Sóng điện từ

6. Cấu trúc khóa luận

1.7. Sóng điện từ

1.7.1. Khái niệm

Các phƣơng trình của điện từ trƣờng tự do là các phƣơng trình Maxwell trong đó ta đặt điều kiện 0và j 0 (chỉ có trƣờng, không có điện tích và dòng điện). Các điều kiện này có thể đƣợc thỏa mãn trong một điện môi đồng chất và vô hạn. Ta có: rotE B t     (1.29)

24 rotH D t     (1.30) divD0 (1.31) divB0 (1.32)

Phối hợp với các phƣơng trình D 0 E và B 0 H , có thể viết lại (1.29) - (1.32) nhƣ sau: 0 H rotE t      (1.33) 0 E rotH t      (1.34) divE0 (1.35) divH 0 (1.36) Qua các phƣơng trình trên, ta thấy ngay rằng đối với điện từ trƣờng tự do: điện trƣờng và từ trƣờng không tách rời nhau. Mối quan hệ giữa điện trƣờng và từ trƣờng ở đây chặt chẽ hơn so với trƣờng chuẩn dừng và thể hiện ở hai mặt: do tác dụng cảm ứng điện từ Faraday và do tác dụng của dòng điện dịch. Có thể nói rằng từ trƣờng biến thiên sinh ra điện trƣờng và ngƣợc lại điện trƣờng biến thiên lại sinh ra từ trƣờng. Điện trƣờng và từ trƣờng đều là trƣờng xoáy.

Muốn xét kỹ hơn các tính chất của trƣờng tự do, ta thực hiện một số biến đổi. Lấy rot hai vế của (1.33) và kết hợp với (1.34), ta có :

2 0 0 2 E rot rotE t       (1.37)

Đối chiếu với (1.35), ta viết đƣợc:

2 2

rot rotEgrad divE E  E (1.38)

Do đó: 2 2 0 0 E2 0 E t        (1.39) Tƣơng tự nhƣ thế, ta cũng rút ra đƣợc:

25 2 2 0 0 H2 0 H t        (1.40)

Nhƣ vậy điện trƣờng và từ trƣờng cùng thỏa mãn một phƣơng trình nhƣ nhau. Phƣơng trình đó là phƣơng trình Dalambe (d’Alembert) hay phƣơng trình sóng. Điện từ trƣờng tồn tại dƣới dạng sóng điện từ.

Xét trƣờng hợp đơn giản một điện từ trƣờng tự do mà các thành phần điện E

và từ Hchỉ là hàm của tọa độ (ví dụ nhƣ tọa độ x). Phƣơng trình Dalambe (d’Alembert) trở thành : 2 2 2 2 0 x t          (1.41)

Trong đó  là vecto E hay vectoH . Nghiệm của nó là : f1 t x f2 t x

v v

       

    (1.42)

Trong đó f1 và f2 là những hàm bất kì của t và x.

Nghiệm (1.42) diễn tả quá trình lan truyền sóng. Trong đó nghiệm

1 1

x f t

v

    

  diễn tả sóng lan truyền theo chiều dƣơng của trục x, nghiệm

2

x f t

v

    

  diễn tả sóng lan truyền theo chiều âm của trục x.

Đặt nghiệm (1.42) vào phƣơng trình sóng ta đƣợc vận tốc của sóng là

0 0 1 c v n      .

Trong chân không vận tốc truyền sóng điện từ là: 8 0 0 1 3.10 / c m s    

, đại lƣợng này có giá trị đúng bằng vận tốc của ánh sáng trong chân không. Điều đó chứng tỏ sóng ánh sáng chính là sóng điện từ.

26

Nếu điện từ trƣờng là một sóng phẳng truyền theo chiều dƣơng của trục Ox và biến thiên với chu kì 2

T



 , thì phƣơng trình sóng có dạng :

EE0exp (i tkr) (1.43) Trong đó k là vecto sóng, rlà bán kính vectơ của điểm quan sát :

k r. x k. xy k. yz k. z

Để nghiên cứu về tính chất của sóng điện từ phẳng, ta thế giá trị của E

và H có dạng nhƣ (1.43) vào các phƣơng trình Maxwell của điện từ trƣờng tự do, ta có : divE i k E( . ) (1.44) rotE i k E . (1.45) E i E t     (1.46)

Và đối với H cũng tƣơng tự nhƣ vậy. Ta viết lại đƣợc các phƣơng trình (1.33) – (1.36) thành : kE H      (1.47) kH E      (1.48) 0 kE (1.49) 0 kH  (1.50) Theo (1.49) và (1.50) các vecto Evà H

đều vuông góc với k , tức là vuông góc với phƣơng truyền sóng. Sóng điện từ là sóng ngang.

