Sóng điện từ và một số ứng dụng

Sóng điện từ và một số ứng dụng

KHOA VẬT LÝ

ĐỀ TÀI:

Giáo viên hướng dẫn:Lê Văn Hoàng

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Lê Thủy An

Phùng Thu Hằng Nguyễn Thị Trung Kiên

Lớp Lý 3A Niên khóa: 2008 - 2009

MỞ ĐẦU

LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nhóm chọn đề tài “Sóng điện từ” do các lí do chính sau:

_ Việc nghiên cứu “Sóng điện từ” giúp chúng ta hiểu rõ hơn về chiếc cầu nối

giữa “điện – từ học” và “quang học”

_ “Sóng điện từ” là một vấn đề rất quan trọng trong Vật lý học cũng như trong

đời sống

_ “Sóng điện từ” có nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật, thông tin liên lạc,

y học, quân sự, đời sống hàng ngày…

ĐỐI TƯƠNG NGHIÊN CỨU

Học sinh và sinh viên

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

Chương 1 LỊCH SỬ SÓNG ĐIỆN TỪ 5

1.1 Sự tiên đoán về sóng điện từ của Maxwell năm 1864 5

1.1.1 Vài nét tiêu biểu: 5

1.1.2 Sự tiên đoán về sóng điện từ của Maxwell 6

1.2 Heinrich Hertz xác nhận ý tưởng của Maxwell 7

1.2.1 Vài nét tiêu biểu 8

1.2.2 Thí nghiệm của Hertz về sóng điện từ 9

Chương 2 PHƯƠNG TRÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ 11

2.1 Khái niệm sóng điện từ 11

2.2 Hệ phương trình Maxwell mô tả trường điện từ tự do 11

2.3 Phương trình sóng điện từ 11

Chương 3 PHÂN LOẠI SÓNG ĐIỆN TỪ 13

Chương 4 ỨNG DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ 15

4.1 Radio waves: 15

4.1.1 Định nghĩa 15

4.1.2 Lịch sử 15

4.1.3 Ứng dụng 15

4.2 Micro waves 20

4.2.1 Định nghĩa 20

4.2.2 Tính chất 20

4.2.3 Ứng dụng: Lò vi ba 21

4.3 T- rays 22

4.3.1 Định nghĩa 22

4.3.2 Lịch sử 22

4.3.3 Ứng dụng 23

4.4 Infrared (Tia hồng ngoại) 27

4.4.1 Định nghĩa 27

4.4.2 Lịch sử 27

4.4.3 Tính chất 28

4.4.4 Ứng dụng 29

4.5 Visible light 35

4.5.1 Định nghĩa 35

4.5.2 Ứng dụng 35

4.6 Ultra Violet ( Tia tử ngoại) 39

4.6.1 Định nghĩa 40

4.6.2 Lịch sử 40

4.6.3 Tính chất 41

4.6.4 Ứng dụng 41

4.6.5 Tác hại 43

4.7 X rays 44

4.7.1 Định nghĩa 45

4.7.2 Tính chất 45

4.7.3 Ứng dụng 45

4.7.4 Tác hại 48

4.8 Gamma rays 50

4.8.1 Định nghĩa 50

4.8.2 Ứng dụng 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

CHƯƠNG 1 LỊCH SỬ SÓNG ĐIỆN TỪ

1.1 Sự tiên đoán về sóng điện từ của Maxwell năm 1864

Hình 1.1 James Clerk Maxwell

1.1.1 Vài nét tiêu biểu:

James Clerk Maxwell, sinh ngày 13 tháng 6 năm 1831, tại Edinburgh,

Scotland), mất ngày 5 tháng 11 năm 1879 Ông là một nhà vật lý học người Scotland Ông đã đưa ra hệ phương trình miêu tả những định luật cơ bản về điện trường và từ trường được biết đến với tên gọi hệ phương trình Maxwell Đây là hệ phương trình chứng minh rằng điện trường và từ trường là thành phần một trường thống nhất: điện

từ trường Ông cũng đã chứng minh rằng trường điện từ có thể truyền đi trong không gian dưới dạng sóng với tốc độ không đổi là 300000 Km/s và đưa ra giả thuyết ánh sáng là sóng điện từ

Có thể nói Maxwell là nhà vật lý học thế kỷ 19 có ảnh hưởng nhất tới nền vật

lý của thế kỉ 20, người đã đóng góp vào công cuộc xây dựng mô hình toán học mới của nền khoa học hiện đại Vào năm 1931, nhân kỉ niệm 100 năm ngày sinh của Maxwell, Albert Einstein đã ví công trình của Maxwell là “ sâu sắc nhất và hiệu quả nhất mà vật lý học có được từ thời của Issac Newton”

1.1.2 Sự tiên đoán về sóng điện từ của Maxwell

Hệ phương trình Maxwell bao gồm bốn phương trình, đề ra bởi James Clerk Maxwell, dùng để mô tả trường điện từ cũng như tương tác của chúng đối với vật chất Bốn phương trình Maxwell mô tả lần lượt:

• Điện tích tạo ra điện trường như thế nào? ( Định luật Gass)

• Sự không tồn tại vật chất của từ tích

• Dòng điện tạo ra từ trường như thế nào? ( Định luật Ampere)

• Từ trường tạo ra điện trường như thế nào? ( Định luật cảm ứng Faraday)

Các công thức của Maxwell vào năm 1865 bao gồm 20 phương trình với 20 ẩn

số, nhiều phương trình được coi là nguồn gốc của phương trình Maxwell ngày nay Các phương trình của Maxwell đã tổng quát hóa các định luật thực nghiệm được những người đi trước phát hiện ra:

• Chỉnh sửa định luật Ampere: 3 phương trình cho 3 chiều (x, y, z)

• Định luật Gauss cho điện tích: 1 phương trình

• Mối quan hệ giữa dòng điện tổng và dòng điện dịch: 3 phương trình cho 3 chiều (x, y, z)

