Sóng điện từ là gì? Các nghiên cứu khoa học về Sóng điện từ

Giới thiệu về sóng điện từ

Sóng điện từ là dao động tự duy trì của trường điện và trường từ vuông góc nhau, lan truyền trong không gian mà không cần môi trường vật chất. Sự tồn tại của sóng điện từ được dự đoán bởi James Clerk Maxwell vào năm 1865, khi ông tổng hợp các định luật điện từ thành bộ phương trình thống nhất. Việc Heinrich Hertz thực nghiệm phát và thu sóng điện từ vào năm 1887 đã chứng minh thực nghiệm lý thuyết của Maxwell, mở ra kỷ nguyên nghiên cứu và ứng dụng sóng điện từ trong khoa học và công nghệ.

Trong vật lý hiện đại, sóng điện từ được xem là xung mang thông tin cơ bản nhất, từ tín hiệu vô tuyến, radar, viễn thông di động đến truyền dẫn dữ liệu quang học và công nghệ chẩn đoán y học như MRI. Sóng điện từ cũng là nền tảng của vật lý lượng tử qua các photon và tương tác vật chất–bức xạ. Vai trò đa dạng của sóng điện từ đã thúc đẩy các lĩnh vực nghiên cứu từ vật lý plasma, thiên văn học vô tuyến đến thiết kế ăng-ten và hệ thống truyền tải công suất không dây.

• Lịch sử: Maxwell (1865) – Hertz (1887) – Marconi và phát thanh vô tuyến đầu thế kỷ 20.
• Ứng dụng công nghiệp: truyền thông, cảm biến, đo lường.
• Ứng dụng y sinh: chẩn đoán hình ảnh, trị liệu bằng sóng vi ba.

Lý thuyết cơ bản và phương trình Maxwell

Bốn phương trình Maxwell trong chân không định nghĩa đầy đủ cách trường điện (E) và trường từ (B) tương tác và biến đổi không gian–thời gian. Tập hợp này gồm phương trình Gauss cho điện, Gauss cho từ, Faraday và Ampère–Maxwell. Từ bốn phương trình, có thể suy ra phương trình sóng dạng:

$\nabla^2 \mathbf{E} - \mu_0\varepsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} = 0,\quad \nabla^2 \mathbf{B} - \mu_0\varepsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{B}}{\partial t^2} = 0$

Phương trình	Biểu diễn	Ý nghĩa
Gauss cho điện	$\nabla\cdot\mathbf{E}=0$	Không nguồn điện nội tại trong không gian tự do
Gauss cho từ	$\nabla\cdot\mathbf{B}=0$	Không tồn tại “đơn cực từ”
Faraday	$\nabla\times\mathbf{E}=-\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}$	Biến thiên từ trường sinh ra điện trường
Ampère–Maxwell	$\nabla\times\mathbf{B}=\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial\mathbf{E}}{\partial t}$	Biến thiên điện trường sinh ra từ trường

Vận tốc lan truyền sóng trong chân không được xác định bởi hằng số điện môi (ε₀) và độ từ thẩm (μ₀) theo công thức $c=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}$, đạt giá trị xấp xỉ 3×10⁸ m/s. Từ lý thuyết này, hằng số c trở thành giới hạn tốc độ truyền thông tin và tương tác vật chất trong vật lý hiện đại.

Tính chất của sóng điện từ

Sóng điện từ là sóng ngang: vectơ cường độ điện trường (E) và vectơ cảm ứng từ (B) luôn vuông góc với nhau và vuông góc với hướng lan truyền của sóng. Tính ngang này phân biệt sóng điện từ với sóng dọc như sóng âm. Việc không cần môi trường nền cho phép sóng điện từ truyền trong chân không cũng như trong các môi trường vật chất với tính khúc xạ và hấp thụ khác nhau.

Độ phân cực mô tả phương hướng dao động của vectơ E. Phổ biến nhất là phân cực tuyến tính, phân cực tròn và phân cực elip, ứng dụng trong radar, truyền hình vệ tinh và quang học. Độ phân cực ảnh hưởng đến hiệu suất thu phát và tính ổn định của liên kết vô tuyến qua khe hở hay địa hình phức tạp.

