Xem mẫu
- Bài giảng Điện học
(Phần 30)
6.4 Sóng điện từ
Hệ quả quan trọng nhất của sự cảm ứng là sự tồn tại của sóng điện từ. Trong
khi sóng hấp dẫn sẽ gồm không gì hơn là một sự gợn lăn tăn của các trường hấp
dẫn, thì nguyên lí cảm ứng cho chúng ta biết rằng có thể không thể có sóng điện
thuần túy hay sóng từ thuần túy. Thay vì vậy, chúng ta có các sóng trong đó có cả
điện trường và từ trường, giống như sóng sin biểu diễn trên hình bên dưới.
Maxwell đã chứng minh rằng các sóng như thế là hệ quả của các phương trình của
ông, và nhận được tính chất của chúng bằng toán học. Việc thiết lập nằm ngoài
khuôn khổ toán học của cuốn sách này, nên chúng ta sẽ chỉ phát biểu các kết quả.
- s/ Một sóng điện từ
Một sóng điện từ kiểu sin có dạng hình học biểu diễn trên hình s. Các
trường E và B vuông góc với hướng chuyển động, và đồng thời vuông góc với nhau.
Nếu bạn nhìn dọc theo hướng chuyển động của sóng, vectơ B luôn luôn lệch 90 độ
theo chiều kim đồng hồ so với vectơ E. Độ lớn của hai trường liên hệ với nhau bởi
phương trình |E| = c |B|.
Sóng điện từ được tạo ra như thế nào ? Nó có thể được phát ra, chẳng hạn,
bởi một electron đang quay xung quanh một nguy ên tử hoặc bởi các dòng điện
chạy tới lui trong một ănten phát sóng. Nói chung, bất kì điện tích đang gia tốc nào
cũng sẽ tạo ra một sóng điện từ, mặc dù chỉ có dòng điện biến thiên dạng sin theo
thời gian mới tạo ra sóng dạng sin. Một khi phát sinh, sóng lan tỏa trong không
gian mà không cần điện tích hay dòng điện để tiếp tục lan tỏa. Khi điện trường dao
động tới lui, nó cảm ứng ra từ trường, và từ trường dao động lại tạo ra điện trường.
Toàn bộ dạng sóng truyền trong không gian trống rỗng ở tốc độ c = 3 x 108 m/s,
tốc độ này liên hệ
Sự phân cực
Hai sóng điện từ truyền cùng chiều nhau trong không gian có thể không
giống nhau vì điện trường và từ trường của chúng có hướng khác nhau, một tính
chất của sóng gọi là sự phân cực.
Ánh sáng là sóng điện từ
Một khi Maxwell nhận ra sự tồn tại của sóng điện từ, ông trở nên chắn chắn
rằng chúng là cùng hiện tượng như ánh sáng. Cả hai đều là sóng ngang (tức là dao
động vuông góc với hướng sóng chuyển động), và vận tốc là như nhau.
- Heinrich Hertz (tên ông đặt cho đơn vị tần số) đã xác nhận ý tưởng của
Maxwell bằng thực nghiệm. Hertz là người đầu tiên thành công trong việc tạo ra,
phát hiện, và nghiên cứu sóng điện từ một cách chi tiết bằng ănten và mạch điện.
Để tạo ra sóng, ông phải làm cho dòng điện dao động rất nhanh trong một mạch
điện. Thật ra, thật sự không có chút hi vọng nào tạo ra dòng điện đảo chiều ở tần số
1015 Hz mà ánh sáng khả kiến có. Dao động điện nhanh nhất ông có thể tạo ra là
109 Hz, cho bước sóng khoảng 30 cm. Ông đã thành công trong việc chỉ ra rằng,
giống hệt như ánh sáng, các sóng do ông tạo ra có thể phân cực, và có thể bị phản
xạ và khúc xạ (tức là bị bẻ cong, ví dụ do thấu kính gây ra), và ông đã chế tạo được
các dụng cụ ví dụ như gương parabol hoạt động theo cùng nguyên lí quang học
như ánh sáng sử dụng. Kết quả của Hertz là bằng chứng thuyết phục rằng ánh sáng
và sóng điện từ là một và giống nhau.
