Bài giảng Trường điện từ và kỹ thuật siêu cao tần: Chương 2 - Trường ĐH Điện lực

Điện từ học là một trong những nền tảng quan trọng của khoa học kỹ thuật hiện đại. Sau khi tìm hiểu về điện trường tĩnh do các điện tích đứng yên tạo ra, việc khám phá từ trường tĩnh là bước tiếp theo để hoàn thiện bức tranh về các hiện tượng điện từ cơ bản. Chương này tập trung vào việc nghiên cứu từ trường tĩnh phát sinh từ dòng chuyển dời có hướng của các điện tích, tức là dòng điện. Hiểu rõ bản chất của từ trường tĩnh, các đại lượng đặc trưng như véc-tơ cảm ứng từ B và véc-tơ cường độ từ trường H, cùng với các định luật cơ bản chi phối chúng, là nền tảng thiết yếu để phân tích và thiết kế các hệ thống điện, điện tử. Mục tiêu là cung cấp một cái nhìn toàn diện về các khái niệm, định luật cơ bản và mối quan hệ giữa dòng điện và từ trường tĩnh, tạo tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn về điện động lực học.

Sinh viên ngành kỹ thuật điện, điện tử, viễn thông, vật lý và các kỹ sư, nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện từ.

Chương này đi sâu vào nghiên cứu từ trường tĩnh, một lĩnh vực cốt lõi trong điện từ học, bắt đầu bằng việc định nghĩa dòng điện dẫn là sự chuyển dời có hướng của các hạt mang điện tích. Tầm quan trọng của nó được nhấn mạnh thông qua định luật bảo toàn điện tích, trình bày dưới dạng tích phân và vi phân, đặc biệt là trường hợp dòng điện không đổi nơi mật độ điện tích không thay đổi theo thời gian, dẫn đến phương trình divJ=0. Các nguyên lý cơ bản khác như định luật Ohm mô tả mối quan hệ giữa mật độ dòng điện và cường độ điện trường, cùng với định luật Kirchhoff về dòng điện và điện áp, được giới thiệu để củng cố nền tảng về dòng điện.

Phần trọng tâm của chương là khái niệm từ trường tĩnh được tạo ra bởi các dòng điện không đổi. Hai đại lượng đặc trưng chính, véc-tơ cảm ứng từ B (Tesla) và véc-tơ cường độ từ trường H (Ampe/mét), được định nghĩa chi tiết với các công thức toán học và sự khác biệt về bản chất, bao gồm cả mối quan hệ phụ thuộc môi trường của B và sự độc lập của H.

Chương này cũng trình bày các định luật nền tảng của từ trường tĩnh. Định luật Ampere được giới thiệu dưới dạng tích phân (lưu số của H bằng tổng dòng điện bị bao quanh), sau đó được chuyển đổi sang dạng vi phân thông qua phương trình Rotation của từ trường (rotH = J). Phương trình này là một trong những phương trình Maxwell cho trường tĩnh, chứng tỏ rằng từ trường tĩnh là một trường xoáy với các đường sức từ khép kín bao quanh nguồn dòng điện. Việc nắm vững các khái niệm, định luật này là cực kỳ quan trọng không chỉ để hiểu các hiện tượng vật lý mà còn để ứng dụng vào việc phân tích, thiết kế các linh kiện và hệ thống điện từ trong kỹ thuật, từ các động cơ đơn giản đến các thiết bị điện tử phức tạp, đồng thời là tiền đề cho nghiên cứu điện động lực học.