Trong thế giới hiện đại, mọi công nghệ truyền thông – từ phát thanh, truyền hình đến sóng Wi-Fi – đều dựa trên hiện tượng điện từ trường và sóng điện từ. Đây là một trong những khám phá vĩ đại nhất trong lịch sử vật lý, được James Clerk Maxwell mô tả qua hệ phương trình nổi tiếng, chứng minh rằng điện trường biến thiên có thể sinh ra từ trường biến thiên, và ngược lại.
Bài 19 “Điện từ trường. Mô hình sóng điện từ” trong chương trình Vật lý 12 giúp học sinh hiểu rõ bản chất vật lý của điện từ trường, nguyên lý hình thành sóng điện từ, cùng những đặc điểm lan truyền của loại sóng mang năng lượng đặc biệt này.
Maxwell đã chứng minh rằng trong vùng không gian có từ trường biến thiên theo thời gian, xuất hiện một điện trường xoáy xung quanh vùng đó. Đây là hiện tượng ngược với cảm ứng điện từ trong mạch kín: không chỉ điện trường sinh ra từ trường mà từ trường biến thiên cũng có thể sinh ra điện trường.
Điều này giải thích bản chất vật lý của hiện tượng cảm ứng điện từ trong các khung dây dẫn, đồng thời là nền tảng lý thuyết cho việc hình thành điện từ trường trong không gian.
Nhờ cơ chế này, năng lượng điện từ có thể lan truyền qua không gian, dẫn đến ứng dụng trong truyền tín hiệu vô tuyến và sóng điện từ.
Trong điện từ trường:
Các nguồn phát sóng điện từ điển hình bao gồm:
Tại mọi điểm trong không gian:
b. Tốc độ truyền sóng điện từ
Sóng điện từ truyền trong chân không với tốc độ ánh sáng $c \approx 3 \times 10^8 , m/s$.
Mối quan hệ giữa bước sóng $\lambda$, chu kỳ dao động $T$ và tần số $f$ được biểu diễn bằng công thức: $ \lambda = cT = \frac{c}{f} $
Trong đó:
Sóng điện từ mang năng lượng, và năng lượng này tăng theo tần số.
Công thức tính năng lượng của một photon (lượng tử sóng điện từ): $ E = hf $
Trong đó:
d. Tính chất vật lý của sóng điện từ
Sóng điện từ tuân theo các quy luật truyền sóng cơ như:
Sóng điện từ là quá trình lan truyền của điện từ trường trong không gian, có khả năng mang năng lượng và thông tin.
Sóng điện từ truyền được trong chân không, vuông góc E và B, và tuân theo quy luật sóng cơ.
Đây là nền tảng vật lý cho công nghệ truyền thông, y học, định vị và năng lượng hiện đại.
Bài 19 “Điện từ trường. Mô hình sóng điện từ” trong chương trình Vật lý 12 giúp học sinh hiểu rõ bản chất vật lý của điện từ trường, nguyên lý hình thành sóng điện từ, cùng những đặc điểm lan truyền của loại sóng mang năng lượng đặc biệt này.
I. Liên hệ giữa điện trường biến thiên và từ trường biến thiên
1. Từ trường biến thiên và điện trường xoáy
Điều này giải thích bản chất vật lý của hiện tượng cảm ứng điện từ trong các khung dây dẫn, đồng thời là nền tảng lý thuyết cho việc hình thành điện từ trường trong không gian.
2. Điện trường biến thiên và từ trường
Ngược lại, một điện trường biến thiên theo thời gian sẽ tạo ra từ trường biến thiên trong không gian xung quanh. Mối liên hệ này chứng minh rằng điện trường và từ trường không tồn tại tách rời nhau, mà liên kết chặt chẽ và có thể tương tác lẫn nhau.Nhờ cơ chế này, năng lượng điện từ có thể lan truyền qua không gian, dẫn đến ứng dụng trong truyền tín hiệu vô tuyến và sóng điện từ.
