NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TỪ: CÔNG THỨC, PHƯƠNG TRÌNH, SỬ DỤNG, VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2026

Các năng lượng điện từ là một trong đó lây lan qua sóng điện từ (EM). Ví dụ về điều này là ánh sáng mặt trời tỏa nhiệt, dòng điện được tách ra từ ổ cắm điện và tia X để tạo ra tia X.

Giống như sóng âm thanh khi chúng làm rung màng nhĩ, sóng điện từ có khả năng truyền năng lượng mà sau này có thể được chuyển đổi thành nhiệt, dòng điện hoặc các tín hiệu khác nhau.

Hình 1. Anten cần thiết trong viễn thông. Các tín hiệu mà chúng hoạt động có năng lượng điện từ. Nguồn: Pixabay.

Năng lượng điện từ lan truyền cả trong môi trường vật chất và trong chân không, luôn ở dạng sóng ngang và việc tận dụng nó không phải là điều gì mới mẻ. Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng điện từ nguyên thủy và lâu đời nhất được biết đến, nhưng việc sử dụng điện gần đây hơn.

Chỉ đến năm 1891, Công ty Edison mới đưa vào vận hành công trình lắp đặt điện đầu tiên tại Nhà Trắng ở Washington DC. Và đó là sự bổ sung cho đèn chạy bằng khí gas được sử dụng vào thời điểm đó, bởi vì ban đầu có rất nhiều người hoài nghi về việc sử dụng chúng.

Sự thật là ngay cả ở những nơi xa xôi nhất và thiếu đường dây điện, năng lượng điện từ liên tục đến từ không gian vẫn tiếp tục duy trì động lực của cái mà chúng ta gọi là ngôi nhà của mình trong vũ trụ.

Công thức và phương trình

Sóng điện từ là sóng ngang, trong đó điện trường E và từ trường B vuông góc với nhau và phương truyền của sóng vuông góc với các trường.

Tất cả các sóng được đặc trưng bởi tần số của chúng. Đó là dải tần số rộng của sóng EM, mang lại cho chúng tính linh hoạt khi biến đổi năng lượng, tỷ lệ thuận với tần số.

Hình 2 cho thấy một sóng điện từ, trong đó điện trường E màu xanh lam dao động trong mặt phẳng zy, từ trường B màu đỏ dao động trong mặt phẳng xy, trong khi tốc độ của sóng hướng dọc theo trục + y, theo hệ trục tọa độ đã cho.

Hình 2. Một sự cố sóng điện từ trên một bề mặt truyền năng lượng theo vectơ Poynting. Nguồn: F. Zapata.

Nếu một bề mặt xen vào đường đi của cả hai sóng, giả sử một mặt phẳng có diện tích A và độ dày dy, sao cho nó vuông góc với tốc độ của sóng, thông lượng năng lượng điện từ trên một đơn vị diện tích, ký hiệu là S, được mô tả qua từ vectơ Poynting:

Dễ dàng kiểm tra rằng các đơn vị của S là Watt / m ² trong Hệ thống quốc tế.

Vẫn còn nữa. Độ lớn của trường E và B liên quan với nhau bằng tốc độ ánh sáng c. Thực tế, sóng điện từ trong chân không lan truyền nhanh như vậy. Mối quan hệ này là:

Thay thế mối quan hệ này trong S, chúng ta thu được:

Véc tơ Poynting thay đổi theo thời gian theo một cách hình sin, vì vậy biểu thức trước đó là giá trị lớn nhất của nó, vì năng lượng do sóng điện từ cung cấp cũng dao động, giống như các trường. Tất nhiên, tần số của dao động rất lớn, vì vậy không thể phát hiện ra nó trong ánh sáng khả kiến.

Các ứng dụng

Trong số nhiều ứng dụng mà chúng tôi đã đề cập đến đối với năng lượng điện từ, đây là hai ứng dụng được sử dụng liên tục trong nhiều ứng dụng:

Ăng ten lưỡng cực

Ăng-ten ở khắp mọi nơi lấp đầy không gian bằng sóng điện từ. Có những máy phát, chẳng hạn như biến đổi tín hiệu điện thành sóng vô tuyến hoặc vi ba. Và có những bộ thu, làm công việc ngược lại: chúng thu sóng và chuyển chúng thành tín hiệu điện.

Hãy xem cách tạo ra tín hiệu điện từ lan truyền trong không gian, từ một lưỡng cực điện. Lưỡng cực gồm hai điện tích có độ lớn bằng nhau, trái dấu, đặt cách nhau một khoảng nhỏ.

Trong hình sau là điện trường E khi điện tích + ở trên (hình bên trái). E chỉ xuống điểm được hiển thị.

Hình 3. Điện trường của một lưỡng cực ở hai vị trí khác nhau. Nguồn: Randall Knight. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ sư.

