Download Describe the content in depth (e.g. index, subject, year and more Assignments Thermal Physics in PDF only on Docsity!
MỤC LỤC
MỤC
LỤC………………………………………………………..
CHƯƠNG I. SÓNG ĐIỆN
TỪ………………………………….
I. Khái niệm về sóng điện từ. …………………………………………
- Định nghĩa... ……………………………………………………. 2
- Sự hình thành của sóng điện tử.... ……………………………… 3
- Hệ phương trình Maxwell mô tả điện trường tự do. …………….
- Phương trình sóng điện tử…. …………………………………… II. Đặc điểm của sóng điện từ.. ……………………………………… III. Nguyên tắc khi truyền sóng điện từ.... …………………………… IV. Sự truyền sóng vô tuyến trong khí quyển... ………………………
V. Phân loại sóng điện từ…... ………………………………………. CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ………………………………………………………………. 2
- Ứng dụng sóng điên từ trong truyền thông ………………… 12
- Ứng dụng trong y tế: tia X và hình ảnh Y khoa………………
- Ứng dụng công Nghiệp và khoa học: sóng viễn thám và nghiên cứu vật liêu……………………………………………………
- Ứng dụng công nghê không dây và điên tử: Bluetooth, Wi-Fi Và IoT………………. ……………………………………………
- Ứng dụng trong quân sự và các lĩnh vực khác: Radar, GPS Và Năng lượng điện từ…………………………………………… **CHƯƠNG I. SÓNG ĐIỆN TỪ I. Khái niệm về sóng điện từ
- Định nghĩa** Sóng điện từ là dạng bức xạ điện từ lan truyền trong không gian, không cần môi trường truyền qua. Sóng
2. Sự hình thành của sóng điện từ Nói chung, một điện trường được tạo ra bởi một hạt tích điện. Lực do điện trường này tác dụng lên các hạt mang điện khác. Điện tích dương tăng tốc theo hướng của từ trường và điện tích âm tăng tốc theo hướng ngược lại. Từ trường được tạo ra bởi hạt mang điện chuyển động. Một lực được tác dụng bởi từ trường này lên các hạt chuyển động khác. Lực tác dụng lên những điện tích này luôn vuông góc với hướng vận tốc của chúng và do đó chỉ làm thay đổi hướng của vận tốc chứ không làm thay đổi tốc độ. Vì vậy, trường điện từ được tạo ra bởi một hạt tích điện đang gia tốc. Sóng điện từ không gì khác ngoài điện trường và từ trường truyền trong không gian tự do với tốc độ ánh sáng (c). Hạt mang điện có gia tốc là hạt dao động điều hòa quanh vị trí cân bằng. Nếu tần số dao động của hạt tích điện là f thì nó tạo ra sóng điện từ có tần số f. Bước sóng 2 của sóng này được cho bởi x = c/f. Phương trình sóng điện từ mô tả sự lan truyền của sóng này trong môi trường vật chất hoặc chân không. Đây là phương trình vi phân từng phần bậc hai và có dạng 3D. Ngoài ra, cường độ của sóng điện từ được xác định theo công thức I = P/A, trong đó P là công suất và A được định nghĩa là diện tích. Sóng điện từ được phân loại theo tần số hoặc bước sóng của chúng như đã nói ở trên, x = c/f. Những sóng
này được sắp xếp theo bước sóng hoặc tần số trong phổ điện từ.
3. Hệ phương trình Maxwell mô tả điện trường tự do Để thấy được thực chất của trường điện từ, ta phải khảo sát đầy đủ hai tương quan: Từ trường biển thiên tạo ra điện trường xoáy (hiện tượng cảm ứng điện từ). Điện trường biến thiên tạo ra từ trường xoáy (hiện tượng dòng điện dịch). Điện trường lan truyền trong không gian theo thời gian tạo thành sóng điện từ. Hệ phương trình Maxwell: Qua hệ phương trình Maxwell, ta thấy sự có mặt của trường điện từ bao giờ cũng phải gắn với điện tích, dòng điện. Mặt khác, qua hệ phương trình Maxwell, dù p=0, j = 0 thì vẫn có thể có E≠0, B 0. Khi đó, hệ phương trình Maxwell mô tả điện từ ở nơi không có mặt điện tích, đó là trường điện tử tự do, tồn tại dạng sóng, nên gọi là sóng điện tự do. Hệ phương trình Maxwell lúc đó trở thành: 4. Phương trình sóng điện từ Xem môi trường là đồng nhất, ta có: rot →E =-
- Có các tính chất cơ bản của sóng gồm phản xạ, khúc xạ, giao thoa,... tuân theo các quy luật truyền thẳng, giao thoa, khúc xạ,...
- Được dùng trong viễn thông, thông tin liên lạc có bước sóng từ vài mét đến vài kilomet nên được gọi là sóng vô tuyến
- Là loại sóng ngang nên sự lan truyền các dao động liên quan đến tính chất có hướng gồm cường độ điện trường và từ trường của các phần tử có hướng dao động vuông góc với hướng lan truyền sóng.
- Sóng điện từ luôn tạo thành một tam diện thuận
- Chúng mang năng lượng trong đó năng lượng của 1 hạt photon có bước sóng 2 là hc/ (h: hằng số Planck, c: vận tốc ánh sáng trong chân không) => Bước sóng càng dài thì năng lượng photon càng nhỏ.
- Tại cùng 1 điểm thì dao động của điện trường và từ trường luôn đồng pha với nhau Hình 1.2: Biểu diễn sóng điện từ
III. Nguyên tắc khi truyền sóng điện từ Sóng điện từ là loại sóng có khả năng truyền được đi xa, tuy nhiên cần đảm bảo nguyên tắc như sau:
- Sóng điện từ được biến điệu thành các dao động điện hay chính là tín hiệu âm tần – AM là biến điệu biên độ, FM là biến điện tần số
- Sử dụng sóng ngang có tần số cao để truyền đi nhanh chóng với khoảng cách xa
- Thực hiện tách sóng, tách tín hiệu ra khỏi sóng cao tần
- Khuếch đại tín hiệu thu được kho sóng điện từ có cường độ nhỏ IV. Sự truyền sóng vô tuyến trong khí quyển Có 2 vấn đề mà con người cần lưu ý khi truyền sóng vô tuyến trong môi trường khí quyền đó là vùng sóng bị ít hấp thụ và sự phản xạ của sóng ngắn. Cụ thể:
- Các vùng sóng ngắn sẽ ít bị hấp thụ: Các phân tử không khí trong khí quyển sẽ hấp thụ mạnh những sóng dài, sóng trung. Sóng cực ngắn thì không thể truyền đi xa được. Trong vùng tương đối hẹp thì những sóng có bước sóng ngắn thì không khí sẽ không hấp thụ.
- Sự phản xạ của sóng ngắn trên tầng điện li: Tầng điện li là 1 lớp của khí quyển. Tại đó, dưới tác dụng của những tia tử ngoại ánh sáng mặt trời thì những phân tử khí bị ion hóa rất mạnh. Tầng điện li này nằm ở độ cao 80km đến 800km.
lại không dễ bị hấp thụ đối với môi trường nước. Việc này có ý nghĩa rất lớn trong việc thông tin liên lạc giữa các tàu ngầm dưới nước hay biên. Sự phân chia này dựa trên bước sóng, mức năng lượng, tần số để phân loại bức xạ điện từ và còn được gọi là thang sóng điện từ trong vật lý. Xem thông số chi tiết trong phần này bên dưới bảng sau đây: Hình 1.3. Phân loại sóng điện từ theo tần số và bước sóng
Bảng 1.4. Phân loại sóng điện từ theo tần số và bước sóng 2.1. Sóng Radio
được phát ra từ nguồn sáng, như Mặt Trời, đèn điện, và có thể phản xạ hoặc được gợi lên từ các bề mặt khác nhau. Khi ánh sáng truyền qua mắt, nó tương tác với các tế bào thị giác trong võng mạc, gửi tín hiệu đến não để xử lý và tạo ra hình ảnh mà chúng ta có thể nhìn thấy được. Ánh sáng cũng có thể được phân loại theo màu sắc, với bước sóng ngắn hơn (tia cực tím) và bước sóng dài hơn (tia hồng ngoại). 2.5. Tia tử ngoại Tia tử ngoại là một dạng bức xạ điện từ có bước sóng từ khoảng 10 đến 380 nanomet, có tần số nằm trong phạm vi từ 790 THz đến 30 PHz. Tia tử ngoại được chia thành ba loại: tia UV-A (bước sóng từ 315 đến 400 nanomet), tia UV-B (bước sóng từ 280 đến 315 nanomet) và tia UV-C (bước sóng từ 100 đến 280 nanomet). Tia UV-A và UV-B được truyền qua không khí và có thể gây hại cho sức khỏe nếu tiếp xúc với chúng quá nhiều. Tia UV-C không thể đi qua không khí và không phải là một vấn đề đối với sức khỏe con người. 2.6. Tia X Tia X là một loại bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn, nằm trong phạm vi từ 0,01 đến 10 nanomet, tương ứng với tần số từ 30 PHz đến 30 EHz. Tia X có năng lượng cao và có khả năng thâm nhập vào các vật liệu khác nhau, gây ra các hiện tượng tương tác với các nguyên tử và phân tử bên trong chúng. Tia X được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng y học như chụp X- quang và trong nghiên cứu khoa học để nghiên cứu cấu trúc của các vật liệu và phân tử. 2.7. Tia Gamma
