Đề tài Sóng điện từ - Môn Vật lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ĐỀ TÀI: Giáo viên hướng dẫn: Lê Văn Hoàng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Lê Thủy An Phùng Thu Hằng Nguyễn Thị Trung Kiên Lớp Lý 3A Niên khóa: 2008 - 2009 1 MỞ ĐẦU LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nhóm chọn đề tài “Sóng điện từ” do các lí do chính sau: _ Việc nghiên cứu “Sóng điện từ” giúp chúng ta hiểu rõ hơn về chiếc cầu nối giữa “điện – từ học” và “quang học”. _ “Sóng điện từ” là một vấn đề rất quan trọng trong Vật lý học cũng như trong đời sống. _ “Sóng điện từ” có nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật, thông tin liên lạc, y học, quân sự, đời sống hàng ngày… ĐỐI TƯƠNG NGHIÊN CỨU Học sinh và sinh viên. 2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................1 MỤC LỤC ..............................................................................................................2 Chương 1. LỊCH SỬ SÓNG ĐIỆN TỪ .................................................................4 1.1 Sự tiên đoán về sóng điện từ của Maxwell năm 1864 .................................4 1.1.1 Vài nét tiêu biểu:..................................................................................4 1.1.2 Sự tiên đoán về sóng điện từ của Maxwell ..........................................5 1.2 Heinrich Hertz xác nhận ý tưởng của Maxwell ...........................................6 1.2.1 Vài nét tiêu biểu...................................................................................7 1.2.2 Thí nghiệm của Hertz về sóng điện từ..................................................8 Chương 2. PHƯƠNG TRÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ .................................................10 2.1 Khái niệm sóng điện từ.............................................................................10 2.2 Hệ phương trình Maxwell mô tả trường điện từ tự do...............................10 2.3 Phương trình sóng điện từ ........................................................................11 Chương 3. PHÂN LOẠI SÓNG ĐIỆN TỪ..........................................................13 Chương 4. ỨNG DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ..........................................................15 4.1 Radio waves: ............................................................................................15 4.1.1 Định nghĩa .........................................................................................15 4.1.2 Lịch sử...............................................................................................15 4.1.3 Ứng dụng...........................................................................................16 4.2 Micro waves.............................................................................................20 4.2.1 Định nghĩa .........................................................................................20 4.2.2 Tính chất............................................................................................20 4.2.3 Ứng dụng: Lò vi ba............................................................................21 4.3 T- rays ......................................................................................................22 4.3.1 Định nghĩa .........................................................................................22 4.3.2 Lịch sử...............................................................................................22 3 4.3.3 Ứng dụng...........................................................................................23 4.4 Infrared (Tia hồng