Sóng điện từ &ứng dụng của nó (lò vi sóng)

 
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
ĐỀ TÀI SỐ:01
GVHD: Cô Nguyễn Như Sơn Thủy
Khoa:Kỹ thuật Địa chất-Dầu khí
ĐỀ TÀI 1
Sự tạo thành sóng điện từ. Các ứng dụng của sóng điện từ: Lò vi sóng.

Nhóm: 01
Nhóm sinh viên thực hiện:
A, Sự tạo thành sóng điện từ.
1, Sóng điện từ được hình thành như thế nào?
a, Điện từ trường qua 2 luận điểm của maxwell:

Khi đặt một vòng dây dẫn kín vào trong từ trường vector B biến thiên, thì trong vòng dây dẫn sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng, có chiều tuân theo định luật Lenx. Dòng điện xuất hiện ở đây có các điện tích dịch chuyển theo quỹ đạo kín dưới tác dụng của 1 lực nào đó. Dòng điện cảm ứng mang năng lượng như vậy lực tác dụng không phải lực tĩnh điện.
Maxwell cho rằng dòng điện cảm ứng này xuất hiện bởi các điện tích dịch chuyển theo 1 đường cong kín dưới tác dụng của điện trường lạ (phi tĩnh điện) vector E có đường sức khép kín. Điện trường này gọi là điện trường xoáy. Theo Maxwell, nguyên nhân xuất hiện điện trường xoáy là do có vector từ trường B biến thiên. Từ đó ông đi điến kết luận 1:
“Mọi từ trường biến thiên theo thời gian đều sinh ra một điện trường xoáy. “
- Điện trường xoáy rõ ràng không phải là trường tĩnh điện nó là một điện trường biến thiên theo t.
Luận điểm thứ nhất của Maxwell có thể biểu diễn dưới dạng định lượng bằng 1 pt gọi là pt Mawxell – Faraday: cho biết mối liên hệ giữa biến thiên từ thông trong diện tích mặt cắt của một vòng kín và điện trường cảm ứng dọc theo vòng đó.
Với: vector E là cường độ điện trường xoáy xuất hiện trong mạch
dS là một phần tử vô cùng bé của vòng kín
∂B/∂t là biến thiên từ thông.
Luận điểm 1
Luận điểm 2:
Thực hiện một thí nghiệm: Nguồn điện một chiều mắc nối tiếp với tụ điện C chứa đầy điện môi và một bóng đèn Đ. Thực nghiệm chứng minh bóng đèn Đ không sáng. Khi thay dòng 1 chiều bằng 1 dòng xoay chiều đèn Đ sáng.
Mạch điện ở đây được khép kín như thế nào?
C
Đ
U
 
Theo quan điểm của Maxwell bất kỳ một dòng điện nào cũng đều phải khép kín. Ông cho rằng dòng điện xoay chiều đã được khép kín ở giữa 2 bản tụ bằng điện trường biến thiên vector D xuất hiện ở 2 bản tụ đó, và coi rằng điện trường biến thiên này làm xuất hiện một dòng điện, gọi là dòng điện dịch để khép kín mạch. Khác với dòng điện dẫn (dòng các điện tích chuyển động có hướng), dòng điện dịch này không gây ra hiệu ứng Jun – Lenx và không chịu tác động của từ trường ngoài.
Nhưng cũng theo Mawxell, 2 dòng điện này giống nhau ở chỗ nó gây ra từ trường. Từ đó ông xác nhận luận điểm thứ 2:
“ Mọi điện trường biến thiên theo thời gian đều làm xuất hiện một từ trường biến thiên.”
Theo luận điểm này từ trường không chỉ do dòng diện dẫn sinh ra mà còn dòng điện dịch nữa, do đó để tính từ trường người ta đưa vào khái niệm dòng điện toàn phần:
 
