SÓNG-ĐIỆN-TỪ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI SỰ TẠO THÀNH SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ LÒ VI SÓNG GVHD Trần Văn Lượng Lớp L10 Nhóm[.]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Chấm điểm thuyết trình bài tập lớn Vật lý 2:

Điểm nộp và gửi bài

lớp

Tổng điểm

LỜI CẢM ƠN

Nhóm em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy Trần Văn Lượng đã trực tiếp giảng dạy chochúng em bộ môn Vật lý 2, giúp chúng em có thể tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích và hoànthiện được bài tiểu luận về "Sóng điện từ "

Đồng thời chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn vì thầy đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo chúng emtrong các tiết học trên lớp và quá trình thực hiện đề tài

Tuy nhiên, do giới hạn kiến thức và khả năng lý luận của bản thân còn nhiều thiếu sót và hạnchế Vì vậy mặc dù đã cố gắng hoàn thành đề tài trong phạm vi và khả năng cho phép nhưngchắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Chính vì thế chúng em rất mong nhận đượcnhững ý kiến đóng góp của thầy cũng như các bạn để đề tài của nhóm em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Bốn phương trình của Maxwell mô tả cách các điện tích và dòng điện tạo ra điện trường và

từ trường và cách chúng ảnh hưởng lẫn nhau

Điện trường biến thiên sinh ra từ trường xoáy và từ trường biến thiên sinh ra điện trườngxoáy

Sóng điện từ là sự kết hợp của điện trường và từ trường lan truyền theo hình sin và dao độngtrong các mặt phẳng vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng

Khác với sóng cơ, sóng điện từ có thể lan truyền trong môi trường chân không Khi truyềntrong chân không chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng

Sóng điện từ được ứng dụng rộng rãi ở mọi nơi trong mọi lĩnh vực Từ trong nghiên cứukhoa học đến các sản phẩm, thiết bị gia dụng hằng ngày Một ví dụ thường gặp của ứng dụngsóng điện từ là lò vi sóng

Lò vi sóng sử dụng sóng điện từ (sóng vi ba) để làm nóng và nấu chín thức ăn Sóng vi basinh ra từ nguồn magnetron sau đó được dẫn theo hướng ống dẫn sóng vào ngăn nấu ăn, cácbước sóng phản xạ qua lại với các bức tường của ngăn nấu, rồi bị thức ăn hấp thụ, thức ăn hấpthụ các tia sóng sẽ nóng dần lên và làm chúng chính

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

DANH SÁCH HÌNH VẼ 4

NỘI DUNG 5

1 Sự khởi đầu của sóng điện từ 5

2 Sóng điện từ và tính chất của chúng 7

2.1 Phương trình Maxwell 7

2.2 Sự tạo thành sóng điện từ 10

2.3 Sự truyền sóng điện từ 11

2.4 Năng lượng và động lượng 12

2.5 Sóng điện từ dưới biểu diễn toán học 13

3 Ứng dụng của sóng điện từ: Lò vi sóng 15

3.1 Lịch sử ra đời 15

3.2 Cấu tạo 16

3.3 Hoạt động 17

3.4 Sử dụng 19

TÀI LIỆU 21

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1: James Clerk Maxwell (1831-1879) 6

Hình 2: Điện trường phát ra xung quanh hạt điện tích 8

Hình 3: Các đường trường gây ra bởi một lưỡng cực từ 9

Hình 4: Sóng điện và sóng từ lan truyền theo hình sin và pha vuông góc với nhau 10

