LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU máy cắt đốt CAO tần ERBE ICC 300 ỨNG DỤNG TRONG y học

Vậy, vectơ cường độ điện trường được định nghĩa như sau: “Vectơ cường độ điện trường tại một điểm là một đại lượng vectơ có giá trị bằng lực tác dụng của điện trường lên một điện tích d

Lớp: SP Vật Lý – CN Khóa: 35

LỜI CẢM ƠN



Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả những thầy cô giáo của trường Đại học Cần Thơ, những người đã không quản khó nhọc dạy dỗ, truyền đạt cho tôi từ lúc tôi mới bước chân vào trường lớp đến tận bây giờ

Để có thể hoàn thành đề tài này ngoài sự phấn đấu và nỗ lực của bản thân tôi còn nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ từ thầy cô, gia đình và bạn bè

Trong suốt quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, tôi luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ và động viên từ thầy Hồ Hữu Hậu Thầy đã không tiếc thời gian quý báu của mình để tận tình chỉ dẫn, cung cấp tài liệu và định hướng cho tôi Tôi xin gửi đến thầy lời cảm ơn chân thành

Gia đình đã luôn ủng hộ và động viên tôi những khi tôi gặp khó khăn hay mất tự tin vào bản thân mình Gia đình là chỗ dựa vững chắc cho tôi về tinh thần lẫn vật chất

và tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc của mình Cảm ơn gia đình rất nhiều

Bạn bè luôn bên tôi mỗi khi tôi gặp trở ngại trong quá trình thực hiện đề tài, họ

đã động viên, an ủi và khích lệ tinh thần tôi giúp tôi đủ can đảm vượt qua những khó khăn trước mắt Xin được cảm ơn tất cả các bạn

Vì còn nhiều khó khăn trong quá trình thực hiện nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô và các bạn

để đề tài được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Đức Phong

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẨN

Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2013

Hồ Hữu Hậu

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 1

Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2013 Vương Tấn Sĩ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 2

Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2013

Dương Quốc Chánh Tín

MỤC LỤC



PHẦN MỞ ĐẦU 1

I Lí do chọn đề tài 1

II Mục đích nghiên cứu 2

III Giới hạn đề tài 2

IV Phương pháp và hướng nghiên cứu 2

V Kế hoạch nghiên cứu 2

PHẦN NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: SÓNG ĐIỆN TỪ - LÝ THUYẾT BỨC XẠ 3

1.1 Các đại lượng đặc trưng cơ bản cho trường điện từ 3

1.1.1 Vectơ cường độ điện trường 3

1.1.2 Vectơ điện cảm 3

1.1.3 Vectơ cảm ứng từ 4

1.1.4 Vectơ cường độ từ trường 4

1.2 Định luận Ohm và định luật bảo toàn điện tích 5

1.2.1 Định luật Ohm 5

1.2.2 Định luật bảo toàn điện tích 6

1.3 Các đại lượng đặc trưng cơ bản của môi trường 7

1.4 Các phương trình Maxwell về sóng điện từ 8

1.4.1 Sóng điện từ là gì? 8

1.4.2 Các phương trình Maxwell về sóng điện từ 8

1.4.2.1 Phương trình Maxwell thứ ba và thứ tư 10

1.4.2.2 Phương trình Maxwell thứ nhất 8

1.4.2.3 Phương trình Maxwell thứ hai 10

1.5 Năng lượng của trường điện từ - Định lý Poynting 12

1.6 Điện từ trường tự do 15

1.6.1 Định nghĩa 15

1.6.2 Hệ phương trình Maxwell của điện từ trường tự do 16

1.7 Sóng điện từ trong môi trường đồng chất 16

1.8 Sóng điện từ phẳng đơn sắc 17

1.8.1 Sóng phẳng 17

1.8.2 Sóng điện từ phẳng đơn sắc 18

1.9 Sóng điện từ trong các môi trường 21

1.9.1 Sóng điện từ trong môi trường điện môi lý tưởng 21

1.9.2 Sóng điện từ trong môi trường dẫn điện 22

1.10 Hiệu ứng bề mặt 22

1.11 Thang sóng điện từ 24

CHƯƠNG 2: XUNG ĐIỆN TỪ 25

2.1 Khái niệm xung điện từ 25

2.2 Các đặc trưng của một dao động xung 25

2.2.1 Hình dạng xung 25

2.2.2 Chu kỳ xung T 25 x 2.2.3 Tần số xung f 25 x 2.2.4 Biên độ xung Um 26

2.2.5 Độ dài của xung t x 26

2.2.6 Khoảng dừng (nghỉ) của xung n t 26

2.2.7 Mặt đầu xung (đoạn xung) 26

2.2.8 Độ rỗng của xung  26

CHƯƠNG 3: HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG 27

3.1 Điện trở của cơ thể người 27

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị điện trở của cơ thể người 27

