Trong giai đoạn ngày nay chúng ta nhận thấy có rất nhiều công nghệ sử dụng sóng điện từ. Sóng điện từ đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ việc nghiên cứu điều khiển tàu vũ trụ, truyền hình, truyền thông cho đến chữa bệnh. Vậy, sóng điện từ là gì?
Mục lục bài viết
1. Sóng điện từ là gì?
Ta hiểu về sóng như sau:
Nếu bạn đã từng đi biển thì đã rất quen với sóng. Sóng được nhìn thấy chỉ đơn giản là sự phồng lên của một con sóng trong đại dương, sau đó lặn xuống và chuẩn bị có những lần tiếp theo. Hiểu cách đơn giản thì nó là sự rung động hoặc dao động của nước trên bề mặt đại dương. Có 2 loại sóng đó là sóng trong nước và sóng âm trong không khí.
Ta hiểu về lực điện từ như sau:
Lực điện từ còn có tên gọi khác là lực từ. Đây là khái niệm được sử dụng để chỉ lực của từ trừng tác dụng lên hạt mang điện tích chuyển động. Lực điện từ gồm 2 phần đó là lực điện do điện trường tạo ra và lực do từ trường tạo ra.
Ta hiểu về điện từ trường như sau:
Điện từ trường là một trường thống nhất gồm có 2 thành phần chính là điện trường biến thiên và từ trường biến thiên. Điện từ trường sẽ biến thiên theo thời gian, sinh ra trường xoáy.
Ta hiểu về trường điện từ như sau:
Là một dạng tồn tại đặc biệt của vật chất, đặc trưng bởi tập hợp nhiều tính chất điện và từ. Các tham số cơ bản, biểu thị đặc tính của trường điện từ là tần số, tốc độ lan truyền và chiều dài sóng âm.
Ta hiểu về sóng cơ như sau:
Là sự lan truyền dao động cơ học ( trạng thái dao động, năng lượng) trong môi trường vật chất đàn hồi theo thời gian. Sóng cơ chỉ lan truyền được trong môi trường vật chất đàn hồi, không thể lan truyền trong môi trường chân không. Đây là sự khác biệt cơ bản giữa sóng cơ và sóng điện từ.
Ta hiểu về sóng dọc như sau:
Là sóng có phương dao động của phương truyền của sóng trùng với các phần tử. Sóng dọc có khả năng truyền trong 3 trạng thái của môi trường đó là rắn, lỏng và khí. Nguyên nhân là do trong môi trường lực đàn hồi xuất hiện khi có sự biến dạng nén, giãn.
Ta hiểu về vận tốc ánh sáng trong không khí như sau:
Là tốc độ lan truyền của các bức xạ điện từ trong môi trường chân không. Vận tốc ánh sáng khi truyền trong không khí sẽ có giá trị bằng 300 000 000 m/s; khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất sẽ khoảng 150 000 000 km. Thời gian ánh sáng truyền từ Mặt Trời đến Trái Đất là 500s
Sóng điện từ được hiểu như sau:
Sóng điện từ là sự kết hợp dao động hiện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian. Khi lan truyền, sóng điện từ sẽ mang theo năng lượng, thông tin và động lượng
Khi sóng điện từ có bước sóng nằm trong khoảng 400-700 mm và có thể nhìn thấy bằng mắt người ta gọi đó là ánh sáng. Nói cách khác sóng điện từ gồm điện dao động và các từ trường.
Sóng điện từ truyền với vận tốc không đổi là 3×10⁸m/s trong chân không. Chúng bị lệch không phải bởi điện tưởng mà cũng không phải do từ trường. Tuy nhiên, chúng có khả năng nhiễu xạ và mang nhiễu. Một sóng điện từ có thể truyền qua bất kỳ thứ gì có thể là vật liệu rắn, không khí. Đặc biệt nó không cần một vật thể trung gian để truyền hoặc đi từ nơi này đến nơi khác. Sóng điện từ là sóng ngang.
Biến điệu sóng điện từ là trộn sóng điện từ tần số cao với sóng điện từ tần số âm.
2. Đặc điểm và tính chất của sóng điện từ:
Đặc tính của sóng điện từ cụ thể đó là:
– Sóng điện từ có thể lan truyền được trong các môi trường rắn, lỏng, khí và chân không và chúng là loại sóng duy nhất lan truyền được trong chân không
– Sóng điện từ cũng có các tính chất của sóng cơ như: phản xạ, khúc xạ, giao thoa, … Và cũng tuân theo các quy luật truyền thẳng, giao thoa, khúc xạ,…
– Sóng điện từ có bước sóng từ vài mét đến vài km được dùng trong thông tin liên lạc được gọi là sóng vô tuyến
– Sóng điện từ là thuộc loại sóng ngang nghĩa là nó là sự lan truyền của các dao động liên quan đến tính chất có hướng (cụ thể là cường độ điện trường và cường độ từ trường) của các phần tử mà hướng dao động vuông góc với hướng lan truyền sóng.
– Tốc độ lan truyền sóng điện từ trong chân không là lớn nhất và bằng c = 3.108 m/s.
– Sóng điện từ luôn tạo thành một tam diện thuận.
– Sóng điện từ có mang năng lượng và năng lượng của một hạt photon có bước sóng λ là hc/λ, với h là hằng số Planck và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Như vậy, bước sóng càng dài thì năng lượng photon càng nhỏ.
– Dao động của điện trường và từ trường tại một điểm luôn luôn đồng pha với nhau.
Để có thể truyền sóng điện từ đi thì ta cần tuân thủ các nguyên tắc như sau:
– Để âm thanh và hình ảnh có thể truyền đi xa thì ta cần biến điệu chúng thành các dao động điện, tức tín hiệu âm tần. Với AM là biến điệu biên độ và FM là biến điệu tần số.
– Cần phải dùng sóng ngang, tức sóng cao tần để có thể truyền đi.
– Cần phải tách sóng: tách tín hiệu ra khỏi sóng cao tần.
– Khuếch đại tín hiệu thu được khi có cường độ nhỏ.
3. Phân loại sóng điện từ:
Chúng ta nhận thấy rằng, sóng điện từ hay sóng vô tuyến sẽ được phân chia ra làm sóng cực ngắn, sóng ngắn, sóng trung và sóng dài trong khí quyển. Cụ thể như sau:
– Sóng cực ngắn:
Sóng cực ngắn thì sẽ có bước sóng từ 1 đến 10m, có năng lượng rất lớn và không bị hấp thụ hay phản xạ bởi tầng điện li. Và vì chúng có thể xuyên qua tầng điện ly và đi vào vũ trụ nên chúng thường được dùng trong các ngành thiên văn để nghiên cứu vũ trụ ngày nay.
– Sóng ngắn:
Sóng ngắn có bước sóng từ 10 đến 100m, cũng có mức năng lượng lớn. Tuy nhiên chúng bị phản xạ nhiều lần ở tầng điện li và mặt đất. Chính vì thế mà chúng thường được dùng trong các công tác thông tin và liên lạc dưới mặt đất.
– Sóng trung:
Sóng trung có bước sóng từ 100 đến 1000m, loại sóng này sẽ bị tầng điện li hấp thụ mạnh vào ban ngày. Tuy nhiên vào ban đêm thì hoàn toàn ngược lại. Nên chúng thường được dùng trong thông tin liên lạc vào ban đêm.
– Sóng dài:
Sóng dài có bước sóng trong khoảng hơn 1000m, có mức năng lượng khá thấp. Thường bị các vật thể trên mặt đất hấp thụ mạnh nhưng lại không dễ bị hấp thụ đối với môi trường nước. Việc này có ý nghĩa rất lớn trong việc thông tin liên lạc giữa các tàu ngầm dưới nước hay biển.
4. Ứng dụng của sóng điện từ:
Năng lượng của sóng điện từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống đó là:
– Sóng radio:
+ Sóng radio được ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông, truyền tín hiệu, wifi.
+ Trong lĩnh vực sấy khô thì sóng radio có ứng dụng sau: Tiêu diệt sâu bọ có trong các hạt được sấy khô
+ Trong lĩnh vực y học thì sóng radio có ứng dụng sau: Điều trị hen, amidan, phá ung thư gan, đau lưng, viễn thị, viêm gan,…
– Sóng viba:
Được ứng dụng để sản xuất lò vi sóng.