• Mối quan hệ giữa từ trường và thế năng vectơ: 3 phương trình cho 3 chiều (x, y, z), chỉ ra sự không tồn tại của từ tích

• Mối quan hệ giữa điện trường và thế năng vô hướng cũng như thế năng vectơ: 3 phương trình cho 3 chiều (x, y, z), định luật Faraday

• Mối quan hệ giữa điện trường và trường dịch chuyển: 3 phương trình cho 3 chiều (x, y, z)

• Định luật Ohm về mật độ dòng điện và điện trường: 3 phương trình cho 3 chiều (x, y, z)

• Phương trình cho tính liên tục: 1 phương trình

Các phương trình nguyên bản của Maxwell được viết lại bởi Oliver Heaviside

và Willard Gibbs vào năm 1884 dưới dạng các phương trình vectơ Sự thay đổi này diễn tả được tính đối xứng của các trường trong cách biểu diễn toán học Những công thức có tính đối xứng này là nguồn gốc hai bước nhảy lớn trong vật lý hiện đại đó là Thuyết tương đối hẹp và Vật lý lượng tử

Maxwell đã mở rộng các công trình của Michael Faraday và nhận thấy rằng chính mối liên hệ khăng khít giữa điện và từ đã làm cho loại sóng điện từ trường nên

có thể tồn tại

Thật vậy, hệ phương trình Maxwell cho phép đoán trước được sự tồn tại của sóng điện từ , có nghĩa là khi có sự thay đổi của một trong các yếu tố như cường độ dòng điện, mật độ điện tích…sẽ sinh ra sóng điện từ truyền đi được trong không gian

1.2 Heinrich Hertz xác nhận ý tưởng của Maxwell

Năm 1888, Heinrich Hertz đã làm thí nghiệm phát sóng điện từ xác nhận ý tưởng của Maxwell

Hình 1.2 Heinrich Hertz

1.2.1 Vài nét tiêu biểu

Heinrich Rudolph Hertz, nhà vật lý học người Đức, người có công tìm ra sóng điện từ và hiệu ứng quang điện, sinh tại Hamburg ngày 22-2-1857 Đầu tiên, ông học tại trường Đại học Tổng hợp Berlin, là học trò xuất sắc của nhà bác học Helmholtz Hertz nghiên cứu về tĩnh điện học và điện từ, góp phần to lớn vào việc chế tạo ra máy

vô tuyến điện

Năm 1887, ông công bố về những bài báo về những dao động điện rất nhanh Hertz chế tạo một máy phát dao động điện cao tần, gọi là "bộ rung Hertz" và một "bộ cộng hưởng" để phát hiện những dao động điện đó Với thiết bị như trên, ông xác lập được quá trình cảm ứng và tương tác của các mạch điện

Năm 1888, ông đã thu được sóng điện từ đầu tiên như thuyết Maxwell tiên đoán và đã chứng minh rằng sóng điện từ đồng nhất với sóng ánh sáng, rằng sự di chuyển của ánh sáng và điện cùng nhanh như nhau và các tia Cathode có thể xuyên qua những tấm ván hay những tấm nhôm mỏng

Năm 1889, Hertz trở thành giáo sư tại trường Đại học Bonn Năm 1891, ông

đã tổng kết những công trình của mình, khẳng định những lý thuyết của Maxwell Ông cũng đã khám phá ra nhiều tính chất của ánh sáng tử ngoại, nghiên cứu điện động lực các môi trường chuyển động, chế tạo ra các dao động tử hở Kết quả của các công trình nghiên cứu của Hertz đều được ghi chép và tập hợp lại trong 3 tập kỷ yếu sau: Tạp tuyển, Nghiên cứu về sự lan truyền của các lực điện và Nguyên lý cơ học

Ông mất ở Bonn ngày 1-1-1894, mới có 37 tuổi Để ghi nhớ công lao của Hertz, người ta đã dùng tên ông để đặt cho đơn vị tần số

1.2.2 Thí nghiệm của Hertz về sóng điện từ

Hình 1.3 Thí nghiệm hertz về sóng điện từ

Nối một nguồn xoay chiều cao tần vào hai đầu của hai ống dây tự cảm L và L’, hai đầu còn lại của L và L’ nối với 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 A , B sao cho có hiện tượng phóng điện giữa A, B thì tại mọi điểm trong không gian lân cận A và B đều có một cặp vectơ cường độ điện trường và cường độ từ trường biến thiên theo thời gian

Sự tạo thành sóng điện từ:

Hình 1.4 Sóng điện từ tự do

Kết quả thí nghiệm của Hertz được giải thích bằng hai luận điểm của

Maxwell Khi có sự phóng điện, điện trường giữa A và B giảm, biến đổi theo thời gian, theo luận điểm thứ hai của Maxwell, điện trường biến đổi ở 0 sẽ sinh ra một từ trường nghĩa là tại các điểm M, M1,M2,… xuất hiện các vectơ cường độ từ trường ,

…cũng biến đổi theo thời gian

Theo luận điểm thứ nhất của Maxwell, từ trường biến đổi theo thời gian lại sinh ra điện trường xoáy, do đó tại các điểm M, M1,M2 …lại xuất hiện các vectơ cường độ điện trường.

