tiểu luận nghiên cứu khoa học-một số ứng dụng hiệu ứng điện từ trong đời sống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  BÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS. Lê Văn Hoàng SVTH: Nguyễn Bá Trình Đoàn Thị Vân Cao Hoàng Qui Nguyễn Thảo Ngân Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày 15 tháng 05 năm 2009 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Lê Văn Hoàng Mục lục 2 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Lê Văn Hoàng Mở đầu I/ Lý do chọn đề tài: Hiệu ứng điện từ - một mảng kiến thức rộng khắp và đầy bí ẩn luôn là đề tài nóng hổi được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm kể từ khi nó chỉ mới nhom nhen hình thành. Sở dĩ hiệu ứng điện từ có tầm quan trọng trong nhận thức của loài người là bởi tính khái quát và phạm vi ứng dụng rộng rãi của nó. Có thể ví dụ minh họa thế này, nếu nhìn vào nội thất một căn nhà, đặc biệt chú ý các thiết bị điện phục vụ sinh hoạt gia đình (tivi, tủ lạnh, radio …) hầu hết chúng đều được ứng dụng từ hiệu ứng điện từ. Vượt ra khỏi phạm vi gia đình, trong sản xuất công nghiệp, có thể nói hiệu ứng điện từ chiếm một vị thế chủ chốt không thể phủ nhận trong các máy móc thiết bị, có ý kiến cho rằng :” Hiêu ứng điện từ là trái tim của ngành công nghiệp hiện đại” và thật sự “trái tim” đó vẫn luôn nhịp đập. Có thể thấy một vài ứng dụng phổ quát nhất của hiệu ứng điện từ như tàu đệm từ, vệ tinh truyền thông, điện thoại di động … vẫn đang là các vấn đề thời sự và nhiều triển vọng. Do đó, việc nghiên cứu hiệu ứng điện từ và các ứng dụng của nó trong thời đại ngày nay là thật sư cấp bách và cần thiết, đặc biệt cho những sinh viên của các nước đang phát triển như Việt Nam, vì bởi, trong tương lai, hiệu ứng điện từ sẽ mang đến cho họ những thành tựu đáng kinh ngạc, góp phần thúc đẩy quốc gia theo kịp công nghệ tiên tiến và hiện đại trên thế giới. Bài nghiên cứu khoa này đặc biệt chú trọng các ứng dụng phổ biến nhất của hiệu ứng điện từ trong công nghiệp hiện đại cũng như nêu ra các hạn chế của nó, phương hướng giải quyết và những tham vọng trong tương lai. Xét thấy đây là mảng kiến thức cần thiết và cập nhật cho các bạn sinh viên. II/ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: - Lý thuyết về điện từ trường. - Một số ứng dụng quan trọng của điện từ trường trong công nghệ hiện đại. Phạm vi nghiên cứu: lĩnh vực khoa học kỹ thuật liên quan đến điện từ. 3 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Lê Văn Hoàng III/ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu: - Ý nghĩa khoa học: củng cố lại những kiến thức về điện từ trường đã được học trong thời gian qua, tìm hiểu các ứng dụng thực tiễn của chúng, những phát kiến đang được hình thành và những tham vọng truyền thông của loài người. - Ý nghĩa thực tiễn: làm tài liệu tổng hợp để thuận tiện cho công việc nghiên cứu về sau. 4 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Lê Văn Hoàng Nội dung B- ỨNG DỤNG ĐIỆN TỪ TRONG THÔNG TIN LIÊN LẠC: Lịch sử truyền thông nhân loại đã chứng kiến nhiều phát kiến vĩ đại nhằm phục vụ việc thông tin liên lạc toàn cầu. Trước khi Sputnik 1 - vệ tinh nhân tạo đầu tiên xuất hiện trong tri thức loài người thì có hai phương tiện truyền thông đã được sử dụng rộng rãi. I/ TÍN HIỆU MORSE: Mã Morse hay mã Moóc là một loại mã hóa ký tự dùng để truyền các thông tin điện báo. Mã Morse dùng một chuỗi đã được chuẩn hóa gồm các phần tử dài và ngắn để biểu diễn các chữ cái, chữ số, dấu chấm, và các kí tự đặc biệt của một thông điệp. Các phần từ ngắn và dài có thể được thể hiện bằng âm thanh, các dấu hay gạch, hoặc các xung, hoặc các