Bài giảng Điện học (Phần 30)

Benjamin Crowell

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 10⁸ 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 10¹⁵ Hz mà ánh sáng khả kiến có. Dao động điện nhanh nhất ông có thể tạo ra là 10⁹ 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 phía bước sóng ngắn của ánh sáng khả kiến, hãy nhớ lại rằng cả ba sóng này đều có thể gây ra ung thư. (Như chúng ta sẽ thảo luận ở phần sau tập sách này, có một nguyên do cơ bản lí giải vì sao sự hỏng hóc gây ung thư của ADN chỉ có thể gây ra bởi những song điện từ bước song rất ngắn. Trái với niềm tin phổ biến, vi song không thể gây ra ung thư, đó là lí do vì sao chúng ta có lò vi song, chứ không phải lò tia X!).

Ví dụ 7. Tại sao bầu trời có màu xanh ?

Khi ánh sáng Mặt Trời đi vào bầu khí quyển tầng trên, một phân tử không khí nhất định tự bị gột sạch bởi một song điện từ có tần số f. Các hạt tích điện của phân tử đó (hạt nhân và electron) hoạt động giống như các dao động tử bị chi phối bởi một lực dao động, và phản ứng bằng cách dao động ở cùng tần số f. Năng lượng bị rút khỏi chùm ánh sang Mặt Trời tới và chuyển hóa thành động năng của các hạt dao động. Tuy nhiên, những hạt này đang gia tốc, nên chúng hoạt động giống như các ănten vô tuyến nhỏ và đưa năng lượng ra khỏi trở lại dưới dạng sóng ánh sang cầu trải ra theo mọi hướng. Một vật đang dao động ở tần số f có gia tốc tỉ lệ với f², và một hạt tích điện đang gia tốc tạo ra một sóng điện từ có các trường vuông góc với gia tốc của nó, nên trường của sóng cầu tái phát xạ tỉ lệ với f². Năng lượng của một trường tỉ lệ với bình phương cường độ trường, nên năng lượng của sóng tái phát xạ tỉ lệ với f⁴. Vì ánh sáng xanh có tần số gấp khoảng 2 lần ánh sáng đỏ, nên quá trình này diễn ra với ánh sáng xanh mạnh gấp 2⁴ = 16 lần so với ánh sáng đỏ, và đó là lí do vì sao bầu trời có màu xanh.

Trần Nghiêm dịch

Còn tiếp…

Phần 29

Bài trước | Bài kế tiếp