Như vậy, trong quá trình phóng điện giữa A và B cặp vectơ và luôn chuyển hoá cho nhau và được truyền đi từ điểm này tới điểm khác trong không gian, quá trình truyền đó tạo thành sóng điện từ

Sóng điện từ là trường điện từ biến đổi truyền đi trong không gian

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG TRÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ

2.1 Khái niệm sóng điện từ

Trường điện từ tồn tại khi không có điện tích được gọi là sóng điện từ

2.2 Hệ phương trình Maxwell mô tả trường điện từ tự do

Để thấy được thực chất của trường điện từ, ta phải khảo sát đầy đủ hai tương quan:

• Từ trường biến thiên tạo ra điện trường xoáy (hiện tượng cảm ứng điện từ)

• Điện trường biến thiên tạo ra từ trường xoáy (hiện tượng dòng điện dịch).Điện trường lan truyền trong không gian theo thời gian tạo thành sóng điện từ

Hệ phương trình Maxwell:

(2.1)Qua hệ phương trình Maxwell, ta thấy sự có mặt của trường điện từ bao giờ cũng phải gắn với điện tích, dòng điện Mặt khác, qua hệ phương trình Maxwell, dù ρ

= 0, = 0 thì vẫn có thể có ≠0, ≠ 0 Khi đó, hệ phương trình Maxwell mô tả điện từ ở nơi không có mặt điện tích, đó là trường điện từ tự do, tồn tại dạng sóng, nên gọi là sóng điện tự do Hệ phương trình Maxwell lúc đó trở thành:

là phương trình d’Alembert Gọi ϕ là trường vô hướng đại diện cho một trong các thành phần của điện trường hoặc từ trường, thì ϕ thỏa phương trình sóng vô hướng:

∆ϕ - µoεo = 0 (2.5)

CHƯƠNG 3 PHÂN LOẠI SÓNG ĐIỆN TỪ

Hình 3.1 Phân loại sóng điện từ theo tần số và bước sóng

Tần số Bước sóng Ký hiệu Thông tin

4.1.2 Lịch sử

Năm 1878, David E Hughes là người đầu tiên truyền và nhận sóng radio khi ông nhận thấy cân cảm ứng tạo ra âm thanh trong đầu thu của diện thoại tự chế của ông Ông trình bày khám phá của mình trước Hội Khoa học Hoàng gia năm 1880 nhưng chỉ được xem là sự cảm ứng đơn thuần Chính Heinrich Rudolf Hertz, giữa năm 1886 và 1888, là người đưa ra thuyết Maxwell thông qua thực nghiệm, chứng minh rằng bức xạ radio có tất cả tính chất của sóng và khám phá rằng công thức điện

từ có thể định nghĩa lại là công thức chênh lệch bán phần gọi là công thức sóng

William Henry Ward đưa ra bằng sáng chế Mỹ 126356 vào ngày 30 tháng 8 năm 1872 Mahlon Loomis đưa ra bằng sáng chế Mỹ 129971 vào ngày 30 tháng 7 năm 1872 Landell de Moura, một nhà truyền giáo và khoa học Brasil, tiến hành thí nghiệm sau năm 1893 (nhưng trước 1894) Ông đã không công bố thành tựu mãi cho đến khi 1900 Tuyên bố cho rằng Nathan Stubblefield phát minh ra radio trước cả Tesla lẫn Marconi, nhưng các dụng cụ của ông cho thấy chỉ làm việc với sự truyền cảm ứng hơn là truyền sóng radio

4.1.3 Ứng dụng

4.1.3.1 Ứng dụng quan trọng nhất của sóng radio là dùng trong truyền thông tin,

tín hiệu

• Sóng dài (30KHz-300KHz): Mặt đất và các vật cản hấp thụ mạnh sóng dài Sóng dài phản xạ tốt các tầng điện li, có thể phản xạ nhiều lần nên bị tầng điện li hấp thụ

mạnh nên công suất truyền phải lớn Sóng dài không bị hiện tượng fading (gây bởi hiện tượng giao thoa), điều kiện truyền ổn định nên thường được dùng liên lạc trong các thành phố.

• Sóng trung (300KHz-3000KHz): Sóng trung bị hiện tượng fading mạnh, thường dùng liên lạc trong thành phố lớn

• Sóng ngắn (3000KHz-30MHz): bị mặt đất và các vật cản hấp thụ mạnh do có tần số cao Ưu điểm của sóng ngắn là có thể liên lạc đi rất xa

• Sóng cực ngắn: Các sóng này không bị phản xạ ở tầng điện li mà đi xuyên qua

nó để vào không gian vũ trụ Thường dùng trong phát truyền hình và phát thanh FM, liên lạc ra vũ trụ

4.1.3.2 Wifi

Sóng Wi-Fi là sóng radio cường độ thấp có bước sóng tương tự như bước sóng radio sử dụng trong các lò vi sóng Nhưng cường độ sóng Wi-Fi thấp hơn 100.000 so với cường độ sóng trong lò vi sóng

Sóng radio sản sinh ra từ các thiết bị phát sóng Wi-Fi, ánh sáng trắng, lò vi sóng hoặc điện thoại di động có thể khiến nhiệt độ bề mặt của vật thể tăng lên nhưng chúng không thể gây ra bất kỳ tác động xấu nào

4.1.3.3 Sử dụng sóng radio để tiêu diệt sâu bọ trong hạt sấy khô

Một nhóm nhà khoa học Mỹ đã thử nghiệm cho sóng radio làm cho các phân

tử rung và nóng lên để diệt mối mọt và sâu bọ trong hoa quả và hạt sấy khô Nhóm nghiên cứu đã ngâm một số mẻ quả óc chó, hồ trăn và những hạt khác vào một dung dịch hơi mặn Sau đó đưa chúng vào chiếc máy sử dụng tần số radio Thiết bị sẽ tiêu diệt sâu bọ mà không làm hạt bị nóng quá Các nhà khoa học hi vọng phương pháp này sẽ ít gây hại hơn là phương pháp dùng các chất hóa học Tuy nhiên phương pháp này chi phí tốn kém hơn

4.1.3.4 Dùng sóng radio để trị hen

Các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo được thiết bị sử dụng sóng radio giúp bệnh nhân bị hen dễ thở hơn Sóng radio phát ra từ thiết bị này sẽ đi vào phổi, đốt nóng và làm mềm các khối cơ, từ đó tạo ra các đường dẫn không khí lưu thông

