Báo cáo bài tập lớn (2021 2022) sự tạo thành sóng điện từ các ứng dụng của sóng điện từ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN (2021 2022) SỰ TẠO THÀNH SÓNG ĐIỆN TỪ CÁC ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ LỚP L12, NHÓM 13 GVHD NGUYỄN THỊ[.]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

(2021-2022)

SỰ TẠO THÀNH SÓNG ĐIỆN TỪ

CÁC ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ

LỚP L12, NHÓM 13 GVHD : NGUYỄN THỊ MINH HƯƠNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

(2021-2022)

SỰ TẠO THÀNH SÓNG ĐIỆN TỪ CÁC ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ

Nhóm : ĐỀ TÀI SỐ 3

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2022

PHẦN I: MỞ ĐẦU

LỜI NÓI ĐẦU

Vật lý là một trong những môn khoa nghiên cứu các quy luật từ đơn giản đến tổng quát của tự nhiên Nền móng của vật lý là vật lý cổ điển gồm nhiều lĩnh vực như cơ, nhiệt, điện, quang , hạt nhân Đây cũng là kiến thức cơ bản nhất giúp người nghiên cứu, người giảng dạy, học sinh, sinh viên trong quá trình đi sâu tìm hiểu các lĩnh vực khác

Cùng với sự phát triển của xã hội loài người vật lý đã sontrải qua nhiều giai đoạn phát triển và đạt được nhiều thành tựu đáng kể trong đời sống hiện nay

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

Vật lý là một môn khoa học thực nghiệm nghiên cứu những hiện tượng xảy ra trong tự nhiên, có những ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật hiện hay Như ta đã biết, sóng điện từ là một chuyên đề quan trọng của vật lý bởi nó được ứng dụng rất nhiều Sóng điện từ giúp ta hiểu rõ hơn chiếc cầu nối giữa “điện- từ học’’ và “quang học” Từ lý thuyết sóng điện từ các nhà khoa học đã đi sâu nghiên cứu và đưa sóng điện từ vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật thông tin liện lạc, y học, quân sự, …

Với niềm đam mê vật lý nói chung và đề tài sóng điện từ nói riêng, nhóm chúng tôi muốn

đi sâu và tìm hiểu kỹ hơn về sóng điện từ với đề tài “SỰ TẠO THÀNH SÓNG ĐIỆN

TỪ CÁC ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ”

Thông qua đề tài này nhóm chúng tôi mong muốn đóng góp một phần nhỏ trong việc tiếp cận lý thuyết sóng điện từ và hy vọng đây là tài liệu bổ ích cho người đọc

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện tiểu luận, nhóm chúng tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và ủng hộ, giúp đỡ tận tình của thầy cô, anh chị em, bạn bè

Ngoài ra, nhóm cũng gửi lời tri ân chân thành nhất đến cô Nguyễn Thị Minh Hương, là giảng viên hướng dẫn cho đề tài này Nhờ có cô hết lòng chỉ bảo mà nhóm đã hoàn thành tiểu luận đúng tiến độ và giải quyết tốt những vướng mắc gặp phải Sự hướng dẫn của cô

đã là kim chỉ nam cho mọi hoạt động của nhóm và phát huy tối đa được mối quan hệ hỗ trợ giữa cô và trò trong môi trường giáo dục

Lời cuối xin một lần nữa gửi lời biết ơn sâu sắc đến các cá nhân, các thầy cô đã giành thời gian chỉ dẫn cho nhóm Đây chính là niềm tin, nguồn động lực to lớn để nhóm có thể đạt được kết quả này