ngoại) .........................................................................27 4.4.1 Định nghĩa .........................................................................................27 4.4.2 Lịch sử...............................................................................................27 4.4.3 Tính chất............................................................................................28 4.4.4 Ứng dụng...........................................................................................29 4.5 Visible light..............................................................................................35 4.5.1 Định nghĩa .........................................................................................35 4.5.2 Ứng dụng...........................................................................................36 4.6 Ultra Violet ( Tia tử ngoại) .......................................................................40 4.6.1 Định nghĩa .........................................................................................40 4.6.2 Lịch sử...............................................................................................40 4.6.3 Tính chất............................................................................................41 4.6.4 Ứng dụng...........................................................................................41 4.6.5 Tác hại...............................................................................................43 4.7 X rays.......................................................................................................44 4.7.1 Định nghĩa .........................................................................................44 4.7.2 Tính chất...........................................................................................45 4.7.3 Ứng dụng...........................................................................................45 4.7.4 Tác hại...............................................................................................48 4.8 Gamma rays .............................................................................................50 4.8.1 Định nghĩa .........................................................................................50 4.8.2 Ứng dụng...........................................................................................51 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................56 4 CHƯƠNG 1. LỊCH SỬ SÓNG ĐIỆN TỪ 1.1 Sự tiên đoán về sóng điện từ của Maxwell năm 1864 Hình 1.1. James Clerk Maxwell 1.1.1 Vài nét tiêu biểu: James Clerk Maxwell, sinh ngày 13 tháng 6 năm 1831, tại Edinburgh, Scotland), mất ngày 5 tháng 11 năm 1879. Ông là một nhà vật lý học người Scotland. Ông đã đưa ra hệ phương trình miêu tả những định luật cơ bản về điện trường và từ trường được biết đến với tên gọi hệ phương trình Maxwell. Đây là hệ phương trình chứng minh rằng điện trường và từ trường là thành phần một trường thống nhất: điện từ trường. Ông cũng đã chứng minh rằng trường điện từ có thể truyền đi trong không gian dưới dạng sóng với tốc độ không đổi là 300000 Km/s và đưa ra giả thuyết ánh sáng là sóng điện từ. Có thể nói Maxwell là nhà vật lý học thế kỷ 19 có ảnh hưởng nhất tới nền vật lý của thế kỉ 20, người đã đóng góp vào công cuộc xây dựng mô hình toán học mới của nền khoa học hiện đại. Vào năm 1931, nhân kỉ niệm 100 năm ngày sinh của Maxwell, Albert Einstein đã ví công trình của Maxwell là “ sâu sắc nhất và hiệu quả nhất mà vật lý học có được từ thời của Issac Newton”. 