3. Điện từ trường
Khi điện trường và từ trường biến thiên cùng tồn tại, chúng tạo thành điện từ trường, một trường vật lý thống nhất.Trong điện từ trường:
- Véc tơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ luôn vuông góc với véc tơ cường độ điện trường $\overrightarrow{E}$.
- Hai đại lượng $\overrightarrow{E}$ và $\overrightarrow{B}$ dao động đồng pha, tạo thành một trường thống nhất lan truyền trong không gian.
II. Mô hình sóng điện từ
1. Sự tạo thành sóng điện từ
Khi điện từ trường biến thiên theo thời gian, năng lượng điện từ có thể lan truyền ra không gian, tạo thành sóng điện từ.- Mạch dao động điện từ (mạch LC),
- Ăng-ten phát sóng vô tuyến,
- Các thiết bị truyền tín hiệu hiện đại như Wi-Fi hay điện thoại di động.
2. Sự lan truyền sóng điện từ
a. Hướng và tính chất của sóng điện từTại mọi điểm trong không gian:
- Véc tơ $\overrightarrow{E}$ và $\overrightarrow{B}$ luôn vuông góc với nhau,
- Cả hai vuông góc với phương truyền sóng→ Do đó, sóng điện từ là sóng ngang.
b. Tốc độ truyền sóng điện từ
Sóng điện từ truyền trong chân không với tốc độ ánh sáng $c \approx 3 \times 10^8 , m/s$.
Mối quan hệ giữa bước sóng $\lambda$, chu kỳ dao động $T$ và tần số $f$ được biểu diễn bằng công thức: $ \lambda = cT = \frac{c}{f} $
Trong đó:
- $\lambda$ là bước sóng,
- $T$ là chu kỳ dao động,
- $f$ là tần số,
- $c$ là tốc độ ánh sáng trong chân không.
Sóng điện từ mang năng lượng, và năng lượng này tăng theo tần số.
Công thức tính năng lượng của một photon (lượng tử sóng điện từ): $ E = hf $
Trong đó:
- $E$ là năng lượng photon,
- $h = 6.626 \times 10^{-34}, \mathrm{J.s}$ là hằng số Planck,
- $f$ là tần số sóng điện từ.
d. Tính chất vật lý của sóng điện từ
Sóng điện từ tuân theo các quy luật truyền sóng cơ như:
- Truyền thẳng,
- Phản xạ,
- Khúc xạ,
- Giao thoa,
- Nhiễu xạ.
III. Ứng dụng của sóng điện từ
Sóng điện từ có vai trò quan trọng trong đời sống hiện đại, bao gồm:- Thông tin liên lạc: radio, TV, Wi-Fi, mạng 5G, và điện thoại di động.
- Điều hướng và định vị: radar, GPS, viễn thông hàng hải và hàng không.
- Y học: chụp X-quang, MRI, vi sóng trị liệu, và các thiết bị hỗ trợ chẩn đoán.
- Truyền tải năng lượng: công nghệ năng lượng mặt trời, sạc không dây.
IV. Củng cố kiến thức và công thức quan trọng
| Đại lượng | Ký hiệu | Công thức | Ý nghĩa |
|---|---|---|---|
| Bước sóng | $\lambda$ | $\lambda = \frac{c}{f}$ | Khoảng cách giữa hai điểm dao động cùng pha |
| Năng lượng photon | $E$ | $E = hf$ | Năng lượng của sóng điện từ đơn vị |
| Tương quan E-B | $\overrightarrow{E} \perp \overrightarrow{B}$ | Đồng pha, vuông góc với phương truyền sóng | Mô tả sóng điện từ là sóng ngang |
V. Tóm tắt bài học
Điện trường biến thiên sinh ra từ trường, và từ trường biến thiên sinh ra điện trường → tạo thành điện từ trường.Sóng điện từ là quá trình lan truyền của điện từ trường trong không gian, có khả năng mang năng lượng và thông tin.
Sóng điện từ truyền được trong chân không, vuông góc E và B, và tuân theo quy luật sóng cơ.
Đây là nền tảng vật lý cho công nghệ truyền thông, y học, định vị và năng lượng hiện đại.
Last edited by a moderator:
