Tương tác điện từ là một trong các 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 -2 lần so với lực tương tác hạt nhân. Ngoài ra ảnh hưởng của trường điện từ còn có thể được lan truyền dưới dạng sóng trong không gian và trong các môi trường chất. Trong một số t rường hợp ta có thể khảo sát riêng trường điện và
trường từ, tuy nhiên trong đa số các trường hợp trường điện và trường từ có mối
tương quan chặt chẽ.
59 trang |
Chia sẻ: maiphuongtt | Lượt xem: 2361 | Lượt tải: 5
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Bài giảng Lý thuyết Trường điện từ, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG II
BÀI GIẢNG
Biên soạn: TS. Phan Hồng Phương
(Lưu hành nội bộ)
TP HCM - 2000
3
Chương I. MỞ ĐẦỦ À
Tương tác điện từ là một trong các 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
210- lần so với lực tương tác hạt nhân. Ngoài ra ảnh hưởng của trường điện từ
còn có thể được lan truyền dưới dạng sóng trong không gian và trong các môi
trường chất. Trong một số trường hợp ta có thể khảo sát riêng trường điện và
trường từ, tuy nhiên trong đa số các trường hợp trường điện và trường từ có mối
tương quan chặt chẽ.
Trong chương này ta sẽ xét một số khái niệm cơ bản về trường điện từ:
các thông số, định luật, … làm cơ sở để khảo sát các chương sau.
I.1 Ca ùc đa ï i lươ ïng vector đa ëc trưng cho trươ øng đie än tư øù ï ï ë ø ä ø
Xét hai điện tích điểm q và q1 dứng yên trong chân không, chọn gốc tọa
độ trùng với vị trí của q, q1 nằm tại điểm P. Mỗi điện tích đều sinh ra một
trường điện. Lực điện của trường gây bởi q tác động lên q1 là
r2
r0
1
E i
r4
qq
F
rr
×
×e×e×p
×
= gọi là lực Coulomb, trong đó [ ]m/F
1094
1
90 ××p
=e là
hằng số điện, hay độ thẩm điện của môi trường chân không, r là khoảng cách
giữa q và q1. EF
r
hướng về phía q nếu q và q1 trái dấu (lực hút), hướng ra xa q
nếu q và q1 cùng dấu (lực đẩy).
Xét đại lượng vector úû
ù
êë
é×
×e×e×p
==
m
V
i
r4
q
q
F
E r2
r01
e
r
r
r
. Vậy E
r
chỉ phụ
thuộc vào điện tích q tạo ra điện trường và vector bán kính rirr
rr
×= . Do đó ta
có thể dùng đại lượng E
r
để đặc trưng cho điện trường gây bởi q tại một điểm
trong không gian. E
r
gọi là vector cường độ điện trường có đơn vị là m/V . E
r
hướng vào q nếu q 0 (hình 1.1).
Hình 1.1
Xét môi trường điện môi được
cấu tạo bởi các phân tử, môi trường này
trung hòa về điện. Nếu đặt điện môi
vào một điện trường, điện môi bị phân
cực (hình 1.2). Mức độ phân cực điện
được đặc trưng bởi vector phân cực điện
P
r
.
Khi đó vector cường độ điện trường tại một điểm trong điện môi được
định nghĩa như sau:
4
r2
i
r4
q
E
rr
×
×e×p
= úû
ù
êë
é
m
V
trong đó e là độ thẩm điện của môi trường.
Hình 1.2 Hình 1.3
Ngoài ra, người ta còn đặc trưng cho trường điện bằng vector cảm ứng
điện:
úû
ù
êë
é+e=
20 m
c
PED
rrr
.
Với môi trường tuyến tính, đẳng hướng hoặc khi cường độ điện trường
không quá lớn, vector P
r
tỉ lệ với E
r
:
EkP E0
rr
××e= , trong đó Ek là độ cảm điện của môi trường.
Khi đó ( ) EEEk1D r0E0
rrrr
e=ee=×+e= , tức ED
rv
e= .
ree=e 0 là độ thẩm điện của môi trường, re gọi là độ thẩm điện tương đối của
môi trường.