Hình 1.15: Mô hình sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian

27

Theo (1.47) và (1.48) các vectơ E, H và k theo thứ tự lập thành tam diện thuận

1.7.2. Năng lƣợng sóng điện từ

Sóng điện từ bao gồm điện trƣờng và từ trƣờng biến thiên lan truyền trong không gian. Từ trƣờng và điện trƣờng là những dạng của vật chất, có thuộc tính của vật chất và chúng có năng lƣợng. Vì thế sóng điện từ nói riêng hay điện từ trƣờng nói chung cũng có năng lƣợng. Quá trình truyền sóng điện từ chính là quá trình truyền của năng lƣợng điện từ trƣờng.

Xét một diện tích nhỏ S trong trƣờng của sóng điện từ và tính năng lƣợng W mà sóng điện từ truyền qua S trong thời gian t.

Xét một hình hộp có đáy S cạnh trùng với phƣơng của vecto vận tốc

v t và có chiều dài là v t (Hình 1.16) Gọi V là thể tích của hình hộp.

  V S v t c. . . os  với ( , )v n .

Vậy ta thấy năng lƣợng sóng điện từ truyền qua S trong thời gian t

là:     W w V w. S.v. t.cos  (1.51) - Ta gọi w là mật độ năng lƣợng điện từ trƣờng.

Mật độ năng lƣợng điện từ trƣờng gồm mật độ năng lƣợng điện trƣờng và mật độ năng lƣợng từ trƣờng: w 2 EDHB  . S Hình 1.16

28 Độ lớn:  2 2 2 2 0 0 0 0 1 w 2  E  H  E  H     (1.52) Hoặc w . 0 0EH EH v      vì 0 0 1 c v n      trong đó 0 0 1 c    , n    W EH. S v t c. . . os EH S v t c. . . . os 1.53 v          

Năng lƣợng đi qua S trong một đơn vị thời gian là: W EH S cos. .

t 

  

 (1.54)

Từ biểu thức (1.52) ta thấy rằng năng lƣợng sóng điện từ không tập trung vào một chỗ nào mà nó đƣợc chia đều cho hai thành phần điện trƣờng và từ trƣờng, cùng lan truyền trong không gian với sóng điện từ.

- Vecto mật độ dòng năng lƣợng kí hiệu P: P E H,  + Hƣớng của P luôn cùng hƣớng với v

+ Hình chiếu của P lên phƣơng n là:Pn Pcos EHcos (1.55)

W n P S t      (1.56)

Ý nghĩa: véctơ P đặc trƣng cho sự truyền năng lƣợng điện từ một cách rất đầy đủ, hƣớng của P là hƣớng truyền của năng lƣợng. Trị số của P bằng giá trị năng lƣợng truyền qua một đơn vị diện tích, đặt vuông góc với phƣơng truyền sóng trong một đơn vị thời gian.

Vecto mật độ dòng năng lƣợng gọi là vecto Umov- Poynting vì đƣợc Umov đƣa ra trong khi xét sự truyền năng lƣợng trong các môi trƣờng và Poyntinh đƣa ra cho trƣờng hợp sóng điện từ.

Kết luận: Sóng điện từ mang năng lƣợng nó có xung lƣợng và khối lƣợng có thể gây nên áp suất. Từ những tính chất đó của trƣờng điện từ cho ta thấy rõ bản chất vật chất của nó: Trƣờng điện từ chính là một dạng vật chất.

29

1.7.3. Đặc điểm, tính chất của sóng điện từ

Đặc điểm của sóng điện từ

Vận tốc lan truyền sóng điện từ trong chân không là c = 3.10 8 m/s; và trong môi trƣờng vật chất đồng nhất và đẳng hƣớng làv= c

n , với n= εμ là chiết suất tuyết đối của môi trƣờng; ε và μ là hệ số điện môi và từ môi của môi trƣờng đó. Vì ε, μ > 1 nên n > 1 và v < c.

Sóng điện từ là sóng ngang: tại mỗi điểm trong không gian có sóng điện từ, các vectơ Evà B luôn dao động theo hai phƣơng vuông góc nhau và cả hai vec tơ này cùng vuông góc với phƣơng truyền sóng.

Khác với sóng cơ học, sóng điện từ truyền đƣợc cả trong môi trƣờng vật chất và trong chân không.

Trong chân không, sóng điện từ có bƣớc sóng là: λ = c. T

Những đặc điểm này đều đã đƣợc kiểm chứng bằng thực tế. Sau khi sóng điện từ đƣợc phát và thu bằng các phƣơng tiện ngày càng tiến bộ.

