Bức xạ điện từ – Wikipedia tiếng Việt

z trong không gian 3 chiều, qua môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không phân tán, như x còn thành phần y. Có thể thấy sóng điện từ là một sóng ngang.Mô tả sự Viral sóng điện từ hình sin, phân cực phẳng ( tuyến tính ) theo chiều dương trên trụctrong khoảng trống 3 chiều, qua môi trường tự nhiên như nhau, đẳng hướng và không phân tán, như chân không. Thành phần điện trường ( màn biểu diễn bằng những mũi tên màu xanh ) giao động trên trụccòn thành phần từ trường ( những mũi tên màu đỏ ) giao động vuông góc, cùng pha với nó trên trục. Có thể thấy sóng điện từ là một sóng ngang .

Bức xạ điện từ (hay sóng điện từ) là sự kết hợp (nhân vector) của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng. Sóng điện từ cũng bị lượng tử hoá thành những “đợt sóng” có tính chất như các hạt chuyển động gọi là photon.

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 và 700 nm có thể được quan sát bằng mắt người và gọi là ánh sáng. Môn vật lý nghiên cứu sóng điện từ là điện động lực học, một chuyên ngành của điện từ học.

Nhà toán học người Scotland là James Clerk Maxwell ( 1831 – 1879 ) đã lan rộng ra những khu công trình của Michael Faraday và nhận thấy rằng chính mối liên hệ khăng khít giữa điện và từ làm loại sóng này hoàn toàn có thể sống sót. Những giám sát của ông chứng tỏ rằng sóng điện từ hoàn toàn có thể truyền với tốc độ ánh sáng và điều này khiến cho ông ngờ rằng chính ánh sáng cũng là một loại sóng điện từ. Năm 1888, Heinrich Hertz đã dùng điện phát ra những sóng có đặc thù giống như ánh sáng và do đó đã xác nhận những ý tưởng sáng tạo của Faraday và Maxwell .Mọi vật thể đều phát ra bức xạ điện từ, do giao động nhiệt của những phân tử hay nguyên tử hoặc những hạt cấu trúc nên chúng, với nguồn năng lượng bức xạ và phân bổ cường độ bức xạ theo tần số nhờ vào vào ở nhiệt độ của vật thể, gần giống bức xạ vật đen. Sự bức xạ này lấy đi nhiệt năng của vật thể. Các vật thể cũng hoàn toàn có thể hấp thụ bức xạ phát ra từ vật thể khác ; và quy trình phát ra và hấp thụ bức xạ là một trong những quy trình trao đổi nhiệt .
Sóng điện từ được phân loại theo bước sóng, từ dài đến ngắn :

  • Trong sóng điện từ thì dao động của điện trường và của từ trường tại một điểm luôn luôn đồng pha với nhau.
  • 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.
  • Trong quá trình lan truyền sóng điện từ mang theo năng lượng.[2]

Vận tốc trong chân không[sửa|sửa mã nguồn]

Trong chân không, các thí nghiệm đã chứng tỏ các bức xạ điện từ đi với vận tốc không thay đổi, thường được ký hiệu là c=299.792.458 m/s, thậm chí không phụ thuộc vào hệ quy chiếu. Hiện tượng này đã thay đổi nhiều quan điểm về cơ học cổ điển của Isaac Newton và thúc đẩy Albert Einstein tìm ra lý thuyết tương đối.

Sóng điện từ là sóng ngang, nghĩa là nó là sự Viral của những giao động tương quan đến đặc thù có hướng ( đơn cử là cường độ điện trường và cường độ từ trường ) của những thành phần mà hướng giao động vuông góc với hướng Viral sóng. [ 2 ]Như nhiều sóng ngang, sóng điện từ có hiện tượng kỳ lạ phân cực .

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.

