Thông tin tài liệu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành Sư phạm Vật Lý
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐIỆN, TỪ TRONG THẾ KỈ
THỨ XX VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN
1.1.1.1.1.1.1.1
Giáo viên hướng dẫn:
ThS LÊ VĂN NHẠN
Sinh viên thực hiện:
LÊ THANH TÂN
MSSV: 1100253
Lớp: SP Vật Lý K36
Cần Thơ, 5/2014
[Type text]
[Type text] [Type text]
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
A. MỞ ĐẦU ............................................................................................................................1
B. NỘI DUNG ..........................................................................................................................3
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT. ....................................................................................3
1.1. TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỪ - THUYẾT TRƯỜNG ĐIỆN TỪ. ........................................3
1.1.1. Tương tác tĩnh điện. ......................................................................................................3
1.1.1.1. Điện tích. .....................................................................................................................3
1.1.1.2. Cấu trúc của vật chất...................................................................................................4
1.1.1.3. Định luật Coulomb......................................................................................................6
1.1.1.4. Điện trường và lực điện. .............................................................................................6
1.1.1.5. Véctơ cường độ điện trường.......................................................................................7
1.1.1.6. Véctơ cảm ứng điện. ...................................................................................................8
1.1.1.7. Nguyên lý chồng chất điện trường. ............................................................................9
1.1.1.8. Đường sức điện trường – định luật Gauss cho điện trường. ....................................9
1.1.1.9. Năng lượng điện trường. ..........................................................................................12
1.1.2. Tương tác tĩnh từ. ........................................................................................................13
1.1.2.1. Từ tích - đơn cực từ : ................................................................................................13
1.1.2.2. Định luật Ampere về tương tác giữa hai yếu tố dòng .............................................14
1.1.2.3. Từ trường và lực từ. ..................................................................................................15
1.1.2.4. Véctơ từ trường. ........................................................................................................15
1.1.2.5. Nguyên lý chồng chất từ trường. .............................................................................16
1.1.2.6. Đường cảm ứng từ. ...................................................................................................17
1.1.2.7. Định luật Gauss cho từ trường. ................................................................................17
1.1.2.8. Năng lượng từ trường. ..............................................................................................18
1.1.2.9. Mật độ năng lượng từ trường ...................................................................................19
1.2. ĐIỆN TỪ TRƯỜNG. .....................................................................................................20
1.2.1. Từ trường biến thiên - nguồn sinh ra điện trường. ....................................................20
1.2.1.1. Định luật Faraday về cảm ứng điện từ.....................................................................20
1.2.1.2. Luận điểm thứ nhất của Maxwell. ...........................................................................21
1.2.1.3. Định luật mp r về lưu th ng từ trường. .............................................................23
1.2.1.4. Khái niệm về dòng điện dịch - luận điểm thứ hai của Maxw ll. ...........................23
1.2.2. Trường điện từ - m i trường vật chất. ........................................................................25
1.2.3. Hệ phương trình Maxw ll. ..........................................................................................26
1.3. ĐIỆN MÔI, TỪ MÔI. ....................................................................................................27
1.3.1. Điện môi. ......................................................................................................................27
1.3.1.1. Hiện tượng phân cực điện môi. ................................................................................27
1.3.1.2. Giải thích hiện tượng phân cực điện môi. ...............................................................27
1.3.1.3. Điện trường trong chất điện môi. .............................................................................28
1.3.2. Từ m i. .........................................................................................................................29
1.3.2.1. Sự từ hóa các chất, cảm ứng từ trong từ m i. .........................................................29
1.3.2.2. Vécto từ hóa. .............................................................................................................30
1.3.2.3. Cường độ từ trường trong từ m i. ............................................................................30
1.3.3. Thuận từ, nghịch từ, sắt từ. .........................................................................................31
1.3.3.1. Thuận từ, nghịch từ. ..................................................................................................31
1.3.3.2. Giải thích sự từ hóa của các chất thuận từ...............................................................33
1.3.3.3. Giải thích sự từ hóa của các chất nghịch từ.............................................................33
1.3.3.4. Sắt từ ..........................................................................................................................34
Trang ii
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
1.4. HẠT CHUYỂN ĐỘNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG, TỪ TRƯỜNG. .........................36
1.4.1. Điện tích trong điện trường .........................................................................................36
1.4.2. Hạt chuyển động trong từ trường đều. .......................................................................36
CHƯƠNG 2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐIỆN TỪ HỌC TRONG THẾ KỈ XX .........38
2.1. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ ĐIỆN TỪ HỌC THỜI KÌ SƠ KH I ĐẾN THẾ KỈ XX .........38
2.1.1. 600 trước C ng nguyên – 1599 ..................................................................................38
2.1.2. Giai đoạn 1600 – 1799 ................................................................................................39
2.1.3. Giai đoạn 1800 - 1899 .................................................................................................42
2.2. LỊCH SỬ ĐIỆN TỪ HỌC THẾ KỈ XX. .......................................................................51
2.2.1. Giai đoạn 1900-1909. ..................................................................................................51
2.2.2. Giai đoạn 1910-1929. ..................................................................................................54
2.2.3. Giai đoạn 1930-1939. ..................................................................................................58
2.2.4. Giai đoạn 1940-1959. ..................................................................................................61
2.2.5. Giai đoạn 1960-1979. ..................................................................................................65
2.2.6. Giai đoạn 1980-2003. ..................................................................................................69
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG ĐIỆN TỪ HỌC TRONG THÔNG TIN LIÊN LẠC. ......73
3.1. V I TRÒ THÔNG TIN LIÊN LẠC ĐỐI VỚI CUỘC SỐNG. ..................................73
3.2. Tín hiệu. ..........................................................................................................................73
3.2.1. Tín hiệu mors . ............................................................................................................73
3.2.2. Tín hiệu vệ tinh và Radio. ...........................................................................................75
3.3. ĐIỆN THOẠI. ................................................................................................................76
3.3.1. Lịch sử điện thoại. ......................................................................................................76
3.3.2. Điện thoại di động. ......................................................................................................77
3.3.2.1. Tiện ích của điện thoại di động. ...............................................................................77
3.3.2.2. Các đặc điểm chính của th ng tin di động. .............................................................77
3.3.2.3. Nguyên tắc hoạt động. ..............................................................................................79
3.3.2.4. Nguồn phát tín hiệu...................................................................................................79
3.3.2.5. Mã hóa và điều chế dữ liệu. .....................................................................................79
3.3.2.6. Điều chế dữ liệu. .......................................................................................................80
3.3.2.7. Lấy mẫu tín hiệu analog. ..........................................................................................80
3.3.2.8. Lượng tử hoá tín hiệu. ..............................................................................................80
3.3.2.9. Nguồn thu tín hiệu - chuyển đổi tín hiệu digital thành tín hiệu analog. ................81
3.3.2.10. Các tần số. ...............................................................................................................81
3.3.2.11. Sự chuyển giao. .......................................................................................................82
3.3.2.12. Các cod của điện thoại di động. ...........................................................................82
3.3.2.13. ĐTDĐ và CB Radio(C ll Phon s and CBs). ........................................................83
3.3.2.14. Phần bên trong của một chiếc ĐTDĐ (Insid a C ll Phon ). ..............................84
3.3.2.15. AMPS - Advanced Mobile Phone System (dịch vụ điện thoại di động cải tiến)85
3.3.2.16. long com s digital (kĩ thuật số). ..........................................................................85
3.3.2.17. C llular acc ss t chnologi s (c ng nghệ truy cập di động). ................................86
3.3.2.18. C llular cc ss T chnologi s: FDM (phân chia tần số truy cập nhiều). .........86
3.3.2.19. C llular cc ss T chnologi s: TDM (phân chia thời gian truy cập nhiều). ....87
3.4. THÔNG TIN VŨ TRỤ - VỆ TINH TRUYỀN THÔNG. ............................................87
3.4.1. Giới thiệu. ....................................................................................................................87
3.4.2. Nguyên lý hoạt động. ..................................................................................................88
3.4.3. Các loại quỹ đạo chuyển động của vệ tinh nhân tạo. ................................................88
Trang iii
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
3.4.3.1. Quỹ đạo địa tĩnh. .......................................................................................................88
3.4.3.2. Quỹ đạo trái đất thấp.................................................................................................89
3.4.3.3. Quỹ đạo Molniya. .....................................................................................................90
3.4.4. Phân loại vệ tinh nhân tạo. ..........................................................................................91
3.4.5. Ứng dụng của vệ tinh. .................................................................................................92
3.4.5.1. Điện thoại. .................................................................................................................92
3.4.5.2. Truyền hình vệ tinh. ..................................................................................................92
3.4.5.3. Vệ tinh dịch vụ cố định.............................................................................................93
3.4.5.4. Vệ tinh phát sóng trực tiếp. ......................................................................................93
3.4.5.5. C ng nghệ vệ tinh di động. ......................................................................................93
3.4.5.6. Radio vệ tinh. ............................................................................................................94
3.4.5.7. Radio nghiệp dư. .......................................................................................................94
3.4.5.8. Vệ tinh Int rn t .........................................................................................................95
3.4.5.9. Ứng dụng trong quân đội..........................................................................................95
3.4.5.10. Dẫn đường. ..............................................................................................................95
3.4.6. Lịch sử phát triển. ........................................................................................................95
3.4.6.1. Vệ tinh nhân tạo đầu tiên. .........................................................................................95
3.4.6.2. Lịch sử ban đầu của chương trình vệ tinh nhân tạo Hoa Kỳ. .................................95
3.4.7. Các nước có khả năng phóng vệ tinh nhân tạo. .........................................................99
C. TÀI LIỆU TH M KHẢO. ............................................................................................. 102
Trang iv
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
A. MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.
Vật lý học là cơ sở quan trọng của nhiều ngành kỹ thuật và công nghệ. Sự
phát triển của khoa học Vật lý gắn bó chặt chẽ, có tác động qua lại, trực tiếp với sự
tiến bộ của khoa học, kỹ thuật công nghệ. Vì vậy, những hiểu biết và nhận thức về
Vật lý có giá trị to lớn trong đời sống và sản xuất, đặc biệt trong cuộc sống hàng
ngày.Nhìn về lịch sử phát phát triển của nghành vật lý nói chung và lịch sử của
điện, từ nói riêng ta thấy sự phát triển ấy vượt bậc là từ thế kỉ thứ XX. Từ những
hiểu biết về Vật lý đó con người đã có những nghiên cứu, khám phá thế giới tự
nhiên và đồng thời, với những nhận thức đó con người đã phát minh ra nhiều thứ
thiết yếu phục vụ cho cuộc sống của con người hiện tại và trong tương lai. Và một
trong những phát minh, khám phá vĩ đại đó mà t i muốn nhắc đến ở đây là “thông
tin liên lạc dựa trên hai mảng lớn của vật lý là điện và từ”. Với những lý thuyết cơ
bản về điện từ con người đã tạo nên những bước tiến quan trọng trong lịch sử phát
triển khoa học công nghệ.
Với lý do trên nên trong quá trình tìm kiếm đề tài luận văn tốt nghiệp, tôi
đã quyết định chọn đề tài “Lịch sử phát triển điện, từ trong thế kỉ thứ XX và ứng
dụng trong thông tin”.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU.
Thông qua việc nghiên cứu đề tài này giúp t i có được kiến thức vững vàng hơn
về các lý thuyết liên quan đến điện từ, lịch sử phát triển và những nguyên tắc sử dụng
lý thuyết đó trong khoa học kỉ thuật đặt biệt là trong thông tin liên lạc.
3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU.
Lý thuyết về điện và từ.
Các sách khoa học liên quan đến điện, từ học.
Các sách kĩ thuật c ng nghệ.
4. CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên quan đến điện và từ.
Nhìn về bước tiến trong lịch sử phát triển
5. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH.
Bước 1: Nghiên cứu lý thuyết.
Bước 2: Tìm hiểu trong giai đoan có những phát hiện gì.
Bước 3:Tìm hiểu trong giai đoạn hiện nay trong lĩnh vực thông tin hiện đại và
phổ biến nhất là gì.
Bước 4: Thu thập phân tích nội dung.
Trang 1
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Bước 5: Hoàn thành đề tài.
6. ỨNG DỤNG.
Điện từ học là hai phần quan trọng của vật lý đại cương và vật lý kĩ thuật nắm
được các kiến thức, nguyên tắc và những đặt tính kĩ thuật cơ bản để giải thích một số
hiện tượng, phân tích, nghiên cứu các đối tượng có liên quan.
7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến bản chất điện từ,
hiện tượng ngoài thực tế liên quan đến nội dung nghiên cứu.
Nghiên cứu các bài viết, tài liệu liên quan.
8. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI.
Nghiên cứu các khái niệm cơ bản, bản chất của điện từ th o các quan điểm khác
nhau.
Sự phát hiện mới về các hiện tượng có trong giai đoạn nghiên cứu và ứng dụng
thực tại thời điểm tìm ra cái mới.
Nghiên cứu khái niệm, nguyên lý và đặc tính của các ứng dụng trong thông tin.
9.
-
CÁC THUẬT NGỮ QUAN TRỌNG.
Frequency Division multiplexing: phân chia tần số: FDM.
Time Division multiplexing: kênh phân thời gian đồng bộ: TDM.
Đầu thu kĩ thuật số: VSAT.
(Mobil T l phon Switching Offic ) văn phòng chuyển mạch di động: MTSO.
-
(Code Division Multiple Access) đa truy nhập (đa người dùng) phân chia th o mã:
CDMA.
-
(Time division multiple access) thời gian truy nhập đồng đều: TDMA
Điện thoại di động: ĐTDĐ.
Email: thư điện tử.
Dịch vụ điện thoại di động cải tiến: AMPS.
Máy thu hình: TV.
Điều chế biên độ xung: PAM.
Tín hiệu số: PCM.
Kĩ thuật số: KTS.
Code: mã.
Mã nhận diện bảo mật: Sid.
Mobile Telephone Switching Office: trung tâm chuyển giao.
long com s digital: kĩ thuật số.
Cellular access technogies: công nghệ truy cập.
-
-
Trang 2
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
B. NỘI DUNG
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
1.1. TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỪ - THUYẾT TRƯỜNG ĐIỆN TỪ.
Cùng với sự phát triển của nhân loại, Vật lý cũng đã chuyển mình bước sang một
trang mới. Cùng với đó là sự phát triển của các học thuyết về tương tác điện từ, đặc
biệt đó là sự ra đời của học thuyết về trường điện từ một học thuyết mà th o như lời
nhà Vật Lý Richard F yman “kh ng còn nghi ngờ gì nữa, trong một vạn năm nữa, hậu
thế vẫn sẽ coi phát hiện về các định luật của điện động lực học như một phát hiện lớn
nhất của thế kỷ XIX. So với nó cuộc chiến tranh ly khai ở Mỹ chỉ như một sự kiện ở
tỉnh lẻ”
1.1.1. Tương tác tĩnh điện.
1.1.1.1. Điện tích.
Có rất nhiều hiện tượng điện vậy phải chăng chúng rời rạc với nhau, các vật cọ
xát vào nhau có thể hút lẫn nhau vậy chúng ta có thể phân chia chúng như thế nào?
Bằng nhiều thí nghiệm chúng ta nhận thấy có 2 loại điện: “điện thủy tinh” sinh ra
trong thủy tinh, ngọc thạch l n dạ khi có ma sát và “điện nhựa cây” sinh ra trong nhựa
cây, hổ phách tơ lụa.
Giả sử chúng ta chọn “điện thủy tinh” là đại diện của loại , và “điện nhựa cây”
đại diện cho loại B. Và 2 loại điện tích này hút nhau. Bây giờ chúng ta sẽ thấy là
kh ng có “loại C”. Bất kì vật nào được làm cho nhiễm điện bằng bất cứ phương pháp
nào thuộc loại , hút các vật mà hút và đẩy các vật mà đẩy, hoặc là thuộc loại B,
có cùng tính chất hút và đẩy như B. Hai loại, và B, lu n lu n biểu hiện tương tác
ngược nhau. Nếu như biểu hiện lực hút đối với một số vật tích điện, thì B chắc chắn
sẽ đẩy nó ra xa, và ngược lại.
Như vậy đến đây chúng ta có thể khẳng định chính xác rằng chỉ có 2 loại nhóm
đó là nhóm“điện nhựa cây” và nhóm “điện thủy tinh”.
Nhà bác học B njamin Franklin (1706-1790) đã đề nghị gọi hai loại điện tích đó
lần lượt là điện tích âm và điện tích dương, và các tên đó vẫn đang được sử dụng ngày
nay. Điện tích dương là nhóm “điện thủy tinh” và điện tích âm là nhóm “điện nhựa
cây”. Hai điện tích dương hoặc hai điện tích âm đẩy nhau. Một điện tích dương và một
điện tích âm hút nhau.
Trang 3
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Hình 1.1: Sự nhiễm điện của các vật.
Hình trên chỉ ra hai thanh nhựa dẻo và một tấm da thú. Sau khi chúng ta tích
điện cho mỗi thanh nhựa bằng cách cọ sát nó với tấm da thú đó, thì chúng ta thấy
rằng các thanh nhựa đó sẽ đẩy nhau (hình b). Khi chúng ta cọ sát các thanh thuỷ tinh
(hình c) với một tấm lụa, thì các thanh thuỷ tinh đó cũng trở nên bị nhiễm điện và đẩy
nhau (hình d). Nhưng một thanh nhựa bị nhiễm điện lại hút một thanh thuỷ tinh bị
nhiễm điện (hình e). Hơn thế nữa, thanh nhựa dẻo và tấm da thú đó lại hút nhau, và
thanh thuỷ tinh và tấm lụa đó cũng hút nhau.
1.1.1.2. Cấu trúc của vật chất.
Khi chúng ta tích điện cho một thanh bằng cách cọ sát nó với một tấm da l ng thú
hay tấm lụa như thì kh ng có sự thay đổi có thể nhìn thấy ở bên ngoài của thanh đó.
Khi ấy chuyện gì thực sự xảy ra đối với thanh đó khi chúng ta tích điện cho nó?
Để trả lời câu hỏi này, chúng ta phải x m xét tỉ mỉ, chi tiết hơn nữa cấu trúc và
các đặc tính điện của các nguyên tử tạo lên tất cả các loại vật chất th ng thường. Cấu
trúc của các nguyên tử có thể được m tả dưới dạng ba loại hạt: electron mang điện
tích âm, proton mang điện tích dương, và notron kh ng mang điện.
Các proton và các notron trong một nguyên tử cấu thành một lõi nhỏ rất đậm đặc
được gọi là hạt nhân, với kích thước vào khoảng 10-15 m. Xung quanh hạt nhân là các
l ctron, trải rộng tới những khoảng cách vào khoảng 10 -10m từ hạt nhân. Nếu một
nguyên tử có kích thước khoảng một vài km, thì hạt nhân của nó sẽ có kích thước của
một quả bóng t nis.
Với sự chính xác được biết hiện nay, khối lượng của các hạt riêng lẻ đó là:
Khối lượng của l ctron me = 9,10938188(72).10-31 kg
Khối lượng của proton mp = 1,67262158(13).10-27kg
Khối lượng của notron mn = 1,67492716(13).10-27kg
Trang 4
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Điện tích âm của l ctron (trong phạm vi sai số thực nghiệm) chính xác có cùng
độ lớn với điện tích dương của proton.
Trong một nguyên tử trung hoà thì số l ctron bằng số proton trong hạt nhân, và
điện tích tổng cộng (tổng đại số của tất cả các điện tích) đúng bằng kh ng.
Khi số proton tổng cộng trong một vật vĩ m bằng số l ctron tổng cộng, thì điện
tích tổng cộng bằng kh ng và toàn bộ vật đó là trung hoà về điện.
Để cho một vật thừa điện tích âm, có thể chúng ta hoặc thêm các điện tích âm vào
một vật trung hoà hoặc lấy đi các điện tích dương từ vật đó. Tương tự như vậy, chúng
ta có thể tạo ra một sự thừa điện tích dương hoặc bằng thêm điện tích dương vào hoặc
lấy đi điện tích âm.
Trong hầu hết các trường hợp, các l ctron mang điện tích âm (có tính linh động
cao) được thêm vào hoặc lấy đi, “vật mang điện tích dương” là một vật đã mất đi một
số l ctron và “mang điện tích âm” là vật thêm vào một số l ctron.
Ẩn ý trong phần thảo luận đã nói ở trên là hai định luật rất quan trọng. Đầu tiên là
định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số của tất cả các điện tích trong bất kỳ một hệ
cô lập (hệ kín) nào là không thay đổi.
Nếu chúng ta cọ sát một thanh nhựa và một tấm da l ng thú với nhau, cả hai ban
đầu kh ng mang điện, thì thanh nhựa sẽ nhận được điện tích âm (bởi vì nó lấy các
l ctron từ tấm da l ng thú) và tấm da nhận điện tích dương có cùng độ lớn (bởi vì nó
đã mất số l ctron bằng số l ctron mà thanh nhựa đó nhận được). Do đó, điện tích
tổng cộng trên hai vật đó lại với nhau là kh ng thay đổi. Trong bất kể quá trình tích
điện nào, điện tích kh ng được tạo ra hoặc bị triệt tiêu mà nó chỉ được chuyển từ vật
này sang vật khác.
Định luật bảo toàn điện tích được hiểu là một định luật bảo toàn phổ biến. Không
một bằng chứng thực nghiệm nào cho bất kể sự vi phạm định luật này từng được quan
sát
Định luật quan trọng thứ hai đó là độ lớn điện tích của electron hay proton là một
đơn vị tự nhiên của điện tích.
Mọi lượng điện tích có thể nhận thấy được lu n bằng một bội số nguyên lần đơn
vị cơ bản đó. Chúng ta nói rằng điện tích bị lượng tử hoá. Điện tích kh ng thể bị chia
thành những lượng nhỏ hơn điện tích của một l ctron hay proton (các điện tích hạt
quark, bằng 1 / 3 và 2 / 3 điện tích của l ctron, hầu như chắc chắn kh ng thể thấy
được với tư cách là các điện tích đơn lẻ). Do đó, điện tích trên bất kể vật vĩ m nào
lu n lu n hoặc bằng kh ng hoặc bằng một bội số nguyên (âm hoặc dương) lần điện
tích của l ctron.
Sự hiểu biết bản chất điện của vật chất cho chúng ta sự thấu hiểu sâu sắc nhiều
khía cạnh của thế giới vật chất. Các liên kết hoá học mà chúng giữ các nguyên tử với
nhau để tạo thành các phân tử là do bởi các tương tác điện giữa các nguyên tử. Lực
pháp tuyến tác dụng lên chúng ta bởi chiếc nghế chúng ta đang ngồi là do bởi các lực
điện giữa các hạt mang điện trong các nguyên tử của cơ thể chúng ta và trong các
Trang 5
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
nguyên tử của chiếc ghế chúng ta ngồi. Lực căng trên một sợi dây bị căng ra và lực
dính của keo hồ cũng là do bởi các tương tác điện của các nguyên tử.
1.1.1.3. Định luật Coulomb.
Lực tương tác giữa hai điện tích điểm đứng yên trong chân kh ng có phương nằm
trên đường thẳng nối hai điện tích, có chiều đẩy nhau nếu hai điện tích cùng dấu và hút
nhau nếu hai điện tích trái dấu, có độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện tích và
tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng
Theo ngôn ngữ toán học, lực điện F mà các điện tích điểm q1 và q2 cách nhau
một khoảng r tác dụng lên nhau có thể biểu diễn dưới dạng:
F k
q1q2 r
r2 r
Trong đó k là một hằng số tỷ lệ, trong hệ SI giá trị hằng số k là:
k 8,987551787.109 N.m2 /C . Giá trị số của k được xác định chính xác th o c là:
k 107 N.s2 / C2 c2
Hướng của các lực mà hai điện tích tác dụng lên nhau lu n lu n nằm dọc th o
đường thẳng nối giữa chúng. Khi các điện tích q1 và q2 cùng dấu, hoặc cùng dương
hoặc cùng âm, thì các lực là đẩy nhau khi các điện tích ngược dấu, thì các lực là hút
nhau.
2
Sự tỷ lệ của lực điện với 1 / r đã được kiểm tra với độ chính xác rất cao. Những
2
kĩ thuật hiện đại tài tình cho phép dạng 1 / r của định luật Coulomb được kiểm tra đến
độ chính xác kh ng thể tin nổi, cho thấy số mũ nằm trong khoảng từ
1,99999999999999998 đến 2,00000000000000002
1.1.1.4. Điện trường và lực điện.
Khi hai hạt mang điện tương tác với nhau trong chân kh ng, thì mỗi hạt biết được
sự có mặt của hạt kia như thế nào? Cái gì xuất hiện trong kh ng gian giữa chúng để
truyền tác dụng của mỗi điện tích này đến điện tích khác? Chúng ta có thể bắt đầu trả
lời các câu hỏi đó và đồng thời viết lại c ng thức định luật Coulomb th o một cách rất
hữu ích bằng cách sử dụng khái niệm điện trường.
Để đưa vào khái niệm này, hãy x m sự đẩy lẫn nhau của hai vật nhiễm điện
dương A và B
Hình 1.2: Tương tác giữa hai vật tích điện
Trang 6
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Vật nhiễm điện A tác dụng lực lên vật mang điện B như thế nào?
Giả sử rằng B có điện tích q và F là lực điện do A tác dụng lên B. Sự đẩy giữa A
và B như là một quá trình hai giai đoạn.
Đầu tiên chúng ta tưởng tượng rằng vật A, kết quả của điện tích mà nó mang, làm
thay đổi các đặc tính của không gian xung quanh nó. Sau đó vật B, kết quả của điện
tích mà nó mang, cảm nhận được kh ng gian đã bị biến đổi như thế nào tại vị trí của
nó. Sự đáp lại của vật B là chịu tác dụng lực F .
Để x m xét kỹ lưỡng quá trình hai giai đoạn này xảy
ra như thế nào, đầu tiên chúng ta xét riêng vật A: Chúng
ta bỏ vật B đi và ký hiệu vị trí cũ của nó là điểm P.
Chúng ta nói rằng vật mang điện A tạo ra hay
gây ra một điện trường tại điểm P. Điện trường này
có mặt tại P ngay cả khi kh ng có điện tích khác tại
P: Nó chỉ là kết quả của điện tích trên vật A. Nếu sau
đó điện tích điểm q được đặt tại điểm P, nó chịu tác
dụng lực F .
Do đó, điện trường là vật trung gian qua đó vật A “truyền” sự có mặt của nó tới
q . Bởi vì điện tích điểm q sẽ chịu tác dụng một lực tại bất kỳ điểm nào ở lân cận A,
nói cách khác điện trường mà A tạo ra đó tồn tại tại mọi điểm trong khoảng kh ng gian
xung quanh A.
Tương tự như vậy, chúng ta có thể nói rằng điện tích điểm q tạo ra một điện
trường trong kh ng gian quanh nó và điện trường này tác dụng lực F lên vật A. Đối
với mỗi lực (lực của A tác dụng lên q và lực của q lên A), một điện tích tạo nên một
điện trường tác dụng một lực lên một điện tích thứ hai. Một điện tích riêng rẽ tạo ra
một điện trường trong khoảng kh ng gian xung quanh, nhưng điện trường này kh ng
thể tác dụng một lực lên điện tích đã tạo ra nó; đây là nguyên lý chung một vật kh ng
thể tác dụng một lực lên chính nó.
Như vậy điện trường là m i trường vật chất chung quanh một điện tích, th ng
qua đó điện tích này tác dụng lên điện tích khác một lực tĩnh điện
1.1.1.5. Véctơ cường độ điện trường.
Để nghiên cứu điện trường do một hệ điện tích Q nào đó gây ra , chúng ta đặt
vào trong điện trường đó một điện tích nhỏ gọi là điện tích thử.
Vì điện tích thử q dùng để nghiên cứu điện trường ở mỗi điễm nên nó phải là
một điện tích điểm. Và nó cũng phải có điện tích đủ nhỏ sao cho điện trường do nó
gây ra kh ng làm sắp xếp lại điện tích trên điện tích Q .
Trang 7
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Khi đặt một điện tích thử q vào điểm xác định nào đó trong điện trường điện
trường sẽ tác dụng một lực điện F . Lần lượt thay đổi các giá trị điện tích thử chúng ta
nhận thấy mặc dù lực điện F thay đổi với các giá trị điện tích thử khác nhau (kh ng
thay đổi vị trí) nhưng lực điện F lu n tỷ lệ với điện tích thử q :
F
const
q
Như vậy ta thấy rằng tồn tại một đại lượng kh ng phụ thuộc vào điện tích thử đặt
vào, đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực. Véctơ đặc trưng cho điện
trường này ta ký hiệu là E . Vậy :
E
F
q
E có ý nghĩa lực điện tác dụng lên một đơn vị điện tích. Đơn vị E là vôn/mét
Với bất kỳ điểm nào trong kh ng gian cũng tồn tại lực điện F khi ta đặt một điện
tích thử tại điểm đó, do đó E ( r ) có thể thay đổi từ điểm này đến điểm khác. Vì vậy
E ( r ) kh ng phải là một đại lượng véctơ đơn lẻ mà là một tập hợp vô hạn các đại
lượng véc tơ, mỗi véctơ liên hệ với mỗi điểm trong kh ng gian. Do đó chúng là một
trường véc tơ.
Điện trường là một trường véctơ, nghĩa là mỗi điểm trong không gian được đặc
trưng bởi một véctơ E ( r ) , sao cho khi đặt vào điểm đó một điện tích thử q thì điện
tích thử này sẽ bị tác dụng một lực tĩnh điện:
F ( r ) qE (r )
Điện tích dương q0 được đặt trong
Điện tích âm q0 được đặt trong
một điện trường: lực tác dụng lên q0
một điện trường: lực tác dụng lên q0
cùng hướng với E
ngược hướng với E
1.1.1.6. Véctơ cảm ứng điện.
Khi ta biểu diễn điện trường bằng điện phổ qua các m i trường khác nhau thì gặp
phải khó khăn vì cường độ điện trường E phụ thuộc vào m i trường (tỉ lệ nghịch với
hằng số điện môi ε). Khi đi qua mặt phân cách của hai m i trường, hằng số điện môi ε
và do đó, cường độ điện trường E biến thiên đột ngột. Vì vậy điện phổ bị gián đoạn ở
bề mặt phân cách hai m i trường. Để khắc phục, người ta khử sự gián đoạn đó bằng
cách đưa vào một đại lượng vật lý khác không phụ thuộc vào tính chất của m i trường
Trang 8
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
được gọi là véctơ cảm ứng điện D (còn gọi là véctơ điện cảm). Trong trường hợp môi
trường là đồng nhất, người ta định nghĩa:
1.1.1.7. Nguyên lý chồng chất điện trường.
Trong hầu hết các trường hợp trong thực tế liên quan đến các điện trường và lực
điện, chúng ta bắt gặp điện tích được phân bố trong kh ng gian. Chúng ta sẽ tính điện
trường gây ra bởi các phân bố khác nhau của điện tích.
Để tìm điên trường gây ra bởi một sự phân bố điện tích, chúng ta tưởng tượng sự
phân bố đó được tạo bởi nhiều điện tích điểm q1, q2, q3,... . Tại bất kỳ điểm P cho trước
nào, mỗi điện tích điểm tạo ra một điện trường của chính nó E1 , E2 , E3 .... Vì thế
một điện tích thử q được đặt tại P chịu tác dụng một lực F1 qE1 từ điện tích q1 , một
lực F2 qE2 từ điện tích q2 và ...vv.
Từ nguyên lý chồng chất lực, lực tổng cộng F mà sự phân bố điện tích tác dụng
lên q là tổng véctơ của các lực riêng biệt đó:
F F1 F2 F3 ... qE1 qE2 qE3 .... q E1 E2 E3 .....
Tác động tổ hợp của tất cả các điện tích đó trong sự phân bố này được m tả bởi
điện trường tổng cộng E tại điểm P. Từ sự định nghĩa điện trường ta sẽ có:
E
F
E1 E2 E3 ....
q
Điện trường tổng cộng tại P là tổng véctơ của tất cả các trường tại điểm P đó, do
bởi từng điện tích điểm trong sự phân bố điện tích. Đó là nguyên lý chồng chất điện
trường.
1.1.1.8. Đường sức điện trường – định luật Gauss cho điện trường.
Khái niệm điện trường có thể hơi khó hiểu bởi vì chúng ta kh ng thể nhìn trực
tiếp một điện trường được. Các đường sức điện trường có thể là một một sự giúp đỡ
lớn để có thể mường tượng điện trường và làm cho chúng có vẻ như thực tế hơn.
Một đường sức điện trường là một đường thẳng hoặc cong không có thật được vẽ
qua một vùng không gian sao cho tiếp tuyến của nó tại một điểm bất kỳ trùng với
hướng của véctơ điện trường tại điểm đó. Nhà khoa học người nh Micha l Faraday
(1791-1867) là người đầu tiên đưa ra khái niệm đường sức điện trường. Ông gọi chúng
là “các đường lực” nhưng thuật ngữ “đường sức điện trường” thích hợp hơn. Đường
sức điện trường là những đường cong không kín có điểm bắt đầu và điểm kết thúc.
Trang 9
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Các đường sức điện trường cho thấy hướng của E tại mỗi điểm, và khoảng cách
giữa chúng đưa ra một ý tưởng khái quát về độ lớn của E tại mỗi điểm. Nơi E mạnh,
chúng ta vẽ các đường sức lại gần nhau hơn; nơi E yếu hơn, chúng xa nhau hơn.
Với quy ước này thì số đường sức vẽ qua diện tích dS có véctơ đơn vị pháp tuyến
n
hợp với véctơ E một góc bằng:
dN EdSn EdS cos E.dS .