Hình 5: Sóng điện từ 10

Hình 6: Sự hấp thụ và phát xạ 12

Hình 7: Bước sóng 13

Hình 8: Nguồn phát sóng (Magnetron) 16

Hình 9: Mạch điện tử điều khiển 17

Hình 10: Ống dẫn sóng 17

Hình 11: Ngăn nấu 17

Hình 12: Hướng của các phân tử nước thay đổi 2.45 tỷ lần mỗi giây 18

Hình 13: Sự dao động của phân tử nước 18

Hình 14: Sự dao động của phân tử nước 19

NỘI DUNG

1 Sự khởi đầu của sóng điện từ

Ánh sáng khả kiến là một hiện tượng phức tạp được giải thích kinh điển bằng một mô hìnhđơn giản dựa trên các tia truyền và mặt đầu sóng, khái niệm được nêu ra lần đầu tiên vào cuốinhững năm 1600 bởi nhà vật lý người Hà Lan Christian Huygens Bức xạ điện từ - một kháiniệm rộng lớn hơn của những hiện tượng kiểu sóng mà ánh sáng khả kiến thuộc về nó (cũng còngọi là năng lượng bức xạ), là phương tiện truyền năng lượng chủ yếu của vũ trụ mênh mông Thuật ngữ bức xạ điện từ, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát từ những tính chất điện

và từ đặc trưng cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống như sóng này, được biểu lộ bởi sựphát sinh cả trường dao động điện và từ khi sóng truyền trong không gian Ánh sáng khả kiếnchỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ bức xạ điện từ trải ra từ các tia vũ trụ cao tần và tiagamma, qua tia X, ánh sáng cực tím, bức xạ hồng ngọai,và vi ba, cho tới các sóng vô tuyếnbước sóng dài, tần số rất thấp

Mối liên hệ giữa ánh sáng, điện và từ không rõ ràng ngay trước mắt những nhà khoa họcbuổi đầu làm thí nghiệm với những tính chất cơ bản của ánh sáng và vật chất Ánh sáng hồngngoại, có bước sóng dài hơn bước sóng ánh sáng đỏ khả kiến, là dạng vô hình đầu tiên của bức

xạ điện từ được phát hiện Nhà khoa học và thiên văn học người Anh William Herschel đãnghiên cứu sự liên đới giữa nhiệt và ánh sáng bằng một nhiệt kế và một lăng kính khi ông nhậnthấy nhiệt độ đạt tới cao nhất trong vùng nằm ngoài phần đỏ của phổ ánh sáng khả kiến.Herschel cho rằng phải có một loại ánh sáng khác trong vùng này mà mắt người không nhìnthấy được

Bức xạ cực tím, nằm ở phía bên kia của phổ khả kiến, được phát hiện bởi Wilhelm Ritter,một trong những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu năng lượng liên quan đến ánh sáng khả kiến.Bằng cách quan sát tốc độ mà các ánh sáng có màu khác nhau làm kích thích sự sẫm màu củamột tờ giấy bạc thấm đẫm dung dịch bạc nitrat, Ritter phát hiện thấy một dạng vô hình khác củaánh sáng, nằm ngoài đầu xanh của quang phổ

Điện và từ được liên hệ với nhau lần đầu tiên vào năm 1820, khi nhà vật lý người Đan Mạch

- Hans Christian Oersted phát hiện thấy dòng điện chạy qua một dây dẫn có thể tạo ra sự chệchhướng của kim nam châm Cũng vào cuối năm đó, nhà khoa học người Pháp - Andrie Ampère,chứng minh được hai dây dẫn mang dòng điện có thể tương tác hút hoặc đẩy lẫn nhau theo kiểu

giống như tương tác của các cực từ Trong vài thập niên sau đó, các nghiên cứu khác cũng theohướng này không ngừng tạo ra những bằng chứng cho thấy điện và từ có quan hệ gần gũi vớinhau.