– Tia T:
+ Tia T được ứng dụng trong nghiên cứu thiên văn học: Quan sát thiên hà và các vì sao
+ Tia T được ứng dụng trong công nghệ: Nhìn xuyên các vật thể.
+ Tia T được ứng dụng trong sản xuất vũ khí hạng nặng
+ Tia T được ứng dụng trong y học: Dò tìm các tế bào ung thư.
– Tia hồng ngoại:
+ Chẩn đoán bệnh và phá bỏ các mô, tế bào bị tổn thương.
+ Chuông báo động, nhìn đêm của các máy ảnh kỹ thuật số.
– Tia tử ngoại:
+ Điều trị bệnh ung thư.
+ Ứng dụng trong các ngành tiệt trùng và diệt khuẩn.
– Tia Gamma:
+ Tia Gamma ứng dụng để chế tạo ra gamma sử dụng trong phẫu thuật
+ Chế tạo kính viễn vọng tia gamma để theo dõi lỗi đen khổng lồ, những vụ nổ lớn của vũ trụ,…
– Tia XT:
Tia X được sử dụng trong chụp chiếu, chuẩn đoán bệnh. Cụ thể: Chụp, chiếu chẩn đoán bệnh; tìm kiếm các đoạn xương bị tổn thương hoặc các dị vật có trong cơ thể;Dò tìm điểm cụ bộ mềm trong các khối máy nhôm đúc.
5. Sự truyền sóng vô tuyến trong khí quyển:
– Các vùng sóng ngắn ít bị hấp thụ:
+ Sóng vô tuyến bị không khí hấp thụ. Chỉ có các sóng điện từ có bước sóng nằm trong một số vùng tương đối hẹp , các sóng có bước sóng ngắn là không bị không khí hấp thụ.
+ Các vùng đó gọi là các dải sóng vô tuyến.
Thông thường thì các phân tử không khí trong khí quyển sẽ hấp thụ rất mạnh các sóng dài, dòng trung và sóng cực ngắn nên loại sóng này không thể truyền đi xa. Trong một số vùng tương đối hẹp thì sóng có bước sóng ngắn hầu như không bị hấp thụ bởi không khí.
– Sự phản xạ của các sóng ngắn trên tầng điện li:
Dành cho những ai đã quên hoặc chưa biết thì tầng điện ly là một lớp khí quyển. Trong đó các phân tử khí đã bị ion hóa rất mạnh dưới tác dụng của các tia tử ngoại ánh sáng mặt trời. Chúng thường nằm ở độ cao 80 đến 800km.
Tầng điện li là một lớp khí quyển, trong đó các phân tử khí đã bị ion hóa rất mạnh dưới tác dụng của các tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời. Các sóng ngắn vô tuyến phản xạ rất tốt trên tầng điện li, nhờ phản xạ liên tiếp trên tầng điện li mà các sóng ngắn có thể truyền đi rất xa.
6. Sóng điện từ được hình thành như thế nào?
Phổ điện từ, toàn bộ sự phân bố của bức xạ điện từ theo tần số hoặc bước sóng. Mặc dù tất cả các sóng điện từ truyền đi với tốc độ ánh sáng trong chân không, nhưng chúng truyền đi ở một phạm vi rộng của tần số, bước sóng và năng lượng photon. Phổ điện từ bao gồm khoảng của tất cả các bức xạ điện từ và bao gồm nhiều tiểu khu, thường được gọi là các phần, chẳng hạn như ánh sáng nhìn thấy hoặc bức xạ tử ngoại. Các phần khác nhau mang các tên khác nhau dựa trên sự khác biệt về hành vi trong quá trình phát xạ, truyền và hấp thụ các sóng tương ứng và cũng dựa trên các ứng dụng thực tế khác nhau của chúng. Không có ranh giới chính xác được chấp nhận giữa bất kỳ phần tiếp giáp nào, vì vậy các phạm vi có xu hướng chồng chéo lên nhau.
Toàn bộ phổ điện từ, từ tần số thấp nhất đến tần số cao nhất (bước sóng dài nhất đến ngắn nhất), bao gồm tất cả các sóng vô tuyến (ví dụ: đài phát thanh và truyền hình thương mại, vi sóng, ra đa), bức xạ hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, bức xạ tử ngoại, tia X, và tia gam ma. Gần như tất cả các tần số và bước sóng của bức xạ điện từ đều có thể được sử dụng cho quang phổ.