Công thức của dòng diện toàn phần như sau:
Xét một dòng điện biến thiên chạy trong dây dẫn hình trụ và xét một tiết diện thẳng góc S bất kì có chu vi là một đường cong kín l áp dụng định lí Ampere về dòng điện toàn phần ta có:
S: diện tích bản tụ
Đây là phương trình Maxwell – Ampere áp dụng về dòng điện toàn phần: Nó biểu diễn mối liên hệ định lượng giữa vector từ trường H và các dòng diện dẫn, dòng điện dịch gây ra từ trường đó.
Trường điện từ
Maxwell đã tìm được mối liên hệ sâu sắc giữa điện trường và từ trường biến thiên theo thời gian: Từ trường biến thiên và điện trường biến thiên không tách biệt nhau mà thống nhất lại thành trường điện từ. Ta viết được:
Năng lượng của trường điện từ bao gồm năng lượng của điện trường và năng lượng của từ trường tạo thành nó.
Ta viết lại thành:
Đi tới biểu thức năng lượng cho trường điện từ trong thể tích không gian có trường như sau:
b, Sự hình thành sóng điện từ
Vào những năm 1887-1889, Heirich Hetz đã kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm lý thuyết điện từ của Maxwell. Ông nhận thấy các sóng điện từ có thể phản xạ, khúc xạ, hội tụ hoàn toàn như Maxwell đã tiên đoán trên cơ sở hệ phương trình điện từ của mình những năm 1964 – 1973.
Hezt dùng 1 nguồn điện xoay chiều cao tần nối qua 2 ống dây tự cảm đến 2 thanh kim loại ở đầu có gắn 2 quả cầu kim loại A và B. Như vậy, giữa AB đã xuất hiện một điện từ trường biến thiên theo thời gian. Nếu dùng các dụng cụ phát hiện, ta sẽ thấy tại mọi điểm trong không gian quanh AB có xuất hiện cả điện trường và từ trường biến thiên theo t.
Thí nghiệm của Hezt đã xác nhận có trường điện từ biến thiên lan truyền trong không gian. Quá trình này được giải thích dựa vào 2 luận điểm của Maxwell.
Giả sử tại một điểm nào đó ta tạo một điện trường biến thiên theo thời gian t.
Theo luận điểm thứ 2 của Mawxell, điện từ trường biến thiên này sẽ làm xuất hiện các từ trường biến thiên tại các điểm lân cận. Các từ trường biến thiên này, đến lượt mình , lại tạo ra các điện trường biến thiên phù hợp với luận điểm thứ nhất của Mawxell. Cứ như thế, từng cặp vector E, vector B,... hợp nhất tạo thành trường điện từ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng, gọi là sóng điện từ.
Heinrich Rudolf Hertz (22 tháng 2 năm 1857 - 01 tháng 1 năm 1894) là một nhà vật lý người Đức, là người làm sáng tỏ và mở rộng lý thuyết điện từ của ánh sáng đã được đề ra bởi James Clerk Maxwell. Ông là người đầu tiên chứng minh thỏa đáng sự tồn tại của sóng điện từ bằng cách chế tạo một thiết bị để phát và thu sóng vô tuyến VHF hay UHF. Tên của ông được dùng đặt tên cho đơn vị đo tần số Hertz viết tắt là Hz.

2, Phân loại sóng và một số ứng dụng của sóng điện từ:

Sóng vô tuyến
(sóng radio)
Vi ba
Tia hồng ngoại
Ánh sáng
Tử ngoại
Tia X
Sóng vô tuyến là một kiểu bức xạ điện từ với bước sóng trong phổ điện từ dài hơn ánh sáng hồng ngoại. Sóng vô tuyến có tần số từ 3 kHz tới 300 GHz, tương ứng bước sóng từ 100 km xuống 1 mm.
Sóng vô tuyến do con người tạo nên dùng cho radar, phát thanh, liên lạc vô tuyến di động và cố định và các hệ thống dẫn đường khác.