Đại lượng có trị số bằng tích v hướng của véctơ cường độ điện trường E với
các véctơ phần tử bề mặt gọi là dS gọi là th ng lượng của véctơ cường độ điện trường
gửi qua mặt dS.
d E.dS = EdScosα
Thông lượng cuả véctơ cường độ điện trường gửi qua mặt hữu hạn S bằng:
E.d S
S
Như vậy th ng lượng điện trường gửi qua một hữu hạn S bất kỳ có ý nghĩa là
tổng số đường sức điện gửi qua mặt kín đó. Để tìm sự liên hệ giữa th ng lượng của
véctơ cường độ điện trường và điện tích đặt trong mặt kín S trước tiên ta xét trường
hợp bên trong thể tích V được bao bởi mặt kín S chỉ có một điện tích điểm q. Ta lấy
một mặt Gauss có tâm trùng với điện tích q có bán kính r sao cho mặt cầu này đặt trọn
trong lòng mặt kín S.
Ta tính th ng lượng véctơ cường độ điện trường gửi qua mặt Gauss này. Ta lấy
phần tử diện tích dS trên mặt cầu.
Do véctơ n và r là 2 véctơ cùng phương do đó:
Với tính chất liên tục của các đường sức cứ có một đường sức gửi qua mặt
Gauss thì đường sức đó cũng sẽ gửi qua mặt S. Cùng với ý nghĩa th ng lượng véctơ
cường độ điện trường gửi qua diện tích dS biết số các sức gửi qua diện tích đó. Do đó
th ng lượng véctơ cường độ điện trường gửi qua mặt Gauss cũng chính là th ng lượng
véctơ cường độ điện trường gửi qua mặt S. Do đó ta cũng sẽ có
q
0
Nếu như điện tích q nằm ngoài mặt S thì sao? Cứ có bao nhiêu đường sức xuất
phát từ điểm q chui vào mặt kín S thì có bấy nhiêu đường sức đó chui ra mặt S. Do đó
th ng lượng véctơ cường độ điện trường gửi qua mặt S thì 0 .
Trang 10
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Tóm lại, đối với điện tích điểm q ta sẽ có:
khi q nằm trong mặt kín S.
khi q nằm ngoài mặt kín S.
Bây giờ ta sẽ mở rộng định lý này cho trường hợp khi bên trong kh ng gian là
một hệ gồm n các điện tích điểm. Khi đó th o nguyên lý chồng chất điện trường ta sẽ
có:
Để tính tích phân này ta sẽ tách tích phân này thành 2 phần. Một phần gồm l điện
tích qi nằm trong S và k điện tích điểm qj nằm ngoài S.
Như đã khẳng định ở trên ta sẽ có i
qi
0
và j 0 vậy:
Đây chính là định luật Gauss cho điện trường : thông lượng điện trường đi qua
mặt kín tỷ lệ với điện tích chứa trong mặt kín đó.
Các đường sức điện xuất phát từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm nên ta
có điện trường là một trường thế.
Việc tiếp cận bài toán tĩnh điện bằng việc sử dụng định luật Coulomb và định luật
Guass cho điện trường là hoàn toàn tương đương. Có nghĩa là chúng ta có thể suy ra
định luật Coulomb từ định luật Gauss và ngược lại chúng ta cũng có thế suy ra định
luật Gauss từ định luật Coulomb.
Tuy nhiên về mặt bản chất vật lý thì việc tiếp cận bài toán th o định luật Gauss
mang ý nghĩa lớn lao hơn.
Định luật Coulomb thể hiện quan điểm tương tác xa, nghĩa là tương tác giữa các
điện tích xảy ra tức thời, bất kể khoảng cách giữa chúng là bao nhiêu. Nói cách khác,
vật tốc truyền tương tác là v hạn.
Định luật Gauss thể hiện quan điểm tương tác gần, sở dĩ các điện tích tác dụng
lực lên nhau được là nhờ một m i trường vật chất đặc biệt bao quanh các điện tích –
đó là điện trường. Tính chất cơ bản của điện trường là tác dụng lực lên các điện tích
khác đặt trong nó. Như vậy, th o quan điểm tương tác gần, hai điện tích q1 và q2 không
Trang 11
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
trực tiếp tác dụng lên nhau mà điện tích thứ nhất gây ra xung quanh nó một điện
trường và chính điện trường đó mới tác dụng lực lên điện tích kia.
1.1.1.9. Năng lượng điện trường.
Giả sử ta dùng nguồn điện một chiều để nạp điện tích vào hai bản của tụ điện có
điện dung C. Nguồn điện sinh c ng để đưa điện tích đến hai bản và c ng đó chuyển
thành năng lượng của điện trường tồn tại giữa 2 bản của tụ điện. Tại thời điểm t, hiệu
điện thế giữa hai bản là u, điện tích mỗi bản là q. Sau thời gian dt nguồn đưa thêm
lượng điện tích dq đến cho mỗi bản. Vì dq rất nhỏ nên hiệu điện thế u coi như kh ng
đổi, do đó c ng vi phân của nguồn là:
dA u du dq Cudu
C ng toàn phần để nạp điện cho tới khi hiệu điện thế giữa hai bản bằng U là:
U
1
A dA CU 2
2
0
C ng này chuyển hoá thành năng lượng W của một tụ điện đã được tích điện.
Vậy năng lượng của một tụ điện là:
1
1 Q2 1
2
W CU
QU
2
2 C 2
Ở tụ điện phẳng, điện trường giữa hai bản cực là đều, có độ lớn E = U/d và thể tích
kh ng gian trong đó tồn tại điện trường bằng V = S.d. Khi đó năng lượng của tụ điện
là:
Nếu V = 0 suy ra, We = 0 suy ra, nơi nào có điện trường nơi đó có năng lượng
điện trường, vậy điện trường là một trường vật chất.
Từ đó ta tính được mật độ năng lượng của một điện trường đều bằng:
Như vậy, năng lượng điện trường trong thể tích dV là:
Do đó năng lượng của một điện trường bất kỳ chiếm thể tích V, bằng:
Trang 12
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
1.1.2. Tương tác tĩnh từ.
Các hiện tượng về điện, từ đã được con người biết đến từ lâu, nhưng kh ng biết
chúng có liên quan với nhau. Mãi đến năm 1820, O rst d, nhà vật lý người Đan Mạch
phát hiện ra hiện tượng dòng điện đặt gần kim la bàn làm kim la bàn kh ng chỉ th o
hướng Bắc – Nam nữa mà bị lệch đi thì người ta mới biết rằng điện và từ có liên quan
với nhau. Sau đó mp r , nhà vật lý người Pháp, phát hiện rằng, các dòng điện cũng
tương tác với nhau. Như vậy, về phương từ thì một dòng điện cũng có thể coi như một
nam châm. Nói cách khác tương tác giữa nam châm với nam châm, nam châm với
dòng điện, dòng điện với dòng điện cùng chung một bản chất. Đó chính là tương tác
giữa các hạt mang điện chuyển động và chúng ta gọi đó là tương tác từ.
1.1.2.1. Từ tích - đơn cực từ :
Nếu chúng ta chơi với một nắm lưỡng cực điện và một nắm nam châm, chúng ta
sẽ thấy chúng rất giống nhau. Chẳng hạn, một cặp nam châm thanh thẳng có xu hướng
tự sắp thẳng hàng nối đu i nhau, và một cặp lưỡng cực điện làm giống hệt như trên.
Tuy nhiên, chú ý kỹ chúng ta sẽ chú ý thấy sự khác biệt quan trọng giữa hai loại đối
tượng.
Các lưỡng cực điện có thể bị phá vỡ, hình thành nên các hạt tích điện dương và
âm độc lập nhau. Nhưng nếu chúng ta cắt thanh nam châm thành hai nửa, chúng ta sẽ
dễ dàng thấy mình vừa tạo ra hai vật có hai cực nhỏ hơn.
Hình 1.3: Từ tính của nam châm.
Một lưỡng cực điện có dư “chất” dương tập trung ở một đầu và dư chất âm ở đầu
kia.
Mặt khác, thanh nam châm có từ tính của nó kh ng phải từ sự thiếu cân bằng
“chất” từ ở hai đầu mà từ sự định hướng của chuyển động quay của các l ctron. Một
cực là cực mà từ đó chúng ta có thể nhìn xuống trục và thấy các l ctron đang quay
th o chiều kim đồng hồ, và cực kia là cực mà từ đó chúng sẽ xuất hiện chuyển động
ngược chiều kim đồng hồ. Kh ng có sự chênh lệch giữa “chất” ở cực này và cực kia
của nam châm. Chưa ai từng thành c ng trong việc tách riêng một đơn cực từ. Chúng
Trang 13
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
ta nói rằng các đơn cực từ hình như kh ng tồn tại, các đơn cực điện thì thật sự tồn tại–
đó là các điện tích.
Đã có rất nhiều công trình tìm kiếm đơn cực từ. Tuy nhiên cho đến giờ phút này,
đơn cực từ chỉ là một khái niệm trên lý thuyết. Tuy nhiên, với việc máy gia tốc hạt
LHC đã được khởi động thì công cuộc tìm kiếm đơn cực từ trở nên sáng sủa hơn bao
giờ hết.
1.1.2.2. Định luật Ampere về tương tác giữa hai yếu tố dòng
Sau khi phát hiện ra tương tác giữa 2 dòng điện mp r đặt vấn đề dựa vào thí
nghiệm để tìm ra c ng thức định lượng về sự tương tác giữa 2 yếu tố dòng. Đây là một
bài toán rất khó, vì yếu tố dòng kh ng có ý nghĩa vật lý trực tiếp, và cũng kh ng thể
thực hiện được trong các thí nghiệm.
Thế thì phải giải quyết vấn đề như thế nào? Sau một thời gian suy nghĩ tìm tòi,
ng đã tìm ra phương pháp dựa vào suy luận, nêu lên các dạng của c ng thức cho
trường hợp các yếu tố dòng, sau đó tổng hợp các lực tác dụng trong một số trường hợp
đơn giản của các dòng điện có kích thước hữu hạn, rồi sau đó đ m so sánh, kết quả thu
được bằng tính toán như vậy với kết quả đo bằng thí nghiệm, để điều chỉnh lại c ng
thức dự kiến ban đầu của ng. Sau một thời gian tính toán và hoàn chỉnh cuối cùng
ng đã đi đến c ng thức phù hợp với các kết quả thực nghiệm mà chúng ta gọi là Định
luật Ampere về tương tác giữa hai yếu tố dòng.
Yếu tố dòng (hay còn gọi là yếu tố dòng điện) là một đoạn dòng điện chạy trong
dây dẫn hình trụ có chiều dài dl và tiết diện ngang dS rất nhỏ. Yếu tố dòng được đặc
trưng bởi tích I dl , trong đó I là cường độ dòng điện qua tiết diện dS và dl là véctơ có
độ lớn bằng dl và có chiều là chiều của dòng điện.
Và mp r đã chứng minh từ thực nghiêm rằng yếu tố dòng
lên yếu tố dòng
ở vị trí r một lực như sau:
dF
ở vị trí O tác dụng
o I 2 dl2 ( I1 dl1 r )
4
r3
Phương: vu ng góc với mặt phẳng chứa yếu tố dòng I dl2 và véctơ n ( là véctơ
vu ng góc với
và có phương là chiều tiến của đinh ốc khi ta xoay
véctơ th o góc nhỏ nhất).
đến
Chiều: xác định th o qui tắc cái đinh ốc: xoay cái đinh ốc từ véctơ I dl2 đến
véctơ n th o góc nhỏ nhất thì chiều tiến của cái đinh ốc là chiều của véctơ dF .
Độ lớn:
dF
o I1I 2 sin 1 sin 2
4
r2
Trang 14
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Điểm đặt: tại yếu tố dòng: I dl 2 .
H
m .
Trong đó, o là hằng số từ thẩm, có giá trị là: 410 7
1.1.2.3. Từ trường và lực từ.
Khi hai yếu tố dòng tương tác với nhau trong chân kh ng, thì mỗi yếu tố dòng
biết được sự có mặt của yếu tố dòng kia như thế nào? Cái gì xuất hiện trong kh ng
gian giữa chúng để truyền tác dụng của mỗi điện tích chuyển động đến điện tích
chuyển động khác? Chúng ta có thể bắt đầu trả lời các câu hỏi đó bằng cách sử dụng
khái niệm từ trường.
Để đưa vào khái niệm này, hãy x m sự tương tác của hai yếu tố dòng I 0 dl0 ,
Giả sử rằng yếu tố dòng
có độ lớn là
.
và chiều là chiều dòng điện, lực từ
do yếu tố dòng I 0 dl0 tác dụng lên yếu tố dòng I1 dl là F1 . Để mường tượng sự tương
tác giữa I 0 dl0 và
như là một quá trình hai giai đoạn. Đầu tiên chúng ta tưởng
tượng rằng I 0 dl0 , kết quả sự chuyển động của các hạt mang điện chuyển động, làm
thay đổi các đặc tính của không gian xung quanh nó. Sau đó
, kết quả sự chuyển
động của các hạt mang điện chuyển động, cảm nhận được kh ng gian đã bị biến đổi
như thế nào tại vị trí của nó. Sự đáp lại của
là chịu tác dụng lực . Như vậy từ
trường là môi trường vật chất chung quanh một điện tích chuyển động, thông qua đó
điện tích chuyển động này tác dụng lên điện tích chuyển động khác một lực từ.
1.1.2.4. Véctơ từ trường.
Để nghiên cứu từ trường về phương diện tác dụng lực ta chúng ta vẫn xét sự
tương tác giữa tác dụng lực của từ trường lên yếu tố dòng I dl khi nó được đặt trong
từ trường và tại một điểm cụ thể trong kh ng gian. Thay đổi giá trị cường độ dòng
điện và đo lực từ tác dụng lên yếu tố dòng này ta sẽ thấy lực từ lu n vu ng góc với yếu
tố dòng và mặc dù lực tác dụng lên yếu tố dòng sẽ là khác nhau với những dòng điện
khác nhau nhưng độ lớn lực tác dụng lu n tỷ lệ với cường độ dòng điện:
F
const .
I
Vẫn là thí nghiệm trên nhưng bây giờ thay vì thay đổi cường độ dòng điện I
chúng ta sẽ thay đổi vi phân chiều dài dl. Thay đổi các giá trị của vi phân chiều dài dl
(đủ nhỏ) chúng ta cũng nhận thấy lực từ lu n vu ng góc với yếu tố dòng và mặc dù
lực tác dụng lên yếu tố dòng sẽ là khác nhau với những vi phân chiều dài dl khác nhau
nhưng độ lớn lực tác dụng lu n tỷ lệ với vi phân chiều dài dl :
F
const
dl
Trang 15
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Bây giờ cũng tại điểm r trong kh ng gian đó chúng ta thay đổi phương của yếu
tố dòng và giữ nguyên yếu tố dòng I dl . Chúng ta nhận thấy tồn tại một phương đặc
trưng mà yếu tố dòng hướng th o phương này thì kh ng bị tác dụng của lực từ. Và nếu
yếu tố dòng hướng th o phương bất kỳ nào khác thì lực từ lu n vu ng góc với mặt
phẳng chứa yếu tố dòng và phương đặc trưng. Ngoài ra ta sẽ thấy lực từ lu n thay đổi
với góc ( là góc tạo bởi véctơ yếu tố dòng và phương đặc trưng) bất kỳ nhưng lực
từ lu n tỷ lệ với sin :
F
const
sin
Tổng hợp 3 kết quả trên ta rút ra bất kỳ một yếu tố dòng nào đặt trong từ trường
đều chịu tác dụng lực từ F . Lực từ này lu n vu ng góc với yếu tố dòng, vu ng góc
với phương đặc trưng và tỷ lệ với tích độ lớn yếu tố dòng và sin :
F
const
Idl sin
Như vậy ta thấy rằng tồn tại một đại lượng và một phương đặt trưng cho từ
trường, kh ng phụ thuộc vào yếu tố dòng đặt vào. Véctơ đặt trưng cho từ trường này ta
ký hiệu là B . Độ lớn của nó được xác định:
B
F
Idl sin
và th o phương chiều đặc trưng.
Bởi vì B( r ) có thể thay đổi từ điểm này đến điểm khác nên nó kh ng phải là một
đại lượng véctơ đơn lẻ mà là một tập hợp vô hạn các đại lượng véc tơ, mỗi véctơ liên
hệ với mỗi điểm trong kh ng gian. Do đó chúng là một trường véc tơ.
Vậy từ trường là một trường véctơ, nghĩa là mỗi điểm trong không gian được đặc
trưng bởi một véctơ B( r ) , sao cho khi đặt vào điểm đó một yếu tố dòng I dl thì nó sẽ
bị tác dụng một lực điện:
dF (r ) I dl B(r ) .
1.1.2.5. Nguyên lý chồng chất từ trường.
Trong thực tế chúng ta bắt gặp là dòng điện, kết quả của sự tổng hợp các yếu tố
dòng điện. Chúng ta sẽ đi tính từ trường gây ra bởi dòng điện này. Chúng ta chia dòng
điện thành các yếu tố dòng I1 dl1 , I 2 dl2 , I 3 dl3 … Tại bất kì điểm M cho trước, mỗi yếu
tố dòng tạo ra một từ trường của chính nó B1 , B2 , B3 …, vì thế, khi ta đặt một yếu tố
dòng I dl tại điểm M, nó sẽ chịu tác dụng một lực dF1 I dl B1 từ yếu tố dòng
I1 dl1 , một lực dF2 I dl B 2 từ yếu tố dòng I 2 dl2 … Từ nguyên lý chồng chất lực,
lực tổng hợp dF tác dụng lên yếu tố dòng I dl là tổng véctơ của các lực riêng biệt:
Trang 16
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
dF dF1 dF2 dF3 ... I dl B1 B2 B3 ....
Tác động tổng hợp của tất cả các yếu tố dòng trên được m tả bởi từ trường tổng
cộng B . Từ sự định nghĩa từ trường ta có:
dF I dl B vậy B B1 B2 B3 ....
Vectơ từ trường tại một điểm M trong từ trường do dòng điện gây ra bằng tổng
hợp các véctơ từ trường do tất cả các yếu tố dòng điện gây ra tại điểm đó. Nếu từ
trường do nhiều dòng điện gây ra thì theo nguyên lý chồng chất từ trường: Vectơ từ
trường tại một điểm M trong từ trường do nhiều dòng điện gây ra bằng tổng hợp các
véctơ cảm ứng từ do tất cả các dòng điện gây ra tại điểm đó.
1.1.2.6. Đường cảm ứng từ.
Trong từ trường, véctơ cảm ứng từ thay đổi th o vị trí, để có một hình ảnh khái
quát nhưng cụ thể về từ trường, người ta đưa ra khái niệm về đường cảm ứng từ.
Đường cảm ứng từ là đường cong vạch ra trong từ trường sao cho tiếp tuyến tại mọi
điểm của nó trùng với phương của véctơ cảm ứng từ tại những điểm ấy, chiều của
đường cảm ứng từ là chiều của véctơ cảm ứng từ. Khác với đường sức điện, các
đường cảm ứng từ là những đường cong kín.
1.1.2.7. Định luật Gauss cho từ trường.
Ta đã biết rằng, đối với điện trường định lý Guass cho ta biết “điện th ng gởi qua
mặt kín bất kì thì tỷ lệ với tổng các điện tích chứa trong mặt kín đó ”. Bằng cách suy
luận tương tự, đối với từ trường ta cũng có thể phát biểu định lí Guass cho từ trường
như sau: “từ th ng gởi qua mặt kín bất kì thì tỷ lệ tổng các từ tích chứa trong mặt kín
đó”.
Tuy nhiên, sự khác nhau căn bản giữa điện trường và từ trường ở chỗ điện trường
(tĩnh) có các đường sức kh ng phải là những đường cong hở được gây bởi các điện
tích đứng yên, còn từ trường được gây ra bởi các điện tích chuyển động các đường
cảm ứng từ là những đường cong kín. Vì lí do đó cho nên có bao nhiêu đường sức từ
gửi vào mặt Gauss thì có bấy nhiêu đường sức từ đi ra mặt Gauss nên từ th ng đi qua
mặt Guass bất kỳ lu n bằng kh ng. Do đó định luật Gauss cho từ trường được phát
biểu như sau: “ Từ thông gửi qua bất kỳ mặt kín nào cũng bằng không”.
Biểu thức định luật:
Hay ở dạng vi phân:
divB 0
Trang 17
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Dạng vi phân của định luật Gauss đối với từ trường: divB 0 cho biết từ trường
là một trường kh ng có nguồn. Do đó, các đường sức từ trường là những đường khép
kín hoặc xuất phát và tận cùng ở v cùng. Ta nói từ trường là một trường xoáy.
1.1.2.8. Năng lượng từ trường.
Hình: 1.4
Xét mạch điện như hình lúc đầu khóa K chưa tiếp xúc với tiếp điểm nào. Trong
mạch kh ng có dòng điện.
Ở đây chúng ta chỉ xét khóa K tiếp xúc vị trí (1), ta có dòng điện chạy qua cuộn
dây và số chỉ của amp kế cho biết dòng điện trong mạch tăng dần từ giá trị kh ng đến
giá trị ổn định I. Nguyên nhân của hiện tượng đó là do trong mạch có suất điện động tự
cảm làm cho dòng điện kh ng tăng độ ngột.
Bây giờ ta hãy tính năng lượng mà nguồn điện đã cung cấp cho mạch kể từ lúc
đóng khóa K đến khi dòng điện trong mạch đạt giá trị ổn định I
Gọi R là điện trở của cuộn dây, r là điện trở nội của nguồn và ξtc là suất điện động
tự cảm sinh ra trong mạch. Tại thời điểm t bất kì, cường độ dòng điện trong mạch là i.
Th o định luật Ohm mạch kín, ta có:
Nhân hai vế biểu thức trên với idt và thay tc L
di
, rồi chuyển số hạng này
dt
sang vế phải, ta có:
idt i 2 R r dt Lidi
Vế trái của biểu thức trên chính là năng lượng mà nguồn điện đã cung cấp cho
mạch trong thời gian dt, ta kí hiệu đại lượng này là dA. Số hạng thứ nhất ở vế phải của
là năng lượng nhiệt tỏa ra trong thời gian dt, ta kí hiệu số hạng này là dQ. Ta có:
dA dQ Lidi
Lấy tích phân trong khoảng thời gian từ lúc ban đầu đến khi dòng điện trong
mạch đạt giá trị ổn định I, ta được:
1
A Q LI 2
2
Như vậy năng lượng mà nguồn điện cung cấp một phần chuyển hóa thành nhiệt
và một phần chuyển hóa thành dạng năng lượng khác xác định bởi biểu thức:
Trang 18
1 2
LI .
2
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Năng lượng đó chắc chắn kh ng phải là các dạng năng lượng qu n thuộc như cơ năng,
hóa năng, .... Vậy nó là năng lượng gì? Phân tích các đại lượng liên qua đến mạch điện
ta thấy, khi có dòng điện xuất hiện trong mạch thì có từ trường do dòng điện trong
mạch tạo ra. Vì thế buộc ta phải thừa nhận rằng biểu thức
1 2
LI chính là năng lượng
2
của từ trường.
1.1.2.9. Mật độ năng lượng từ trường
Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ rằng: năng lượng từ trường được phân
bố trong khoảng kh ng gian của từ trường . Như ta đã nói ở trên, từ trường
trong ống dây thẳng và dài là từ trường đều và có thể coi là chỉ tồn tại bên trong
thể tích của ống dây. Như vậy, nếu ống dây dài l, tiết diện S, có thể tích V = l.S,
thì năng lượng từ trường trong một đơn vị thể tích, tức là mật độ năng lượng từ
trường bên trong ống dây là:
1 n2 S 2
0 l I
Wm 2
1 n2 2
wm
0 2 I
V
lS
2 l
Ta đã biết cảm ứng từ B trong ống dây là: B 0nlI . Như vậy, mật độ năng
lượng từ trường bằng:
1 B2
wm
2 0
Người ta chứng minh được rằng c ng thức trên đúng đối với từ trường bất
kỳ. Vì vậy, để tính năng lượng của một từ trường bất kỳ, ta chia kh ng gian của
từ trường đó thành những phần thể tích v cùng nhỏ dV, sao cho trong thể tích
ấy ta có thể coi cảm ứng từ B kh ng đổi. Như vậy, năng lượng từ trường trong
thể tích dV là:
dWm w m dV
Trang 19
1 B
dV
2 0
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Do đó nănglượng của một từ trường bất kỳ chiếm thể tích V, bằng:
Wm
1 B
dV
2 V 0
Sự tồn tại năng lượng từ trường chứng tỏ từ trường là một m i trường vật
chất.
1.2. ĐIỆN TỪ TRƯỜNG.
1.2.1. Từ trường biến thiên - nguồn sinh ra điện trường.
1.2.1.1. Định luật Faraday về cảm ứng điện từ.
Nếu dòng điện có thể sinh ra từ lực như nam châm thì có thể nào dùng nam châm
để tạo ra điện hay kh ng? Hay nói một cách khác, có cách nào đó để ta có thể tạo ra
được điện trường từ từ trường hay kh ng?
Thí nghiệm:
Năm 1881, nhà bác học Pháp rago c ng bố thí nghiệm: một kim nam châm đặt
trên 1 cái đế bằng gỗ lắc lư tới vài trăm lần mới dừng lại , nhưng nếu nó đặt trên 1 cái
đế bằng đồng thì kim nam châm chỉ lắc lư có vài ba cái là dừng lại. Thế mà đồng thì
không chịu tác dụng của nam châm! Vậy bí mật của hiện tượng là ở đâu?
Nhà bác học Pháp mp re thì dự đoán rằng, trong thí nghiệm của rag có hiện
tượng cảm ứng giống như hiện tượng cảm ứng điện ở các đám mây d ng. Faraday cảm
thấy dự đoán của mp re là đúng và cố gắng suy nghĩ x m có cách nào bố trí một thí
nghiệm để chứng minh dự đoán đó.
Ông thấy rằng nếu đặt một thanh nam châm bên cạnh một cuộn dây đồng thì
chẳng bao giờ tạo ra được dòng điện trong cuộn dây và do đó cuộn dây và thanh nam
châm chẳng bao giờ tương tác được với nhau. Hay là, thay cho thanh nam châm ta đặt
một cuộn dây thứ hai có dòng điện chạy qua để tạo ra nam châm điện? Nhưng vẫn thất
bại! Có lẽ vì dòng điện của pin Volta còn quá yếu chăng? Vậy làm thế nào để có một
nam châm điện mạnh?
Sau một thời gian suy nghĩ ng dùng vành sắt non làm lõi ống dẫn điện: quấn
một số vòng dây đồng vào một nửa vành sắt non làm thành ống dây thứ nhất ( dài
750cm) rồi đ m nối nó với bộ pin Volta, như vậy là có một nam châm điện đủ mạnh.
Để có ống dây thứ hai ng lại quấn một số vòng dây dẫn (dài 2m) lên nửa vành thứ
còn lại. Và để kiểm tra khả năng xuất hiện dòng điện trong ống dây này ng đ m nối
nó với một điện kế.
Khi ng vừa đóng mạch điện cho dòng điện chạy qua ống dây thứ nhất chiếc kim
điện kế nối với ống dây thứ hai đột ngột chao đi rồi lại trở về vị trí ban đầu. Đợi một
Trang 20
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
chút kh ng thấy có gì khác lạ, ng liền ngắt mạch điện ở ống dây thứ nhất. Lạ lùng
sao, chiếc kim điện kế lại chao đi rất nhanh! Faraday v cùng hồi hộp. Ông làm lại thí
nghiệm nhiều lần. Lần nào khi đóng mạch điện hay ngắt mạch, ng đều thấy có dòng
điện xuất hiện trong ống dây thứ hai. Đó chính là lịch sử phát hiện ra hiện tượng cảm
ứng điện từ. H m đó là ngày 29/8/1831.
Và vấn đề đã dần được sáng tỏ. Faraday hiểu rằng, ống dây thứ nhất thực chất là
một nam châm điện: khi có dòng điện đi qua cuộn dây thì lõi sắt non của nó đã bị
nhiễm từ, tức là đã có từ tính. Và chính từ lực của lõi sắt đã kích thích dòng điện cảm
ứng trong ống dây thứ hai. Một câu hỏi nữa liền được đặt ra: nếu thay nam châm điện
bằng nam châm vĩnh cửu thì hiện tượng xảy ra sẽ ra sao? Đến khi nào thì nam châm
vĩnh cửu cũng có thể kích thích được dòng điện cảm ứng ?
Gần 1 tháng sau, 24/9/1831 Faraday mới lại bắt tay vào tiếp tục làm thí nghiệm
với một nam châm vĩnh cửu. Kết quả thí nghiệm làm ng thấy rằng: với một nam
châm vĩnh cửu thì dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện trong ống dây khi nam châm
chuyển động cắt mặt phẳng các vòng dây. Lại những đêm suy nghĩ và sau hai lần thí
nghiệm nữa vào ngày 1/10 và 17/10 , Mich al Faraday mới khẳng định rằng ng đã
khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ mà mp re đã dự đoán.
Định luật cảm ứng điện từ Faraday :suất điện động cảm ứng luôn luôn bằng về
trị số nhưng ngược dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gửi qua diện tích của mạch
điện.
d
dt
1.2.1.2. Luận điểm thứ nhất của Maxwell.
Trong thí nghiệm của Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ, ng đã đặt một
vòng dây dẫn kín kh ng biến dạng tại một vị trí cố định trong một từ trường biến đổi
th o thời gian. Trong vòng dây sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng, và do đó có
dòng điện cảm ứng có chiều tuân th o định luật L nz. Sự xuất hiện của dòng điện cảm
ứng chứng tỏ trong vòng dây đã xuất hiện một điện trường, véctơ cường độ điện
trường cùng chiều với dòng điện cảm ứng.
Vậy phải chăng chính vòng dây dẫn kh ng phải là nguyên nhân gây ra điện
trường? Làm thí nghiệm với nhiều vòng dây dẫn khác nhau, có chất khác nhau, ở nhiệt
độ khác nhau, Maxw ll đã nhận thấy rằng: suất điện động cảm ứng xuất hiện trong
vòng dây dẫn kh ng phụ thuộc vào bản chất của dây dẫn, và cũng kh ng phụ thuộc
vào trạng thái của dây dẫn. Điều đó có nghĩa là, vòng dây dẫn kh ng phải là nguyên
nhân gây ra điện trường, mà chỉ là phương tiện giúp ta phát hiện ra sự có mặt của điện
trường đó.
Trong hiện tượng cảm ứng điện từ, sự biến đổi của từ th ng qua mạch điện là
nguyên nhân nhân gây ra suất điện động cảm ứng, tức là gây ra một điện trường. Vì
mạch điện đứng yên, kh ng biến dạng và chỉ có từ trường biến đổi th o thời gian, nên
Trang 21
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
từ trường biến đổi th o thời gian đã gây ra sự biến đổi từ th ng, vậy ta có thể kết luận
rằng: từ trường biến đổi th o thời gian đã gây ra một điện trường.
Nếu đường sức của điện trường này cũng hở như đường sức của điện trường tĩnh
thì c ng của lực điện trường này dọc th o một đường cong kín sẽ bằng kh ng và như
vậy nó kh ng thể làm cho các điện tích chuyển động th o đường cong kín để tạo nên
dòng điện cảm ứng trong mạch kín. Muốn làm cho các hạt điện chuyển động th o
đường cong kín để tạo thành dòng điện thì đường sức của điện trường này phải là
những đường cong kín, và c ng của lực điện trường này dọc th o đường cong kín phải
khác không:
Thực nghiệm đã xác nhận rằng điện trường gây nên suất điện động cảm ứng có
những đường sức khép kín. Vì vậy, chúng ta gọi điện trường này là điện trường xoáy.
Trên cơ sở những phân tích trên, Maxwell đã phát biểu một luận điểm tổng quát,
gọi là luận điểm thứ nhất của Maxwell: Bất kỳ một từ trường nào biến đổi theo thời
gian cũng sinh ra một điện trường xoáy.
Như vậy chúng ta sẽ biểu diễn lại c ng thức về định luật cảm ứng điện từ dưới sự
liên hệ giữa sự biến thiên của từ trường và điện trường.
Từ định luật Faraday về cảm ứng điện từ:
d
dt
Trong đó sức điện động có được trong dây dẫn chứng tỏ dọc th o dây dẫn tồn
tại điện trường E (r ) . Ta có thể tính sức điện động th o c ng thức sau:
,
Từ phía khác từ th ng qua vòng dây được tính th o định nghĩa:
B.n dS . (3.2.3)
S
Từ đó ta suy ra :
Biểu thức trên đúng với mọi S do đó :
rotE
Gọi là phương trình Maxwell - Faraday.
Trang 22
B
t
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
1.2.1.3. Định luật mpere về lưu thông từ trường.
Ta có dòng điện sinh ra từ trường bây giờ chúng ta hãy viết lại mối liên hệ giữa
dòng điện và từ trường đây chính là nội dung của định định luật mp r : giả sử trong
kh ng gian ta có một từ trường. Chọn một đường kín L bất kỳ, lưu th ng của từ trường
B dọc th o chu tuyến L tỷ lệ với tổng dòng điện chạy qua mặt S giới hạn bởi L:
B.dl I
0
k
k
L
Sử dụng định lý Stocks và chú ý là đẳng thức đúng với mọi chọn lựa L ta có thể
viết lại phương trình trên như sau:
rotB 0 j
Véctơ mật độ dòng điện dịch bằng tốc độ biến thiên theo thời gian của
véctơ cảm ứng điện).