Nếu điện tích điểm q chuyển động với vận tốc vr thì tại mỗi điểm trong
chân không ngoài lực điện EF
r
còn có lực từ tác dụng BvqFM
rrr
´= , trong đó B
r
là
vector cảm ứng từ có đơn vị là Tesla [T] (hình 1.3).
Tổng của lực điện và lực từ là lực điện tư ø hay lực Lorentz:
BvqEqFFF ME
rrrrrr
´+=+= .
Nếu đặt từ môi trong từ trường, từ môi sẽ bị phân cực từ. Mỗi phân tử từ
môi có thể xem như tương đương với một dòng điện chảy khép kín gọi là dòng
điện phân tử. Moment từ của phân tử: niSim
rr
××= , trong đó ni
r
là vector pháp
tuyến của mặt có chứa dòng điện phân tử. Gọi M
r
là vector phân cực từ đặc
trưng cho mức độ bị phân cực của từ môi:
úû
ù
êë
é
D
=
å
=
®D m
A
V
m
limM
n
1i
i
0V
r
r
.
Người ta còn đặc trưng cho trường từ bằng vector cường độ từ trường:
5
MBH
0
r
r
r
-
m
= úû
ù
êë
é
m
A ,
trong đó úû
ù
êë
é×p=m -
m
H
104 70 là hằng số từ.
Với môi trường tuyến tính, đẳng hướng hoặc khi cường độ từ trường
không quá lớn: HkM M
rr
×= , Mk là độ cảm từ của môi trường.
HHkHB M00
rrrr
m=m+m= ,
( ) r0M0 k1 mm=+m=m là độ thẩm từ của môi trường úû
ù
êë
é
m
H , rm gọi là độ thẩm từ
tương đối của môi trường.
I.2 Một so á kha ùi nie äm kha ùcä á ù ä ù
A. Mật độ điện tích
Mật độ điện tích khối: úû
ù
êë
é
D
D
=r
®D 30V m
c
V
q
lim
Mật độ điện tích mặt: úû
ù
êë
é
D
D
=s
®D 20SS m
c
S
q
lim
Mật độ diện tích dài: úû
ù
êë
é
D
D
=l
®D m
cq
lim
0 ll
Điện tích tổng: ị=
C,S,V
dqq ;
ï
ỵ
ï
í
ì
l
s=
ld
dS
qdV
dq S
B. Cường độ dòng điện
Các điện tích chuyển động sinh ra dòng điện. Cường độ dòng điện chảy
qua mặt S được định nghĩa như sau:
[ ]A
t
q
limI
0t D
D
=
®D
C. Mật độ dòng điện J
r
Xét một dây dẫn kim loại có mật độ điện tích khối là r (hình 1.4a). Các
điện tích di chuyển dọc theo dây với vận tốc vr . Trong khoảng thời gian Dt các
điện tích di chuyển được một đoạn tv D×=Dl . Lượng điện tích đi qua thiết
diện 'SD của dây trong thời gian Dt là t'Sv'SV'q D×D×r=D×D×r=D×r=D l .
Xét trường hợp tổng quát hơn (hình 1.4b): lượng điện tích chảy qua mặt
cắt không vuông góc với trục dây là tSvq D×D×r=D
r
. Dòng điện tương ứng là:
SJSv
t
q
I D×=D×r=
D
D
=D
rr
trong đó vJ
rr
r= gọi là vector mật độ dòng điện, có đơn vị là úû
ù
êë
é
2m
A .
6
Dòng điện chạy qua mặt S bất kỳ sẽ là: ị=
S
dSJI
r
[A]. Theo định luật
Ohm, vector J
r
liên hệ với cường độ điện trường E
r
như sau:
EJ
rr
s=
s là độ dẫn điện của môi trường, có đơn vị là úû
ù
êë
é
m
S .
a).
b).
