Điện động lực học

Sóng điện từ trong chân không

Trong chân không không nguồn, E và B là các sóng ngang vuông góc nhau, truyền với tốc độ c.

Sóng điện từ không cần môi trường vật chất: điện trường biến thiên sinh từ trường và từ trường biến thiên sinh điện trường. Mỗi trường vuông góc với hướng truyền và với trường kia.

Diễn giải và hệ quả

Trong SI, B₀ = E₀/c; năng lượng điện và từ trung bình bằng nhau. Vector Poynting S = E×B/μ₀ chỉ hướng và mật độ dòng năng lượng.

Lấy xoáy của phương trình Faraday và dùng $\nabla\times B=\mu_0\varepsilon_0\partial_tE$ trong chân không thu được $\nabla^2E-c^{-2}\partial_t^2E=0$; phương trình tương tự đúng cho $B$. Với nghiệm phẳng $\cos(kz-\omega t)$, phương trình đòi hỏi $\omega=ck$. Vì cả hai trường ngang, dao động trường không có thành phần dọc theo hướng truyền trong sóng phẳng tự do.

Với sóng điều hòa, trung bình thời gian của vector Poynting là $\langle S\rangle=\tfrac12\varepsilon_0cE_0^2\hat k$ (giá trị đỉnh), biểu diễn công suất trên đơn vị diện tích. Trường cũng mang mật độ động lượng $g=S/c^2$; khi hấp thụ hoặc phản xạ, bức xạ truyền động lượng và tạo áp suất ánh sáng. Các quan hệ này cho thấy sóng điện từ vận chuyển năng lượng và động lượng ngay cả khi không có hạt vật chất truyền cùng.

Trong chân không, $\omega=ck$ tuyến tính nên vận tốc nhóm $d\omega/dk$ bằng $c$, đúng với vận tốc pha; một gói sóng không bị tán sắc. Ở mặt phân cách đứng yên, tần số không đổi nên bước sóng đổi tỉ lệ với vận tốc pha.

Trắc nghiệm nhanh