(
Đây chính là công thức vi phân của định luật mpere.
1.2.1.4. Khái niệm về dòng điện dịch - luận điểm thứ hai của Maxwell.
Định nghĩa dòng điện dịch
Hình 1.5
Xét mạch điện như hình bên.
Trên đó, ξ là một nguồn điện xoay chiều,
C là một tụ điện,
là một amp kế xoay
chiều. Nhờ một dụng cụ đo từ trường, chúng
ta thấy kh ng chỉ xung quanh dây dẫn có từ
trường mà tại các điểm bên trong tụ điện cũng
có từ trường. Chúng ta biết rằng trong tụ là
chất cách điện nên kh ng thể có dòng điện dẫn. Vậy từ trường bên trong tụ phải có
nguồn gốc khác.
Vì điện tích trên hai bản của tụ điện biến thiên nên bên trong tụ có điện trường
biến thiên. Maxw ll đã đưa ra giả thuyết là chính điện trường biến thiên trong lòng tụ
điện đã sinh ra từ trường.
Để dễ quan niệm, Maxw ll cho rằng trong tụ điện đã tồn tại một dòng điện khác.
Maxw ll gọi nó là dòng điện dịch (để phân biệt với dòng điện dẫn là dòng chuyển dời
có hướng của các điện tích tự do). Chính dòng điện dịch đã nối tiếp dòng dẫn trong
phần kh ng gian dòng điện dẫn kh ng qua được (trong lòng tụ điện), nhờ đó có dòng
điện khép kín trong toàn mạch. Th o Maxw ll, đặc tính duy nhất của dòng điện dịch là
tạo ra từ trường như dòng điện dẫn. Từ đó, Maxw ll đã phát biểu thành luận điểm:
“Bất kỳ một điện trường nào biến đổi th o thời gian cũng gây ra một từ trường”.
Về bản chất, dòng điện dịch kh ng phải là dòng chuyển dời có hướng của các
điện tích, nó được gọi là dòng điện chỉ vì nó tương đương với dòng điện dẫn về mặt
gây ra từ trường. Vậy thì phương, chiều và độ lớn nó như thế nào?
Phương, chiều độ lớn của dòng điện dịch.
Trang 23
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Để giải quyết vấn đề này, ta xét một mạch điện gồm một tụ điện có điện dung C,
và một cuộn dây điện có hệ số tự cảm L mắc nối tiếp với nhau.
Giả sử lúc đầu tụ điện phóng điện. Điện tích trên hai bản của tụ giảm, ở trong tụ
điện véctơ E hướng từ bản dương sang bản âm và đang giảm, véctơ E ngược chiều
với véctơ E , nhưng cùng chiều với dòng phóng điện.
Còn khi điện tích trên tụ tăng, điện tích trên hai bản của tụ tăng, véctơ E ở trong
tụ tăng, sự phóng điện qua tụ
và E ở trong tụ cùng chiều
với nhau và cùng chiều với .
Trong cả hai trường hợp,
ta đều thấy véctơ E và dòng
điện dẫn ở trên dây dẫn cùng
chiều với nhau. Ta cũng biết
rằng trong mạch điện nối tiếp,
cường độ dòng điện qua mỗi tiết diện của dây phải bằng
nhau. Do đó Maxw ll cho rằng: dòng điện dịch chạy qua toàn bộ kh ng gian giữa hai
bản của tụ điện cùng chiều với dòng điện dẫn trong mạch, và có cường độ bằng cường
độ của dòng điện dẫn trong mạch đó.
Từ đó ta suy ra rằng cường độ dòng điện dẫn I trên thành tụ C phải bằng cường
độ dòng dịch Id trong lòng tụ C. Tức là:
I
dq
Id
dt
Gọi S là diện tích của bản tụ điện, là mật độ điện tích mặt trên bản tụ, điện tích
trên bản tụ là q S . Gọi E là v ctơ điện trường trong lòng tụ điện ta sẽ có
.
Và và E là hàm của kh ng gian và thời gian, nghĩa là E E ( x, y, x, t ) ,
( x, y, z, t ) . Để nhấn mạnh rằng chỉ có khi biến đổi th o thời gian thì điện trường
mới sinh ra từ trường, ta phải dùng dấu đạo hàm riêng th o thời gian thay cho đạo
hàm thường.
Id
dq
S
S 0E
dt
t
t
Gọi J d là mật độ dòng điện dịch, vì điện trường trong lòng tụ điện là đều nên:
Jd
Id
0E
S t
Từ lập luận trên, vì dòng điện dẫn trong mạch và dòng điện dịch trong tụ cùng
chiều, nên véctơ mật độ dòng điện dịch J d bằng:
Trang 24
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
Jd
SVTHV : Lê Thanh Tân
0 E
t
Vậy: Véctơ mật độ dòng điện dịch bằng tốc độ biến thiên theo thời gian của
véctơ cảm ứng điện. Mở rộng cho trường hợp một điện trường bất kỳ biến đổi theo
thời gian, Maxwell đi tới giả thuyết tổng quát sau đây: Xét về phương diện sinh ra từ
trường, thì bất kỳ điện trường nào biến đổi th o thời gian cũng giống như một dòng
điện, gọi là dòng điện dịch, có véctơ mật độ dòng bằng:
Jd
0 E
t
Với giả thuyết của Maxw ll, tại một vị trí nào đó của m i trường, nếu đồng thời
có dòng điện dẫn và dòng điện dịch, thì từ trường do cả dòng điện dẫn và dòng điện
dịch gây ra, do đó Maxw ll đã đưa ra khái niệm dòng điện toàn phần là tổng của dòng
điện dẫn và dòng điện dịch.
J tp J
0 E
t
Như vậy định luật mp r trong trường hợp tổng quát được viết lại như sau :
rotB 0 j 0 E
t
Và ta cũng có thể viết lại dạng tích phân của định luật mp r :
1.2.2. Trường điện từ - môi trường vật chất.
Th o hai luận điểm của Maxw ll, từ trường biến đổi th o thời gian gây ra điện
trường, và ngược lại điện trường biến đổi th o thời gian thì gây ra từ trường. Như vậy,
trong kh ng gian, điện trường và từ trường có thể đồng thời tồn tại, duy trì lẫn nhau và
liên hệ chặt chẽ với nhau, tạo nên một trường thống nhất. Từ đó ta có định nghĩa: điện
trường và từ trường đồng thời tồn tại trong kh ng gian tạo thành một trường thống
nhất gọi là trường điện từ.
Trường điện từ là một dạng đặc biệt của vật chất. Người ta đã chứng minh rằng
nó có năng lượng, khối lượng và động lượng. Năng lượng đó định xứ trong khoảng
kh ng gian có trường điện từ.
Mật độ năng lượng của trường điện từ bằng tổng mật độ năng lượng điện trường
và mật độ năng lượng từ trường:
1
B2
2
w w e w m ( 0 E )
2
0
Năng lượng điện từ trường sẽ là:
Trang 25
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
1
B2
2
W wdV (w e w m )dV ( 0 E )dV
2V
0
V
V
1.2.3. Hệ phương trình Maxwell.
Năm 1864 - 1865 Maxwell c ng bố c ng trình “Lý thuyết động lực học của
trường điện từ”. Trong c ng trình này ng đã nêu rõ : “Lý thuyết mà t i đề nghị có thể
gọi là lý thuyết trường điện từ, vì rằng nó nghiên cứu kh ng gian bao quanh các vật
điện và từ. Nó cũng có thể được gọi là lý thuyết động lực học vì nó thừa nhận rằng
trong kh ng gian đó có vật chất đang chuyển động, nhờ nó mà các hiện tượng điện, từ
quan sát được”.
Cũng trong c ng trình này, Maxw ll đã khẳng định rằng trường điện từ là có thật
và có mang năng lượng.
1873 ông c ng bố “Giáo trình điện học và từ học” trong đó ng tổng kết và hệ
thống hóa toàn bộ lý thuyết của mình thể hiện rõ 2 luận điểm cơ bản như đã nói ở trên.
C ng trình của ng có thể được tóm gọn trong 4 phương trình sau:
Phương trình
Biểu thức toán học
Ý nghĩa
Đường sức điện trường là
1
Định lý Gauss
divE (r )
trường có nguồn, có điểm khởi
0
đối với điện trường
đầu và điểm kết thúc
Mọi biến đổi của từ trường
Maxwell –
B
th o thời gian đều làm xuất hiện
rotE
Faraday
t
một điện trường xoáy.
Đường sức từ trường kh ng có
Định lý Gauss
nguồn hay trong tự nhiên kh ng
divB 0
đối với từ trường
có từ tích
Nguyên nhân sinh ra từ trường
MaxwellrotB 0 j 0 E xoáy có thể là phân bố dòng điện
t
Ampere
hoặc điện trường biến thiên th o
thời gian
Bảng 1.1: Hệ các phương trình Maxwell
Lấy phương hướng dựa trên nguyên lý tác dụng gần của Faraday và lấy khái niệm
trường làm cơ sở, Maxw ll đã chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ: tại một điểm
trong không gian có từ trường biến thiên th o thời gian thì vùng kh ng gian đó phải
xuất hiện điện trường xoáy và ngược lai, cứ như vậy điện từ trường lu n tồn tại đồng
thời, chuyển hóa lẫn nhau và lan truyền trong kh ng gian dưới dạng sóng gọi là sóng
điện từ.
Cũng trong c ng trình này, ng đã trình bày tỉ mỉ lý thuyết điện từ về ánh sáng.
Ông đã đưa ra kết luận, ánh sáng là một loại sóng điện từ do sự kết hợp của véctơ điện
Trang 26
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
trường và từ trường vu ng góc với nhau, biến thiên hình sin th o thời gian. Như vậy
bằng lý thuyết của mình, Maxw ll đã thống nhất được điện học, từ học và quang học.
1.3. ĐIỆN MÔI, TỪ MÔI.
1.3.1. Điện môi.
Điện m i là những chất kh ng dẫn điện, nghĩa là kh ng có các hạt điện tích tự
do. Tuy nhiên khi đặt điện m i trong điện trường ngoài thì nó có những biến đổi đáng
kể. Phần này nghiên cứu các tính chất của điện m i và những biến đổi của nó trong
điện trường.
1.3.1.1. Hiện tượng phân cực điện môi.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng, khi đặt một thanh điện m i trong điện trường ngoài
thì trên các mặt giới hạn của thanh điện môi sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu. Mặt đối
diện với hướng đường sức điện trường ngoài sẽ xuất hiện các điện tích âm, mặt bên kia
sẽ xuất hiện các điện tích dương. Nếu thanh điện m i kh ng đồng chất và đẳng hướng
thì ngay cả trong lòng thanh điện m i cũng xuất hiện các điện tích.
Hiện tượng xuất hiện các điện tích trên thanh điện m i khi nó đặt trong điện
trường ngoài được gọi là hiện tượng phân cực điện môi. Khác với hiện tượng điện
hưởng ở vật dẫn kim loại, các điện tích xuất hiện ở chỗ nào trên bề mặt thanh điện môi
sẽ định xứ ở đó, kh ng di chuyển được. Ta gọi đó là các điện tích liên kết.
Các điện tích liên kết sẽ gây ra trong lòng thanh điện môi một điện trường phụ
làm cho điện trường ban đầu trong thanh điện m i thay đổi. Điện trường tổng hợp
trong điện môi khi điện môi bị phân cực là:
1.3.1.2. Giải thích hiện tượng phân cực điện môi.
Ta biết, trong mỗi nguyên tử, các electron luôn chuyển động quanh hạt nhân với
vận tốc rất lớn. Tuy nhiên khi xét tương tác giữa các electron của nguyên, phân tử với
điện tích hay điện trường bên ngoài ở những khoảng cách khá lớn so với kích thước
phân tử, một cách gần đúng, ta có thể coi tác dụng của các l ctron tương đương với
tác dụng của một điện tích tổng cộng –q đứng yên tại một vị trí trung bình nào đó
trong phân tử, gọi là tâm của các điện tích âm. Một cách tương tự, ta coi tác dụng của
hạt nhân tương đương với điện tích dương +q đặt tại tâm của các điện tích dương.
Tùy theo phân bố các electron quanh hạt nhân mà tâm của các điện tích âm và
tâm của các điện tích dương có thể lệch nhau hoặc trùng nhau. Trường hợp thứ nhất,
mỗi phân tử chất điện m i đã là một lưỡng cực điện. Trường hợp thứ hai,phân tử chất
điện môi không tự phân thành lưỡng cực điện, nhưng khi đặt phân tử trong điện trường
Trang 27
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
ngoài thì tác dụng của điện trường ngoài luôn làm tâm của các điện tích dương và tâm
của cách điện tích âm lệch xa nhau và bản thân phân tử trở thành lưỡng cực điện có
m m n điện khác không.
Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các m m n điện của các phân tử chất điện
môi sẽ xoay và định hướng th o đường sức điện trường ngoài một cách trật tự. Kết quả
trong lòng khối điện m i các điện tích trái dấu của các lưỡng cực phân tử vẫn trung
hòa nhau, còn ở hai mặt giới hạn xuất hiện các điện tích trái dấu. Các điện tích này
chính là tập hợp các điện tích của các lưỡng cực phân tử trên các bề mặt giới hạn,
chúng không phải là các điện tích tự do mà là các điện tích liên kết.
Điện trường ngoài càng mạnh, sự phân cực điện m i càng rõ rệt. Khi kh ng có
điện trường ngoài, các m m n điện của các lưỡng cực phân tử sắp xếp một cách hỗn
loạn hoặc triệt tiêu (đối với loại có tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau). Kết
quả các điện tích liên kết biến mất, khối điện m i kh ng bị phân cực.
1.3.1.3. Điện trường trong chất điện môi.
Xét điện trường đều
gây bởi hai mặt phẳng song song vô hạn tích điện đều,
trái dấu với mật độ điện mặt ±σ. Lấp đầy khoảng không gian giữa hai mặt phẳng một
chất điện môi thì khối điện môi sẽ bị phân cực. Gọi mặt độ điện tích liên kết trên các
mặt giới hạn là –σ’ và + σ’. Các điện tích liên kết này sẽ gây ra trong lòng khối điện
m i một điện trường phụ cùng phương, ngược chiều với
chồng chất, điện trường trong lòng điện m i là :
. Khi đó, th o nguyên lí
Hay về độ lớn :
E = E0 – E’
Trong đó :
Mặt khác, nếu điện m i là đồng chất và đẳng hướng thì ta có thể giả thiết rằng
véctơ phân cực điện m i tại mỗi điểm tỉ lệ với cường độ điện trường tại điểm đó :
Ở đó , là đại lượng kh ng âm và kh ng có thứ nguyên, được gọi là hệ số cảm
điện của điện môi.
Trong trường hợp đang khảo sát, ta có:
Pe = Pe =
, do đó:
E = E0 –
Suy ra:
Trang 28
E
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Với ε = 1 + là một hệ số, phụ thuộc vào tính chất của m i trường, gọi là hệ số
điện môi của m i trường. Do
nên
Công thức:
chứng tỏ cường độ điện trường trong lòng chất điện môi giảm đi ε lần so với
cường độ điện trường trong chân không.
1.3.2. Từ môi.
1.3.2.1. Sự từ hóa các chất, cảm ứng từ trong từ môi.
Một vật dẫn có dòng điện chạy qua được đặt trong một m i trường nào đó thì
cảm ứng từ tại mỗi điểm trong m i trường đó khác với cảm ứng từ trong chân kh ng,
tức là do tác dụng của từ trường của dòng điện thì m i trường đó bị biến đổi. Ta nói
rằng m i trường đó bị từ hóa hay bị nhiễm từ. Các chất có khả năng bị từ hóa được gọi
là từ m i hay vật liệu từ.
Ta đã biết, điện m i đặt trong điện trường thì bị phân cực tạo ra điện trường phụ
. Điện trường trong điện m i là kết quả của sự chồng chất điên trường phụ
điện trường ban đầu
trường ban đầu
. Điện trường phụ
lên
sinh ra sự phân cực điện m i, còn điện
chính là các điện tích tự do gây ra.
.
Tương tự như vậy khi ta đặt từ m i vào từ trường thì nó bị từ hóa tạo ra từ trường
phụ có cảm ứng từ là
chất từ trường phụ
. Cảm ứng từ tổng hợp
trong từ m i là kết quả của sự chồng
này với từ trường ban đầu
.
Th o giả thuyết của amp re đây là các dòng điện khép kín trong phạm vi một
phân tử hay nguyên tử và ta gọi đó là dòng điện phân tử. Từ trường thực tại mỗi điểm
trong từ m i gọi là từ trường vi m có những giá trị rất khác nhau kể cả trong giới hạn
của một phân tử, cũng như trong giới hạn khoảng cách giữa các phân tử. Vì thế cảm
ứng từ tổng hợp trong c ng thức trên là cảm ứng từ trung bình còn gọi là từ trường vĩ
m trong thể tích đủ nhỏ của từ m i. Giá trị trung bình của cảm ứng từ vi m trong
thể tích từ m i chính bằng giá trị của cảm ứng từ vĩ m
Căn cứ vào phương, chiều và độ lớn của v cto
.
người ta phân từ m i thành 3
loại:
- Chất thuận từ:
cùng chiều với
và có độ lớn rất nhỏ so với B0. Gồm
các chất như: nh m v nfram, platin, xi, nitơ, kh ng khí…
Trang 29
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
- Chất nghịch từ:
ngược chiều với
SVTHV : Lê Thanh Tân
và có độ lớn rất nhỏ so với B0.
Gồm các chất như: bismus, đồng, bo, vàng, bạc, thủy tinh, thạch anh, nước và
khí trơ như h li, argon
- Chất sắt từ:
cùng chiều với
và có độ lớn có thể lớn hơn so với B0.
Gồm các chất như: sắt, nik n, coban, các kim loại thộc nhóm đất hiếm và một
số hợp kim đặt biệt như thép vonfram,… là những chất sắt từ.
1.3.2.2. Vécto từ hóa.
Khi từ m i chưa bị từ hóa, các m m n từ phân tử phân bố hỗn loạn, nên tác dụng
từ của chúng triệt tiêu lẫn nhau. Nếu đặt từ m i trong từ trường thì các m m n từ phân
tử sắp xếp th o một trật tự xác định th o hướng của từ trường. Vì vậy, một vật bị từ
hóa tức là bên trong nó có một hệ thống dòng điện phân tử được định hướng toàn bộ,
vật có m m n từ bằng tổng các m m n từ phân tử. Cường độ từ trường trong từ m i
càng lớn thì những dòng điện trong phân tử được định hướng càng mạnh. Do đó tổng
các m m n từ phân tử trong một một đơn vị thể tích càng lớn. Một cách tự nhiên
chúng ta có thể đặt trưng cho mức độ từ hóa một vật bằng mom n từ của một đơn vị
thể tích của nó. Đại lượng này ta gọi là v cto từ hóa kí hiệu là . Như vậy v cto từ hóa
của một vật đã được từ hóa điều, th o định nghĩa sẽ bằng:
Trong đó
là tổng của các véctơ từ phân tử trong thể tích
Nếu vật bị từ hóa kh ng đều thì có những giá trị khác nhau trong những phần
khác nhau của vật. Trong trường hợp này ta định nghĩa véctơ từ hóa của vật tại mỗi
điểm bằng giới hạn của biểu thức khi
dần tới kh ng, nghĩa là lấy
đủ nhỏ để
trong phạm vi đó kh ng đổi:
Véctơ từ hóa là đại lượng đặc trưng cho trạng thái nhiễm từ của một vật. Khi biết
được véctơ từ hóa ở mỗi điểm nào đó của một vật, trong nhiều trường hợp, ta có thể
xác định từ trường của cả vật từ hóa sinh ra.
1.3.2.3. Cường độ từ trường trong từ môi.
Trong tĩnh điện, khi xét điện trường trong điện m i, ngoài v cto cường độ điện
trường
chúng ta đưa thêm v cto điện dịch
. Trong từ học cũng có sự tương tự như
thế. Khi xét từ trường trong từ m i, ngoài véctơ cảm ứng từ
vào véctơ cường độ từ trường
chúng ta cũng đưa thêm
được định nghĩa bởi c ng thức:
Trang 30
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Trong đó là véctơ từ hóa. Đối với chân kh ng
nên:
Như đã xét ở mục trên, cường độ từ trường trong từ m i càng mạnh thì những
dòng điện phân tử định hướng càng mạnh, nghĩa là véctơ từ hóa càng mạnh. Thí
nghiệm chứng tỏ rằng trong các chất thuận từ và nghịch từ đồng chất, véctơ tỉ lệ
thuận với cường độ từ trường
Hệ số
. Trong hệ SI ta đặt bằng:
được gọi là độ từ hóa của chất.
Vì trùng thứ nguyên với nên
kh ng có thứ nguyên. Độ từ hóa của một
chất phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của từ m i. Thí nghiệm chứng tỏ rằng trong
các chất thuận từ và nghịch từ, giá trị của
nhỏ hơn 1 nhiều. Đó là những chất từ
tính yếu. Đối với chất thuận từ thì
, còn chất nghịch từ thì
đối với chất
sắt từ thì
. Ngoài ra cường độ từ hóa của chất sắt từ còn phụ thuộc vào cường
độ từ trường ngoài.
Biểu diễn mối quan hệ giữa v cto cảm ứng từ
trong từ m i:
và v cto cường độ từ trường
Trong đó
được gọi là độ từ thẩm tương đối của một m i trường đối
với chân kh ng thì
được gọi là độ từ thẩm tuyệt đối của một m i trường.
Từ c ng thức trên ta thấy rằng trong m i trường đẳng hướng và đồng chất thì hai
vecto
và
cùng phương cùng chiều.
1.3.3. Thuận từ, nghịch từ, sắt từ.
1.3.3.1. Thuận từ, nghịch từ.
"Nghịch" ở đây có thể hiểu là chống lại từ trường. Đó là thuộc tính cố hữu của
mọi vật chất. Ta biết rằng, khi đặt một vật vào từ trường, th o quy tắc cảm ứng điện từ,
trong nội tại của nguyên tử sẽ sinh ra dòng cảm ứng th o quy tắc L nz, tức là dòng
sinh ra sẽ có xu thế chống lại nguồn sinh ra nó (từ trường), và tạo ra một m m n từ
phụ ngược với chiều của từ trường ngoài. Đó là tính nghịch từ.
Chất nghịch từ là chất kh ng có m m n từ nguyên từ (tức là m m n từ sinh ra do các
điện tử bù trừ lẫn nhau), vì thế khi đặt một từ trường ngoài vào, nó sẽ tạo ra các
Trang 31
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
m m n từ ngược với từ trường ngoài. Th o nguyên lý, vật nghịch từ sẽ bị đẩy ra khỏi
từ trường. Nhưng th ng thường, ta khó mà quan sát được hiệu ứng này bởi tính nghịch
từ là rất yếu (độ từ thẩm của chất nghịch là nhỏ hơn và xấp xỉ 1 - độ cảm từ âm và rất
bé, tới cỡ 10-6). Các chất nghịch từ điển hình là H2O, Si, Bi, Pb, Cu, Au...
Chất thuận từ là chất có m m n từ nguyên từ, nhưng m m n từ này cũng rất nhỏ,
có thể x m một cách đơn giản các nguyên tử của chất thuận từ như các nam châm nhỏ,
nhưng kh ng liên kết được với nhau (do khoảng cách giữa chúng xa và m m n từ
yếu).
Hình 1.6. Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ.
Khi đặt từ trường ngoài vào chất thuận từ, các "nam châm" (m m n từ nguyên tử) sẽ
có xu hướng bị quay th o từ trường, vì thế m m n từ của chất thuận từ là dương, tuy
nhiên do mỗi "nam châm" này có m m n từ rất bé, nên m m n từ của chất thuận từ
cũng rất nhỏ. Hơn nữa, do các nam châm này kh ng hề có tương tác với nhau nên
chúng kh ng giữ được từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từ trường ngoài.
Như vậy, chất thuận từ về mặt nguyên lý cũng bị hút vào từ trường (một hình ảnh ví
dụ là Ôxy lỏng bị hút vào cực của nam châm điện (hình dưới - Haliday et al.
Fundamentals of Physics, 7th Ed.) nhưng thực tế, bức tranh này ta chỉ quan sát thấy
trong từ trường mạnh.
Trang 32
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Hình 1.7:Sự phân cực oxi lỏng.
Ôxy lỏng (chất thuận từ) bị hút vào cực của nam châm điện.
Các chất thuận từ điển hình là l, Na, O2, Pt...
Trước đây, người ta thường coi các chất thuận từ và nghịch từ là các chất từ tính
yếu, hay phi từ, gần đây, các chất có tính chất giống thuận từ (siêu thuận từ) lại được
nghiên cứu ứng dụng mạnh, và kh ng phải là từ tính kém.
1.3.3.2.
Giải thích sự từ hóa của các chất thuận từ.
Các chất thuận từ phải là những chất có m m n từ nguyên tử khác kh ng. Khi
kh ng có từ trường ngoài các m m n từ sắp xếp hoàn toàn hỗn loạn, kh ng có phương
ưu tiên do chuyển động nhiệt. Vì vậy m m n từ tổng hợp trong toàn vật thuận từ bằng
kh ng và vật kh ng có từ tính.
Khi có từ trường ngoài thì các m m n từ phân tử có xu hướng sắp xếp th o
hướng của từ trường đó là phương ưu tiên. Do đó toàn bộ vật thuận từ có m m n từ
khác kh ng và m m n từ tổng hợp có chiều cùng chiều với từ trường ngoài. Đó là
hiệu ứng thuận từ.
1.3.3.3. Giải thích sự từ hóa của các chất nghịch từ.
Các chất nghịch từ là những chất có tổng các v cto m m n từ quỹ đạo và
môm n từ riêng bằng kh ng (do cấu trúc nguyên tử đối xứng), là các chất nghịch từ.
Khi đặt chúng vào từ trường, do hiệu ứng nghịch từ (dưới tác dụng của từ trường ngoài
chuyển động phụ của l ctron sinh ra m m n từ cảm ứng ngược chiều từ trường
ngoài) toàn bộ các nguyên tử có m m n từ phụ lu n ngược chiều với từ trường ngoài.
Trang 33
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
1.3.3.4. Sắt từ
Chất sắt từ được biết đến là
chất có từ tính mạnh, tức là khả năng
cảm ứng dưới từ trường ngoài mạnh.
Fe, Co, Ni, Gd.. Là những ví dụ điển
hình về loại chất này. Chất sắt từ là
các
chất có m m n từ nguyên tử. Nhưng
nó
khác biệt so với các chất thuận từ ở
chỗ
các m m n từ này lớn hơn và có khả
năng tương tác với nhau. Ta tưởng
tượng tương tác này như là các nam
châm đứng gần nhau, chúng hút
nhau và giữ cho nhau song song
nhau. Tất nhiên, bản chất vật lý của
tương tác trao đổi kh ng như thế,
bản
chất của tương tác trao đổi là tương
tác
tĩnh điện đặc biệt. Tương tác này dẫn
đến
việc hình thành trong lòng vật liệu
các
vùng (gọi là các đ m n từ) mà trong
mỗi đ m n này, các m m n từ sắp
xếp
hoàn toàn song song nhau (do tương
tác
trao đổi), tạo thành từ độ tự phát của
vật
liệu (có nghĩa là độ từ hóa tồn tại
Hình 1.8: Mom n từ của chất sắt từ.
ngay cả khi kh ng có từ trường).
Nếu kh ng có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho m m n từ của các đ m n
trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0
các domain từ, trong các domain, m m n từ hoàn toàn song song với nhau.
Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ có 2 hiện tượng xảy ra:
- Sự lớn dần của các đ m n có m m n từ th o phương từ trường
- Sự quay của các m m n từ th o hướng từ trường
khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta có hiện tượng bão hòa từ, lúc đó tất cả
các m m n từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu chỉ có một đ m n duy
nhất. Nếu ta ngắt từ trường, các m m n từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn và lại tạo
thành các đ m n, tuy nhiên, các đ m n này vẫn còn tương tác với nhau (ta tưởng
tượng hình ảnh các nam châm hút nhau làm chúng kh ng hỗn độn được) do vậy
tổng m m n từ trong toàn khối kh ng thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, gọi là
độ từ dư. Điều này tạo thành hiện tượng trễ của vật liệu . Nếu muốn khử hoàn toàn
m m n từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược sao cho m m n từ hoàn toàn
bằng 0, gọi là lực kháng từ. Đường cong từ hóa (sự phụ thuộc của từ độ vào từ
Trang 34
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
trường ngoài của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó là đường cong phi
tuyến (của thuận từ là tuyến tính) và đạt tới bão hòa khi từ trường đủ lớn (hình 7).
Hình 7. Đường cong từ trễ (a) và nhiệt độ Curi (b) của chất sắt từ.
Hai đặc trưng cơ bản cần nhớ của chất sắt từ là (x m hình 7):
- Đường cong từ trễ.
- Và nhiệt độ Curie tc.
Nhiệt độ curi là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất trật tự từ, và khi t>tc chất trở thành
thuận từ.
Mỗi chất sắt từ có khả năng "từ hóa" (tức là chịu biến đổi về từ tính dưới tác động của
từ trường ngoài) và khử từ (sự mất từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài ngược
với nội trường) khác nhau. Từ tính chất này, người ta lại phân chia chất sắt từ thành
những nhóm khác nhau, mà cơ bản có 2 nhóm chất sắt từ là sắt từ mềm và sắt từ cứng.
Trang 35
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Sắt từ cứng là loại sắt từ có cảm ứng khử từ B lớn. Tính từ dư của loại này vừa
mạnh vừa bền vững. Vì vậy người ta dùng loại sắt từ này để chế tạo nam châm vĩnh
cửu.
Sắt từ mềm là loai sắt từ có cảm ứng khử từ nhỏ. Loại sắt từ này làm tăng cảm
ứng từ trong nó lên rất mạnh nhưng đồng thời tính từ dư của nó lại dể khử. Vì vậy
người ta dung nó để làm lõi trong nam châm điện, lõi biến thế…
1.4. HẠT CHUYỂN ĐỘNG TRONG ĐIỆN TRƯỜNG, TỪ TRƯỜNG.
1.4.1. Điện tích trong điện trường
Giả sử, có một điện tích dương q được đưa vào điện trường. Khi đó trường sẽ tác
dụng lên điện tích. Khi đó trường sẽ tác dụng lên điện tích dương đó một lực
,
lực có hướng dọc đường sức. Nếu ngoài lực điện kh ng có các lực khác tác dụng lên
nó, thì hạt mang điện sẽ chuyển động nhanh dần đều dọc th o đường sức. Đối với các
hạt mang điện âm thì điện trường tác dụng lên nó một lực kh ng đổi, nhưng có hướng
ngược với đường sức. Bởi vậy, các hạt mang điện tích âm cũng chuyển động nhanh
dần đều nhưng th o chiều ngược với chiều chuyển động của hạt mang điện tích dương.
Giả sử rằng, có một điện tích dương q bay vào điện trường giữa hai bản song song của
tụ điện, nghĩa là đường sức vu ng góc với hướng bay. Trọng lượng P của hạt mang
điện và lực điện
,cùng tác dụng lên điện tích này. Cả hai lực đều hướng thẳng
đứng xuống phía dưới. Vì vậy hạt chuyển động nhanh dần đều th o phương thẳng
đứng hướng xuống phía dưới. Kh ng có lực nào tác dụng lên hạt th o phương nằm
ngang và bởi vậy nó chuyển động theo phương này. Chuyển động đó hoàn toàn giống
như chuyển động của vật thể bị ném th o phương nằm ngang trong trường hấp dẫn.
Bởi vậy, quỹ đạo chuyển động của hạt mang điện tích dương trong điện trường kh ng
đổi và đồng nhất là đường parabol.
1.4.2. Hạt chuyển động trong từ trường đều.
Chuyển động của hạt mang điện trong từ trường phức tạp hơn nhiều so với trong
điện trường.
Nếu điện tích đứng yên, thì từ trường hoàn toàn kh ng tác dụng lên nó. Nếu điện
tích chuyển động với vận tốc , thì từ trường tác dụng lên nó một lực gọi là lực
Lorentz. Lực Lor ntz được tính bằng:
Độ lớn của lực Lor ntz kh ng chỉ phụ thuộc v ào trị số vận tốc mà còn phụ thuộc
vào hướng của vận tốc. Hướng của lực Lor ntz: vu ng góc với và . Chiều tuân
th o quy tắc bàn tay trái. Xét từ trường đồng nhất và kh ng đổi, quỹ đạo chuyển động
của hạt mang điện khi:
Trang 36
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Lực Lor ntz kh ng làm thay đổi độ lớn vận tốc mà chỉ làm thay đổi phương của
v ctơ vận tốc, kết quả là hạt chuyển động tròn đều, bán kính quỹ đạo là :
Hình 1.9: Quỹ đạo của hạt tích điện chuyển động trong từ trường.
Vận tốc hạt càng lớn thì bán kính quỹ đạo càng lớn(từ trường khó làm cong quỹ
đạo của hạt chuyển động nhanh hơn hạt chuyển động chậm). Cảm ứng từ càng lớn thì
bán kính đường tròn càng nhỏ. Khối lượng hạt càng lớn thì bán kính quỹ đạo càng
lớn(hạt có khối lượng lớn thì có quán tính càng lớn và từ trương khó làm cong quỹ đạo
của nó). Độ lớn điện tích càng lớn thì bán kính quỹ đạo càng nhỏ.
Khi:
Khi đó ta phân tích vận tốc của điện tử th o hai phương : phương dọc th o từ
trường( ) và phương vu ng góc từ trường( ).
Hình 1.10: Hạt chuyển động theo phương không vuông góc từ trường.