Sóng cơ và sóng điện từ là hai cách quan trọng mà năng lượng được vận chuyển trong thế giới xung quanh chúng ta. Sóng trong nước và sóng âm trong không khí là hai ví dụ về sóng cơ học. Sóng cơ học được gây ra bởi sự xáo trộn hoặc rung động trong vật chất, dù là chất rắn, khí, lỏng hay plasma. Vật chất mà sóng truyền qua được gọi là môi trường. Sóng nước được hình thành do dao động trong chất lỏng và sóng âm được hình thành do dao động trong chất khí (không khí). Những sóng cơ học này truyền qua một môi trường bằng cách khiến các phân tử va vào nhau, giống như những quân cờ domino rơi xuống truyền năng lượng từ môi trường này sang môi trường khác. Sóng âm không thể truyền trong chân không của không gian vì không có môi trường để truyền các sóng cơ học này.
Nói chung, điện trường được tạo ra bởi một hạt mang điện. Một lực do điện trường này tác dụng lên các hạt mang điện khác. Các điện tích dương gia tốc theo hướng của trường và các điện tích âm tăng tốc theo hướng ngược với hướng của trường. Từ trường được tạo ra bởi một hạt mang điện chuyển động. Một lực do từ trường này tác dụng lên các hạt chuyển động khác. Lực tác dụng lên các điện tích này luôn vuông góc với phương của vận tốc và do đó chỉ làm thay đổi hướng của vận tốc chứ không làm thay đổi vận tốc. Vì vậy, trường điện từ được tạo ra bởi một hạt mang điện gia tốc. Sóng điện từ không là gì khác ngoài điện trường và từ trường truyền trong không gian tự do với tốc độ ánh sáng c. Hạt mang điện tăng tốc là khi hạt mang điện dao động điều hòa về vị trí cân bằng. Nếu tần số dao động của hạt mang điện là f thì nó tạo ra sóng điện từ có tần số f. Bước sóng λ của sóng này được cho bởi λ = c / f. Sóng điện từ truyền năng lượng trong không gian.
Sóng điện từ được biểu diễn bằng đồ thị hình sin. Nó bao gồm điện trường và từ trường biến thiên theo thời gian, vuông góc với nhau và cũng vuông góc với phương truyền sóng. Sóng điện từ có bản chất là sóng ngang. Điểm cao nhất của sóng được gọi là đỉnh trong khi điểm thấp nhất được gọi là đáy. Trong chân không, sóng truyền với vận tốc không đổi 3 x 108 m.s-1.
Sóng điện từ được hình thành khi có điện trường tiếp xúc với từ trường. Do đó chúng được gọi là sóng “điện từ”. Điện trường và từ trường của sóng điện từ vuông góc (vuông góc) với nhau. Chúng cũng vuông góc với phương của sóng EM.
Sóng EM truyền với vận tốc không đổi 3,00 x 108 ms-1 trong chân không. Chúng không bị lệch hướng bởi điện trường cũng như từ trường. Tuy nhiên, chúng có khả năng hiển thị giao thoa hoặc nhiễu xạ. Sóng điện từ có thể truyền qua bất cứ thứ gì – có thể là không khí, vật liệu rắn hoặc chân không. Nó không cần phương tiện để truyền hoặc di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Mặt khác, sóng cơ học (giống như sóng âm thanh hoặc sóng nước), cần một phương tiện để truyền đi. Sóng EM là sóng ‘ngang’. Điều này có nghĩa là chúng được đo bằng biên độ (chiều cao) và bước sóng (khoảng cách giữa các điểm cao nhất / thấp nhất của hai sóng liên tiếp).
Điểm cao nhất của sóng được gọi là ‘đỉnh’, trong khi điểm thấp nhất được gọi là ‘đáy’. Sóng điện từ có thể được tách thành một loạt các tần số. Đây được gọi là phổ điện từ. Ví dụ về sóng EM là sóng vô tuyến, vi sóng, sóng hồng ngoại, tia X, tia gamma, v.v.