MỤC LỤC

PHẦN I: MỞ ĐẦU

LỜI NÓI ĐẦU 3

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 4

LỜI CẢM ƠN 5

MỤC LỤC 6

PHẦN II: NỘI DUNG A Sự tạo thành sóng điện từ 7

1 Sóng điện từ được hình thành như thế nào 7

1.1 Hai luận điểm của Maxwell 7

1.2 Sự hình thành sóng điện từ 9

2 Phân loại sóng điện từ và một số ứng dụng phổ biến 10

B Lò Vi Sóng – Một trong những ứng dụng của sống điện từ 11

1 Khái niệm về lịch sử ra đời của Lò Vi Sóng 11

2 Cấu tạo 11

3 Nguyên tắc hoạt động 12

4 Hiệu quả khi sử dụng 13

5 Những hạn chế khi sử dụng lò vi sóng và cách khắc phục 13

KẾT LUẬN 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

PHẦN II: NỘI DUNG

A SỰ TẠO THÀNH SỐNG ĐIỆN TỪ

1 Sóng điện từ được hình thành như thế nào?

1.1 Hai luận điểm của Maxwell

a/ Luận điểm 1

- Khi đặt một vòng dây dẫn kín vào trong từ trường vector B biến thiên, thì trong vòng dây dẫn

sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng, có chiều tuân theo định luật Lenx Dòng điện xuất hiện ở đây có các điện tích dịch chuyển theo quỹ đạo kín dưới tác dụng của 1 lực nào đó Dòng điện cảm ứng mang năng lượng như vậy lực tác dụng không phải lực tĩnh điện

- Maxwell cho rằng dòng điện cảm ứng này xuất hiện bởi các điện tích dịch chuyển theo 1 đường cong kín dưới tác dụng của điện trường lạ (phi tĩnh điện) vector E có đường sức khép kín Điện trường này gọi là điện trường xoáy Theo Maxwell, nguyên nhân xuất hiện điện trường xoáy là

do có vector từ trường B biến thiên Từ đó ông đi điến kết luận 1:

“Mọi từ trường biến thiên theo thời gian đều sinh ra một điện trường xoáy”

- Luận điểm thứ nhất của Maxwell có thể biểu diễn dưới dạng định lượng bằng 1 pt gọi là pt Mawxell – Faraday: cho biết mối liên hệ giữa biến thiên từ thông trong diện tích mặt cắt của một vòng kín và điện trường cảm ứng dọc theo vòng đó

b/ Luận điểm 2

- Thực hiện một thí nghiệm: Nguồn điện một chiều mắc nối tiếp với tụ điện C chứa đầy điện môi

và một bóng đèn Đ Thực nghiệm chứng minh bóng đèn Đ không sáng Khi thay dòng 1 chiều bằng 1 dòng xoay chiều đèn Đ sáng

Mạch điện ở đây được khép kín như thế nào?

- Theo quan điểm của Maxwell bất kỳ một dòng điện nào cũng đều phải khép kín Ông cho rằng dòng điện xoay chiều đã được khép kín ở giữa 2 bản tụ bằng điện trường biến thiên vector D xuất hiện ở 2 bản tụ đó, và coi rằng điện trường biến thiên này làm xuất hiện một dòng điện, gọi

là dòng điện dịch để khép kín mạch Khác với dòng điện dẫn (dòng các điện tích chuyển động có hướng), dòng điện dịch này không gây ra hiệu ứng Jun – Lenx và không chịu tác động của từ trường ngoài

- Nhưng cũng theo Mawxell, 2 dòng điện này giống nhau ở chỗ nó gây ra từ trường Từ đó ông xác nhận luận điểm thứ 2:

“Mọi điện trường biến thiên theo thời gian đều làm xuất hiện một từ trường biến thiên.”

- Xét một dòng điện biến thiên chạy trong dây dẫn hình trụ và xét một tiết diện thẳng góc S bất

kì có chu vi là một đường cong kín l áp dụng định lí Ampere về dòng điện toàn phần ta có:

- Đây là phương trình Maxwell – Ampere áp dụng về dòng điện toàn phần: Nó biểu diễn mối liên

hệ định lượng giữa vector từ trường H và các dòng diện dẫn, dòng điện dịch gây ra từ trường đó

1.2 Sự hình thành sóng điện từ

- Vào những năm 1887-1889, Heirich Hetz đã kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm lý thuyết điện từ của Maxwell Ông nhận thấy các sóng điện từ có thể phản xạ, khúc xạ, hội tụ hoàn toàn như Maxwell đã tiên đoán trên cơ sở hệ phương trình điện từ của mình những năm 1964 – 1973

