Kiến thức

Bức xạ điện từ – Wikipedia tiếng Việt

Đây là một bài viết cơ bản. Nhấn vào đây để biết thêm thông tin.

Bức xạ điện từ

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bước tới điều hướng

Bước tới tìm kiếm

Mô tả sự lan truyền sóng điện từ

hình sin

, phân cực phẳng (tuyến tính) theo chiều dương trên trục z trong không gian 3 chiều, qua môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không phân tán, như

chân không

. Thành phần

điện trường

(biểu diễn bằng các mũi tên màu xanh) dao động trên trục x còn thành phần

từ trường

(các mũi tên màu đỏ) dao động vuông góc, cùng pha với nó trên trục y. 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

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

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 mở rộng các công trình của

Michael Faraday

và nhận thấy rằng chính mối liên hệ khăng khít giữa điện và từ làm loại sóng này có thể tồn tại. Những tính toán của ông chứng tỏ rằng sóng điện từ có thể truyền với vận tốc 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 các sóng có tính chất giống như ánh sáng và do đó đã xác nhận những ý tưởng của Faraday và Maxwell.

Mọi vật thể đều phát ra bức xạ điện từ, do dao động nhiệt của các phân tử hay nguyên tử hoặc các hạt cấu tạo nên chúng, với năng lượng bức xạ và phân bố cường độ bức xạ theo tần số phụ thuộc 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 có thể hấp thụ bức xạ phát ra từ vật thể khác; và quá trình phát ra và hấp thụ bức xạ là một trong các quá trình

trao đổi nhiệt

.

Phân loại[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Sóng điện từ được phân loại theo

bước sóng

, từ dài đến ngắn:

Bảng phân chia các bức xạ sóng điện từ/ánh sáng

[1]

Tên

Bước sóng

Tần số

(Hz)

Năng lượng

photon

(

eV

)

Radio hay

Sóng vô tuyến

1 met – 100000 km 300 MHz – 3 Hz 12.4

fe

V – 1.24 meV

Vi ba

1 mm – 1 met 300 GHz – 300 MHz 1.7 eV – 1.24 meV

Tia hồng ngoại

700 nm – 1 mm 430 THz – 300 GHz 1.24 meV – 1.7 eV

Ánh sáng nhìn thấy

380 nm-700 nm 790 THz – 430 THz 1.7 eV – 3.3 eV

Tia tử ngoại

10 nm – 380 nm 30 PHz – 790 THz 3.3 eV – 124 eV

Tia X

0,01 nm – 10 nm 30 EHz – 30 PHz 124 eV – 124 keV

Tia gamma

≤ 0,01 nm ≥ 30 EHz 124 keV – 300+ GeV

Xem thêm: Hai con lắc lò xo dao động điều hòa cùng phương, vị trí cân bằng của hai con lắc nằm trên một đường thẳng vuông góc với ?

Tính chất[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

  • 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 ngang[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Sóng điện từ là

sóng ngang

,

nghĩa

là nó là sự

lan truyền

của các dao động liên quan đến tính chất có hướng (cụ thể là

cường độ điện trường

cường độ từ trường

) của các phần tử mà hướng dao động

vuông góc

với hướng lan truyền sóng.

[2]

Như nhiều sóng ngang, sóng điện từ có hiện tượng

phân cực

.

Năng lượng[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Năng lượng

của một hạt

photon

bước sóng

λ là hc/λ, với h

hằng số Planck

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 các

nguyên tử

,

phân tử

và các

hạt cơ bản

, các tính chất sóng điện từ phụ thuộc ít nhiều vào bước sóng (hay năng lượng của các photon). Dưới đây là một vài ví dụ. Xin xem chi tiết thêm ở các trang dành cho các loại sóng điện từ riêng.

Radio[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Radio có ít tương tác với vật chất vì năng lượng của photon nhỏ. Nó có thể đi vượt qua khoảng cách dài mà không mất 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 các vật

dẫn điện

. Các

dòng điện

sẽ dao động qua lại trong vật dẫn điện dưới ảnh hưởng của dao động điện trong sóng radio.

Vi sóng[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Tần số

dao động 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 các phân tử hữu cơ và làm chúng nóng lên khi năng lượng sóng được chuyển sang năng lượng nhiệt của các 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 tác động của sóng lúc phát sóng, cỡ 1 m trở lên, vì các màn chắn không chắn hết được sóng.

[3]

Vi sóng dư tác động 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

    ADN

    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

.

Ánh sáng[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các

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

màu sắc

khác nhau). Sự kết hợp cùng lúc 3 tín hiệu từ ba loại tế bào này tạo nên những phổ màu sắc phong phú. Để tạo ra hình ảnh màu trên

màn hình

, 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 các sóng vô tuyến. Người ta chia sóng vô tuyến thành: sóng cực ngắn, sóng ngắn, sóng trung và sóng dài.

[2]

Xem thêm: Hướng dẫn cài đặt Driver máy in Epson L805 (32bit và 64bit)

Lý thuyết[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Lý thuyết điện từ

của

James Clerk Maxwell

đã giải thích sự xuất hiện của sóng điện từ như sau. Mọi

điện tích

khi thay đổi

vận tốc

(tăng tốc hay giảm tốc), hoặc mọi từ trường biến đổi, đều là nguồn sinh ra các sóng điện từ. Khi từ trường hay điện trường biến đổi tại một điểm trong không gian, theo hệ

phương trình Maxwell

, các từ trường hay điện trường ở các điểm xung quanh cũng bị biến đổi theo, và cứ như thế sự biến đổi này lan toả ra xung quanh với vận tốc ánh sáng.

