Sóng điện từ là gì? Sóng điện từ được hình thành như thế nào?

Điện có thể là tĩnh, giống như thứ giữ một quả bóng bay vào tường hoặc làm cho tóc bạn dựng đứng. Từ tính cũng có thể tĩnh như nam châm tủ lạnh. Nhưng khi chúng thay đổi hoặc chuyển động cùng nhau, chúng tạo ra sóng – sóng điện từ. Một đứa trẻ dựng tóc gáy vì tĩnh điện. Một cái nam châm. Sóng điện từ được hình thành khi một điện trường (được biểu diễn bằng các mũi tên màu xanh lam) kết hợp với một từ trường (được biểu thị bằng các mũi tên màu đỏ). Từ trường và điện trường của sóng điện từ vuông góc với nhau và theo phương của sóng.

Luật sư tư vấn luật qua điện thoại trực tuyến miễn phí: 1900.6568

1. Sóng điện từ là gì?

Ánh sáng được tạo ra từ các gói năng lượng rời rạc gọi là photon. Các photon mang động lượng, không có khối lượng và di chuyển với tốc độ ánh sáng. Tất cả ánh sáng đều có tính chất dạng hạt và dạng sóng. Cách một thiết bị được thiết kế để cảm nhận ánh sáng ảnh hưởng đến các đặc tính này được quan sát thấy. Một công cụ làm nhiễu xạ ánh sáng thành quang phổ để phân tích là một ví dụ về việc quan sát tính chất giống sóng của ánh sáng. Bản chất giống như hạt của ánh sáng được quan sát bởi các máy dò được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số — các photon riêng lẻ giải phóng các điện tử được sử dụng để phát hiện và lưu trữ dữ liệu hình ảnh.

Năng lượng, một thước đo khả năng làm việc, có nhiều dạng và có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác. Ví dụ về năng lượng dự trữ hoặc tiềm năng bao gồm pin và nước sau đập. Các vật trong chuyển động là ví dụ về động năng. Các hạt tích điện — chẳng hạn như electron và proton — tạo ra trường điện từ khi chúng chuyển động, và những trường này vận chuyển loại năng lượng mà chúng ta gọi là bức xạ điện từ, hay ánh sáng.

Sóng điện từ còn được gọi là sóng EM. Bức xạ điện từ bao gồm các sóng điện từ được tạo ra khi có điện trường tiếp xúc với từ trường. Cũng có thể nói sóng điện từ là thành phần cấu tạo nên dao động của điện trường và từ trường. Sóng điện từ là nghiệm của phương trình Maxwell, là phương trình cơ bản của điện động lực học.

Sóng điện từ hay sóng EM là sóng được tạo ra do dao động giữa điện trường và từ trường. Nói cách khác, sóng EM được cấu tạo bởi từ trường và điện trường dao động.

Điện có thể ở dạng tĩnh, giống như năng lượng có thể làm cho tóc bạn dựng đứng. Từ tính cũng có thể ở dạng tĩnh, giống như nam châm trong tủ lạnh. Một từ trường thay đổi sẽ tạo ra một điện trường thay đổi và ngược lại — cả hai liên kết với nhau. Những trường thay đổi này tạo thành sóng điện từ. Sóng điện từ khác với sóng cơ học ở chỗ chúng không cần môi trường để truyền. Điều này có nghĩa là sóng điện từ không chỉ có thể truyền qua không khí và các vật liệu rắn, mà còn truyền qua chân không của không gian.

Vào những năm 1860 và 1870, một nhà khoa học người Scotland tên là James Clerk Maxwell đã phát triển một lý thuyết khoa học để giải thích sóng điện từ. Ông nhận thấy rằng điện trường và từ trường có thể kết hợp với nhau để tạo thành sóng điện từ. Ông đã tóm tắt mối quan hệ này giữa điện và từ thành cái mà ngày nay được gọi là “Phương trình Maxwell”.

Biểu đồ của điện trường được biểu diễn dưới dạng sóng hình sin với các mũi tên màu đỏ bên dưới các đường cong và từ trường được biểu diễn dưới dạng sóng hình sin với các mũi tên màu xanh lam vuông góc với điện trường. Heinrich Hertz, một nhà vật lý người Đức, đã áp dụng lý thuyết của Maxwell vào việc sản xuất và thu nhận sóng vô tuyến. Đơn vị tần số của sóng vô tuyến – một chu kỳ trên giây – được đặt tên là hertz, để vinh danh Heinrich Hertz.

Thí nghiệm của ông với sóng vô tuyến đã giải quyết được hai vấn đề. Đầu tiên, ông đã chứng minh bằng cụ thể, điều mà Maxwell chỉ đưa ra lý thuyết – rằng vận tốc của sóng vô tuyến bằng vận tốc của ánh sáng! Điều này đã chứng minh rằng sóng vô tuyến là một dạng ánh sáng! Thứ hai, Hertz đã tìm ra cách làm cho điện trường và từ trường tự tách ra khỏi dây dẫn và tự do như sóng Maxwell – sóng điện từ.