Hình 1.4
I.3 Hệ phương trình Maxwell va ø đie àu kie än bơ ø .ä ø à ä ø
Hệ phương trình Maxwell là tổng hợp của 4 định luật cơ bản rút ra từ
kết quả thực nghiệm và được biểu diễn dưới dạng toán học. Đó là các định
luật:
– Định luật cảm ứng điện từ Faraday;
– Định luật lưu số Ampère-Maxwell;
– Định luật Gauss đối với trường điện;
– Định luật Gauss đối với trường từ.
I.3.1 Định lua ät ca ûm ư ùng đie än tư ø Faradayä û ù ä ø
Trường từ thay đổi theo thời gian tạo ra dòng điện cảm ứng.
Công lực điện của trường điện cảm ứng dịch chuyển một đơn vị điện
tích dọc theo đường kín C gọi là sức điện động cảm ứng, có giá trị bằng
ị=e
C
C dE l
r
, tính bằng Volt.
Sức điện động cảm ứng có giá trị bằng và ngược dấu với tốc độ biến
thiên từ thông gửi qua diện tích giới hạn bởi vòng dây kín (hình 1.5):
7
ịị -=
SC
dSB
dt
d
dE
r
l
r
(phương trình Maxwell thứ hai dạng tích phân)
Dấu trừ biểu hiện định luật Lenz về chiều của dòng điện cảm ứng: dòng điện
cảm ứng luôn có chiều sao cho tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó.
Trong hệ SI, đơn vị của từ thông là Weber [ ]Wb , tương đương với
[ ]sV ×
B
r
C
dS
S
Hình 1.5
Theo định lý Stockes ta có:
ị ị=
C S
dSErotdE
r
l
r
.
Với mặt S bất kỳ không phụ thuộc
thời gian, ta có
( )SdSErotdS
t
B
dSB
dt
d
SSS
"-=
¶
¶
= ịịị
r
r
r
Þ
t
B
Erot
¶
¶
-=
r
r
(phương trình Maxwell thứ hai dạng vi phân)
Ví dụ:
Một cuộn dây bán kính a, có N vòng được nối với điện trở R. Chọn mặt
phẳng Oxy của hệ tọa độ Descartes trùng với mặt phẳng cuộn dây như trên
hình 1.6. Mạch điện này được đặt vào một từ trường biến thiên
( ) tsini3i2BB zy0 w+=
rrr
, trong đó w là tần số góc và s/rad103=w . Tính:
– Từ thông móc vòng qua một vòng dây;
– Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây; cho N = 10, T2.0B0 = , a = 10
cm, s/rad103=w ;
– Dòng điện cảm ứng trong mạch, cho R = 1 kW.
¨ Từ thông móc vòng qua mỗi vòng dây là:
( )[ ] tsinBa3dSitsini3i2BdSB 02
S
zzy0
S
wp=×w+==F ịị
rrrr
[Wb].
Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây:
( ) tcosBaN3tsinBNa3
dt
d
dt
d
N 0
2
0
2
C wwp-=wp-=
F
-=e
Thế các giá trị số N = 10, T2.0B0 = , a = 10 cm, s/rad10
3=w vào công thức
trên:
t10cos5.188 3C -=e [V].
8
Hình 1.6
Tại thời điểm t = 0, 0dtd >F và
V5.188C -=e . Lúc này từ thông
đang tăng, do đó theo định luật
Lenz dòng điện cảm ứng i phải
có chiều chống lại nguyên nhân
sinh ra nó, tức có chiều như trên
hình 1.6. Suy ra thế tại điểm 2
cao hơn tại điểm 1 và V5.188VV 21C -=-=e .
Dòng điện cảm ứng i có dạng như sau:
t10cos19.0t10cos
10
5.188
R
VV
i 33
3
12 ==
-
= . ¨
I.3.2 Định lua ät lưu so á Ampèrệ á ø -Maxwell
Lưu số của vector cường độ từ trường H
r
theo đường kín C tùy ý bằng
tổng đại số cường độ các dòng điện chảy qua diện tích bao bởi đường kín C.
åị =
k
k
C
IdH l
r
[ ] ịị +=
S
SC
C
dSD
dt
d
IdH
r
l
r
trong đó số hạng thứ nhất [ ]SCI – dòng điện dẫn; số hạng thứ hai ị
S
dSD
dt
d r là
dòng điện dịch theo luận điểm của Maxwell.
