Tài liệu Bức xạ điện từ doc

Bức xạ điện từ
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 mở rộng các công
trình của Michael Faraday và nhận thấy rằng chính mối liên hệ khăng khít giữa điện và từ
đã làm cho loại sóng này trở nên có thể. Những tính toán của ông chứng tỏ rằng sóng
điện từ có thể truyền với vận tốc ánh sáng và diều 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.
Phân loại
Sóng điện từ được phân loại theo bước sóng, từ dài đến ngắn:
•
dao động điện
•
radio
•
vi sóng
•
hồng ngoại
•

ánh sáng
•
tử ngoại
•
tia X
•
tia gamma
Tính chất
Vận tốc trong chân không
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
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 và cường độ từ trường) của các phần
tử mà hướng dao động vuông góc với hướng lan truyền sóng.
Như nhiều sóng ngang, sóng điện từ có hiện tượng phân cực.
Năng lượng
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
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
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
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.
Ánh sáng
Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các tế bào cảm thụ ánh
sáng trong mắt người. Có 3 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
3 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 3 loại đèn phát sáng ở 3 vùng quang phổ nhạy cảm của
người.
Lý thuyết
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 và 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

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:




Nghiệm tầm thường của hệ phương trình trên là:
,
Để tìm nghiệm không tầm thường, có thể sử dụng đẳng thức giải tích véc tơ:

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

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

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

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

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