Sóng điện từ có tên gọi trong tiếng Anh là: “Electromagnetic Wave”, viết tắt là EM

2. Sóng điện từ được hình thành như thế nào?

Phổ điện từ, toàn bộ sự phân bố của bức xạ điện từ theo tần số hoặc bước sóng. Mặc dù tất cả các sóng điện từ truyền đi với tốc độ ánh sáng trong chân không, nhưng chúng truyền đi ở một phạm vi rộng của tần số, bước sóng và năng lượng photon. Phổ điện từ bao gồm khoảng của tất cả các bức xạ điện từ và bao gồm nhiều tiểu khu, thường được gọi là các phần, chẳng hạn như ánh sáng nhìn thấy hoặc bức xạ tử ngoại. Các phần khác nhau mang các tên khác nhau dựa trên sự khác biệt về hành vi trong quá trình phát xạ, truyền và hấp thụ các sóng tương ứng và cũng dựa trên các ứng dụng thực tế khác nhau của chúng. Không có ranh giới chính xác được chấp nhận giữa bất kỳ phần tiếp giáp nào, vì vậy các phạm vi có xu hướng chồng chéo lên nhau.

Toàn bộ phổ điện từ, từ tần số thấp nhất đến tần số cao nhất (bước sóng dài nhất đến ngắn nhất), bao gồm tất cả các sóng vô tuyến (ví dụ: đài phát thanh và truyền hình thương mại, vi sóng, ra đa), bức xạ hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, bức xạ tử ngoại, tia X, và tia gam ma. Gần như tất cả các tần số và bước sóng của bức xạ điện từ đều có thể được sử dụng cho quang phổ.

Sóng cơ và sóng điện từ là hai cách quan trọng mà năng lượng được vận chuyển trong thế giới xung quanh chúng ta. Sóng trong nước và sóng âm trong không khí là hai ví dụ về sóng cơ học. Sóng cơ học được gây ra bởi sự xáo trộn hoặc rung động trong vật chất, dù là chất rắn, khí, lỏng hay plasma. Vật chất mà sóng truyền qua được gọi là môi trường. Sóng nước được hình thành do dao động trong chất lỏng và sóng âm được hình thành do dao động trong chất khí (không khí). Những sóng cơ học này truyền qua một môi trường bằng cách khiến các phân tử va vào nhau, giống như những quân cờ domino rơi xuống truyền năng lượng từ môi trường này sang môi trường khác. Sóng âm không thể truyền trong chân không của không gian vì không có môi trường để truyền các sóng cơ học này.

Nói chung, điện trường được tạo ra bởi một hạt mang điện. Một lực do điện trường này tác dụng lên các hạt mang điện khác. Các điện tích dương gia tốc theo hướng của trường và các điện tích âm tăng tốc theo hướng ngược với hướng của trường. Từ trường được tạo ra bởi một hạt mang điện chuyển động. Một lực do từ trường này tác dụng lên các hạt chuyển động khác. Lực tác dụng lên các điện tích này luôn vuông góc với phương của vận tốc và do đó chỉ làm thay đổi hướng của vận tốc chứ không làm thay đổi vận tốc. Vì vậy, trường điện từ được tạo ra bởi một hạt mang điện gia tốc. Sóng điện từ không là gì khác ngoài điện trường và từ trường truyền trong không gian tự do với tốc độ ánh sáng c. Hạt mang điện tăng tốc là khi hạt mang điện dao động điều hòa về vị trí cân bằng. Nếu tần số dao động của hạt mang điện là f thì nó tạo ra sóng điện từ có tần số f. Bước sóng λ của sóng này được cho bởi λ = c / f. Sóng điện từ truyền năng lượng trong không gian.

Sóng điện từ được biểu diễn bằng đồ thị hình sin. Nó bao gồm điện trường và từ trường biến thiên theo thời gian, vuông góc với nhau và cũng vuông góc với phương truyền sóng. Sóng điện từ có bản chất là sóng ngang. Điểm cao nhất của sóng được gọi là đỉnh trong khi điểm thấp nhất được gọi là đáy. Trong chân không, sóng truyền với vận tốc không đổi 3 x 108 m.s-1.

Sóng điện từ được hình thành khi có điện trường tiếp xúc với từ trường. Do đó chúng được gọi là sóng “điện từ”. Điện trường và từ trường của sóng điện từ vuông góc (vuông góc) với nhau. Chúng cũng vuông góc với phương của sóng EM.

Sóng EM truyền với vận tốc không đổi 3,00 x 108 ms-1 trong chân không. Chúng không bị lệch hướng bởi điện trường cũng như từ trường. Tuy nhiên, chúng có khả năng hiển thị giao thoa hoặc nhiễu xạ. Sóng điện từ có thể truyền qua bất cứ thứ gì – có thể là không khí, vật liệu rắn hoặc chân không. Nó không cần phương tiện để truyền hoặc di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Mặt khác, sóng cơ học (giống như sóng âm thanh hoặc sóng nước), cần một phương tiện để truyền đi. Sóng EM là sóng ‘ngang’. Điều này có nghĩa là chúng được đo bằng biên độ (chiều cao) và bước sóng (khoảng cách giữa các điểm cao nhất / thấp nhất của hai sóng liên tiếp).

Điểm cao nhất của sóng được gọi là ‘đỉnh’, trong khi điểm thấp nhất được gọi là ‘đáy’. Sóng điện từ có thể được tách thành một loạt các tần số. Đây được gọi là phổ điện từ. Ví dụ về sóng EM là sóng vô tuyến, vi sóng, sóng hồng ngoại, tia X, tia gamma, v.v.