Trường điện từ

Trường điện từ, còn được gọi là trường Maxwell, là một trong những khái niệm cơ bản của vật lý học. Đây là một dạng của vật chất mô tả sự tương tác giữa các hạt điện tích. Trường điện từ được hình thành từ các hạt mang điện và kết hợp điện trường với từ trường. Các đại lượng chính của trường điện từ bao gồm cường độ điện trường, độ điện dịch, cảm ứng từ và cường độ từ trường, ký hiệu lần lượt là E, D, B và H.

Lịch sử

Vào năm 1865, nhà vật lý người Anh James Clerk Maxwell đã tổng hợp các định luật về điện và từ để phát triển lý thuyết Maxwell. Lý thuyết này dựa trên sự tồn tại của các trường, có thể hiểu là các môi trường truyền dẫn tác động từ điểm này đến điểm khác. Maxwell nhận thấy rằng các trường nhiễu loạn điện và từ là những thực thể động có khả năng dao động và truyền đi trong không gian. Ông đưa ra hai phương trình chính, được gọi là phương trình Maxwell, để mô tả động học của các trường này. Từ lý thuyết đó, Maxwell khẳng định rằng tất cả các sóng điện từ lan truyền trong chân không với tốc độ ánh sáng không đổi.

Các phương trình Maxwell

Để mô tả trường điện từ, Maxwell đã đưa ra một bộ phương trình cơ bản, được gọi là hệ phương trình Maxwell, để miêu tả trường điện từ.

Phương trình Maxwell-Faraday

Phương trình này diễn tả nguyên lý đầu tiên của Maxwell về sự liên kết giữa sự biến thiên của từ trường và sự tạo ra điện trường xoáy.

Dạng vi phân:

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->E=$

− ∂ B ∂ t {\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\partial \mathbf {B} \over \partial t}\,}

Dạng tích phân:

${\oint <!--\; \oint \; -->}_{C}E\cdot <!--\; \cdot \; -->dl=-<!--\; -\; -->\frac{d}{dt}{\iint <!--\; \iint \; -->}_S^{}B\cdot <!--\; \cdot \; -->dS$

Phương trình Maxwell-Ampere

Phương trình này diễn tả nguyên lý thứ hai của Maxwell, theo đó sự biến đổi của điện trường cũng tạo ra từ trường tương tự như dòng điện dẫn.

Dạng vi phân:

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->H=J+\frac{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}D}{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}t}$

Dạng tích phân:

${\oint <!--\; \oint \; -->}_{C}H\cdot <!--\; \cdot \; -->dl=\frac{d}{dt}{\iint <!--\; \iint \; -->}_S^{}D\cdot <!--\; \cdot \; -->dS+{\iint <!--\; \iint \; -->}_S^{}J\cdot <!--\; \cdot \; -->dS$

Định lý Ostrogradski - Gauss về điện trường

Định lý này miêu tả tính chất của các đường sức điện trường tĩnh không khép kín, với chúng luôn phát ra từ các điện tích dương và hướng vào các điện tích âm.

Hình thức vi phân:

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\cdot <!--\; \cdot \; -->D=\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}$

Hình thức tích phân:

${\oint <!--\; \oint \; -->}_S^{}D\cdot <!--\; \cdot \; -->dS=\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}$

Định lý Ostrogradski - Gauss về từ trường

Định lý này miêu tả sự khép kín của các đường sức từ, cho thấy từ trường là một trường không có nguồn gốc.

Hình thức vi phân:

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\cdot <!--\; \cdot \; -->B=0$

Hình thức tích phân:

${\oint <!--\; \oint \; -->}_S^{}B\cdot <!--\; \cdot \; -->dS=0$

Năng lượng

Trong không gian có mặt trường điện từ, năng lượng phân bố tại điểm được xác định bởi mật độ u, tính theo công thức:

u = (E.D + B.H)/2

Tại đây, E, D, B, H lần lượt đại diện cho cường độ điện trường, độ điện dịch, cảm ứng từ và cường độ từ trường. Do đó, tổng năng lượng điện từ trong thể tích V là:

$W=\frac{1}{2}{\int <!--\; \int \; -->}_V^{}(E\cdot <!--\; \cdot \; -->D+B\cdot <!--\; \cdot \; -->H)\cdot <!--\; \cdot \; -->dV$

Trong chân không, D = ε₀E và B = μ₀H, với ε₀ và μ₀ là hằng số điện môi và từ thẩm của chân không. Vì vậy, mật độ năng lượng điện từ trường trong chân không được đơn giản hóa thành:

u = (ε₀|E| + μ₀|H|)/2

Trong môi trường điện môi lý tưởng, D = ε₀ε_rE = εE và trong môi trường từ lý tưởng, B = μ₀μ_rH = μH. Do đó, mật độ năng lượng điện từ trong các môi trường này có thể rút gọn thành:

u = (ε|E| + μ|H|)/2

Tính tương đối

Trường điện từ được tạo ra bởi các điện tích, dù chuyển động hay đứng yên. Tính chất chuyển động hay đứng yên của các điện tích phụ thuộc vào hệ quy chiếu. Vì vậy, các đặc điểm của trường điện từ cũng phụ thuộc vào hệ quy chiếu nơi ta quan sát.

Tương tác

Một hạt mang điện tích q di chuyển với vận tốc v trong một điện từ trường có cường độ điện trường E và cảm ứng từ B sẽ bị lực Lorentz, F, tác động lên:

$F=q(E+v\times <!--\; \times \; -->B)$

• Jackson J.D., Điện động lực học cổ điển, John Wiley & Sons, 1962.
• Nguyễn Phúc Thuần, Điện động lực học, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, 1998.

Các tài nguyên bên ngoài

• Đề tài 'Về động lực học điện từ của các cơ thể chuyển động' của Albert Einstein, ngày 30 tháng 6 năm 1905.
  • Về động lực học điện từ của các cơ thể chuyển động (pdf)
• Tia bức xạ không ion hóa, Phần 1: Các trường điện và từ trường tĩnh và tần số cực thấp (ELF) (2002) của IARC.
• Báo cáo về hiệu quả của việc bảo vệ điện từ đối với chấn thương thể thao
• Viện Quốc gia về An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp - Trang chủ chủ đề EMF