Bài giảng Điện học (Phần 30) 6.4 Sóng điện từ Hệ quả quan trọng nhất của sự cảm ứnglàsự tồntại của sóngđiện từ. Trong khi sónghấp dẫn sẽ gồm khônggì hơn là một sự gợn lăn tăn của các trườnghấp dẫn, thì nguyên lí cảmứng chochúng ta biết rằng có thể khôngthể có sóng điện thuần túy hay sóng từ thuần túy. Thay vì vậy,chúng ta có các sóng trong đó có cả điện trường vàtừ trường, giống như sóng sin biểu diễn trên hìnhbên dưới. Maxwellđã chứng minhrằngcácsóng như thế là hệ quả của các phươngtrìnhcủa ông, và nhậnđược tính chất củachúngbằng toán học.Việc thiết lập nằm ngoài khuôn khổ toán học của cuốn sách này, nên chúngta sẽ chỉ phátbiểucác kết quả. s/ Một sóng điện từ Một sóngđiệntừ kiểu sin có dạng hình học biểu diễn trênhìnhs. Các trườngE và B vuônggóc vớihướngchuyển động,và đồng thời vuônggóc với nhau. Nếu bạn nhìn dọc theo hướng chuyển độngcủa sóng,vectơ B luôn luôn lệch 90 độ theo chiều kim đồnghồ sovới vectơ E. Độ lớn của hai trườngliên hệ với nhaubởi phươngtrình|E| = c |B|. Sóng điện từ được tạora như thế nào ? Nó cóthể được phátra, chẳng hạn, bởi mộtelectronđangquayxung quanhmột nguyên tử hoặc bởi các dòng điện chạytới lui trong một ănten phát sóng. Nói chung,bất kì điện tíchđang gia tốcnào cũng sẽ tạora một sóng điện từ, mặc dù chỉ có dòng điện biến thiên dạng sintheo thời gian mới tạo ra sóngdạng sin.Mộtkhi phát sinh, sóng lan tỏa trong không gian màkhông cần điệntích hay dòng điện để tiếp tục lantỏa. Khi điện trườngdao độngtới lui,nó cảm ứngratừ trường,và từ trường daođộng lạitạo rađiệntrường. Toàn bộ dạng sóngtruyền trong khônggian trống rỗng ở tốc độ c = 3 x10 8 m/s, tốc độ này liênhệ Sự phân cực Hai sóng điện từ truyền cùng chiều nhautrongkhônggian có thể không giống nhauvì điện trườngvà từ trường của chúngcó hướngkhác nhau,mộttính chất của sóng gọi là sự phân cực. Ánh sáng là sóng điện từ Một khiMaxwellnhận ra sự tồn tại của sóngđiện từ,ông trở nên chắnchắn rằng chúng là cùnghiệntượngnhư ánh sáng.Cả hai đều làsóng ngang(tứclà dao độngvuông gócvới hướngsóng chuyển động), và vận tốc là như nhau. Heinrich Hertz (tênông đặt cho đơn vị tần số) đã xác nhận ý tưởngcủa Maxwellbằngthực nghiệm. Hertzlà người đầu tiên thành côngtrongviệc tạo ra, pháthiện, vànghiên cứusóngđiện từ một cách chi tiếtbằngănten và mạchđiện. Để tạo ra sóng,ông phải làm cho dòng điện dao độngrấtnhanhtrong mộtmạch điện. Thật ra,thật sự không có chút hi vọng nào tạo ra dòng điện đảo chiều ở tần số 10 15 Hz mà ánh sáng khả kiến có. Dao độngđiện nhanhnhấtông có thể tạo ra là 10 9 Hz,cho bước sóng khoảng 30 cm. Ôngđã thành công trong việcchỉ ra rằng, giống hệt như ánh sáng, các sóngdo ôngtạora có thể phân cực,và có thể bị phản xạ và khúc xạ (tức là bị bẻ cong, ví dụ dothấu kính gây ra),và ôngđã chế tạo được các dụngcụ ví dụ như gương parabol hoạt động theocùngnguyênlí quang học như ánh sángsử dụng. Kết quả của Hertz là bằng chứng thuyết phục rằng ánh sáng và sóngđiện từ là mộtvà giốngnhau. Phổ điện từ Ngày nay,các sóng điệntừ trong vùngmà Hertz sử dụng được gọilàsóng vô tuyến. Các nghingờ rằng “sóng Hertz”, như khiđó nó được