SÓNG ĐIỆN TỪ: LÝ THUYẾT, LOẠI, ĐẶC ĐIỂM CỦA MAXWELL - VẬT LÝ - 2026

Các sóng điện từ là sóng ngang tương ứng với lĩnh vực do chi phí điện tăng tốc. Thế kỷ 19 là thế kỷ của những tiến bộ vượt bậc về điện và từ, nhưng cho đến nửa đầu của nó, các nhà khoa học vẫn chưa biết về mối quan hệ giữa hai hiện tượng, họ tin rằng chúng độc lập với nhau.

Chính nhà vật lý người Scotland James Clerk Maxwell (1831-1879) đã chứng minh cho thế giới thấy rằng điện và từ chỉ là hai mặt của cùng một đồng xu. Cả hai hiện tượng đều có quan hệ mật thiết với nhau.

Một cơn giông bão. Nguồn: Pixabay.

Lý thuyết Maxwell

Maxwell thống nhất lý thuyết về điện và từ trong 4 phương trình trang nhã và ngắn gọn, những tiên đoán trong số đó đã sớm được xác nhận:

Maxwell đã có bằng chứng gì để phát triển lý thuyết điện từ của mình?

Thực tế là dòng điện (điện tích chuyển động) tạo ra từ trường, và từ trường biến thiên tạo ra dòng điện trong các mạch dẫn, điều này ngụ ý rằng một từ trường thay đổi tạo ra điện trường.

Có thể xảy ra hiện tượng ngược lại? Điện trường biến thiên lần lượt có khả năng tạo ra từ trường không?

Maxwell, một đệ tử của Michael Faraday, đã bị thuyết phục về sự tồn tại của các đối xứng trong tự nhiên. Cả hiện tượng điện và từ cũng phải tuân theo những nguyên tắc này.

Theo nhà nghiên cứu này, các trường dao động sẽ tạo ra nhiễu động giống như cách một viên đá ném xuống ao tạo ra sóng. Những nhiễu loạn này không gì khác hơn là dao động điện trường và từ trường, mà Maxwell gọi chính xác là sóng điện từ.

Dự đoán Maxwell

Phương trình Maxwell dự đoán sự tồn tại của sóng điện từ với tốc độ lan truyền bằng tốc độ ánh sáng. Dự đoán được xác nhận ngay sau đó bởi nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz (1857 - 1894), người đã tìm cách tạo ra những sóng này trong phòng thí nghiệm của mình bằng cách sử dụng một mạch LC. Điều này xảy ra ngay sau cái chết của Maxwell.

Để xác minh tính đúng đắn của lý thuyết, Hertz đã phải chế tạo một thiết bị dò tìm cho phép ông tìm ra bước sóng và tần số, dữ liệu từ đó ông có thể tính toán tốc độ của sóng vô tuyến điện từ, trùng với tốc độ ánh sáng. .

Công trình của Maxwell đã được giới khoa học lúc bấy giờ đón nhận với sự hoài nghi. Có lẽ một phần là do Maxwell là một nhà toán học lỗi lạc và đã trình bày lý thuyết của mình với tất cả các hình thức của trường hợp, mà nhiều người không hiểu được.

Tuy nhiên, thí nghiệm của Hertz rất tuyệt vời và hấp dẫn. Kết quả của họ đã được đón nhận và nghi ngờ về tính xác thực của những tiên đoán của Maxwell đã được giải tỏa.

Dịch chuyển hiện tại

Dòng dịch chuyển là sự tạo ra Maxwell, phát sinh từ sự phân tích sâu sắc về định luật Ampere, trong đó phát biểu rằng:

Một pin sạc một tụ điện. Các bề mặt S (đường liền nét) và S 'và đường viền C được biểu diễn áp dụng định luật Ampe. Nguồn: được sửa đổi từ Pixabay.

Do đó, thuật ngữ bên phải trong định luật Ampere, liên quan đến dòng điện, không phải là giá trị rỗng và cũng không phải là thành viên bên trái. Kết luận ngay: có từ trường.

Tại S 'có từ trường không?

Tuy nhiên, không có dòng điện chạy qua hoặc đi qua bề mặt cong S ', bề mặt có cùng đường bao C, vì bề mặt này bao gồm một phần của những gì nằm trong không gian giữa các tấm của bình ngưng, mà chúng ta có thể giả định là không khí hoặc một chất khác. không dẫn điện.

Trong vùng đó không có vật liệu dẫn điện nào có dòng điện chạy qua. Cần nhớ rằng để có dòng điện chạy qua, mạch điện phải được đóng lại. Vì dòng điện bằng 0, tích phân bên trái trong định luật Ampe là 0. Khi đó không có từ trường, phải không?

Chắc chắn là có một sự mâu thuẫn. S 'cũng bị giới hạn bởi đường cong C và sự tồn tại của từ trường không được phụ thuộc vào bề mặt mà C giới hạn.

Maxwell giải quyết mâu thuẫn bằng cách giới thiệu các khái niệm về dịch chuyển dòng i _D .

Dịch chuyển hiện tại

Trong khi tụ điện đang sạc, một điện trường biến thiên tồn tại giữa các bản và dòng điện chạy qua vật dẫn. Khi tụ điện tích điện, dòng điện trong vật dẫn không còn nữa và một điện trường không đổi được thiết lập giữa các bản tụ điện.

Sau đó Maxwell suy ra rằng, liên quan đến điện trường biến thiên, phải có một dòng điện mà ông gọi là dòng chuyển dời i _D , dòng điện không liên quan đến chuyển động của điện tích. Đối với bề mặt S ', nó có giá trị:

Dòng điện không phải là một vectơ, mặc dù nó có độ lớn và ý nghĩa. Sẽ thích hợp hơn nếu liên hệ các trường với một đại lượng là vectơ: mật độ dòng điện J , độ lớn của nó là thương số giữa dòng điện và diện tích mà nó đi qua. Đơn vị của mật độ dòng điện trong Hệ thống quốc tế là ampe / m ² .

Theo vectơ này, mật độ dòng dịch chuyển là:

Theo cách này, khi áp dụng định luật Ampere cho đường viền C và bề mặt S được sử dụng, i _C là dòng điện qua nó. Mặt khác, i _C không đi qua S ', nhưng i _D thì có.

Bài tập đã giải quyết

Tốc độ trong một phương tiện nhất định

Trong một môi trường nhất định, có thể biểu thị tốc độ của sóng điện từ bằng biểu thức:

Trong đó ε và μ là khả năng cho phép và độ thẩm thấu tương ứng của môi trường được đề cập.

Số lượng chuyển động

Một bức xạ điện từ có năng lượng U có động lượng liên kết p có độ lớn là: p = U / c.

Các loại sóng điện từ

Sóng điện từ có bước sóng và tần số rất rộng. Chúng được nhóm lại trong cái được gọi là phổ điện từ, được chia thành các vùng, được đặt tên dưới đây, bắt đầu bằng các bước sóng dài nhất:

Sóng radio

Nằm ở đầu bước sóng cao nhất và tần số thấp nhất, chúng nằm trong khoảng từ vài đến một tỷ Hertz. Chúng là những thứ được sử dụng để truyền tín hiệu với nhiều loại thông tin khác nhau và được bắt bởi ăng-ten. Truyền hình, radio, điện thoại di động, hành tinh, ngôi sao và các thiên thể khác phát sóng chúng và chúng có thể được chụp lại.

Lò vi sóng

Nằm ở các tần số siêu cao (UHF), siêu cao (SHF) và cực cao (EHF), chúng nằm trong khoảng từ 1 GHz đến 300 GHz. Không giống như các tần số trước có thể đo tới một dặm (1,6 km), vi sóng Chúng có kích thước từ vài cm đến 33 cm.

Với vị trí của chúng trong phổ, giữa 100.000 và 400.000 nm, chúng được sử dụng để truyền dữ liệu trên các tần số không bị nhiễu bởi sóng vô tuyến. Vì lý do này, chúng được ứng dụng trong công nghệ radar, điện thoại di động, lò nướng nhà bếp và các giải pháp máy tính.

Dao động của nó là sản phẩm của một thiết bị được gọi là magnetron, là một loại khoang cộng hưởng có 2 nam châm đĩa ở hai đầu. Điện từ trường được tạo ra bởi gia tốc của các electron từ catốt.

Tia hồng ngoại

Các sóng nhiệt này được phát ra bởi các vật nhiệt, một số loại laze và điốt phát quang. Mặc dù chúng có xu hướng trùng lặp với sóng vô tuyến và vi sóng, phạm vi của chúng là từ 0,7 đến 100 micromet.

Các thực thể thường tạo ra nhiệt có thể được phát hiện bằng kính ban đêm và da. Chúng thường được sử dụng cho điều khiển từ xa và các hệ thống liên lạc đặc biệt.

Ánh sáng thấy được

Trong phép phân chia tham chiếu của quang phổ, chúng ta tìm thấy ánh sáng cảm nhận được, có bước sóng từ 0,4 đến 0,8 micromet. Những gì chúng ta phân biệt được là màu sắc của cầu vồng, trong đó tần số thấp nhất là màu đỏ và tần số cao nhất là màu tím.

Giá trị độ dài của nó được đo bằng nanomet và Angstrom, nó đại diện cho một phần rất nhỏ của toàn bộ quang phổ và phạm vi này bao gồm lượng bức xạ lớn nhất do mặt trời và các ngôi sao phát ra. Ngoài ra, nó là sản phẩm của sự gia tốc của các electron trong quá trình truyền năng lượng.

Nhận thức của chúng ta về mọi thứ dựa trên bức xạ nhìn thấy được rơi vào một vật và sau đó là mắt. Sau đó, bộ não sẽ giải thích các tần số tạo ra màu sắc và các chi tiết có trong mọi thứ.

Tia cực tím

Những gợn sóng này nằm trong khoảng 4 và 400 nm, chúng được tạo ra bởi mặt trời và các quá trình khác phát ra lượng nhiệt lớn. Tiếp xúc lâu dài với những sóng ngắn này có thể gây bỏng và một số loại ung thư cho sinh vật.