C
dS
SD,J
rr
D,J
rr
1dS 2dS
1C 2C
Hình 1.7 Hình 1.8
Nếu dòng điện dẫn liên tục, ta có [ ] ị=
S
SC dSJI
r
, và:
ịịị +=
SSC
dSD
dt
d
dSJdH
rr
l
r
(phương trình Maxwell thứ nhất dạng tích
phân) (xem hình 1.7).
Đối với một mặt kín S ta có (hình 1.8):
9
ï
ï
ỵ
ï
ï
í
ì
+=
+=
ịịị
ịịị
222
111
S
2
S
2
C
S
1
S
1
C
dSD
dt
d
dSJdH
dSD
dt
d
dSJdH
rr
l
r
rr
l
r
_______________________________________
ịị
++
+=
2121 SSSS
dSD
dt
d
dSJ0
rr
Þ ịị -=
SS
dSJdSD
dt
d rr
Vậy: Dòng điện dịch qua một mặt kín bằng dòng điện sinh ra do các
điện tích chảy vào trong thể tích giới hạn bởi mặt kín đó.
Để minh họa cho luận điểm về dòng điện dịch của Maxwell, ta xét
mạch điện gồm một tụ điện nối với nguồn. Xét mặt kín như trên hình 1.9. Theo
định luật Ampère ta có: )t(IdSD
dt
d
S
=ị
r
.
Gọi A là diện tích mặt tụ điện, giả sử trường điện phân bố đều trên mặt tụ
điện. ta có:
( ) )t(IAD
dt
d
=×
( )tI S
Hình 1.9
Vậy giữa hai bản tụ điện có tồn tại dòng
điện qua lớp điện môi có có giá trị bằng
dòng điện dẫn trong mạch, Maxwell gọi là
dòng điện dịch.
Theo định lý Stockes ta có:
ị ị=
C S
dSHrotdH
r
l
r
.
Với mặt S bất kỳ không phụ thuộc thời gian:
dS
t
D
dSD
dt
d
SS
ịị ¶
¶
=
r
r
Từ phương trình Maxwell thứ nhất suy ra:
( )SdS
t
D
dSJdSHrot
SSS
"
¶
¶
+= ịịị
r
rr
Þ
t
D
JHrot
¶
¶
+=
r
rr
(phương trình Maxwell thứ nhất dạng vi phân)
I.3.3 Định lua ä t Gauss đo ái vơ ù i trươ øng đie änä á ù ø ä
10
Thông lượng của vector cảm ứng điện D
r
gửi qua mặt kín bất kỳ S bằng
tổng các điện tích tự do phân bố trong thể tích bao bởi mặt S.
[ ]V
S
QdSD =ị
r
Nếu điện tích Q phân bố liên tục trong thể tích V, r là mật độ điện tích khối
(hình 1.9), ta có:
[ ] ịr=
V
V dVQ
Vậy ịị r=
VS
dVdSD
r
(phương trình Maxwell thứ ba dạng tích phân)
S
dS
D
r
r
Hình 1.10
Theo định lý divergence ta có:
ịị =
VS
dVDdivdSD
rr
Vậy ( )VdVdVDdiv
VV
"r= ịị
r
Þ r=Ddiv
r
(phương trình
Maxwell thứ ba dạng vi phân)
I.3.4 Định lua ä t Gauss đo á i vơ ù i trươ øng tư øä á ù ø ø
Thông lượng vector cảm ứng từ B
r
(từ thông) gửi qua mặt kín S bất kỳ
bằng 0.
0dSB
S
m ==F ị
r
(phương trình Maxwell thứ tư dạng tích phân)
Định luật này thể hiện tính liên tục của thông lượng vector cảm ứng từ
B
r
: các đường sức từ không có điểm bắt đầu và điểm kết thúc, chúng được
khép kín hoặc đi xa vô cùng.