Th o phương dọc th o từ trường, hạt chuyển động thẳng đều.
Trang 37
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Th o phương vu ng góc với từ trường, dưới tác dụng của lực Lor ntz, hạt chuyển
động th o đường tròn trong mặt phẳng vu ng góc với từ trường. Kết quả là hạt sẽ
chuyển động th o đường xoắn ốc.
CHƯƠNG 2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐIỆN TỪ HỌC TRONG THẾ
KỈ XX
2.1. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ ĐIỆN TỪ HỌC THỜI KÌ SƠ KHAI ĐẾN THẾ KỈ XX
2.1.1. 600 trước Công nguyên – 1599
Mối quan tâm và sự mê hoặc của loài người với từ học và điện học đã có cách
nay ít nhất là 2600 năm, khoảng năm 600 trước công nguyên. Nhà triết học Thal s xứ
Mil tus đã quan sát thấy hổ phách, khi cọ xát, hút được l ng chim và những chất liệu
nhẹ khác. Ông cũng để ý thấy đá nam châm (magn tit ) có thể hút được sắt. Nhưng
một sự phân biệt rõ ràng giữa hai hiện tượng này vẫn kh ng được nhận ra.
Trong nhiều thế kỉ, những hiện tượng này đã khêu gợi những trí tuệ lớn, từ Pliny
tới Plato tới St. ugustin . Nhưng sự hiểu biết sâu sắc thật sự vẫn tiếp tục lảng tránh
họ vì thiếu c ng cụ và các tư tưởng bảo thủ ngăn cấm. Phần nhiều trong thời kì này,
thuyết duy linh đã t điểm cho thế giới của con người. Muộn hơn nhiều sau này, một
cách tiếp cận có phần chín chắn hơn thực hiện bởi người Pháp Pi rr d Maricourt
(P trus P r grinus), người sống thời thế kỉ 13, đã làm thí nghiệm với một đá nam
châm hình cầu và những thứ khác, rồi c ng bố kết quả của ng trong cuốn “Epostolia
d Magn t .” Ông là một trong những người đầu tiên đề xuất việc khai thác tính chất
vẫn còn hiểu biết nghèo nàn của từ học để chế tạo một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu.
Tuy nhiên, có một c ng cụ từ tính đã đi vào sử dụng trong thời gian này và đã có
tác động rộng rãi hơn lên lịch sử loài người so với cỗ máy tưởng tượng của Peregrinus
đó là la bàn. Người Trung Quốc được đ ng đảo c ng nhận là đã phát minh ra nó. Sự
chứng thực được sử sách ghi lại đầu tiên về la bàn sử dụng trong hàng hải ở Trung
Hoa vào năm 1086, và sau này nó được các thủy thủ châu Âu sử dụng. Tuy nhiên, la
bàn đã được sử dụng hàng thế kỉ trước đó vì những mục đích khác. Gọi là “kim chỉ
nam”, dụng cụ đơn giản được m tả là một đá nam châm hình cái m i, như hình vẽ,
cán của nó lu n lu n chỉ về phương nam. Hiện thân sớm nhất này của la bàn mang
tính chất thiêng liêng hơn là một c ng cụ hàng hải, sử dụng để chỉ dẫn hướng của cuộc
sống của con người, kh ng phải những bước chân của họ.
Trang 38
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Hình 2.1: La bàn.
Tiến về năm 1600, một vài trí tuệ sáng suốt đã bắt đầu nhìn thấy từ và điện là hai
lực khác nhau. Sự th ng suốt này đánh dấu bước nhảy trí tuệ lớn đầu tiên trong sự hiểu
biết của nhân loại về những lĩnh vực có tương quan với nhau này. Nhưng mất gần 250
năm nữa trước khi một sự hiểu biết đầy đủ hơn hiện ra từ mối tương quan này, hoặc
những loại điện khác tồn tại ngoài tĩnh điện ra.
2.1.2. Giai đoạn 1600 – 1799
Trong năm đầu tiên của thế kỉ này, giữa sự đơm hoa kết trái trí tuệ của thời kì
Elizab th, Gilb rt đã cho xuất bản sáu tập sách tên là De Magnete (“Về nam châm”).
Nhiều người x m đây là tác phẩm khoa học thật sự đầu tiên. Rời bỏ truyền thống hiện
có, Gilb rt xây dựng kết quả của ng trên những thí nghiệm thực sự - lặp lại để đảm
bảo kết quả phù hợp, sử dụng thiết bị khoa học và mang lại những quan sát trực tiếp
thay cho các giả thuyết kế thừa.
Một dụng cụ do Gilb rt phát minh ra dùng trong những nghiên cứu này là cái
v rsorium: một mũi tên kim loại phát hiện ra lực điện trong chất liệu và cấu thành nên
cái điện nghiệm đầu tiên. Một thiết bị khác ng đặt tên là “t rr lla” – nghĩa là tiểu Trái
đất. Quả cầu đá nam châm bị từ hóa này ghép cặp với một la bàn trong v số thí
nghiệm. Gilb rt đã thực hiện nhiều khám phá mang tính đột phá với cơ cấu này, trong
đó có việc bản thân Trái đất là một nam châm to lớn. Ông cũng cho rằng Trái đất có
một “quả cầu tác dụng” từ tính – mầm mống của một sự thật kh ng được hiểu biết
thấu đáo bởi các nhà khoa học trong hơn 200 năm trời.
Sau khi kiểm tra có phương pháp nhiều chất liệu đa dạng, Gilb rt đã phát hiện
thấy hổ phách kh ng phải là chất liệu duy nhất, khi cọ xát, hút được những vật nhẹ
nhất định. Ông đã phân loại các chất liệu này là “có tính điện”, và các chất đó kh ng
có tính chất gọi là “phi điện”. Như vậy, Gilb rt là người đã đặt ra thuật ngữ “điện”
(dựa trên từ vựng Hi Lạp chỉ hổ phách).
Trang 39
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Nhiều quan điểm của Gilb rt kh ng đúng: Ví dụ, ng suy luận sai lầm rằng lực từ
là nguyên nhân cho quỹ đạo của Mặt trăng quay xung quanh Trái đất, và rõ ràng đã
thất bại trước việc nhận ra tĩnh điện kh ng chỉ hút, mà còn đẩy. Tuy vậy, những thành
tựu trí tuệ của ng, và cách thức chúng được tạo ra, là một bước nhảy lớn về trí tuệ.
Ngài Isaac N wton của nước nh, được x m là một trong những nhà khoa học và
nhà toán học vĩ đại nhất trong lịch sử, đã xuất bản chuyên luận nổi tiếng của ng về
ánh sáng và quang học ngay đầu thế kỉ này. Ngoài những vấn đề khác, nó còn giải
quyết một cuộc tranh luận đã bắt đầu hàng năm trước đó x m ánh sáng là hạt hay là
sóng. Đối lập với những lí thuyết trước đó, N wton xác định ánh sáng cấu thành từ các
hạt, hay các “tiểu thể”. Các nhà khoa học tiếp tục bàn tới bàn lui về vấn đề đó trong
hàng thế kỉ, nhưng cuối cùng người ta c ng nhận ánh sáng là sóng điện từ và sau này
được đồng ý, nhờ một nhà khoa học lỗi lạc khác, lb rt Einst in, rằng ánh sáng vừa là
sóng vừa là hạt.
Hướng về giữa thế kỉ XVIII, một loại tụ điện đơn giản đã được nghĩ ra trở thành
một c ng cụ thực nghiệm rất quan trọng – và mang tính giải trí. Được phát minh độc
lập bởi thầy tu người Đức E. G org von Kl ist và nhà vật lí người Hà Lan Pi t r van
Mussch nbro k ở trường Đại học L yd n, nó trở nên nổi tiếng với cái tên chai
L yd n. Nó gồm một cái chai thủy tinh chứa đầy nước, tráng bên trong và bên ngoài
lớp kim loại mỏng và đậy bằng một cái nút có sợi dây kim loại xuyên qua. Đầu kia của
sợi dây này có thể nối với một máy phát tĩnh điện, sao cho điện do máy phát tạo ra sẽ
chạy vào và dự trữ trong chai. Mặc dù nguy hiểm nếu sử dụng kh ng cẩn thận (van
Musschenbro k đã suýt mất mạng với nó), nhưng cái chai đã được sử dụng bởi nhiều
nhà khoa học lỗi lạc trong nghiên cứu của họ về điện (trong đó có B njamin Franklin)
và làm phát sinh những biểu hiện kì lạ của dòng điện.
Một trong những trí tuệ lỗi lạc làm việc trong thời gian này là B njamin Franklin,
người Mĩ đầu tiên có những đóng góp quan trọng cho khoa học. Đồng thời là một
chính khách tài năng, nhà triết học và nhà văn, Franklin đã phát triển một sự mê hoặc
sâu sắc với điện học trong thập niên 1740, sau khi ng có một ống thủy tinh và vải vóc
để làm thí nghiệm với chúng. Với dụng cụ này và một máy phát tĩnh điện do ng chế
tạo, người thợ kh ng biết mệt mỏi đã lao vào một loạt thí nghiệm đưa ng đến chỗ tin
rằng chỉ có một loại điện mà th i, thay vì hai loại mà du Fay đã nêu ra vài năm trước
đó. Đóng góp nổi tiếng nhất của Franklin cho lĩnh vực này, tất nhiên, là thí nghiệm cái
diều của ng. Mối ngờ vực của ng rằng sét và điện chỉ là một và điều tương tự được
chứng minh khi tia sét đánh vào cái diều của ng trước một cơn gi ng bão, truyền
xuống một sợi dây ẩm và gây ra một khóa c ng kích cho tia lửa điện. Sự hiểu biết thấu
đáo này dẫn đến phát minh của ng ra cột thu l i, phát minh thực tiễn đầu tiên xuất
hiện trong lĩnh vực điện hãy còn non trẻ và là phát minh đã bảo vệ cho v số mạng
sống con người.
Trang 40
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Trong những năm 1775 – 1799, cuộc cách mạng c ng nghiệp, sau này lan ra khắp
Bắc Mĩ và phần còn lại của châu Âu, bắt đầu diễn ra ở nước nh trong khoảng thời
gian này. Phong trào đã tạo ra một nhu cầu lớn đối với những những c ng nghệ và
phát minh mới, những tiến bộ nền tảng trong ngành khoa học hàng năm.
Nhưng phần nào đó vì điện và từ học chưa được hiểu biết trọn vẹn, cho nên nhiều
ý tưởng mà chúng ta x m là lạ lẫm ngày nay tiếp tục sinh s i. Bác sĩ người Đức nton
Mesmer khẳng định ng có thể chữa nhiều chứng bệnh với một kiểu chữa vết thương
bằng từ tính. (Các bác sĩ đã sử dụng sốc điện để điều trị cho bệnh nhân trong nhiều
năm) Mặc dù c ng việc của ng bị lột trần bởi B njamin Franklin và những người
khác, nhưng sức hấp dẫn ở lí thuyết của ng tiếp tục tồn tại, làm phát sinh nhiều năm
sau đó thuật th i miên cũng như những phương pháp chữa lành vết thương bằng từ
tính khác.
Hình 2.2 Cân xoắn, điện nghiệm.
Bất chấp sự buộc tội thường xuyên của các lang băm, các nhà khoa học tiếp tục
thực hiện những bước nhảy lớn. Đáng lưu ý nhất là một kĩ sư quân đội Pháp, năm
1785 đã kết hợp một phát minh tài trí và việc sử dụng toán học để định lượng lực điện,
nhờ đó chứng minh khẳng định của Jos ph Pri stl y về định luật nghịch đảo bình
phương của lực điện và lực từ, cái cân xoắn của ugustin d Coulomb gồm một thanh
cách điện tr o lơ lửng dưới một sợi dây, ở mỗi đầu của nó là một quả cầu. Trong các
thí nghiệm của ng, Coulomb làm tích điện một trong các quả cầu, và sau đó mang
cùng lượng điện tích cho quả cầu thứ ba. Khi ng đặt quả cầu thứ ba này ở gần quả cầu
nhiễm điện kia, thì quả cầu này nhiễm điện sẽ bị đẩy ra. Khi đó Coulomb có thể đo
Trang 41
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
khoảng cách mà quả cầu bị đẩy dịch chuyển. Bằng cách này, ng đã thiết lập một c ng
thức tính lực giữa hai điện tích bất kì cách nhau một khoảng nào đó. Đơn vị của lực
tĩnh điện này được đặt tên ng.
Khoảng thời gian đó, một giáo sư phẫu thuật người Italy đang làm thí nghiệm với
những cái chân ếch cắt ra (đồng thời với tử thi người), khảo sát một hiện tượng ng
gọi là “điện sinh vật”. Qua một lần tình cờ trong phòng thí nghiệm, Luigi Galvani chú
ý thấy một đầu qu kim loại khi chạm vào cơ chân của ếch cắt ra làm cho chân ếch co
giật. Sau khi loại trừ linh cảm ban đầu của ng rằng hành trạng này là do thời tiết,
Galvani x m nó là một bằng chứng của một loại “chất lỏng” điện riêng biệt bẩm sinh ở
động vật. (Nghiên cứu của ng đã truyền cảm hứng cho tác phẩm Frankenstein nổi
tiếng của Mary Sh ll y)
Tất nhiên Galvani đã sai lầm. Chân ếch kh ng tạo ra điện, mà dẫn nó giữa một
loại kim loại mà chân đó tiếp xúc với loại kim loại kia ở đầu qu nhọn. Nhưng sai lầm
của ng rất có lợi, vì nó đưa đến khám phá rằng các dây thần kinh mang xung điện và
khai sinh ra lĩnh vực điện hóa học. Nó cũng đã kích động l ssandro Volta, một người
đồng hữu người Italy bị thuyết phục rằng Galvani kh ng đúng, chứng minh ng ta đã
sai. Ông đã chứng minh điều này rõ ràng nhất với việc phát minh ra cột volta.
2.1.3. Giai đoạn 1800 - 1899
Thế kỉ 19 bắt đầu với một phát minh ngoạn mục: chiếc pin đầu tiên, sáng kiến
của nữ thần báo ứng của Luigi Galvani, l ssandro Volta. Nhiều đột phá khoa học đã
xuất hiện trong những thập niên sau đó là ứng dụng, cải tiến hoặc thậm chí là những
khám phá được truyền cảm hứng bởi dụng cụ của Volta.
Vinh quang của Volta có thể được ghi nhận, một phần, nhờ sự thất bại của
Galvani. Trước hết, nghi ngờ lí thuyết của Galvani về “điện sinh vật” là sai, và sau đó
tin chắc vào điều đó, Volta đã bác bỏ lí thuyết đó một cách dứt khoát với phát minh ra
cột volta. Volta nhận ra rằng khi hơi ẩm có mặt giữa hai kim loại khác nhau, thì dòng
điện có thể được dẫn. Và ng nhận ra rằng càng có nhiều lớp kim loại thì có thể làm
phát ra điện nhiều hơn. Cột của ng gồm các lớp bạc và kẽm, với các miếng giấy tẩm
nước muối ở giữa.
Trang 42
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Hình 2.3: Cột vônta, bình điện phân Davy.
“Cơ quan điện nhân tạo” này, như nhà phát minh ra nó gọi nó, là thiết bị đầu tiên
tạo ra và duy trì dòng điện và tạo ra dòng điện qua một phản ứng hóa học. Là một tiến
bộ lớn so với các máy phát tĩnh điện, nó đã mở ra cánh cửa cho tất cả những loại ứng
dụng khác. Thuật ngữ volt, một số đo của dòng điện, được đặt tên để ghi nhận thành
tựu của Volta.
Trang 43
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Chỉ hai năm sau thành tựu của Volta, nhà triết học người Italy Gian Dom nico
Romagnosi đang làm thí nghiệm với chiếc pin mới thì ng thấy nó làm lệch một cái
kim từ tính. Mặc dù ng đã nhận ra bản chất đáng kinh ngạc của khám phá của ng –
một liên hệ giữa điện và từ - và một tờ báo Italy đã báo cáo nó, nhưng tin tức chẳng
hiểu sao đã thất bại kh ng gây được sự chú ý của cộng đồng khoa học. Tuy vậy, 17
năm sau, một người Đan Mạch sẽ có mặt cùng khám phá đó, và đi vào lịch sử nhờ
khám phá đó.
Các nhà phát minh hăng hái làm việc tìm kiếm các ứng dụng cho dòng điện mà
Volta vừa khai thác được. Một trong những phương tiện ứng dụng đầu tiên là bóng
đèn, và từ đầu đến giữa thế kỉ 19, hai loại đèn điện, đèn hồ quang và đèn nóng sáng, đã
được phát triển. Đèn hồ quang cấp nguồn bằng pin xuất hiện trước, và nhà hóa học
người nh Humphry Davy đã chứng minh được một nguyên mẫu sơ khai cho Viện
Hoàng gia London vào năm 1810. Tuy vậy, những bóng đèn này kh ng trở thành thực
tiễn cho đến khi máy phát điện xuất hiện, và bị lấn át bởi sự thống trị của các đèn nóng
sáng.
Một cách tình cờ sau bước chân của nhà triết học Italy Gian Dom nico
Romagnosi, Hans Christian Ørst d trở thành nhà khoa học thứ hai phát hiện ra mối
tương quan của điện và từ. Tháng 4 năm 1820, nhà vật lí và hóa học người Đan Mạch
th o thuật lại đã có một bài giảng về điện khi ng chú ý thấy kim của một la bàn gần
đó tự sắp nó vu ng góc với một dây dẫn mang dòng điện. Nghiên cứu sau đó của ng
kh ng đưa đến tận cùng của cái ng đã nhìn thấy, nhưng ng sớm c ng bố khám phá
của ng trước thế giới, lần này đã hiểu được tầm quan trọng của nó. Thật vậy, tin tức
của Ørst d đã gây ra một cơn chấn động trong cộng đồng khoa học, cho ra đời lĩnh vực
điện từ học và đặt nền tảng cho đột phá mang tính lịch sử của Micha l Faraday và
Jam s Cl rk Maxw ll sau này trong cùng thế kỉ.
Trang 44
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Hình 2.4 La bàn Orsted.
Ngay sau báo cáo của Orsted, các nhà khoa học lao vào khảo sát những hàm ý
của nó. Các thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Pháp – trong đó có ndré-Marie
Ampère, François Arago, Siméon-Denis Poisson và Jean-Baptiste Biot – đặc biệt hăng
hái nhất. mpèr nhanh chóng đưa ra một lí thuyết chứng minh các dây dẫn song song
mang dòng điện chạy cùng chiều hút lẫn nhau, còn các dây dẫn song song sẽ đẩy nhau
nếu dòng điện của chúng chạy th o chiều ngược nhau. Sự hiểu biết sâu sắc của
mpèr đã làm phát sinh lĩnh vực điện động lực học; và tên của ng, tất nhiên, đã
được tên cho đơn vị amp .
rago quan sát thấy mạt sắt kh ng bị từ hóa tạo thành một vòng tròn xung quanh
một dây dẫn nếu nó mang dòng điện, nhưng kh ng tạo ra vòng tròn đó khi dòng điện
ngừng chạy. Biot, hợp tác với Félix Savart, đã thiết lập một định luật mang tên họ có
thể tính được từ trường phát sinh bởi một dây dẫn mang dòng điện. Toàn bộ những
thành tựu này xuất hiện chỉ trong vòng vài tháng sau khám phá của Ørst d..
Năm sau đó, một con người mà tên tuổi đã trở thành huyền thoại trong lĩnh vực
đã đưa ra những dấu ấn đầu tiên của ng. Nhà hóa học người nh Micha l Faraday, do
Humphry Davy bảo trợ, phát hiện thấy dòng điện có thể tạo ra chuyển động quay, đưa
ng đến chế tạo động cơ điện nguyên bản đầu tiên. Faraday để nó cho những người
khác phát triển thành cỗ máy ngày càng phức tạp hơn, nhưng trong những thập kỉ tiếp
sau đó, ng đã có những đóng góp kh ng gì sánh nổi cho lĩnh vực điện từ học đang
sinh s i phát triển.
Trang 45
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Giữa thập niên 1820, kĩ sư người nh William Sturg on sáng chế ra nam châm
điện thực tiễn đầu tiên, có thể chịu được 20 lần sức nặng của riêng nó. Các nam châm
điện ngày càng phức tạp và mạnh mẽ giữ vai trò quan trọng trong nghiên cứu lẫn các
ứng dụng thực tiễn chưa từng có từ trước đến giờ.
Khoảng thời gian Sturg on đang phát triển nam châm của ng, nhà vật lí Đức
G org Simon Ohm chú ý thấy dòng điện tạo ra nhiệt. Nhiệt, ng ghi nhận, biểu thị sự
cản trở đối với dòng điện. Từ đây ng suy ra rằng dòng điện biến thiên tỉ lệ trực tiếp
với điện trở của dây. Ohm đã thiết lập một định luật biểu diễn mối quan hệ này giữa
volt, amp và điện trở là cơ sở của điện học. Cả định luật và đơn vị của điện trở mà
ng m tả đều được th o tên ng.
Trong thập niên thứ tư, chàng sinh viên nghệ thuật người Mĩ Samu l Mors trở
nên hứng thú với ý tưởng máy điện báo. Ông biết rõ nhu cầu cho một dụng cụ như
vậy: Trong lúc đi ra nước ngoài, ng chỉ hay tin vợ ng mất sau vài tuần vì thực tế
chẳng có cách nào đưa tin đến ng nhanh hơn được. Mors đã phát triển một nguyên
mẫu của dụng cụ, cũng như một bộ mã đặc biệt biến đổi các kí tự thành các vạch và
các chấm.
Năm 1833, những người Đức Carl Fri drich Gauss và Wilh lmW b r đã xây
dựng một đường truyền điện báo, trải dài gần một dặm trong thành phố Götting n. Vài
năm sau đó, ở nước nh, Wh atston hợp tác với nhà doanh nghiệp William Cook
trình diễn máy điện báo hoạt động đầu tiên ở đất nước này, chiếc máy tiếp tục cạnh
tranh (trong cuộc đua dài kì, kh ng thành c ng) với phát minh của Mors . Thiết bị
Wheatstone-Cook có một thiết bị nhận với năm kim từ tính cố định với một mạng
lưới kí tự. Dòng điện làm cho các kim chỉ vào những kí tự mong muốn để đọc ra tin
nhắn.
Những tiến bộ khác trong việc áp dụng điện cũng được thực hiện trong thời gian
này. Nhà hóa học nh John Dani ll đã đưa cột volta tiến thêm một bước nữa, phát
triển một chiếc pin kh ng-sạc điện sơ khai – pin Daniell – cung cấp một dòng điện duy
trì liên tục. Các mẫu động cơ điện, cuối cùng đã làm thay đổi cách thức con người đi
lại, làm việc và sinh sống, đã được phát triển. Người Mĩ Thomas Dav nport đã thiết kế
ra một động cơ đủ mạnh để chạy một x lửa điện.
Tuy nhiên, thành tựu nổi bật nhất trong lĩnh vực điện và từ là do Micha l Faraday
thực hiện. Thật ra kh ng phải một thành tựu, mà là nhiều. Trong thời kì này, Faraday
đã thiết lập định luật điện phân, nghĩ ra khái niệm hằng số điện m i và phát hiện ra cái
trở nên nổi tiếng là khoảng tối Faraday. Ông cũng đưa ra lí thuyết tổng quát của ng về
điện, bác bỏ quan điểm được chấp nhận lâu dài rằng nó là một loại chất lỏng th o quan
niệm nó là một lực “truyền từ hạt sang hạt”. Tuy nhiên, có lẽ nổi tiếng nhất, Faraday
vào năm 1831 đã phát hiện ra các nguyên lí đặt nền tảng cho hai c ng cụ chủ chốt của
Trang 46
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
điện ứng dụng: cảm ứng điện từ, đưa đến máy biến áp, và cảm ứng từ-điện, đưa đến
máy phát điện. Định luật cảm ứng của ng là một trong những đóng góp xuất sắc nhất
của ng cho khoa học.
Faraday nhận ra sự cảm ứng điện từ với phát minh của ng ra “vòng cảm ứng”,
gồm hai dây dẫn quấn xung quanh một mẩu sắt hình bánh rán. Một dây gắn với một
điện kế. Khi Faraday gắn dây thứ hai với một chiếc pin, dòng điện thu được cũng đi
qua sợi dây thứ nhất, kh ng gắn với nó, như ghi nhận trên điện kế.
Cố gắng đào sâu kiến thức về cách thức điện và từ hoạt động và tương quan với
nhau. Định luật Joul , do nhà vật lí nh Jam s Pr scott Joul thiết lập, ráp thêm một
mảnh vào trò chơi ráp hình bởi việc giải thích mối quan hệ giữa dòng điện chạy qua
một điện trở và nhiệt tỏa ra.
Nhà hóa học Micha l Faraday tiếp tục c ng trình lí thuyết huyền thoại của ng,
làm việc ở tốc độ khác thường. Ví dụ, năm 1845, ng phát hiện ra cái trở nên nổi tiếng
là hiệu ứng Faraday (th o đó mặt phẳng phân cực của ánh sáng truyền qua thủy tinh bị
ảnh hưởng bởi các đường sức từ, cho thấy từ tính và ánh sáng có liên quan nhau), được
nhiều người x m là đóng góp lớn nhất của ng cho khoa học. Ông còn nhận ra một
dạng mới của từ tính mà ng gọi là tính nghịch từ (trong đó các chất như thủy tinh bị
đẩy yếu bởi nam châm). Trước đó, người ta tin rằng các tính chất từ chỉ tìm thấy ở một
vài nguyên tố như sắt chẳng hạn. Faraday nhận ra rằng nó là một tính chất chia sẻ, ở
mức độ khác nhau, bởi toàn bộ vật chất. Quan niệm này sau đó được khai thác trong
c ng trình của các nhà vật lí William Thomson (sau này là ngài K lvin) và James
Clerk Maxwell.
Các nhà khoa học khác áp dụng trí năng của họ cho những nghi vấn lí thuyết,
gồm nhà vật lí Đức Wilh lm W b r, người cố gắng (kh ng thành c ng) mang gộp tất
cả kiến thức hiện có về điện từ học vào một lí thuyết duy nhất (đơn vị của số đo từ
th ng đặt th o tên W b r). Người đồng bào của ng, H rmann von H lmholtz, trong
số những thành tựu to lớn khác, đã phát triển một phát biểu về sự bảo toàn năng lượng
ở mọi dạng thức của nó, kể cả tĩnh điện và từ học.
Một bước tiến lịch sử to lớn trong lĩnh vực điện từ học ứng dụng được thực hiện
vào tháng 5 năm 1844, khi Samu l Mors gửi tin nhắn đầu tiên trên đường dây điện
báo do chính quyền liên ban thuê, mới hoàn thành, giữa thủ đ Washington và
Baltimor , MD. Ở Washington, Mors nhấn lên một phím điện báo, đập xuống một đĩa
kim loại và khép kín một mạch điện. Dòng điện khi đó chạy qua dây dẫn đến máy
nhận ở Baltimor . Ở đó, dòng điện đi qua một nam châm điện, tạo ra từ trường làm
cho phím của máy nhận hút vào đĩa bên dưới nó. Khi khóa đập vào đĩa, nó kêu lớn, ở
dạng mã Mors , người ta đọc một mã bip, “Chúa đúng là một người thợ rèn!”.
Trang 47
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Khi cuộc cách mạng c ng nghiệp đặt ra nhu cầu có những nguồn năng lượng và
ánh sáng tốt hơn vào giữa thế kỉ 19, các nhà phát minh và doanh nghiệp đã lao động
vất vả để cung cấp chúng. Năm 1853, c ng ti llianc được thành lập ở Paris và bắt
đầu sản xuất máy phát điện phát triển dần trong năm. Năm 1858, ánh chói của ngọn
hải đăng điện đầu tiên chiếu sáng các vách đá Dov r ở nước nh, nhờ một cỗ máy
“magn to điện” chạy bằng hơi nước và đèn hồ quang cải tiến.
Đột phá lớn nhất trong lĩnh vực điện học ứng dụng đến từ Zénob -Théophile
Gramm . Chàng kĩ sư điện người Bỉ đã phát minh ra một cỗ máy ngày nay gọi là
dynamo Gramm . Mẫu của ng là một máy phát ra dòng điện liên tục, thực tiễn với,
như nó hóa ra như vậy, một chuyển động quay bất ngờ: Khi các dây dẫn của cỗ máy bị
nối kh ng chính xác trong lần trình diễn, máy phát bắt đầu chạy “ngược” – giống như
một động cơ điện, biến đổi cơ năng thành dòng điện và rồi chuyển chúng trở lại thành
cơ năng. Mặc dù cỗ máy của Gramm kh ng phải là động cơ điện đầu tiên từng được
chế tạo, nhưng nó là chiếc máy đầu tiên có tầm quan trọng thương mại, giúp đưa châu
Âu và nước Mĩ tiến xa khỏi sức ngựa và động cơ hơi nước và tiến gần hơn đến việc sử
dụng rộng rãi năng lượng điện.
Giữ một vai trò quan trọng trong sự phát triển của cáp điện báo là một nhà khoa
học tài ba tên là William Thomson. Ông đã tự ghi danh mình vào lịch sử bởi việc phát
triển một thang đo nhiệt độ tuyệt đối, và bắt đầu vào giữa thập niên 1850 ông nghiên
cứu cáp điện báo, trở thành giám đốc của C ng ti Điện báo Đại Tây Dương. Ông đã
lắp đặt thành c ng đường cáp xuyên đại dương, giành danh hiệu ngài K lvin cho
những nỗ lực của mình. Thomson còn có những đóng góp quan trọng khác cho c ng
nghệ, trong đó có c ng trình nghiên cứu đặt nền tảng cho lí thuyết dao động điện, hình
thành nên cơ sở của điện báo kh ng dây.
Ba năm sau đường cáp xuyên đại dương đầu tiên, đường điện báo xuyên lục địa
đầu tiên đã được hoàn thành ở nước Mĩ, nối từ Omaha, N braska, tới Carson City,
N vada. C ng nghệ đó, phát triển song hành với đường sắt, giữ vai trò quan trọng
trong cuộc Nội chiến, làm thay đổi diện mạo của báo giới, khuyến khích khai hoang
miền tây và xếp xó dịch vụ đưa tin bằng ngựa thồ cỗ xưa.
Trí tuệ khoa học lỗi lạc của những năm tháng này là người Scotland Jam s Cl rk
Maxw ll, thường được nhiều người x m là nhà vật lí vĩ đại nhất của thế kỉ 19. Trong
những năm tháng này, trí tuệ phi thường của ng đã sáng tạo ra c ng trình quan trọng
nhất của nó. Áp dụng tài năng toán học của ng cho các kết quả của Faraday về điện
và từ, Maxw ll đã thiết lập chừng 20 phương trình về điện động lực học. Được nhà vật
lí Oliver H avisid c đọng lại thành bốn phương trình sau khi Maxw ll qua đời, “hệ
phát triển Maxw ll” được x m là một trong những thành tựu khoa học vĩ đại nhất của
thế kỉ này. Mặc dù phải mất nhiều năm để những người đương thời của Maxw ll nhận
Trang 48
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
ra cái thần của các phương trình đó, nhưng chúng đã đặt nền tảng cho lí thuyết tương
đối của lb rt Einst in bốn thập kỉ sau này.
Qua nghiên cứu của ng về các phương trình, Maxw ll nhận ra rằng sóng điện từ
truyền đi ở tốc độ khoảng bằng như ánh sáng; do đó ánh sáng bản thân nó cấu thành từ
sóng điện từ. Ông còn chứng minh qua chúng rằng lực điện và lực từ là hai khía cạnh
bổ sung cho nhau của lực điện từ.
Năm 1876, l xand r Graham B ll phát minh ra điện thoại. Mặc dù B ll giành
được phần lớn tiếng tăm và giải thưởng tài chính cho thành tựu đó, nhưng trong đó có
phần đóng góp của những người khác, gồm người trợ lí của ng Thomas Watson, đối
thủ cạnh tranh của ng Elisha Gray và các nhà phát minh ra các mẫu nguyên bản trước
đó, bao gồm cả Johann Phillip R is của nước Đức.
Các nghi vấn vẫn còn đó là B ll xứng đáng được t n vinh bao nhiêu. Nhưng cuối
cùng, tính nhạy bén phi thường trong kinh doanh của ng và kiến thức âm học đã đưa
ng đến vinh quang trong sách vở lịch sử. Vào cuối thập niên 1870, sự mua bán điện
thoại đầu tiên đã được thiết lập, cho phép người ta gọi điện cục bộ cho nhau với một
người điều hành làm trung gian.
Bóng đèn đầu tiên của Edison tồn tại chưa tới 14 giờ, nhưng trong vòng một năm
ng đã kéo dài thời gian sống của nó lên gần 100 lần bởi việc sử dụng dây tóc carbon
hóa hoàn thành kì c ng ở bờ bên kia Đại Tây Dương. Edison tiếp tục thương mại hóa
thành c ng phát minh của ng ở nước Mĩ và hợp tác với kẻ kình địch cũ Swan thực
hiện c ng việc tương tự ở nước nh.
Sự đối mặt giữa hai nhà phát minh, Thomas Edison và Nikola Tesla, và các
phương tiện tương ứng của họ để phát điện và phân phối điện năng. Trong khi Edison
đã chiến thắng trong cuộc đua “phát minh” ra bóng đèn nóng sáng vào thập niên 1870,
hệ thống điện một chiều (DC) của ng đã trở thành kẻ chiến bại trong “Chiến tranh
Điện” vào thập niên 1880, như tranh luận giữa hai nhà phát minh cho thấy. Cho dù
tính cách mạnh mẽ, sự tinh th ng thầu khoán và chiến dịch chơi xấu bẩn thỉu của ng,
Edison vẫn kh ng thể xuyên tạc ưu thế của điện xoay chiều ( C).