Cuối cùng, vào năm 1865, nhà khoa học người Scotland, James Clerk Maxwell đã mở rộngthuyết động học chất khí của ông về mặt toán học để giải thích mối liên hệ giữa điện và từ.Maxwell cho rằng hai hiện tượng quan hệ gần gũi đó thường xuyên xuất hiện cùng nhau dướidạng điện từ và ông phát hiện thấy dòng điện biến thiên sẽ tạo ra các sóng gồm hai thực thểtruyền vào không gian với tốc độ ánh sáng Từ những quan sát này, ống kết luận ánh sáng khảkiến là một dạng của bức xạ điện từ

Hình 1: James Clerk Maxwell (1831-1879)

2 Sóng điện từ và tính chất của chúng

2.1 Phương trình Maxwell

Các phương trình của Maxwell là một bộ gồm bốn phương trình vi phân từng phần, cùngvới định luật lực Lorent, tạo thành nền tảng của điện động lực học cổ điển, quang học cổ điển vàmạch điện

Được đặt theo tên nhà vật lý James Clerk Maxwell, các phương trình mô tả sự tạo ra và lantruyền của điện trường và từ trường Về cơ bản, họ mô tả cách các điện tích và dòng điện tạo rađiện trường và từ trường, và cách chúng ảnh hưởng lẫn nhau

Phương trình Maxwell có thể được chia thành hai tập con chính Hai định luật đầu tiên, địnhluật Gauss và định luật định luật Gauss cho từ tính, mô tả cách các trường phát ra từ điện tích vànam châm tương ứng Hai cái còn lại, định luật Faraday và định luật của Ampe với sự điềuchỉnh của Maxwell, mô tả cách điện trường và từ trường gây ra xung quanh các nguồn tươngứng của chúng

Mỗi phương trình của Maxwell có thể được xem xét từ phối cảnh của kính hiển vi siêu nhỏ,liên quan đến tổng điện tích và tổng dòng điện, và tập hợp macro vĩ mô, xác định hai trường phụtrợ mới cho phép một người thực hiện các phép tính mà không cần biết dữ liệu vi mô nhưnguyên tử - phí cấp

Định luật Gauss

Định luật Gauss liên quan đến một điện trường với các điện tích tạo ra nó Trường (E) hướngtới các điện tích âm và cách xa các điện tích dương, và từ góc độ vi mô, có liên quan đến mật độđiện tích ρ và độ thẩm thấu liên tục (ε, hoặc độ thấm của không gian trống) như :

Định luật Gauss về cơ bản nói rằng một lượng điện tích ròng chứa trong một vùng khônggian sẽ tạo ra một điện trường phát ra qua bề mặt bao quanh vùng đó

Hình 2: Điện trường phát ra xung quanh hạt điện tích

Định luật từ tính của Gauss

Định luật Gauss cho từ tính nói rằng không có điện tích từ (hoặc đơn cực) nào tương tự vớiđiện tích và thay vào đó từ trường được tạo ra bởi các lưỡng cực từ Các lưỡng cực như vậy cóthể được biểu diễn dưới dạng các vòng của dòng điện, nhưng về nhiều mặt có hình dạng tương tựnhư điện tích từ dương và âm, âm thanh không thể tách rời và do đó không có điện từ mạngchính thức

Các đường sức từ tạo thành các vòng sao cho tất cả đường trường đi vào một vật thể sẽ rờikhỏi nó tại một thời điểm nào đó Do đó, tổng từ thông qua một bề mặt xung quanh một lưỡngcực từ luôn bằng không

Hình 3: Các đường trường gây ra bởi một lưỡng cực từ

Dạng vi phân của định luật Gauss đối với từ tính là:

Luật Mạch của Ampere (với sự điều chỉnh của Maxwell)

Định luật của Ampe ban đầu tuyên bố rằng từ trường có thể được tạo ra bởi dòng điện.Maxwell đã thêm một nguồn từ trường thứ hai trong hiệu chỉnh của mình: một điện trường thayđổi (hoặc từ thông), sẽ tạo ra một từ trường ngay cả khi không có dòng điện Ông đặt tên chodòng điện thay đổi hiện tại

Hiệu chỉnh của Maxwell cho thấy rằng sóng điện từ tự duy trì (ánh sáng) có thể truyền quakhông gian trống ngay cả khi không có điện tích hoặc dòng điện di chuyển, với thành phần điệntrường và thành phần từ trường liên tục thay đổi và liên tục thay đổi nhau

