Bài 19. Điện từ trường. Mô hình sóng điện từ trang 82, 83, 84 Vật Lí 12 Kết nối tri thức

Sóng điện từ được tạo thành và lan truyền thông qua một cơ chế tương tác qua lại giữa điện trường và từ trường. Cụ thể như sau:

1. Quá trình tạo thành:
Khi một hạt mang điện (như electron) dao động điều hòa xung quanh một vị trí cân bằng, nó tạo ra một điện trường biến thiên trong không gian xung quanh. Sự biến thiên của điện trường này chính là nguồn gốc khởi đầu của sóng điện từ.

2. Cơ chế lan truyền:
Sự lan truyền của sóng điện từ dựa trên hai hiện tượng vật lí cơ bản:
- Điện trường biến thiên sinh ra từ trường biến thiên: Một điện trường biến thiên theo thời gian sẽ tạo ra một từ trường biến thiên xung quanh nó.
- Từ trường biến thiên sinh ra điện trường biến thiên: Ngược lại, từ trường biến thiên này lại sinh ra một điện trường biến thiên mới.
Hai quá trình này diễn ra liên tiếp, nối tiếp nhau, tạo thành một chuỗi 'tự tái tạo' năng lượng, cho phép sóng điện từ lan truyền đi xa trong không gian mà không cần môi trường vật chất (có thể truyền trong chân không).

3. Kết luận:
Sóng điện từ là sự kết hợp của điện trường và từ trường biến thiên tuần hoàn, lan truyền trong không gian với vận tốc ánh sáng ($c \approx 3 \times 10^8$ m/s trong chân không). Các vùng khác nhau trong thang sóng điện từ (hồng ngoại, tử ngoại, sóng vô tuyến...) chỉ khác nhau về tần số và bước sóng, nhưng đều có cùng bản chất lan truyền như trên.

Để so sánh sự giống và khác nhau giữa điện trường do điện tích đứng yên gây ra (điện trường tĩnh) và điện trường xoáy, chúng ta phân tích dựa trên các đặc điểm vật lí cơ bản như sau:

1. Sự giống nhau:

• Cả hai đều là điện trường, đặc trưng bởi cường độ điện trường $\vec{E}$ tại mỗi điểm trong không gian.
• Đều tác dụng lực điện $\vec{F} = q\vec{E}$ lên một điện tích $q$ đặt trong điện trường đó.

2. Sự khác nhau:

Kết luận: Sự khác biệt cơ bản nhất là điện trường tĩnh được tạo ra bởi nguồn điện tích và có đường sức hở, trong khi điện trường xoáy được tạo ra bởi sự biến thiên của từ trường và có đường sức khép kín.

Để so sánh điểm khác nhau cơ bản giữa điện từ trường với điện trường và từ trường, chúng ta cần xem xét bản chất vật lí của từng loại trường như sau:

Kết luận: Điểm khác nhau cơ bản nhất là tính tương hỗ và sự lan truyền. Trong khi điện trường và từ trường tĩnh có thể tồn tại riêng rẽ, thì điện từ trường là một thể thống nhất, trong đó điện trường và từ trường biến thiên liên tục sinh ra nhau, tạo thành sóng điện từ truyền đi trong không gian.

Dưới đây là lời giải chi tiết cho các câu hỏi hoạt động trang 84 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức:

1. Mô hình sóng điện từ:

Mô hình sóng điện từ bao gồm một điện trường $\vec{E}$ và một từ trường $\vec{B}$ biến thiên điều hòa theo thời gian. Hai trường này dao động vuông góc với nhau và cùng vuông góc với phương truyền sóng. Khi điện trường biến thiên, nó sinh ra từ trường biến thiên và ngược lại, tạo nên một chu trình tự duy trì và lan truyền trong không gian dưới dạng sóng.

2. Phương truyền sóng điện từ trong Hình 19.5:

Dựa vào hình vẽ trong SGK (Hình 19.5), phương truyền sóng là phương vuông góc với cả mặt phẳng chứa vectơ cường độ điện trường $\vec{E}$ và vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$. Cụ thể, nếu $\vec{E}$ dao động theo trục tung và $\vec{B}$ dao động theo trục hoành (trong mặt phẳng ngang), thì sóng điện từ truyền theo phương của trục vuông góc với mặt phẳng đó (thường là trục Ox trong mô hình lý thuyết).

3. Chứng minh sóng điện từ là sóng ngang và có thể lan truyền trong chân không:

• Là sóng ngang: Theo định nghĩa, sóng ngang là sóng có phương dao động của các phần tử môi trường (hoặc phương biến thiên của trường) vuông góc với phương truyền sóng. Trong mô hình sóng điện từ, cả $\vec{E}$ và $\vec{B}$ đều biến thiên theo phương vuông góc với phương truyền sóng $v$. Do đó, sóng điện từ là sóng ngang.
• Lan truyền được trong chân không: Khác với sóng cơ học cần môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí) để truyền năng lượng, sóng điện từ là sự tương tác qua lại giữa điện trường và từ trường. Theo định luật Faraday và Maxwell, một điện trường biến thiên sinh ra một từ trường biến thiên, và ngược lại, một từ trường biến thiên sinh ra một điện trường biến thiên. Quá trình này diễn ra liên tục và tự duy trì, không phụ thuộc vào sự hiện diện của vật chất. Vì vậy, sóng điện từ có thể lan truyền trong chân không.

1. Sự khác biệt giữa sóng điện từ và sóng cơ:

Điểm khác biệt cơ bản nhất giữa sóng điện từ và sóng cơ nằm ở môi trường truyền sóng:

• Sóng cơ: Là sự lan truyền dao động cơ học trong một môi trường vật chất (rắn, lỏng hoặc khí). Sóng cơ không thể truyền trong chân không.
• Sóng điện từ: Là sự lan truyền của điện từ trường trong không gian. Sóng điện từ có thể truyền được trong chân không cũng như trong các môi trường vật chất trong suốt.

2. Phân tích câu hỏi trắc nghiệm:

Xét từng phát biểu về sóng điện từ:

• A. Đúng: Sóng điện từ chính là sự lan truyền của điện từ trường trong không gian.
• B. Sai: Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của sóng điện từ là nó có thể lan truyền được trong chân không với vận tốc xấp xỉ $3.10^8$ m/s.
• C. Đúng: Vì các vectơ cường độ điện trường $\vec{E}$ và cảm ứng từ $\vec{B}$ luôn vuông góc với phương truyền sóng, nên sóng điện từ là sóng ngang.
• D. Đúng: Trong một sóng điện từ, $\vec{E}$ và $\vec{B}$ biến thiên cùng pha (khi $\vec{E}$ cực đại thì $\vec{B}$ cũng cực đại).

Kết luận: Phát biểu sai là B.

Đáp án chọn: B.