• Truyền trong chân không, không cần môi trường mang.
• Dạng sóng ngang, vectơ E ⟂ vectơ B ⟂ hướng lan truyền.
• Phân cực: tuyến tính, tròn, elip.

Phổ điện từ

Phổ điện từ phân loại sóng theo bước sóng (λ) và tần số (f), liên quan bởi $c=\lambda f$. Phổ trải dài từ sóng dài (kHz) đến sóng gamma (>10¹⁹ Hz). Mỗi dải tần có tính chất tương tác với vật chất và ứng dụng đặc trưng.

Vùng	Bước sóng	Tần số	Ứng dụng
Sóng dài	> 10 km	< 30 kHz	Đài phát thanh AM tần số rất thấp
Sóng ngắn – trung	10 m – 1 km	300 kHz – 30 MHz	Truyền thanh, viễn thông
Vi ba	1 mm – 1 m	300 MHz – 300 GHz	Radar, lò vi sóng, liên lạc vệ tinh
Ánh sáng khả kiến	380–750 nm	430–790 THz	Quan sát thị giác, quang học
Tia tử ngoại – X – gamma	< 380 nm	> 790 THz	Y học, khối phổ, nghiên cứu vật chất

Đặc tính hấp thụ, phản xạ và khúc xạ của từng dải tần ảnh hưởng trực tiếp đến lựa chọn băng tần trong truyền thông và thiết kế hệ thống cảm biến, đòi hỏi cân nhắc về môi trường truyền dẫn và độ xuyên thấu.

Phương thức lan truyền

Sóng điện từ truyền theo nhiều cơ chế khác nhau tùy thuộc vào tần số, môi trường và cấu trúc địa hình. Với tần số thấp (ELF, VLF), sóng có thể lan truyền xa nhờ cơ chế sóng mặt (ground wave), bám sát bề mặt Trái Đất và ít bị suy giảm. Với tần số trung bình và cao (HF, VHF, UHF), sóng chủ yếu truyền theo đường trực tiếp (line-of-sight) và phản xạ qua điện ly quyển (ionospheric reflection), cho phép liên lạc ngắn và dài tầm.

Trong dải vi ba (microwave), sóng không xuyên qua tầng điện ly mà chủ yếu truyền đường trực tiếp và bị tán xạ mạnh bởi mưa, sương mù. Ở tần số cực cao (EHF, THz), độ hấp thụ trong không khí tăng đáng kể, giới hạn tầm truyền chỉ vài chục mét đến vài kilômét.

• Ground wave: truyền dọc bề mặt, ứng dụng phát thanh tần số thấp.
• Sky wave: phản xạ ionosphere, ứng dụng sóng ngắn (shortwave).
• Line-of-sight: truyền trực tiếp, ứng dụng viễn thông di động, vệ tinh.
• Waveguide: dẫn sóng trong ống kim loại hoặc sợi quang, ứng dụng radar, truyền dẫn cáp.

Tương tác với vật chất

Khi tương tác với môi trường vật chất, sóng điện từ có thể bị hấp thụ, phản xạ, khúc xạ hoặc tán xạ. Độ sâu thâm nhập và mức suy giảm phụ thuộc vào hệ số hấp thụ (absorption coefficient) và hằng số điện môi của môi trường. Ví dụ, sóng vi ba trong lò vi sóng bị nước hấp thụ mạnh, tạo ra hiện tượng nhiệt hóa.

Vật liệu điện môi (dielectric) và dẫn điện (conductor) thể hiện các cơ chế tương tác khác nhau. Trong vật liệu dẫn, sóng sinh ra dòng điện xoáy (eddy current), mất năng lượng qua nhiệt, còn trong dielectrics, năng lượng truyền vào làm phân cực các phân tử, gây tổn thất dielectrics.