9

Hình 4: Sóng điện và sóng từ lan truyền theo hình sin và pha vuông

góc với nhau

Cách tiếp cận vi mô đối với định luật Ampere được hiệu chỉnh Maxwell liên quan đến từtrường (B) với mật độ dòng điện (J, hoặc dòng điện trên một đơn vị diện tích mặt cắt ngang) vàđạo hàm một phần của điện trường (E)

đang chuyển động, hạt điện tích sẽ tạo ra các gợn sóng hoặc dao động trong điện trường của nó

và cũng tạo ra từ trường (theo dự đoán của phương trình Maxwell)

Khi chuyển động, điện trường và từ trường được tạo ra bởi một hạt tích điện sẽ tự thay đổithời gian phụ thuộc vào thời gian trong một trường (điện hoặc từ) tạo ra trường khác Điều ày cónghĩa là một điện trường dao động như một hàm của thời gian sẽ tạo ra một từ trường và một từtrường thay đổi như một hàm của thời gian sẽ tạo ra một điện trường Cả điện trường và từtrường trong sóng điện từ sẽ dao động theo thời gian, cái này sản sinh và tạo ra cái khác

Sóng điện từ có mặt khắp nơi trong tự nhiên (như ánh sáng) và được sử dụng trong côngnghệ hiện đại như các đài phát thanh AM, FM, điện thoại không dây và điện thoại di động, mạngkhông dây, radar, lò vi sóng

Bởi vì sóng điện từ không cần môi trường vật lý để truyền từ điểm A đến B, chúng cũng làsóng nhanh nhất mà con người biết đến và có thể truyền qua chân không vũ trụ với tốc độ ánhsáng Điều đó không có nghĩa là những sóng này không thể truyền qua một môi trường vật lý, nóchỉ hoạt động hơi khác khi chúng đi qua đó Nó hoạt động như sau:

- Hấp thụ : Đầu tiên, một sóng điện từ chạm vào các nguyên tử của vật liệu vật lý mà nó

tiếp xúc, sau đó vật liệu sẽ hấp thụ sóng

- Rung động : Sự hấp thụ năng lượng điện từ này làm cho các electron trong nguyên tử

của vật liệu đó bắt đầu rung lên

- Phát xạ : Nguyên tử hấp thụ năng lượng điện từ đạt đến mức cao, có xu hướng giải

phóng năng lượng đề về trạng thái bền vững, nó sẽ giải phóng một sóng điện từ khác và

11

truyền nó sang nguyên tử tiếp theo.

Trong môi trường vật lý, quá trình sóng điện từ này được hấp thụ và đẩy ra từ nguyên tử nàysang nguyên tử khác sẽ khiến sóng truyền chậm hơn một chút so với sóng qua chân không Vậtliệu vật lý càng dày đặc thì sóng điện từ sẽ di chuyển càng chậm Nói một cách đơn giản, cácđiện trường và từ trường dao động tái tạo lẫn nhau truyền sóng qua không gian Tần số của sóngđiện từ bằng tần số dao động của điện tích Năng lượng cần thiết để sóng qua không gian đi kèmvới chi phí của điện tích gia tốc

Hình 6: Sự hấp thụ và phát xạ

2.4 Năng lượng và động lượng

Sóng điện từ có năng lượng và động lượng liên quan đến bước sóng và tần số của chúng Bức xạ điện từ về cơ bản có thể được mô tả như là dòng photon Các photon này được địnhnghĩa nghiêm ngặt là không có khối lượng, nhưng có cả năng lượng và đáng ngạc nhiên, do thiếukhối lượng, động lượng, có thể được tính từ các tính chất sóng của chúng

Sóng chưa được hiểu rõ đến những năm 1900, khi Max Planck và Albert Einstein phát triểncác chỉnh sửa hiện đại cho lý thuyết cổ điển

Planck đưa ra giả thiết rằng các vật thể đen của người Hồi Giáo (bộ tản nhiệt) và các dạngbức xạ điện từ khác tồn tại khôn phải dưới dạng quang phổ, mà ở dạng rời rạc Nói cách khác,

bất kỳ giá trị nào : nó chỉ có thể tồn tại theo gia số tần số của hằng số Planck (hoặc thời giankhông đổi của Planck c chia cho bước sóng) Do đó, năng lượng của sóng được định lượng.