Thử nghiệm trên 112 bệnh nhân hen từ mức vừa phải tới nặng, một nửa được điều trị bằng thiết bị này và nửa còn lại sử dụng thuốc Sau một năm, các nhà khoa học nhận thấy khả năng thở của bệnh nhân dùng thiết bị sóng radio tốt hơn hẳn, 39 lít khí thở/phút so với 8,5 lít khí thở/phút của các bệnh nhân dùng thuốc Ngoài ra, nhóm được điều trị bằng máy có 40 ngày không bị các triệu chứng hen, so với 17 ngày ở nhóm điều trị bằng thuốc Đây là phương pháp điều trị đầu tiên không dùng thuốc cho các bệnh nhân hen

4.1.3.5 Điều trị amiđan bằng sóng radio

Gần đây, Bệnh viện Tai Mũi Họng Sài Gòn đã sử dụng sóng radio cao tần điều trị cắt amiđan bằng máy Coblator Với sóng radio cao tần và đầu dò đa chức năng, thiết bị này giúp thực hiện nhanh thủ thuật và hạn chế tối đa thương tổn cũng như nguy cơ biến chứng cho người bệnh Trong thiết bị trên, đầu dò sẽ vừa giúp cắt amiđan bằng nhiệt vừa tưới nước và hút dịch cùng với mảnh vụn, đồng thời đốt các điểm chảy máu Sóng radio cao tần phát ra nhiệt độ tại chỗ thấp nên không gây bỏng cho các tổ chức xung quanh Sóng radio cao tần giúp cầm máu trong phẫu thuật rất tốt vì dòng điện radio cao tần làm tắc các mạch máu Vì vậy, phương pháp mới cũng

ít gây đau và chảy máu, tránh phù nề, vết thương sau mổ amiđan lành nhanh, bệnh nhân có thể về nhà trong ngày và sinh hoạt bình thường, có thể nói chuyện, ăn uống được ngay

4.1.3.6 Phá ung thư gan bằng sóng radio

Do nhiều nguyên nhân, phần lớn bệnh nhân ung thư gan không thể phẫu thuật Khi đó, việc dùng tần số radio tạo nhiệt để phá hủy u là cách điều trị tối ưu Phá u gan bằng sóng radio (gọi tắt là RFA) là một trong những phương pháp điều trị ung thư gan đầy triển vọng và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên thế giới Dưới

hướng dẫn của siêu âm hoặc CT-scan, MRI (chụp cộng hưởng từ), các bác sĩ đưa một kim (đóng vai trò điện cực) vào khối u, xuyên vào u khoảng 5 mm) Dòng sóng radio được truyền vào đầu kim và sinh nhiệt để phá hủy u Thời gian thực hiện khoảng 20-

30 phút

4.1.3.7 Sóng radio điều trị rối loạn nhịp tim

Phương pháp truyền dẫn sóng radio từ hệ thống máy điện sinh lý vào tận cơ tim, không chỉ giúp điều trị rối loạn nhịp tim thành công (khoảng 98%) mà còn giúp bệnh nhân không phải dùng thuốc, không phải lo lắng về bệnh tật…

Phương pháp này được thực hiện nhờ các thiết bị vô cùng tinh vi (hệ thống máy chụp DSA 1 bình diện, hệ thống thiết bị điện thăm dò sinh lý tim, máy tạo năng lượng radio, catheter (dây thông) điện cực chẩn đoán 5Fr, 6fr và catheter điện cực Rf tip 4mm, 7Fr) Khi thực hiện, bác sĩ sẽ đưa một số điện cực qua đường mạch máu (tĩnh mạch hoặc động mạch đùi) vào vị trí tổn thương trong buồng tim Từ đó, dựa trên các tín hiệu hoạt động điện thu được để lập bản đồ hoạt động điện của các buồng tim Sau đó, bác sĩ sẽ sử dụng một số biện pháp thăm dò đặc biệt xác định vị trí ổ ngoại vi cũng như cơ chế gây rối loạn nhịp thất Cuối cùng là sử dụng năng lượng sóng radio ở nhiệt độ 65oC để triệt bỏ các ổ gây rối loạn nhịp tim và các đường dẫn truyền bất thường trong cơ tim Thủ thuật được đánh giá thành công khi kiểm tra lại bằng thăm dò điện sinh lý không còn rối loạn nhịp thất

4.1.3.8 Chữa viêm gân bằng sóng radio

Việc điều trị khá đơn giản Bệnh nhân được chụp cộng hưởng từ hoặc siêu âm xác định vị trí tổn thương rồi gây tê tại chỗ Bác sĩ rạch một đường khoảng 2-3 cm trên đường gân bị tổn thương rồi đưa các dụng cụ vào Một luồng radio cao tần sẽ cắt các sợi dính vi thể trong gân, thủ phạm gây đau và viêm gân Sóng radio cũng làm tăng sinh hệ thống mạch máu đến gân, giúp gân dần bình phục

Ưu điểm của phương pháp này là người bệnh không bị đau, ít biến chứng, có thể xuất viện ngay trong ngày

4.1.3.9 Điều trị chứng viễn thị bằng sóng radio

Một kỹ thuật mới mang tên CK (conductive keratoplasty) vừa được Cơ quan Quản lý Thuốc và Thực phẩm Mỹ chấp thuận Trong phương pháp này, người ta sử dụng năng lượng dạng sóng radio để làm teo một số vùng nhỏ của giác mạc Vì không phải rạch hoặc cắt bỏ mô, CK ít gây tổn thương hơn so với các kỹ thuật laser hiện hành

Theo bác sĩ Peter Hersh, chuyên gia mắt tại Đại học Hackensack University (Mỹ), kỹ thuật CK có thể sẽ được những người có tuổi ưa chuộng vì tính thuận

tiện, đơn giản và ít gây tổn thương Phương pháp này sẽ rất hữu ích cho những người già không thể áp dụng LASIK, như bị chứng khô mắt hoặc có lớp biểu mô bị kích thích CK cũng có thể an toàn hơn với bệnh nhân bị bệnh tăng nhãn áp (glaucoma), vì

nó không đòi hỏi việc tăng tạm thời áp lực trong mắt, xuất hiện khi thực hiện kỹ thuật LASIK