Tính chất của sóng điện từ

- Sóng điện từ có mang năng lƣợng. Năng lƣợng sóng điện từ chính là năng lƣợng của điện từ trƣờng. Mật độ năng lƣợng sóng điện từ là:

2 2 0 0 1 1 w= εε E + μμ H 2 2

- Sóng điện từ tuân theo các quy luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ. - Sóng điện từ tuân theo các quy luật giao thoa, nhiễu xạ.

Nguồn phát sóng điện từ (còn gọi là chấn tử) rất đa dạng, có thể là bất cứ vật thể nào tạo ra một điện trƣờng hoặc một từ trƣờng biến thiên nhƣ: tia lửa điện, dây dẫn điện xoay chiều, cầu dao đóng ngắt mạch điện,…

30

Sóng điện từ có ứng dụng rộng rãi trong khoa học, kĩ thuật và đời sống. Từ việc nghiên cứu những thiên hà xa xôi, điều khiển những con tàu vũ trụ, truyền thanh, truyền hình, đến việc chữa bệnh, đun nấu bằng lò vi sóng,… Tất cả đều có sử dụng sóng điện từ.

Sóng điện từ có nhiều loại sóng khác nhau và mỗi loại đều có phạm vi ứng dụng riêng:

Sóng vô tuyến: Ứng dụng quan trọng nhất đƣợc dùng trong truyền thông tin liên lạc:

+ Sóng dài (30 kHz – 300 kHz): Mặt đất và các vật cản hấp thụ mạnh sóng dài. Sóng dài phản xạ tốt ở tầng điện li, có thể phản xạ nhiều lần bị tầng điện li hấp thụ mạnh nên công suất truyền phải lớn, Sóng dài không bị hiện tƣợng fading (gây hiện tƣợng giao thoa), điều kiện truyền ổn định nên thƣờng đƣợc dùng liên lạc trong các thành phố.

+ Sóng trung (300 kHz – 3000 kHz): Sóng trung (bƣớc sóng từ 1000 m xuống 100 m) ban ngày bị hấp thụ mạnh nên không thể truyền đi xa. Ban đêm sóng ít bị hấp thụ, phản xạ tốt ở tầng điện li nên sóng có thể truyền đi xa. Vì vậy ban đêm nghe đài sóng trung rõ hơn ban ngày.

+ Sóng ngắn (3000 kHz – 30 MHz): bị mặt đất và các vật cản hấp thụ mạnh do có tần số cao. Ƣu 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. Thƣờng dùng trong phát truyền hình và phát FM, liên lạc vũ trụ.

Ngày nay con ngƣời đã chế tạo ra thiết bị phát Wifi: phát ra sóng radio cƣờng độ thấp có bƣớc sóng tƣơng tự bƣớc sóng radio sử dụng trong các lò vi sóng, ngoài ra Radar nhằm phát hiện vật ở một khoảng cách bằng sự phản hồi các sóng radio.

31

Sóng vô tuyến còn có ứng dụng rộng rãi trong y học: Dùng sóng radio để trị hen, điều trị amiđan, phá hủy các tế bào gây ung thƣ gan, điều trị rối loạn nhịp tim.

Ngoài những ứng dụng nêu trên sóng vô tuyến còn đƣợc sử dụng trong các ngành công nghiệp với hiệu quả cao nhƣ có thể sử dụng sóng radio để tiêu diệt sâu bọ trong hạt sấy khô,…

Sóng Viba (Micro Wavas): Là sóng có tần số từ 300MHz – 3000 MHz, có bƣớc sóng từ 10-1m đến 1m (UHF). Sóng Viba thực chất là một dạng năng lƣợng điện từ. Nó giống nhƣ sóng ánh sáng hay sóng radio và nó cũng chiếm một phần phổ điện từ. Sóng Viba thƣờng đƣợc sử dụng để tiếp âm các tín hiệu điện thoại có khoảng cách truyền xa, các chƣơng trình truyền hình hay các thông tin máy tính đƣợc truyền từ trái đất tới một trạm vệ tinh trong vũ trụ. Ngoài ra, chúng ta có thể dùng sóng Viba để nhận biết tốc độ của xe ô tô và các phƣơng tiện giao thông. Và gần gũi hơn, sóng Viba còn có thể sử dụng nhƣ là một nguồn năng lƣợng trong các thiết bị nấu ăn hằng ngày. Ngƣời ta đã chế tạo ra thiết bị lò vi sóng.