Thay thế E bằng hủy bỏ các số hạng c, tạo ra động lượng cũng bằng tỷ lệ đơn giản của hằng

số Planck với bước sóng

2.5 Sóng điện từ dưới biểu diễn toán học

Biểu diễn toán học về từ trường và điện trường sinh ra từ một nguồn biến chứa thêm cácphần mô tả về dao động của nguồn, nhưng xảy ra sau một thời gian chậm hơn so với tại nguồn

Đó chính là mô tả toán học của bức xạ điện từ Tuy trong các chương trình Maxwell, bức xạ điện

từ hoàn toàn có tính chất sóng, đặc trưng bởi vận tốc, bước sóng (hoặc tần số), nhưng nó cũng cótính chất hạt, theo thuyết lượng tử, với năng lượng liên hệ với bước sóng như đã trình bày ở cácmục tính chất

Có thể chứng minh dao động điện từ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng bằng cácphương trình Maxwell

13

Xét trường hợp điện trường và/hoặc từ trường biến đổi chân không và không có dòng điệnhay điện tích tự do trong không gian đang xét.

4 phương trình Maxwell rút gọn thành :

(1)(2)

(3)

(4) Nghiệm tầm thường của hệ phương trình trên là :

Để tìm nghiệm không tầm thường, có thể sử dụng đẳng thức giải tích vectơ :

Bằng cách ấy rot hai vế của phương trình (2):

(5) Rồi đơn giản hóa vế trái (tận dụng phương trình (1) trong quá trình đơn giản hóa):

(6) Rồi đơn giản hóa vế phải (tận dụng phương trình (4) trong quá trình đơn giản hóa):

(7)

Với là tốc độ lan truyền của sóng và miêu tả cường độ dao động của sóng theo thời gian và

vị trí trong không gian Trong trường hợp của các phương trình sóng liên quan đến điện trường

và từ trường nêu trên, ta thấy nghiệm của phương trình thể hiện điện trường và từ trường sẽ biếnđổi trong không gian và thời gian như những sóng, với tốc độ:

Đây chính là tốc độ ánh sáng trong chân không Nghiệm của phương trình sóng cho điệntrường là:

Vớilà một hằng số vector đóng vai trò như biên độ dao động điện trường, là hàm khả vi bậchai bất kỳ, là vector đơn vị theo phương lan truyền của sóng, và là tọa độ của điểm đang xét.Tuy nghiệm này thỏa mãn phương trình sóng, để thỏa mãn tất cả các phương trình Maxwell, cần

có thêm ràng buộc:

(8)

(9) (8) suy ra điện trường phải luôn vuông góc với hướng lan truyền của sóng và (9) cho thấy từtrường thì vuông góc với cả điện trường và hướng lan truyền; đồng thời Nghiệm này củaphương trình Maxwell chính là sóng điện từ phẳng

Từ các phương trình của Maxwell, bạn có thể quan sát thấy rằng trong sóng điện từ, điện từ,điện trường và từ trường vuông góc với nhau và theo hướng truyền

3 Ứng dụng của sóng điện từ: Lò vi sóng

3.1 Lịch sử ra đời

Mùa hè năm 1945, kĩ sư Percy Spencer đang tiến hành các thí nghiệm trên một máy phátsóng tần suất cao Đó là một bộ phận tạo nguồn sóng mạnh cho mọi máy rada Một lần, ông đểquên một thanh chocolate trong túi, đến khi ông rút ra thì nó đã bị tan chảy Ông tự hỏi đó có

15