Biểu diễn toán học về

từ trường

điện trường

sinh ra từ một nguồn biến đổi chứa thêm các phần 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 phương 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 có tính chất hạt, theo

thuyết lượng tử

, với năng lượng liên hệ với bước sóng như đã trình bày ở mục các tính chất.

Phương trình Maxwell[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

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

phương trình Maxwell

.

Xét trường hợp

điện trường

và/hoặc

từ trường

biến đổi trong

chân không

và không có

dòng điện

hay

điện tích

tự do trong không gian đang xét; 4 phương trình Maxwell rút gọn thành:

E=0  (1){displaystyle nabla cdot mathbf {E} =0qquad qquad qquad (1)}
×E=−tB(2){displaystyle nabla times mathbf {E} =-{frac {partial }{partial t}}mathbf {B} qquad qquad (2)}
B=0  (3){displaystyle nabla cdot mathbf {B} =0qquad qquad qquad (3)}
×B=μ0∂tE   (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} },

Để tìm nghiệm không tầm thường, có thể sử dụng

đẳng thức giải tích véc tơ

:

×(∇×A)=∇(∇A)−2A{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),}

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

×(∇×E)=∇(∇E)−2E=−2E (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 quá trình đơn giản hóa):

×(−B∂t)=−t(∇×B)=−μ0∂2∂2tE(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

:

2E=μ0∂2∂t2E{displaystyle nabla ^{2}mathbf {E} =mu _{0}epsilon _{0}{frac {partial ^{2}}{partial t^{2}}}mathbf {E} }

Có thể thực hiện các biến đổi tương tự như trên để thu được phương trình vi phân với

từ trường

:

2B=μ0∂2∂t2B{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 các

phương trình sóng

, dạng tổng quát:

2f=1c02∂2f∂t2{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

thời gian

như những

sóng

, với tốc độ:

c0=1μ0{displaystyle c_{0}={frac {1}{sqrt {mu _{0}epsilon _{0}}}}}

Đây chính là

tốc độ ánh sáng trong chân không

. Nghiệm của phương trình sóng cho điện trường là:

E=E0f(k^x−c0t){displaystyle mathbf {E} =mathbf {E} _{0}fleft({hat {mathbf {k} }}cdot mathbf {x} -c_{0}tright)}

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} }}} 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^E0f′(k^x−c0t)=0{displaystyle nabla cdot mathbf {E} ={hat {mathbf {k} }}cdot mathbf {E} _{0}f’left({hat {mathbf {k} }}cdot mathbf {x} -c_{0}tright)=0}
E⋅k^=0   (8){displaystyle mathbf {E} cdot {hat {mathbf {k} }}=0qquad qquad qquad quad (8),}
×E=k^×E0f′(k^x−c0t)=−tB{displaystyle nabla times mathbf {E} ={hat {mathbf {k} }}times mathbf {E} _{0}f’left({hat {mathbf {k} }}cdot mathbf {x} -c_{0}tright)=-{frac {partial }{partial t}}mathbf {B} }
B=1c0k^×E   (9){displaystyle mathbf {B} ={frac {1}{c_{0}}}{hat {mathbf {k} }}times mathbf {E} qquad qquad qquad quad (9),}

Một trường hợp đặc biệt của sóng điện từ lan truyền theo phương 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).

(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 = c0B0. Nghiệm này của phương trình Maxwell chính là sóng điện từ phẳng.

Năng lượng và xung lượng[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Mật độ 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

Xem thêm[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

  • Phương trình truyền xạ

  • Phổ điện từ

  • Nguy hiểm của sóng điện từ

  • Ánh sáng

Xem thêm: Phương pháp giải bài tập CO2 tác dụng với dung dịch kiềm

Tham khảo[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

  1. ^

    Haynes, William M. biên tập (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (ấn bản 92). CRC Press. tr. 10.233.

    ISBN

     

    1-4398-5511-0

    .

  2. ^

    a

    ă

    â

    Bộ Giáo Dục Đào tạo Việt Nam, Vật lý 12, Bài 22: Sóng điện từ

  3. ^

    Kitchen, R. (2001). RF and Microwave Radiation Safety Handbook. Newnes. p. 60.

    ISBN 9780750643559

    .

  4. ^

    Shckorbatov YG, Pasiuga VN, Kolchigin NN, Grabina VA, Batrakov DO, Kalashnikov VV, Ivanchenko DD, Bykov VN (2009): The influence of differently polarised microwave radiation on chromatin in human cells. International Journal of Radiation Biology 85 (4), p. 322–329

  5. ^

    Fleck H (1983). Microwave oven burn. Bull N Y Acad Med 59 (3), p. 313–7. PMC 1911632.

    PMID 6573221

    .

  6. ^

    Cẩn trọng khi đặt laptop lên đùi

    . Thanh Niên Online, 08/10/2010. Truy cập 11/11/2015.

Liên kết ngoài[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

  • Electromagnetic radiation (physics)

    tại

    Encyclopædia Britannica

    (tiếng Anh)

  • Bức xạ

    tại

    Từ điển bách khoa Việt Nam

Lấy từ “

https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Bức_xạ_điện_từ&oldid=64778534

Chuyên mục: Kiến thức

Related Articles

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Back to top button