4.1.3.10Điều trị đau lưng bằng sóng radio

Sau khi chẩn đoán đúng vùng đĩa đệm gây đau, đầu tiên các bác sĩ sẽ dùng kim đưa vào trong đĩa đệm Tiếp theo, một luồng sóng radio cao tần có nhiệt độ 65oC

sẽ được truyền vào đĩa đệm với mục đích hủy đầu thần kinh nhận cảm xúc, giúp bệnh nhân không còn cảm thấy đau

Sóng radio cao tần còn có thể khống chế tốt các bệnh lý mạn tính của vùng thắt lưng, cổ, đau thần kinh tọa, thần kinh ngoại biên Tuy nhiên, phương pháp chữa này chỉ áp dụng trong những trường hợp thoát vị mới, chèn ép ít, không có các bệnh

lý cột sống kèm theo

4.1.3.11 Radar

• Radar phát hiện vật ở một khoảng cách bằng sự phản hồi các sóng radio

Khoảng thời gian của sự phản hồi để xác định khoảng cách Phương hướng của tia xác định hướng của sự phản hồi Sự phân cực và tần số của sóng phản hồi có thể cho biết bề mặt của vật

• Radar định vị quét một vùng không gian rộng từ 2 đến 4 lần trong 1 phút Dùng sóng ngắn phản hồi từ đất hay đá Radar sử dụng phổ biến trên tàu thương mại hay máy bay thương mại đường dài.

• Radar dùng cho mục đích thông thường dùng tần số radar định vị, nhưng không phải các tia điều biến và phân cực để các máy thu để xác định bề mặt của vật phản hồi Radar thông thường tốt nhất có thể định dạng mưa trong cơn bão, cũng như mặt đất hay các phương tiện di chuyển Một số có thể để lên cùng dữ liệu âm thanh và dữ liệu bản đồ từ định vị GPS

• Radar tìm kiếm quét một vùng rộng lớn với xung tia radio ngắn Chúng thường quét một vùng không gian từ 2 đến 4 lần 1 phút Thỉnh thoảng radar dùng hiệu ứng Doppler để tách phương tiện vận chuyển với môi trường

• Radar dò tìm mục tiêu sử dụng cùng nguyên lý như radar tìm kiếm nhưng quét vùng không gian nhỏ hơn nhiều, thường là vài lần 1 giây hay hơn nữa

• Radar thời tiết tương tự radar dò tìm, nhưng sử dụng tia radio với sự phân cực tròn và có bước sóng phản hồi từ các giọt nước Vài radar sử dụng Doppler để đo tốc

độ gió

4.2 Micro waves

4.2.1 Định nghĩa

Sóng viba là có tần số từ 300MHz đến 3000MHz , có bước sóng từ 10-1 m đến 1m (UHF)

4.2.2 Tính chất

Microwaves thực chất là một dạng năng lượng điện từ Nó giống như sóng ánh sáng hay sóng radio và nó cũng chiếm một phần phổ điện từ Microwaves thường được sử dụng để tiếp âm các tín hiệu điện thoại có khoảng cách truyền xa, các

chương trình truyền hình hay các thông tin máy tính được truyền từ trái đất tới một trạm vệ tinh trong vũ trụ Ngoài ra, chúng ta cũng có thể dùng microwaves để nhận biết được tốc độ của xe ôtô và các phương tiện giao thông Và gần gũi hơn,

microwaves còn có thể được sử dụng như là một nguồn năng lượng trong các thiết bị nấu ăn hàng ngày Microwaves thực sự đã thâm nhập vào đời sống con người

Theo nguyên lý hoạt động của sóng viba, tất cả năng lượng sóng thay đổi từ cực dương sang cực âm trong mỗi chu kỳ sóng Tốc độ của sự thay đổi khá lớn, hàng triệu lần/giây Các phân tử thức ăn, đặc biệt là các phân tử nước, có một cực dương

và một cực âm giống như một thanh nam châm có một cực bắc và một cực nam Khi các sóng viba bắn phá thức ăn, chúng tại ra các phân tử có cực quay cùng tần số với tần số của sóng viba, hàng triệu lần/ giây Chính sự rung động các phần tử này đã tạo nên ma sát làm nóng thức ăn Do sóng viba không tương tác với các phân tử thuỷ tinh, nhựa hay giấy nên chỉ có thức ăn được đốt nóng

ăn Sóng vi ba trong lò vi sóng là các dao động của trường điện từ với tần số thường

ở 2450 MHz (bước sóng cỡ 1,224 dm) Các phân tử thức ăn (nước, chất béo, đường

và các chất hữu cơ khác) thường ở dạng lưỡng cực điện Những lưỡng cực điện này

có xu hướng quay sao cho nằm song song với chiều điện trường ngoài Khi điện trường dao động, các phân tử bị quay nhanh qua lại Dao động quay được chuyển hóa thành chuyển động nhiệt hỗn loạn qua va chạm phân tử, làm nóng thức ăn

Ngăn nấu là một lồng Faraday gồm kim loại hay lưới kim loại bao quanh, đảm bảo cho sóng không lọt ra ngoài Lưới kim loại thường được quan sát ở cửa lò vi sóng Các lỗ trên lưới này có kích thước nhỏ hơn nhiều bước sóng (12 cm), nên sóng

vi ba không lọt ra, nhưng ánh sáng (ở bước sóng ngắn hơn nhiều) vẫn lọt qua được, giúp quan sát thức ăn bên trong