gọi, là cùng loại sóng như sóng ánh sáng nhanhchóng bị xua tan bởi các thí nghiệmtrong toàn bộ ngưỡng tầnsố ở giữa, cũng như ở các tần số nằm ngoài phạm vi đó.Tươngtự như phổ ánh sáng khả kiến, chúng ta nói về toàn bộ phổ điện từ,trong đó phổ khả kiến chỉ là một đoạn. Thuật ngữ dànhchocác phần khác nhaucủa phổ điện từ thật đáng để nhớ, và dễ học nhấtbằngcách nhận ra mối quan hệ lôgic giữabước sóng vàtính chất của sóng mà bạn đã quen thuộc. Sóngvô tuyến có bước sóngcó thể sánh với kích thướccủa cácănten vô tuyến,tức làtừ hàng mét tớihàng chục mét. Vi sóng được gọi tên như thế vì chúng có bước sóngngắnhơn nhiều so với sóng vô tuyến; khithựcphẩm nấu khôngđều trong lò vi sóng,khoảng cách nhỏ giữacác điểmnóngvà lạnh bằng mộtnửa bướcsóng của sóngdừngmà lò visóng tạo ra. Sóng hồng ngoại, khả kiến, và tử ngoại hiển nhiên có bước sóngngắn hơn nhiều, vì nếu không thì bản chấtsóng của ánh sáng sẽ rõ ràng trướccon người như bản chất sóng của sóng đạidương.Để nhớ tia tử ngoại, tia X và tia gammađều nằm ở phía bước sóng ngắn của ánhsáng khả kiến, hãy nhớ lại rằngcả ba sóng nàyđều có thể gây raung thư. (Như chúng ta sẽ thảoluận ở phần sau tập sách này,có một nguyêndo cơ bản lí giải vì saosự hỏng hóc gây ungthư của ADNchỉ có thể gây ra bởi những songđiện từ bước song rất ngắn. Tráivới niềm tin phổ biến, visong khôngthể gây ra ungthư, đó là lí do vì saochúng ta cólò vi song, chứ không phải lò tia X!). Ví dụ 7. Tại sao bầu trời có màu xanh ? Khi ánhsángMặt Trời đi vào bầu khí quyển tầng trên, một phântử không khí nhất định tự bị gột sạch bởi một songđiện từ cótần số f. Các hạt tích điện của phân tử đó (hạt nhânvà electron)hoạt động giống như các daođộng tử bị chi phối bởi mộtlực dao động, vàphản ứng bằng cách daođộng ở cùng tần số f. Nănglượng bị rút khỏi chùm ánh sangMặtTrời tớivà chuyển hóathànhđộng năngcủa các hạt dao động.Tuy nhiên, những hạt này đanggia tốc, nên chúng hoạt động giống như các ăntenvôtuyến nhỏ và đưa năng lượng ra khỏi trở lại dưới dạng sóng ánh sang cầu trải ra theo mọi hướng.Mộtvật đangdaođộng ở tần số f có gia tốc tỉ lệ với f 2 , và mộthạt tích điện đang giatốc tạo ra mộtsóng điện từ có các trườngvuônggóc với giatốc của nó, nên trường củasóngcầu tái phát xạ tỉ lệ với f 2 . Năng lượng của một trườngtỉ lệ với bình phươngcường độ trường, nênnăng lượng củasóng tái phátxạ tỉ lệ với f 4 . Vì ánh sáng xanh có tần số gấp khoảng 2lần ánh sáng đỏ,nên quá trìnhnày diễn ra với ánh sángxanhmạnh gấp 2 4 = 16lần so vớiánh sáng đỏ, và đó là lí do vìsao bầu trời cómàu xanh. . Bài giảng Điện học (Phần 30) 6.4 Sóng điện từ Hệ quả quan trọng nhất của sự cảm ứnglàsự tồntại của sóngđiện từ. Trong khi sónghấp dẫn sẽ gồm khônggì. củachúngbằng toán học. Việc thiết lập nằm ngoài khuôn khổ toán học của cuốn sách này, nên chúngta sẽ chỉ phátbiểucác kết quả. s/ Một sóng điện từ Một sóngđiệntừ kiểu sin có dạng hình học biểu diễn. cứusóngđiện từ một cách chi tiếtbằngănten và mạchđiện. Để tạo ra sóng,ông phải làm cho dòng điện dao độngrấtnhanhtrong mộtmạch điện. Thật ra,thật sự không có chút hi vọng nào tạo ra dòng điện đảo