Chú ý: Định luật Gauss đối với trường từ được suy ra từ định luật
Faraday đối với mặt kín (hình 1.10):
ï
ï
ỵ
ï
ï
í
ì
-=
-=
ịị
ịị
22
11
S
2
C
S
1
C
dSB
dt
d
dE
dSB
dt
d
dE
r
l
r
r
l
r
_____________________________
ị-=
S
dSB
dt
d
0
r
B
r
1dS 2dS
1C 2C
Hình 1.10
11
Điều này đúng với mặt S bất kỳ, do đó: ị =
S
0dSB
r
.
Theo định lý divergence ta có: ( )VdVDdiv0dSB
VS
"== ịị
rr
Þ 0Bdiv =
r
(phương trình Maxwell thứ tư dạng vi phân)
I.4 Định lua ä t ba ûo toa øn đie än tíchä û ø ä
Điện tích trong một hệ cô lập về điện không thay đổi.
Dòng điện qua mặt kín S bằng tốc độ thay đổi điện tích trong thể tích V
bao bởi mặt S. Điều này được thể hiện dưới dạng toán học như sau:
ịị -=
VS
qdV
dt
d
dSJ
r
(dạng tích phân)
Chú ý: Định luật này có thể suy ra từ định luật Gauss và định luật
Ampère-Maxwell:
ịị =
VS
qdVdSD
r
(định luật Gauss)
ịị -=
SS
dSJdSD
dt
d rr (định luật Ampère)
Þ ịị -=
VS
qdV
dt
d
dSJ
r
Theo định lý divergence ta có: ( )VdVJdivSdJ
VS
"= ịị
rrr
Þ
t
Jdiv
¶
r¶
-=
r
I.6 Ca ùc đie àu kie än bơ øù à ä ø
Điều kiện bờ là giá trị các vector đặc trưng của trường tại mặt biên phân
chia hai môi trường chất khác nhau.
Các điều kiện bờ rút ra từ các phương trình Maxwell dạng tích phân:
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ỵ
ïï
ï
ï
ï
ï
í
ì
=
=
+=
-=
ị
ịị
ịịị
ịị
0dSB
qdVdSD
dSD
dt
d
dSJdH
dSB
dt
d
dE
S
VS
SSC
SC
r
r
l
r
r
l
r
12
· Các thành phần tiếp tuyến
Xét khung chữ nhật abcd để vuông góc với bờ S ngăn cách giữa hai môi
trường sao cho khung đối xứng qua mặt S (hình 1.11). Ta có:
0dSB
dt
d
limdElim
S0bc
0ad
C0bc
0ad
=-= ịị
®
®
®
®
r
l
r
Khi 0S ® : 0EE cdab =+
Þ ( ) 0EEi 21 =D-×t l
rrr
Vậy ( ) 0EEi 21 =-×t
rrr
tức tt = 21 EE . Vậy thành phần tiếp tuyến của E
r
liên tục
trên bờ.
Nếu viết dưới dạng vector, ta có: ns iii
rrr
´=t Þ
( ) ( ) 0iEEiEEii s21n21ns =-´-=-´
rrrrrrrr
, )abcd(is ^
Þ ( ) 0EEi 21n =-´
rrr
.
Môi trường 1
Môi trường 2
1E
r
2E
r
t2E
t1E
n1E
n2E a b
cd lD
lD
1dS
2dS
n1D
n2D
Hình 1.11
Bây giờ ta hãy tìm điều kiện bờ cho thành phần tiếp tuyến của vector
cường độ từ trường: tH . Ta có:
443421
rr
l
r
l
0
S0bc
0ad
S0bc
0ad
0bc
0ad
dSD
dt
d
limdSJlimdHlim ịịị
®
®
®
®
®
®
+=
mà ( )
321
rr
sscdab iJHH ×=+
dòng điện mặt phân bố trên bề rộng lD
(dòng điện qua mặt abcd nhưng vì 0bc,ad ® )
( ) ss21ns
0bc
0ad
iJHHiidHlim
rrrrrr
l
r
=-´=ị
®
®
( ) ss21ns iJHHii
rrrrrr
=-´×
Þ ( ) s21n JHHi
rrrr
=-´ hay s21 JHH =- tt .
