đơn vị diện tích đặt vuông góc cùng với phương truyền sóng sau một đơn vị thời gian là:

 ( P=fracdWdS.dt=varepsilon _0cE^2=fracEBmu _0 ) (6.36)

Do vị trí hướng của ( overrightarrowP ) vuông góc với ( overrightarrowE ) với ( overrightarrowB ) cần ta có thể viết: ( overrightarrowP=frac1mu _0left( overrightarrowE imes overrightarrowB ight) ) (6.37)


Giá trị vừa đủ của mật độ dòng năng lượng chính là cường độ sóng điện từ cùng được xác định bởi biểu thức: ( I=overlineP=fracE_mB_m2mu _0=frac12varepsilon _0cE_m^2 ) (6.38)

Trong đó, Em cùng Bm là giá chỉ trị cực to của năng lượng điện trường và từ trường.

4. Thang sóng năng lượng điện từ

Sóng năng lượng điện từ solo sắc là sóng năng lượng điện từ phân phát ra xuất phát từ một nguồn có tần số xác định. Khi truyền vào chân không, đang ứng cùng với một bước sóng xác định:

 ( lambda _0=c.T=fraccf=frac3.10^8f ext m ) (6.39)

*

Hình 6.5 – Thang sóng điện từ

Khi truyền vào môi trường đồng hóa và đẳng hướng, sóng năng lượng điện từ đơn sắc có một cách sóng xác định: ( lambda =v.T=fracc.Tn=fraclambda _0n ) (5.40)

Trong đó, ( lambda _0=c.T ) là cách sóng của sóng điện từ trong chân không, n là chiết suất của môi trường.

Người ta phân nhiều loại sóng năng lượng điện từ đối chọi sắc theo tần số hay cách sóng trong chân không. Bảng phân loại sóng điện từ được điện thoại tư vấn là thang sóng năng lượng điện từ (hình 6.5).

5. Ứng dụng của sóng điện từ

Sóng năng lượng điện từ có nhiều ứng dụng trong đời sống, khoa học và kỹ thuật. Ứng dụng trước tiên và rất phổ biến đó là cần sử dụng sóng năng lượng điện từ trong nghành nghề dịch vụ thông tin.

Vì sóng điện từ không những lan truyền được trong chân không mà lại còn viral được trong không khí cùng các môi trường xung quanh khác với vận tốc rất cao ( ( vapprox 300.000 ext km/s )), bắt buộc sóng điện từ được vận dụng trong tin tức liên lạc vô tuyến. Các tín hiệu điện cùng được xáo trộn với sóng năng lượng điện từ cao tần (còn điện thoại tư vấn là đổi mới điệu, hay điều chế sóng năng lượng điện từ – modulation), rồi phạt đi trong không gian. Lắp thêm thu sẽ thu được sóng điện từ cao tần này, sau đó bóc tách sóng, tái lại tin tức ban đầu.

Miền sóng năng lượng điện từ có tần số nhỏ dại hơn 30 Ghz được sử dụng trong tin tức liên lạc vô tuyến nên người ta gọi là miền sóng vô tuyến. Trong miền này, tín đồ ta chia thành nhiều băng tần:

+ Băng sóng nhiều năm LW – Long Wave, bao gồm tần số trường đoản cú 30 kHz mang đến 300 kHz, dùng truyền thanh trong số thành phố bé dại (đài địa phương).

+ Băng sóng trung MW – Medium Wave, có tần số trường đoản cú 300 kHz mang đến 3 MHz, sử dụng truyền thanh trong quanh vùng lớn.

+ Băng từ trường SW – Short Wave, có tần số từ 3 MHz cho 30 MHz, bị sự phản xạ mạnh tại tầng điện li, đề nghị sóng điện từ làm việc dải tần số này hoàn toàn có thể truyền đi vòng quanh vậy giới. Mặc dù nhiên, nó bị ah nhiều vì chưng thời tiết.

+ Băng sóng khôn xiết tần số VHF – Vere High Frequency, tất cả tần số từ 30 MHz cho 300 MHz, sử dụng trong vô tuyến đường truyền hình, FM. Sóng điện từ làm việc dải tần này còn có tính chất truyền thẳng nên không truyền đi xa được (do bề cong của Trái Đất).

+ Băng sóng cực tần số UHF – Ultra High Frequency, bao gồm tần số từ 300 MHz mang đến 3000 MHz, sử dụng trong vô đường truyền hình. Sóng năng lượng điện từ sinh sống dải tần này còn có tính chất truyền thẳng và ít bị nhiễu.

Xem thêm: Cách Nấu Chè Đậu Xanh Bột Khoai Ngon Và Đơn Giản, (11) Món Chè Đậu Xanh Bột Khoai

+ Băng sóng hết sức cao tần SHF – Super High Frequency, gồm tần số to hơn 3 GHz, sử dụng liên lạc giữa các con tàu ngoài trái đất với mặt đất.