Trường điện từ - sóng điện từ có rất nhiều những ứng dụng trong cuộc sống, từ việc liên lạc với nhau qua điện thoại, sử dụng các phương tiện truyền thanh, truyền hình, hay internet không
Trang 1ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ
- -
VÕ ĐÀI
Trường điện từ - sóng điện từ trong y học
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
SƯ PHẠM VẬT LÝ
Trang 2MỤC LỤC
A MỞ ĐẦU 6
1 Lí do chọn đề tài 6
2 Mục đích của đề tài 7
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7
4 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 7
5 Phương pháp nghiên cứu 8
6 Đóng góp của luận văn 8
7 Cấu trúc và nội dung của luận văn 8
B NỘI DUNG 9
Chương I: SỰ RA ĐỜI LÍ THUYẾT ĐIỆN TỪ TRƯỜNG CỦA MAXWELL 9
1.1 Giới thiệu về nhà vật lý James Clerk Maxwell 9
1.2 Cơ sở xây dựng lí thuyết điện từ trường của Maxwell 10
1.3 Những nghiên cứu thực nghiệm xác minh sự tồn tại của trường điện từ 10
1.3.1 Thí nghiệm của Hertz khẳng định giả thuyết của Maxwell 10
1.3.2 Máy vô tuyến điện đầu tiên của Popov 12
Chương II: GIẢ THUYẾT VÀ HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VỀ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ 13
2.1 Hai giả thuyết của Maxwell 13
2.1.1 Giả thuyết thứ nhất 13
2.1.2 Giả thuyết thứ hai 13
2.2 Một số khái niệm cơ bản về trường điện từ 13
2.2.1 Vectơ cường độ điện trường 13
2.2.2 Vectơ điện cảm và vectơ phân cực điện 13
2.2.3 Vectơ cảm ứng từ 14
2.2.4 Vectơ cường độ từ trường và vectơ phân cực từ 14
2.2.5 Dòng điện dẫn và mật độ dòng điện dẫn 15
2.2.6 Dòng điện dịch và mật độ dòng điện dịch 15
2.3 Hệ thống các phương trình trường điện từ 15
Trang 32.3.1 Phương trình Maxwell - Faraday 15
2.3.2 Phương trình Maxwell - Ampere 16
2.3.3 Định lí Ostrogradsky - Gauss đối với điện trường: 16
2.3.4 Định lí Ostrogradsky - Gauss đối với từ trường: 16
2.3.5 Hệ phương trình Maxwell 16
2.3.5.1 Hệ phương trình Maxwell thứ nhất 17
2.3.5.2 Hệ phương trình Maxwell thứ hai 17
2.4 Tính tương đối của trường điện từ 17
Chương III: CÁC TÍNH CHẤT CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ THANG SÓNG ĐIỆN TỪ 21
3.1 Sóng điện từ 21
3.1.1 Khái niệm 21
3.1.2 Tính chất 21
3.2 Phương trình truyền sóng điện từ 21
3.3 Sóng điện từ là sóng ngang - Đồ thị sóng điện từ 22
3.3.1 Sóng điện từ là sóng ngang 22
3.3.2 Đồ thị sóng điện từ 24
3.4 Năng lượng và năng thông sóng điện từ 24
3.4.1 Năng lượng sóng điện từ 24
3.4.2 Năng thông sóng điện từ 25
3.5 Thang sóng điện từ 26
Chương IV: SÓNG ĐIỆN TỪ TRONG Y HỌC 28
4.1 Sóng vô tuyến 28
4.1.1 Tính chất 28
4.1.2 Hướng điều trị 28
4.1.2.1 Điều trị thẩm mỹ 28
4.1.2.2 Sóng vô tuyến có tác dụng giúp làm hạ huyết áp 29
4.1.2.3 Điều trị sẹo hoặc mụn trứng cá bằng tần số sóng vô tuyến 30
4.1.2.4 Phương pháp cắt amiđan bằng máy Coblator 31
Trang 44.1.2.5 Điều trị ung thư gan bằng sóng cao tần 32
4.1.2.6 Điều trị viêm gân mãn tính bằng sóng vô tuyến 32
4.1.2.7 Điều trị chứng viễn thị bằng sóng vô tuyến 33
4.1.3 Tác hại của sóng vô tuyến tần số thấp đối với cơ thể người 34
4.2 Tia T 38
4.2.1 Tính chất 38
4.2.2 Hướng điều trị 38
4.3 Tia hồng ngoại 39
4.3.1 Tính chất 39
4.3.2 Hướng điều trị 39
4.4 Ánh sáng khả kiến 40
4.4.1 Tính chất 40
4.4.2 Hướng điều trị 41
4.4.2.1 Điều trị mụn trứng cá 41
4.4.2.2 Điều trị viêm mũi dị ứng 42
4.5 Tia tử ngoại 43
4.5.1 Tính chất 43
4.5.2 Phân loại 43
4.5.3 Nguồn tạo ra tia tử ngoại 44
4.5.3.1 Ánh sáng mặt trời 44
4.5.3.2 Đèn tử ngoại hơi thủy ngân 44
4.5.4 Hướng điều trị 45
4.5.4.1 Phát triển khả năng điều trị ung thư 45
4.5.4.2 Khử trùng - Diệt khuẩn 45
4.5.4.2.1 Khái niệm liều sinh học tử ngoại 45
4.5.4.2.2 Phương pháp đo LSH 45
4.5.4.2.3 Điều trị một số bệnh ngoài da và bệnh về xương 46
4.5.4.3 Tác dụng đối với hệ thần kinh 47
4.5.5 Tác dụng phụ của tia tử ngoại 47
Trang 54.5.5.1 Tia tử ngoại ảnh hưởng xấu đến da con người 47
4.5.5.2 Tia tử ngoại tác động đến tế bào 48
4.5.5.3 Ảnh hưởng của tia tử ngoại đến mắt và cách phòng tránh 49
4.6 Tia Ronghen (Tia X) 49
4.6.1 Tính chất 49
4.6.2 Hướng điều trị 50
4.6.2.1 Máy chụp X-quang 50
4.6.2.1.1 Máy chụp X-quang là gì? 50
4.6.2.1.2 Phương thức hoạt động của máy chụp X-quang kỹ thuật số 50
4.6.2.2 Máy chụp cắt lớp 53
4.6.2.3 Xạ trị bằng tia X đối với bệnh ung thư 53
4.6.2.4 Lịch sử phát triển hệ thống điều trị bằng tia X tại bệnh viện Đa khoa Đà Nẵng - TP Đà Nẵng 54
4.6.3 Tác dụng phụ của tia X 55
4.7 Tia gamma 56
4.7.1 Tính chất 56
4.7.2 Hướng điều trị: Phẫu thuật bằng dao Gamma 56
4.7.2.1 Khái niệm 56
4.7.2.2 Lịch sử phát triển của phương pháp xạ phẫu bằng tia gamma 56
4.7.2.3 Nguyên lý hoạt động 57
4.7.2.4 Ưu và nhược điểm của phương pháp xạ phẫu bằng tia gamma 59
4.7.3 Tác dụng phụ của tia gamma 60
C KẾT LUẬN 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO 62
Trang 6Ngành điện từ học là ngành vật lý nghiên cứu và giải thích các hiện tượng điện, hiện tượng từ, và mối quan hệ giữa chúng Ngành điện từ học là sự kết hợp của điện học và
từ học bởi điện và từ có mối quan hệ mật thiết với nhau Trong vùng không gian có từ trường biến thiên theo thời gian thì trong vùng đó xuất hiện một điện trường xoáy, và
sự biến thiên theo thời gian của điện trường cũng làm xuất hiện một từ trường biến thiên Điện trường biến thiên và từ trường biến thiên cùng tồn tại trong không gian, chúng cùng biến đổi trong một trường thống nhất gọi là điện từ trường Các tương tác điện và tương tác từ gọi chung là tương tác điện từ Lực xuất hiện trong các tương tác
đó là lực điện từ, một trong bốn loại tương tác cơ bản của tự nhiên (bên cạnh tương tác hấp dẫn, tương tác mạnh và tương tác yếu)
Năm 1856 và 1864, nhà vật lí James Clerk Maxwell đã công bố hai công trình “Về những đường sức từ của Faraday” và “Lí thuyết động lực về điện từ trường” đánh dấu
sự ra đời của thuyết điện từ - một bước ngoặt lớn cho toàn nhân loại Ông cũng khám phá ra rằng luồng ánh sáng và dòng điện cùng di chuyển với cùng một vận tốc, ám chỉ mối liên hệ mật thiết giữa quang tử (là chất vô thể) với điện tử, từ đó đưa ra một giả thuyết: ánh sáng cũng là sóng điện từ Những phương trình điện từ nổi tiếng của ông là tiền đề quan trọng cho sự ra đời lí thuyết về trường điện từ - một bước tiến lớn trong khoa học kĩ thuật ngày nay
Trong xã hội ngày nay, sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật giúp đời sống sinh hoạt của
Trang 7con người ngày càng văn minh hơn Trường điện từ - sóng điện từ có rất nhiều những ứng dụng trong cuộc sống, từ việc liên lạc với nhau qua điện thoại, sử dụng các phương tiện truyền thanh, truyền hình, hay internet không dây, việc nấu nướng, hay là nghiên cứu các thiên hà xa xôi cách trái đất hàng nghìn năm ánh sáng… Tuy nhiên việc áp dụng điện từ trường vào trong y học, chữa trị bệnh tật cho con người cũng như những nghiên cứu trong y khoa là một trong những vấn đề quan trọng đối với xã hội
Việc nghiên cứu sóng điện từ cũng như những ứng dụng quan trọng của nó đối với y học là một vấn đề rất quan trọng trong cả Vật lý học và Y học Để nâng cao hiểu biết của bản thân về điện từ trường cũng như mở rộng thêm vốn hiểu biết của mình, em
quyết định chọn đề tài làm khóa luận tốt nghiệp là : “Trường điện từ - sóng điện từ
trong y học”
2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Mục đích, yêu cầu cơ bản của đề tài là trình bày một cách trọn vẹn về nội dung lí thuyết sóng điện từ: từ sự ra đời, giả thuyết của Maxwell về trường điện từ, tìm hiểu tính chất của sóng điện từ, thiết lập phương trình truyền sóng điện từ, phân loại sóng theo thang sóng điện từ, cho đến những hướng điều trị riêng cũng như những tác dụng phụ của từng loại sóng điện từ trong Y học