Vì chúng là sản phẩm của các bước nhảy của các electron trong các phân tử và nguyên tử bị kích thích, năng lượng của chúng tham gia vào các phản ứng hóa học và chúng được sử dụng trong y tế để khử trùng. Chúng chịu trách nhiệm về tầng điện ly vì tầng ôzôn ngăn chặn các tác động gây hại của nó lên trái đất.

Tia X

Tên gọi này là do chúng là các sóng điện từ vô hình có khả năng đi qua các vật thể mờ đục và tạo ra các bản in ảnh. Nằm trong khoảng từ 10 đến 0,01 nm (30 đến 30.000 PHz), chúng là kết quả của các electron nhảy từ quỹ đạo trong nguyên tử nặng.

Những tia này có thể được phát ra bởi vành nhật hoa, sao xung, sao siêu mới và lỗ đen của mặt trời do lượng năng lượng lớn của chúng. Sự tiếp xúc kéo dài của chúng gây ra ung thư và chúng được sử dụng trong lĩnh vực y tế để thu được hình ảnh của các cấu trúc xương.

Tia gam ma

Nằm ở cực bên trái của quang phổ, chúng là sóng có tần số cao nhất và thường xuất hiện trong các lỗ đen, siêu tân tinh, sao xung và sao neutron. Chúng cũng có thể là kết quả của sự phân hạch, vụ nổ hạt nhân và sét.

Vì chúng được tạo ra bởi quá trình ổn định trong hạt nhân nguyên tử sau khi phát xạ phóng xạ, chúng có khả năng gây chết người. Bước sóng của chúng là hạ nguyên tử, cho phép chúng đi qua các nguyên tử. Chúng vẫn bị bầu khí quyển của Trái đất hấp thụ.

Các ứng dụng của các sóng điện từ khác nhau

Sóng điện từ có tính chất phản xạ và phản xạ giống như sóng cơ. Và cùng với năng lượng chúng truyền đi, chúng cũng có thể mang thông tin.

Do đó, các loại sóng điện từ khác nhau đã được ứng dụng cho một số lượng lớn các nhiệm vụ khác nhau. Ở đây chúng ta sẽ thấy một số điểm chung nhất.

Quang phổ điện từ và một số ứng dụng của nó. Nguồn: Tatoute và Phrood

Sóng radio

Ngay sau khi được phát hiện, Guglielmo Marconi đã chứng minh rằng chúng có thể là một công cụ giao tiếp tuyệt vời. Kể từ khi được Hertz phát hiện, truyền thông không dây với các tần số vô tuyến như đài AM và FM, truyền hình, điện thoại di động, v.v., ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới.

Lò vi sóng

Chúng có thể được sử dụng để làm nóng thức ăn, vì nước là một phân tử lưỡng cực có khả năng phản ứng với dao động điện trường. Thực phẩm chứa các phân tử nước, khi tiếp xúc với các trường này, bắt đầu dao động và va chạm với nhau. Kết quả là sự ấm lên.

Chúng cũng có thể được sử dụng trong viễn thông, do khả năng di chuyển trong khí quyển với ít nhiễu hơn các sóng khác có bước sóng lớn hơn.

Sóng hồng ngoại

Ứng dụng đặc trưng nhất của tia hồng ngoại là các thiết bị nhìn ban đêm. Chúng cũng được sử dụng trong giao tiếp giữa các thiết bị và trong các kỹ thuật quang phổ để nghiên cứu các ngôi sao, các đám mây khí giữa các vì sao và các hành tinh ngoài hành tinh.

Họ cũng có thể tạo bản đồ nhiệt độ cơ thể, được sử dụng để xác định một số loại khối u có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của các mô xung quanh.

Ánh sáng thấy được

Ánh sáng nhìn thấy chiếm một phần lớn quang phổ do Mặt trời phát ra, mà võng mạc phản hồi.

Tia cực tím

Tia cực tím có đủ năng lượng để tương tác với vật chất một cách đáng kể, vì vậy việc tiếp xúc liên tục với bức xạ này sẽ gây lão hóa sớm và tăng nguy cơ phát triển ung thư da.

Tia X và tia gamma

Tia X và tia gamma thậm chí còn có nhiều năng lượng hơn và do đó có khả năng xuyên qua các mô mềm, do đó, gần như ngay từ khi được phát hiện, chúng đã được sử dụng để chẩn đoán gãy xương và kiểm tra bên trong cơ thể để tìm kiếm bệnh tật. .

Tia X và tia gamma không chỉ được sử dụng như một công cụ chẩn đoán mà còn là một công cụ điều trị để tiêu diệt các khối u.

Người giới thiệu

1. Giancoli, D. (2006). Vật lý: Nguyên lý với Ứng dụng. Phiên bản thứ sáu. Sảnh Prentice. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Cơ bản của Vật lý. Lề. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Vật lý đại học với Vật lý hiện đại. Phiên bản thứ 14. Lề. 1053-1057.