3.3 Tác dụng của dòng điện lên cơ thể và ứng dụng điều trị 28

3.3.1 Các loại dòng điện dùng trong điều trị 28

3.3.1.1 Dòng hạ tần 28

3.3.1.2 Dòng trung tần 28

3.3.1.3 Dòng cao tần 28

3.3.2 Tác dụng của dòng điện lên cơ thể và ứng dụng trong điều trị 29

3.3.2.1 Cơ thể người có tính dẩn điện 29

3.3.2.2 Tác dụng của dòng một chiều – hiện tượng điện giải 29

3.3.2.3 Tác dụng của dòng điện xoay chiều 31

3.3.3 Hiệu ứng nhiệt Joule 32

3.3.4 Những nguy hiểm do điện – Đề phòng tai nạn do điện gây ra 33

3.3.4.1 Những nguy hiểm do điện 33

3.3.4.2 Đề phòng tai nạn do điện 34

3.3.5 PƯSH của cơ thể dưới tác dụng của các mức nhiệt độ khác nhau 35

3.3.5.1 PƯSH của cơ thể dưới tác dụng của mức nhiệt độ t < 1000C 35

3.3.5.2 PƯSH của cơ thể dưới tác dụng của mức nhiệt độ t >= 1000C 35

3.3.5.3 PƯSH của cơ thể dưới tác dụng của mức nhiệt độ t >> 1000C 35

CHƯƠNG 4: KHÁI QUÁT VỀ DAO MỔ ĐIỆN CAO TẦN 36

4.1 Vài nét về dao mổ điện cao tần 36

4.1.1 Dao mổ điện cao tần là gì? 36

4.1.2 Lịch sử của phẩu thuật điện 36

4.1.3 Lược qua các thế hệ dao mổ điện 37

4.1.3.1 Thế hệ 1: Sử dụng mạch tạo dao động cao tần dùng cầu nổ 37

4.1.3.2 Thế hệ 2: Sử dụng mạch tạo dao động cao tần dùng đèn điện tử: 38 4.1.3.3 Thế hệ 3: Sử dụng mạch tạo dao động cao tần dùng bán dẫn 39

4.2 Nguyên lý hoạt động của dao mổ điện cao tần 39

4.2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của dao mổ điện cao tần 40

4.2.2 Nguyên lý hoạt động 40

4.2.3 Cấu tạo của điện cực hoạt động 41

4.2.4 Cấu tạo của điện cực trung tính (plaque) 41

4.3 Các khối chức năng cơ bản và hoạt động theo sơ đồ khối 41

4.3.1 Các khối chức năng cơ bản của dao mổ điện cao tần HF 41

4.3.2 Hoạt động theo sơ đồ khối 41

4.4 Phương thức hoạt động - ứng dụng của dao mổ điện cao tần 43

4.4.1 Chế độ cắt đơn thuần (Section) 43

4.4.1.1 Chế độ đơn cực (Monopolaire) 45

4.4.1.2 Chế độ lưỡng cực (Bipolaire) 46

4.4.2 Chế độ cắt hỗn hợp (Coupe mixte) 47

4.4.3 Chế độ làm đông – cầm máu (Coagulation Hemostat) 48

4.5 Ưu điểm vượt trội của máy cắt đốt cao tần 49

4.5.1 Chỉ một lần trị tận gốc, không tái phát 49

4.5.2 Tổn thương nhỏ 49

4.5.3 Không đau 50

4.5.4 Liệu trình điều trị ngắn 50

4.5.5 Vùng tổ chức sau phẫu thuật hồi phục hoàn toàn 50

CHƯƠNG 5: DAO MỔ ĐIỆN CAO TẦN ERBE ICC 300 51

5.1 Giới thiệu dao mổ cao tần ERBE ICC 300 51

5.2 Sơ đồ khối của dao mổ cao tần ERBE ICC 300 52

5.3 Mô tả sơ đồ khối 52

5.4 Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy 55

5.4.1 Thông số kỹ thuật 55

5.4.2 Kích thước và khối lượng 55

5.4.3 Điều kiện bảo quản và sử dụng 55

5.5 Các vùng chức năng của dao mổ điện cao tần ERBE ICC 300 56

5.5.1 Vùng chức năng AUTO CUT 57

5.5.2 Vùng chức năng AUTO COAG 58

5.5.3 Vùng chức năng AUTO BIPOLAR 59

5.6 Cách cắm các điện cực và các thiết bị điều khiển 61

5.6.1 Ổ cắm điện cực trung tính 61

5.6.2 Ổ cắm điện cực cho các chức năng auto cut và auto coag 62

5.6.3 Ổ cắm cho các chức năng auto bipolar 62

5.6.4 Ổ cắm bàn đạp chân một công tắc 63

5.6.5 Ổ cắm bàn đạp chân hai công tắc 63

5.6.6 Ổ cắm dây nguồn 63

5.7 Các chế độ làm việc của dao mổ ICC 300 64

5.7.1 Cắt có điều khiển điện áp cao tần tự động (auto cut) 64

5.7.1.1 Thông số kỹ thuật 64

5.7.1.2 Đồ thị đặc tính kỹ thuật 65

5.7.2 Cắt có điều khiển dòng điện tự động (high cut) 65

5.7.2.1 Thông số kỹ thuật 66

5.7.2.2 Đồ thị đặc tính kỹ thuật 67

5.7.3 Đốt công suất thấp (Soft Coagulation) 68

5.7.3.1 Thông số kỹ thuật 68

5.7.3.2 Đồ thị đặc tính kỹ thuật 68

5.7.4 Đốt công suất cao (Forced Coagulation) 69

5.7.4.1 Thông số kỹ thuật 69

5.7.4.2 Đồ thị đặc tính kỹ thuật 70

5.7.5 Đốt lưỡng cực (Bipolar Coagulation) 71

5.7.5.1 Thông số kỹ thuật 71

5.7.5.2 Đồ thị đặc tính kỹ thuật 72

5.7.6 Đốt quét bề mặt (Spray Coagulation) 73

5.7.6.1 Thông số kỹ thuật 73

5.7.6.2 Đồ thị đặc tính kỹ thuật 74

5.7.7 Giới hạn công suất cho các chế độ đốt 74

5.7.8 Hệ thống hỗ trợ vết cắt đầu tiên PPS (Power Peak System) 75

5.8 Các tính năng an toàn của dao mổ điện cao tần ERBE ICC 300 75

5.8.1 Giới hạn thời gian 76

5.8.2 Thay đổi giới hạn thời gian đốt tối đa 76

5.8.3 Hệ thống điện cực trung tính an toàn NESSY 76

5.8.4 Bảo vệ tránh thao tác sai 79

CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG CỦA DAO MỔ ĐIỆN CAO TẦN TRONG ĐIỀU TRỊ UNG THƯ GAN 80

6.1 Cơ chế hoạt động 80

6.2 Kết quả khả quan 81

6.3 Cơ sở khoa học 82

6.4 Hiệu quả và lợi ích 82

6.5 Quy trình thực hiện 83

6.6 Chỉ định điều trị 84

6.7 Chống chỉ định 84

PHẦN KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

MỤC LỤC 87

MỤC LỤC HÌNH 93

MỤC LỤC BẢNG 95

MỤC LỤC HÌNH



Hình 1.1: Mặt sóng đồng pha 17

Hình 1.2: Thang sóng điện từ 24

Hình 2.1: Các dạng xung 25

Hình 2.2: Mặt đầu xung 26

Hình 3.1: Sự phụ thuộc của phản ứng sinh học vào tần số của dòng điện 31

Hình 4.1: Mạch tạo dao động cao tần dùng cầu nổ 37

Hình 4.2: Mạch tạo dao động cao tần dùng đèn điện tử 38

Hình 4.3: Nguyên lý hoạt động của dao mổ điện cao tần 40

Hình 4.4: Sơ đồ khối của dao mổ điện cao tần 41

Hình 4.5: Dạng sóng dùng trong phẫu thuật điện Error! Bookmark not defined. Hình 4.6: Chế độ đơn cực 44

Hình 4.7: Chế độ đơn cực 45

Hình 4.8: Chế độ lưỡng cực 46

Hình 4.9: Chế độ cắt hỗn hợp 48

Hình 4.10: Chế độ làm đông - cầm máu 48

Hình 5.1: Mặt trước dao mổ cao tần ERBE ICC 300 51

Hình 5.2: Sơ đồ khối của dao mổ điện cao tần ERBE ICC 300 52

Hình 5.3: Khối nguồn áp thấp 52

Hình 5.4: Khối tầng công suất QC 53

Hình 5.5: Khối mô đun công suất 53

Hình 5.6: Khối tầng công suất ST 54

Hình 5.7: Khối cảm biến 54

Hình 5.8: Sơ đồ mặt trước của dao mổ cao tần ERBE ICC 300 56

Hình 5.9: Sơ đồ mặt sau của dao mổ cao tần ERBE ICC 300 56

Hình 5.10: Vùng chức năng AUTO CUT 57

Hình 5.11: Vùng chức năng AUTO COAG 58

Hình 5.12: Vùng chức năng AUTO BIOLAR 59

Hình 5.13: Ổ cắm điện cực trung tính 61

Hình 5.14: Ổ cắm điện cực cho các chức năng Auto Cut và Auto Coag 62

Hình 5.15: Ổ cắm cho các chức năng Auto Bipolar 62

Hình 5.16: Ổ cắm dây nguồn 63

Hình 5.16: Đường đặc tính kỹ thuật của chế độ Auto Cut 65

Hình 5.17: Đường đặc tính kỹ thuật của chế độ Hight Cut 67

Hình 5.18: Đường đặc tính kỹ thuật của chế độ Soft Coagulation 69

Hình 5.19: Đường đặc tính kỹ thuật của chế độ Forced Coagulation 70

Hình 5.20: Đường đặc tính kỹ thuật của chế độ Bipolar Coagulation 72

Hình 5.20: Đường đặc tính kỹ thuật của chế độ Spray Coagulation 74

Hình 5.21: Màn hình báo lỗi của máy 75

Hình 5.22: Đường đặc tính kỹ thuật của chế độ bảo vệ Nessy 78

Hình 6.1: Ung thư gan 80

Hình 6.2: Có nhiều loại kim trong điều trị ung thư bằng sóng cao tần, kim chùm là một trong những loại kim thường dùng 81