3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu:
từ, và những hướng điều trị của sóng điện từ trong lĩnh vực Y học
4.NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu, tìm hiểu các phương trình của James Clerk Maxwell về sóng điện từ,
Trang 8sóng điện từ và về thang sóng điện từ
- Tìm hiểu các ứng dụng quan trọng của từng thang sóng điện từ đem lại những lợi ích trong Y học, đồng thời cũng tìm hiểu tác dụng phụ của sóng điện từ đối với sức khoẻ con người và các sinh vật khác
5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp cơ bản để thực hiện đề tài là nghiên cứu các tài liệu tham khảo, tổng hợp tài liệu kết hợp với vận dụng kiến thức về điện - từ học đã được học, đồng thời trao đổi và xin ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn bè
6 ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN
- Việc nghiên cứu và tìm hiểu về đề tài “Trường điện từ - sóng điện từ trong y học”
nhằm cung cấp cho bạn đọc những kiến thức cơ bản về hệ phương trình điện từ Maxwell, sự hiểu biết về sóng điện từ cũng như những ứng dụng thực tiễn của nó đối với Y học, để từ đó giúp bạn đọc hiểu thêm về điện từ trường
- Khoá luận có thể làm tài liệu cho các bạn sinh viên khi học môn Dao động và sóng, Điện và từ học, hoặc có thể đọc để tham khảo về điện từ trường và ứng dụng của nó đối với Y học
- Khoá luận có thể cung cấp thêm một phần kiến thức, trợ giảng cho các giáo sinh vật
lý trong chương trình dạy học vật lý lớp 12, chương IV Dao động và sóng điện từ
7 CẤU TRÚC VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN
- Luận văn gồm ba phần chính: Phần Mở Đầu, Nội Dung, và Kết Luận
- Nội dung của luận văn gồm bốn phần:
Chương I: Sự ra đời lí thuyết điện từ trường của Maxwell
Chương II: Giả thuyết và hệ phương trình Maxwell về trường điện từ
Chương III: Các tính chất của sóng điện từ và thang sóng điện từ
Chương IV: Sóng điện từ trong y học
Trang 9B NỘI DUNG Chương I: SỰ RA ĐỜI LÍ THUYẾT ĐIỆN TỪ TRƯỜNG CỦA MAXWELL 1.1 Giới thiệu về nhà vật lý James Clerk Maxwell
* James Clerk Maxwell sinh ngày13 - 6 -
1831 tại Edinburgh, Scotland, và mất ngày
5 - 11 - 1879
* Ông là nhà toán học - vật lí học nổi tiếng ở thế kỉ 19 và có ảnh hưởng sâu sắc tới nền vật lí của thế kỉ 20 Ông là người
đã xây dựng nên lí thuyết về trường điện
từ, là dạng thống nhất bao gồm cả điện trường và từ trường, đồng thời cũng đưa ra giả thuyết: ánh sáng là một loại sóng điện
từ
* Những cống hiến của Maxwell:
- Năm 1855 - 1856, Maxwell đã viết một bài viết mang tên “Về các đường sức từ của Faraday” (On Faraday’s lines force) Thông qua bài viết, ông đã chỉ ra rằng có thể
mô tả sự tương tác giữa điện và từ trường bằng cách sử dụng các công thức toán học thực nghiệm
- Maxwell đã thiết lập khoảng 20 phương trình về điện động lực học Sau này, nhà vật lý Oliver Heaviside đã cô đọng thành hệ phương trình Maxwell gồm 4 phương trình sau khi ông qua đời Qua nghiên cứu về các phương trình, Maxwell đã nhận ra rằng sóng điện từ truyền đi ở tốc độ gần bằng vận tốc ánh sáng, do đó, ánh sáng bản thân nó phải cấu thành từ một sóng điện từ Ông còn chứng minh rằng điện lực và từ lực là hai khía cạnh bổ sung cho nhau của lực điện từ
- Năm 1864, toàn bộ tập phát triển điện từ Maxwell xuất hiện trong bài báo của ông mang tên: Về một lí thuyết động lực học của trường điện từ
- Đến năm 1873, Maxwell cung cấp một sự trình bày chi tiết lí thuyết điện từ của ông trong cuốn sách: “Chuyên luận về điện từ”
Trang 101.2 Cơ sở xây dựng lí thuyết điện từ trường của Maxwell
Dựa trên những ý tưởng của Michael Faraday về hiện tượng điện trường, Maxwell
đã mở rộng thuyết động học chất khí của mình về mặt toán học để xây dựng nên một lí thuyết mới bằng phương pháp thực nghiệm Kết quả là Maxwell đã thiết lập nên 20 phương trình bao gồm 20 ẩn số vào năm 1865