Tương tác với vật chất[sửa|sửa mã nguồn]

Trong tương tác với những nguyên tử, phân tử và những hạt cơ bản, những đặc thù sóng điện từ nhờ vào không ít vào bước sóng ( hay nguồn năng lượng của những photon ). Dưới đây là một vài ví dụ. Xin xem cụ thể thêm ở những trang dành cho những loại sóng điện từ riêng .
Radio có ít tương tác với vật chất vì nguồn năng lượng của photon nhỏ. Nó hoàn toàn có thể đi vượt qua khoảng cách dài mà không mất nguồn năng lượng cho tương tác, do vậy được sử dụng để truyền thông tin, như trong kỹ thuật truyền thanh .Khi thu nạp radio bằng ăng-ten, người ta tận dụng tương tác giữa điện trường của sóng với những vật dẫn điện. Các dòng điện sẽ giao động qua lại trong vật dẫn điện dưới tác động ảnh hưởng của dao động điện trong sóng radio .
Tần số xê dịch của vi sóng trùng với tần số cộng hưởng của nhiều phân tử hữu cơ có trong sinh vật và trong thức ăn. Do vậy vi sóng bị hấp thụ mạnh bởi những phân tử hữu cơ và làm chúng nóng lên khi nguồn năng lượng sóng được chuyển sang nguồn năng lượng nhiệt của những phân tử. Tính chất này được sử dụng để làm lò vi sóng .Điều này cũng nói lên rằng sử dụng thiết bị hay lò vi sóng thì cần đứng xa vùng có ảnh hưởng tác động của sóng lúc phát sóng, cỡ 1 m trở lên, vì những màn chắn không chắn hết được sóng. [ 3 ] Vi sóng dư tác động ảnh hưởng lên mô của ta theo hai mức độ : [ 4 ]

  • Mức nhẹ là làm biến tính một số phân tử protein trong tế bào, tức là gây sai lệch một chút cấu trúc phân tử, nó không “chết” và vẫn tham gia được vào hoạt động sống của tế bào. Nếu sai lệch này xảy ra trong phân tử DNA là nơi chứa mã di truyền, thì gọi là biến dị, và quá trình phân bào sau đó sẽ cho ra loạt các tế bào lỗi di truyền. Khi đó nếu hệ bạch huyết không đủ mạnh để loại bỏ được những tế bào lỗi này thì chúng phát triển thành ung thư.
  • Mức nặng là biến tính mạnh, phân tử không còn tham dự được vào hoạt động sống. Nếu lượng phân tử bị biến tính lớn thì tế bào chết.

Khi có nhiều tế bào chết thì được gọi là “bỏng vi sóng“[5]. Số tế bào chết nằm xen với tế bào sống, và giảm dần từ mặt da vào đến bề dày skin, của sóng 2450 MHz là đến 17 mm. Hiện tượng này có thể xảy ra khi đặt laptop làm việc lên đùi, do quá gần vi sóng dư do laptop phát ra[6]. Tổn thương vi sóng không hiện ra thành vùng rõ như bỏng nhiệt truyền thống, và nhiều người không nhận ra. Thông thường thì bạch cầu dọn được các tế bào chết, nhưng việc dọn các tế bào lỗi di truyền thì tùy thuộc vào khả năng của hệ thống bạch huyết của từng cá thể, để lại nguy cơ phát sinh ung thư.

Các xê dịch của điện trường trong ánh sáng tác động ảnh hưởng mạnh đến những tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người. Có ba loại tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người, cảm nhận 3 vùng quang phổ khác nhau ( tức ba sắc tố khác nhau ). Sự tích hợp cùng lúc 3 tín hiệu từ ba loại tế bào này tạo nên những phổ sắc tố nhiều mẫu mã. Để tạo ra hình ảnh màu trên màn hình hiển thị, người ta cũng sử dụng ba loại đèn phát sáng ở 3 vùng quang phổ nhạy cảm của người .