Hình 6.3: Khối u trước (trái) và sau khi điều trị 1,5 giờ (phải) 83

Hình 6.4: kim điện cực được đưa vào khối u gan nhờ sự giúp đỡ của máy siêu âm (trái) hoặc máy CT Scan (phải) 84

MỤC LỤC BẢNG



Bảng 1.1: Thang sóng điện từ 24

Bảng 4.1: Chu kì và công suất của chuỗi xung trong các chế độ làm việc 42

Bảng 5.1: Các thông số kỹ thuật của máy ERBE ICC 300 55

Bảng 5.2: Thông số kích thước và khối lượng của máy ERBE ICC 300 55

Bảng 5.3: Điều kiện bảo quản và làm việc của máy ERBE ICC 300 55

Bảng 5.4: Các kí hiệu trên điện cực trung tính 61

Bảng 5.5: Các thông số kỹ thuật của chế độ Auto Cut: 64

Bảng 5.6: Các thông số kỹ thuật của chế độ Hight Cut 66

Bảng 5.7: Các thông số kỹ thuật của chế độ Soft Coagulation 68

Bảng 5.8: Các thông số kỹ thuật của chế độ Forced Coagulation 69

Bảng 5.9: Các thông số kỹ thuật của chế độ Bipolar Coagulation 71

Bảng 5.10: Các thông số kỹ thuật của chế độ Spray Coagulation 73

PHẦN MỞ ĐẦU

I Lí do chọn đề tài

Vật lý là ngành khoa học nghiên cứu về các quy luật vận động của tự nhiên từ vi

mô đến vĩ mô Đối tượng nghiên cứu chính của vật lý hiện nay bao gồm vật chất, năng lượng, không gian và thời gian

Vật lý là một ngành khoa học thực nghiệm rất thú vị, là mắc xích kết nối nhiều ngành khoa học khác và nhiều lĩnh vực trong cuộc sống Do đó, nó được ứng dụng rộng rãi khắp tất cả các lĩnh vực trong đời sống xã hội trong đó có y học

Những ứng dụng vật lý trong y học mang một ý nghĩa rất quan trọng vì nó liên quan đến sức khỏe và sự sống của con người Một số ứng dụng vật lý trong y học mang lại hiệu quả cao: Vật lý trị liệu, phương pháp nội soi, chụp X quang, chiếu xạ, chiếu tia laser,…

Trước kia, khi nhắc đến phẫu thuật người ta thường nghĩ ngay đến máu, nhiễm trùng và những vết sẹo không lành và những rủi ro trong phẫu thuật Nhưng với công nghệ phát triển như ngày nay thì những vấn đề đó đã được hạn chế đáng kể bằng việc ứng dụng vật lý vào trong y hoc qua phương pháp cắt đốt cao tần Phương pháp điều trị mới này có rất nhiều ưu điểm so với phương pháp phẫu thuật sử dụng dao kéo truyền thống Phương pháp cắt đốt cao tần mang lại hiệu quả điều trị cao, ít tổn hại đến sức khỏe, liệu trình điều trị ngắn và ít để lại sẹo

Để hiểu rõ hơn vật lý đã được ứng dụng trong phương pháp này như thế nào và

phương thức hoạt động, hiệu quả của nó ra sao tôi đã quyết định chọn đề tài “Tìm

hiểu máy cắt đốt cao tần ERBE ICC 300 ứng dụng trong y học” để làm luận văn tốt

nghiệp của mình

II Mục đích nghiên cứu

Đề tài này được xây dựng nhằm mục đích nghiên cứu các vấn đề sau:

- Một số khái niệm cơ bản về sóng điện từ

- Trình bày một số hiện tượng điện cơ bản trên cơ thể người

- Cơ sở khoa học của máy cắt dốt cao tần

- Giới thiệu về máy cắt đốt cao tần ERBE ICC 300

- Trình bày ứng dụng của máy cắt đốt cao tần ERBE ICC 300 trong điều trị ung thư gan

III Giới hạn đề tài

Do hạn chế về thời gian, nguồn tài liệu và không có điều kiện khảo sát thực tế nên tôi chỉ nghiên cứu cơ sở lý thuyết, cơ chế hoạt động và ứng dụng trong điều trị ung thư gan của máy cắt đốt cao tần ERBE ICC 300