Các phương trình của Maxwell bao gồm các định luật cơ bản của điện trường và từ trường
Sau đó, vào năm 1884, Oliver Heaviside và Willard Gibbs đã viết lại 20 phương trình Maxwell dưới dạng phương trình vectơ dựa trên tính đối xứng của các trường trong biểu diễn toán học Và đây chính là cơ sở cho vật lý hiện đại sau này (đó là thuyết tương đối hẹp và vật lý lượng tử)
Các phương trình Maxwell còn cho phép tiên đoán được sự tồn tại của sóng điện từ, tức là sự biến thiên của điện từ trường được truyền trong không gian với một vận tốc xác định Bằng những tính toán thực nghiệm, Maxwell chỉ ra rằng sóng điện từ và ánh sáng có cùng vận tốc, từ đó, ông kết luận: “Ánh sáng là sóng điện từ”
1.3 Những nghiên cứu thực nghiệm xác minh sự tồn tại của trường điện từ 1.3.1 Thí nghi ệm của Hertz khẳng định giả thuyết của Maxwell
Heinrich Rudolf Hertz (sinh ngày 22
- 2 - 1857, mất ngày 01 - 1 - 1894) là một nhà vật lý người Đức, là người làm sáng tỏ và mở rộng lý thuyết điện từ của ánh sáng đã được đề ra bởi James Clerk Maxwell Ông là người đầu tiên chứng minh thỏa đáng sự tồn tại của sóng điện
từ bằng cách chế tạo một thiết bị để phát
và thu sóng vô tuyến VHF hay UHF Năm 1885, Hertz trở thành một giáo sư tại Đại học Karlsruhe, nơi ông tìm ra sóng điện từ
Trang 11Năm 1887, ông đã nghiên cứu các hiệu ứng quang điện của việc phát và thu sóng điện từ,được xuất bản trong tạp chí Annalen der Physik
Đầu năm 1886, Hertz đã phát triển thiết bị thu sóng ăng ten hertz Đây là tập hợp các thiết bị đầu cuối mà không xây dựng trên các hoạt động điện của nó
Năm 1887, Hertz thử nghiệm với sóng vô tuyến trong phòng thí nghiệm của ông Hertz cũng thấy rằng sóng vô tuyến có thể được truyền qua các loại vật liệu, và được phản xạ bởi những vật thể khác, tiền thân của rađa
Tuy nhiên, ông đã không nhận ra tầm quan trọng các thí nghiệm của ông Ông cho rằng nó không hữu dụng, các thí nghiệm chỉ để chứng tỏ là Maxwell đã đúng
- Vào năm 1887, Heinrich Hertz đã thực hiện thành công các thí nghiệm phát và thu sóng điện từ
+ Dụng cụ: Một cuộn dây cảm ứng; một đầu kim loại dài khoảng 1 mét
+ Tiến hành:
Đặt một nguồn điện xoay chiều cao tần vào hai đầu một cuộn dây cảm ứng (cuộn dây Ruhmkorff) và một đầu kim loại dài 1 mét Công suất các phần tử được điều chỉnh sao cho có cộng hưởng điện
Điều chỉnh điện áp và khoảng cách giữa hai đầu kim loại sao cho xảy ra hiện tượng phóng tia lửa điện
Đặt tất cả vào trong một hộp tối để có thể quan sát rõ tia lửa điện hơn
Heinrich Hertz còn nghĩ ra một mạch dao động như sau: Ông chế tạo một vòng kim loại với một khe nhỏ bên trong nó – một thiết bị nhận được thiết kế để dò tìm sóng truyền đi từ máy dao động Khi mang vòng kim loại tới gần máy dao động, các tia lửa điện từ dòng điện nhảy qua khe ở trong vòng chứng tỏ sóng điện gửi vào không gian có thể phát hiện ra được
- Nhận xét: Xuất hiện xung điện biến thiên giữa hai bản kim loại
- Giải thích:
Trang 12Khi ta đặt nguồn điện xoay chiều vào hệ thì khiến cho điện tích của hai bản kim loại tăng lên đến cực đại rồi thôi không tích điện nữa Do có cuộn cảm trong hệ nên cuộn cảm và thanh kim loại tạo nên một mạch dao động, khiến cho hai bản kim loại phóng điện
- Giải thích theo quan điểm Maxwell:
Khi có sự phóng điện giữa hai bản kim loại thì điện trường lúc đó giảm, tức là điện trường sẽ biến thiên theo thời gian Khi điện trường biến thiên theo thời gian thì sinh ra một từ trường biến thiên trong không gian xung quanh
Khi từ trường biến thiên theo thời gian thì lại làm xuất hiện điện trường xoáy
Kết quả là làm xuất hiện một trường điện từ lan truyền trong không gian Sự lan truyền đó gọi là sóng điện từ
1.3.2 Máy vô tuyến điện đầu tiên của Popov
Aleksandr Stepanovich Popov(1859 - 1905), nhà vật lý học Nga,sinh tại thành phố Perm
