tiểu luận sự phân cực của sóng điện từ và ứng dụng

NỘI DUNG CHUONG 1: SU PHAN CỰC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ 1.1 Sơ lược về sóng điện từ 1.1.1 Khái niệm sóng điện từ và sự hình thành sóng điện từ Sóng điện từ hay bức xạ điện tử là sự kết hợp của d

/TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHÔ HÔ CHÍ MINH

KHOA HÓA HỌC

KS

© 3p TP HỒ CHÍ MINH

TIỂU LUẬN

SỰ PHÂN CỰC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ ỨNG DỤNG

HỌC PHẢN: SCIE1414- DAO DONG VA SÓNG

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 9 tháng 12 năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHÔ HÔ CHÍ MINH

KHOA HÓA HỌC

KS

TIEU LUAN

SU PHAN CUC CUA SONG DIEN TU VA UNG DUNG

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 9 tháng 12 năm 2022

Mục lục

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Vật lý là một trong những ngành khoa học nghiên cứu các quy luật đơn giản đến tong quát của tự nhiên Cơ sở của vật lý là vật lý cô điển, bao gồm nhiều lĩnh vực như:

cơ học, nhiệt học, điện học, quang học, hạt nhân Đây là những kiến thức cơ bản nhất, giúp ích cho người nghiên cứu, người dạy và người học Nhằm giúp học sinh hiểu sâu hơn về các lĩnh vực khác nhau Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, vật lý học

đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển và đạt được nhiều thành tựu đáng kể Và một trong những số đó có nhiều ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày đó chính là trường điện từ, trong “ có sóng điện từ Sóng điện từ giup chung ta hiểu rõ hơn về cầu nỗi giữa "điện từ” và "quang học" Sóng điện từ là một vân đề hết sức quan trọng trong vật

lý cũng như đời sống, Bắt đầu từ lý thuyết về sóng điện từ, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu sâu về sóng điện tử và ứng dụng chúng vào nhiều lĩnh vực như: công nghệ truyền thông, y học, quân sự

Vì thế nên tôi chọn đề tài “Sự phân cực của sóng điện từ và ứng dụng” thông qua

đề tài này sẽ giúp ta hiểu rõ hơn về bản chất cũng như ứng dụng của nó vào cuộc sống

NỘI DUNG

CHUONG 1: SU PHAN CỰC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ

1.1 Sơ lược về sóng điện từ

1.1.1 Khái niệm sóng điện từ và sự hình thành sóng điện từ

Sóng điện từ (hay bức xạ điện tử) là sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng Sóng điện tử cũng bị lượng tử hóa thành những “đợt sóng” có tỉnh chất như các hạt chuyên động gọi là photon Đề chứng minh rằng sóng điện từ là trường điện từ biển thiên được truyền đi trong không gian, Hertz đã làm thí nghiệm sau (Hình 1.1):

f9

Hình 1.1.1 Thí nghiệm của Hertz về sóng điện từ

Dùng một nguồn xoay chiều cao tần, nối qua hai ống dây tự cảm L L đến hai

thanh kim loại có hai quả cầu kim loại A, B khá gần nhau Khi điều chỉnh hiệu điện thế

và khoảng cách giữa AB sao cho có hiện tượng phóng điện giữa AB thì tại mọi điểm M trong không gian lân cận A và B đều có một cặp vectơ cường độ điện trường và cường

độ từ trường H biến thiên theo thời gian Vậy thí nghiệm của Herzt đã chứng tỏ: Điện từ trưởng biến thiên đã được truyền ổi trong không gian Quá trình đó được giải thích bằng hai luận điểm của Maxwell Thí dụ tại một điểm O, ta tạo ra một điện trường biến thiên: Vector cường độ điện trường biến thiên theo thời gian, chăng hạn (như trong thí nghiêm của Herzt) biến thiên một cách tuần hoàn theo thời gian Theo luận điểm thứ hai của Maxwell, điện trường ở Ò biến thiên sẽ tạo ra từ trường tại các diém M1, Mb,, Ms xuat hién cac vecto cuong d6 tr truong , ,, Vi bién thién tuan hoan theo thoi nén , cũng biến thiên tuần hoàn theo thời gian Theo luận điểm thứ nhất của Maxwell, từ trường biến thiên gây ra điện trường xoáy, tại các điểm M¡, M;, xuất hiện các vector cường độ điện trường , Như vậy, trong quá trình phóng điện giữa A và B cặp vectơ

và luôn chuyển hóa cho nhau và được truyền đến mọi điểm trong không gian, quá trình