kí hiệu tường được gọi là "chấm" và "gạch" hay "dot" và "dash" trong tiếng Anh. Mã Morse được phát minh vào năm 1835 bởi Samuel Morse nhằm giúp cho ngành viễn thông và được xem như là bước cơ bản cho ngành thông tin số. Từ ngày 1 tháng 2 năm 1999, tín hiệu Morse đã bị loại bỏ trong ngành thông tin hàng hải để thay vào đó là một hệ thống vệ tinh. Tín hiệu có thể được chuyển tải thông qua tín hiệu radio thường xuyên bằng việc bật & tắt (sóng liên tục) một xung điện qua một cáp viễn thông, một tín hiệu cơ hay ánh sáng. Để dùng cho tiếng Việt, các chữ cái đặc biệt và dấu được mã theo quy tắc: Â = AA Ă = AW Ô = OO Ê = EE Đ = DD ƯƠ= UOW Ư = UW Ơ = OW Sắc = S Huyền = F Hỏi = R Ngã = X Nặng = J 5 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Lê Văn Hoàng Samuel Morse, tên đầy đủ là Samuel Finley Breese Morse, người Mỹ, là một họa sĩ, nhà phát minh tín hiệu vô tuyến điện và bảng chữ cái mang tên ông – Tín hiệu Morse. Samuel Morse sinh ngày 27 tháng 4 năm 1791 ở Charlestown, Massachusetts. Ông mất ngày 2 tháng 4 năm 1872 ở Thành phố New York. Sơ lược t iểu sử 27 tháng 4 năm 1791, sinh ra ở Charlestown (gần Boston, Massachusetts). 1811, nhận bằng tốt nghiệp sau khi học tại Đại học Yale, (Connecticut), ông làm việc tại một nhà xuất bản ở Boston, từ đây ông chuyên tâm vào hội họa. 1811, tới Luân Đôn để theo các khóa học nghệ thuật tại Benjamin West. 1813, nhận huy chương vàng về điêu khắc tại Hiệp hội nghệ thuật Adelphi. 1815, trở lại Hoa Kỳ nơi ông đã vẽ các tranh vải lịch sử & chân dung, thể hiện một tài năng nhất định. 1825, lập ra ở Thành phố New York Học viện thiết kế quốc gia Hoa Kỳ và trở thành chủ tịch đầu tiên, giữ chức trong 16 năm. Cùng năm này, ông đã tạo ra bảng chữ cái với một cái tên khác lạ. 1829, tới châu Âu và ở lại trong ba năm tại Pháp và Ý để nghiên cứu về nghệ thuật. 1844, Morse gửi bức điện báo đầu tiên, báo hiệu cho một bước tiến mới của kỷ nguyên truyền thông của con người II/ ĐIỆN THOẠI: Lịch sử của chiếc điện thoại thật là thú vị đến nỗi người ta đã làm hẳn một bộ phim về nó. Đầu tiên chúng ta hãy cũng nhau tìm hiểu nguyên lý hoạt động của điện thoại. Khi chúng ta nói thì không khí làm cho các dây thanh âm trong cổ họng chúng ta rung lên, những giao động này đã truyền vào các phân tử của không khí tức là những sóng âm thanh phát ra từ mồm chúng ta đã tạo ra các giao động của 6 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Lê Văn Hoàng không khí. Khi những sóng âm thanh đó chạm vào màng đàn hồi trong ống nói thì chúng sẽ làm cho cái màng đó rung với tần số giống như các rung động của các phần tử không khí, những giao động này đã chuyền qua đường dây điện thoại các tín hiệu hình sóng và dẫn đến những rung động của màng điện thoại ở đầu dây đằng kia. Màng đàn hồi sẽ tạo ra sóng trong không khí giống như những sóng đã được gửi vào ống nói khi những sóng này đến tai người nghe ở đầu dây đằng kia giống như là âm thanh trực tiếp phát ra từ miệng của bạn. Còn bây giờ chúng ta hãy nói về lịch sử của điện thoại. Vào ngày 2/6/1875 ông Alexandro Bell đã làm một thí nghiệm ở Boston. Ông muốn cùng một lúc gửi đi vào bức điện tín qua cùng một đường dây, ông đã sử dụng một bộ thanh thép. Ông đã làm một thiết bị nhận ở một phòng còn người trợ lý của ông là Tomát Uytson thì truyền đi ở phòng bên cạnh, người trợ lý đã giật thanh thép để cho nó rung lên và tạo ra những âm thanh leng keng, bỗng dưng ông Bell chạy sang phòng của người trợ lý và hét toáng lên hãy cho tôi xem anh đang làm gì đấy. Ông đã nhận thấy rằng các thanh thép nhỏ khi rung ở phía trên nam châm thì sẽ tạo ra các dòng điện biến thiên chạy qua