5 1.1.2 Sự tiên đoán về sóng điện từ của Maxwell Hệ phương trình Maxwell bao gồm bốn phương trình, đề ra bởi James Clerk Maxwell, dùng để mô tả trường điện từ cũng như tương tác của chúng đối với vật chất. Bốn phương trình Maxwell mô tả lần lượt:  Điện tích tạo ra điện trường như thế nào? ( Định luật Gass)  Sự không tồn tại vật chất của từ tích.  Dòng điện tạo ra từ trường như thế nào? ( Định luật Ampere)  Từ trường tạo ra điện trường như thế nào? ( Định luật cảm ứng Faraday) Các công thức của Maxwell vào năm 1865 bao gồm 20 phương trình với 20 ẩn số, nhiều phương trình được coi là nguồn gốc của phương trình Maxwell ngày nay. Các phương trình của Maxwell đã tổng quát hóa các định luật thực nghiệm được những người đi trước phát hiện ra:  Chỉnh sửa định luật Ampere: 3 phương trình cho 3 chiều (x, y, z).  Định luật Gauss cho điện tích: 1 phương trình.  Mối quan hệ giữa dòng điện tổng và dòng điện dịch: 3 phương trình cho 3 chiều (x, y, z).  Mối quan hệ giữa từ trường và thế năng vectơ: 3 phương trình cho 3 chiều (x, y, z), chỉ ra sự không tồn tại của từ tích.  Mối quan hệ giữa điện trường và thế năng vô hướng cũng như thế năng vectơ: 3 phương trình cho 3 chiều (x, y, z), định luật Faraday.  Mối quan hệ giữa điện trường và trường dịch chuyển: 3 phương trình cho 3 chiều (x, y, z).  Định luật Ohm về mật độ dòng điện và điện trường: 3 phương trình cho 3 chiều (x, y, z).  Phương trình cho tính liên tục: 1 phương trình. 6 Các phương trình nguyên bản của Maxwell được viết lại bởi Oliver Heaviside và Willard Gibbs vào năm 1884 dưới dạng các phương trình vectơ. Sự thay đổi này diễn tả được tính đối xứng của các trường trong cách biểu diễn toán học. Những công thức có tính đối xứng này là nguồn gốc hai bước nhảy lớn trong vật lý hiện đại đó là Thuyết tương đối hẹp và Vật lý lượng tử. Maxwell đã mở rộng các công trình của Michael Faraday và nhận thấy rằng chính mối liên hệ khăng khít giữa điện và từ đã làm cho loại sóng điện từ trường nên có thể tồn tại. Thật vậy, hệ phương trình Maxwell cho phép đoán trước được sự tồn tại của sóng điện từ , có nghĩa là khi có sự thay đổi của một trong các yếu tố như cường độ dòng điện, mật độ điện tích…sẽ sinh ra sóng điện từ truyền đi được trong không gian. 1.2 Heinrich Hertz xác nhận ý tưởng của Maxwell Năm 1888, Heinrich Hertz đã làm thí nghiệm phát sóng điện từ xác nhận ý tưởng của Maxwell. Hình 1.2. Heinrich Hertz 7 1.2.1 Vài nét tiêu biểu Heinrich Rudolph Hertz, nhà vật lý học người Đức, người có công tìm ra sóng điện từ và hiệu ứng quang điện, sinh tại Hamburg ngày 22-2-1857. Đầu tiên, ông học tại trường Đại học Tổng hợp Berlin, là học trò xuất sắc của nhà bác học Helmholtz. Hertz nghiên cứu về tĩnh điện học và điện từ, góp phần to lớn vào việc chế tạo ra máy vô tuyến điện. Năm 1887, ông công bố về những bài báo về những dao động điện rất nhanh. Hertz chế tạo một máy phát dao động điện cao tần, gọi là "bộ rung Hertz" và một "bộ cộng hưởng" để phát hiện những dao động điện đó. Với thiết bị như trên, ông xác lập được quá trình cảm ứng và tương tác của các mạch điện. Năm 1888, ông đã thu được sóng điện từ đầu tiên như thuyết Maxwell tiên đoán và đã chứng minh rằng sóng điện từ đồng nhất với sóng ánh sáng, rằng sự di chuyển của ánh sáng và điện cùng nhanh như nhau và các tia Cathode có thể xuyên qua những tấm ván hay những tấm nhôm mỏng. Năm 1889, Hertz trở thành giáo sư tại trường Đại học Bonn. Năm 1891, ông đã tổng kết những công trình của mình, khẳng định những lý thuyết của Maxwell. Ông cũng đã khám phá ra nhiều tính chất của ánh sáng tử ngoại, nghiên cứu điện động lực các môi trường chuyển động, chế tạo ra các dao động tử hở. Kết quả của các công trình nghiên cứu của Hertz đều được ghi chép và tập hợp lại trong 3 tập kỷ yếu sau: Tạp tuyển, Nghiên cứu về sự lan truyền của các lực điện và Nguyên lý cơ học. Ông mất ở Bonn ngày 1-1-1894, mới có 37 tuổi. Để ghi nhớ công lao của Hertz, người ta đã dùng tên ông để đặt cho đơn vị tần số. 8 1.2.2 Thí nghiệm của Hertz về sóng điện từ Hình 1.3. Thí nghiệm hertz về sóng điện từ 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: Hình 1.4. Sóng điện từ tự do 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 M, M1,M2,… xuất hiện các vectơ cường độ từ trường , …cũng biến đổi theo thời gian. 9 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, quá trình truyền đó tạo thành sóng điện từ. Sóng điện từ là trường điện từ biến đổi truyền đi trong không gian. 10 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG TRÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ 2.1 Khái niệm sóng điện từ Trường điện từ tồn tại khi không có điện tích được gọi là sóng điện từ. 2.2 Hệ phương trình Maxwell mô tả trường điện từ tự do Để thấy được thực chất của trường điện từ, ta phải khảo sát đầy đủ hai tương quan:  Từ trường biến thiên tạo ra điện trường xoáy (hiện tượng cảm ứng điện từ).  Điện trường biến thiên tạo ra từ trường xoáy (hiện tượng dòng điện dịch). Điện trường lan truyền trong không gian theo thời gian tạo thành sóng điện từ. Hệ phương trình Maxwell:         rot  E =-  B t rot  B =o    j+o ∂  E ∂t    div  E = o div  B =0 (2.1) Qua hệ phương trình Maxwell, ta thấy sự có mặt của trường điện từ bao giờ cũng phải gắn với điện tích, dòng điện. Mặt khác, qua hệ phương trình Maxwell, dù  = 0,  j = 0 thì vẫn có thể có  E≠0,  B ≠ 0. Khi đó, hệ phương trình Maxwell mô tả điện từ ở nơi không có mặt điện tích, đó là trường điện từ tự do, tồn tại dạng sóng, nên gọi là sóng điện tự do. Hệ phương trình Maxwell lúc đó trở thành: 11         rot  E =- ∂  B ∂t rot  B =oo ∂  E ∂t div  E =0 div  B =0 (2.2) 2.3 Phương trình sóng điện từ Xem môi trường là đồng nhất, ta có: rot  E =- ∂  B ∂t  rot rot  E = - ∂∂t rot  B  grad div  E -   E = -oo ∂ ∂t    ∂  E ∂t    Vì div  E = 0 nên ta lập được phương trình cho vectơ cường độ điện trường:   E - oo ∂2  E ∂t2 = 0 (2.3) Tương tự, ta có: 12 rot  B = oo ∂  E ∂t  rot rot  B = oo ∂ ∂t rot  E  grad div  B -   B = -oo ∂ ∂t   ∂  B ∂t    Vì div  B = 0 nên ta lập được phương trình vectơ cảm ứng từ:   B - oo ∂2  B ∂t2 = 0 (2.4) (1) và (2) có dạng giống nhau, được gọi là phương trình sóng không có vế phải, hay là phương trình d’Alembert. Gọi  là trường vô hướng đại diện cho một trong các thành phần của điện trường hoặc từ trường, thì  thỏa phương trình sóng vô hướng:  - oo ∂2 ∂t2 = 0 (2.5) 13 CHƯƠNG 3. PHÂN LOẠI SÓNG ĐIỆN TỪ Hình 3.1. Phân loại sóng điện từ theo tần số và bước sóng Tần số Bước sóng Ký hiệu Thông tin 0 300 000 km Hạ âm 10Hz 30 000km 30kHz 10km V.L.F. Âm nhạc - Âm nghe được 300 kHz 1km L.F. Siêu âm - Radio - Sóng dài 3000 kHz 100 m M.F. Radio - Sóng trung 30 MHz 10 m H.F. Radio - Sóng ngắn 300 MHz 1 m V.H.F Radio - Sóng cực ngắn - TV Radar 3000MHz 1 dm U.H.F. Lò vi ba 30 GHz 1 cm S.H.F Vô tuyến viễn thông 14 Tần số Bước sóng Ký hiệu Thông tin 300 GHz 1 mm E.H.F qua vệ tinh 3000 GHz 0,1 mm Ánh sáng Tia hồng ngoại 30 THz 0,01mm 300 THz 1µm 0,8 µm0,4 Ánh sáng thấy được 3000 THz 0,1µm 3.1016 Hz 0,01µm 3.1017 Hz 0,001µm Mềm Tia cực tím 3.1018 Hz 1 A0 Tia X quang 3.1019 Hz 0,1 A0 3.1020 Hz 0,01 A0 3.1021 Hz 0,01 A0 Tia gamma 3.1022 Hz 10-1 A0 3.1023 Hz 10-5 A0 3.1024 Hz 10-6 A0 Tia cứng Tia vũ trụ Bảng 3.1. Phân loại sóng điện từ theo bước sóng và tần số. 15 CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ 4.1 Radio waves: 4.1.1 Định nghĩa Sóng radio có tần số trong khoảng từ 30 KHz (dải tần LF) đến 300MHz (dải tần VHF), bước sóng từ 1m đến 103 m. Sóng radio bao gồm: sóng dài (LF), sóng trung (MF), sóng ngắn (HF), sóng cực ngắn (VHF). 