Vật lý 12 · Chương 3: Từ trường · Điện từ trường. Mô hình sóng điện từ

Điện từ trường. Sóng điện từ

Ý tưởng của Maxwell về điện từ trường, mô hình sóng điện từ, bước sóng và tần số, thang sóng điện từ, truyền thông và rađa.

⏱ 40 phút 🤖 AI hỗ trợ
📘 Vật lý 12 ⏱ 40 phút 🤖 AI hỗ trợ

Điện từ trường. Sóng điện từ

Ý tưởng của Maxwell về điện từ trường, mô hình sóng điện từ, bước sóng và tần số, thang sóng điện từ, truyền thông và rađa.

Bài học hiện tại

Sẵn sàng học

Ý tưởng của Maxwell về điện từ trường, mô hình sóng điện từ, bước sóng và tần số, thang sóng điện từ, truyền thông và rađa.

Tiến độ

--

Thời lượng

40 phút

Bài tập

145

Nội dung từ hệ thống

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.

Sóng điện từ: điện trường và từ trường vuông góc nhau và vuông góc phương truyền phương truyền → E B λ
Tại mỗi điểm, vectơ cường độ điện trường $\vec E$ (nét đậm) và vectơ cảm ứng từ $\vec B$ (nét nhạt) dao động cùng pha, vuông góc với nhau và cùng vuông góc với phương truyền sóng, nên sóng điện từ là sóng ngang. Khoảng cách giữa hai điểm dao động cùng pha gần nhất là bước sóng $\lambda$.

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 $\dfrac{E_0}{B_0} = c$.
$$c = \lambda f \;\Rightarrow\; \lambda = \dfrac{c}{f}, \qquad c \approx 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$$

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.

Thang sóng điện từ Sóng vô tuyến từ vài mm đến hàng km Vi ba cỡ mm đến cm Hồng ngoại khoảng 0,76 μm đến 1 mm Ánh sáng nhìn thấy khoảng 380 nm đến 760 nm Tử ngoại khoảng 10 nm đến 380 nm Tia X khoảng 0,01 nm đến 10 nm Tia gamma dưới 0,01 nm tần số tăng, bước sóng giảm
Các loại sóng điện từ sắp xếp từ trên xuống dưới theo tần số tăng dần (bước sóng giảm dần): sóng vô tuyến, vi ba, hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tử ngoại, tia X, tia gamma. Các khoảng bước sóng chỉ là giá trị gần đúng.
Loại sóngĐặc điểm nổi bậtỨng dụng tiêu biểu
Sóng vô tuyếnbước sóng dài, truyền xaphát thanh, truyền hình, thông tin di động
Vi babị phân tử nước hấp thụ, xuyên qua tầng điện lilò vi sóng, Wi-Fi, rađa, truyền hình vệ tinh
Hồng ngoạitác dụng nhiệt rõ rệtđiều khiển từ xa, sưởi ấm, camera nhiệt
Ánh sáng nhìn thấykích thích mắt ngườichiếu sáng, quang hợp, quang học
Tử ngoạidiệt khuẩn, gây phát quangkhử trùng, nhận biết tiền giả
Tia Xkhả năng đâm xuyên mạnhchụp X-quang trong y tế, kiểm tra hành lí
Tia gammanăng lượng rất lớn, ion hóa mạnhxạ 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 đo khoảng cách bằng sóng điện từ sóng phát sóng phản xạ d
Rađa phát xung sóng điện từ và thu xung phản xạ từ mục tiêu. Nếu xung đi và về mất thời gian $t$ thì khoảng cách đến mục tiêu là $d = \dfrac{ct}{2}$.

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.

Kiểm tra mức độ hiểu bài

Chọn câu phù hợp để luyện ngay sau khi học xong nội dung.

145 câu
Luyện tập chủ đề này (145 câu)
Trắc nghiệm Dễ
Câu 811
Thứ tự các sóng điện từ theo bước sóng giảm dần là
Đúng/sai Trung bình
Câu 1116
Khi nói về điện từ trường, xét các phát biểu sau (nhóm 4). Mỗi phát biểu đúng hay sai?
Trả lời ngắn Trung bình
Câu 1426
Một sóng điện từ có tần số 10 MHz. Chu kì của sóng là bao nhiêu ns? Kết quả làm tròn đến hàng đơn vị.
Trắc nghiệm Dễ
Câu 812
Ánh sáng nhìn thấy là
Đúng/sai Trung bình
Câu 1117
Khi nói về thang sóng điện từ và ứng dụng, xét các phát biểu sau (nhóm 3). Mỗi phát biểu đúng hay sai?
Trả lời ngắn Trung bình
Câu 1427
Một sóng điện từ truyền trong chân không có bước sóng 120 m. Một sóng điện từ khác có tần số lớn gấp 3 lần sóng trên thì có bước sóng là bao nhiêu m? Kết quả làm tròn đến hàng đơn…