IV Phương pháp và hướng nghiên cứu

Các vấn đề nghiên cứu của đề tài này dựa trên cơ sở phân tích tổng hợp các tài liệu chuyên ngành, tư liệu, sách báo, tạp chí khoa học, các chuyên đề và thu thập thông tin, hình ảnh từ internet có liên quan đến đề tài Tuy không có điều kiện đi thực

tế nhưng lại được sự quan tâm giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẩn nên tôi đã hoàn thành các mục đích nghiên cứu của đề tài đã đặt ra

V Kế hoạch nghiên cứu

- Nhận đề tài từ GVHD, xác định các mục đích cần đạt được của đề tài

- Tìm và nghiên cứu các tài liệu, sách báo có liên quan đến đề tài và khai thác nguồn tài nguyên trên internet

- Viết và nộp đề cương sơ bộ cho GVHD

- Tiến hành viết bài nộp GVHD chỉnh sửa, bổ sung

- Báo cáo bảo vệ đề tài

- Chỉnh sửa và hoàn chỉnh đề tài

PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: SÓNG ĐIỆN TỪ - LÝ THUYẾT BỨC XẠ

1.1 Các đại lượng đặc trưng cơ bản cho trường điện từ

1.1.1 Vectơ cường độ điện trường

Giả sử có một điện tích q0 đặt tại một điểm trong điện trường Điện tích q0 rất nhỏ

để nó không làm thay đổi điện trường mà ta đang xét, điện tích q0 được gọi là điện tích thử (q 0 0)

được gọi là vectơ cường độ điện trường tại điểm đó

và độ lớn E của nó được gọi là cường độ điện trường Vì vậy vectơ cường độ điện trường đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực

Nếu chọn q 0 1 thì EF

Vậy, vectơ cường độ điện trường được định nghĩa như

sau: “Vectơ cường độ điện trường tại một điểm là một đại lượng vectơ có giá trị bằng

lực tác dụng của điện trường lên một điện tích dương đặt tại điểm đó”

Trong hệ SI, đơn vị của cường độ điện trường có thể là Newton trên Coulomb Nhưng người ta thường sử dụng đơn vị Volt trên mét, Kí hiệu là V m

1.1.2 Vectơ điện cảm

Khi đặt điện môi vào trường điện, điện môi bị phân cực Mức độ phân cực của

điện môi được đặc trưng bởi vectơ phân cực điện P

Vectơ phân cực điện P

xác định trạng thái phân cực điện môi tại mỗi điểm Vectơ cảm ứng điện D

được định nghĩa bởi hệ thức:

   được gọi là hằng số điện

Trong hệ SI đơn vị của D

là Coulomb/mét vuông (C m/ 2)

Đối với môi trường tuyến tính, đẳng hướng:

0 r

   được gọi là độ thẩm điện của môi trường

Trong hệ SI, đơn vị của độ thẩm điện  là Fara/mét ( F m/ )

được gọi là vectơ cảm ứng từ

1.1.4 Vectơ cường độ từ trường

Khi đặt từ môi vào trường từ, từ môi bị phân cực Mức độ phân cực của từ môi

được đặc trưng bởi vectơ phân cực từ M

Vectơ phân cực từ môi xác định trạng thái

phân cực từ tại mỗi điểm của từ môi Vectơ cường độ trường từ H

đựơc định nghĩa bởi hệ thức:

Trong hệ SI, vectơ cường độ từ trường H

có đơn vị là Ampe/mét (A/m)

Đối với môi trường tuyến tính, đẳng hướng:

m

M  H

(1.7) Thay (1.7) vào (1.6) ta được:

0 0

0 r

  là độ thẩm từ của môi trường

Trong hệ SI, độ thẩm từ của môi trường có đơn vị là Henri/mét (H m/ )

1.2 Định luận Ohm và định luật bảo toàn điện tích

1.2.1 Định luật Ohm

Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện dưới tác dụng của điện trường Cường độ dòng điện I chảy qua một diện tích S đặt vuông góc với dòng chảy bằng lượng điện tích Q dịch chuyển qua mặt S trong một đơn vị thời gian

dQ I dt

 là mật độ điện tích khối (đơn vị C/m3)

 là độ dẫn điện của môi trường (đơn vị S/m)

Biểu thức (1.10) được gọi là dạng vi phân của định luật Ohm

Trong hệ SI, mật độ dòng điện có đơn vị là Ampe/mét vuông (A m/ 2)

Xét một vùng dẫn có dạng khối lập phương, cạnh L, 2 phương đó: mặt đối diện được nối với điện áp không đổi U Cường độ dòng điện đi qua khối lập phương đó là:



 là điện trở của khối vật dẫn

1.2.2 Định luật bảo toàn điện tích

Định luật bảo toàn điện tích được Faraday tìm ra bằng thực nghiệm, nó được xem là một tiên đề của lý thuyết trường điện từ:

Tổng điện tích trong một hệ cô lập về điện không thay đổi

Như vậy, lượng điện tích ở trong một thể tích V bị giảm đi trong một đơn vị thời gian bằng lượng điện tích đi ra khỏi thể tích V trong một đơn vị thời gian và bằng cường độ dòng điện I đi xuyên qua mặt kín S bao quanh thể tích V đó

Gọi Q là điện tích của thể tích V,  là mật độ điện tích khối của V Vậy:

1.3 Các đại lượng đặc trưng cơ bản của môi trường

Đặc tính của môi trường vật chất được thể hiện qua các tham số điện và từ của nó:

- Môi trường đồng nhất và đẳng hướng: các tham số điện và từ là hằng số

Trong môi trường này, các vectơ của cùng một phương trình liên hệ song song với nhau

- Nếu các tham số điện từ theo các hương khác nhau có các giá trị không đổi

khác nhau thì được gọi là môi trường không đẳng hướng

- Môi trường có các đại lượng điện từ là các hàm của tọa độ được gọi là môi

1.4 Các phương trình Maxwell về sóng điện từ

Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin

Sóng điện từ với bước sóng nằm trong khoảng 400 nm đến 700 nm có thể được quan sát bằng mắt người và gọi là ánh sáng nhìn thấy

1.4.2 Các phương trình Maxwell về sóng điện từ

Suy ra: rot H  J

(1.28) Tiếp theo, ta lấy divergence cả hai vế của (1.18), ta được:

Hệ thức (1.19) chỉ đạt được khi dòng điện là dòng không đổi Vậy hệ thức (1.15)

và (1.18) chỉ đúng khi dòng điện là dòng không đổi

Bây giờ ta xét trường hợp dòng điện biến thiên Khi đó:

có thể sinh ra trường từ

1.4.2.2 Phương trình Maxwell thứ hai

Phương trình thứ hai của hệ phương trình Maxwell được dẫn ra từ định luật cảm ứng điện từ Faraday Định luật này thiết lập mối quan hệ giữa trường từ biến đổi

trong không gian với trường điện phân bố trong không gian do trường từ gây ra: Sức

điện động sinh ra trên một vòng dây có giá trị bằng và ngược dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gởi qua diện tích giới hạn bởi vòng dây đó

d Edl Bd S

Áp dụng định lý Stokes với vế trái, ta được:

Ed l rot Ed S

     (1.26) Nếu mặt lấy tích phân S không phụ thuộc vào thời gian, ta được:

1.4.2.3 Phương trình Maxwell thứ ba và thứ tư

 Phương trình Maxwell thứ ba được dẫn ra từ định luật Gauss đối với trường từ:

Thông lượng của vectơ cảm ứng từ B

qua mặt kín thì bằng không

Tương tự như cách dẫn phương trình Maxwell thứ tư, ta được:

divB  0

(1.30)

Hệ thức (1.30) chính là phương trình thứ ba của hệ phương trình Maxwell

 Phương trình Maxwell thứ tư được dẫn ra dựa theo định luật Gauss đối với

trường điện Định luật Gauss được phát biểu như sau: Thông lượng của vectơ cảm

ứng điện gởi qua một mặt kín S bất kỳ bằng tổng các điện tích tự do phân bố trong thể tích V được bao bởi mặt kín S ấy

Gọi: q là tổng điện tích của thể tích V

D



là vectơ cảm ứng điện trên mặt kín S

 là mật độ điện tích khối bên trong thể tích V

Theo định luật Gauss:

, đường sức của vectơ cảm ứng điện không có điểm bắt đầu và kết thúc trong thể tích V, hay nói cách khác V không phải

là nguồn của vectơ cảm ứng điện

Nếu  0, thông lượng của vectơ cảm ứng điện qua S dương, chứng tỏ đường sức của vectơ cảm ứng điện đi ra khỏi V Ngược lại, đường sức của vectơ cảm ứng điện đi vào V

Từ biểu thức (1.31), ta có thể rút ra kết luận: nguồn của trường vectơ cảm ứng

điện là địên tích, đường sức của vectơ cảm ứng điện bắt đầu ở điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm

Biểu thức (1.31) chính là phương trình thứ tư của hệ phương trình Maxwell

Đến đây, ta đã có đủ hệ phương trình Maxwell gồm 4 phương trình:

0

D rot H J

t B rot E

t divB divD 

1.5 Năng lượng của trường điện từ - Định lý Poynting

Định lý Poynting thiết lập mối liên hệ giữa sự thay đổi năng lượng điện từ trong

một thể tích V với dòng năng lượng điện từ chảy qua mặt kín S bao quanh thể tích

này

Giả sử có một điện tích điểm dq chuyển động với một vận tốc v

trong miền có thể tích V của trường điện từ, đặc trưng bởi các vectơE B  ,

Điện tích điểm dq chịu

tác dụng của lực điện và lực từ (Lorentz và Coulomb):