Vi ba, còn gọi là tín hiệu tần số siêu cao (SHF), có bước sóng khoảng từ 1 cm đến 30 cm.
Dùng trong nấu ăn, thiết bị dò tìm, súng bắn tốc độ,...
Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng từ 700 nanômét tới 0,1 milimét. Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0oK đều phát ra tia hồng ngoại.
Được ứng dụng nhiều trong đời sống: sưởi ấm, đun nấu, chụp ảnh quay phim ban đêm, remote....
Là các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ trải đều từ đỏ đến tím được nhìn thấy bằng mắt thường (tức là từ khoảng 400 nm đến 700 nm).
Đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành sự sống và phát triển của thực vật,...
Tia tử ngoại có bước sóng từ 10 đến 380 nm. Những vật có nhiệt độ trên 2000 oC đều có phát ra tia tử ngoại. Mặt trời là nguồn phát tia tử ngoại mạnh. Tử ngoại được ứng dụng tìm vết xước trên bề mặt sản phẩm, chữa bệnh, tiệt trùng,...
Tia X có bước sóng trong khoảng từ 0,01 đến 10 nanômét. Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia Gamma.
Tia X có khả năng xuyên qua nhiều vật chất nên thường được dùng trong chụp ảnh y tế, nghiên cứu tinh thể, kiểm tra hành lý hành khách trong ngành hàng không.
Tia gamma
Tia gamma có bước sóng nhỏ hơn 10 picômét.
Được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực y học và sinh học,...
GIỚI THIỆU
Lò vi sóng (Microwave oven – sóng cực ngắn) hiện nay được sử dụng rộng rãi trong bếp của nhiều gia đình cũng như tại công sở, trường học.... Bởi lẽ công dụng của nó rất tiện lợi, vì thực phẩm được nấu nhanh chóng lại tốn ít nhiên liệu, đặc biệt phù hợp đối với người Việt thường có thói quen ăn nóng
B, Lò Vi Sóng - Một trong những ứng dụng của sóng điện từ.
Lò vi ba (vi sóng) và lợi ích mà nó mang lại phục vụ tích cực cho đời sống con người, tuy nhiên cũng như mọi sáng chế của khoa học, lò cũng có những rủi ro, bất lợi nhất định, để "làm chủ" được chúng thì không phải ai cũng có thể.
Để biết rõ hơn về bếp nấu hiện đại này, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu qua:
1, Khái niệm và lịch sử ra đời của lò vi sóng.
­Lò vi ba (còn được gọi là lò vi sóng) là một thiết bị ứng dụng sóng vi ba để nấu chín thức ăn
Khái niệm
Lịch sử ra đời của lò vi sóng
Có nhiều giả thiết dược đặt ra:
Nam tước Spencer, kỹ sư vật lý hãng Raytheon - một trong những hãng chế tạo radar lớn nhất thế giới - nhận thấy rằng năng lượng toả ra trong các ống sử dụng cho radar tạo ra nhiệt
Năng lượng điện từ này làm ông nảy ra một ý: ông lấy một nắm bắp khô gói vô trong một tờ giấy rồi đặt gói bắp vô trong range của ống thì tức khắc những hạt bắp nổ thành bắp rang.
Sau đó ông phát triển thành một chương trình áp dụng cho nhà bếp và giới thiệu lò vi ba đầu tiên theo kiểu này. Lúc đó nó có tên là Radarange (do chữ Radar và Range). Máy này có công suất 1.600 watt. Nặng, cồng kềnh và đắt tiền, lúc đầu dùng cho bệnh viện và căngtin quân đội
.Mãi đến năm 1967 hãng Amana, một chi nhánh của Raytheon mới đưa các lò micro-waves ra thị trường.
Gồm 4 phần chính:
Magnetron là máy phát sóng cao tần( sóng vi ba) có công suất lớn, sóng vi ba được tạo ra từ một bộ dao động điện tử và được khuếch đại nhờ magnetron hoạt động như một đèn điện tử 3 cực.
Nó gồm một hình trụ rỗng bằng kim loại gồm một cực dương anode trong đó người ta đặt những lỗ hổng cộng hưởng để làm tăng tần số từ 50 Hz lên 2450 Hz . Đối với mạch cộng hưởng trị số của cuộn co bin và tụ điện sẽ xác định tần số.
Ở giữa trụ rỗng là âm cực (catốt) trong đó có một dây để đốt nóng (filament).
Bên trong magnetron là chân không, giữa điện cực âm và dương người ta dùng hiệu điện thế khoảng 2300 volt để tạo từ trường. Từ trường này làm di chuyển các electron từ cực âm sang cực dương.
Mạch điều khiển nam châm điện (microcontroller).
Khác với nam châm vĩnh cửu có cảm ứng từ cố định, nam châm điện có cảm ứng từ có thể thay đổi được nhờ việc điều khiển dòng điện chạy qua cuộn dây.
Ống dẫn sóng (waveguide).
Ống dẫn sóng là các thiết bị dùng để truyền dẫn sóng, như sóng điện từ (bao gồm ánh sáng) hay sóng âm. Tùy theo loại sóng mà ống dẫn sóng được thiết kế chuyện biệt; ví dụ:ống dẫn sóng điện từ,cáp quang,ống dẫn sóng âm.
Đối với lò vi sóng ta dùng ống dẫn sóng điện từ.
Các ống dẫn sóng có thể được cấu tạo từ các ống kim loại rỗng, hoặc từ các ống chất điện môi rỗng hoặc đặc. Các đường cáp điện như cáp đồng trục cũng có thể coi là các dạng của ống dẫn sóng.
Sóng lan truyền trong ống dẫn sóng, có thể coi là do bị phản xạ qua lại giữa các thành ống (phản xạ trên bề mặt kim loại hay phản xạ toàn phần trên bề mặt điện môi), khiến cho năng lượng sóng điện từ được dẫn truyền trong lòng ống.
Buồng nấu(usable space).
Ngăn nấu là một lồng Faraday gồm kim loại hay lưới kim loại bao quanh, đảm bảo cho sóng không lọt ra ngoài. Lưới kim loại thường được quan sát ở cửa lò vi sóng. Các lỗ trên lưới này có kích thước nhỏ hơn nhiều bước sóng (12 cm), nên sóng vi ba không lọt ra, nhưng ánh sáng(ở bước sóng ngắn hơn nhiều) vẫn lọt qua được, giúp quan sát thức ăn bên trong
3, Nguyên tắc hoạt động của lò vi sóng
Lò vi sóng hoạt động dựa trên nguyên lý mạch cộnghưởng LC.
Trong lò vi sóng ,sóng vi ba được sinh ra từ nguồn magnetron, sóng có tần số cỡ 2500 MHz tức là bước sóng cỡ trên 10cm, mạnh cỡ 500 W .Sau đó, sóng được dẫn theo ống dẫn sóng, vào ngăn nấu rồi phản xạ qua lại giữa các bức tường của ngăn nấu, và bị hấp thụ bởi thức ăn.
Các phân tử thức ăn thường ở dạng lưỡng cực điện (có một đầu tích điện âm và đầu kia tích điện dương).