Vậy thành phần tH không liên tục trên bờ.
· Các thành phần pháp tuyến
13
Xét hình khối đặt vuông góc với bờ S ngăn cách giữa hai môi trường sao
cho đối xứng qua S (hình 1.11).
ịị r= ®®
V
0ss
S
0ss
dVlimdSDlim
r
mà 0dVlim
V
0ss
=rị® ngoài điện tích mặt. Vậy SSn2n1 DD s=r=- hay
( ) S21n DDi s=-×
rrr
Để tìm thành phần pháp tuyến nB trên bờ, ta có: 0dSBlim
S
0ss
=ị®
r
, suy ra:
( ) 0BBi
0BB
21n
n2n1
=-×
=-
rrr
Vậy thành phần nB liên tục trên bờ.
Tóm lại ta có thể tóm tắt các điều kiện bờ trong bảng 1.1, và tóm tắt hệ
phương trình Maxwell trong bảng 1.2.
Bảng 1.1 Tổng kết về các điều kiện bờ
Dạng vector Dạng vô hướng
( ) 0EEi 21n =-´
rrr
( ) S21n JHHi
rrrr
=-´
( ) S21n DDi s=-×
rrr
( ) 0BBi 21n =-×
rrr
0EE 21 =- tt
S21 JHH =- tt
Sn2n1 DD s=-
0BB n2n1 =-
Bảng 1.2 Tóm tắt hệ phương trình Maxwell
Dạng tích phân Dạng vi phân Điều kiện bờ
ịịị +=
SSC
dSD
dt
d
dSJdH
rr
l
r
t
D
JHrot
¶
¶
+=
r
rr
( ) S21n JHHi
rrrr
=-´
hay S21 JHH =- tt
ịị -=
SC
dSB
dt
d
dE
r
l
r
t
B
Erot
¶
¶
-=
r
r
( ) 0EEi 21n =-´
rrr
hay tt = 21 EE
ịị r=
VS
dVdSD
r
r=Ddiv
r
( ) S21n DDi s=-×
rrr
hay Sn2n1 DD s=-
ị =
S
0dSB
r
0Bdiv =
r
( ) 0BBi 21n =-×
rrr
hay n2n1 BB =
Các phương trình chất: ED
rr
e= ; HB
rr
m= ; EJ
rr
s= ;
Định luật bảo toàn điện tích:
t
Jdiv
¶
r¶
-=
r
14
I.7 Định ly ù Poynting ù –Na êng lươ ïng đie än tư øê ï ä ø
Xét điện tích điểm dq chuyển động với vận tốc vr trong thể tích V chịu
tác dụng của trường điện từ E
r
, B
r
.
Lực điện từ tác dụng lên dq là: ( )BvEdqF rrrr ´+= .
Khi dq chuyển động một đoạn ld lực F
r
sinh ra công bằng:
( )
( )
dtvEdq
dEdq
dBvdqdEdq
dBvEdqdFdA
×××=
××=
×´×+=
×´+×==
rr
l
r
l
rrr
l
r
l
rrrr
l
r
Þ vEdq
dt
dA rr
××= – công suất trường điện từ sinh ra do điện tích điểm
dq chuyển động.
Ngoài ra dVdq r= , r có đơn vị là ]m/c[ 3 . Suy ra:
dVEv
dt
dA
×××r=
rr
Mật độ dòng điện dẫn bằng ]m/A[vJ 2r
r
r= Þ jdPdVEJdt
dA
=××=
rr
Trong đó dVEJP
V
j ị ×=
rr
– công suất tiêu tán trường do tỏa nhiệt Joule trong
thể tích V và ]m/W[EJp 3j
rr
×= là mật độ công suất tiêu tán.
Từ các phương trình Maxwell
t
D
HrotJ
¶
¶
-=
r
rr
;
t
B
Erot
¶
¶
-=
r
r
và hằng đẳng
thức ( ) HrotEErotHHEdiv rrrrrr -=´ .