dây dẫn. Chính điều đó đã tạo ra những rung động của các thanh kim loại trong phòng của ông Bell và các âm thanh leng keng. Ngày hôm sau chiếc điện thoại đầu tiên đã ra đời và những âm thanh đã được truyền qua dây điện thoại thứ nhất từ tầng trên xuống hai tầng dưới. Vào ngày 10/8 năm sau ông Bell đã có thể nói chuyện với người cộng sự của mình qua điện thoại : “Ông Willson ông có thể lên phòng tôi được không, tôi muốn nói chuyện với ông” Kể từ sau năm 1875, việc thông tin trên Thế Giới đã tương đối thuận tiện, tín hiệu Morse và điện thoại tuy cách thức hoạt động cực kì phức tạp nhưng vẫn được sử dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt sản xuất và đặc biệt là trong quân đội để phục vụ chiến tranh. Tuy nhiên, ngoài phương tiện điện thoại dần được hoàn thiện cho đến ngày nay thì việc sử dụng tin hiệu Morse để thông tin vẫn còn nhiều cập rập. Đến ngày 4 tháng 10 năm 1957, Khi Liên Bang Xô Viết thông qua tên lửa R-7 phóng thành 7 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Lê Văn Hoàng công lên quỹ đạo vệ tinh nhân tạo đầu tiên của nhân loại - Sputnik 1 đã tạo ra một bước ngoặt vĩ đại cho lịch sử truyền thông loài người. Mặt khác, người đầu tiên đã nghĩ ra vệ tinh nhân tạo dùng cho truyền thông là nhà viết truyện khoa học giả tưởng Arthur C. Clarke vào năm 1945. Ông đã nghiên cứu về cách phóng các vệ tinh này, quỹ đạo của chúng và nhiều khía cạnh khác cho việc thành lập một hệ thống vệ tinh nhân tạo bao phủ thế giới. Ông cũng đề nghị 3 vệ tinh địa tĩnh (geostationary) sẽ đủ để bao phủ viễn thông cho toàn bộ Trái Đất. Kể từ đó, hàng loạt các thiết bị truyền thông điện từ dần được hình thành, chi phối toàn bộ hệ thống thông tin liên lạc trên địa cầu. Dưới đây, chúng ta sẽ đi tìm hiểu một số phương tiện hiện đại và đang được ứng dụng rộng khắp. III/ WIFI: 1) Wifi là gì? Wi-Fi hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio. Hệ thống này đã hoạt động ở một số sân bay, quán café, thư viện hoặc khách sạn. Hệ thống cho phép truy cập Internet tại những khu vực có sóng của hệ thống này, hoàn toàn không cần đến cáp nối. Ngoài các điểm kết nối công cộng (hotspots), WiFi có thể được thiết lập ngay tại nhà riêng. Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Viện này tạo ra nhiều chuẩn cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau, và nó sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng. Có 3 tiêu chuẩn: Chuẩn 802.11a, tốc độ truyền dẫn tối đa 54Mbps; Chuẩn 802.11b, tốc độ truyền dẫn tối đa 11Mbps; Chuẩn 802.11g, tốc độ truyền dẫn tối đa 54Mbps. 8 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Lê Văn Hoàng Nhiều người vẫn cho rằng Wi-Fi là từ viết tắt của “ Wireless Fidelity”. Theo Phill Belanger, một trong những thành viên sáng lập hiệp hội Wi-Fi (Wi-Fi Alliance), Wi-Fi không phải thuật ngữ viết tắt của cụm từ nào cả. Nó không hề có nghĩa. Wi-Fi và hình biểu tượng (logo) theo phong cách âm dương được thiết kế bởi hãng Interbrand, công ty đã đã đặt ra những tên nổi tiếng như “Prozac”, “Compaq”, “Oneworld”, “Imation” Người sáng lập Wireless Ethernet Compatibility Alliance (hiện nay là Wi-Fi Alliance), đã thuê Interbrand thiết kế thương hiệu và logo để nhấn mạnh khả năng tương tác lẫn nhau và khuếch trương công nghệ. Do đó họ cần một cái gì đó dễ nắm bắt hơn thuật ngữ “IEEE 802.11b Direct Sequence”. Một số đồng nghiệp trong nhóm cảm thấy không hài lòng. Họ không thể tưởng tưởng việc sử dụng tên “Wi-Fi” mà không có một vài lời giải thích rõ ràng. Như thế, Wireless Fidelity được sáng tác sau khi đã chọn từ 10 thuật ngữ khác nhau do Interbrand đề xuất. Và nó không có nghĩa gì cả. Đây chỉ là một cố gắng vụng về trong việc tìm ra hai từ hợp với “Wi và Fi”. 