Sóng vô tuyến[sửa|sửa mã nguồn]

Những sóng điện từ có bước sóng từ vài mét đến vài km được dùng trong thông tin vô tuyến nên gọi là những sóng vô tuyến. Người ta chia sóng vô tuyến thành : sóng cực ngắn, sóng ngắn, sóng trung và sóng dài. [ 2 ]
Lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell đã lý giải sự Open của sóng điện từ như sau. Mọi điện tích khi đổi khác tốc độ ( tăng cường hay giảm tốc ), hoặc mọi từ trường biến hóa, đều là nguồn sinh ra những sóng điện từ. Khi từ trường hay điện trường đổi khác tại một điểm trong khoảng trống, theo hệ phương trình Maxwell, những từ trường hay điện trường ở những điểm xung quanh cũng bị đổi khác theo, và cứ như thế sự đổi khác này lan toả ra xung quanh với tốc độ ánh sáng .Biểu diễn toán học về từ trường và điện trường sinh ra từ một nguồn biến hóa chứa thêm những phần miêu tả về giao động của nguồn, nhưng xảy ra sau một thời hạn chậm hơn so với tại nguồn. Đó chính là diễn đạt toán học của bức xạ điện từ. Tuy trong những phương trình Maxwell, bức xạ điện từ trọn vẹn có đặc thù sóng, đặc trưng bởi tốc độ, bước sóng ( hoặc tần số ), nhưng nó cũng có đặc thù hạt, theo thuyết lượng tử, với nguồn năng lượng liên hệ với bước sóng như đã trình diễn ở mục những đặc thù .

Phương trình Maxwell[sửa|sửa mã nguồn]

Có thể chứng tỏ giao động điện từ Viral trong khoảng trống dưới dạng sóng bằng những phương trình Maxwell .Xét trường hợp điện trường và / hoặc từ trường biến hóa trong chân không và không có dòng điện hay điện tích tự do trong khoảng trống đang xét ; 4 phương trình Maxwell rút gọn thành :

∇ ⋅ E = 0 ( 1 ) { \ displaystyle \ nabla \ cdot \ mathbf { E } = 0 \ qquad \ qquad \ qquad \ \ ( 1 ) }{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} =0\qquad \qquad \qquad \ \ (1)}
∇ × E = − ∂ ∂ t B ( 2 ) { \ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf { E } = – { \ frac { \ partial } { \ partial t } } \ mathbf { B } \ qquad \ qquad ( 2 ) }{\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {B} \qquad \qquad (2)}
∇ ⋅ B = 0 ( 3 ) { \ displaystyle \ nabla \ cdot \ mathbf { B } = 0 \ qquad \ qquad \ qquad \ \ ( 3 ) }{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0\qquad \qquad \qquad \ \ (3)}
∇ × B = μ 0 ϵ 0 ∂ ∂ t E ( 4 ) { \ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf { B } = \ mu _ { 0 } \ epsilon _ { 0 } { \ frac { \ partial } { \ partial t } } \ mathbf { E } \ qquad \ \ \ ( 4 ) }{\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {E} \qquad \ \ \ (4)}

Nghiệm tầm thường của hệ phương trình trên là :

E = B = 0 { \ displaystyle \ mathbf { E } = \ mathbf { B } = \ mathbf { 0 } }{\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {B} =\mathbf {0} }

Để tìm nghiệm không tầm thường, hoàn toàn có thể sử dụng đẳng thức giải tích véc tơ :

∇
×

(

∇
×

A

)

=
∇

(

∇
⋅

A

)

−

∇

2

A

{\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {A} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {A} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {A} }

{\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {A} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {A} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {A} }

Bằng cách lấy rôta hai vế của phương trình ( 2 ) :

∇ × ( ∇ × E ) = ∇ × ( − ∂ B ∂ t ) ( 5 ) { \ displaystyle \ nabla \ times \ left ( \ nabla \ times \ mathbf { E } \ right ) = \ nabla \ times \ left ( – { \ frac { \ partial \ mathbf { B } } { \ partial t } } \ right ) \ qquad \ qquad \ qquad \ quad \ \ \ ( 5 ) \, }{\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\right)\qquad \qquad \qquad \quad \ \ \ (5)\,}

