Mục tiêu
Khởi động
Điện thoại, ti vi, Wi-Fi, lò vi sóng, tia X ở bệnh viện, ánh sáng Mặt Trời... trông rất khác nhau nhưng đều liên quan đến cùng một đối tượng: sóng điện từ. Năm 1865, Maxwell dự đoán sự tồn tại của loại sóng này từ lí thuyết; năm 1887 Hertz tạo ra và phát hiện sóng điện từ bằng thực nghiệm. Bài này đưa ta từ hiện tượng cảm ứng điện từ đến mô hình sóng điện từ.
Kiến thức
1. Điện từ trường
Faraday phát hiện từ trường biến thiên sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín. Maxwell đi xa hơn: ngay cả khi không có mạch dây dẫn, từ trường biến thiên theo thời gian vẫn sinh ra một điện trường xoáy có các đường sức khép kín (khác với điện trường tĩnh có đường sức đi từ điện tích dương đến điện tích âm). Ngược lại, điện trường biến thiên theo thời gian sinh ra từ trường (đường sức từ khép kín bao quanh các đường sức điện).
2. Sóng điện từ
Khi tại một nơi có điện trường biến thiên, nó sinh ra từ trường biến thiên ở vùng lân cận; từ trường biến thiên này lại sinh ra điện trường biến thiên ở vùng xa hơn, và cứ thế. Quá trình lan truyền của điện từ trường trong không gian như vậy gọi là sóng điện từ.
Mô hình sóng điện từ phẳng: tại mỗi điểm, vectơ cường độ điện trường $\vec E$ và vectơ cảm ứng từ $\vec B$ dao động cùng pha, vuông góc với nhau và cùng vuông góc với phương truyền sóng. Vì vậy sóng điện từ là sóng ngang. Ba vectơ $\vec E$, $\vec B$, $\vec v$ (phương truyền) tạo thành một tam diện thuận.
Các tính chất của sóng điện từ:
- Truyền được trong cả chân không và các môi trường vật chất; không cần môi trường truyền. Trong chân không, tốc độ là $c \approx 3\cdot10^8$ m/s.
- Khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác, tần số không đổi, tốc độ và bước sóng thay đổi.
- Có phản xạ, khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ như các sóng khác; mang năng lượng.
- Trong sóng phẳng truyền trong chân không, độ lớn cực đại của $E$ và $B$ liên hệ bởi $\dfrac{E_0}{B_0} = c$.
3. Thang sóng điện từ
Ánh sáng nhìn thấy cũng là sóng điện từ. Các sóng điện từ khác nhau về tần số (hoặc bước sóng), do đó khác nhau về tính chất và ứng dụng. Thứ tự từ bước sóng dài đến bước sóng ngắn (tần số tăng dần) được gọi là thang sóng điện từ.
| Loại sóng | Đặc điểm nổi bật | Ứng dụng tiêu biểu |
|---|---|---|
| Sóng vô tuyến | bước sóng dài, truyền xa | phát thanh, truyền hình, thông tin di động |
| Vi ba | bị phân tử nước hấp thụ, xuyên qua tầng điện li | lò vi sóng, Wi-Fi, rađa, truyền hình vệ tinh |
| Hồng ngoại | tác dụng nhiệt rõ rệt | điều khiển từ xa, sưởi ấm, camera nhiệt |
| Ánh sáng nhìn thấy | kích thích mắt người | chiếu sáng, quang hợp, quang học |
| Tử ngoại | diệt khuẩn, gây phát quang | khử trùng, nhận biết tiền giả |
| Tia X | khả năng đâm xuyên mạnh | chụp X-quang trong y tế, kiểm tra hành lí |
| Tia gamma | năng lượng rất lớn, ion hóa mạnh | xạ trị, tiệt trùng, nghiên cứu hạt nhân |
4. Truyền thông tin bằng sóng điện từ và rađa
Muốn truyền âm thanh, hình ảnh đi xa, người ta dùng sóng vô tuyến cao tần làm sóng mang và điều biến nó: biến đổi một đặc trưng của sóng mang (biên độ hoặc tần số) theo tín hiệu âm tần cần truyền. Ở nơi nhận, ăng ten thu sóng, mạch tách sóng lấy lại tín hiệu ban đầu rồi khuếch đại phát ra loa. Sóng điện từ tần số cao bức xạ mạnh nên mới mang được tín hiệu đi xa; sóng vi ba xuyên qua được tầng điện li nên dùng cho liên lạc vệ tinh.