Trang 49
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Hình 2.5: Trạm thủy điện.
Edison đã giúp đảm bảo cho sự thành c ng của bóng đèn của ng bằng cách đồng
thời cung cấp thiết bị DC để cấp điện cho nó. Năm 1882, ng khánh thành nhà máy
điện thương mại đầu tiên trên thế giới ở thành phố N w York. Nhà máy thủy điện đầu
tiên khánh thành vài tuần sau đó ở Wisconsin, phát ra đủ điện DC để chạy hai nhà máy
giấy. Nhưng điện DC có những thiếu sót của nó: Nó khó truyền đi những khoảng cách
xa, vì dây dẫn ngổn ngang, và nó kh ng hiệu quả và đ i khi nguy hiểm.
Năm 1881, T sla, một chàng trai trẻ đến từ nơi khi ấy là Đế chế Áo-Hung đã hình
thành trong đầu một giải pháp, được truyền cảm hứng bởi một bài thơ của Go th : một
động cơ cảm ứng sử dụng từ trường quay để tạo ra điện xoay chiều. Thợ điện người
Mĩ William Stanl y đã phát triển hệ thống điện C đầu tiên năm năm sau đó, trong đó
có máy biến áp đầu tiên, có thể làm tăng hoặc giảm điện áp ở những nơi khác nhau
trên đường dây C, làm cho việc truyền tải đi xa là có thể. Năm sau đó, T sla, khi đó
đã di cư sang Mĩ, đăng kí bằng phát minh cho hệ thống C của riêng ng. Ý tưởng của
ng thu hút sự chú ý của nhà doanh nghiệp và kĩ sư G org W stinghous , người đã
mua quyền sử dụng bằng phát minh của ng. Bất chấp sự tuyên truyền ác liệt từ chiến
dịch Edison, nhưng cuối cùng điện C đã thắng thế. Nhà máy thủy điện C đầu tiên
được thành lập ở Or gon năm 1889, và vào giữa thập niên 1890 sự thống trị của điện
C được đảm bảo bởi thành c ng của sự trình diễn chiếu sáng tại Hội chợ quốc tế
Chicago và nhà máy điện DC đầu tiên ở thác nước Niagara.
Trong thời kì này, nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu tác phẩm của Jam s
Cl rk Maxw ll huyền thoại. Một trong số họ là nhà vật lí Đức H inrich H rtz, người
muốn x m ng có thể làm ảo thuật với sóng điện từ mà Maxw ll đã lí thuyết hóa hai
thập kỉ trước đó hay kh ng. Để làm việc này, H rtz nghĩ ra một mạch dao động (nếu
Trang 50
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
các lí thuyết của Maxw ll đúng) sẽ phát ra sóng điện từ. H rtz còn chế tạo một vòng
kim loại với một kh nhỏ bên trong nó – một thiết bị nhận được thiết kế để dò tim sóng
truyền đi từ máy dao động. Khi mang vòng kim loại tới gần máy dao động, các tia lửa
điện từ dòng điện nhảy qua kh ở trong vòng, chứng tỏ sóng điện gửi vào kh ng gian
có thể phát hiện ra được. Các thí nghiệm của H rtz còn cho thấy, giống như sóng ánh
sáng, các sóng điện từ này có thể phản xạ và khúc xạ, và chúng truyền đi ở tốc độ bằng
như ánh sáng, nhưng với bước sóng dài hơn (H rtz còn quan sát thấy trong những thí
nghiệm này khi ánh sáng chiếu lên một mặt kim loại, các l ctron bị bật ra – hiệu ứng
quang điện).
Cho nên H rtz là người đầu tiên phát và thu sóng v tuyến, mặc dù ng kh ng đặt
tên chúng như vậy, ng cũng kh ng lường trước được tiềm năng thực tiễn kh ng thể
tin nổi của chúng. Tuy nhiên, những người khác sẽ sớm định hình các khám phá của
H rtz thành điện báo v tuyến và radio. Cuối cùng thì cũng những nguyên lí đó đã dẫn
đến truyền hình và radar. Các thành tựu của H rtz được viện dẫn mỗi khi tham khảo
đơn vị đo lường của tần số sóng v tuyến, đơn vị h rtz.
2.2. LỊCH SỬ ĐIỆN TỪ HỌC THẾ KỈ XX.
2.2.1. Giai đoạn 1900-1909.
Bình minh của thế kỉ 20 đã mang đến những cái nhìn mang tính bước ngoặt cho
ngành vật lí, thu được những sự thay đổi sâu sắc ở cách thức con người lĩnh hội và
sống trong thế giới. Các nhà khoa học đã vứt bỏ quan niệm nguyên tử kh ng thể chia
cắt, thu được một sự hiểu biết mới về vật chất và năng lượng và bắt đầu thấy, ở cấp độ
nguyên tử, vật lí học là một quả bóng trò chơi hoàn toàn mới có ít thứ chung với cơ
học cổ điển. Lĩnh vực cơ học lượng tử ra đời.
Năm 1900, nhà vật lí Đức Max Planck c ng bố một lí thuyết đề xuất rằng các
nguyên tử kh ng giải phóng năng lượng của chúng th o một dòng liên tục, như các
nhà khoa học vẫn nghĩ, mà ở từng lượng gián đoạn ng gọi là lượng tử. Nó là một ý
tưởng cấp tiến, nhưng Planck đã kh ng nhận ra phạm vi và hàm ý thật sự của nó, và
trong nhiều năm cũng chẳng có người đương thời nào của ng nhận ra điều đó.
Trang 51
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Hình 2.6
Cần đến thiên tài của lb rt Einst in để lĩnh hội các hệ quả của ý tưởng của
người đồng hương của ng. Tóm lấy quan niệm của Planck và làm việc với nó,
Einst in, lúc ấy đang làm việc ở một phòng cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ, đã phát triển
một lí thuyết ấn định ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt. Quan niệm khác thường này, đã
làm sửng sốt các nhà vật lí đồng thời với Einst in, cho rằng ánh sáng cấu thành từ các
lượng tử (sau này gọi là photon), nhờ đó giải thích cho hiệu ứng quang điện, trong đó
ánh sáng làm thoát l ctron ra khỏi kim loại.
Cũng trong “năm huyền diệu” 1905 này, Einst in đưa ra lí thuyết tương đối đặc
biệt của ng. Với phương trình nổi tiếng E = mc2, lí thuyết đã giải được mối quan hệ
giữa thuyết điện từ và chuyển động bình thường, đưa đến một quan niệm cấp tiến rằng
khối lượng và năng lượng là một và như nhau.
Nhiều người khác đã làm sáng tỏ những viên gạch cấu trúc cơ bản của vật chất.
Nhà vật lí Đức Philipp L nard, dựa trên nghiên cứu tia cathod của ng, đề xuất rằng
phần lớn bên trong của một nguyên tử là kh ng gian trống rỗng, với khối lượng của nó
chiếm một phần trăm rất nhỏ thể tích của nó. Trong thí nghiệm giọt dầu tài tình của
ng, nhà vật lí Mĩ Rob rt Millikan tính ra điện tích của một l ctron với độ chính xác
cao hơn bao giờ hết. Nhà vật lí Đức Hans G ig r làm chuyển hướng lĩnh vực nghiên
cứu với mẫu của một cái buồng chuyên dụng để đếm các hạt bức xạ.
Trong nghiên cứu về từ học, nhà vật lí Pháp Pierre-Ern st W iss đã phát triển
một lí thuyết cấu trúc miền gọi là lí thuyết trường trung bình. W iss cho rằng các
nguyên tử trong các chất sắt từ như sắt và nick l (kh ng giống các nguyên tử trong các
chất thuận từ) tự nhóm chúng lại thành các “miền”, bên trong đó chúng chia sẻ cùng sự
định hướng từ. Khi các chất này tiếp xúc với một từ trường mạnh, các miền định
hướng th o hướng khác thẳng hàng với trường ngoài.
Mọi người bình thường kh ng có kiến thức vật lí cũng nhìn thấy điện và từ học
bắt đầu làm thay đổi cuộc sống của họ. Ngày càng có nhiều ứng dụng được phát minh
để khai thác dòng điện, trong những năm đầu của thế kỉ mới, máy hút bụi, lò nướng
bánh, đèn flash và sắt. Các nhà phát minh tiếp tục phát triển radio, vẫn ở dạng trứng
nước của nó. Ngành c ng nghiệp vận tải biển được kế tục bởi “điện báo kh ng dây”
cho việc truyền tín hiệu ở dạng mã Mors . Năm 1906, kĩ sư Mĩ L Dr For st chế tạo
ra ống ba điện cực (triod ) có thể phát hiện tín hiệu kh ng dây tốt hơn các thiết bị hiện
có. Cuối năm đó, lần đầu tiên các thính giả say sưa ngh được giọng nói con người và
phát thanh âm nhạc trên vùng “kh ng dây”. Tuy nhiên, mãi cho đến thập niên 1920 thì
phát thanh radio mới thật sự phát lên khỏi mặt đất.
Trang 52
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Sau đây là tóm tắt những phát minh trong thời kì này:
1900
Đ i vợ chồng nhà vật lí người Pháp Pi rr và Mari Curi tạo ra bằng chứng
cho thấy tia b ta là một dạng bức xạ giống hệt như tia cathod .
1900
Nhà vật lí Đức Max Planck đưa ra định luật bức xạ của ng, hằng số vật lí cơ
bản mang tên ng, và khái niệm lượng tử năng lượng của ng.
1901
Sau hàng nghìn thí nghiệm, nhà phát minh người Mĩ Thomas Edison phát triển
thành c ng pin tích trữ nick l-kiềm.
1902
Sau các báo cáo của Gugli lmo Marconi về sự truyền tín hiệu v tuyến xuyên
Đại Tây Dương (1901), Oliv r H avisid của nước nh phỏng đoán rằng một lớp
dẫn điện nằm trên tầng cao khí quyển của Trái đất cho phép các sóng này truyền đi
những khoảng cách trải rộng ra bất chấp sự cong của hành tinh. Ở nước Mĩ, kĩ sư
điện rthur K nn lly đã độc lập đi đến cùng kết luận đó và tầng khí quyển giả
thuyết được gọi là lớp K nn lly–H avisid hay tầng điện li.
1903
Nhà vật lí Đức Philipp L nard đề xuất rằng đa phần khối lượng của nguyên tử
được giữ trong chỉ một phần nhỏ của thể tích nguyên tử dựa trên các kết quả của
thí nghiệm tán xạ l ctron ng thực hiện với ống Crook s và những lá kim loại
mỏng.
1903
Wilh lm Einthov n, nhà sinh lí học người Hà Lan, phát minh ra một dụng cụ
gọi là điện kế Einthov n cho phép ng tạo ra bản điện tâm đồ đầu tiên, một bản
ghi đồ thị của hoạt động điện của trái tim.
1903
Kristian Birk land, người Na Uy, đưa ra khái niệm bão từ địa cực, một dạng
nhiễu từ cục bộ, cường độ mạnh đi cùng với cực quang.
1903
Tua bin khí thành c ng đầu tiên được xây dựng ở nước Pháp.
1904
Hendrik Lorentz phát triển một bộ phương trình gọi là các phép biến đổi
Lor ntz trong nỗ lực của ng nhằm giải thích các kết quả của thí nghiệm
Michelson-Morl y tìm kiếm bằng chứng của th r được cho là tràn ngập bầu khí
quyển. Các phương trình của nhà vật lí Hà Lan này sẽ đóng vai trò nền tảng trên
đó lb rt Einst in sẽ xây dựng lí thuyết tương đối đặc biệt của ng.
1904
Ủy ban Kĩ thuật điện quốc tế được thành lập và nhận trách nhiệm tiêu chuẩn hóa
danh pháp liên quan tới điện và từ.
Trang 53
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
1904
Nhà vật lí và kĩ sư nh John mbros Fl ming khai thác hiệu ứng Edison phát
triển van dao động Fl ming, một ống nhiệt điện tử có hai điện cực (diod ) đóng
vai trò máy dò tín hiệu và bộ chỉnh lưu.
1905
Nhà vật lí Đức lb rt Einst in thiết lập thuyết tương đối đặc biệt của ng và chỉ
ra rằng điện và từ là hai khía cạnh của một hiện tượng.
1905
Nhà vật lí Pháp Paul Lang vin sử dụng thống kê để giải thích mối tương quan
giữa tính thuận từ và nhiệt độ.
1906
L D For st, kĩ sư Mĩ, phát minh ra đèn ba cực, một ống nhiệt điện tử ba điện
cực (triod ) có thể phát hiện tín hiệu kh ng dây tốt hơn nhiều so với van Fl ming
và có thể giữ vai trò quan trọng trong các dụng cụ điện tử buổi đầu.
1907
Nhà vật lí Pháp Pi rr -Ern st W iss phát triển một lí thuyết trường trung bình
giải thích hành vi của sắt và các chất sắt từ khác.
1908
Nhà vật lí Đức Hans G ig r phát triển một mẫu sơ khai của bộ đếm G ig r, một
buồng chuyên dụng cho việc đếm các hạt bức xạ. Những cải tiến lớn cho dụng cụ
sẽ được thực hiện bởi G ig r và người học trò của ng, Walth r Mu ll r, vào năm
1928.
1908
G org Hal , nhà thiên văn Mĩ, c ng bố một báo cáo tranh luận rằng các vết
đ n Mặt trời có từ trường.
1909
Các nhà thám hiểm ustralia Douglas Mawson và Edg worth David hoàn thành
hành trình thành c ng đầu tiên đến cực Nam.
1909
Nhà vật lí Mĩ Rob rt Millikan tiến hành thí nghiệm giọt dầu nổi tiếng của ng
và tính ra điện tích của một l ctron với độ chính xác trước đó chưa từng có.
2.2.2. Giai đoạn 1910-1929.
Năm 1911 chứng kiến hai khám phá lớn. Khám phá thứ nhất đã mở ra cánh cửa
vào một loại mới của dòng điện tỏ ra hứa hẹn to lớn là nguồn cấp điện cho các máy
phát tương lai. Khám phá thứ hai đánh dấu một bước quan trọng trong sự hiểu biết của
các nhà khoa học về nguyên tử.
Trang 54
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Năm 1911 cũng đánh dấu sự tạm biệt của m hình “bánh b ng lan rắc nho” của
nhà vật lí nh J.J Thomson về nguyên tử, m hình giả thuyết nguyên tử có các điện
tích dương và âm phân bố đều đặn. Chỗ rạn nứt trong m hình này được khai thác bởi
thí nghiệm lá vàng nổi tiếng do Ern st Ruth rford của N w Z aland nghĩ ra. Trong thí
nghiệm đó, do các nhà vật lí Hans G ig r và Ern st Marsd n thực hiện, một lá vàng bị
bắn phá với các hạt alpha (hạt nhân h lium). Dựa trên m hình của Thomson, các nhà
khoa học tr ng đợi tất cả các hạt đi qua lá vàng kh ng bị làm rối. Thay vào đó, một
phần trăm nhỏ bị tán xạ, cho thấy chúng đã va phải cái gì đó rất nhỏ và rất đặc. Điều
này đưa Ruth rford đến ý tưởng một hạt nhân có điện tích dương với các l ctron quay
xung quanh, giống như các hành tinh quay xung quanh Mặt trời, một ý tưởng ng công
bố vào năm 1911.
Mặc dù chính xác hơn mẫu nguyên tử của Thomson, nhưng nguyên tử của
Ruth rford cũng có những chỗ rạn nứt của nó. Điều này phơi bày ra trước nhà vật lí
Đan Mạch Ni ls Bohr, một đồng nghiệp của Ruth rford. Hai năm sau khi tin tức m
hình hệ Mặt trời được c ng bố, Bohr đã đi đến m hình của riêng ng, lấy cảm hứng từ
các lí thuyết mới xuất hiện về lượng tử năng lượng. Bohr ấn định rằng các l ctron
phải ở trong những quỹ đạo rất đặc biệt, và những quỹ đạo này có thể dung chứa một
số lượng nhất định các l ctron và kh ng nhiều hơn. Các l ctron, Bohr giải thích, có
thể nhớt từ quỹ đạo này sang quỹ đạo tiếp th o, tùy thuộc vào sự ổn định của nguyên
tử và những điều kiện khác.
Hình 2.7:
Những cái nhìn ngày càng sâu sắc hơn về nguyên tử lần lượt xuất hiện trong thời
kì này. Trong những năm 1920, G org Uhl nb ck và Samu l Goudsmit, những chàng
sinh viên đang nghiên cứu vật lí ở Hà Lan, đề xuất rằng các l ctron kh ng chỉ quay
xung quanh hạt nhân, mà còn quay tròn xung quanh trục của chúng, y hệt như Trái đất.
Năm 1928, nhà vật lí nh Paul Dirac tiên đoán sự tồn tại của một phản hạt với
Trang 55
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
l ctron có cùng khối lượng nhưng điện tích và spin ngược lại. Các tiên đoán trở thành
hiện thực bốn năm sau đó với việc nhà vật lí Mĩ Carl nd rson khám phá ra positron.
Trong khi tất cả những c ng trình này tiếp tục đi vào trí tuệ và phòng thí nghiệm
của các nhà vật lí hàng đầu thế giới, thì c ng chúng thấy điện và những đổi mới do nó
truyền cảm hứng làm biến đổi cuộc sống của họ. Một ví dụ là họ đang truyền đạt th ng
tin khác đi. Năm 1915, nhờ đèn ba cực của L D For st, cuộc gọi điện thoại xuyên
lục địa đầu tiên diễn ra, giữa San Francisco và N w York. Năm 1920, một phần ba hộ
gia đinh ở khắp nước Mĩ có một máy điện thoại. Dịch vụ sẽ được cải tiến với cáp đồng
trục băng rộng, với nó một bằng sáng chế đã được cấp vào năm 1929.
Các tiến bộ về radio đã mang m i trường mới đến với nhiều người hơn. Năm
1920, đài phát thanh đầu tiên trên thế giới mở cửa kinh doanh ở Pittsburgh,
P nnsylvania. Vài năm sau đó, người Mĩ đã ngh tin đưa về vụ xử án lớn đầu tiên, vụ
thử nghiệm “Monk y” nổi tiếng. Kĩ sư điện người Mĩ Edwin rmstrong phát minh ra
mạch hồi phục, máy thu đổi tần và mạch đổi tần trong thời kì này, thực hiện những cải
tiến lớn với radio.
Việc thắp sáng đi đến chỗ kh ng còn chỉ là thiết thực, mà còn có tính trang
hoàng. Đèn ống n on trở thành sản phẩm thương mại vào đầu thập niên 1920, và được
ứng dụng trong quảng cáo.
Điện học, cùng với loạt ứng dụng ngày càng nhiều mà nó truyền cảm hứng, thực
hiện hành trình của nó bước vào ngày càng nhiều nhà hơn. Năm 1913, máy rửa bát đĩa
và tủ lạnh gia dụng đầu tiên đi vào thị trường, sau đó là lò nướng bánh đầu tiên năm
1919 và, năm 1927, máy nghiền rác đầu tiên. Nhà phát minh người Nga Vladimir
Zworykin đăng kí một bằng sáng chế năm 1923 cho cái iconoscop , phương tiện hoàn
toàn điện tử đầu tiên quét hình cho truyền hình; hai thập kỉ sau, c ng nghệ này sẽ đi
vào các hộ gia đình Mĩ, và Zworykin sẽ đi vào lịch sử là “cha đẻ của truyền hình”.
Sau đây là tóm tắt những phát minh trong thời kì này:
1911
Nhà vật lí Đức H ik Kam rlingh Onn s phát hiện thấy một số chất biểu hiện
hầu như kh ng có điện trở khi chúng được làm lạnh đến những nhiệt độ cực thấp,
một hiện tượng gọi là siêu dẫn.
1911
Dưới sự hướng dẫn của Ern st Ruth rford, Hans G ig r và Ern st Marsd n
tiến hành hàng loạt thí nghiệm về sự tán xạ tia alpha, đưa Ruth rford đến việc ấn
định một m hình mới của nguyên tử.
1912
Đèn thủy ngân áp suất cao được phát minh, nhưng kh ng trở thành sản phẩm
thương mại mãi cho đến hơn 20 năm sau.
Trang 56
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
1912
Trong khi còn là sinh viên ở trường Đại học Columbia, Edwin rmstrong
phát minh ra mạch đổi tần, cho phép khuếch đại tín hiệu nhiều lần bởi cùng một
ống chân kh ng.
1912
Nhà vật lí Đức Max von Lau chứng minh tia X có bản chất sóng điện từ.
1915
Nhờ đèn ba cực của nhà phát minh người Mĩ L D For st, tín hiệu điện thoại
có thể mang đi xuyên quốc gia, mang đến khả năng gọi điện thoại xuyên lục địa
lần đầu tiên giữa San Francisco và N w York.
1919
Nhà vật lí Đức H inrich Barkhaus n phát hiện thấy chất sắt từ đặt vào một từ
trường tăng dần đều đặn bị từ hóa từng bậc thay vì liên tục. Gọi là hiệu ứng
Barkhaus n, hiện tượng này mang lại sự ủng hộ rõ ràng cho lí thuyết các miền sắt
từ.
1919
Nhà phát minh Mĩ Edwin rmstrong phát minh ra máy thu đổi tần, cung cấp
cho ngành c ng nghiệp phát thanh một cách cải tiến lớn để thu nhận, chuyển đổi
và khuếch đại các sóng điện từ yếu, tần số cao.
1919
Các nam châm thép chịu nhiệt được đưa ra thị trường.
1919
Nhà điện sinh học người nh Edgar drian chứng minh rẳng các tế bào thần
kinh phát ra điện áp gây co cơ.
1920
Đài phát thanh v tuyến đầu tiên trên thế giới, đài KDK ở Pittsburgh,
P nnsylvania, được thành lập bởi C ng ti Điện và Sản xuất W stinghous .
1922
Đèn ống n on trở thành sản phẩm thương mại và được sử dụng đặc biệt cho
các mục đích quảng cáo.
1922
Các nhà vật lí Đức Otto St rn và Walth r G rlach chứng minh qua việc sử
dụng một chùm phân tử rằng sự định hướng kh ng gian của các hạt nguyên tử
trong từ trường bị hạn chế (một khái niệm gọi là sự lượng tử hóa kh ng gian).
1923
Nhà phát minh người Nga Zworykin đăng kí bằng sáng chế máy iconoscop ,
phương tiện hoàn toàn điện tử đầu tiên quét hình cho ti vi.
1924
Là một phần của luận án tiến sĩ của ng, nhà vật lí Đức Ernst Ising đưa ra một
m hình, ngày nay gọi là m hình Ising, để giải thích hành trạng của các chất sắt
từ.
Trang 57
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
1925
Trong khi là sinh viên chưa ra trường ở Hà Lan, G org Uhl nb ck và Samu l
Goudsmit cho rằng ngoài chuyển động quỹ đạo của chúng, các l ctron còn quay
tròn xung quanh trục của chúng.
1928
Nhà vật lí nh Paul Dirac tiên đoán chính xác rằng phải tồn tại một phản hạt
với l ctron có cùng khối lượng như l ctron nhưng có điện tích và m m n từ
ngược lại.
1929
Các kĩ sư Mĩ H rman ff l và Lloyd Esp nschi d đăng kí một bằng sáng chế
cho cáp đồng trục, một đường truyền tín hiệu tần số cao có sự thất thoát bức xạ và
giao thoa thấp.
1929
Nhà địa vật lí Nhật Bản Motonori Matuyama nghiên cứu sự đảo từ trong các
vỉa đá và lí giải rằng Trái đất thỉnh thoảng phải chịu sự đảo cực của nó.
2.2.3. Giai đoạn 1930-1939.
Mặc dù những năm 20 ầm ĩ đã kết thúc với sự c ng kích của Cuộc khủng hoảng
lớn, nhưng tiến bộ của điện học và những c ng cụ mà nó làm cho có thể dường như
kh ng thể dừng lại trong thập niên 1930. “Điện là nhu cầu hiện đại của cuộc sống”,
tổng thống Mĩ Franklin Roos v lt tuyên bố năm 1938.
Thập kỉ này chứng kiến sự xuất hiện của radio FM, do Edwin rmstrong phát
minh làm một sự thay thế cho M. Phần lớn của nước Mĩ và phần nhiều của châu Âu
đã được kết nối qua radio; vào cuối thập niên 1930, cứ bốn trong năm hộ gia đình Mĩ
có một máy radio.
Năm 1930, đèn flash thực hiện sự trình diễn của nó, thay thế bột flash cho các
thợ nhiếp ảnh. Kh ng bao lâu sau đó, các đèn hơi natri bắt đầu chiếu sáng đường phố
của đất nước; sự gia tăng quyền sở hữu x hơi làm tăng thêm nhu cầu nhiên liệu. Đèn
hơi thủy ngân mang tính kinh tế hơn có mặt trên thị trường trong thời gian này, dạng
đèn huỳnh quang. Năm 1934, dây tóc cuộn-cuộn được phát minh. Cùng với hai cải tiến
đèn nóng sáng khác đã thực hiện hồi đầu thế kỉ - dây tóc tungst n và bóng đèn hơi
argon-nitrogen – nó đã mang lại những bóng đèn sáng hơn, hiệu quả hơn cho các hộ
gia đình và cho kinh doanh.
Năm 1931, hai thiết bị khoa học ngoạn mục ra đời. Ở California, Ern st
Lawr nc xây dựng cyclotron đầu tiên, một máy gia tốc hạt dạng tròn sử dụng điện
trường và từ trường để làm tăng năng lượng của các hạt tích điện. Các hạt này khi sau
đó có thể bắn vào chất khác đang nghiên cứu để xác định cấu trúc nguyên tử của nó.
Chiếc máy “vòng quay ngựa gỗ” rộng 4 inch ban đầu của ng, như tên ng gọi nó, là
Trang 58
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
một cải tiến lớn so với các máy gia tốc thẳng có lúc bấy giờ. Từ lâu trước đó, ng đang
chế tạo các mẫu lớn hơn, mạnh hơn nhiều trở thành nhà xưởng cho nghiên cứu cấp độ
nguyên tử.
Trong khi đó, nửa thế giới ngoài kia ở B rlin, một sinh viên đại học hình thành
trong đầu một c ng cụ sẽ tạo ra hình ảnh đưa những chiếc kính hiển vi bình thường
vào hổ thẹn. Biết rằng sóng l ctron ngắn hơn 100.000 lần so với sóng ánh sáng,
Ern st Ruska tiên đoán chúng có thể được sử dụng trong những chiếc kính hiển vi đặc
biệt để mang lại những hình ảnh chi tiết hơn. Ông chế tạo ra thấu kính l ctron đầu
tiên của ng vào năm 1931, sử dụng một nam châm điện để làm hội tụ một chùm
l ctron. Trong vòng hai năm, ng đã thu thập một loạt thấu kính này để tạo ra chiếc
kính hiển vi điện tử đầu tiên, cho phép các nhà khoa học nhìn thấy những thứ ở độ
phóng đại 10 lần kính hiển vi ánh sáng. Kính hiển điện tử ngày nay có thể phóng to
các vật lên hơn 1.000.000 lần kích thước nguyên mẫu của chúng.
Nhiều sự kiện liên quan đến từ học xuất hiện trong thời kì này. Các nam châm
nhân tạo, được phát triển lần đầu tiên trong những năm 1920 với thép, tiến triển nhanh
chóng trong thập niên 1930 với việc chế tạo ra của những hợp kim khác nhau, đáng
chú ý nhất là alnico (nh m, nick l và cobalt). Ưu việt hơn nhiều so với các nguyên bản
bằng thép của chúng, nam châm alnico đưa đến những ứng dụng phức tạp hơn, trong
đó có các c ng nghệ radio và truyền hình tốt hơn. Đồng thời, một số nhà phát minh
đang phát triển dụng cụ ghi băng từ tính. Các dụng cụ này được sử dụng trong phát
thanh lần đầu tiên vào giữa thập niên 1930 và sẽ giữ vai trò quan trọng trong Thế chiến
thứ hai.
Hình 2.8: Đèn huỳnh quang.
Trong vũ đài lí thuyết, Walth r M issn r và Rob rt Osch nf ld của nước Đức
thực hiện một bước nhảy quan trọng trong lĩnh vực hãy còn bí ẩn của sự siêu dẫn với
việc khám phá thấy các chất siêu dẫn đẩy từ trường ra. Tính chất này, trở nên nổi tiếng
là hiệu ứng M issn r-Osch nf ld (thay đ i khỉ chỉ gọi là hiệu ứng M issn r) sẽ tiếp
tục mê hoặc kh ng biết bao nhiêu sinh viên đi quan sát các minh chứng của việc làm
bay bỗng các nam châm. Khoảng thời gian này, từ trường của Trái đất là đối tượng
Trang 59
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
chú ý của một người Đức khác, nhà vật lí Walt r Elsass r. Ông đề xuất rằng từ trường
của Trái đất là kết quả của các dòng sắt lỏng trong lõi của hành tinh.
Sau đây là tóm tắt những phát minh trong thời kì này:
1930
Nam châm vĩnh cửu hợp kim đầu tiên của nh m, nick l và cobalt (nam châm
alnico) được tạo ra.
1931
Nhà vật lí nh lan Wilson áp dụng lí thuyết kh năng lượng giải thích hành
trạng của các chất siêu dẫn và điện m i.
1931
Cyclotron đầu tiên, một máy gia tốc hạt tròn trong đó các hạt hạ nguyên tử
được gia tốc bằng một điện trường tần số cao biến thiên trong một từ trường ổn
định, được xây dựng.
1931
Nhà vật lí Đức Ernst Ruska, trong khi còn là sinh viên ở B rlin, xây dựng thấu
kính l ctron đầu tiên, sử dụng một nam châm điện làm hội tụ một chùm l ctron
giống hệt như một thấu kính làm hội tụ một chùm ánh sáng. Năm 1933, ng sử
dụng một vài thấu kính l ctron ghép nối tiếp chế tạo ra kính hiển vi điện tử đầu
tiên với độ xác định tốt hơn kính hiển vi ánh sáng.
1932
Jam s Chadwick của nước nh khám phá ra n utron, một hạt có khối lượng
bằng như proton, nhưng kh ng có điện tích.
1932
Nhà vật lí Mĩ Carl nd rson khám phá ra positron, một hạt có khối lượng bằng
như l ctron, nhưng có điện tích dương thay vì điện tích âm.
1933
Walth r M issn r và Rob rt Osch nf ld của nước Đức phát hiện ra khi một chất
mất điện trở của nó khi nhiệt độ của nó giảm xuống dưới một nhiệt độ nhất định,
thì từ trường bên trong chất đó bị đẩy ra hoàn toàn hoặc một phần. Là đặc trưng
của tất cả các chất siêu dẫn, hiện tượng này trở nên nổi tiếng là hiệu ứng M issn r
hoặc hiệu ứng M issn r-Oschenfeld.
1933
1934
1934
1934
Đèn hơi natri đưa vào sử dụng chiếu sáng đường phố.
Nhà phát minh người Đức S mi Jos ph B gun xây dựng máy thu băng từ tính
đầu tiên dùng trong phát thanh.
Đèn huỳnh quang được giới thiệu ở châu Âu.
Ở Mĩ, dây tóc cuộn dây quấn được phát minh ra, mang lại những bóng đèn điện
sáng hơn và hiệu quả hơn.
Trang 60
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
1935
Băng từ dùng cho ghi âm audio trở thành sản phẩm thương mại ở Đức sau khi
đuợc giới thiệu ở Hội chợ Radio B rlin.
1936
Nhà vật lí Pháp Louis Né l phát triển khái niệm phản sắt từ, một dạng phụ
thuộc nhiệt độ của từ tính trong đó các ion liền kề tự sắp xếp chúng th o dạng đối
song nhau sao cho hầu như kh ng có từ trường ngoài nào có thể phát hiện ra.
1939
Walt r Elsass r, nhà vật lí Mĩ gốc Đức, đề xuất rằng từ trường có thể quan sát
được của Trái đất là kết quả của các dòng xoáy quay tròn trong nhân lỏng của
hành tinh.
2.2.4. Giai đoạn 1940-1959.
Gần như khắp hành tinh, hai thập kỉ này đã được định hình bởi Thế chiến thứ hai
và hậu quả của nó. Những chuyển biến khổng lồ trong khoa học và cuộc sống hàng
ngày đã bắt đầu hoặc đang diễn ra trong thời gian này, chi phối bởi các phát minh như
điện hạt nhân, transistor, truyền hình và máy vi tính.
Thế chiến thứ hai đã lèo lái phần nhiều ngành khoa học trong thập niên 1940, góp
phần trực tiếp vào sự phát triển của radar, máy vi tính và các vũ khí hạt nhân (sau này
là điện hạt nhân). Quân đội Mĩ đã được trang bị chiếc máy tính điện tử đầu tiên, nó
mất ba năm để chế tạo và khi hoàn thành năm 1945, chiếm tới 1000 f t vu ng. Máy
tính và Tích phân số điện tử (ENI C) được thiết kế để tăng tốc độ tính toán và cải
thiện độ chính xác cao đang lên cơn sốt và bùng nổ. Được cung cấp bởi c ng nghệ
mới, máy tính ngày càng trở nên nhỏ gọn, nhanh, mạnh và th ng dụng, làm thay đổi
ngoạn mục cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
Trang 61
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Hình 2.9: Transisor mẫu cũ.