đó tạo thành sóng điện tử Sóng điện từ là trường điện từ biến thiên truyền đi trong không gian

1.1.2 Phương trình sóng điện từ

Trường tĩnh và trường dừng là những trường gắn liền với điện tích và dòng điện, khi điện tích và dòng điện biển đổi, chúng cũng biến đổi theo Bên cạnh các loại tường

đó còn có một loại trường khác tồn tại độc lập đổi với điện tích và dòng điện, mà ta gọi

là từ trường tự do Các điện từ trường tự do nói chung cũng do một hệ điện tích và dòng điện nào đó sinh ra Nhưng sau khi được hình thành, bằng cách nào đó chúng tách rời khỏi hệ điện tích, dòng điện và vận động theo những qui luật riêng, không phụ thuộc vào nguồn gốc sinh ra chúng Các phương trình Maxwell đã cho phép tiên đoán sự tồn tại của điện từ trường tự do ngay trước khi chúng ta tạo ra loại trường đó bằng thực nghiệm Các phương trình của điện từ tưởng tự do là các phương trình Maxwell trong

đó ta đặt điều kiện =0 và =0 (chỉ có từ trưởng, không có điện tích và dòng điện) Các điều kiện nảy có thê được thỏa mãn trong một điện môi đồng chất và vô hạn

Ta có:

Kết hợp với các phương trình = và =., có thê viết lại (1.1) - (1.4) như sau:

Qua các phương trình trên, ta thấy đối với điện từ trường tự do, điện trường và từ trường không tách rời nhau Quan hệ giữa chúng chặt chẽ hơn so với trường chuẩn dừng và được thể hiện ở hai mặt: do tác dụng cảm ứng điện từ Faraday và do tác dụng của dòng điện dịch Có thê nói rằng từ trường biến thiên sinh ra điện trường và ngược

lại điện trường biến thiên sinh ra từ trường Điện trường và từ trường ở đây đều là

trường xoáy

Muốn xét kỹ hơn các tính chất của trường điện từ tự do, ta thực hiện một số phép

biến đối Lấy rot hai về của (1.5) và kết hợp với (1.6), ta có:

So sánh với (1.7), ta viết được:

rot rot = grad div - = (1.10)

Tương tự ta cũng có: - =0 (L12)

Như vậy, điện trường và từ trường cùng thỏa mãn một phương trình, đó là phương trình D'Alember (Dalambe) hay phương trình sóng Điện từ trường tự do ton tại dưới dang song dién từ

1.2 Sự phân cực của sóng điện từ

Sự phân cực nói chung có nghĩa là định phương hoặc là hiện tượng vector dao động bị giới hạn theo phương dao động

Nói chung sóng điện từ phẳng, đơn sắc không phân cực tức là các vector cường độ điện trường và vector cường độ từ trường tuy tại từng thời điểm vẫn vuông góc với nhau nhưng không giữ một phương nào cô định Tuy nhiên trong một số trường hợp các vector cường độ điện trường và vector cường độ từ trường có phương cô định ta nói rằng sóng điện từ bị phân cực Mặt phăng chứa vector cường độ điện trường và phương truyền sóng gọi là mặt phăng phân cực