- Ngày 7-5-1895, Popov đã đọc bản báo cáo Bàn
về quan hệ giữa bột kim loại với những dao động điện tại Hội Vật lý và Hóa học Nga, tổng kết tất cả những hiểu biết và kinh nghiệm của cả đời ông về sóng điện từ Và sau một năm làm việc căng thẳng, hoàn thiện những bộ phận riêng biệt như máy thu, máy phát và ăng-ten, Popov đã truyền đi được bức điện vô tuyến đầu tiên trên thế giới với hai chữ "Heinrich Hertz"
Trang 13Chương II: GIẢ THUYẾT VÀ HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VỀ
2.1.2 Giả thuyết thứ hai
- Khi một điện trường biến thiên theo thời gian, nó sinh ra một từ trường, tức là một từ trường mà có các đường cảm ứng từ bao quanh các đường sức của điện trường
2.2 Một số khái niệm cơ bản về trường điện từ
2.2.1 Vectơ cường độ điện trường
- Đặt một điện tích thử q trong điện trường thì điện tích q chịu tác dụng của lực điện
2.2.2 Vectơ điện cảm và vectơ phân cực điện
- Khi đặt điện môi vào trong điện trường thì xảy ra hiện tượng phân cực Mức độ phân cực điện môi được đặc trưng bởi vectơ phân cực điện P
- Vectơ điện cảm D được định nghĩa: D= ε0E + P (2.2)
Trang 14Với ε0 = 9
10.9.4
2.2.4 Vectơ cường độ từ trường và vectơ phân cực từ
- Từ môi là những môi trường có các dòng phân tử ràng buộc, dưới tác dụng của từ trường, các spin và dòng phân tử giống như những nam châm nhỏ thường bị xoay trục
ít nhiều theo chiều của B và hình thành các cực từ nhỏ Đó là hiện tương phân cực từ
- Khi đặt từ môi vào vào trong từ trường thì xảy ra hiện tượng phân cực Mức độ phân cực từ môi được đặc trưng bởi vectơ phân cực từ M
- Vectơ cường độ từ trường H được định nghĩa: H = B M
Trang 15 B= μ0H + M = μ0 (1 + χM) H = μ 0 μ rH
Với: μ r = 1 + χM là độ từ thẩm tỉ đối của môi trường so với chân không ( hay hệ số
từ môi tương đối)
μ = μ 0 μ r (H/m) : Độ từ thẩm của môi trường
2.2.5 Dòng điện dẫn và mật độ dòng điện dẫn
- Dòng điện dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện dưới tác dụng của điện trường Cường độ dòng điện I chảy qua 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
2.3 Hệ thống các phương trình trường điện từ
Trong trường điện từ, ta có các hệ thống phương trình trường điện từ như sau:
2.3.1 Phương trình Maxwell - Faraday
* Dạng tích phân: d S
t
B dl
E
S
Trang 16- Nội dung của phương trình: “Lưu số của vectơ cường độ điện trường xoáy theo một đường cong kín bất kì thì bằng về giá trị tuyệt đối, nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên theo thời gian của từ thông gửi qua diện tích giới hạn bởi đường cong đó”
- Ý nghĩa: Cho phép ta tính được điện trường xoáy E nếu biết trước quy luật biến đổi của từ trường theo thời gian
* Dạng vi phân: rot
t
B E
- Ý nghĩa: Cho phép ta tính được từ trường khi biết sự phân bố dòng điện dẫn và quy luật biến đổi theo thời gian của điện trường tại mọi điểm trong không gian
* Dạng vi phân: rot
t
D J H
với D = εε0E : là vectơ điện cảm
2.3.3 Định lí Ostrogradsky - Gauss đối với điện trường:
- Định lí: Fc = D dS q
S
với q : điện tích tự do bên trong mặt kín S
- Dạng vi phân: divD = ρ ; divB =
z
P y
P x
Trang 17E D
q S d D
S d t
D J dl
H
S
S L
0
(2.20)
E D
D div
t
D J H rot
* Ý nghĩa: Giúp ta xác định từ trường do dòng điện và từ trường biến thiên ra
2.3.5.2 Hệ phương trình Maxwell thứ hai
S d B
S d t
B dl
E
S
S L
B div
t
B E
* Ý nghĩa: Giúp ta xác định được điện trường xoáy do từ trường biến thiên gây ra
2.4 Tính tương đối của trường điện từ
Theo thuyết tương đối thì không gian và thời gian đều có tính tương đối Do đó mà trường điện từ cũng có tính tương đối, nghĩa là các tính chất của trường điện từ phụ thuộc vào từng hệ quy chiếu quán tính mà ta xem xét
* Xét hai hệ quy chiếu quán tính Oxyz và O’x’y’z’ trong trường hợp v
<< c : vận tốc ánh sáng (Gọi tắt là hệ
O và hệ O’)
- Giả sử hệ O đứng yên, hệ O’ chuyển động thẳng đều với vận tốc v