Trong hình 3 bên phải, lưỡng cực đã thay đổi vị trí và bây giờ E đang hướng lên trên. Hãy lặp lại sự thay đổi này nhiều lần và rất nhanh, chẳng hạn với tần số f. Bằng cách này, một trường E biến thiên theo thời gian được tạo ra, làm phát sinh từ trường B , cũng biến thiên và có dạng hình sin (xem hình 4 và ví dụ 1 bên dưới).

Và như định luật Faraday đảm bảo rằng một từ trường B thay đổi theo thời gian sẽ tạo ra điện trường, hóa ra là bằng cách dao động lưỡng cực, người ta đã có một trường điện từ có khả năng lan truyền trong môi trường.

Hình 4. Một anten lưỡng cực tạo ra tín hiệu mang năng lượng điện từ. Nguồn: F. Zapata.

Chú ý rằng điểm B xen kẽ trong hoặc ngoài màn hình (nó luôn vuông góc với E ).

Năng lượng điện trường: tụ điện

Tụ điện có công dụng lưu trữ điện tích và do đó là năng lượng điện. Chúng là một phần của nhiều thiết bị: động cơ, mạch vô tuyến và truyền hình, hệ thống chiếu sáng xe hơi, v.v.

Tụ điện gồm hai vật dẫn cách nhau một khoảng nhỏ. Mỗi vật được đặt một điện tích có độ lớn bằng nhau và ngược dấu, do đó tạo ra điện trường trong không gian giữa hai vật dẫn. Hình dạng có thể khác nhau, là hình dạng nổi tiếng của tụ điện dạng tấm song song phẳng.

Năng lượng được lưu trữ trong tụ điện đến từ công việc đã được thực hiện để sạc nó, phục vụ cho việc tạo ra điện trường bên trong nó. Bằng cách đưa một vật liệu điện môi vào giữa các bản tụ điện, dung lượng của tụ điện tăng lên và do đó năng lượng mà nó có thể tích trữ.

Một tụ điện có dung lượng C và được phóng điện ban đầu, được nạp bởi một pin có hiệu điện thế V, cho đến khi đạt đến điện tích Q, thì tích trữ một năng lượng U cho bởi:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Hình 5. Một tụ điện phẳng song song tích trữ năng lượng điện từ. Nguồn: Wikimedia Commons. Geek3.

Ví dụ

Ví dụ 1: Cường độ của sóng điện từ

Trước đây, người ta nói rằng độ lớn của vectơ Poynting tương đương với công suất mà sóng truyền cho mỗi mét vuông bề mặt, và vì vectơ phụ thuộc vào thời gian, nên giá trị của nó dao động tới cực đại là S = S = ( 1 / μ _hoặc .c) E ² .

Giá trị trung bình của S trong một chu kỳ của sóng rất dễ đo và biểu thị năng lượng của sóng. Giá trị này được gọi là cường độ sóng và được tính theo cách này:

Sóng điện từ được biểu diễn bằng hàm sin:

Trong đó E _o là biên độ của sóng, k là số sóng và ω tần số góc. Vì thế:

Hình 5. Anten bức xạ tín hiệu có dạng hình cầu. Nguồn: F. Zapata.

Ví dụ 2: Ứng dụng đối với anten phát

Có một đài phát thanh phát một tín hiệu có công suất 10 kW và tần số 100 MHz, tín hiệu này lan truyền theo phương cầu, như trong hình trên.

Tìm: a) biên độ của điện trường và từ trường tại điểm cách ăng ten 1 km và b) tổng năng lượng điện từ rơi vào một tấm giấy hình vuông cạnh 10 cm trong thời gian 5 phút.

Dữ liệu là:

Giải pháp cho

Phương trình cho trong ví dụ 1 được sử dụng để tìm cường độ của sóng điện từ, nhưng trước hết các giá trị phải được biểu thị trong Hệ thống quốc tế:

Các giá trị này ngay lập tức được thay thế trong phương trình cường độ, vì nó là một nguồn phát ra như nhau ở mọi nơi (nguồn đẳng hướng):

Trước đó, người ta nói rằng độ lớn của E và B liên quan với nhau bởi tốc độ ánh sáng:

B = (0,775 / 300.000.000) T = 2,58 x 10 ^-9 T

Giải pháp b

S _{có nghĩa} là công suất trên một đơn vị diện tích và công suất là năng lượng trên một đơn vị thời gian. Nhân S _{trung bình} với diện tích của tấm và với thời gian phơi sáng, kết quả được yêu cầu sẽ thu được:

U = 0,775 x 300 x 0,01 Joules = 2.325 Joules.

Người giới thiệu

1. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 6. Điện từ học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (Ủy ban Quốc tế về An toàn Điện từ). Sự thật về năng lượng điện từ và cách nhìn định tính. Lấy từ: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược. Lề. 893-896.
4. Đại học Bang Portland. Sóng EM vận chuyển năng lượng. Lấy từ: pdx.edu
5. Năng lượng điện từ là gì và tại sao nó lại quan trọng ?. Được khôi phục từ: sciencestruck.com.