- Hezt dùng 1 nguồn điện xoay chiều cao tần nối qua 2 ống dây tự cảm đến 2 thanh kim loại ở đầu có gắn 2 quả cầu kim loại A và B Như vậy, giữa AB đã xuất hiện một điện từ trường biến thiên theo thời gian Nếu dùng các dụng cụ phát hiện, ta sẽ thấy tại mọi điểm trong không gian quanh AB có xuất hiện cả điện trường và từ trường biến thiên theo t Thí nghiệm của Hezt đã xác nhận có trường điện từ biến thiên lan truyền trong không gian Quá trình này được giải thích dựa vào 2 luận điểm của Maxwell

- Giả sử tại một điểm nào đó ta tạo một điện trường biến thiên theo thời gian t

- Theo luận điểm thứ 2 của Mawxell, điện từ trường biến thiên này sẽ làm xuất hiện các từ trường biến thiên tại các điểm lân cận Các từ trường biến thiên này, đến lượt mình, lại tạo ra các điện trường biến thiên phù hợp với luận điểm thứ nhất của Mawxell Cứ như thế, từng cặp vector

E, vector B, hợp nhất tạo thành trường điện từ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng, gọi là sóng điện từ

2

Phân loại sóng điện từ và một số ứng dụng phổ biến

Tia Gamma Thông tin liên lạc Tia X Phương pháp điều trị y tế

Tia tử ngoại Khử trùng dụng cụ y tế phát hiện vết nứt

Ánh sáng nhìn thấy Truyền thông sợi quang Công nghệ viễn thám

Tia hồng ngoại Các thiết bị điều khiển từ xa Sưởi ấm trong y học

Vi ba Dùng trong nấu ăn thiết bị dò tìm Sóng vô

tuyến liên lạc vô tuyến di động Rada, phát thanh

B LÒ VI SỐNG – MỘT TRONG NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ĐIỆN

TỪ

1 Khái niệm về lịch sử ra đời của Lò Vi S ó ng

*Khái niệm:

Lò vi ba (còn được gọi là lò vi sóng) là một thiết

bị ứng dụng sóng vi ba để nấu chín thức ăn

*Lịch sử ra đời của lò vi sóng

Có nhiều giả thiết được đặt ra: Nam tước Spencer,

kỹ sư vật lý hãng Raytheon – một trong những hãng chế tạo radar lớn nhất thế giới – nhận thấy rằng năng lượng tỏa ra trong các ống sử dụng cho radar tạo ra nhiệt Năng lượng điện từ này làm ông nảy ra một ý : ông lấy một nắm bắp khô gói

vô trong một tờ giấy rồi đặt gói bắp vô trong range của ống thì tức khắc những hạt bắp nổ thành bắp rang Sau đó ông phát triển thành một chương trình áp dụng cho nhà bếp và giới thiệu lò vi

ba đầu tiên theo kiểu này Lúc đó nó có tên là Radarange (do chữ Radar và Range) Máy này có công suất 1.600 watt Nặng, cồng kềnh và đắt tiền, lúc đầu dùng cho bệnh viện và căn tin quân đội Mãi đến năm 1967 hãng Amana, một chi nhánh của Raytheon mới đưa các lò micro-waves

ra thị trường

2 Cấu tạo

Gồm 4 phần chính:

 Nam châm điện (Magnetron)

Magnetron là máy phát sóng cao tần (sóng vi ba) có công suất lớn, sóng vi ba được tạo ra từ một

bộ dao động điện tử và được khuếch đại nhờ magnetron hoạt động như một đèn điện tử 3 cực

Nó gồm một hình trụ rỗng bằng kim loại gồm một cực dương anode trong đó người ta đặt những

lỗ hổng cộng hưởng để làm tăng tần số từ 50hz lên 2450hz Đối với mạch cộng hưởng trị số của