Sự tổn tại của ánh sáng phân cực được nhà toán học, vật lí người Đan Mạch Erasmus Bartholin phat hién thay tinh thé khoang chat spar Iceland (loai chat canxit trong suốt, không màu) tạo ra một ảnh kép khi các vật được nhìn qua tỉnh thê trong ánh sáng truyền qua Trong thí nghiệm ông đã quan sát thấy hiện tượng: khi tỉnh thể canxit quay xung quanh một trục nhất định, một trong hai ảnh chuyển động tròn xung quanh ảnh kia, mang lại bằng chứng mạnh mẽ cho thấy tinh thê bằng cách nào đó đã tách ánh sáng thành hai chum tia khác nhau

Ánh sáng phân cực có thể được tạo ra từ những quá trình vật lí phô biến làm lệch phương chùm tia sáng như sự hấp thụ, khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ (hoặc tán xạ) và quá trình gợi là lưỡng chiết (đặc điểm của sự khúc xạ kép) Ánh sáng phản xạ từ bề mặt phẳng của một chất lưỡng cực điện (hoặc cách điện) thường bị phân cực một phần, với vectơ điện của ánh sáng phản xạ dao động trong mặt phẳng song song với bề mặt của vật liệu Ví dụ thường gặp về những bề mặt phản xạ ánh sáng phân cực là mặt nước yên tĩnh, thủy tinh, bản plastic, và đường xa lộ Trong những thí dụ này, sóng ánh sáng có vector điện trường song song với bề mặt chất bị phản xạ ở mức độ cao hơn so với sóng ánh sáng

có những định phương khác Tính chất quang học của bề mặt cách điện xác định lượng chính xác ánh sáng phản xạ bị phân cực Một tính chất quan trọng của ánh sáng phân cực phan xa là độ phân cực phụ thuộc vào góc tới của anh sáng, với lượng phân cực tăng được quan sát thấy khi góc tới giảm

Khi xét sự tác động của ánh sáng không phân cực lên một bề mặt cách điện phẳng,

có một góc duy nhất mà tại đó sóng ánh sáng phản xạ bị phân cực hoàn toàn vào một mặt phẳng Góc này thường được gọi là góc Brewster, và có thể dễ dàng tính được bằng phương trình sau đối với chùm ánh sáng truyền qua không khí:

n = sin(@)/sin(O,) = sin(6i)/sin(O%0-) = tan(@i) Trong do:

n là chiết suất của môi trường mà từ đó ánh sáng bị phản xạ

0() là góc tới

0(r) là góc khúc xạ

Bằng việc giải phương trình, người ta có thê thấy rõ rằng chiết suất của một chất chưa biết có thể xác định được từ góc Brewster Đặc điểm này đặc biệt hữu ích trong trường hợp chất mờ đục có hệ số hấp thụ cao đối với ánh sáng truyền qua, không thê áp dụng được công thức của định luật Snew quen thuộc Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ nghiên cứu các hiện tượng phân cực cả về biểu thức toán học cho biên độ sóng và tính đối xứng Do điện trường và từ trường vuông góc với nhau, nên giá trị của từ trường B sẽ được suy ra dễ dàng từ biểu thức cường độ điện trường bằng cách áp dụng hệ các phuong trinh Maxwell

Sự phân cực là một tính chất của sóng ngang đề cập đến phương hình học của các dao động của sóng tương ứng Trường bức xạ của anten bao gồm các đường sức điện trường va từ trường Trong trường này do anten phát ra, các đường sức của điện trường vuông góc với từ trường Cả hai thành phần trường đều phụ thuộc vào vị trí của ăng-ten

so với bề mặt trái đất Hướng của điện trường xác định phương phân cực của sóng điện

từ Một sự khác biệt được tuyên bồ giữa phân cực tuyến tính và vòng

1.2.1 Phân cực tuyến tính

Sóng có vector cường độ trường # luôn phương song song theo một đường thăng trong quá trình truyền sóng gọi là sóng phân cực thẳng hay phân cực tuyến tính Trong trường hợp này góc lệch pha của hai song thanh phan Ex va Ey co gia tri la:

