Bài giảng Trường điện từ - Bài 3: Trường từ tĩnh của dòng không đổi - Hoàng Phương Chi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TS Hoàng Phương Chi Viện Điện tử Viễn thông VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG 3BÀI SỐ TRƯỜNG TỪ TĨNH CỦA DÒNG KHÔNG ĐỔI ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 2  Nội dung bài học 1. KHÁI NIỆM 2. DÒNG ĐIỆN DẪN 3. CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ TÍNH CHẤT VỀ DÒNG ĐIỆN 4. CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN 5. CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN 6. TỔNG KẾT ET3210 Trường điện từ Chương 3 3  Mục tiêu bài học Sau khi học xong bài này, các bạn sẽ nắm được những vấn đề sau:  Khái niệm cơ bản về từ trường tĩnh  Những đại lượng đặc trưng cơ bản của trường từ tĩnh do dòng không đổi tạo ra  Những tính chất cơ bản của trường từ tĩnh ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 4  Khái niệm về trường từ tĩnh 1. Giới thiệu • Dòng điện: dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện • Dây dẫn có dòng không đổi chạy qua. Xung quanh dây có một trường từ tĩnh với đường sức là đường cong khép kín bao quanh dây => Từ trường tĩnh do dòng không đổi tạo ra • Các đại lượng cơ bản của trường từ tĩnh là 𝐵 và 𝐻 không thay đổi theo thời gian ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 5 2. Dòng điện dẫn • Dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện tích • Xét thể tích V bao bởi mặt kín A, trong V chứa điện tích Q với mật độ điện tích là 𝜌 • Nếu theo thời gian, lượng điện tích Q trong V giảm dần thì theo định luật bảo toàn điện tích đã có 1 lượng điện tích chảy ra khỏi V theo thời gian • Nếu theo thời gian, lượng điện tích Q trong V tăng dần thì theo định luật bảo toàn điện tích đã có 1 lượng điện tích chảy vào thể tích V theo thời gian • Dòng dẫn (dòng chảy ra khỏi V theo t) = độ giảm điện tích Q trong V theo thời gian 𝐼 = − 𝑑𝑄 𝑑𝑡 hay 𝐼 = ׯ𝐴 Ԧ𝐽 𝑑𝐴 ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 6  3.1. Định luật bảo toàn điện tích 3. Các định luật cơ bản về dòng điện • Faraday tìm ra bằng thực nghiệm • Tổng điện tích trong một hệ cô lập về điện không thay đổi • Phương trình bảo toàn điện tích 𝐼 = − 𝑑𝑄 𝑑𝑡 = ׯ𝐴 Ԧ𝐽 𝑑𝐴 → −׬𝑉 𝑑𝜌 𝑑𝑡 𝑑𝑉 = ׬𝑉 𝑑𝑖𝑣 Ԧ𝐽 𝑑𝑉 hay 𝑑𝑖𝑣 Ԧ𝐽 = − 𝑑𝜌 𝑑𝑡 • Đối với dòng không đổi: 𝑑𝑖𝑣 Ԧ𝐽=0 ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 7  3.2. Định luật Ohm 3. Các định luật cơ bản về dòng điện • Quan hệ giữa véc tơ mật độ dòng điện và véc tơ cường độ điện trường trong môi trường bán dẫn / dẫn điện: Ԧ𝐽=𝜎𝐸 • 𝜎: đ𝑖ệ𝑛 𝑑ẫ𝑛 𝑠𝑢ấ𝑡, độ 𝑑ẫ𝑛 đ𝑖ệ𝑛 𝑐ủ𝑎 𝑚ô𝑖 𝑡𝑟ườ𝑛𝑔 𝑑ẫ𝑛 đ𝑖ệ𝑛 (si/m) • 𝜎 → ∞:𝑑ẫ𝑛 đ𝑖ệ𝑛 𝑙ý 𝑡ưở𝑛𝑔 • 𝜎 = 0: đ𝑖ệ𝑛 𝑚ô𝑖 𝑙ý 𝑡ưở𝑛𝑔 ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 8  3.3. Định luật Kirchhoff 3. Các định luật cơ bản về dòng điện • Kirchhoff 1: Tổng đại số các dòng điện đi vào, đi ra khỏi 