Bài giảng điện từ P10 ( Full)

BÀI GIẢNG SÓNG ĐIỆN TỪ
6.4 Sóng điện từ
Hệ quả quan trọng nhất của sự cảm ứng là sự tồn tại của sóng điện từ. Trong khi
sóng hấp dẫn sẽ gồm không gì hơn là một sự gợn lăn tăn của các trường hấp dẫn,
thì nguyên lí cảm ứng cho chúng ta biết rằng có thể không thể có sóng điện thuần
túy hay sóng từ thuần túy. Thay vì vậy, chúng ta có các sóng trong đó có cả điện
trường và từ trường, giống như sóng sin biểu diễn trên hình bên dưới. Maxwell đã
chứng minh rằng các sóng như thế là hệ quả của các phương trình của ông, và nhận
được tính chất của chúng bằng toán học. Việc thiết lập nằm ngoài khuôn khổ toán
học của cuốn sách này, nên chúng ta sẽ chỉ phát biểu các kết quả.

s/ Một sóng điện từ
Một sóng điện từ kiểu sin có dạng hình học biểu diễn trên hình s. Các trường E và
B vuông góc với hướng chuyển động, và đồng thời vuông góc với nhau. Nếu bạn
nhìn dọc theo hướng chuyển động của sóng, vectơ B luôn luôn lệch 90 độ theo
chiều kim đồng hồ so với vectơ E. Độ lớn của hai trường liên hệ với nhau bởi
phương trình |E| = c |B|.
Sóng điện từ được tạo ra như thế nào ? Nó có thể được phát ra, chẳng hạn, bởi một
electron đang quay xung quanh một nguyên tử hoặc bởi các dòng điện chạy tới lui
trong một ănten phát sóng. Nói chung, bất kì điện tích đang gia tốc nào cũng sẽ tạo
ra một sóng điện từ, mặc dù chỉ có dòng điện biến thiên dạng sin theo thời gian
mới tạo ra sóng dạng sin. Một khi phát sinh, sóng lan tỏa trong không gian mà
không cần điện tích hay dòng điện để tiếp tục lan tỏa. Khi điện trường dao động tới
lui, nó cảm ứng ra từ trường, và từ trường dao động lại tạo ra điện trường. Toàn bộ
dạng sóng truyền trong không gian trống rỗng ở tốc độ c = 3 x 10
8
m/s, tốc độ này
liên hệ

Sự phân cực
Hai sóng điện từ truyền cùng chiều nhau trong không gian có thể không giống

nhau vì điện trường và từ trường của chúng có hướng khác nhau, một tính chất của
sóng gọi là sự phân cực.
Ánh sáng là sóng điện từ
Một khi Maxwell nhận ra sự tồn tại của sóng điện từ, ông trở nên chắn chắn rằng
chúng là cùng hiện tượng như ánh sáng. Cả hai đều là sóng ngang (tức là dao động
vuông góc với hướng sóng chuyển động), và vận tốc là như nhau.
Heinrich Hertz (tên ông đặt cho đơn vị tần số) đã xác nhận ý tưởng của Maxwell
bằng thực nghiệm. Hertz là người đầu tiên thành công trong việc tạo ra, phát hiện,
và nghiên cứu sóng điện từ một cách chi tiết bằng ănten và mạch điện. Để tạo ra
sóng, ông phải làm cho dòng điện dao động rất nhanh trong một mạch điện. Thật
ra, thật sự không có chút hi vọng nào tạo ra dòng điện đảo chiều ở tần số 10
15
Hz
mà ánh sáng khả kiến có. Dao động điện nhanh nhất ông có thể tạo ra là 10
9
Hz,
cho bước sóng khoảng 30 cm. Ông đã thành công trong việc chỉ ra rằng, giống hệt
như ánh sáng, các sóng do ông tạo ra có thể phân cực, và có thể bị phản xạ và khúc
xạ (tức là bị bẻ cong, ví dụ do thấu kính gây ra), và ông đã chế tạo được các dụng
cụ ví dụ như gương parabol hoạt động theo cùng nguyên lí quang học như ánh sáng
sử dụng. Kết quả của Hertz là bằng chứng thuyết phục rằng ánh sáng và sóng điện
từ là một và giống nhau.
Phổ điện từ
Ngày nay, các sóng điện từ trong vùng mà Hertz sử dụng được gọi là sóng vô
tuyến. Các nghi ngờ rằng “sóng Hertz”, như khi đó nó được gọi, là cùng loại sóng
như sóng ánh sáng nhanh chóng bị xua tan bởi các thí nghiệm trong toàn bộ
ngưỡng tần số ở giữa, cũng như ở các tần số nằm ngoài phạm vi đó. Tương tự như
phổ ánh sáng khả kiến, chúng ta nói về toàn bộ phổ điện từ, trong đó phổ khả kiến
chỉ là một đoạn.
Thuật ngữ dành cho các phần khác nhau của phổ điện từ thật đáng để nhớ, và dễ

học nhất bằng cách nhận ra mối quan hệ lôgic giữa bước sóng và tính chất của
sóng mà bạn đã quen thuộc. Sóng vô tuyến có bước sóng có thể sánh với kích
thước của các ănten vô tuyến, tức là từ hàng mét tới hàng chục mét.

Vi sóng được gọi tên như thế vì chúng có bước sóng ngắn hơn nhiều so với sóng
vô tuyến; khi thực phẩm nấu không đều trong lò vi sóng, khoảng cách nhỏ giữa các
điểm nóng và lạnh bằng một nửa bước sóng của sóng dừng mà lò vi sóng tạo ra.
Sóng hồng ngoại, khả kiến, và tử ngoại hiển nhiên có bước sóng ngắn hơn nhiều,
vì nếu không thì bản chất sóng của ánh sáng sẽ rõ ràng trước con người như bản
chất sóng của sóng đại dương. Để nhớ tia tử ngoại, tia X và tia gamma đều nằm ở