Những lưỡng cực điện này có xu hướng quay sao cho nằm song song với chiều điện trường ngoài. Khi điện trường dao động, các phân tử bị quay nhanh qua lại. Dao động quay được chuyển hoá thành chuyển động nhiệt hỗn loạn qua va chạm phân tử, làm nóng thức ăn.
Tiết kiệm năng lượng
Giảm thời gian nấu
Thực phẩm giữ được nhiều chất dinh dưỡng và hương vị nguyên thủy.
Không cần pha thêm dầu, mỡ
Dễ lau chùi sạch sẽ
Không tạo ra hơi nóng trong bếp
Dùng ít nước nên món ăn mất rất ít chất dinh dưỡng
Hiệu quả khi sử dụng lò vi sóng
Rã đông thực phẩm mau hơn khi để ra ngoài không khí
Hâm nóng món ăn dư mà không sợ món ăn khô cháy hoặc dính với nhau mà hương vị vẫn còn nguyên.
Bức xạ điện từ của lò vi sóng chỉ khoảng 2,4 GHz , vật liệu bọc phủ lò cũng có chất chống tia phóng xạ nên nhìn chung, lò vi sóng ít gây ảnh hưởng đến môi trường cũng như sức khỏe con người.
5, Những hạn chế khi sử dụng lò vi sóng và cách khắc phục.
Chỉ sử dụng các vật dụng có chất liệu như sành sứ, gốm, thuỷ tinh, hoặc giấy chuyên dụng, không  sử dụng các đồ dùng bằng kim loại để đựng thức ăn khi cho vào quay trong lò vi sóng  để tránh nguy cơ cháy nổ do phóng tia lửa điện.
Không cho lò hoạt động khi không có thức ăn hoặc nước trong lò vì sóng không được hấp thụ bởi thức ăn sẽ tiếp tục được phản xạ qua lại và phá hủy lò, do đó, nên thường xuyên để trong lò một cốc nước.
Những thức ăn có vỏ hoặc màng mỏng, thể tích bên trong khi nóng lên sẽ có áp suất tăng, dễ gây hiện tượng phát nổ, do đó, cần phải xăm lỗ, bốc vỏ để tránh hiện tượng này.
Một số chất độc, có thể gây bệnh nguy hiểm như ung thư, từ bao gói chất dẻo và mực in nhãn bao như adipate, phtalate, benzophenone có thể lẫn sang thức ăn khi đun nấu bằng lò vi sóng, do đó, cần tách bao bì khỏi thức ăn trước khi cho vào lò vi sóng.
Không dùng lò vi sóng để nấu thịt lợn ướp hoặc thăn lợn hun khói, những thực phẩm này chứa nhiều nitrit, nếu được đun bằng lò vi sóng, nitrit sẽ trở thành các nitrosamin - những phân tử gây ung thư rất mạnh
Lò vi ba có công suất khá lớn, do đó, không nên vận hành lò cùng lúc với nhiều vật dụng có công suất lớn khác
Không nên bật lò vi sóng trong phòng có điều hòa nhiệt độ,  không đặt lò vi sóng gần tivi hoặc radio, đặt lò cách xa bếp gas hoặc các thiết bị khác có sinh nhiệt độ cao
The End.
Cảm ơn thầy cô và các bạn đã chú ý lắng nghe!