Tia Gamma là một loại bức xạ điện từ phát ra từ những hạt nhân vật liệu phóng xạ. Nó có bước sóng rất ngắn, nằm trong khoảng từ 0,01 đến 10 pikomet, tương ứng với tần số từ 30 EHz đến 30 ZHz. Tia Gamma có năng lượng rất cao và có khả năng xuyên thủng các vật liệu dày, tương tác với các nguyên tử và phân tử bên trong chúng và gây ra các hiện tượng ion hóa. CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ TRONG ĐỜI SỐNG 3.1. Ứng dụng sóng điên từ trong truyền thông Truyền thông là một lĩnh vực quan trọng mà sóng điện từ đã có sự đóng góp vô cùng quan trọng, giúp kết nối mọi ngóc ngách của thế giới thông qua những phương tiện truyền thông hiện đại. Sóng điện từ, đặc biệt là sóng radio và sóng truyền hình, đã tạo ra một cuộc cách mạng trong việc truyền tải thông tin, tin tức, và giải trí đến hàng triệu người trên khắp hành tinh. Vào thế kỷ 19, thử nghiệm bởi những nhà khoa học như James Clerk Maxwell đã chứng minh rằng sóng điện từ có khả năng lan truyền qua không gian và thậm chí không cần môi trường vật chất để truyền tải. Sự phát triển của sóng radio và sóng truyền hình đã mở ra một kỷ nguyên mới trong việc truyền tải thông tin từ một điểm đến một điểm khác. Sóng radio, có bước sóng dài hơn, đã tạo ra một cuộc cách mạng trong việc truyền tải âm thanh và thông tin từ xa. Từ việc truyền tin nhắn đến truyền tải nhạc và chương trình giải trí, sóng radio đã mở ra một cửa số cho việc truyền tải thông tin nhanh chóng và hiệu quả. Điều này đã tạo nên sự phổ biến của đài phát thanh và truyền hình, làm cho mọi người có thể tiếp
3.2. Ứng dụng trong y tế: tia X và hình ảnh Y khoa Lĩnh vực y tế là một trong những lĩnh vực quan trọng mà sóng điện từ đã có sự đóng góp lớn về cả chẩn đoán và điều trị bệnh. Một trong những ứng dụng nổi bật của sóng điện tử trong y tế là việc sử dụng tia X để tạo ra hình ảnh y khoa, đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định bệnh và giúp bác sĩ lập kế hoạch điều trị. Tia X, một loại sóng điện từ có bước sóng ngắn, có khả năng xâm nhập qua các cấu trúc mô cứng như xương. Điều này đã tạo ra khả năng tạo ra hình ảnh nội soi không xâm lấn cho cơ thể người. Kỹ thuật chụp X- quang đã được phát triển và sử dụng phổ biến trong lĩnh vực y khoa. Bằng cách đặt một tấm phím hoặc cảm biến điện tử phía sau bộ phát tia X và đặt người hoặc cơ thể được chụp giữa bộ phát và tấm phim, bức ảnh nội soi về cơ thể bên trong có thể được tạo ra. Một trong những ứng dụng quan trọng của chụp X-quang là trong việc xác định vị trí và tình trạng của xương và khung xương. Bác sĩ có thể nhận biết gãy xương, biến dạng xương, hoặc các vấn đề khác về xương như viêm khớp và loãng xương. Hình ảnh 3.2 (Hình minh họa chụp X-quang) mô tả một hình ảnh X-quang của bản tay, cho thấy cấu trúc xương trong cơ thể. Hơn nữa, ứng dụng chụp X-quang cũng được sử dụng để xem xét các vấn đề về nội tạng. Chẳng hạn, chụp X- quang ngực có thể phát hiện các vấn đề liên quan đến phổi, như viêm phổi, tắc nghẽn phổi, hoặc dị tật phổi. Chụp X-quang cơ tim có thể giúp phát hiện những dấu hiệu về bệnh tim và các vấn đề khác liên quan đến hệ thông tuần hoàn.