Bên trong magnetron là chân không, giữa điện cực âm và dương người ta dùng hiệu điện thế khoảng 2300 volt để tạo từ trường Từ trường này làm di chuyển các electron từ cực âm sang cực dương

 Mạch điều khiển nam châm điện (microontroller)

Khác với nam châm vĩnh cửu có cảm ứng từ cố định, nam châm điện có cảm ứng từ có thể thay đổi được nhờ việc điều khiển dòng điện chạy qua cuộn dây

 Ống dẫn sóng (waveguide)

Ống dẫn sóng là các thiết bị dùng để truyền dẫn sóng, như sóng điện từ (bao gồm ánh sáng) hay sóng âm Tùy theo loại sóng mà ống dẫn sóng được thiết kế chuyên biệt, ví dụ: ống dẫn sóng điện từ, cáp quang, ống dẫn sóng âm

Đối với lò vi sóng ta dùng ống dẫn sóng điện từ

Các ống dẫn sóng có thể được cấu tạo từ các ống kim loại rỗng, hoặc từ các ống dẫn điện môi rỗng hoặc đặc Các đường cáp điện như cáp đồng trục cũng có thể coi là các dạng của ống dẫn sóng

Sóng lan truyền trong ống dẫn sóng, có thể coi là do bị phản xạ qua lại giữa các thành ống (phản

xạ trên bề mặt kim loại hay phản xạ toàn phần trên bề mặt điện môi), khiến cho năng lượng sóng điện từ được dẫn truyền trong lòng ống

 Buồng nấu (usable space)

Ngăn nấu là một lồng Faraday gồm kim loại hay lưới kim loại bao quanh, đảm bảo cho sóng không lọt ra ngoài Lưới kim loại thường được quan sát ở cửa lò vi sóng Các lỗ trên lưới này có kích thước nhỏ hơn nhiều bước sóng (12cm), nên sóng vi ba không lọt ra, nhưng ánh sáng (ở bước sóng ngắn hơn nhiều) vẫn lọt qua được, giúp quan sát thức ăn bên trong

3 Nguyên tắc hoạt động của lò vi sóng

Lò vi sóng hoạt động dựa trên nguyên lý mạch cộng hưởng LC

Trong lò vi sóng, sóng vi ba được sinh ra từ nguồn magnetron, sóng có tần số cỡ 2500Mhz, tức

là bước sóng cỡ trên 10cm, mạnh cỡ 500W Sau đó, sóng được dẫn theo ống dẫn sóng vào ngăn nấu rồi phản xạ qua lại giữa các bức tường của ngăn nấu, và bị hấp thụ vởi thức ăn Các phần tử thức ăn thường ở dạng lưỡng cực điện (có một đầu tích điện âm và đầu kia tích điện dương) Những lưỡng cực điện này có xu hướng quay sao cho nằm song song với chiều điện trường ngoài Khi điện trường dao động, các phần tử bị quay nhanh qua lại Dao động quay được

chuyển hóa thành chuyển động nhiệt hỗn loạn qua va chạm phân tử, làm nóng thức ăn

4 Hiệu quả khi sử dụng lò vi sóng

Tiết kiệm năng lượng

Giảm thời gian nấu

Thực phẩm giữ được nhiều chất dinh dưỡng và hương vị nguyên thủy

Không cần pha thêm dầu, mỡ

Dễ lau chùi sạch sẽ

Không tạo ra hơi nóng trong bếp

Dùng ít nước nên món ăn mất rất ít chất dinh dưỡng

Thực phẩm giữ được nhiều chất dinh dưỡng và hương vị nguyên thủy

Rã đông thực phẩm mau hơn khi để ra ngoài không khí

Hâm nóng món ăn dư mà không sự món ăn khô cháy hoặc dính với nhau mà hương vị vẫn còn nguyên

Bức xạ điện từ của lò vi sóng chỉ khoảng 2,4Ghz, vật liệu bọc phủ lò cũng có chất chống tia phóng xạ nên nhìn chung, lò vi sngs ít gây ảnh hưởng đến môi trường cũng như sức khỏe con người