Tia T – rays (tia T): Là thành phần cũng thuộc phổ điện từ nhƣng ít đƣợc biết đến. Tia T là một lọai tia bức xạ có tần số terahertz đƣợc biết đến nhƣ là bức xạ viễn – hồng ngoại, bức xạ terahertz, sóng terahertz, T-light, T-lux, và THz nằm trong vùng phạm vi điện từ 300 gigahertz(3.1011 Hz) và 3 Terahertz (3.1012 Hz). Bức xạ terahertz là bức xạ phổ biến nhất trong vũ trụ. Tia T có thể nhìn xuyên qua quần áo, xác định thuốc nổ và ma túy, nhận diện khối u, thậm chí là khám phá vũ trụ. Tia T có ứng dụng to lớn trong công nghệ nhìn xuyên vật thể và trong y học. Trong 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 phát hiện ra các chất nguy hiểm trong các bƣu kiện hoặc đƣợc che giấu bên dƣới lớp vải bọc. Công nghệ

32

này có thể phát hiện chất nổ, súng đạn, vũ khí có thể làm từ phi kim loại hoặc là một chất độc hại nào đó bất kể chúng đƣợc ngụy trang thế nào. Trong y học tia T có năng lƣợng thấp, nên có thể dùng an toàn đối với con ngƣời, không giống tia X. Do có khả năng thâm nhập nông cạn vào cơ thể con ngƣời nên tia T có thể dùng scan lớp biểu bì hoặc nhờ ống thông scan ruột và các bộ phận khác để dò tìm các dấu hiệu của ung thƣ.

Tia hồng ngoại: Là bức xạ điện từ có bƣớc sóng dài hơn bƣớc sóng ánh sáng khả kiến nhƣng ngắn hơn tia bức xạ Viba. Tên “hồng ngoại” có nghĩa là “dƣới mức đỏ”, màu đỏ là màu sắc có bƣớc sóng dài nhất trong ánh sáng thƣờng. Tia hồng ngoại có thể đƣợc phân chia thành ba vùng theo bƣớc sóng: cận hồng ngoại (trong khoảng 700 m tới 1mm), hồng ngoại trung bình (có bƣớc sóng từ 1,3 3 m và nhiệt hồng ngoại (bƣớc sóng từ 3 30 m).Tia hồng ngoại có các tính chất sau:

+ Tác dụng nổi bật của tia hồng ngoại là tác dụng nhiệt (tia nhiệt).

+ Mọi vật thể có nhiệt độ cao hơn 00K đều bức xạ tia hồng ngoại: cơ thể ngƣời, 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 các vật liệu ngăn cản tia sáng nhìn thấy thì cũng ngăn đƣợc tia hồng ngoại nhƣ: gỗ, giấy, kim loại,…

+ Nhƣng cũng có một số vật liệu ngăn cản đƣợc tia sáng thƣờng nhƣng không ngăn đƣợc tia hồng ngoại nhƣ: thủy tinh, GaAs,..

+ Ánh sáng thƣờng không thể xuyên qua các lớp sƣơng mù, khói, mây dày đặc nhƣng tia hồng ngoại thì có thể.

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

Tia hồng ngoại có ứng dụng trong chế biến nông sản, thực phẩm: khi chiếu tia hồng ngoại vào nông sản (đặc biệt loại hạt) sẽ tạo ra sản phẩm có giá trị dinh dƣỡng cao, mùi vị thơm ngon, tinh bột trong hạt sẽ đƣợc hồ hóa triệt

33

để hơn và nhƣ vậy khả năng tiêu hóa thực phẩm sẽ tốt hơn. Tia hồng ngoại đƣợc sử dụng nhƣ một thiết bị sấy khô nông sản vì nhiệt độ biến thiên trong khoảng từ (370C đến 20000C…), chữa bệnh bằng tia hồng ngoại (tia sáng tập trung tại một vị trí đem lại các phản ứng vật lí nhƣ đốt, cháy,.. cụ thể nhƣ sau: ánh sáng đi vào cơ thể mang theo năng lƣợng nhiệt, năng lƣợng này tạo ra sự tập trung của nhiều tia sáng gọi là lƣợng tử. Lƣợng tử này phá hủy các tế bào và mô bị tổn thƣơng, chính vì thế nó rút ngắn loại bỏ mầm bệnh giúp vết thƣơng chóng lành. Ngoài ra tia hồng ngoại có thể giúp chuẩn đoán bệnh, điều trị sự nhuộm màu sắc tố da, bệnh lông tóc và nhăn da…). Dựa vào đặc điểm của tia hồng ngoại ngƣời ta đã chế tạo ra kính nhìn đêm sử dụng kĩ thuật tăng cƣờng ảnh hoặc kĩ thuật chụp ảnh nhiệt,…

Ánh sáng nhìn thấy: có tần số khoảng 300 THz đến 3000 THz, bƣớc sóng trong khoảng (0,38 0.72) m. Trong đời sống hằng ngày ứng dụng vô cùng quan trọng của ánh sáng là giúp con ngƣời nhìn thấy mọi vật và mọi vật đều có màu sắc, hình dạng khác nhau. Từ đặc điểm của ánh sáng ngƣời ta đã chế tạo ra đèn LED ngoài công dụng chiếu sáng còn có nhiều ứng dụng khác