1 nút bằng 0 σ𝑛=1 𝑁 𝐼𝑛 = 0 • Kirchhoff 2: Tổng đại số các sụt áp trong một vòng mạch kín = tổng đại số các sức điện động có trong vòng mạch kín đó σ𝑛=1 𝑁 𝑈𝑛 = σ𝑚=1 𝑀 𝑒𝑚 Trong đó: 𝑒 = ׯ𝑆 𝐸 𝑑𝑠 ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 9  4.1. Véc tơ cảm ứng từ - Định luật Bio-Savart 4. Các đại lượng cơ bản • Từ trường của một phần tử dây dẫn ngắn dl mang dòng điện I 𝐵 = 𝜇 4𝜋 ׬𝑉 Ԧ𝐽𝑥𝑟0 𝑟2 𝑑𝑉 • 𝐵: véc tơ cảm ứng từ (T) • 𝑟0: véc tơ đơn vị theo hướng bán kính từ dòng điện tới điểm xác định trường • 𝜇: độ 𝑡ừ 𝑡ℎẩ𝑚 𝑐ủ𝑎 𝑚ô𝑖 𝑡𝑟ườ𝑛𝑔 𝐻 𝑚 • Ԧ𝐽: véc tơ mật độ dòng điện (A/m) • Ԧ𝑟: véc tơ hướng từ nguồn dòng điện đến điểm xác định trường • V: thể tích chứa nguồn dòng điện ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 10  4.2. Véc tơ cường độ từ trường 4. Các đại lượng cơ bản • Véc tơ cường độ từ trường 𝐻 (A/m) 𝐻 = 𝐵 𝜇 = 1 4𝜋 ׬𝑉 Ԧ𝐽𝑥𝑟0 𝑟2 𝑑𝑉 (A/m) • Không phụ thuộc vào môi trường khảo sát • Môi trường đồng nhất đẳng hướng, 𝐵 và 𝐻 cùng phương, cùng chiều ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 11  5.1. Định luật Ampres - Tính chất xoáy 5. Các tính chất cơ bản • Định luật Ampres: ׯ𝑆 𝐻𝑑𝑠 = σ 𝐼 • Phương trình Rotation của từ trường: 𝑟𝑜𝑡𝐻 = Ԧ𝐽 -> từ trường tĩnh là trường xoáy, đường sức trường khép kín trong không gian bao quanh dây dẫn chứa dòng điện ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 12  5.2. Định luật Gauss – Tính chất không nguồn 5. Các tính chất cơ bản • Thông lượng của véc tơ cảm ứng từ qua một mặt kín A: Φ = ׯ𝐴 𝐵 𝑑𝐴 = 0 (Từ trường tĩnh có đường sức khép kín) -> Phương trình divergence 𝑑𝑖𝑣𝐵 = 0 Từ trường không có nguồn tại điểm khảo sát ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 13  5.3. Điều kiện bờ - Năng lượng của trường từ tĩnh 5. Các tính chất cơ bản • Điều kiện bờ: 𝐻𝑡1 − 𝐻𝑡2 = 𝐽 𝐵𝑛1 = 𝐵𝑛2 • Năng lượng của từ trường tĩnh: • Từ trường tĩnh mang năng lượng • 𝑊 = 1 2 ׬𝑉 𝐵𝐻dV ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 14 6. Tổng kết • Trường từ tĩnh được tạo ra bởi dòng không đổi  1. Khái niệm • Véc tơ cường độ từ trường và véc tơ cảm ứng từ không biến thiên theo thời gian. • Véc tơ cường độ từ trường không phụ thuộc vào môi trường.  2. Các đại lượng cơ bản  3. Các tính chất cơ bản • Trường từ tĩnh là trường xoáy • Trường từ tĩnh là trường không có nguồn • Trường từ tĩnh là trường mang năng lượng ET3210 Trường Điện Từ Chương 3 15 • Xác định trường gây ra do dòng không đổi theo định luật Ampres • Xác định véc tơ cảm ứng từ dựa vào định luật Bio-Savart 7. Bài tập 16Trường Điện Từ Chương 3 Trường điện từ biến thiên Bài học tiếp theo. BÀI Tài liệu tham khảo 4 1. Lâm Hồng Thạch, Nguyễn Khuyến, “Bài giảng trường điện từ” 2. Lâm Hồng Thạch, Hoàng Phương Chi, Vũ Văn Yêm “Trường điện từ, kiến thức căn bản và bài tập” 3. John D.Krauss, “Electromagnetic field theory” Chúc các bạn học tốt! 17Trường Tĩnh Điện Chương 3