Sóng điện từ được tạo ra do sự dao động giữa điện trường và từ trường. Hiện nay, sóng điện từ được sử dụng để kết nối và truyền tải dữ liệu trong nhiều công nghệ.

Những khái niệm về sóng điện từ, sóng vô tuyến, vi sóng,... có vẻ đã khá quen thuộc với chúng ta ngày nay. Tuy nhiên, để hiểu rõ về bản chất của từng loại sóng lại không hề đơn giản.

Trong bài viết hôm nay, hãy cùng Elcom tìm hiểu về lý thuyết sóng điện từ, cũng như một số ứng dụng của loại sóng này trong thực tiễn cuộc sống.

1. Sóng điện từ là gì?

Sóng điện từ (Electromagnetic waves) là sự lan truyền của điện từ trường trong không gian. Vậy, sóng điện từ là sóng dọc hay sóng ngang? Trả lời cho câu hỏi này, sóng điện từ là sóng ngang.

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

Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, thông tin và động lượng. Bước sóng của sóng điện từ thường rơi vào khoảng 400nm đến 700nm, thậm chí quan sát được bằng mắt thường thông qua ánh sáng chúng phát ra.

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

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 λ của sóng này được cho bởi λ = 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, λ = c/f. Những sóng này được sắp xếp theo bước sóng hoặc tần số trong phổ điện từ.

3. Đặc điểm chung của sóng điện từ

Sóng điện từ có những đặc điểm chung như sau:

• Sự lan truyền của các giao động liên quan đến tính chất có hướng của phần tử mà hướng dao động vuông góc với hướng lan truyền sóng. Theo đó, sóng điện từ là sóng ngang.

• Sóng điện từ có thể lan truyền trong môi trường vật chất ở dạng rắn, lỏng, khí. Đây cũng là loại sóng duy nhất lan truyền được trong môi trường chân không.

• Sóng điện từ cũng mang những tính chất của sóng cơ, bao gồm: Phản xạ, khúc xạ, giao thoa, đồng thời tuân theo quy luật truyền thẳng,...

• Sóng điện từ luôn tạo thành một tam diện thuận.

Từng phân loại sóng điện từ có thể mang một số đặc điểm khác nhau mặc dù sóng điện từ đều có chung bản chất. Một số yếu tố chính dùng để phân loại các bức xạ của chúng bao gồm bước sóng, mức năng lượng kèm theo và tần số truyền đi.

Theo những đặc điểm trên, sóng điện từ được chia thành 7 loại như sau:

• Sóng vô tuyến hay còn gọi là sóng radio (Radio wave) là sóng có tần số thấp nhất trong phổ điện từ. Sóng vô tuyến được sử dụng để truyền dữ liệu từ các máy phát, vệ tinh cũng như radar. Chúng có thể vượt qua khoảng cách dài mà không bị mất năng lượng cho tương tác.

• Vi sóng, hay còn gọi là sóng Viba: Là sóng có tần số thấp thứ hai trong phổ điện từ. Những sóng này đã được sử dụng để truyền dữ liệu, làm nóng thực phẩm,... Ứng dụng quen thuộc nhất của sóng viba là lò vi sóng. 

• Sóng UV (Tia cực tím, tia tử ngoại): Năng lượng mặt trời tạo ra bức xạ cực tím. Những sóng này thậm chí còn có bước sóng ngắn hơn ánh sáng khả kiến. Tiếp xúc với bức xạ này dẫn đến cháy nắng và có thể gây ung thư ở sinh vật sống. Chúng thường được thấy ở các ứng dụng hồ quang điện và đèn thuỷ ngân.

• Tia X: Đây là những sóng có năng lượng cực cao với bước sóng từ 0.03nm đến 3nm. Tuy nhiên, chúng không dài hơn một nguyên tử là bao. Tia X phát từ các nguồn tạo ra nhiệt độ rất cao như vành nhật hoa của mặt trời, nóng hơn nhiều so với bề mặt mặt trời. Loại sóng này được sử dụng trong y tế để điều trị tế bào ung thư, phá huỷ tế bào thừa như sẹo lồi hay chụp X quang, chấn thương chỉnh hình.

• Tia Gamma: Là sóng điện từ có tần số cao nhất, chỉ được phát ra bởi một số vật thể vũ trụ giàu năng lượng nhất như sao xung, sao neutron, siêu tân tinh và lỗ đen.

• Tia hồng ngoại: Sóng hồng ngoại nằm ở dải tần số trung bình thấp hơn trong phổ điện từ, nằm giữa vi sóng và ánh sáng khả kiến. Tia hồng ngoại thường được ứng dụng trong y học để điều trị bệnh, giúp phá huỷ tế bào bị hỏng/tổn thương hoặc chuẩn đoán bệnh.

• Ánh sáng khả kiến: Nguồn ánh sáng nhìn thấy được trong tự nhiên dễ thấy nhất là ánh sáng mặt trời. Màu sắc khác nhau của vật thể được cảm nhận dựa trên bước sóng ánh sáng mà vật thể hấp thụ và phản xạ.

Sóng điện từ có nhiều ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống - Ảnh: Internet

4. Phân loại sóng điện từ

Các loại sóng điện từ được phân loại thành 4 nhóm như sau:

Sóng cực ngắn

Sóng điện từ cực ngắn có bước sóng từ 1 đến 10m, mang năng lượng cực lớn và không bị hấp thụ hay phản xạ bởi tầng điện ly. Sóng cực ngắn có thể di chuyển qua  tầng điện ly và đi vào vũ trụ nên thường được dùng trong ngành thiên văn để nghiên cứu vũ trụ ngày nay.

Sóng ngắn

Sóng ngắn có bước sóng từ 10 đến 100m, cũng có mức năng lượng lớn. Tuy nhiên, chúng bị phản xạ nhiều lần ở tầng điện li và mặt đất. Do đó, sóng điện từ ngắn thường được ứng dụng trong công tác liên lạc và thông tin dưới mặt đất.

Sóng trung

Sóng điện từ trung có bước sóng từ 100 đến 1000m. Sóng trung bị tầng điện li hấp thụ mạnh vào ban ngày nhưng ban đêm thì hoàn toàn ngược lại. Do đó, chúng thường được dùng trong việc thông tin liên lạc vào ban đêm.

Sóng dài

Sóng dài có bước sóng khoảng hơn 1000m và mức năng lượng khá thấp. Sóng điện từ dài thường bị vật thể trên mặt đất hấp thụ mạnh ngoại trừ môi trường dưới nước. Tính chất này được vận dụng để vận hành tàu ngầm liên lạc, tương tác dưới nước hay biển sâu.

Sóng điện từ và ứng dụng của sóng điện từ bao trùm một khía cạnh thiết yếu trong đời sống thực tiễn. Nhiều ứng dụng của sóng điện từ đã được nhắc đến, từ chiếu sáng, truyền thông liên lạc đến y tế, chăm sóc sức khỏe, thám hiểm,... Có thể nói, sóng điện từ đóng vai trò vô cùng quan trọng.