FdqvxB 

Khi dq dịch chuyển được một quãng đường dl

, công của lực điện từ tác dụng lên dq sẽ là:

J  V

P  (E H   )

( 2

/

W m ) (1.41) Thay vào hệ thức (1.40) ta dược:

Áp dụng định lý Divergence cho vế trái, ta được:

Đây chính là dạng tích phân của định lý Poynting

Ý nghĩa của định lý Poynting: vì E đo bằng V/m, H đo bằng A/m nên P đo bằng

Tích phân thứ nhất ở vế phải của hệ thức (1.43) là công suất tiêu tán trường

trong thề tích V, nên theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, phải là công suất ứng với sự thay đổi năng lượng điện từ tập trung trong thể tích V

w  H (1.47) Đối với trường điện từ biến thiên điều hòa, ta có vectơ Poynting dạng phức:

P tb reP

(1.49) Mật độ năng lượng trường điện trung bình:

12

1.6 Điện từ trường tự do

1.6.1 Định nghĩa

Điện từ trường tự do là các điện từ trường do một hệ điện tích và dòng điện nào

đó sinh ra Nhưng sau khi được hình thành, chúng tách rời khỏi hệ điện tích và dòng điện

Các phương trình Maxwell đã cho phép tiên đoán sự tồn tại của điện từ trường

tự do trước khi chúng ta tạo ra chúng bằng thực nghiệm

1.6.2 Hệ phương trình Maxwell của điện từ trường tự do

Các phương trình của điện từ trường tự do là các phương trình Maxwell trong

D rot H

t B rot E

t divB divD

E rot H

t H rot E

t divH

Từ hệ phương trình (1.54) ta thấy rằng: đối với điện từ trường tự do, điện trường

và từ trường không tách rời nhau Có thể nói rằng: từ trường biến thiên sinh ra điện

trường và ngược lại điện trường biến thiên sinh ra từ trường Điện trường và từ trường ở đây đều là trường xoáy

1.7 Sóng điện từ trong môi trường đồng chất

Muốn xét kỹ hơn các tính chất của trường tự do, ta thực hiện một số phép biến đổi Lấy rota hai vế của phương trình một kết hợp với phương trình hai trong hệ phương trình (1.54), ta được:

E E

2 2

2 0

E E

2 2

2 0

H H

Phương trình đó là phương trình D’Alembert hay phương trình sóng Hay nói cách khác, điện từ trường tự do tồn tại dưới dạng sóng điện từ

hoặc H

Nghiệm của phương trình (1.57) là:

f1 Đây là sóng điện từ truyền đi theo chiều dương của trục x

Trong mặt phẳng xx1, trường biến thiên theo thời gian Tại cùng một thời điểm t1, trường ở mọi điểm trên mặt phẳng đó đều có giá trị như nhau và bằng

Vì thế, mặt phẳng x1 vuông góc với trục x (hình 1.1) gọi là mặt đồng pha hay

mặt sóng Sóng ở đây gọi là sóng điện từ phẳng

Giả sử vào thời điểm t và tại mặt phẳng 2 x x2x1, trường cũng có giá trị như tại mặt x vào lúc 1 t 1

f2 cũng là một sóng điện từ phẳng (sóng nghịch) truyền theo chiều âm của trục x với vận tốc bằng –v

1.8.2 Sóng điện từ phẳng đơn sắc

Giả sử điện từ trường là một sóng phẳng truyền theo chiều dương của trục x và

biến thiên tuần hoàn với tần số vòng

T



 2 Khi đó, nghiệm của phương trình sóng

phải kết hợp được tính chất sóng phẳng với tính chất dao động tuần hoàn:

0cos

t v

Những kết luận rút ra đối với E

cũng có giá trị đối với H

tức là vuông góc với phương truyền Vậy sóng phẳng đơn sắc là

Thế giá trị này vào phương trình 1 của hệ phương trình (1.64), ta được:

Phương và chiều của P

trùng với phương và chiều truyền sóng Nếu xét về giá trị tuyệt đối ta có:

vw H E H

E H H E E EH

2

2 2

Vậy, năng lượng truyền đi với vận tốc bằng vận tốc pha của sóng

Sóng điện từ phẳng và sóng điện từ đơn sắc là những khái niệm được lý tưởng hóa Trong thực tế, không có những sóng là hoàn toàn phẳng và đơn sắc Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, ta có thể coi một sóng nhất định gần như là phẳng và đơn sắc

Vì thế, việc nghiên cứu các sóng phẳng đơn sắc có ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn

Trong trường hợp tổng quát, các vector E

luôn luôn giữ một phương không đổi (ví dụ vector E

luôn song song với một vector đơn vị cố định e

) Sóng như vậy được coi là sóng

phân cực phẳng và vector e

được gọi là vector phân cực

1.9 Sóng điện từ trong các môi trường

1.9.1 Sóng điện từ trong môi trường điện môi lý tưởng

Nghiên cứu các tính chất của sóng điện từ phẳng đồng nhất truyền dọc theo trục 0

z  trong môi trường điện môi lý tưởng đồng nhất và đẳng hướng rộng vô hạn Vì điện môi lý tưởng có độ dẫn điện   0 nên các tham số điện của nó là các số thực Ta

có:

2 2

Với:  gọi là hệ số tiêu hao của môi trường

 gọi là hệ số pha của sóng

 gọi là argument của trở sóng phức

- Vận tốc pha của sóng phẳng bằng vận tốc truyền sóng trong cùng môi trường

- Nếu môi trường không tổn hao năng lượng, không tán sắc sóng điện từ, trở sóng là một số thực

1.9.2 Sóng điện từ trong môi trường dẫn điện

Trong môi trường dẫn điện có độ dẫn điện   0 thì trở sóng là đại lượng phức,

hệ số tiêu hao   0 nên sóng điện từ bị tiêu hao năng lượng, biên độ của các vectơ cường độ trường suy giảm theo hàm mũ dạng e zdọc theo phương truyền sóng z Điện trường và từ trường lệch pha nhau một góc  bằng argument của trở sóng phức Vận tốc pha là hàm số của tần số Sóng phẳng trong môi trường dẫn điện bị tán sắc Biểu thức của vectơ cường độ trường có dạng:

Vật dẫn điện là vật có độ dẫn điện  rất lớn Từ (1.69), ta suy ra: khi tần số

càng lớn thì hệ số  rất lớn Như vậy, biện độ trường điện và trường từ suy giảm rất nhanh khi truyền vào bên trong vật dẫn Điều này có nghĩa là sóng điện từ chỉ tồn tại

ở một lớp rất mỏng trên bề mặt của vật dẫn Không chỉ có sóng điện từ, khi cho dòng điện cao tần chạy trong vật dẫn điện tốt, người ta cũng chứng minh được dòng điện này chỉ tồn tại ở một lớp mỏng trên bề mặt vật dẫn Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng bề mặt (skin effect)

Để đặt trưng cho hiệu ứng bề mặt, người ta đưa ra khái niệm độ thấm sâu của trường hay chính là độ dày của lớp bề mặt mà trường tồn tại  Đó chính là khoảng cách tính từ bề mặt vật dẫn đi sâu vào bên trong, tại đó cường độ trường giảm đi e

lần so với giá trị ngay trên bề mặt (e 2, 7183)

6 10

10  Tần số rất thấp (VLF)

4 5

10

10  Tần số thấp (LF)

3

4 10

10  Tần số trung bình (MF)

2 3

10

10  Tần số cao (HF)

1 2

10

10  Tần số rất cao (VHF)

Very High Frequency (30 - 300)MHz 10 1 m

2

1 10

10   

Tần số siêu cực cao (EHF)

Extremly High Frequency (30 - 300)GHz m

3 2

10

10  Vùng ánh sáng hồng ngoại (IR)

Vùng ánh sáng nhìn thấy

The Visible Spectrum (Light) 0,40,8 m

CHƯƠNG 2: XUNG ĐIỆN TỪ

2.1 Khái niệm xung điện từ

Năng lượng điện từ thường phát đi chủ yếu dưới hai dạng Nếu phát liên tục theo thời gian nó sẽ là sóng điện từ hình sin, còn nếu phát ngắt quãng nó sẽ là những xung điện từ Vậy xung điện từ là năng lượng sóng điện từ truyền đi không liên tục

mà ngắt quãng trong không gian

2.2 Các đặc trưng của một dao động xung

f T

2.2.4 Biên độ xung Um

Đươc xác định bằng giá trị lớn nhất của điện áp tín hiệu xung có được trong thời gian tồn tại của xung

2.2.5 Độ dài của xung t x

Là khoảng thời gian tồn tại xung với biên độ trên mức 0,1U m

2.2.6 Khoảng dừng (nghỉ) của xung t n

Là khoảng thời gian tính từ thời điểm tắt xung thứ nhất đến thời điểm xuất hiện xung thứ hai Từ hệ thức (2.1) ta có:

T x t xt n (2.2)

2.2.7 Mặt đầu xung (đoạn xung)

Là phần phía hai bên của xung Hình 2.2 biểu thị mặt đầu xung phía trước với

độ dài t tr và mặt đầu xung phía sau với độ dài t s xác định bởi khoảng thời gian tăng

và thời gian giảm của biên độ xung trong khoảng giá trị 0,1U đến 0,9 m U m

Hình 2.2: Mặt đầu xung

2.2.8 Độ rỗng của xung 

Là tỉ số của chu kì và độ dài của xung:

x x

t T