2) Nguyên tắc hoạt động:  Hoạt động Truyền thông qua mạng không dây là truyền thông vô tuyến hai chiều. Cụ thể:  Thiết bị adapter không dây (hay bộ chuyển tín hiệu không dây) của máy tính chuyển đổi dữ liệu sang tín hiệu vô tuyến và phát những tín hiệu này đi bằng một ăng-ten.  Thiết bị router không dây nhận những tín hiệu này và giải mã chúng. Nó gởi thông tin tới Internet thông qua kết nối hữu tuyến Ethernet. Qui trình này vẫn hoạt động với chiều ngược lại, router nhận thông tin từ Internet, chuyển chúng thành tín hiệu vô tuyến và gởi đến adapter không dây của máy tính. 9 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Lê Văn Hoàng 3) Sóng WiFi: Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại. Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: * Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.5 GHz hoặc 5GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn. * Chúng dùng chuẩn 802.11: Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên trên thị trường. Đây là chuẩn chậm nhất và rẻ tiền nhất, và nó trở thành ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác. 802.11b phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 megabit/giây, và nó sử dụng mã CCK (complimentary code keying). Chuẩn 802.11g cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11b, tốc độ xử lý đạt 54 megabit/giây. Chuẩn 802.11g nhanh hơn vì nó sử dụng mã OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), một công nghệ mã hóa hiệu quả hơn. Chuẩn 802.11a phát ở tần số 5 GHz và có thể đạt đến 54 megabit/ giây. Nó cũng sử dụng mã OFDM. Những chuẩn mới hơn sau này như 802.11n còn nhanh hơn chuẩn 802.11a, nhưng 802.11n vẫn chưa phải là chuẩn cuối cùng. * WiFi có thể hoạt động trên cả ba tần số và có thể nhảy qua lại giữa các tần số khác nhau một cách nhanh chóng. Việc nhảy qua lại giữa các tần số giúp giảm thiểu sự nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối không dây cùng một lúc. Adapter Một adapter cắm vào khe PCI cho máy tính để bàn. Một adapter cắm vào khe PCI cho máy tính để bàn. Các máy tính nằm trong vùng phủ sóng WiFi cần có các bộ thu không dây, adapter, để có thể kết nối vào mạng. Các bộ này có thể được tích hợp vào các máy tính xách 10 [...]... của Điện từ trường, một trường vật chất của tự nhiên, để rồi ứng dụng các tính chất đó để phục vụ cho nhu cầu sản xuất và sinh hoạt của con người Bên cạnh những ứng dụng trong các lĩnh vực giao thông, thông tin liên lạc, quốc phòng,… điện từ trường cũng được ứng dụng để điều trị và phát hiện các loại bệnh trong y học Và sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu những tác dụng đặc biệt này của điện từ trường I/ Từ. .. lượng cơ 35 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS Lê Văn Hoàng D- ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN TỪ TRƯỜNG TRONG GIAO THÔNG VẬN TẢI – TÀU ĐỆM TỪ I/ Khái niệm: Tàu đệm từ (tiếng Anh: Magnetic levitation transport, hay maglev) là một phương tiện chuyên chở được nâng lên, dẫn lái và đẩy tới bởi lực từ hoặc lực điện từ Phương pháp này có thể nhanh và tiện nghi hơn các loại phương tiện công cộng sử dụng bánh xe, do giảm... thể sử dụng ĐTDĐ trong cùng một lúc 3) Các Tần Số: Một ô đơn là một hệ thống analog sử dụng 1/7 sự khả năng sử dụng của kênh âm thanh kép(duplex voice channels) Nghĩa là, mỗi ô ( trong 7 ô của vỉ lục giác ) thì sử dụng 1/7 số kênh có thể dùng do đó nó mang một bộ tần số duy nhất và không có sự xung đột với các ô khác Một carrier thường lấy 832 tần số radio để sử dụng trong thành phố Mỗi