theo phương Ox như hình vẽ
- Đặt một điện tích q nằm tại gốc O’
- Trong hệ O’, điện tích q sinh ra điện trường và chịu một lực:
'
E q
Trang 18- Trong hệ O, điện tích q chuyển động với vận tốc v nên sinh ra một điện trường và
từ trường, nên nó chịu tác dụng của cả lực điện và lực Lorenxo:
E v B
q
Từ (2.24) và (2.25) ta có: E' = EvB (2.26) Mặt khác: v = (vx , vy , vz ) = (v , 0 , 0)
v B B
v B
B
0,
0,00
,,'
,,
z y x
z y x
E E E E
E E E E
z y y
x x
vB E E
vB E E
E E
' ' '
' '
'
y z
z
z y y
x x
vB E
E
vB E
E
E E
z y y
vB E
E
vB E
' '
y z z
z y y
vB E E
vB E E
c v
Trang 19Do đó
2 2
' '
1
c v
vB E
' '
1
c v
vB E
c v
vB E
v c
v E
E
y z y
y y
2
2 '
2 2
' '
2
2 '
11
' 2 '
1
c v
E c
v B B
y z
' 2 '
1
c v
E c
v B B
z y
' 2 '
2 2
' 2 ' '
2 2
' '
2 2
' ' '
1
;1
;
1
;1
;
c v
E c
v B B c v
E c
v B B B B
c v
vB E E c v
vB E E E E
y z
z
z y
y x x
y z z z y y x x
(2.35)
* Nhận xét:
1) Các thành phần của vectơ cường độ từ trường E và vectơ cảm ứng từ B đều có tính tương đối, nghĩa là các giá trị của chúng trong những hệ quy chiếu quán tính khác nhau thì khác nhau
2) Nếu như trong hệ O’, trường điện từ chỉ tồn tại dưới dạng điện trường thì:
'
B = 0 Theo (2.35) ta có trường điện từ trong hệ quy chiếu O là:
Trang 20' 2
2 2
' 2
2 2 '
2 2
' '
1
;1
;0
1
;1
;
c v
E c
v B c v
E c
v B
B
c v
E E
c v
E E
E E
y z
z y
x
z z
y y
x x
2 ' '
' ' '
' '
z z y
y x x
y z z z y y x x
E c
v B B E c
v B B B B
vB E E vB E E E E
1'
'.'
2V E c B B
B V E E
- Nếu trường điện từ trong hệ O’ chỉ tồn tại dưới dạng điện trường thì: B'= 0 thì
trường điện từ trong hệ quy chiếu O là:
1 '
2V E c B
E E
(Vectơ B, V , E vuông góc với nhau)
Trang 21Chương III: CÁC TÍNH CHẤT CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ
- Sóng điện từ tuân theo các quy luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ
- Sóng điện từ tuân theo các quy luật giao thoa, nhiễu xạ
3.2 Phương trình truyền sóng điện từ
- Từ biểu thức rot E =
z y
E
z y x
k j i
E x
E k
t
H x
E z
E j
t
H z
E y
E i
z x
y
y z
x
x y
z
0 0 0
E x
H x
E z E
t
H z
E y E
z x
y
y z
x
x y
z
0 0 0
E x
E x
E z
E
t
E z
E y
E
z x
y
y z
x
x y
z
0 0 0
1
00
H t
H
t
E t
E t E
z y x
z y x
Từ hệ thống các phương trình trên, ta thiết lập phương trình truyền sóng:
2
2 0
x
0
Trang 22E z
x z
E x y
E x y
E x z
E y
2 2 2 2
z
E z
= 0
y
E y
+
z
E z
= -
Các phương trình (3.2) và (3.3) là phương trình truyền sóng điện từ
3.3 Sóng điện từ là sóng ngang - Đồ thị sóng điện từ
Trang 23E y
E x E
z
E y E
z z
y y
x x
y
E y
+
y
H y
H x
H
z
H y
H
z z
y y
x x
y
H y
+
z
H z
= 0
x
H x
= 0 (3.7)
Bây giờ ta chứng minh 0
H t
E t
t
u u
f t
f x
Trang 24
H x
H z
H v
t
E v u f v
z x z
x y
y
0 0 0
f t
f t
E
z z z
u u
f x
H x
* Ta chứng minh ba vectơ E, H, v theo thứ tự làm thành một tam diện thuận:
Ex = Hx = 0 Nếu tại thời điểm nào
đó, Ez = 0 thì tại 0E z 0H y ta
có Hy = 0 tức là H sẽ nằm trên trục Oz,
E nằm trên trục Oy, do đó, khi chọn phương truyền sóng trên phương Ox thì
ta biểu diễn sóng điện từ như hình 3.1
3.4 Năng lượng và năng thông sóng điện từ
3.4.1 Năng lượng sóng điện từ
- Trong khoảng thời gian nào đó, tại đó tồn tại một sóng điện từ thì trong khoảng thời gian đó phải có năng lượng sóng điện từ Năng lượng sóng điện từ được xác định
Trang 25thông qua biểu thức:
W =
) (
V
dV
Với ω: là mật độ năng lượng sóng điện từ
Trong biểu thức trên, ta chọn thể tích dV đủ nhỏ sao cho trong thể tích dV đó, mật
độ năng lượng sóng điện từ thay đổi không đáng kể Năng lượng là hàm trạng thái cho nên có tính động lượng Mật độ năng lượng có giá trị bằng tổng mật độ năng lượng điện trường và mật độ năng lượng từ trường Từ đó:
1
V
H E
3.4.2 Năng thông sóng điện từ
- Năng thông của sóng điện từ là năng lượng được gửi qua diện tích S trong một đơn
với v là vận tốc của sóng điện từ