Đối với kim loại hay các chất dẫn điện, điện tử hay các hạt mang điện nằm trong các vật này đặc biệt linh động, và dễ dàng dao động nhanh theo biến đổi điện từ trường Chúng có thể tạo ra ảnh điện của nguồn phát sóng, tạo nên điện trường mạnh giữa vật dẫn điện và nguồn điện, có thể gây ra tia lửa điện phóng giữa ảnh điện và nguồn, kèm theo nguy cơ cháy nổ

4.3 T- rays

Tia T là một trong 10 dự báo công nghệ năm 2009 do Tạp chí Popular

Mechanics đưa ra thuộc nhiều lĩnh vực, từ picotech tới lưu trữ năng lượng khí nén

4.3.1 Định nghĩa

Người ta nói nhiều đến tia X giúp phát hiện xương gãy, hay sóng cực ngắn làm nóng cơ thể, mà ít biết tia T - một thành phần cũng thuộc phổ điện từ - có thể nhìn xuyên qua quần áo, xác định thuốc nổ và ma tuý, nhận diện khối u, thậm chí là khám phá vũ trụ T-rays (tia T) là một loại tia bức xạ có tần số terahertz được biết đến như là bức xạ viễn- hồng ngoại, bức xạ terahertz, sóng terahertz, ánh sáng

terahertz, T-light, T-lux và THz nằm trong vùng phạm vi điện từ 300 gigahertz

(3x10¹¹ Hz) và 3 terahertz (3x10¹² Hz), nằm trong dải sóng 1 millimeter và 100

micrometer Bức xạ terahertz là loại bức xạ phổ biến nhất trong vũ trụ

4.3.2 Lịch sử

Nếu bạn chưa từng nghe nói về tia T, thì đó là bởi các nhà khoa học đã gặp khó khăn trong việc khai thác chúng và đây được nhìn nhận là một lĩnh vực khó khăn của Vật Lý Mặc dù bài báo khoa học đầu tiên về vấn đề này được ấn bản từ năm

1890, nhưng đến tận bây giờ, người ta vẫn phải đối mặt với những thách thức trong việc nghiên cứu và phát triển những công nghệ giúp tạo ra, phát hiện và điều khiển

tia T Tia T được phát hiện cách đây một thế kỷ, nhưng mới được phát triển thành một kỹ thuật có thể sử dụng được trong vài năm gần đây Các nhà khoa học từ Úc,

Mỹ, Âu châu và Á châu đã chia sẻ những tiến bộ mới trong kỹ thuật này tại hội nghị, được Tổ chức Kỹ thuật và Khoa học Phòng vệ (DSTO) của chính quyền Úc tài trợ, tại Đại học Adelaide Một trong những thuyết trình viên chính sẽ là cha đẻ của tia T, giáo sư Xi-Cheng Zhang thuộc Viện Kỹ thuật Rensselaer ở New York, người đã bỏ

ra hơn 20 năm để phát triển tia này Tia T ban đầu được giới nghiên cứu thiên văn học khám phá và sử dụng để quan sát các vì sao và thiên hà và phải đến năm 1995 thì tia T mới được tạo ra trong phòng thí nghiệm Với nhiều nguồn và các máy dò bức xạ terahertz hiệu quả hơn, các nhà nghiên cứu từ thập kỷ trước đã bắt đầu phát triển những bộ lọc và các máy tạo tia để điều khiển tia T "Ở thời điểm này công nghệ nói trên còn rất non trẻ Terahertz hiện mới chỉ như tia X vào năm 1905", kỹ sư điện Daniel Mittleman, từ phòng thí nghiệm tia T ở Đại học Rice nhận xét

4.3.3 Ứng dụng

4.3.3.1 Công nghệ nhìn xuyên vật thể

Các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia (Mỹ) nghiên cứu phát triển một công nghệ mới cho phép nhìn xuyên vật thể để có thể phát hiện ra các chất nguy hiểm trong các bưu kiện hoặc được che giấu bên dưới lớp vải bọc Trưởng nhóm nghiên cứu M.Wanke cho biết công nghệ này có thể dùng để phát hiện chất nổ, súng đạn hoặc là một chất độc hại nào đó bất kể là chúng được ngụy trang như thế nào Ngoài ra, nhiều loại vật liệu thông dụng, như quần áo, chất dẻo, bao bì và gỗ trở nên trong suốt dưới ảnh chụp terahertz Công nghệ này chủ yếu dựa vào việc phân tích bức xạ terahertz Bằng việc phân tích các tần số phát xạ của vật thể, người ta có thể tìm ra tính chất vật lý và hóa học của đối tượng đang xem xét Các vật liệu sẽ hấp thụ bức xạ này ở những tần số khác nhau, tuỳ vào mỗi loại Dựa trên tần số hấp thụ - đặc điểm duy nhất giống như "dấu vân tay" - các nhà nghiên cứu có thể xác định được những loại chất nổ và ma tuý nào đó Chẳng hạn, một chiếc phong bì chứa chất bột màu trắng trông bí ẩn và có vẻ nguy hiểm với mắt thường Nhưng với sự giúp đỡ của ảnh chụp tia T, nhân viên bưu điện có thể xác định ngay thứ bột này có chứa

aspirin hay methamphetamine (một chất gây nghiện) hay không Các khối thuốc nổ cũng sẽ dễ dàng được xác định dù đã giấu kỹ trong túi xách.