Þ ( )
t
D
EJE
t
B
H
t
D
JE
t
B
HHEdiv
¶
¶
×-×-
¶
¶
×-=÷÷
ø
ư
çç
è
ỉ
¶
¶
+×-
¶
¶
-=´
r
rrr
r
r
r
rr
r
rr
Þ ( )
t
B
H
t
D
EJEHEdiv
¶
¶
×+
¶
¶
×+×=´-
r
r
r
rrrrr
Đặt ( )HES rrr ´= . Đại lượng vector này gọi là vector Poynting, có đơn vị là
]m/W[ 2 .
Vậy
t
B
H
t
D
EJEPdiv
¶
¶
×+
¶
¶
×+×=-
r
r
r
rrrr
, suy ra định lý Poynting dạng tích phân:
ịịị ÷÷ø
ư
çç
è
ỉ
¶
¶
×+
¶
¶
×+×=-
VVS
dV
t
B
H
t
D
EdVEJdSS
r
r
r
rrrr
Đây là công suất trường điện từ truyền qua mặt S vào thể tích V. Số hạng thứ
nhất ị ×
V
dVEJ
rr
thể hiện công suất tiêu tán trong thể tích V; số hạng thứ hai
15
ị ÷÷ø
ư
çç
è
ỉ
¶
¶
×+
¶
¶
×
V
dV
t
B
H
t
D
E
r
r
r
r
thể hiện công suất ứng với sự thaay đổi năng lượng
trong thể tích V đươc tính bằng [ ]2mW .
Vậy vector Poynting HES
rrr
´= chính là mật độ dòng công suất.
]W[dV
t
B
H
t
D
E
dt
dW
V
ị ÷÷ø
ư
çç
è
ỉ
¶
¶
×+
¶
¶
×=
r
r
r
r
Giả sử 0B,H,D,E =
rrrr
tại thời điểm 0t = , suy ra:
ị ị
=
÷÷
ø
ư
çç
è
ỉ
¶
¶
×+
¶
¶
×=
t
0t V
dtdV
t
B
H
t
D
EW
r
r
r
r
.
Theo điều kiện cho môi trường tuyến tính, đẳng hướng ED
rr
e= , ta có:
( )
t
E
D
t
E
E
t
E
E
t
D
E
¶
¶
×=
¶
¶
×e=
¶
e¶
×=
¶
¶
×
r
r
r
r
r
r
r
r
( )
t
D
E2
t
E
D
t
D
EDE
t ¶
¶
×=
¶
¶
×+
¶
¶
×=×
¶
¶
r
r
r
r
r
rrr
Þ ( )DE
t2
1
t
D
E
rr
r
r
×
¶
¶
×=
¶
¶
×
Tương tự ta suy ra ( )BH
t2
1
t
B
H
rr
r
r
×
¶
¶
×=
¶
¶
× .
Vậy ịị ×+×=
VV
dVBH
2
1
dVDE
2
1
W
rrrr
Đại lượng ]m/J[DE
2
1
w 3E
rr
×= là mật độ năng lượng điện trường;
]m/J[BH
2
1
w 3M
rr
×= là mật độ năng lượng từ trường.
Đối với trường điện từ tĩnh trong thể tích V các phương trình Maxwell
có dạng: 0Erot =
r
; 0Hrot =
r
, kết hợp với hằng đẳng thức toán
( ) 0HrotEErotHHEdiv =-=´ rrrrrr , ta suy ra:
( ) ( ) 0dSSdSHEdVHEdiv
SSV
ịịị ==´=´
rrrrr
Þ ịị ÷÷ø
ư
çç
è
ỉ
¶
¶
×+
¶
¶
×+×=
VV
dV
t
B
H
t
D
EdVEJ0
r
r
r
rrr
Þ constdVBH
2
1
dVDE
2
1
W
VV
=×+×= ịị
rrrr
Vậy năng lượng trường điện từ tĩnh không đổi theo thời gian.
I.8 Ý nghĩa he ä phương trình MaxwellÙ ä
16
· Phương trình 1 và 2 mô tả mối quan hệ giữa hai mặt thể hiện điện và từ