- Mật độ năng thông là năng thông của sóng điện từ gửi đến một đơn vị diệ n tích trong một đơn vị thời gian:
Trang 27STT Sóng điện từ
Bước sóng λ (m) (trong chân không) (giảm dần)
Tần số (Hz) (tăng dần)
Kí hiệu
Trang 28Chương IV: SÓNG ĐIỆN TỪ TRONG Y HỌC
4.1 Sóng vô tuyến
4.1.1 Tính chất
- Sóng vô tuyến là một dạng sóng điện từ có bước sóng trong khoảng 10-4 ÷ 3.104 m,
có tần số nằm trong khoảng 104 ÷ 3.1012 Hz
- Sóng vô tuyến bao gồm sóng dài, sóng trung, sóng ngắn và sóng cực ngắn
- Sóng vô tuyến mang năng lượng không lớn nên nó được sử dụng trong các phẫu thuật ít xâm lấn sử dụng để cắt bỏ và làm đông, bao gồm cả việc chữa trị chứng ngưng thở khi ngủ
- Tần số vô tuyến (RF - Radio frequency) là dải tần số nằm trong khoảng 3 kHz tới
300 GHz, tương ứng với tần số của các sóng vô tuyến
4.1.2 Hướng điều trị
4.1.2.1 Điều trị thẩm mỹ
- Ứng dụng Eprime là một ví dụ về loại máy điều trị thẩm mỹ vùng mặt bằng cách đưa năng lượng sóng tần số vô tuyến được xác định một cách trực tiếp vào sâu trong lớp biểu bì giúp cải thiện sắc thái làn da, tăng thể tích mô và cải thiện độ đàn hồi chỉ trong một lần điều trị duy nhất
- Máy Eprime sử dụng:
+ Tần số sóng vô tuyến : 460 ± 5 kHz
+ Thang nhiệt độ nhắm đến : 65-75˚C (149 – 167˚F) mức thay đổi ± 1˚C
+ Với thời gian điều trị : 1-7 giây, mức tăng là 0.2 giây (mức khuyến cáo là 3-5 giây)
- Nguyên tắc hoạt động:
+ Hệ thống Eprime sử dụng các điện cực dạng kim cực nhỏ xâm lấn ở mức tối thiểu để đưa năng lượng sóng tần số vô tuyến luỡng cực vào sâu trong lớp biểu bì hình lưới, mà không gây tác
Trang 29động nhiệt đến lớp thượng bì da Các thương tổn vi phân có kiểm soát được tạo ra sâu trong lớp biểu bì giúp hình thành collagen mới, hyaluroinc acid và elastin
+ Sử dụng công nghệ làm ổn định mô được bảo hộ bản quyền và góc phát năng lượng nghiêng 20 độ, các điện cực dạng kim cực nhỏ phát ra năng lượng sóng tần số vô tuyến lưỡng cực trực tiếp vào sâu trong lớp biểu bì da
- Nhiệt tác động được kiểm soát ở mức độ cao nằm giữa các kim điện cực nhỏ dạng lưỡng cực Điều này dẫn đến sự hình thành một phương pháp điều trị mới trong việc tạo ra collagen và sự cải thiện có thể nhìn thấy được về sắc thái và thể tích mô trên vùng mặt
4.1.2.2 Sóng vô tuyến có tác dụng giúp làm hạ huyết áp
Các nhà nghiên cứu thuộc Viện Tim mạch và Tiểu đường Baker IDI tại Melbourne,
Australia đã đạt được thành công lớn với một thiết bị nhỏ sử dụng sóng vô tuyến để hạ huyết áp
- Nhóm nghiên cứu trên đã thử nghiệm một phương pháp mới để hạ huyết áp mà không cần dùng thuốc Tham gia cuộc thử nghiệm quốc tế này có 106 bệnh nhân huyết
áp cao sinh sống tại Australia và châu Âu
- Nguyên tắc hoạt động: Bằng cách luồn một ống thông tiểu nhỏ vào động mạch ở bắp đùi mỗi bệnh nhân, sau đó tiếp tục luồn ống này vào một động mạch khác nằm sát thận, sau đó sử dụng sóng
vô tuyến với cường độ thấp để làm nóng và tắt một
số dây thần kinh đặc biệt có vai trò trong việc làm tăng huyết áp Quá trình này diễn ra chỉ trong vòng
45 phút
- Ưu điểm của việc điều trị bệnh cao huyết áp bằng cách sử dụng sóng vô tuyến chính là thời gian chữa trị nhanh, và có thể giúp các bệnh nhân không phụ thuộc vào thuốc hoặc đối với bệnh nhân kháng thuốc
Trang 30- Tuy nhiên, thiết bị này vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và sẽ được áp dụng điều trị lâm sàng trong tương lai gần
4.1.2.3 Điều trị sẹo hoặc mụn trứng cá bằng tần số sóng vô tuyến
- Phương pháp sử dụng tần số sóng vô tuyến
để làm nóng các mô dưới da là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để điều trị một
số bệnh về da và làm giảm sự xuất hiện của cellulite (là thuật ngữ dùng để chỉ vùng da
có hiện tượng sần lên và tích mỡ), đồng thời tần số vô tuyến trị liệu cũng được sử dụng
để cắt bỏ mô
- Phương thức hoạt động:
+ Các hệ thống tần số vô tuyến (gọi tắt là RF - viết tắt của Radio Frequency) phát ra các chùm sóng vô tuyến có tần số cao (khoảng 5 MHz) được hấp thụ bởi các mô mục tiêu và sản xuất nhiệt
+ Các hệ thống RF điều trị đều có hệ thống làm mát bề mặt của khu vực điều trị bằng khí lạnh Điều này ngăn cản nhiệt độ bề mặt ngoài da cùng một mức nhiệt độ với các mô nội
+ Trong khi điều trị bệnh ví dụ như mụn trứng cá, RF điều trị có thể có hai cơ chế : Đầu tiên, nhiệt độ tăng có thể làm hỏng các vi khuẩn mụn trứng cá, dẫn đến làm giảm viêm
Thứ hai, RF điều trị có thể làm giảm kích thước và hoạt động của các tuyến bã nhờn, gây ra sự suy giảm bã nhờn sản xuất
+ Đối với việc điều trị sẹo thì trong y học áp dụng phương thức thay da vi điểm Thay da vi điểm là công nghệ bóc tách da theo các điểm siêu nhỏ dưới lớp bì da với sự tích hợp cao của năng lượng tần số vô tuyến tạo nên các ma trận điểm xuyên sâu xuống dưới bì da Công nghệ này cho phép chúng ta tác động lên lớp bì mà không ảnh hưởng tới lớp biểu bì và cũng không có tác dụng phụ, không tăng sắc tố và rất an toàn
Trang 31cho làn da
- Kỹ thuật sử dụng sóng ánh sáng vô tuyến vào điều trị thẩm mỹ, thay da và tái tạo
da vi điểm đã được FDA (một tổ chức cấp phép và chứng nhận lưu hành các thiết bị y khoa của Mỹ) công nhận từ năm 2008
4.1.2.4 Phương pháp cắt amiđan bằng máy Coblator
- Phương pháp cắt amiđan bằng máy Coblator là phương pháp đốt điện bằng sóng cao tần ở nhiệt độ 67 độ C
- Ưu điểm của phương pháp này là ít gây bỏng, ít làm tổn thương mô xung quanh, cắt nhanh (5-7 phút), và bệnh nhân có thể xuất viện chỉ sau 4 giờ đồng hồ Sau khi cắt amiđan, bệnh nhân có thể nói chuyện, ăn uống bình thường được ngay Tuy nhiên, các bác sĩ vẫn khuyên không được la hét lớn và nằm viện thêm nửa ngày để theo dõi
- Phương pháp này đã được Viện Tai mũi họng Trung ương giới thiệu tại hội thảo khoa học Đây là loại máy được sản xuất tại Mỹ
- Gần đây, Bệnh viện Đa Khoa Hoàn Mỹ Sài Gòn cũng đã sử dụng sóng radio cao tần điều trị cắt amiđan bằng máy Coblator Với sóng radio cao tần
và đầu dò đa chức năng, thiết bị này giúp thực hiện nhanh thủ thuật và hạn chế tối đa thương tổn cũng như những nguy cơ biến chứng cho người bệnh
Trang 324.1.2.5 Điều trị ung thư gan bằng sóng cao tần
- Điều trị ung thư gan bằng sóng cao tần RFA (Radiofrequency Ablation) là phương pháp hủy khối u bằng nhiệt gây ra do bởi sự ma sát của các i-ôn trong mô dưới tác động của dòng điện xoay chiều có tần số nằm trong khoảng sóng âm thanh (200-1200 MHz)
- Dòng điện từ máy được truyền vào khối u qua một điện cực dạng kim, dòng sóng radio được truyền vào đầu kim và sinh nhiệt Nhiệt do
ma sát làm khô mô xung quanh dẫn đến làm mất nước trong tế bào và hoại tử đông khối u
- Theo các báo cáo trên thế giới, thủ thuật này rất ít khi gây biến chứng nặng, tỉ lệ biến chứng nhẹ khoảng 2-3%
- Tuy nhiên, RFA là một phương pháp điều trị u gan đang được nghiên cứu, và đến nay vẫn chưa có chỉ định rõ ràng RFA vẫn bị giới hạn ở những bệnh nhân quá chỉ định cắt gan
4.1.2.6 Điều trị viêm gân mãn tính bằng sóng vô tuyến
- Để điều trị viêm gân mãn tính bằng sóng vô tuyến, người ta sử dụng một dụng cụ đốt lưỡng cực có cơ chế tạo các ion dương (cation) và các electron tự do từ năng lượng của sóng vô tuyến (RF) tác động trong môi trường dung dịch điện giải (nước muối sinh lý dùng trong nội soi khớp) Các electron này có khả năng phá vỡ các liên kết hóa học, giúp cắt hoặc làm tan mô liên kết
- Do đó cơ chế chính của sóng RF là tác động hóa học chứ không phải là thông qua năng lượng trực tiếp của sóng RF
- Đầu của dụng cụ TOPAZ có đường kính 0,8 mm, Arthrocare Timer giúp mỗi lần phát sóng chỉ 0,5 giây, khi cắm đầu đốt sâu vào mô 4 mm thì sẽ vi cắt lọc được 2 mm3
mô Với diện tích đốt như thế đã được nghiên cứu tương đối là an toàn cho mô gân, không bị yếu thêm về mặt cơ học