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

∇ × ( ∇ × E ) = ∇ ( ∇ ⋅ E ) − ∇ 2 E = − ∇ 2 E ( 6 ) { \ displaystyle \ nabla \ times \ left ( \ nabla \ times \ mathbf { E } \ right ) = \ nabla \ left ( \ nabla \ cdot \ mathbf { E } \ right ) – \ nabla ^ { 2 } \ mathbf { E } = – \ nabla ^ { 2 } \ mathbf { E } \ qquad \ quad \ ( 6 ) \, }{\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {E} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {E} =-\nabla ^{2}\mathbf {E} \qquad \quad \ (6)\,}

Và đơn giản hóa vế phải ( tận dụng phương trình ( 4 ) trong quy trình đơn giản hóa ) :

∇ × ( − ∂ B ∂ t ) = − ∂ ∂ t ( ∇ × B ) = − μ 0 ϵ 0 ∂ 2 ∂ 2 t E ( 7 ) { \ displaystyle \ nabla \ times \ left ( – { \ frac { \ partial \ mathbf { B } } { \ partial t } } \ right ) = – { \ frac { \ partial } { \ partial t } } \ left ( \ nabla \ times \ mathbf { B } \ right ) = – \ mu _ { 0 } \ epsilon _ { 0 } { \ frac { \ partial ^ { 2 } } { \ partial ^ { 2 } t } } \ mathbf { E } \ qquad ( 7 ) }{\displaystyle \nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\right)=-{\frac {\partial }{\partial t}}\left(\nabla \times \mathbf {B} \right)=-\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}}{\partial ^{2}t}}\mathbf {E} \qquad (7)}

Cân bằng 2 vế ( 6 ) và ( 7 ) để thu được phương trình vi phân cho điện trường :

∇ 2 E = μ 0 ϵ 0 ∂ 2 ∂ t 2 E { \ displaystyle \ nabla ^ { 2 } \ mathbf { E } = \ mu _ { 0 } \ epsilon _ { 0 } { \ frac { \ partial ^ { 2 } } { \ partial t ^ { 2 } } } \ mathbf { E } }{\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {E} =\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\mathbf {E} }

Có thể thực thi những đổi khác tương tự như như trên để thu được phương trình vi phân với từ trường :

∇ 2 B = μ 0 ϵ 0 ∂ 2 ∂ t 2 B { \ displaystyle \ nabla ^ { 2 } \ mathbf { B } = \ mu _ { 0 } \ epsilon _ { 0 } { \ frac { \ partial ^ { 2 } } { \ partial t ^ { 2 } } } \ mathbf { B } }{\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {B} =\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\mathbf {B} }

Hai phương trình vi phân trên chính là những phương trình sóng, dạng tổng quát :

∇ 2 f = 1 c 0 2 ∂ 2 f ∂ t 2 { \ displaystyle \ nabla ^ { 2 } f = { \ frac { 1 } { { c_ { 0 } } ^ { 2 } } } { \ frac { \ partial ^ { 2 } f } { \ partial t ^ { 2 } } } \, }{\displaystyle \nabla ^{2}f={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}\,}

với c0 là tốc độ lan truyền của sóng và f 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 biến đổi trong không gian và thời gian như những sóng, với tốc độ:

c 0 = 1 μ 0 ϵ 0 { \ displaystyle c_ { 0 } = { \ frac { 1 } { \ sqrt { \ mu _ { 0 } \ epsilon _ { 0 } } } } }{\displaystyle c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\epsilon _{0}}}}}

Đây chính là vận tốc ánh sáng trong chân không. Nghiệm của phương trình sóng cho điện trường là :