Bộ nhớ lõi từ xuất hiện vào năm 1951, trưng bày trong chiếc máy tính Gió xoáy
tại Viên C ng nghệ Massachus tts. Gió xoáy có hàng nghìn nam châm nhỏ, hình bánh
rán quấn dây lưu trữ và thao tác các bit dữ liệu. Hai năm sau, mạch tích hợp được phát
minh, đưa toàn bộ mạch điện lên trên một chip silicon. Bước phát triển này đặt nền
tảng cho các máy tính nhỏ hơn và đưa đến sự ra đời cho ngành c ng nghiệp mới ở
California. Cũng năm đó, IBM lắp ráp thành c ng chiếc máy tính điện tử đầu tiên của
mình. Các cỗ máy đó sớm trở thành những c ng cụ kinh doanh quan trọng, mặc dù
còn mất nhiều năm nữa trước khi chúng bắt đầu được sử dụng trong các hộ gia đình.
Cũng giữ vai trò thiết yếu trong sự phát triển của máy tính là những linh kiện nhỏ
xíu gọi là transistor. Các nhà vật lí tại Phòng thí nghiệm B ll T l phon phát minh ra
transistor đầu tiên vào năm 1947, gồm một chất bán dẫn và vài điện cực. Dùng cho
việc khuếch đại hoặc bật tắt, nó có thể được tìm thấy trong mọi loại máy điện tử:
chúng thay thế cho các bóng chân kh ng cồng kềnh, đắt tiền trong radio, làm cho
chúng nhỏ gọn. Ngày nay, transistor có mặt trong mọi thứ, kh ng thể bỏ qua được, từ
lò vi sóng cho tới điện thoại.
Thế giới kh ng chỉ hướng tới kỉ nguyên số; nó còn bước vào kỉ nguyên nguyên
tử, với việc ném bom năm 1945 xuống Hiroshima và Nagasaki kết thúc Thế chiến thứ
hai. Được triển khai bởi những tiến bộ trong ngành vật lí hạt nhân, các vũ khí hạt nhân
mở ra một phương thức hoàn toàn mới để quản lí chính trị và quốc phòng. C ng nghệ
đó cũng có những ứng dụng hòa bình, nếu kh ng tranh cãi thêm. Năm 1956, nhà máy
điện hạt nhân thương mại đầu tiên của thế giới khánh thành ở nước nh; hai năm sau,
Trang 62
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
nhà máy điện hạt nhân dân sự “Bom nguyên tử của thế giới hòa bình” đầu tiên ở Mĩ
mở cửa ở P nnsylvania. Một nguồn năng lượng mới cũng bắt đầu thu hút lấy sự chú ý:
Năm 1954, pin Mặt trời được phát minh.
Hình 2.10: Bộ nhớ lõi từ (khoảng 1949).
Thập niên 1950 đánh dấu thời kì vàng son của truyền hình, làm thay đổi đột ngột
mọi thứ từ chính trị cho đến nghệ thuật đến cuộc sống hàng ngày. Lúc đầu thập niên
này, 1 trong 10 hộ gia đình có một ti vi. Vào cuối thập niên, 9 trong 10 hộ có một
chiếc, một số trong chúng còn là ti vi màu. Ti vi đã tiến xa từ một thứ hàng xa xỉ đến
một vật thiết yếu trong vòng 10 năm.
Năm 1946, phép cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) được phát minh. Tính chất
“spin” đặc biệt này của hạt nhân sẽ làm cách mạng hóa nền chẩn đoán y khoa khi khai
thác các máy MRI (với sự hỗ trợ của nam châm siêu dẫn) và đóng góp một phương
pháp nghiên cứu mới quan trọng cho khoa học. Cũng trong thời kì này, các nhà vật lí
Mĩ và Nhật Bản đã thành c ng trong việc kết hợp cả cơ học lượng tử và thuyết tương
đối đặc biệt Einst in để sáng tạo ra lí thuyết điện động lực học lượng tử. Trong các
phòng thí nghiệm của họ, các nhà vật lí đã và đang quan sát ngày càng nhiều hạt nhỏ
hơn nguyên tử. Cuối cùng, 46 năm sau khi các nhà khoa học lần đầu tiên quan sát thấy
sự siêu dẫn, một bộ ba nhà vật lí Mĩ đã chỉ ra được cách thức nó hoạt động. Lí thuyết
của họ trở nên nổi tiếng là li thuyết Bard n Coop r Schri ff r (viết tắt là BCS).
Sau đây là tóm tắt những phát minh trong thời kì này:
1940
Một mẫu sơ khai của máy dao động magn ton, dụng cụ đầu tiên có khả năng
tạo ra c ng suất rất cao ở tần số vi sóng, được xây dựng, cho phép những tiến bộ
lớn trong c ng nghệ radar.
Trang 63
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
1944
Nhà toán hóa Lars Onsag r cung cấp một lời giải cho m hình Ising hai chiều
tiên đoán chính xác hành trạng của một nam châm.
1945
Máy tính và Tích phân số Điện tử (ENI C), máy tính điện tử đầu tiên của thế
giới, được hoàn thành, sau ba năm xây dựng.
1946
Các nhà vật lí Mĩ Edward Purc ll và F lix Bloch độc lập nhau khám phá ra sự
cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), sự hấp thụ lọc lựa bức xạ điện từ bởi hạt nhân
của những nguyên tử nhất định trước một từ trường mạnh, tĩnh.
1947
Một đội các nhà vật lí do Phòng thí nghiệm Bell Telephone thuê phát minh ra
transistor, một linh kiện điện tử gồm một chất bán dẫn và ít nhất ba điện cực chủ
yếu sử dụng cho việc khuếch đại hoặc chuyển mạch. Sau đó, transisor bắt đầu
thay thế các đèn chân kh ng trong điện tử học.
1947
Các nhà vật lí Mĩ Richard F ynman và Julian Schwinger thiết lập độc lập một
lí thuyết điện động lực học lượng tử hợp nhất cơ học lượng tử với thuyết tương
đối đặc biệt của lb rt Einst in. Khoảng chừng thời gian này, lí thuyết tương
đương của nhà vật lí người Nhật Tomonaga Shin'ichiro, được c ng bố vài năm
trước đó ở Nhật Bản, thu hút được sự chú ý quốc tế.
1948
“Th Bing Crosby Show” trở thành chương trình radio đầu tiên phát thanh từ
băng từ.
1949
Bộ nhớ lõi từ được giới thiệu và cho phép một đội gồm các nhà khoa học và kĩ
sư tại MIT thiết kế chế tạo máy tính đầu tiên của thế giới hoạt động ở thời gian
thực hoàn thành năm 1951.
1951
Báo cáo, quan sát đầu tiên của các miền từ tính bởi hiệu ứng K rr được báo
cáo.
1952
C ng ti Phillips c ng bố phát triển các nam châm gốm gốc barium và gốc
strontium.
1953
Jack Kilby, một kĩ sư điện làm việc tại T xas Instrum nts, và Rob rt Noyc
thuộc Fairchild S miconductor độc lập phát minh ra mạch tích hợp, một dụng cụ
gồm nhiều linh kiện bán dẫn và các mạch của chúng khắc hoặc in trên một chất
nền mỏng.
1953
Nhà vật lí Mĩ Donald Glas r xây dựng buồng bọt hoạt động đầu tiên, một dụng
cụ dò tìm bức xạ cho phép quan sát đường đi của các hạt nhân nguyên tử.
Trang 64
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
1954
Tại Phòng thí nghiệm B ll, Calvin Full r, Daryl Chapin và G rald P arson
phát minh ra pin Mặt trời đầu tiên, biến đổi khoảng 6% ánh sáng Mặt trời thành
điện và được sử dụng để cấp nguồn cho một máy phát radio trong lần trình diễn
c ng chúng đầu tiên của nó.
1956
Lần đầu tiên ở quy m lớn, các chất phóng xạ được khai thác làm nhiên liệu để
phát điện khi nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên, Cald r Hall, được
thành lập ở nước nh.
1957
Các nhà vật lí Mĩ John Bard n, L on Coop r à John Rob rt Schriff r phát
triển thành c ng một lí thuyết có thể áp dụng rộng rãi giải thích được tại sao một
số chất ở những nhiệt độ cực thấp dẫn điện mà kh ng bị cản trở, lí thuyết BCS
của sự siêu dẫn.
1958
Nhà máy điện nguyên tử Shippingport khánh thành ở P nnsylvania, nhà máy
điện hạt nhân dân sự đầu tiên ở Mĩ.
2.2.5. Giai đoạn 1960-1979.
Kỉ nguyên kh ng gian, bắt đầu năm 1957 với sự phóng thành c ng vệ tinh X
Viết Sputnik, có sự tác động mạnh mẽ lên nền văn hóa và khoa học của những thập
niên này. Những nhà du hành vũ trụ đầu tiên, các nhà du hành khi đó đã có thể đi vào
kh ng gian. Con người trên khắp hành tinh bắt đầu tập trung vào vũ trụ xung quanh
họ. Các nhà khoa học cũng kh ng ngoại lệ.
Một trong những khám phá lạ thường nhất của thời kì này là quasar (hay vật thể
giả sao), các nguồn phát sáng cực mạnh của ánh sáng và năng lượng điện từ khác. Là
những vật thể xa x i nhất được biết tới trong vũ trụ, các quasar có thể cách chúng ta
hàng tỉ năm ánh sáng, và vì thế có thể chứa dồi dào th ng tin về sự khởi đầu của vũ
trụ. Các nhà khoa học đi đến chỗ tin rằng những sự phát xạ ánh sáng mạnh này là kết
quả từ vật chất bị hút vào các lỗ đ n ở tâm của các thiên hà.
Trang 65
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Hình 2.11: Xe lửa.
Vào đầu những năm 1970, trong các sứ mệnh pollo 15 và 16, các nhà du hành
đã khảo sát từ trường của Mặt trời bằng một máy dò l ctron. Mặc dù Mặt trăng của
chúng ta không có chuyển động bên trong (lõi chất lỏng sắt) như Trái đất, nhưng nó
thật sự phát ra một từ trường yếu ở một số khu vực mà sau này các nhà khoa học liên
hệ với các va chạm thiên thạch. Có nhiều nghiên cứu về từ trường và các thiên thể bắt
đầu vào năm 1979, khi NASA và Cục khảo sát Địa chất Mĩ bắt tay với nhau gửi một
vệ tinh từ trường đặt tên là Magsat vào kh ng gian. Sứ mệnh cả nó: lâp bản đồ chính
xác đầu tiên của từ trường gần mặt đất.
Trong khi dó, trên mặt đất, các máy tính trở nên phức tạp hơn và cuối cùng bắt
đầu đi vào nhà ở của mọi người. Sự phát triển của tập đoàn Int l về bộ vi xử lí – một
mạch phức hợp trên một chip silicon – đưa đến các máy tính mang tính “cá nhân”.
Năm 1977, chiếc máy tính đầu tiên thuộc dòng “PC” thương mại xuất hiện, máy pple
II. ppl II Plus cải tiến xuất hiện sau đó năm 1979.
Đồng thời, các nhà máy điện hạt nhân thương mại bắt đầu xuất hiện. Chỉ tính
riêng ở nước Mĩ, 70 nhà máy như vậy đang hoạt động vào cuối những năm 1970. Sự
tăng trưởng đó chậm lại vào cuối thập kỉ, một phần do các lo ngại an toàn sau sự cố
năm 1979 tại nhà máy Thr Mil Island ở P nnsylvania.
Trong thế giới vật lí hạt, các nhà khoa học tiếp tục khám phá ra những hạt nhỏ
hơn nhân nguyên tử mới. Năm 1963, một cuộc đua trí tuệ khổng lồ đã rõ ràng khi các
nhà khoa học lần đầu tiên lí thuyết hóa rằng n utron và proton kh ng phải là hạt cơ
bản. Thay vào đó, các nhà khoa học nói rằng những thành phần đó của hạt nhân hóa ra
cấu thành từ những hạt khác mới là cơ bản, đó là hạt quark. Các nhà khoa học tiếp tục
tin rằng l ctron là một hạt cơ bản, điều đó vẫn được chấp nhận cho đến ngày nay.
Trang 66
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Hình 2.12
Các nhà khoa học bắt đầu đưa ra một số ứng dụng thực tiễn của sự siêu dẫn (một
dòng điện kh ng chạm phải sự cản trở nào), một hiện tượng được phát hiện lần đầu
tiên tận năm 1911. Những người Mĩ Jam s Pow ll và Gordon Danby đã đăng kí bằng
sáng chế cho mẫu đầu tiên cho x lửa đệm từ siêu dẫn vào năm 1969. Tuy nhiên, Đức
và Nhật Bản đã dẫn đầu trong việc phát triển x lửa đệm từ, sử dụng cả nam châm điện
và nam châm siêu dẫn. Bất chấp nghiên cứu của họ, x lửa đệm từ vẫn là một thứ hiếm
trong ngành vận tải.
Chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI), một c ng nghệ chất siêu dẫn khác, có
ứng dụng to lớn hơn nhiều. Được minh chứng lần đầu tiên vào năm 1973, các cỗ máy
này bắt đầu được sử dụng trong các bệnh viện trong thập kỉ sau đó, làm cách mạng
ngành chẩn đoán y khoa.
Lâu nay bị nằm trong bóng của các nam châm điện và nam châm siêu dẫn mạnh
hơn, nam châm vĩnh cửu khiêm nhường nhận được sự củng cố trong thập niên 1960.
Một loại nam châm mới đã được phát hiện bởi các nhà khoa học Kh ng quân Mĩ. Kết
hợp cái gọi là các nguyên tố “đất hiếm” samarium và cobalt, Karl Strnat đã chế tạo
nam châm đất hiếm đầu tiên, mạnh hơn các nam châm vĩnh cửu đã có. Được ứng dụng
cho các ngành c ng nghiệp radar và vệ tinh (trong số những ứng dụng khác), các nam
châm này sớm bị qua mặt bởi một thế hệ mới các nam châm đất hiếm phát triển bởi
Strnat và người đồng sự ld n Ray.
Sau đây là tóm tắt những phát minh trong thời kì này:
1963
Quasar, các nguồn sáng tỏa sáng và cực xa của sóng v tuyến mạnh và những
dạng năng lượng khác, được phát hiện.
Trang 67
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
1964
Murray Gell-Mann nêu lí thuyết rằng các hạt nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử mà
ng đặt tên là quark là những đơn vị cơ bản của vật chất cấu thành nên proton và
n utron. Một nhà vật lí Mĩ khác, G org Zw ig, phát triển một lí thuyết giống
với lí thuyết của G ll-Mann, nhưng ng đưa ra những hạt cơ bản khác thay vì
quark.
1966
Các nhà địa vật lí Mĩ Richard Do ll, llan Cox và Br nt Dalrympl lập đồ thị
lịch trình bất thường của sự biến đổi cực của Trái đất dựa trên các nghiên cứu
quy m rộng tính chất từ của đất đá lấy từ những thời kì khác nhau.
1966
Karl Strnat khám phá ra thế hệ đầu tiên của các nam châm vĩnh cửu đất hiếm.
1967
Lí thuyết điện yếu được phát triển để thống nhất điện động lực học lượng tử
với lí thuyết tương tác yếu.
1969
Jam s Pow ll và Gordon Danby đăng kí mẫu sáng chế đầu tiên cho x lửa
nâng bằng từ siêu dẫn, trở thành những người tiên phong trong c ng nghệ x lửa
đệm từ.
1969
Hệ thống dự trữ năng lượng từ siêu dẫn (SMES) đầu tiên, được thiết kế để dự
trữ năng lượng trong từ trường tạo ra bởi dòng điện một chiều trong một cuộn
dây của chất siêu dẫn làm lạnh, được đề xuất ở Pháp, mặc dù người ta cho rằng
nó quá tốn kém chi phí xây dựng.
1971
Tàu vũ trụ pollo khảo sát từ trường của Mặt trăng của Trái đất.
1972
Những người Mĩ Karl Strnat và ld n Ray phát triển thế hệ thứ hai của các
nam châm đất hiếm.
1973
Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) được chứng minh lần đầu tiên ở Mĩ bởi Paul
Lauterbar. Các khái niệm làm cho MRI có thể đã được phát hiện ra vài năm
trước đó bởi Raymond Damadian.
1974
Nhà vật lí Hi Lạp John Iliopoulos đưa ra, lần đầu tiên trong một báo cáo cá
nhân, quan điểm vật lí ngày nay gọi là M hình Chuẩn, một lí thuyết m tả các
lực cơ bản mạnh, yếu, và điện từ cũng như các hạt cơ bản cấu thành nên toàn bộ
vật chất.
1977
ppl tung ra máy tính ppl II, máy tính cá nhân th ng dụng đầu tiên sử
dụng các bộ vi xử lí. ppl II Plus cải tiến ra đời sau đó, năm 1979.
Trang 68
Luận văn tốt nghiệp ĐH
1979
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Vệ tinh từ tính đầu tiên gọi là Magsat được phóng lên là một dự án hợp tác
của N S và Cục khảo sát Địa chất Mĩ để lập bản đồ chính xác đầu tiên của từ
trường gần mặt đất.
2.2.6. Giai đoạn 1980-2003.
Bị thúc đẩy một phần bởi các lo ngại tăng dần về nhiễm m i trường và sự suy
cạn các nguồn năng lượng hóa thạch, các nhà khoa học đã khảo sát các dạng mới của
năng lượng cũng như các phương pháp khai thác các nguồn hiện có một cách hiệu quả
hơn. Năm 1997, Toyota tung ra một mẫu x mới, chiếcPrius, chạy bằng điện lẫn khí và
mang lại hiệu quả năng lượng cao hơn và phát khí thải thấp hơn các x truyền thống.
C ng nghệ cuối cùng đã bị đuổi kịp, thúc đẩy các nhà sản suất phát triển thêm những
mẫu xe mới. Bước vào thế kỉ, nhà máy điện năng lượng sóng biển đầu tiên, Land
Installed Marine Pow r d En rgy Transform r (LIMPET), bắt đầu phát điện trên vùng
bờ biển Scotland.
Hình 2.13: Kính hiển vi lực nguyên tử.
Vài năm sau, một đội các nhà nghiên cứu người Canada đã làm phát ra dòng
điện bằng cách buộc nước đi qua một đĩa thủy tinh có hàng triệu rãnh nhỏ li ti. Tương
tác giữa nước và bề mặt các rãnh tạo ra một dòng ion, mang lại một dòng điện chạy.
Trang 69
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Các nhà nghiên cứu tiên đoán các nhà khoa học sẽ xây dựng chiếc máy phát động điện
rãnh nhỏ li ti thực tiễn đầu tiên trong vòng một thập kỉ.
Các c ng nghệ mới đã cho phép các nhà khoa học nhìn vào thế giới ở những cấp
độ nano, mang lại sự tăng trưởng của các lĩnh vực mới của c ng nghệ nano và khoa
học nano. Kính hiển vi điện tử xuất hiện năm 1981, th o sau đó là kính hiển vi lực
nguyên tử, kính hiển vi lực từ và kính hiển vi phổ tia X từ tính.
Máy tính cá nhân trở nên th ng dụng trong cuộc sống hàng ngày, một cuộc cách
mạng đã được nhận ra năm 1982 khi tờ tạp chí Time chọn máy tính là “Nhân vật của
Năm”, và đưa đến sự phát triển của World Wid W b năm 1989. Cuối thời kì này,
khoảng ba phần tư người dân Mĩ đã truy cập Int rn t, mất trung bình 12,5 giờ mỗi tuần
onlin để gửi mail, làm c ng tác xã hội, mua sắm và thu thập th ng tin. Năm 1999,
các nhà nghiên cứu tại Viện C ng nghệ Massachus tts sáng tạo ra chiếc máy tính
lượng tử đầu tiên. Khai thác ưu điểm của các tính chất của cơ học lượng tử thay cho cơ
học cổ điển, c ng nghệ này hứa hẹn dẫn tới những chiếc máy tính mạnh hơn rất nhiều
có thể tưởng tượng ra với những c ng nghệ hiện nay.
Lí thuyết vật lí lượng tử cũng nhìn thấy những tiến bộ, với khám phá năm 1980 ra
hiệu ứng Hall lượng tử, các thí nghiệm cung cấp bằng chứng của những hạt nhỏ hơn
hạt nhân nguyên tử mới, và dữ liệu ủng hộ cho mối liên hệ lí thuyết giữa các tương tác
điện từ và tương tác yếu.
Hình 2.14: Vệ tinh Orsted.
Nghiên cứu điện từ trên một cấp độ hoàn toàn khác nhau đã tiến xa với việc phóng
Trang 70
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
vệ tinh Ørst d năm 1999. Giống như vệ tinh Magsat phóng lên hồi 20 năm trước, sứ
mệnh của Ørst d là nghiên cứu từ trường của Trái đất, cả trường mạnh từ bên trong hành
tinh và trường biến đổi, yếu hơn sinh ra từ tương tác giữa gió Mặt trời và từ quyển của
Trái đất. Bằng cách so sánh dữ liệu Ørst d với dữ liệu Magsat, các nhà khoa học sẽ có
thể chỉ ra những thay đổi trong các trường này.
1980
Nhà vật lí Đức Klaus von Klitzing phát hiện thấy khi các chất dẫn điện đặt
trước từ trường mạnh và nhiệt độ thấp, điện trở của chúng biến thiên th o những
bước nhảy gián đoạn thay vì biến đổi trơn, liên tục, hiện tượng gọi là hiệu ứng
Hall lượng tử.
1981
Kính hiển vi quét chui hầm (STM), hoạt động trên cơ sở cái gọi là dòng điện
chui hầm bắt đầu chạy khi một đầu sắc nhọn tiến tới gần một bề mặt dẫn ở khoảng
cách khoảng một nano mét, được phát minh.
1983
Tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN), bằng chứng của các hạt
nhẹ (W và Z) được tạo ra, mang lại sự ủng hộ cho mối liên hệ lí thuyết giữa các
tương tác điện từ và tương tác yếu.
1983
Các nam châm neodymium-iron-boron, đ i khi gọi đơn giản là nam châm n o,
được phát triển lần đầu tiên.
1987
Kính hiển vi lực từ, một biến thể của kính hiển vi lực nguyên tử phi tiếp xúc,
được chế tạo lần đầu tiên. Thiết bị thực hiện sự phân giải từ bởi tương tác tĩnh từ
giữa một đầu nhọn sắt từ và từ trường vi m tản mác của mẫu vật.
1987
Lần đầu tiên, các nhà khoa học thu được sự siêu dẫn “nhiệt độ cao” (trên 77 K)
với hỗn hợp gốm của yttrium, barium, đồng và oxyg n. Mặc dù nhiệt độ cần thiết
để làm cho YBCO siêu dẫn vẫn khá thấp, nhưng chúng đủ cao để được tạo ra với
nitrog n lỏng, rẻ tiền hơn nhiều so với h lium lỏng đối với những nhiệt độ thấp
hơn.
1988
Các nhà vật lí Đức và Pháp khám phá ra hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR), thu
được từ các hiệu ứng spin l ctron trong các đa lớp nhân tạo của các chất từ tính.
Khám phá đánh dấu sự bắt đầu của lĩnh vực c ng nghệ spin, hay điện tử học spin.
1988
Tim Berners-L , một nhà khoa học tại CERN, phát minh và trình diễn World
Wid W b (WWW), hợp nhất c ng nghệ của các máy tính cá nhân, mạng máy
tính và siêu văn bản thành một hệ thống th ng tin toàn cầu.
1993
Kính hiển vi phổ tia X từ, kết hợp với sự phát xạ quang và các kĩ thuật hiệu ứng
Trang 71
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
K rr từ-quang, được chứng minh.
1997
Toyota tung ra sản phẩm chiếc x sinh khối đầu tiên của thế giới, Prius, chạy
bằng điện lẫn khí và mang lại hiệu suất nhiên liệu tốt hơn và sự phát khí thải ít hơn
x truyền thống.
1999
Vệ tinh Đan Mạch Ørst d, được trang bị để cung cấp những phép đo chính xác
cao của từ trường Trái đất, được phóng lên thành c ng.
1999
2000
Điện học được tiếp thị trên Int rn t lần đầu tiên.
Nhà máy điện song biển thương mại đầu tiên, gọi tên là Land Install d Marin
Pow r d En rgy Transform r (LIMPET), bắt đầu phát điện trên vùng đảo Islay,
Scotland.
Trang 72
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG ĐIỆN TỪ HỌC TRONG THÔNG TIN
LIÊN LẠC.
3.1. VAI TRÒ THÔNG TIN LIÊN LẠC ĐỐI VỚI CUỘC SỐNG.
Thông tin liên lạc đóng vai trò hết sức quan trọng trong cuộc sống, hầu hết
chúng ta luôn gắn liền với một vài dạng th ng tin nào đó. Các dạng trao đổi tin có thể
như: đàm thoại người với người, đọc sách, gửi và nhận thư, nói chuyện qua điện thoại,
xem phim hay truyền hình, xem triển lãm tranh , tham dự diễn đàn . . . Tất cả những gì
mà con người muốn trao đổi với nhau được hiểu là thông tin những thông tin nguyên
thuỷ này được gia công chế biến để truyền đi trong kh ng gian được hiểu là tín hiệu.
Tuỳ theo việc sử dụng đường truyền, tín hiệu có thể tạm chia tín hiệu thành hai dạng :
tín hiệu điện-từ và tín hiệu không phải điện từ . Việc gia công tín hiệu cho phù hợp với
mục đích và phù hợp với đường truyền vật lý được gọi là xử lý tín hiệu.
3.2. TÍN HIỆU.
3.2.1. Tín hiệu morse.
Mã Morse hay mã Moóc là một loại mã hóa ký tự dùng để truyền các th ng tin
điện báo. Mã Mors dùng một chuỗi đã được chuẩn hóa gồm các phần tử dài và ngắn
để biểu diễn các chữ cái, chữ số, dấu chấm, và các kí tự đặc biệt của một th ng điệp.
Các phần từ ngắn và dài có thể được thể hiện bằng âm thanh, các dấu hay gạch, hoặc
các xung, hoặc các kí hiệu thường được gọi là "chấm" và "gạch" hay "dot" và "dash"
Hình 3.1 Tháp morse.
trong tiếng nh.
Mã Mors được phát minh vào năm 1835 bởi Samuel Morse nhằm giúp cho ngành
viễn th ng và được x m như là bước cơ bản cho ngành thông tin số. Từ ngày 1 tháng 2
Trang 73
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
năm 1999, tín hiệu Mors đã bị loại bỏ trong ngành th ng tin hàng hải để thay vào đó
là một hệ thống vệ tinh.
Tín hiệu có thể được chuyển tải th ng qua tín hiệu radio thường xuyên bằng việc
bật & tắt (sóng liên tục) một xung điện qua một cáp viễn th ng, một tín hiệu cơ hay
ánh sáng.
Để dùng cho tiếng Việt, các chữ cái đặc biệt và dấu được mã th o quy tắc:
 = AA
Ă= W
Ô = OO
Ê = EE
Đ = DD
ƯƠ= UOW
Ư = UW
Ơ = OW
Sắc = S
Huyền = F
Hỏi = R
Ngã = X
Nặng = J
Hình 3.2: Samuel Morse.
Samu l Mors , tên đầy đủ là Samu l Finl y Br s
Mors , người Mỹ, là một họa sĩ, nhà phát minh tín hiệu
v tuyến điện và bảng chữ cái mang tên ng – Tín hiệu
Morse. Samuel Morse sinh ngày 27 tháng 4 năm 1791
ở Charlestown, Massachusetts. Ông mất ngày 2 tháng 4
năm 1872 ở Thành phố N w York.
Sơ lược tiểu sử
27 tháng 4 năm 1791, sinh ra ở Charl stown (gần
Boston, Massachusetts).
1811, nhận bằng tốt nghiệp sau khi học tại Đại học
Yal , (Conn cticut), ng làm việc tại một nhà xuất bản
ở Boston, từ đây ng chuyên tâm vào hội họa.
1811, tới Luân Đ n để th o các khóa học nghệ thuật tại B njamin W st.
1813, nhận huy chương vàng về điêu khắc tại Hiệp hội nghệ thuật d lphi.
1815, trở lại Hoa Kỳ nơi ng đã vẽ các tranh vải lịch sử & chân dung, thể hiện
một tài năng nhất định.
1825, lập ra ở Thành phố N w York Học viện thiết kế quốc gia Hoa Kỳ và trở
thành chủ tịch đầu tiên, giữ chức trong 16 năm. Cùng năm này, ng đã tạo ra bảng chữ
cái với một cái tên khác lạ.
1829, tới châu Âu và ở lại trong ba năm tại Pháp và Ý để nghiên cứu về nghệ
thuật.
1844, Mors gửi bức điện báo đầu tiên, báo hiệu cho một bước tiến mới của kỷ
nguyên truyền th ng của con người
Trang 74
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
3.2.2. Tín hiệu vệ tinh và Radio.
Kênh truyền trong các hệ thống vệ tinh và radio được tạo ra nhờ ghép kênh phân
chia tần số (FDM Frequency Division multiplexing). Bên cạnh đó dung lượng sẵn có
của mỗi kênh còn được chia nhỏ hơn nhờ kỹ thuật ghép kênh phân thời gian đồng bộ
(TDM : Time Division multiplexing) Có một số phương pháp điều khiển truy xuất
khác nhau được dùng để điều khiển truy xuất vào phần dung lượng có sẵn.
- Truy xuất ngẫu nhiên : tất cả các trạm tranh chấp kênh truyền theo ngẫu nhiên
(kh ng có điều khiển).
- Gán cố định : cả khe thời gian cũng như tần số được gán trước cho mỗi trạm.
- Gán theo yêu cầu : khi một trạm muốn truyền số liệu , trước hết nó yêu cầu
dung lượng kênh từ trung tâm trung tâm có chức năng phân phối dung lượng
truyền cho các trạm yêu cầu.
Truy xuất ngẫu nhiên là phương pháp truy xuất cổ điển nhất và được dùng lần đầu
tiên để điều khiển truy xuất một kênh vệ tinh dùng chung (chia sẻ) Nó chỉ dùng với
các ứng dụng trong đó dạng thứ nhất là toàn bộ tải được cung cấp chỉ là phần nhỏ của
dung lượng kênh có sẵn và dạng thứ hai là tất cả các hoạt động truyền phân bố ngẫu
nhiên.
Với phương pháp gán cố định , cả khe thời gian và kênh tần số được gán trước cho
mỗi trạm.
Nhìn chung việc gán trước các kênh tần số dễ hơn gán kh thời gian. Ví dụ : trong
các ứng dụng vệ tinh dựa vào hub trung tâm một kênh tần số cố định được gán cho
mỗi VS T và sau đó trung tâm phát quảng bá (broadcast) lên các kênh tần số được
gán trước khác. Nhìn chung vì chỉ có một kênh từ hub đến VS T, nên băng tần của
kênh này rộng hơn so với kênh được dùng cho hoạt động truyền từ VS T đến hub.
Th ng thường tốc độ bit là 64kbps cho mỗi kênh VSAT đến hub và đến 2Mbps cho
kênh broadcast từ hub đến VS T. Lược đồ điều khiển truy xuất này được gọi là đa
truy xuất phân tần được gán trước (preassigned fequency-division multiple access hay
preassigned FDMA).
Chúng ta có thể đạt được hiệu suất kênh tốt hơn bằng cách dùng phương pháp điều
khiển truy xuất gán theo yêu cầu. Lược đồ này cung cấp một số khe thời gian theo yêu
cầu - gọi tắt là khe thời gian theo yêu cầu (r qu st tim slot) , trong đó VS T và các
trạm di động có thể gửi yêu cầu đến hub hay trạm cơ bản (bas station) để lấy một hay
nhiều khe thời gian th ng điệp (message time slot). Nếu có sẵn các điểm trung tâm sẽ
gán các khe thời gian th ng điệp đặc biệt cho hoạt động truyền đó và th ng báo với
trạm yêu cầu bằng khe thời gian báo nhận (acknowledgm nt tim slot).Lược đồ này
được gọi là đa truy xuất phân thời được gán theo yêu cầu (demand – assigned timedivíion multiple access hay demand-assigned TDMA)
Trang 75
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
3.3. ĐIỆN THOẠI.
3.3.1. Lịch sử điện thoại.
Lịch sử của chiếc điện thoại thật là thú vị đến nỗi người ta đã làm hẳn một bộ
phim về nó. Đầu tiên chúng ta hãy cũng nhau tìm hiểu nguyên lý hoạt động của điện
thoại. Khi chúng ta nói dây thanh âm trong cổ họng chúng ta rung lên, những dao động
này đã truyền vào các phân tử của kh ng khí tức là những sóng âm thanh phát ra từ
mồm chúng ta đã tạo ra các giao động của kh ng khí. Khi những sóng âm thanh đó
chạm vào màng đàn hồi trong ống nói thì chúng sẽ làm cho cái màng đó rung với tần
số giống như các rung động của các phần tử kh ng khí, những giao động này đã truyền
qua đường dây điện thoại các tín hiệu hình sóng và dẫn đến những rung động của
màng điện thoại ở đầu dây đằng kia. Màng đàn hồi sẽ tạo ra sóng trong kh ng khí
giống như những sóng đã được gửi vào ống nói khi những sóng này đến tai người ngh
ở đầu dây đằng kia giống như là âm thanh trực tiếp phát ra từ miệng của bạn.