Khi thay vào phương trình (2.4) trở ta có

=0 Suy ra Đây là phương trình đường thẳng đi qua góc tọa độ nghiên một góc so với trục x

là , được xác định bởi biểu thức

tan Đối với phân cực phẳng tùy theo phương của vector cường độ điện trường mà ta phân ra thành các trường hợp cụ thê:

Khi =0 Suy ra

Trường hợp này vector # chỉ có một thành phần theo phương x, ta gọi đây là sóng phân cực đứng

Khi =0 => =0,

Trường hợp này vector chỉ có một thành phần theo phương y, ta gọi đây là sóng phân cực ngang

Khi ==>=

“+ phân cực thăng với hợp với x một góc (+45

“-” phân cực thăng với hợp với x một góc (-45)

Đối với một phân cực hoàn toàn cường độ sóng tỷ lệ với bình phương của biên

độ, do đó sự phụ thuộc của cường độ với góc phân cực tuân theo công thức:

1

Đây là công thức của định luật Malus về phân cực ánh sáng: “Khi cho một chùm sáng tự nhiên truyền qua 2 bản tuamalin có quang trục hợp với vecto cường độ sáng một góc anfa thì cường độ sáng nhận được tí lệ với cos2d.”

1.2.2 Phân cực vòng: phân cuyc elliptic va phan cực tròn

Một vài trạng thái phân cực elip nằm giữa phân cực thăng và không phân cực, trong đó vectơ điện trường có hình dạng elip trong mọi mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng

Một tính chất đặc trưng của sự phân cực elip đó là phương phân cực có thê là xoay sang trái hoặc xoay sang phải Sự quét vectơ xoay theo chiều kim đồng hồ được

cho là phân cực phải (thuận), và sự quét vectơ xoay ngược chiều kim đồng hồ là phân cực trái (nghịch)

Trong trường hợp mà trục chính và trục phụ của elip phân cực bằng nhau, thì sóng ánh sáng rơi vào loại ánh sáng phân cực tròn, và có thê phân cực trái hoặc phải Mỗi kiểu phân cực đều có thê thu được trong phòng thí nghiệm với thiết bị quang học thích hợp, chúng cũng xảy ra trong anh sang tự nhiên không phân cực

Phân cực tròn

Sóng bất thường ` 2 Vectơ điện e

Sóng Nhìn từ sau lại

thường

'

Phân cực elip Sóng ánh sáng

vuông góc nhau

Sóng ánh sáng phân cực elip Nhìn xiên

Hình 1.2.2 Sóng ánh sáng phân cực elip va phan cực tròn

1.2.2.1 Phân cực ellipse

Giả sử ta nhìn từ nguồn phát sóng theo CHƯƠNG truyền sóng, nếu đầu mút của vector cường độ điện trường vạch nên hình elip trong không gian thì gọi

là sóng phân cực elip

Khi ; thi sin = 1, cos va luc nay phuong trình có dạng

a ee E E,,

Đây là phương trình clip mà bán trục nằm trên các trục x và y

Hình 1.2.2.1 Phân cực elip Khi ; ta sẽ thấy quay theo chiều kim đồng hồ Còn khi ta sẽ thấy quay ngược chiều kim đông hồ

1.2.2.2 Phân cực tròn

Trong trường hợp thành phần điện trường của hai sóng thành phần có biên độ bằng nhau: E.„=E„y =E‹ và lệch pha nhau góc

Khi thay vào phương trình ta có:

Trong trường hợp này, đầu mút của vector điện trường vẽ nên đường xoắn tròn trong không gian Sóng được gọi là phân cực tròn Nếu nhìn theo chiều truyền sóng, vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ thì ta có sóng phân cực tròn quay phải, trường hợp vector điện trường quay ngược chiều kim đồng hồ ta gọi là sóng phân cực tròn quay trái Chiều quay của vector cường độ điện trường phụ thuộc vào dấu của góc lệch pha

x⁄

@=

»

La

N —— 2

fo

tS | †

Hình 1.2.2.2 Phân cực tròn Phân cực tròn phải :