Rađa phát xung sóng điện từ về phía mục tiêu và thu xung phản xạ. Đo thời gian $t$ từ lúc phát đến lúc thu, ta tính được khoảng cách $d = \dfrac{ct}{2}$ (sóng đi và về nên chia $2$).
Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1: Bước sóng của đài phát thanh
Một đài phát sóng điện từ có tần số $100$ MHz. Lấy $c = 3\cdot10^8$ m/s. Tính bước sóng của sóng này trong không khí (coi như chân không).
$\lambda = \dfrac{c}{f} = \dfrac{3\cdot10^8}{100\cdot10^6} = 3$ m.
Ví dụ 2: Tần số của lò vi sóng
Sóng điện từ trong một lò vi sóng có bước sóng $12$ cm trong không khí. Tính tần số.
$f = \dfrac{c}{\lambda} = \dfrac{3\cdot10^8}{0{,}12} = 2{,}5\cdot10^{9}$ Hz $= 2{,}5$ GHz.
Ví dụ 3: Khoảng cách từ rađa đến mục tiêu
Rađa phát xung và thu xung phản xạ từ mục tiêu sau $200$ μs. Tính khoảng cách tới mục tiêu.
$d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{3\cdot10^8\cdot200\cdot10^{-6}}{2} = 30000$ m $= 30$ km.
Ví dụ 4: Cảm ứng từ cực đại của sóng điện từ
Trong một sóng điện từ phẳng truyền trong chân không, cường độ điện trường cực đại tại một điểm là $90$ V/m. Tính cảm ứng từ cực đại tại điểm đó.
$B_0 = \dfrac{E_0}{c} = \dfrac{90}{3\cdot10^8} = 300\cdot10^{-9}$ T $= 300$ nT.
Kiểm tra nhanh
Kiểm tra nhanh: Điện trường xoáy khác điện trường tĩnh ở điểm nào?
Đường sức của điện trường xoáy khép kín; còn đường sức của điện trường tĩnh đi từ điện tích dương đến điện tích âm.
Kiểm tra nhanh: Sóng điện từ có tần số tăng lên $4$ lần (trong chân không) thì bước sóng thay đổi thế nào?
Giảm $4$ lần, vì $\lambda = \dfrac{c}{f}$.
Kiểm tra nhanh: Kể tên hai loại sóng điện từ dùng trong y tế và nêu tác dụng.
Tia X dùng chụp ảnh xương nhờ khả năng đâm xuyên; tia tử ngoại dùng diệt khuẩn, khử trùng dụng cụ.
Tóm tắt
- Điện trường biến thiên sinh từ trường và ngược lại: điện từ trường (Maxwell).
- Sóng điện từ là sóng ngang: $\vec E \perp \vec B \perp \vec v$, $\vec E$ và $\vec B$ cùng pha; truyền trong chân không với $c \approx 3\cdot10^8$ m/s; $\lambda = \dfrac{c}{f}$, $\dfrac{E_0}{B_0} = c$.
- Thang sóng điện từ: vô tuyến, vi ba, hồng ngoại, nhìn thấy, tử ngoại, tia X, tia gamma (tần số tăng dần).
- Truyền thông dùng sóng mang cao tần được điều biến; rađa đo khoảng cách bằng $d = \dfrac{ct}{2}$.
Khi đã đọc xong, hãy bấm nút Luyện tập chủ đề này ở cuối bài để làm các câu trắc nghiệm, đúng/sai và trả lời ngắn về nội dung vừa học.