5 Những hạn chế khi sử dụng lò vi sóng và cách khắc phục

Chỉ sử dụng các vật dụng có chất liệu như sành, sứ, gốm, thủy tinh, hoặc giấy chuyên dụng, không sử dụng các đôg dùng bằng kim loại để đựng thức ăn khi cho vào quay trong lò vi sóng để tránh nguy cơ cháy nổ do phóng tia lửa điện

Không cho lò hoạt động khi không có thức ăn hoặc nước trong lò vi sóng không được hấp thụ bởi thức ăn sẽ tiếp tục được phản xạ qua lại và phá hủy lò, do đó, nên thường xuyên để trong lò một cốc nước

Những thức ăn có vỏ hoặc màng mỏng, thế tích bên trong khi nóng lên sẽ có áp suất tăng, dễ gây hiện tượng phát nổ, do đó, cần phải xăm lỗ, bóc vỏ để tránh hiện tượng này

Không dùng lò vi sóng để nấu thịt lợn ướp hoặc thăn lợn hun khói, những thực phẩm này chứa nhiều nitrit, nếu được đun bằng lò vi sóng, nitrit sẽ trở thành các nitrosamin – những phân tử gây ung thư rất mạnh

Lò bi ba sóng có sông suất khá lớn, do đó, không nên vận hành lò cùng lúc với nhiều vật dụng có công suất lớn khác

Không nên bật lò vi sóng trong phòng có điều hòa nhiệt độ, không đặt lò vi sóng gần tivi hoặc radio, đặt lò cách xa bếp gas hoặc các thiết bị khác có sinh nhiệt độ cao

KẾT LUẬN

Qua bài tiểu luận này nhóm mang đến kiến thức về sóng điện từ qua các luận điểm của Maxwell và thí nghiệm của Hetz Từ đó hiểu được bản chất và ý nghĩ thực tiễn của sóng nói chung và sóng điện từ nói riêng.

Nhờ đó, ta thấy được những giá trị cực kỳ quan trọng của sóng điện từ trong đời sống cũng như trong các lĩnh vực như :

o sấy khô: Tiêu diệt sâu bọ có trong các hạt được sấy khô,

o Y học: Điều trị hen, amidan, phá ung thư gan, đau lưng, viễn thị, viêm gan,

dò tìm các tế bào ung thư, Chẩn đoán bệnh và phá bỏ các mô, tế bào bị tổn thương,…

o Ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông, truyền tín hiệu, wifi.

o Được ứng dụng để sản xuất lò vi sóng.

o Nghiên cứu thiên văn học: Quan sát thiên hà và các vì sao

o Trong công nghệ: Nhìn xuyên các vật thể, sản xuất vũ khí hạng nặng,…

Và còn rất nhiều những ứng dụng khác mà sóng điện từ mang lại không những trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học mà nó còn đem lại những giá trị tuyệt vời để phục vụ đời sống con người.

Những thông tin và ứng dụng liên quan đến sóng điện từ và do nhóm đã tổng hợp

và chia sẻ đến các bạn Hy vọng rằng với những chia sẻ trên đây sẽ giúp bạn có thêm nhiều thông tin hơn về sóng điện từ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]: Vật lý đại cương A2, TPHCM, năm 2016 , NXB ĐHQG.

[2]: https://123docz.net/document/2839694-bai-giang-vat-ly-dai-cuong-a2-truong-dien-tu.htm

[3]: Vật Lý đại cương -tập 2,3, Lương Duyên Bình, NXB giáo dục.

[4]:

[5]: https://studyrocket.co.uk/revision/gcse-physics-combined-science-aqa/

combined-trilogy-electromagnetic-waves/uses-and-applications-of-electromagnetic-waves.

https://baigiang.violet.vn/present/song-dien-tu-ung-dung-cua-no-lo-vi-song-9304362

[7]: R A Serway and J.W.Jewett, Jr., Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, 9th ed., Brook Cole , 2013.