Ngay đến cả các tác nhân sinh học cũng đều không thoát khỏi tầm kiểm soát của tia T Giáo sư Zhang và các cộng sự của Viện Rensselaer đã chứng minh được là tia T có khả năng xác định sự có mặt của vi khuẩn gây bệnh than, một tác nhân sinh học từng gây kinh hoàng cho nước Mỹ sau vụ khủng bố 11/9 Những ứng dụng hết sức thực tiễn này đã khiến Cơ quan phụ trách các Chương trình nghiên cứu tiên tiến

về quốc phòng Mỹ (DARPA) quyết định tài trợ 18 triệu USD để phát triển các ứng dụng của tia T trong lĩnh vực an ninh và chống khủng bố

Tia T còn phát hiện các loại vũ khí được che dấu tinh vi, kể cả vũ khí bằng vật liệu phi kim loại Hiện tại, TeraView, công ty đầu tiên khai thác thị trường thiết bị tia

T, đã chế tạo được loại máy quét xách tay kí hiệu TPI có khả năng phát hiện tất cả các loại dụng cụ, mà từ trước đến nay không thể quan sát được bằng các loại máy quét hiện có Thiết bị TPI cũng phát hiện được cả những đồ vật phi kim loại vùi dưới một lớp đất hoặc cát có độ sâu không lớn Ứng dụng này mở ra hướng mới trong việc chế tạo máy dò mìn đa năng, xác định được cả các loại mìn có vỏ bằng vật liệu nhựa vốn không thể dò được bằng máy

Mặt khác, với tính năng đâm xuyên qua cả các lớp bê tông rất dày, tia T cũng cho phép “quay phim” thường xuyên hoạt động của các nhóm khủng bố đang cầm giữ con tin trong các khu nhà biệt lập, điều mà chưa có một công nghệ nào từ trước đến nay thực hiện được

Vấn đề là cần phải có một thiết bị để “đọc” hình ảnh sau khi cho tia T xuyên qua “Để thu được thông tin về một loại vật liệu sau khi chiếu tia T qua, chúng tôi sử dụng các thiết bị thu đặc biệt, có cấu tạo tương tự như thiết bị phát bức xạ”- Ông Patrick Mounaix, Giám đốc phụ trách nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý Phân tử

Quang học thuộc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS), giải thích Sau khi đối chiếu tính chất của bức xạ ban đầu với bức xạ thu được về sau, các chuyên gia sẽ xác định được cấu tạo của vật liệu phân tích Chẳng hạn, sau khi quét một vật liệu bằng một chùm tia T và vật liệu này hấp thụ một bức xạ có tần số nào

đó, trên quang phổ thu được sẽ xuất hiện một “lỗ hổng” Đối chiếu với dữ liệu lưu trữ (gọi là dấu hiệu hoá học nhận biết), người ta sẽ suy ra bản chất của loại vật liệu đó Nguyên tắc này hoàn toàn khác với việc sử dụng tia X, do hình ảnh chụp bằng X quang hiện rõ trên phim âm bản Tuy nhiên, với thiết bị thu đặc biệt, người ta cũng tái hiện được hình dạng của các vật thể có chứa nước, chẳng hạn như cơ thể con người.

Tia T có khả năng trở thành một lọai vũ khí mới rất mạnh trong cuộc chiến chống tội ác và cũng có thể chiếu xuyên qua thời tiết xấu, bụi bặm hoặc khói tốt hơn tia hồng ngọai hoặc các hệ thống dò tìm khác

4.3.3.2 Trong y học

Tia T có năng lượng thấp, cho nên có thể được dùng an tòan đối với người, không giống như tia X Các nhà khoa học tin rằng do khả năng thâm nhập nông cạn vào cơ thể con người, tia T sẽ có thể đựơc dùng để scan lớp biểu bì hoặc, nhờ ống thông, scan ruột và các cơ phận khác để dò tìm những dấu hiệu của ung thư Giáo sư Đại học Adelaide Derek Abbott nói:”Một trong những khám phá quan trọng gần đây

là tia T cũng có khả năng dò tìm ung thư Úc đang tham gia cuộc chạy đua khoa học

to lớn trong việc nghiên cứu vấn đề này” Vì vậy, tia T đang được sử dụng tại một số bệnh viện như là một công cụ chẩn đoán mới nhằm tìm kiếm những khối u

Các nhà khoa học tại Đại học Liverpool, Anh, hy vọng có thể tiêu diệt những tế bào ung thư da bằng việc chiếu bức xạ terahertz

Các công ty dược cũng sử dụng những giải pháp công nghệ cao, điều chỉnh hàm lượng thuốc mà không cần đặt tay vào đó Kỹ thuật chụp ảnh Terahertz thậm chí còn đo được độ dày của lớp vỏ áo bọc ngoài một viên thuốc

4.3.3.3 Một vài ứng dụng khác

Các hãng sản xuất thuốc lá như Phillip Morris đang tìm kiếm những cách thức mới để sử dụng tia T trong việc kiểm soát chất lượng trong nhà máy

Với sự giúp đỡ của một hệ thống chụp ảnh tia T, do công ty Picometrix có trụ

sở tại Michigan chế tạo, NASA có thể phát hiện ra những khiếm khuyết nhỏ của lớp

xốp cách nhiệt trên các tàu con thoi Ngoài ra, tia T còn có nhiều ứng dụng thiên văn quan trọng khác Đài quan sát vũ trụ Herschel, một vệ tinh dự kiến được phóng vào năm 2008 là phiên bản terahertz của kính thiên văn Hubble Tại Chile, người ta cũng đang xây dựng trung tâm ALMA, sẽ theo dõi bước sóng terahertz với hy vọng phát hiện các vật thể trong giai đoạn nguyên thủy của vũ trụ.