Còn bây giờ chúng ta hãy nói về lịch sử của điện thoại. Vào ngày 2/6/1875 ng
l xandro B ll đã làm một thí nghiệm ở Boston. Ông muốn gửi đi bức điện tín qua
một đường dây, ng đã sử dụng một bộ thanh thép. Ông đã làm một thiết bị nhận ở
một phòng còn người trợ lý của ng là Tomát Uytson thì truyền đi ở phòng bên cạnh,
người trợ lý đã giật thanh thép để cho nó rung lên và tạo ra những âm thanh l ng k ng,
bỗng dưng ng B ll chạy sang phòng của người trợ lý và hét toáng lên hãy cho t i x m
anh đang làm gì đấy. Ông đã nhận thấy rằng các thanh thép nhỏ khi rung ở phía trên
nam châm thì sẽ tạo ra các dòng điện biến thiên chạy qua dây dẫn. Chính điều đó đã
tạo ra những rung động của các thanh kim loại trong phòng của ng B ll và các âm
thanh l ng k ng. Ngày h m sau chiếc điện thoại đầu tiên đã ra đời và những âm thanh
đã được truyền qua dây điện thoại thứ nhất từ tầng trên xuống hai tầng dưới. Vào ngày
10/8 năm sau ng B ll đã có thể nói chuyện với người cộng sự của mình qua điện
thoại : “Ông Willson ng có thể lên phòng t i được kh ng, t i muốn nói chuyện với
ng”
Kể từ sau năm 1875, việc th ng tin trên Thế Giới đã tương đối thuận tiện, tín
hiệu Mors và điện thoại tuy cách thức hoạt động cực kì phức tạp nhưng vẫn được sử
dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt, sản xuất và đặc biệt là trong quân đội để phục
vụ chiến tranh.
Tuy nhiên, ngoài phương tiện điện thoại dần được hoàn thiện cho đến ngày nay
thì việc sử dụng tin hiệu Mors để th ng tin vẫn còn nhiều cập rập. Đến ngày 4 tháng
10 năm 1957, Khi Liên Bang X Viết th ng qua tên lửa R-7 phóng thành c ng lên quỹ
đạo vệ tinh nhân tạo đầu tiên của nhân loại - Sputnik 1 đã tạo ra một bước ngoặt vĩ đại
cho lịch sử truyền th ng loài người.
Mặt khác, người đầu tiên đã nghĩ ra vệ tinh nhân tạo dùng cho truyền th ng là
nhà viết truyện khoa học giả tưởng Arthur C. Clarke vào năm 1945. Ông đã nghiên
cứu về cách phóng các vệ tinh này, quỹ đạo của chúng và nhiều khía cạnh khác cho
Trang 76
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
việc thành lập một hệ thống vệ tinh nhân tạo bao phủ thế giới. Ông cũng đề nghị 3 vệ
tinh địa tĩnh (geostationary) sẽ đủ để bao phủ viễn th ng cho toàn bộ Trái Đất.
Kể từ đó, hàng loạt các thiết bị truyền th ng điện từ dần được hình thành, chi
phối toàn bộ hệ thống th ng tin liên lạc trên địa cầu. Dưới đây, chúng ta sẽ đi tìm hiểu
một số phương tiện hiện đại và đang được ứng dụng rộng khắp.
3.3.2. Điện thoại di động.
3.3.2.1. Tiện ích của điện thoại di động.
Ngày nay, ĐTDĐ cung cấp những chức năng kh ng thể tin được và những chức
năng mới vẫn đang được thêm vào với tốc độ cực nhanh. Với một chiếc ĐTDĐ bạn có
thể:
- Ghi nhớ các th ng tin liên lạc.
- Tạo list các c ng việc.
- Ghi lịch của các cuộc hẹn và sắp đặt chức năng nhắc nhở
- Tính toán những phép toán đơn giản với chức năng máy tính đi kèm
- Gửi và nhận Email
- Lấy th ng tin ( tin tức, giải trí, đặt chứng khoán…) từ Int rn t
- Chơi những gam đơn giản
- Kết nối với các thiết bị khác như PD s, Máy ngh nhạc MP3 và Máy thu
GPS(Global Positioning System)…
3.3.2.2. Các đặc điểm chính của thông tin di động.
Công nghệ thông tin vô tuyến đã phát triển với những bước dài từ điện báo,
phát thanh vô tuyến và truyền hình tới việc sử dụng điện thoại di động. Vấn đề đáp
ứng sự tăng trưởng về dung lượng mà không cần tăng phổ vô tuyến đã được giải quyết
bằng cách giảm công suất của trạm thu phát vô tuyến BTS chỉ phục vụ một vùng nhỏ
(Cell) và phủ sóng một vùng rộng bằng cách đặt nhiều trạm liên tiếp nhau. Mỗi trạm
được ấn định một phần nhỏ của toàn bộ tài nguyên phổ tần số được ấn định. Các trạm
đặt xa nhau có thể sử dụng cùng cùng một tần số, đó là xuất xứ của tên mạng tổ ong
Cellular. Nhờ khả năng sử dụng lại tần số này mà mạng c llular có dung lượng lớn
hơn.
Thế hệ đầu tiên của các hệ thống tổ ong là các hệ thống nalog được hãng NTT
sử dụng tại Tokyo vào năm 1977. Mạng nalog NMT được sử dụng tại châu Âu vào
năm 1981, mạng MPS được sử dụng tại Bắc Mỹ vào năm 1983.
Vào cuối những năm 80 thế hệ đầu tiên của hệ thống Cellular dựa trên các kỹ
thuật báo hiệu analog tỏ ra đã lỗi thời. Những tiến bộ về công nghệ mạch tích hợp cho
phép các kỹ thuật mã hoá tiên tiến được sử dụng, cho phép tăng hiệu quả sử dụng phổ
vô tuyến. Thêm vào đó viễn thông số cho phép sử dụng mã hoá sửa sai cung cấp một
Trang 77
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
phương thức chống lại nhiễu, vấn đề gây nhiều khó khăn cho hệ thống analog. Ngoài
ra các hệ thống số cho phép ghép các loại số liệu khác nhau
và điều khiển hiệu quả mạng lưới.
Sự triển khai toàn cầu của hệ thống thông tin cellular số bắt đầu vào đầu những
năm 90. Ở châu Âu đó là GSM, hệ thống này thống nhất tiêu chuẩn trước đó được
dùng ở châu Âu như hệ thống NMT ở bán đảo Scandinavia, hệ thống C-450 ở Đức và
các hệ th ng khác như T CS và R- 2000. Hệ thống GSM đạt đựoc hai mục đích là cải
thiện công nghệ truyền dẫn và cung cấp một tiêu chuẩn thống nhất. Ở bắc Mỹ đó là hệ
thống DAMPS (tiêu chuẩn IS 136), ở Nhật là hệ thống PDC, ngoài ra cuối những năm
90 xuất hiện hệ thống CDMA (tiêu chuẩn IS-95).
Ngoài nhiệm vụ phải cung cấp các dịch vụ như mạng điện thoại cố định thông
thuờng, các mạng th ng tin di động phải cung cấp các dịch vụ đặc thù cho mạng di
động để đảm bảo thông tin mọi lúc, mọi nơi.
Để đảm bảo các chức năng nói trên các mạng th ng tin di động phải đảm bảo
một số đặc tính cơ bản sau:
1. Sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát để đạt được dung lượng cao do sự
hạn chế của dải tần vô tuyến sử dụng cho th ng tin di động.
2. Đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu. Do truyền dẫn được thực hiện bằng
vô tuyến là m i trường truyền dẫn hở, nên tín hiệu dễ bị ảnh hưởng của nhiễu.
Các hệ thống th ng tin di động phải có khả năng hạn chế tối đa các ảnh hưởng
này. Ngoài ra để tiết kiệm băng tần ở mạng th ng tin di động chỉ có thể sử dụng các
Codec tốc độ thấp. Các Codec này phải được thiết kế theo công nghệ đặc biệt để đạt
được chất lượng truyền dẫn cao.
3. Đảm bảo an toàn thông tin tốt nhất. M i trường truyền dẫn vô tuyến là môi
trường rất dễ bị nghe trộm và ăn cắp đường truyền nên cần phải có biện pháp đặc biệt
để đảm bảo an toàn th ng tin. Để đảm bảo quyền lợi của người thuê bao cần giữ bí mật
số nhận dạng thuê bao và kiểm tra tính hợp lệ của mỗi người sử dụng khi họ truy nhập
mạng. Để chống nghe trộm cần mật mã hoá thông tin của người sử dụng. Ở một số hệ
thống th ng tin di động người ta sử dụng một khoá nhận dạng bí mật riêng lưu ở bộ
nhớ an toàn. Ở hệ thống GSM thẻ SIM-Card được sử dụng. Người thuê bao cắm thẻ
này vào máy di động của mình và chỉ có người này có thể sử dụng nó. Các thông tin
lưu giữ ở SIM-Card cho phép đảm bảo an toàn thông tin.
4. Giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ sóng này
sang vùng phủ sóng khác.
5. Cho phép phát triển các dịch vụ mới, nhất là các dịch vụ phi thoại.
6. Để mang tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế.
7. Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ và tiêu thụ ít năng lượng.
Trang 78
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
3.3.2.3. Nguyên tắc hoạt động.
Một trong những điều thú vị nhất của ĐTDĐ là chúng thực sự là một chiếc
radio—một chiếc radio cực kì tinh vi. Điện thoại được phát minh bởi nhà bác học
l xand r Graham B ll vào năm 1876, và liên lạc kh ng dây đã đi th o căn nguyên
của nó để đi đến phát minh Radio của Nikolai T sla vào năm 1880 ( chính thức được
c ng bố năm 1894 bởi một người Ý tên là Gugli lmo Marconi ). Đó chỉ là điều tự
nhiên khi 2 phát minh vĩ đại này được kết hợp với nhau sau này.
Trong thời kì đ n tối trước khi có ĐTDĐ, những người thực sự có nhu cầu dùng
liên lạc di động đã đặt những chiếc máy truyền tin ( radio T l phon s) trên x t của
họ. Trong hệ thống máy truyền tin này, có một cột ăng t n trung tâm cho mỗi thành
phố, và khoảng chừng 25 kênh có thể dùng trên cột ăng t n đó. Việc dùng ăng t n
trung tâm này yêu cầu chiếc điện thoại trong t của bạn cần một máy phát mạnh—có
khả năng truyền tín hiệu với khoảng cách 40 đến 50 dặm ( khoảng 70 km). Điều đó
cũng có nghĩa là kh ng có nhiều người có khả năng sử dụng loại máy truyềnh tin
này—bởi vì kh ng đủ kênh để sử dụng.
Mấu chốt của hệ thống đó là chia nhỏ thành phố ra thành các nhỏ. Điều đó
cho phép mở rộng việc sử dụng lại tần số ra toàn thành phố, do vậy hàng triệu người
có thể sử dụng ĐTDĐ trong cùng một lúc.
3.3.2.4. Nguồn phát tín hiệu.
Trước hết phải lấy mẫu tín hiệu thoại, tức là chỉ truyền các xung tín hiệu tại các
thời điểm nhất định.
Bước thứ hai là lượng tử hoá biên độ, nghĩa là chia biên độ của xung mẫu thành các
mức và lấy tròn biên độ xung đến mức gần nhất.
Bước thứ ba mã hoá xung lượng tử thành từ mã nhị phân có m bit.
3.3.2.5. Mã hóa và điều chế dữ liệu.
Trong các hệ thống truyền dẫn số, th ng tin được chuyển đổi thành một chuỗi
các tổ hợp xung, sau đó truyền trên đường truyền. Khi đó, th ng tin tương tự (như
tiếng nói của con người) phải được chuyển đổi vào dạng số nhờ các bộ biến đổi A/D.
Độ chính xác của chuyển đổi A/D quyết định chất lượng của thuê bao. Tổ hợp số phải
đủ chi tiết sao cho tiếng nói (hoặc vid o) tương tự có thể được tái tạo mà không có
méo và nhiễu ở thiết bị thu. Hiện nay, mong muốn của chúng ta là giảm khối lượng
thông tin số để sử dụng tốt hơn dung lượng mạng.
Các bộ mã hoá được phân làm 2 loại chính: mã hoá dạng sóng và mã hoá thoại
(vocoder). Ngoài ra, còn có các bộ mã hoá lai tổ hợp đặc tính của 2 loại trên.
Mã hoá dạng sóng có nghĩa là các thay đổi biên độ của tín hiệu tương tự (đường thoại)
được mô tả bằng một số của giá trị được đo. Sau đó các giá trị này được mã hoá xung
và gửi tới đầu thu. Dạng tương tự như tín hiệu được tái tạo trong thiết bị thu nhờ các
Trang 79
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
giá trị nhận được. Phương pháp này cho phép nhận được mức chất lượng thoại rất cao,
vì đường tín hiệu nhận được là bản sao như thật của đường tín hiệu bên phát.
Mã hoá thoại là bộ mã hoá tham số. Thay cho việc truyền tín hiệu mô tả trực tiếp dạng
của đường tín hiệu thoại là truyền một số tham số mô tả đường cong tín hiệu được phát
ra như thế nào. Cách đơn giản để giải thích sự khác nhau giữa hai phương pháp này là
sử dụng phép ẩn dụng: nhạc đang được chơi và các bản nhạc thì được các nhạc công
sử dụng. Trong mã hoá dạng sóng chính những âm thanh nhạc đang chơi được truyền
đi, còn trong mã hoá tham số thì các bản nhạc được gửi tới bên nhận. Mã hoá tham số
yêu cầu có một m hình xác định rõ đường tín hiệu thoại được tạo như thế nào. Chất
lượng sẽ ở mức trung bình (âm thanh của thoại nhận được thuộc loại “tổng hợp”)
nhưng mặt khác các tín hiệu có thể được truyền với tốc độ bit rất thấp.
Bộ mã hoá lai gửi một số các tham số cũng như một lượng nhất định thông tin
dạng sóng. Kiểu mã hoá thoại này đưa ra một sự dung hòa hợp lý giữa chất lượng
thoại và hiệu quả mã hoá, và nó được sử dụng trong các hệ thống điện thoại di động
ngày nay.
3.3.2.6. Điều chế dữ liệu.
Điều chế là một kỹ thuật cho phép th ng tin được truyền như sự thay đổi của tín
hiệu mang th ng tin. Điều chế được sử dụng cho cả thông tin số và tương tự. Trong
trường hợp th ng tin tương tự là tác động liên tục (sự biến đổi mềm). Trong trường
hợp thông tin số, điều chế tác động từng bước (thay đổi trạng thái). Khối kết hợp điều
chế và giải điều chế được gọi là modem.
Trong truyền dẫn tương tự có thể sử dụng hai phương pháp điều chế th o biên độ và
theo tần số
Điềuchế th o biên độ được sử dụng để truyền tiếng nói tương tự (300-3400 Hz)
Điều chế theo tần số thường được sử dụng cho truyền thông quảng bá (băng FM), kênh
âm thanh cho TV và hệ thống viễn thông không dây.
3.3.2.7. Lấy mẫu tín hiệu analog.
Biên độ của tín hiệu analog là liên tục theo thời gian. Lấy mẫu là lấy biên độ
của tín hiệu analog ở từng khoảng thời gian nhất định. Quá trình này giống như điều
chế biên độ, trong đó các dãy xung có chu kỳ được điều chế biên độ bởi tín hiệu
analog. Do vậy các mẫu lấy được sẽ gián đoạn theo thời gian. Dãy mẫu này gọi là tín
hiệu P M (điều chế biên độ xung).
3.3.2.8. Lượng tử hoá tín hiệu.
Lượng tử hoá nghĩa là chia biên độ của tín hiệu thành các khoảng đều hoặc
kh ng đều, mỗi khoảng là một bước lượng tử, biên độ tín hiệu ứng với đầu hoặc cuối
mỗi bước lượng tử gọi là một mức lượng tử. Sau khi có các mức lượng tử thì biên độ
của các xung mẫu được làm tròn đến mức gần nhất.
Trang 80
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Có hai loại lượng tử hoá biên độ: lượng tử hoá đều và lượng tử hoá kh ng đều.
3.3.2.9. Nguồn thu tín hiệu - chuyển đổi tín hiệu digital thành tín hiệu analog.
Tại phía thu, tín hiệu số PCM được chuyển đổi thành tín hiệu analog qua hai
bước là: giải mã và lọc. Tổng hợp hai quá trình xử lý này gọi là quá trình chuyển đổi
D/A và Giải mã là quá trình ngược lại với mã hoá. Trong giải mã, bắt đầu bằng việc
tách các mã nhị phân 8 bit từ tín hiệu PCM. Tiếp theo, chuyển mỗi từ mã nhị phân
thành một xung lượng tử có biên độ tương ứng với số mức lượng tử của từ mã đó. Tín
hiệu xung đã được lượng tử hoá ở đầu phát được tạo lại ở đầu thu bằng cách giải mã
như vậy. Tín hiệu xung sau khi giải mã có biên độ chênh lệch với biên độ xung mẫu
tại phía phát. Hiện tượng này gọi là méo lượng tử và phát sinh do làm tròn biên độ khi
lượng tử hoá.
Sau đó, tín hiệu xung lượng tử được đưa qua bộ lọc thông thấp. Đầu ra bộ lọc
này nhận được tín hiệu analog là tín hiệu liên tục theo thời gian nhờ nội suy giữa các
mẫu kế tiếp nhau thiết lập hệ thống kênh truyền dẫn.
Bộ sai động tách tín hiệu thoại thu và phát riêng biệt. Tại nhánh phát có bộ lọc
thông thấp để hạn chế băng tần tiếng nói từ 300 đến 3400 Hz, đầu ra bộ lọc thông thấp
nối đến mạch lấy mẫu. Mạch lấy mẫu là một chuyển mạch điện tử đóng mở theo chu
kỳ 125μs, đầu ra nhận được các xung mẫu có chu kỳ bằng 125μs. Bộ mã hoá biến đổi
mỗi xung lấy mẫu thành 8 bit và khối ghép kênh tín hiệu thoại, tín hiệu đồng bộ và tín
hiệu báo hiệu thành một khung có thời hạn 125μs. Đầu ra các mạch lấy mẫu đấu song
song với nhau, vì vậy xung lấy mẫu của các kênh được ghép theo thời gian và lần lượt
đưa vào bộ mã hoá.
Tại nhánh thu của bộ ghép kênh nhận dãy bit ba mức đến và chuyển vào khối
giải mã đường để chuyển thành dãy bit hai mức. Một phần tín hiệu ở đầu ra khối giải
mã đường, đưa vào khối tách xung đồng bộ để tách ra xung đồng bộ và đưa tới khối
tạo xung thu để kích thích bộ chia xung và tạo ra các khe thời gian đồng bộ với phía
phát. Phần tín hiệu còn lại được đưa vào khối tách kênh để tách luồng bit đầu vào
thành kênh thoại, kênh báo hiệu. Khối báo hiệu chuyển các bit báo hiệu thành tín hiệu
báo hiệu ban đầu, chẳng hạn báo hiệu đa tần, các digit bộ số thuê bao, xung điều khiển
rơ l v.v. Các từ mã của kênh thoại đưa tới bộ giải mã để chuyển thành các xung lượng
tử, qua bộ chọn xung kênh và bộ lọc thông thấp tách ra tín hiệu thoại analog của từng
kênh. Tín hiệu analog qua bộ sai động đi vào máy điện thoại. Bộ chọn xung kênh là
một chuyển mạch điện tử đóng mở theo tốc độ và pha của bộ lấy mẫu ở phía phát. Đầu
vào bộ chọn xung kênh đấu song song với nhau và mỗi bộ chỉ cho xung kênh mình đi
qua, tức là tách kênh theo thời gian được thực hiện tại đây.
3.3.2.10. Các tần số.
Một đơn là một hệ thống analog sử dụng 1/7 sự khả năng sử dụng của kênh
âm thanh kép(dupl x voic chann ls). Nghĩa là, mỗi ( trong 7 của vỉ lục giác ) thì
Trang 81
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
sử dụng 1/7 số kênh có thể dùng do đó nó mang một bộ tần số duy nhất và kh ng có sự
xung đột với các khác.
Một carri r thường lấy 832 tần số radio để sử dụng trong thành phố
Mỗi ĐTDĐ sử dụng 2 tần số cho mỗi cuộc gọi—một kênh kép (duplex channel)
- nên có 395 kênh âm thanh(voic chann ls ) đặc trưng cho mỗi carrier (42 tấn số khác
được dùng cho kênh điều khiển (control chann ls)
Vì vậy mỗi có khoảng 392:7=56 kênh âm thanh có thể sử dụng.
Nói một cách khác, trong bất cứ nào, 56 người có thể nói chuyện trên ĐTDĐ
trong cùng một thời gian. Với phương thức chuyển giao kĩ thuật số(KTS) ( digital
transmission), số lượng của các kênh có thể dùng tăng lên. Ví dụ, số lượng cuộc gọi
thực hiện trong cùng một thời gian của hệ thống KTS TDMA (TDMA-based digital
system) có thể gấp 3 so với hệ thống analog, vì vậy mỗi có 168 kênh có thể dùng
(x m trang này để có nhiều th ng tin hơn về TDM , CDM , GSM và các c ng nghệ
cho ĐTDĐ KTS khác ).
3.3.2.11. Sự chuyển giao.
ĐTDĐ có một máy phát c ng suất thấp(low-power transmitters ) trong chúng.
Rất nhiều loại ĐTDĐ mang 2 tín hiệu cường độ: 0.6 Watt và 3 Watt (trong khi hầu hết
các radio CB đều truyền ở mức 4 Watt). Trạm cơ sở cũng truyền ở mức c ng suất
thấp. Sự truyền ở c ng suất thấp có 2 lợi điểm
Sự truyền(transmissions ) giữa trạm cơ sở và những chiếc ĐT trong các của
nó ngăn kh ng cho ĐTDĐ đi quá xa so với những đó. Vì vậy, cả 2 có thể dùng lại
chung 56 tần số(r us th sam 56 fr qu nci s). Cùng một số tần số có thể được sử
dụng lại rộng trên toàn thành phố
C ng suất tiêu thụ(pow r consumption ) của ĐTDĐ, cái có nghĩa là c ng suất
yêu cầu đối với pin sẽ thấp. C ng suất thấp nghĩa là pin nhỏ, và đó chính là điều làm
cho chiếc điện thoại di động cầm tay trở thành hiện thực.
C ng nghệ di động yêu cầu một số lượng rất lớn của các trạm cơ sở trong một
thành phố bất kể nó to hay nhỏ. Một thành phố rộng đặc trưng có thể có hàng trăm cột
phát(tow rs). Nhưng vì có quá nhiều người sử dụng ĐTDĐ , cho nên giá thành mà mỗi
người dùng phải trả vẫn rất rẻ. Mỗi carri r trong mỗi thành phố cũng chạy vận hành
một cơ quan trung tâm gọi là MTSO(Mobil T l phon Switching Offic ). Cơ quan
này xử lý mọi kết nối điện thoại thành hệ thống điện thoại mặt đất cơ sở bình thường,
và điều khiển mọi trạm cơ sở trong vùng
Trong phần sau, bạn sẽ hiểu được cái gì sẽ sảy ra khi bạn và chiếc ĐTDĐ của
bạn di chuyển từ này sang khác.
3.3.2.12. Các code của điện thoại di động.
Tất cả các loại ĐTDĐ đều có những cod riêng liên kết với chúng. Khi bật máy
điện thoại, nó sẽ ngh th o một SID ở trong kênh điều khiển(control chann l). Nếu
Trang 82
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
ĐTDĐ kh ng tìm thấy bất kì kênh điều khiển nào, thì nó sẽ hiểu là ở ngoài vùng phủ
sóng(out of rang ) và hiển thị là “No s rvic ”.
Khi nó nhận SID, điện thoại sẽ so sánh nó với SID đã được chương trình hóa ở
trong máy. Nếu các SID thích hợp với nhau chiếc điện thoại hiểu rằng Ô nó đang liên
kết thuộc một phần của hệ thống chủ của nó(hom syst m).
Cùng với SID, ĐTDĐ truyền một yêu cầu đăng kí(r gistration r qu st), và
MTSO giữ lại dấu vết vị trí của chiếc ĐTDĐ của bạn trong database - bằng cách này,
khi MTSO muốn gọi bạn nó biết được phần tử nào bạn đang ở.
MTSO nhận một cuộc gọi và nó cố gắng tìm bạn. Nó nhìn vào databas để x m
bạn đang ở nào
MTSO lấy một cặp tần số mà ĐTDĐ sẽ sử dụng trong đó để thực hiện cuộc
gọi.
MTSO liên kết với điện thoại của bạn th ng qua qua kênh điều khiển nhờ vậy
điện thoại của bạn biết sẽ sử dụng tần số nào, sau đó ĐTDĐ của bạn và cột angt n
chuyển sang tần số đó và cuộc gọi được thực hiện.Cách này gọi là two-way radio
Khi bạn ra đến rìa của bạn đang ở, trạm cơ sở của ĐTDĐ của bạn sẽ th ng
báo rằng độ lớn của sóng(signal str ngth ) đang giảm. Ngược lại, trạm cơ sở ở mà
bạn đang tiến tới thì lại thấy rằng cột sóng của bạn đang tăng. Hai trạm cơ sở này là
ngang hàng nhau thông qua MTSO, và tại vài điểm nhất định, ĐTDĐ của bạn thu tín
hiệu từ một kênh điều khiển cho biết có sự thay đổi tần số. Việc này chuyển điện thoại
của bạn qua một mới.
Nếu SID ở kênh điều khiển kh ng khớp với SID đã được chương trình hóa
trong ĐTDĐ của bạn, thì ĐTDĐ sẽ biết đó nghĩa là chuyển vùng. MTSO của các mà
bạn đang roaming sẽ liên hệ với MTSO ở hệ th ng chủ của bạn, hệ thống này sẽ kiểm
tra databas để xác định SID nào mà máy bạn đang sử dụng. Hệ thống chủ của bạn xác
minh với MTSO hiện tại, sau đó nó sẽ ghi lại dấu vết khi điện thoại của bạn đi qua
của nó. Và điều kì diệu là tất cả những điều đó chỉ xãy ra trong vài giây.
3.3.2.13. ĐTDĐ và CB Radio(Cell Phones and CBs).
Một cách tốt để hiểu sự tinh vi của một chiếc ĐTDĐ là so sánh nó với một
chiếc CB radio hoặc là một điện đài xách tay.
Full-duplex vs. half-duplex – Cả CB radio và điện đài xách tay đều là thiết bị
half-dupl x.Điều đó nghĩa là 2 người giao thiệp trên một CB radio sử dụng cùng một
tần số, nên trong một thời điểm thì chỉ một người có thể nói.Trong khi đó một chiếc
ĐTDĐ là một thiết bị full-dupl x. Điều đó nghĩa là bạn sử dụng một tần số để nói và
một tần số riêng biệt để ngh . Và do đó cả hai người có thể nói chuyện với nhau trong
cùng một lúc
Channels(các kênh) – Một chiếc điện đài xách tay thường có một kênh, và một
chiếc CB radio thì có 40 kênh. Trong khi đó một chiếc ĐTDĐ thì có thể giao thiệp với
nhau th ng qua 1,664 kênh hoặc nhiều hơn nữa.
Trang 83
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Range(Vùng) – Một điện đài xách tay có thể truyền đi với cự ly khoảng 1
dặm(1.6 km) và dùng một máy phát c ng suất 0.25 watt. Một CB radio, vì có c ng
suất lớn hơn có thể truyền với cự ly khoảng 5 dặm(8 km) và sử dụng một máy phát 5
watt. Trong khi đó một chiếc ĐTDĐ khi hoạt động trong các , và nó có thể chuyển
giữa các vùng đó khi nó di chuyển. Các giúp cho ĐTDĐ có bán kính sử dụng kh ng
thể tin được. Nhiều người sử dụng ĐTDĐ có thể chạy t xa hàng 100 dặm mà vẫn có
thể duy trì cuộc gọi kh ng bị đứt quãng nhờ vào C llular approach.
3.3.2.14. Phần bên trong của một chiếc ĐTDĐ (Inside a Cell Phone).
Là một cấu trúc rắc rối trên những khối lập phương tính bằng inch, ĐTDĐ là
một trong những thiết bị phức tạp nhất mà con người tiếp xúc hàng ngày. ĐTDĐ KTS
ngày nay có thể thực hiện được hàng triệu phép tính trong vòng một giây để có thể nén
hoặc giải nén các luồng âm thanh.
Nếu bạn tháo rời một chiếc ĐTDĐ, bạn sẽ thấy nó chỉ chứa vài phần độc lập:
Một bảng mạch phức tạp chứa bộ não của chiếc máy
Một ăng t n.
Một màn hình tinh thể lỏng (LCD).
Một bàn phím ( kh ng giống với bàn phím trên cái điều khiển TV)
Một cái microphone
Một cái loa
Một cục pin
Trên một bảng mạch, có vài con chip máy tính. Hãy nói qua về c ng việc mà
những chip đó làm. Các chip analog-to-digital và digital-to-analog dịch các tín hiệu âm
thanh ra từ analog thành digital và các tín hiệu vào từ digital thành analog. Bạn có thể
học thêm về sự chuyển -to-D và D-to- và tầm quan trọng của nó tới c ng nghệ âm
thanh KTS tại How Compact Discs Work.
- Bộ sử lý tín hiệu digital là một bộ sử lý kĩ thuật cao được thiết kế để thực hiện
các phép toán tín hiệu ở tốc độ cao
-Bộ vi sử lý (microproc ssor) xử lý mọi c ng việc dùng cho bàn phím và màn
hình hiển thị, ra lệnh và điều khiển tín hiệu với trạm cơ sở đồng thời phối hợp những
phần còn lại trên bảng mạch
Rom và Flash M mory của các chip(Th ROM and Flash memory chips ) cung
cấp bộ nhớ cho hệ điều hành của ĐTDĐ và các đặc tính( ví dụ như chỉ dẫn điện thoại).
Tần số Radio và phần năng lượng (radio fr qu ncy (RF) and pow r s ction )có chức
năng điều hành c ng suất, sạc pin và tất nhiên cả giao dịch với hàng trăm kênh FM.
Cuối cùng, máy khuếch đại tần số Radio(RF amplifi rs ) xử lý tín hiệu đến và đi từ
ăng t n.
Màn hình đã phát triển đáng kể về kích cỡ cũng như các đặc tính của ĐTDĐ đã
tăng lên. Hầu hết điện thoại ngày nay đưa ra các chỉ dẫn, máy tính toán và ngay cả
Trang 84
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
gam gắn liền. Và rất nhiều loại điện thoại xáp nhập một số loại như PD và trình
duyệt W b.
Vài loại ĐTDĐ lưu trữ nhưng th ng tin đích xác nào đó như cod của SID và
MIN, ở trong bộ nhớ trong. Trong khi đó một số khác sử dụng card nhớ ngoài tương tự
như SmartM dia Card.
ĐTDĐ sử dụng những chiếc loa và mic rất nhỏ và thật khó tin khi biết được
chúng tạo âm thanh tốt thế nào. Như hình ở trên, chiếc loa nhỏ chỉ cỡ một đồng xu và
chiếc Mic kh ng lớn hơn chiếc pin đồng hồ cạnh nó là bao. Về chiếc pin , nó được
dùng trong đồng hồ ở bên trong con chip của ĐTDĐ(int rnal clock chip).
Tất cả những điều trên thật kì diệu—cái chỉ trong vòng 30 năm trước th i có thể
chiếm diện tích của cả một tầng của một tòa nhà – còn ngày nay nó được tạo ra trên
một “gói nhỏ” và nằm gọn trong lòng bàn tay của bạn.
3.3.2.15. AMPS - Advanced Mobile Phone System (dịch vụ điện thoại di động cải tiến).
Vào năm 1983, chiếc ĐTDĐ analog chuẩn được gọi là MPS được xác nhận
bởi FCC(F d ral Communications Commission) và lần đầu tiên được sử dụng tại
Chicago. MPS sử dụng một vùng tần số giữa 824MHz và 894 MHz. Để khuyến
khích cạnh tranh và giữ giá thành, chính phủ Mĩ yêu cầu sự có mặt của 2 carri r tại
mọi thị trường và được biết với cái tên carri r và carri r B. Một trong những Carri r
thường là Carri r trao đổi địa phương(local-exchange carrier -LEC), gọi là công ty
điện thoại địa phương.( a fancy way of saying th local phon company.)
Carri r và B mỗi cái đều ấn định là 832 tần số: 790 cho âm thanh và 42 cho
dữ liệu. Một cặp tần số( một cho truyền và một cho nhận ) được sử dụng để tạo nên
một kênh. Các tần số được sử dụng trong kênh âm thanh analog thường có độ rộng là
30kHz – 30kHz được chọn là siz chuẩn vì so sánh với điện thoại có dây nó cho một
âm thanh chất lượng hơn.
Sự truyền và nhận tần số của mỗi kênh âm thanh được tách biệt bởi 45MHz để
giữ chúng kh ng x n lẫn lên nhau. Mỗi Carri r có 395 kênh âm thanh, và 21 kênh dữ
liệu để thực hiện các c ng việc thường xuyên như đăng kí và gọi.
Một phiên bản của MPS đó là N MPS(Narrowband Advanced Mobile Phone
S rvic ) được tích hợp một số c ng nghệ KTS cho phép hệ th ng có thể mang gấp 3
lần số cuộc gọi so với v rsion gốc. Mặc dù nó sử dụng c ng nghệ KTS, nó vẫn được
x m là analog. MPS và N MPS chỉ được thực hiện trên dải 800 MHz và không
phục vụ rất nhiều những đặc trưng mà ở ĐTDĐ KTS có như E-mail và trình duyệt
Web.