Hiện tượng	Vật chất	Đặc tính
Hấp thụ	Nước, sinh phẩm	Chuyển năng lượng thành nhiệt
Phản xạ	Kim loại, gương	Góc tới = góc phản xạ
Khúc xạ	Thủy tinh, nhựa	Đổi hướng lan truyền theo luật Snell
Tán xạ	Khí quyển, bụi	Lan tỏa năng lượng theo nhiều hướng

Phương pháp phát và thu sóng điện từ

An-ten (antenna) là thành phần chủ chốt trong phát và thu sóng. Đối với tần số thấp, các loại anten dây dài (long-wire) hoặc anten khung (loop) được dùng để phát sóng ground wave và sky wave. Với tần số cao, anten microstrip và parabolic dish phổ biến trong hệ thống radar và truyền dẫn vệ tinh.

Bộ tạo dao động (oscillator) và bộ khuếch đại tần số cao (RF amplifier) sinh ra tín hiệu có tần số và công suất mong muốn. Tín hiệu sau khi khuếch đại được điều chỉnh pha, biên độ qua mạch điều chế (modulator) để mang thông tin. Ở thu, tín hiệu được giải điều chế (demodulator), lọc (filter) và chuyển sang dạng số hoặc analog tùy ứng dụng.

• Oscillator: VCO, PLL tạo tín hiệu ổn định.
• Power amplifier: tăng công suất trước anten.
• Filter: băng thông hẹp hoặc rộng tùy chuẩn truyền thông.
• Demodulator: giải mã tín hiệu mang.

Ứng dụng của sóng điện từ

Trong truyền thông, sóng điện từ là nền tảng của vô tuyến, truyền hình, di động, Wi-Fi và liên lạc vệ tinh. Băng tần khác nhau phục vụ mục đích riêng: VHF/UHF cho phát thanh–truyền hình, GHz cho viễn thông di động và radar.

Trong y học, chụp cộng hưởng từ MRI sử dụng sóng vô tuyến và từ trường mạnh để tạo ảnh mô mềm, còn X-quang và tia gamma ứng dụng trong chẩn đoán và xạ trị ung thư. Radar thời tiết sử dụng sóng vi ba để đo lượng mưa và phân bố mây, hỗ trợ dự báo khí tượng.

• Thiết bị di động: 2G–5G, Wi-Fi, Bluetooth.
• Định vị và dẫn đường: GPS, GLONASS.
• Cảm biến: radar vận tốc, lidar khảo sát địa hình.
• Y sinh: MRI, CT, liệu pháp vi sóng.

Hướng nghiên cứu và xu thế tương lai

Băng tần terahertz (0,1–10 THz) đang được phát triển cho truyền tải dữ liệu tốc độ cao và hình ảnh y sinh sắc nét nhờ khả năng xuyên thủy tinh và polymer. Thiết bị THz xuất hiện trong bảo mật (screening) và phân tích vật liệu.

Meta-materials và anten thông minh (reconfigurable antennas) cho phép điều khiển pha, biên độ và phân cực sóng theo thời gian thực, mở ra cơ hội tăng hiệu suất, giảm nhiễu và hỗ trợ công nghệ truyền công suất không dây (wireless power transfer).

• Wireless power transfer: sạc không dây khoảng cách xa.
• Công nghệ 6G: tích hợp sóng mmWave và THz.
• Liên kết vạn vật (IoT): anten nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp.

Tài liệu tham khảo

• NIST. “Fundamentals of Electromagnetic Waves.” Truy cập: nist.gov/pml/fundamentals-electromagnetic-waves.
• NASA. “Electromagnetic Spectrum.” Truy cập: science.nasa.gov/ems/01_intro.
• IEEE. “IEEE Standard on Electromagnetic Wave Theory.” Truy cập: standards.ieee.org/IEEE_Std_145-2013.
• Born, M., & Wolf, E. Principles of Optics. 7th ed. Cambridge University Press; 1999.
• Jackson, J. D. Classical Electrodynamics. 3rd ed. Wiley; 1998.