ĐTDĐ sử dụng. .. trên một CB radio sử dụng cùng một tần số, nên trong một thời điểm thì chỉ một người có thể nói .Trong khi đó một 15 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS Lê Văn Hoàng chiếc ĐTDĐ là một thiết bị full-duplex Điều đó nghĩa là bạn sử dụng một tần số để nói và một tần số riêng biệt để nghe Và do đó cả hai người có thể nói chuyện với nhau trong cùng một lúc Channels(các kênh) – Một chiếc điện đài xách tay thường... khác có thể có khả năng về khoa học và công nghệ, nhưng không có khả năng kinh tế hay không có tham vọng về chính trị [3] 30 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS Lê Văn Hoàng C- ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN TỪ TRƯỜNG TRONG ĐIỀU TRỊ Y HỌC: Sự phát triển của khoa học, đặc biệt là khoa học vật lý đã giúp nhân loại vén lên những bức màn bí ẩn của tự nhiên để khám phá nhiều điều mới lạ Một trong những khám phá tuyệt... nhà khoa học đã sử dụng các khinh khí cầu có thể lên cao 30 km và các sóng radio để nghiên cứu tầng điện ly Từ 1946 đến 1952, nghiên cứu tầng cao của khí quyển Trái Đất được tiến hành và sử dụng các tên lửa V-2 Điều này cho phép đo đạc áp lực, tỷ trọng và nhiệt độ của khí quyển ở tầng cao 200 km (Xem thêm: từ quyển, vành đai bức xạ Van Allen.) Hoa Kỳ đã cân nhắc việc phóng các vệ tinh lên quỹ đạo từ. .. nghiên cứu khoa học GVHD: TS Lê Văn Hoàng II/ Điện di thuốc trị liệu: [8] 1) Định nghĩa: Điện di thuốc trị liệu (electrophoresis therapy) là phương pháp dùng dòng điện một chiều để di chuyển một số ion thuốc có tác dụng chữa bệnh vào cơ thể hoặc lấy các ion thuốc có hại ra khỏi cơ thể Nguyên lý của phương pháp điện di là: Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, trái dấu thì hút nhau Một dung dịch mà trong. .. dung dịch điện ly), khi được đưa vào một điện cực và cho dòng điện một chiều chạy qua thì các ion cùng dấu với điện cực đó sẽ bị đẩy ra khỏi điện cực để đi vào cơ thể Ngược lại nếu muốn lấy một ion có hại (ví dụ ion Ca +2) ra khỏi cơ thể thì ta đặt điện cực trái dấu vào vùng da nhiễm ion, điện cực đó sẽ hút các ion này ra khỏi cơ thể về phía nó 2) Tác dụng của điện di thuốc: - Tác dụng của điện di thuốc... của điện di thuốc: - Tác dụng của điện di thuốc gồm tác dụng do dòng điện một chiều đều và tác dụng do ion thuốc gây ra Trong đó, tác dụng của ion thuốc được đưa vào bằng điện di có hiệu lực tăng lên gấp nhiều lần so với các đường khác Sau đây xin giới thiệu một số ion thuốc thường dùng: Dung dịch thuốc Ion tác dụng Kali-Natri iodure I– Cực – Tác dụng điều trị Làm mềm tổ chức sẹo (INaIK) 5% Natri clorua... 2) Tác dụng của dòng điện xung: • Tác dụng giảm đau và giảm trương lực cơ Dùng các dòng điện xung có cường độ tăng từ từ, tần số cao, loại dòng như Diadynamic, Trọbert, Burst - TENS có tác dụng giảm đau rõ rệt, giảm trương lực cơ co thắt, thư giãn cơ Tác dụng giảm đau của dòng điện xung được giải thích bằng các cơ chế sau: Cơ chế cổng kiểm soát: các xung động thần kinh do tác động của dòng điện xung . và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: - Lý thuyết về điện từ trường. - Một số ứng dụng quan trọng của điện từ trường trong công nghệ hiện đại. Phạm vi nghiên cứu: lĩnh vực khoa học kỹ. chúng đều được ứng dụng từ hiệu ứng điện từ. Vượt ra khỏi phạm vi gia đình, trong sản xuất công nghiệp, có thể nói hiệu ứng điện từ chiếm một vị thế chủ chốt không thể phủ nhận trong các máy. quan đến điện từ. 3 Bài tập nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Lê Văn Hoàng III/ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu: - Ý nghĩa khoa học: củng cố lại những kiến thức về điện từ trường