Phổ điện từ
Ngày nay, các sóng điện từ trong vùng mà Hertz sử dụng được gọi là sóng vô
tuyến. Các nghi ngờ rằng “sóng Hertz”, như khi đó nó được gọi, là cùng loại sóng
như sóng ánh sáng nhanh chóng bị xua tan bởi các thí nghiệm trong toàn bộ
ngưỡng tần số ở giữa, cũng như ở các tần số nằm ngoài phạm vi đó. Tương tự như
phổ ánh sáng khả kiến, chúng ta nói về toàn bộ phổ điện từ, trong đó phổ khả kiến
chỉ là một đoạn.
Thuật ngữ dành cho các phần khác nhau của phổ điện từ thật đáng để nhớ,
và dễ học nhất bằng cách nhận ra mối quan hệ lôgic giữa bước sóng và tính chất
của sóng mà bạn đã quen thuộc. Sóng vô tuyến có bước sóng có thể sánh với kích
thước của các ănten vô tuyến, tức là từ hàng mét tới hàng chục mét.
- Vi sóng được gọi tên như thế vì chúng có bước sóng ngắn hơn nhiều so với
sóng vô tuyến; khi thực phẩm nấu không đều trong lò vi sóng, khoảng cách nhỏ
giữa các điểm nóng và lạnh bằng một nửa bước sóng của sóng dừng mà lò vi sóng
tạo ra. Sóng hồng ngoại, khả kiến, và tử ngoại hiển nhiên có bước sóng ngắn hơn
nhiều, vì nếu không thì bản chất sóng của ánh sáng sẽ rõ ràng trước con người như
bản chất sóng của sóng đại dương. Để nhớ tia tử ngoại, tia X và tia gamma đều nằm
ở phía bước sóng ngắn của ánh sáng khả kiến, hãy nhớ lại rằng cả ba sóng này đều
có thể gây ra ung thư. (Như chúng ta sẽ thảo luận ở phần sau tập sách này, có một
nguyên do cơ bản lí giải vì sao sự hỏng hóc gây ung thư của ADN chỉ có thể gây ra
bởi những song điện từ bước song rất ngắn. Trái với niềm tin phổ biến, vi song
không thể gây ra ung thư, đó là lí do vì sao chúng ta có lò vi song, chứ không phải lò
tia X!).
Ví dụ 7. Tại sao bầu trời có màu xanh ?
Khi ánh sáng Mặt Trời đi vào bầu khí quyển tầng trên, một phân tử không
khí nhất định tự bị gột sạch bởi một song điện từ có tần số f. Các hạt tích điện của
phân tử đó (hạt nhân và electron) hoạt động giống như các dao động tử bị chi phối
- bởi một lực dao động, và phản ứng bằng cách dao động ở cùng tần số f. Năng lượng
bị rút khỏi chùm ánh sang Mặt Trời tới và chuyển hóa thành động năng của các hạt
dao động. Tuy nhiên, những hạt này đang gia tốc, nên chúng hoạt động giống như
các ănten vô tuyến nhỏ và đưa năng lượng ra khỏi trở lại dưới dạng sóng ánh sang
cầu trải ra theo mọi hướng. Một vật đang dao động ở tần số f có gia tốc tỉ lệ với f2,
và một hạt tích điện đang gia tốc tạo ra một sóng điện từ có các trường vuông góc
với gia tốc của nó, nên trường của sóng cầu tái phát xạ tỉ lệ với f2. Năng lượng của
một trường tỉ lệ với bình phương cường độ trường, nên năng lượng của sóng tái
phát xạ tỉ lệ với f4. Vì ánh sáng xanh có tần số gấp khoảng 2 lần ánh sáng đỏ, nên
quá trình này diễn ra với ánh sáng xanh mạnh gấp 24 = 16 lần so với ánh sáng đỏ,
và đó là lí do vì sao bầu trời có màu xanh.
nguon tai.lieu . vn