4.1.2 Lịch sử Năm 1878, David E. Hughes là người đầu tiên truyền và nhận sóng radio khi ông nhận thấy cân cảm ứng tạo ra âm thanh trong đầu thu của diện thoại tự chế của ông. Ông trình bày khám phá của mình trước Hội Khoa học Hoàng gia năm 1880 nhưng chỉ được xem là sự cảm ứng đơn thuần. Chính Heinrich Rudolf Hertz, giữa năm 1886 và 1888, là người đưa ra thuyết Maxwell thông qua thực nghiệm, chứng minh rằng bức xạ radio có tất cả tính chất của sóng và khám phá rằng công thức điện từ có thể định nghĩa lại là công thức chênh lệch bán phần gọi là công thức sóng. William Henry Ward đưa ra bằng sáng chế Mỹ 126356 vào ngày 30 tháng 8 năm 1872. Mahlon Loomis đưa ra bằng sáng chế Mỹ 129971 vào ngày 30 tháng 7 năm 1872. Landell de Moura, một nhà truyền giáo và khoa học Brasil, tiến hành thí nghiệm sau năm 1893 (nhưng trước 1894). Ông đã không công bố thành tựu mãi cho đến khi 1900. Tuyên bố cho rằng Nathan Stubblefield phát minh ra radio trước cả Tesla lẫn Marconi, nhưng các dụng cụ của ông cho thấy chỉ làm việc với sự truyền cảm ứng hơn là truyền sóng radio. 16 4.1.3 Ứng dụng 4.1.3.1 Ứng dụng quan trọng nhất của sóng radio là dùng trong truyền thông tin, tín hiệu  Sóng dài (30KHz-300KHz): Mặt đất và các vật cản hấp thụ mạnh sóng dài. Sóng dài phản xạ tốt các tầng điện li, có thể phản xạ nhiều lần nên bị tầng điện li hấp thụ mạnh nên công suất truyền phải lớn. Sóng dài không bị hiện tượng fading (gây bởi hiện tượng giao thoa), điều kiện truyền ổn định nên thường được dùng liên lạc trong các thành phố.  Sóng trung (300KHz-3000KHz): Sóng trung bị hiện tượng fading mạnh, thường dùng liên lạc trong thành phố lớn.  Sóng ngắn (3000KHz-30MHz): bị mặt đất và các vật cản hấp thụ mạnh do có tần số cao. Ưu 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 Thường dùng trong phát truyền hình và phát thanh FM, liên lạc ra vũ trụ. 4.1.3.2 Wifi Sóng Wi-Fi là sóng radio cường độ thấp có bước sóng tương tự như bước sóng radio sử dụng trong các lò vi sóng. Nhưng cường độ sóng Wi-Fi thấp hơn 100.000 so với cường độ sóng trong lò vi sóng. Sóng radio sản sinh ra từ các thiết bị phát sóng Wi-Fi, ánh sáng trắng, lò vi sóng hoặc điện thoại di động có thể khiến nhiệt độ bề mặt của vật thể tăng lên nhưng chúng không thể gây ra bất kỳ tác động xấu nào. 4.1.3.3 Sử dụng sóng radio để tiêu diệt sâu bọ trong hạt sấy khô Một nhóm nhà khoa học Mỹ đã thử nghiệm cho sóng radio làm cho các phân tử rung và nóng lên để diệt mối mọt và sâu bọ trong hoa quả và hạt sấy khô. Nhóm nghiên cứu đã ngâm một số mẻ quả óc chó, hồ trăn và những hạt khác vào một dung dịch hơi mặn. Sau đó đưa chúng vào chiếc máy sử dụng tần số radio. Thiết bị sẽ tiêu diệt sâu bọ mà không làm hạt bị nóng quá. Các nhà khoa học hi vọng phương pháp 17 này sẽ ít gây hại hơn là phương pháp dùng các chất hóa học. Tuy nhiên phương pháp này chi phí tốn kém hơn. 4.1.3.4 Dùng sóng radio để trị hen Các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo được thiết bị sử dụng sóng radio giúp bệnh nhân bị hen dễ thở hơn. Sóng radio phát ra từ thiết bị này sẽ đi vào phổi, đốt nóng và làm mềm các khối cơ, từ đó tạo ra các đường dẫn không khí lưu thông. Thử nghiệm trên 112 bệnh nhân hen từ mức vừa phải tới nặng, một nửa được điều trị bằng thiết bị này và nửa còn lại sử dụng thuốc. Sau một năm, các nhà khoa học nhận thấy khả năng thở của bệnh nhân dùng thiết bị sóng radio tốt hơn hẳn, 39 lít khí thở/phút so với 8,5 lít khí thở/phút của các bệnh nhân dùng thuốc. Ngoài ra, nhóm được điều trị bằng máy có 40 ngày không bị các triệu chứng hen, so với 17 ngày ở nhóm điều trị bằng thuốc. Đây là phương pháp điều trị đầu tiên không dùng thuốc cho các bệnh nhân hen. 4.1.3.5 Điều t