E = E 0 f ( k ^ ⋅ x − c 0 t ) { \ displaystyle \ mathbf { E } = \ mathbf { E } _ { 0 } f \ left ( { \ hat { \ mathbf { k } } } \ cdot \ mathbf { x } – c_ { 0 } t \ right ) }{\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}f\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}

Với E0 là một hằng số véc tơ đóng vai trò như biên độ của dao động điện trường, f là hàm khả vi bậc hai bất kỳ,

k

^

{\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}}

{\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}} là véc tơ đơn vị theo phương lan truyền của sóng, và x 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:

∇ ⋅ E = k ^ ⋅ E 0 f ′ ( k ^ ⋅ x − c 0 t ) = 0 { \ displaystyle \ nabla \ cdot \ mathbf { E } = { \ hat { \ mathbf { k } } } \ cdot \ mathbf { E } _ { 0 } f ‘ \ left ( { \ hat { \ mathbf { k } } } \ cdot \ mathbf { x } – c_ { 0 } t \ right ) = 0 }{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {E} _{0}f'\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)=0}
E ⋅ k ^ = 0 ( 8 ) { \ displaystyle \ mathbf { E } \ cdot { \ hat { \ mathbf { k } } } = 0 \ qquad \ qquad \ qquad \ quad \ \ \ ( 8 ) \, }{\displaystyle \mathbf {E} \cdot {\hat {\mathbf {k} }}=0\qquad \qquad \qquad \quad \ \ \ (8)\,}
∇ × E = k ^ × E 0 f ′ ( k ^ ⋅ x − c 0 t ) = − ∂ ∂ t B { \ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf { E } = { \ hat { \ mathbf { k } } } \ times \ mathbf { E } _ { 0 } f ‘ \ left ( { \ hat { \ mathbf { k } } } \ cdot \ mathbf { x } – c_ { 0 } t \ right ) = – { \ frac { \ partial } { \ partial t } } \ mathbf { B } }{\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} _{0}f'\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)=-{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {B} }
B = 1 c 0 k ^ × E ( 9 ) { \ displaystyle \ mathbf { B } = { \ frac { 1 } { c_ { 0 } } } { \ hat { \ mathbf { k } } } \ times \ mathbf { E } \ qquad \ qquad \ qquad \ quad \ \ \ ( 9 ) \, }{\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {1}{c_{0}}}{\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} \qquad \qquad \qquad \quad \ \ \ (9)\,}

z, gọi là sóng phẳng điều hòa với thành phần điện trường chỉ dao động theo phương y, E = (0, Aysin[k(z-c0t)], 0), còn từ trường chỉ dao động điều hòa theo phương x, B = (0, Axsin[k(z-c0t)], 0) = (0, [Ay/c]sin[k(z-c0t)], 0).Một trường hợp đặc biệt quan trọng của sóng điện từ Viral theo phương, gọi là sóng phẳng điều hòa với thành phần điện trường chỉ xê dịch theo phương = ( 0, sin [ k ( z-ct ) ], 0 ), còn từ trường chỉ xê dịch điều hòa theo phương = ( 0, sin [ k ( z-ct ) ], 0 ) = ( 0, [ ] sin [ k ( z-ct ) ], 0 ) .

(8) suy ra điện trường phải luôn vuông góc với hướng lan truyền của sóng và (9) cho thấy từ trường thì vuông góc với cả điện trường và hướng lan truyền; đồng thời E0 = c0 B0. Nghiệm này của phương trình Maxwell chính là sóng điện từ phẳng.

Năng lượng và xung lượng[sửa|sửa mã nguồn]

Mật độ nguồn năng lượng của trường điện từ nói chung :

u = (E.D + B.H)/2

Trong chân không :

u = (ε0|E|2 + μ0|H|2)/2

Với sóng điện từ phẳng tuân thủ phương trình (9) nêu trên, ta thấy năng lượng điện đúng bằng năng lượng từ, và:

u = ε0|E|2 = μ0|H|2

Liên kết ngoài[sửa|sửa mã nguồn]

Rate this post