5.3.1.Sự tạo thành sóng điện từ
Hình 5.3.Sơ đồ thí nghiệm của Hertz
Hertz đã làm thí nghiệm như sau : 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:
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 lân cận M, M1,M2,… xuất hiện các vectơ cường độ từ trường , do điện trường biến đổi theo thời gian cho nên các từ trường này cũng biến đổi.
Mặt khác, 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, kết quả là sóng điện từ được lan truyền.
5.3.2.Những tính chất tổng quát của sóng điện từ
Qua thực nghiệm và dùng các phương trình Maxwell để chứng minh người ta đã rút ra những kết luận tổng quát sau về sóng điện từ:
• Sóng điện từ tồn tại cả trong môi trường vật chất và môi trường chân không (khác với sóng cơ không tồn tại trong chân không).
• Sóng điện từ là sóng ngang : tại mọi điểm trong khoảng không gian có sóng điện từ, phương của các vecto , đều vuông góc với phương truyền sóng.
• Vận tốc truyền sóng điện từ trong một môi trường đồng chất và đẳng hướng cho bởi:
Trong đó c = 3.108 m/s ; lần lượt là hằng số điện môi và độ từ thẩm của môi trường. gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường. Trong chân không thì . Suy ra v = c. Còn trong môi trường khác thì . (nghĩa là vận tốc truyền sóng trong chân không là lớn nhất so với các môi trường khác).
5.3.3. Phương trình sóng điện từ
Sóng điện từ đơn giản nhất là sóng điện từ phẳng đơn sắc, nó có những đặc tính sau đây:
• Các mặt sóng là những mặt phẳng song song ; như thế nghĩa là phương truyền sóng là những đường thẳng song song và nguồn sóng coi như ở rất xa.
• Các vec tơ và có phương không thay đổi và trị số của chúng là hàm sin của thời gian t. Như vậy sóng điện từ phẳng đơn sắc có một tần số xác định (nghĩa là chu kỳ xác định). Trong một môi trường nhất định nó có bước sóng xác định:
Người ta đã chứng minh được rằng đối với sóng điện từ phẳng đơn sắc: 1. Hai vec tơ và luôn luôn vuông góc với nhau.
2. Ba vec tơ , và , theo thứ tự đó hợp thành một tam diện thuận ba mặt vuông góc. 3. và luôn luôn dao động cùng pha, cụ thể là chúng luôn luôn có trị số tỷ lệ với nhau
Hình 5.4. Sự lan truyền sóng điện từ trong không gian
Giả thiết tại O, hai vec tơ và có những biểu thức sau:
Ta chọn trục tọa độ Ox trùng với phương truyền sóng, trục Oy theo phương của , trục Oz theo phương của . Tại một điểm M trên Ox (, trị số các vec tơ và sẽ cho bởi :
5.7) Đó là phương trình của sóng phẳng đơn sắc.
5.4.Kết luận
Sự lan truyền sóng trong không gian là một dạng vận động đặc biệt khác hẳn so với các dạng chuyển động cơ thông thường mà ta nghiên cứu. Nó là một sự lan truyền dao động, kích thích cho các phần tử trong môi trường rời khỏi vị trí cân bằng cố hữu cũa nó, để thực hiện một dao động quanh vị trí cân bằng đó. Kết quả của sự truyền sóng không làm “dời chổ” hay di chuyển các phần tử của môi trường từ nơi này đến nơi khác mà kết quả cuối cùng của nó là sự truyền năng lượng.
Tuy vậy, sóng có vai trò rất quan trọng trong đời sống của con người, như nhờ có sóng âm mà tai ta nghe được âm thanh, và hàng ngàn ứng dụng từ sóng điện từ như : vô tuyến, truyền thanh, truyền hình, radio, điện thoại,....các thiết bị thu phát sóng góp phần vào cuộc sống tiện nghi phục vụ cho lợi ích con người.
Như chúng ta thấy sở dĩ sóng cơ sinh ra là do sự dao động của các phần tử trong môi trường, sóng điện từ có được là sự biến đổi của điện trường và từ trường (hay điện tích dao động). Còn sóng Đơbrơi tuy không mang ý nghĩa vận động nhưng nó là cách thức để xác định sự tồn tại của một hạt vi mô. Qua đó khẳng định lại một lần nữa trong sự lan truyền sóng cũng đã nói lên tính vận động của vật chất, góp phần làm sáng tỏ tính luôn luôn vận động của vật chất và là phương thức tồn tại nó. Có thể nói : “sự lan truyền sóng chính là sự truyền vận động”.