Ngoài ra, cách tiếp cận không xâm lấn bằng tia X đã được phát triển thành các kỹ thuật hình ảnh y khoa tiên tiến hơn như CT (Computed Tomography) scan và MRI (Magnetic Resonance Imaging). Các kỹ thuật này sử dụng sóng điện từ hoạt động trong các phạm vi khác nhau của phố elektromagnet, giúp tạo ra các hình ảnh chỉ tiết hơn về cơ thể và nội tạng. CT scan tạo ra hình ảnh cắt ngang qua cơ thể, cung cấp thông tin về cấu trúc bên trong cơ thể. MRI sử dụng từ trường và sóng radio để tạo ra hình ảnh cảu cấu trúc và chức năng của cơ thể, giúp chẩn đoán chính xác hơn về các vấn đề liên quan đến não, cơ tim, cơ xương, và nhiều cơ quan khác. Hình 1.6. Chụp X-quang 3.3. Ứng dụng công Nghiệp và khoa học: sóng viễn thám và nghiên cứu vật liêu. Sóng điện từ không chỉ có ảnh hưởng đến lĩnh vực y tế và truyền thông, mà còn đóng góp quan trọng vào sự phát triển của công nghiệp và khoa học. Hai ứng dụng quan trọng mà sóng điện từ đã mang lại là sóng viễn thám và nghiên cứu vật liệu. Sóng viễn thám: góc nhìn từ trên cao Sóng viễn thám là một công nghệ quan trọng trong việc theo dõi và nghiên cứu trạng thái của môi trường
thế giới vô cùng nhỏ mà mắt thường không thể nhìn thấy. Ví dụ, sóng siêu âm được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu bằng cách đo sóng âm phản xạ hoặc truyền qua vật liệu. Kỹ thuật này đã giúp nhà khoa học tìm hiểu về cấu trúc của kim loại, gốm sứ, và các vật liệu hợp chất khác, từ đó cải thiện hiểu biết và phát triển ứng dụng trong công nghệ và sản xuất. Sóng từ ngoại (UV) cũng đã giúp khám phá cấu trúc và tính chất của các phân tử hữu cơ, như protein và acid nucleic, góp phần quan trọng trong nghiên cứu sinh học phân tử và y học. 3.4. Ứng dụng công nghê không dây và điên tử: Bluetooth, Wi-Fi Và IoT Trong thế giới hiện đại, sóng điện từ đã đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra cuộc cách mạng về công nghệ không dây và điện tử. Các thiết bị như Bluetooth, Wi-Fi và Internet of Things (IoT) đã thay đổi cách con người giao tiếp, kết nối và quản lý thông tin. Bluetooth : Kết nối thông qua không gian gần Bluetooth là một công nghệ sử dụng sóng điện từ để tạo ra kết nối không dây giữa các thiết bị điện tử. Từ điện thoại di động, tai nghe không dây, đồng hồ thông minh cho đến loa và bàn phím, Bluetooth cho phép các thiết bị truyền tải dữ liệu và thông tin một cách tiện lợi và nhanh chóng. Công nghệ này hoạt động trong khoảng cách ngắn, thường từ vài mét đến vài chục mét, giúp kết nối giữa các thiết bị trong một phạm vi gần nhau.
Ứng dụng phổ biến của Bluetooth bao gồm việc kết nối điện thoại với tai nghe không dây để nghe nhạc hoặc thực hiện cuộc gọi, kết nối đồng hồ thông minh với điện thoại để nhận thông báo và theo dõi sức khỏe, cũng như kết nối bàn phím và chuột không dây với máy tính để làm việc một cách thuận tiện. Hình ảnh 1.8 (Hình minh họa thiết bị Bluetooth) trình bày một ví dụ về việc sử dụng Bluetooth để kết nối điện thoại di động với tai nghe không dây. Hình 1.8. Thiết bị Bluetooth Wi-Fi : Kết nối không dây trong mạng lan Wi-Fi là một công nghệ sử dụng sóng điện tử để tạo ra kết nối mạng không dây trong một phạm vi rộng hơn. Wi-Fi cho phép các thiết bị kết nối với internet và với nhau trong một mạng LAN (Local Area Network) mà không cần sử dụng dây cáp. Điều này đã thay đổi cách chúng ta truy cập internet và trao đổi thông tin, tạo nên sự tiện lợi và linh hoạt trong công việc và cuộc sống hàng ngày. Các thiết bị như máy tính, điện thoại, máy tính bảng, và thiết bị thông minh khác có thể kết nối với nhau và chia sẻ dữ liệu qua mạng Wi-Fi. Wi-Fi cũng là công nghệ quan trọng trong việc xây dựng các khu vực