Với những tính chất đặc biệt như vậy, tia T đang hấp dẫn giới nghiên cứu trên khắp thế giới Các kỹ sư của trường Đại học Utah đã đạt được bước tiến ban đầu hướng tới chế tạo các máy tính siêu tốc hoạt động dựa vào ánh sáng viễn-hồng ngoại thay cho điện Họ đã tạo ra được thiết bị tương đương các dây dẫn để mang và bẻ cong dạng ánh sáng này, còn được gọi là bức xạ terehertz.Cho tới nay, việc tạo ta tia

T vẫn còn khó khăn, nhưng các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Harvard (Mỹ) mới đây

đã có một sáng chế về tạo nguồn tia T ở nhiệt độ phòng Các nhà khoa học ở phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (Mỹ) đang phát triển một loại máy phát tia T di động Các hệ thống nhận dạng thụ động độ phân giải thấp thu nhận được sự phát ra của tia

T tự nhiên đã có trên thị trường: Cảnh sát ở Wayne County Sheriff (Detroit, Mỹ) đang thử nghiệm một loại máy quét tia T của Công ty ThruVision (Anh) tại các phiên toà xét xử tội phạm trong khu vực

Hình 4.2 Ảnh tia T cho thấy vết xước trên chắn bùn của xe hơi, mà các loại ảnh thông

thường không nhìn thấy

Hình 4.3 Tia T được sử dụng để chụp ảnh một chiếc lá khi bị khử nước và sau khi bổ sung

nước

Hình 4.4 Công nghệ mới có thể "nhìn thấy" chất độc hại trong hành lý.

4.4 Infrared (Tia hồng ngoại)

4.4.2 Lịch sử

Nhà Thiên văn học, Sir William Herschel đã khám phá ra tia hồng ngoại vào năm 1800 Ông đã tự chế tạo cho mình các kính thiên văn với ống kính và gương Ông biết rằng ánh nắng mặt trời có thể vẽ nên rất nhiều màu sắc bằng phổ của nó và

cũng là nguồn phát nhiệt Herschel muốn biết cụ thể màu nào phát sinh nhiệt trong chùm ánh sáng mặt trời

Ông ta đã làm thí nghiệm với lăng kính, bìa giấy và nhiệt kế với bóng sơn đen

để đo lường nhiệt độ từ các màu sắc khác nhau Herschel quan sát sự gia tăng nhiệt

độ khi ông di chuyển nhiệt kế từ ánh sáng màu tím đến ánh sáng màu đỏ trong cầu vồng tạo ra bởi ánh sáng mặt trời qua lăng kính, ông đã phát hiện ra rằng, điểm nóng nhất thật sự nằm phía trên ánh sáng đỏ Bức xạ phát nhiệt này không thể nhìn thấy được, ông đặt tên cho bức xạ không nhìn thấy được này là “tia nhiệt” (calorific ray)

mà ngày nay chúng ta gọi nó là tia hồng ngoại

Hình 4.5 Nhà Thiên văn học Sir William Herschel

4.4.3 Tính chất

• Tác dụng nổi bật nhất của tia hồng ngoại là tác dụng nhiệt (tia nhiệt)

• Mọi vật thể có nhiệt độ cao hơn 0 0K đều bức xạ tia hồng ngoại: cơ thể người, bóng đèn dây tóc nóng sáng, Mặt trời, vật có nhiệt độ,…Độ dài sóng (tần số) bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật

• Phần lớn vật liệu ngăn cản tia sáng thường thì cũng ngăn được tia hồng ngoại:

gỗ, giấy, kim loại,…

• Nhưng cũng có một số vật liệu ngăn được tia sáng thường nhưng không ngăn được tia hồng ngoại và ngược lại như: thủy tinh, GaAs,…

• Ánh sáng thường không thể xuyên qua các lớp sương mù, khói, mây dày đặc nhưng tia hồng ngoại có thể

• Tia hồng ngoại đóng vai trò lớn trong hiệu ứng nhà kính.

4.4.4 Ứng dụng

4.4.4.1 Sử dụng tia hồng ngoại trong chế biến nông sản thực phẩm

Tia hồng ngoại được phát hiện năm 1800 và sau này, những năm đầu của thập niên 1960 đã có rất nhiều nghiên cứu thành công về khả năng ứng dụng tia hồng ngoại vào lĩnh vực chế biến nông sản, thực phẩm

Nguồn hồng ngoại trong các thiết bị được phát ra với bước sóng 1,8–3,4

micron, và tia hồng ngoại được sử dụng trong việc chế biến nông sản, thực phẩm được xem như một thiết bị sấy khô nông sản vì dải biến thiên nhiệt độ trong thiết bị

có thể từ 37oC – 2000oC Nguồn năng lượng của tia hồng ngoại khi tiếp xúc với nông sản sẽ làm cho các phần tử rung động và dẫn đến sự tăng nhiệt độ bên trong sản phẩm một cách nhanh chóng cùng với sự gia tăng về áp suất hơi nước Các hạt ngũ cốc, hạt đậu khi được chiếu tia hồng ngoại chỉ trong thời gian 50 giây, nhiệt độ bên trong hạt đã tăng lên 900oC hoặc với thời gian 90 giây, nhiệt độ đã tăng lên 1100oC

Tác dụng của tia hồng ngọai khi chiếu vào nông sản (đặc biệt là các loại hạt)

sẽ tạo ra các sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, mùi vị thơm hơn, tinh bột trong hạt

sẽ được hồ hóa triệt để hơn, không có hiện tượng lại bột, và như vậy khả năng tiêu hóa thực phẩm sẽ tốt hơn Ví dụ hạt lúa mì được chiếu tia hồng ngoại thì khả năng tiêu hóa là 90%, trong khi đó sự tiêu hóa của những hạt lúa mì không chiếu tia hồng ngoại chỉ đạt 30%

Tia hồng ngoại khi chiếu vào nông sản còn làm tăng hàm lượng axit amin tự

do, đồng thời ức chế một số enzymer bất lợi và do đó làm tăng khả năng tiêu hóa đậu tương lên rất nhiều Hoặc khi chiếu tia hồng ngoại vào những hạt ngũ cốc có chứa axit béo, sẽ làm giảm họat tính các enzym (men) oxy hóa chất béo và nó sẽ hạn chế các quá trình oxy hóa chất béo khi bảo quản, hạt sẽ không bị ôi, khét và đắng

Mặt khác khi chế biến các sản phẩm thực phẩm ăn liền, tia hồng ngoại còn có tác dụng diệt khuẩn rất tốt mà không làm mất giá trị dinh dưỡng của nông sản thực phẩm