3.3.2.16. Along comes digital (kĩ thuật số).
ĐTDĐ KTS cũng sử dụng c ng nghệ radio như ở ĐTDĐ analog, nhưng ở cách
khác nhau. Hệ thống analog kh ng thể sử dụng hoàn toàn tín hiệu giữa ĐTDĐ và
mạng di động – tín hiệu analog kh ng thể bị nén và thao tác dễ dàng như đối với một
Trang 85
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
tín hiệu KTS thật sự. Đó là lý do tại sao rất nhiều c ng ty về dây dẫn đã chuyển sang
làm về kĩ thuật số- và do đó họ có thể tích hợp nhiều kênh hơn trong dải tần được cho
trước. Những hiệu quả của hệ thống kĩ thật số thật đáng kinh ngạc.
ĐTDĐ KTS (KTS) chuyển giọng nói thành th ng tin nhị phân (1s và 0s) và sau
đó nén chúng lại. Việc nén cho phép 3 đến 10 cuộc gọi KTS chỉ chiếm một kh ng gian
bằng một cuộc gọi analog.
Rất nhiều hệ thống di động KTS dựa vào FSK(fr qu ncy-shift k ying) để gửi
dữ liệu về và tới qua MPS. FSK sử dụng 2 tần số, một cho 1s và một nữa cho 0s,
thay đổi một cách nhanh chóng giữa 2 th ng tin KTS giữa cột di động và điện thoại.
Module th ng minh và các lược đồ mã được yêu cầu để chuyển đổi những th ng tin
analog thành digital, nén chúng và chuyển đổi ngược lại trong khi vẫn dữ được chất
lượng của âm thanh. Tất cả điều đó có nghĩa là ĐTDĐ KTS phải có rất nhiều khả năng
xử lý.
3.3.2.17. cellular access technologies (công nghệ truy cập di động).
Có 3 c ng nghệ chung được dùng trong mạng ĐTDĐ để truyền phát th ng tin
đó là:
Frequency division multipl acc ss (FDM ) (phân chia tần số truy cập nhiều).
Time division multiple access (TDMA) (phân chia thời gian truy cập nhiều).
Code division multipl acc ss (CDM ) ( kênh truy cơ bản th o phương pháp).
Mặc dù những c ng nghệ này ngh có vẻ rất cao siêu, nhưng bạn có thể dễ dàng
hiểu được cách chúng hoạt động bằng một việc đơn giản là phân tích tên gọi của
chúng. Phương pháp đầu tiên nói với bạn thế nào là phương thức acc ss. Từ thứ 2, sự
phân chia, cho bạn biết rằng nó chia cuộc gọi dựa trên phương thức acc ss đó
FDM đặt mỗi cuộc gọi ở những tần số khác nhau
TDM xác nhận mỗi cuộc gọi là một phần xác định của thời gian trên một tần
số định rõ CDM đặt 1 cod duy nhất cho mỗi cuộc gọi và trải dài nó trên những tần
số có thể sử dụng.
Phần cuối của mỗi tên là Multipl acc ss. Nó đơn giản chỉ có nghĩa là hơn một
người dùng có thể sử dụng trong mỗi .
3.3.2.18. Cellular Access Technologies: FDMA (phân chia tần số truy cập nhiều).
FDM tách các hình ảnh/phổ(sp ctrum ) thành những kênh âm thanh riêng biệt
bằng cách chia
Nó thành các dải băng tần chuẩn(uniform chunks of bandwidth). Để hiểu rõ hơn
về FDM , hãy nghĩ đến trạm Radio: mỗi trạm gửi tín hiệu của nó ở những tần số khác
nhau trong các band sử dụng. FDM được sử dụng chủ yếu cho sự truyền tải tín hiệu
analog. Mặc dù rõ ràng có khả năng mang tải các th ng tin KTS, nhưng FDM kh ng
được coi như là một phương pháp hiệu quả cho sự truyền tín hiệu KTS.
Trang 86
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
3.3.2.19. Cellular Access Technologies: TDMA (phân chia thời gian truy cập nhiều).
TDM là phương pháp thâm nhập được sử dụng bởi Khối liên minh c ng
nghiệp điện tử và Tổ chức c ng nghiệp viễn th ng cho Int rim Standard 54 (IS-54) và
Interim Standard 136 (IS-136). Sử dụng TDM , một băng tần hẹp 30 kHz bề rộng và
6.7milli giây bề dài được chia từ tim -wise thành 3 time slots
Băng tần hẹp nghĩa là “những kênh” ở trạng thái truyền thống. Mỗi đoạn hội
thoại lấy của radio 1/3 thời gian. Điều đó là có thể bởi vì dữ liệu âm thanh đã được
chuyển thành th ng tin KTS thì được nén sao cho nó ngốn ít kh ng gian truyền phát
nhất, một điều rất quan trọng. Vì vậy TDM có gấp 3 lần dung lượng của một hệ
thống analog sử dụng cùng 1 số kênh. Các hệ thống TDM điều hành trên giải tần số
hoặc là 800-MHz (IS-54) hoặc là 1900-MHz (IS-136)
3.4. THÔNG TIN VŨ TRỤ - VỆ TINH TRUYỀN THÔNG.
3.4.1. Giới thiệu.
Hình 3.3 : Mô hình vệ tinh.
Nhu cầu th ng tin điện thoại đi khoảng
cách xa tới các điểm khác nhau trên trái đất đòi
hỏi loài người không ngừng phát minh sáng tạo.
Vào những năm 1960 khi con người đã phóng
thành công vệ tinh nhân tạo bay quanh quả đất,
một phương tiện thông tin vô tuyến sóng cực
ngắn mới xuất hiện và trở thành thương mại. Lúc
này người ta đặt trên trạm vệ tinh các thiết bị thu
phát vô tuyến để thu sóng từ một điểm trên mặt
đất và phát trở lại nhiều điểm khác hay thông tin chuyển tiếp hai chiều. Để thông tin
tốt chỉ có một vài dải tần số được sử dụng và gọi là của sổ tần số vũ trụ như là băng C
(tần số khoảng 3,7 đến 6,5 GHz) hay băng Ku (11 đến 18 GHz).
Các loại vệ tinh th ng tin được sắp xếp trên các quỹ đạo khác nhau bay vòng
quanh quả đất. Người ta chia ra số loại quỹ đạo vệ tinh : vệ tinh quỹ đạo nghiêng elíp,
vệ tinh quỹ đạo cực, vệ tinh địa tĩnh hay quỹ đạo xích đạo (hình 1.64).
Các vệ tinh địa đồng bộ có chu kỳ quay vòng được tĩnh với trái đất.
Vệ tinh truyền th ng là một vệ tinh nhân tạo đặt trên kh ng gian với mục đích
truyền th ng. Vệ tinh truyền th ng hiện đại dùng nhiều quỹ đạo khác nhau như quỹ
đạo địa tĩnh, quỹ đạo Molniya, cùng các loại quỹ đạo lip.
Sau khi Liên Xô phóng thành c ng vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái Đất ý tưởng sử
dụng vệ tinh bay quanh Trái Đất làm phương tiện th ng tin liên lạc toàn cầu có khả
năng trở thành hiện thực. Trên lý thuyết, chỉ cần có 3 hoặc 4 vệ tinh ở cùng độ cao lớn
hơn bán kính Trái Đất đã có thể phủ sóng toàn cầu.
Trang 87
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Ngày 11 tháng 7 năm 1962, lúc 0h47’ (Giờ Paris) đã thực hiện cuộc liên lạc v
tuyến truyền hình giữa hai lục địa bằng vệ tinh trên Đại Tây Dương. Trạm Pl um ur –
Bodou ở bờ biển C t s d’armor của Pháp tiếp nhận hình ảnh đầu tiên gửi đi từ trạm
ndov r của Mỹ ở vùng Main và được truyền trực tiếp th ng qua vệ tinh T lstar 1 do
N S (Cơ quan hàng kh ng vũ trụ Mỹ) đưa lên quỹ đạo ngày h m trước đó. Ngày 23
tháng 7 tiếp th o, tiến hành thử nghiệm hệ truyền hình Thế Giới (mondovision) đầu
tiên.
3.4.2. Nguyên lý hoạt động.
Các vệ tinh thường xuyên đứng ở một vị trí cố định trên bầu trời, một vệ tinh
như vậy gọi là vệ tinh địa tĩnh.Các vệ tinh địa tĩnh cho phép thực hiện việc thông tin
liên lạc một cách liên tục tới mọi nơi trên Trái Đất.
Hiện nay, nhiều nước có vệ tinh viễn thông trong vũ trụ, nhưng kh ng phải
nước nào muốn phóng bao nhiêu vệ tinh cũng được, mà bầu trời quanh Trái Đất dã
được các c ng ước quốc tế phân chia, mỗi nước chỉ được phóng vệ tinh viễn thông với
tọa độ trong một giới hạn nhất định. Hệ thống vệ tinh trên toàn Thế Giới phục vụ
th ng tin liên lạc ngày cành hoàn chỉnh, cho nên mọi sự kiện trên Thế Giới được thông
tin rất kịp thời, từ các tai nạn giao thông, động đất, sóng thần, bão lụt đến hoạt động
vui chơi giả trí như bóng đá, thể thao, hòa nhập cùng các hoạt động chính trị, quân sự
ở khắp mọi nơi trên Thế Giới đều được thông tin cập nhật. Nhờ hệ thống mạng điện
thoại di động, dung 6 quỹ đạo th o 6 kinh tuyến cách đều nhau, mỗi quỹ đạo có 11 vệ
tinh bay ở độ cao 780m, 66 vệ tinh này có thể nhìn được cả bề mặt Trái Đất.
Sóng cực ngắn mang tín hiệu tiếng nói của một người phát đi từ một ant n đĩa
từ một trạm trên mặt đất sẽ được một vệ tinh thu và phát lại cho một trạm khác trên
mặt đất ở khoảng cách hàng ngàn kilom t, rồi lại được phát lên một vệ tinh khác cho
đến trạm gần người ngh nhất, trạm này truyền tín hiệu đến điện thoại bỏ túi. Nhờ vậy,
với chiếc điện thoại di động, đang ở bất cứ nơi nào cũng có thể nói chuyện với một
người ở bất cứ nước nào trên thế giới.
Nhờ vệ tinh nhân tạo, con người đã làm một cuộc cách mạng về th ng tin liên
lạc trong phạm vi toàn cầu.
3.4.3. Các loại quỹ đạo chuyển động của vệ tinh nhân tạo.
3.4.3.1. Quỹ đạo địa tĩnh.
Là quỹ đạo tròn ngay phía trên xích đạo Trái Đất (vĩ độ 0º). Bất kỳ điểm nào
trên mặt phẳng xích đạo đều quay tròn xung quanh Trái Đất th o cùng một hướng và
với cùng một chu kỳ (vận tốc góc) giống như sự tự quay của Trái Đất. Nó là trường
hợp đặc biệt của quỹ đạo địa đồng bộ, và là quỹ đạo được những người khai thác hoạt
động của vệ tinh nhân tạo ưa thích (bao gồm các vệ tinh viễn th ng và truyền hình).
Các vị trí vệ tinh chỉ có thể khác nhau th o kinh độ.
Trang 88
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Ý tưởng về vệ tinh địa đồng bộ cho mục đích viễn th ng đã được Herman
Potocnik đưa ra lần đầu tiên năm 1928. Các quỹ đạo địa đồng bộ và địa tĩnh cũng đã
được Arthur C. Clarke, tác giả truyện khoa học viễn tưởng phổ biến lần đầu tiên năm
1945 như là các quỹ đạo có ích cho các vệ tinh viễn th ng. Do đó, đ i khi các quỹ đạo
này còn được nói đến như là các quỹ đạo Clark . Tương tự, "vành đai Clark " là một
phần của khoảng kh ng vũ trụ nằm phía trên mực nước biển trung bình khoảng 35.786
km trong mặt phẳng xích đạo, trong đó các quỹ đạo gần-địa tĩnh có thể đạt được.
Các quỹ đạo địa tĩnh là hữu ích do chúng làm cho vệ tinh dường như là tĩnh đối
với điểm cố định nào đó trên Trái Đất. Kết quả là các ăng t n có thể hướng tới th o
một phương cố định mà vẫn duy trì được kết nối với vệ tinh. Vệ tinh quay trên quỹ đạo
th o hướng tự quay của Trái Đất ở độ cao khoảng 35.786 km (22.240 dặm) phía trên
mặt đất. Độ cao này là đáng chú ý do nó tạo ra chu kỳ quỹ đạo bằng với chu kỳ tự
quay của Trái Đất, còn được biết đến như là ngày thiên văn.
Các quỹ đạo địa tĩnh chỉ có thể đạt được rất gần với vòng 35.786 km phía trên
xích đạo. Các vệ tinh quỹ đạo địa đồng bộ tròn khác (nếu có) sẽ cắt ngang quỹ đạo địa
tĩnh và có thể xảy ra va chạm với các vệ tinh địa tĩnh này. Trên thực tế điều này có
nghĩa là tất cả các vệ tinh địa tĩnh cần phải tồn tại trên vòng tròn này, nó đặt ra các vấn
đề như phải ngừng hoạt động của các vệ tinh vào cuối chu kỳ hoạt động của nó (ví dụ
như khi chúng hết lực đẩy).
Quỹ đạo chuyển tiếp địa tĩnh được sử dụng để chuyển vệ tinh từ quỹ đạo gần
Trái Đất vào quỹ đạo địa tĩnh.
Hệ thống toàn thế giới các vệ tinh địa tĩnh đang hoạt động được sử dụng bởi các
vệ tinh khí tượng để cung cấp các hình ảnh bằng ánh sáng thường và hồng ngoại về bề
mặt và bầu khí quyển Trái Đất.
3.4.3.2. Quỹ đạo trái đất thấp.
Vệ tinh quỹ đạo trái đất thấp (Low Earth Orbit hay là LEO) có quỹ đạo tròn
điển hình cao 400 km so với bề mặt trái đất và tương ứng với chu kỳ (thời gian quay
quanh trái đất) là khoảng 90 phút. Vì độ cao thấp của nó, những vệ tinh này chỉ có thể
nhìn thấy trong vòng bán kinh 1000 km từ điểm chiếu xuống của vệ tinh. Thêm nữa,
những vệ tinh thấp thay đổi vị trí của chúng so với bề mặt trái đất rất nhanh. Vì vậy
cho một ứng dụng tại một nơi, cần số lượng lớn các vệ tinh này trong để kết nối kh ng
bị ngắt quãng. Việc phóng LEO kh ng đắt bằng phóng vệ tinh địa tĩnh, và vì ở gần
mặt đất nên kh ng đòi hỏi tín hiệu có cường độ lớn (nhớ rằng cường độ tín hiệu giảm
tỉ lệ với bình phương khoảng cách). Do vậy có một sự trao đổi giữa số các vệ tinh và
giá cả. Một nhóm các vệ tinh làm việc nhịp nhàng được gọi là một chòm vệ tinh.
Trang 89
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Hai chòm vệ tinh dự kiến sẽ cung cấp dịch vụ điện thoại vệ tinh, trực tiếp đến
nơi xa là hệ thống vệ tinh Iridium và Globarsatr. Hệ thống Iridium có 66 vệ tinh.
Chòm vệ tinh khác tên là T l d sic, đứng sau là chủ hãng Microsoft Paul ll n có trên
840 vệ tinh. Chòm này sau này được giảm xuống còn 288 vệ tinh và đến cuối cùng kết
thúc chỉ có một vệ tinh thử nghiệm được phóng. Người ta còn có khả năng yêu cầu
gián đoạn việc đưa tin, sử dụng một vệ tinh quỹ đạo thấp của việc lưu dữ liệu nhận
được trong khi đi ngang qua một phần của trái đất và chuyển nó muộn hơn trong khi
nó sang phần kia của trái đất. Đó là hệ thống C SC DE của C SSIOPE Canada. Một
hệ thống khác sử dụng phương pháp này là Orbcomm.
3.4.3.3. Quỹ đạo Molniya.
Như đã nói, vệ tinh địa tĩnh được đặt để hoạt động trên đường xích đạo. Hệ quả
là kh ng phải lúc nào nó cũng thích hợp để cung cấp các dịch vụ ở các vĩ độ cao, vệ
tinh địa tĩnh sẽ xuất hiện thấp ở các đường chân trời, ảnh hưởng đến khả năng kết nối
và là nguyên nhân của hiện tượng giao thoa gây nhiễu ( do giao thoa của sóng tới và
sóng phản xạ từ mặt đất vào ăng-t n). Vệ tinh đầu tiên của họ vệ tinh Molniya được
phóng vào 23 tháng 4 năm 1965 và được sử dụng để thí nghiệm truyền sóng TV đường
dài từ Moscow đến một trạm thu tại Sib ria và vùng viễn đ ng của Nga như Norilsk,
Khabarovsk, Magada, Vladivostok. Tháng 11 năm 1967 các kỹ sư S Viết tạo ra hệ
thống duy nhất của mạng TV quốc gia gọi là vệ tinh Orbita. Đó chính là cơ sở của vệ
tinh Molniya.
Quỹ đạo Molniya có thể là một sự thay thế trong những trường hợp đó. Quỹ
đạo Molniya có độ nghiêng cao, đảm bảo được độ cao (độ cao của vệ tinh so với
đường chân trời. Một vệ tinh có độ cao bằng kh ng tức là nằm trên đường chân trời,
nếu có độ cao là 90 độ tức là thẳng đứng trên đầu.) tốt trên những điểm được chọn
trong cả phần cực bắc của quỹ đạo.
Xa hơn nữa, Quỹ đạo Molniya được thiết kế để vệ tinh di chuyển phần lớn thời
gian của nó trên những vĩ tuyến bắc xa, trong khi đó đường chiếu xuống đất của quỹ
đạo chỉ di chuyển nhỏ. Chu kỳ của nó là một nửa ngày, vì vậy vệ tinh có mặt cho mỗi
nhiệm vụ trên một vùng 8 h mỗi vòng. Th o cách này, một chòm 3 vệ tinh Molniya (cả
dự phòng) có thể cung cấp độ phủ sóng kh ng bị ngắt quãng. Vệ tinh Molniya được sử
dụng điển hình cho điện thoại và các dịch vụ TV xuyên Nga. Một chức năng khác là
sử dụng chúng cho hệ thống radio di động ( cả khi ở vĩ độ thấp) từ khi mà những chiếc
x đi xuyên qua các vùng thành phố cần truy cập tới vệ tinh ở độ cao lớn nhằm mục
đích đảm bảo khả năng kết nối ( ví dụ khi ở dưới các tòa nhà cao).
Trang 90
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
3.4.4. Phân loại vệ tinh nhân tạo.
Có nhiều loại vệ tinh nhân tạo dựa vào c ng dụng của nó có thể chia thành các loại
vệ tinh sau:
-
-
-
-
-
-
-
Vệ tinh vũ trụ là các vệ tinh được dùng để quan sát các hành tinh xa xôi, các
thiên hà và các vật thể ngoài vũ trụ khác.
Vệ tinh thông tin là các vệ tinh nhân tạo nằm trong không gian dùng cho các
mục đích viễn thông sử dụng sóng radio ở tần số vi ba. Đa số các vệ tinh truyền
thông sử dụng các quỹ đạo đồng bộ hay các quỹ đạo địa tĩnh, mặc dù các hệ
thống gần đây sử dụng các vệ tinh tại quỹ đạo Trái Đất tầm thấp.
Vệ tinh quan sát Trái Đất là các vệ tinh được thiết kế đặc biệt để quan sát Trái
Đất từ quỹ đạo, tương tự như các vệ tinh trinh sát nhưng được dùng cho các
mục đích phi quân sự như kiểm tra m i trường, thời tiết, lập bản đồ, vân vân.
(Xem thêm Hệ thống quan sát Trái Đất.)
Vệ tinh hoa tiêu (navigation satellite) là các vệ tinh sử dụng các tín hiệu radio
được truyền đi th o đúng chu kỳ cho phép các bộ thu sóng di động trên mặt đất
xác định chính xác được vị trí của chúng. Sự quang đãng (không có vật cản)
của đường truyền và thu tín hiệu giữa vệ tinh (nguồn phát) và máy thu trên mặt
đất tích hợp với những cải tiến mới về điện tử học cho phép hệ thống vệ tinh
hoa tiêu đo đạc khoảng cách với độ chính xác khoảng một vài mét.
Vệ tinh tiêu diệt / Vũ khí chống vệ tinh là các vệ tinh được thiết kế để tiêu diệt
các vệ tinh "đối phương", các vũ khí và các mục tiêu bay trên quỹ đạo khác.
Một số vệ tinh này được trang bị đạn động lực, một số khác sử dụng năng lượng
và/hay các vũ khí hạt nhân để phá huỷ các vệ tinh… Cả Hoa Kỳ và Liên bang
Xô viết đều có các vệ tinh này. Các đường dẫn bàn luận về các "Vệ tinh tiêu
diệt", ASATS (Vệ tinh chống vệ tinh) gồm USSR Tests ASAT weapon và
ASAT Test. Xem thêm IMINT.
Vệ tinh trinh sát là những vệ tinh quan sát Trái Đất hay vệ tinh truyền thông
được triển khai cho các ứng dụng quân sự hay tình báo. Chúng ta hiện không
biết nhiều về năng lực thực sự của các vệ tinh này vì các chính phủ điều hành
chúng thường giữ tuyệt đối bí mật về thông tin cho các vệ tinh loại này.
Vệ tinh năng lượng Mặt trời là các vệ tinh được đề xuất là sẽ bay trên quỹ đạo
Trái Đất tầm cao sử dụng cách truyền năng lượng viba để chiếu năng lượng mặt
trời tới những anten cực lớn trên mặt đất, nơi nó có thể được dùng để thay thế
cho những nguồn năng lượng quy ước thông thường.
Trạm vũ trụ là các cơ cấu do con người chế tạo, được thiết kế để con người
sống được trong vũ trụ. Một trạm vũ trụ được phân biệt với những tàu vũ trụ ở
điểm nó không có động cơ đây chính là các thiết bị hạ cánh — thay vào đó,
người ta dùng các tàu con thoi để vận chuyển lên và xuống trạm. Các trạm vũ
trụ được thiết kế để có thể duy trì sự sống trong một khoảng thời gian trung
Trang 91
Luận văn tốt nghiệp ĐH
-
-
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
bình trên quỹ đạo, các khoảng thời gian có thể là tuần, tháng, hay thậm chí là
năm.
Vệ tinh thời tiết là các vệ tinh có mục đích chính là để quan sát thời tiết và khí
hậu của Trái Đất.
Vệ tinh thu nhỏ là các vệ tinh có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn th ng
thường. Những tiêu chí xếp hạng mới để đánh giá các vệ tinh đó: tiểu vệ tinh
(500–200 kg), vệ tinh siêu nhỏ (dưới 200 kg), vệ tinh cỡ nano (dưới 10 kg), vệ
tinh cỡ pico (dưới 1 kg) và vệ tinh cỡ f mto (dưới 100 g).
Vệ tinh sinh học là các vệ tinh có mang các tổ chức sinh vật sống, nói chung là
cho mục đích thực nghiệm khoa học.
3.4.5. Ứng dụng của vệ tinh.
3.4.5.1. Điện thoại.
Ứng dụng lịch sử đầu tiên và quan trọng nhất cho liên lạc vệ tinh là điện thoại
xuyên lục địa. Mạng lưới điện thoại cố định c ng cộng tiếp âm những cuộc gọi từ
đường dây dưới đất lên trạm trên kh ng, nơi mà sau đó được chuyển đến vệ tinh địa
tĩnh. Đường xuống là một đường analog. Sự cải tiến trong liên lạc bằng dây dưới biển,
qua đó việc sử dụng sợi cáp quang, là nguyên nhân của một vài sự suy giảm trong việc
sử dụng vệ tinh cho điện thoại cố định trong thế kỷ 20, nhưng chúng vẫn phục vụ
những đảo xa như đảo sc nsion, Saint H l na, Di go Gảcia, và East r Island, nơi mà
viễn th ng chưa có nhiều, ví dụ như vùng rộng lớn của nam Mĩ, châu Phi, Canada,
Trung Quốc, Nga, và ustralia. Liên lạc vệ tinh còn cung cấp sự kết nối cho rìa của
Antarctica và Greenland.
Điện thoại vệ tinh kết nối trực tiếp đến một chòm của vệ tinh địa tĩnh hoặc vệ
tinh quỹ đạo thấp. Cuộc gọi được chuyển đến cổng vệ tinh viễn th ng kết nối được với
mạng điện thoại c ng cộng.
3.4.5.2. Truyền hình vệ tinh.
Ti vi trở thành thị trường chính, nhu cầu của nó cho sự phát triển, đồng thời
tương đối ít tín hiệu băng th ng rộng đến rất nhiều các máy thu trở nên chính xác hơn
với năng lực của vệ tinh địa tĩnh. Hai kiểu vệ tinh được sử dụng cho truyền hìnhvà
radio bắc Mĩ là vệ tinh truyền phát trực tiếp (Dir ct Broadcast Satllit DBS) và vệ tinh
dịch vụ cố định ( Fix d S rvic Sat llit FSS).
Định nghĩa của vệ tinh FFS và DBS bên ngoài bắc Mĩ, đặc biệt là ở châu Âu
còn mơ hồ. Hầu hết các vệ tinh được sử dụng trực tiếp đến ti vi gia đình ở châu Âu có
cùng c ng suất phát ra như lớp vệ tinh DBS ở bắc Mĩ, nhưng sử dụng cùng sự phân
Trang 92
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
cực tuyến tính như lớp vệ tinh FFS. Ví dụ những vệ tinh SÉ Átra, Eut lsat, và Hotbird
nằm trên quỹ đạo trên lục địa châu Âu. Bởi vậy, khái niệm FFS và DBS được sử dụng
ở khắp lục địa bắc Mĩ mà nhưng kh ng qu n thuộc ở châu Âu.
3.4.5.3. Vệ tinh dịch vụ cố định.
Vệ tinh dịch vụ cố định sử dụng dãy sóng C và phần thấp của dãy K. Chúng
được sử dụng để cung cấp tin tức truyền hình đến và từ mạng ti vi và các trạm liên kết
địa phương ( như chương trình cung cấp cho mạng truyền hình và các kênh), phát sóng
trực tiếp, gián tiếp, cũng như được sử dụng cho đào tạo từ xa ở bởi nhà trường và
trường đại học, ti vi thương mại, BTV, hội thảo vid o, các viễn th ng qảng cáo bình
thường. Vệ tinh FFS còn được sử dụng để phát kênh cáp quang quốc gia.
Các kênh ti vi vệ tinh miễn phí còn phát trên vệ tinh FFS ở dãy K. Các vệ tinh
Intersat Americas 5, Galaxy 10R, và MC 3 trên lục địa bắc Mĩ còn cung cất một
lượng lớn các kênh miễn phí ở giải tần K.
3.4.5.4. Vệ tinh phát sóng trực tiếp.
Một vệ tinh phát sóng trực tiếp là một vệ tinh liên lạc mà truyền đến đĩa vệ tinh
DSB nhỏ (thường là 18 đến 24 inches hay 45 to 60 cm in diam t r). Vệ tinh phát trực
tiếp thường hoạt động ở phần trên của vi sóng dãy Ku. C ng nghệ DBS được sử dụng
cho dịch vụ vệ tinh định hướng DTH (Dir ct To Hom ), như truyền hình trực tiếp,
mạng ăng t n chảo ở Mĩ, B ll TV và Shaw Dierct ở Canada, Fr sat và Sky Digital ở
nh, cộng hòa Ir land, N w Z aland.
Hoạt động ở dải tần thấp hơn và c ng suất thấp hơn DBS, Vệ tinh FFS đòi hỏi
nhiều chảo lớn hơn để nhận tín hiệu (đường kính thường là 3 đến 8 feet (1 đến 2.5m),
và12 f t (3.6m) hoặc lớn hơn cho giải C) Chúng sử dụng phân cực tuyến tính cho mỗi
hệ thống bộ tách sóng RF ( trái với phân cực tròn sử dụng bởi vệ tinh DSB), nhưng đó
là sự khác nhau kh ng đáng kể và người dùng kh ng để ý tới. C ng nghệ vệ tinh FSS
còn được sử dụng từ đầu cho TV vệ tinh DTH từ cuối những năm 1970 đến đầu những
năm 1990 ở Mĩ dưới dạng máy thu TVRO ( T l Vision R c iv Only) và chảo. Nó
còn được sử dụng ở dải tần Ku.
3.4.5.5. Công nghệ vệ tinh di động.
Một số nhà sản xuất giới thiệu những ăng t n đặc biệt cho việc thu ti vi DBS di
động. Sử dụng c ng nghệ GPS như là một sự tham khảo, những ăng t n này tự động
nhắm tới vệ tinh kh ng quan trọng nó ở đâu và được gắn trên phương tiện nào. Những
ăngt n vệ tinh di động này được phổ biến với một số phương tiện giải trí. Ăngten di
Trang 93
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
động DBS còn được sử dụng bởi J tBlu irlin cho truyền hình trực tiếp, mà hành
khách có thể x m trên màn hình LCD trên khoang được gắn với ghế ngồi.
3.4.5.6. Radio vệ tinh.
Radio vệ tinh mang đến dịch vụ âm thanh cho một số quốc gia, đáng chú ý là
Mĩ. Dịch vụ di động cho phép người ngh bắt sóng trên đất liền, ngh cùng một
chương trình ở bất kỳ đâu.
Radio vệ tinh hay SR (Subscription Radio) là tín hiệu radio kỹ thuật số mà được
phát bởi sự liên lạc vệ tinh, có thể bao phủ một vùng rộng lớn hơn rất nhiều so với tín
hiệu radio trên mặt đất.
Radio vệ tinh cung cấp sự thay thế đầy ý nghĩa cho dịch radio mặt đất trên một
số quốc gia, đáng chú ý là Mĩ. Dịch vụ di động như Sirius, XM, và Worldspac , cho
phép người ngh bắt sóng qua cả lục địa, ngh cùng chương trình phát thanh bất kỳ
đâu họ tới. Trong mọi trường hợp ant n phải có một tầm nhìn th ng thoáng tới vệ tinh.
Trên các vùng mà có nhà cao, cầu, hay gara t tín hiệu bị ch khuất, thiết bị nhắc có
thể đặt lại để làm cho có tín hiệu tới người ngh .
Dịch vụ radio thường được cung cấp bằng những dự án và trên cơ sở khuyên
góp. Một vài dịch vụ khác sở hữu độc quyền tín hiệu, yêu cầu phần cứng đặc biệt để
giải mã và chơi. Nhà cung cấp thường mang đến những th ng tin đa dạng , thời tiết,
thể thao, kênh ca nhạc, cùng với kênh ca nhạc bình dân được miễn phí do quảng cáo.
Trong những vùng mật độ dân số cao phát sóng mặt đất sẽ dễ hơn và rẻ hơn để
tiếp cận phần lớn dân số. Vì vậy ở một số quốc gia cuộc cách mạng của dịch vụ radio
tập trung vào phát sóng âm thanh kĩ thuật số D B (Digital udio Broadcasting) hay
HD radio hơn là radio vệ tinh.
3.4.5.7. Radio nghiệp dư.
Những nhà hoạt động radio nghiệp dư phải truy cập tới những vệ tinh OSC R
được thiết kế đặc biệt để mang sự truyền phát của radio nghiệp dư. Hầu hết các vệ tinh
như thế hoạt động như là những thiết bị nhắc kh ng gian, và thường được truy nhập
những người nghiệp dư được trang bị bằng thiết bị radio siêu cao tần UHF (Ultra High
Fr qu ncy) hoặc VHF và ăng t n định hướng cao như ăng t n Yagi, hay ăng t n chảo.
Vì chi phí phóng, hầu hết những vệ tinh kh ng chuyên được phóng ở những quỹ đạo
trái đất thấp, và được thiết kế để phân phối một số lượng có hạn các liên lạc trong một
thời gian cho trước nào đó. Một số vệ tinh còn cung cấp dịch vụ chuyển dữ liệu sử
dụng X.25 hay các giao thức tương tự.
Trang 94
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
3.4.5.8. Vệ tinh Internet
Sau những năm 1990, kỹ thuật th ng tin vệ tinh đã được sử dụng như là tiềm
lực để kết nối int rn t th ng qua giải truyền kết nối dữ liệu. Điều này có thể rất hữu
ích cho người dùng ở những nơi rất xa và kh ng thể truy cập được đường truyền băng
th ng rộng.
3.4.5.9. Ứng dụng trong quân đội.
Liên lạc vệ tinh được sử dụng trong các ứng dụng th ng tin liên lạc quân đội,
như “hệ thống chỉ huy và điều khiển toàn cầu” (Global command and control syst ms).
Một số ví dụ về hệ thống sử dụng liên lạc vệ tinh trong quân đội như : MILSTAR,
DSCS, FLTS TCOM của quân đội Mĩ, những vệ tinh N TO, những vệ tinh của nh,
những vệ tinh của liên bang S Viết. Rất nhiều các vệ tinh quân sự hoạt động ở dãy X,
và một số còn sử dụng sóng radio UHF, trong khi đó MILST R còn tận dụng giải Ka.
3.4.5.10. Dẫn đường.
Một trong những ứng dụng l i cuốn của vệ tinh là hệ thống định vị toàn cầu
GPS (Global Positioning Syst m). Nó là ứng dụng trực tiếp cho dẫn đường. Có một
mạng lưới 24 đến 32 vệ tinh trong quỹ đạo trung bình trái đất quay đều vòng quanh
trái đất trong những đường bay chồng chéo lên nhau cho mục đích này. Chúng sử
dụng vi sóng tần số khoảng 1,57542 GHz và 1,2276 GHz . Máy thu trên trái đất nhận
lấy tín hiệu từ 4 vệ tinh đồng thời. Máy thu sử dụng bộ vi sử lý tính toán và hiển thị
chính xác vị trí th o dạng kinh độ và vĩ độ.
3.4.6. Lịch sử phát triển.
3.4.6.1. Vệ tinh nhân tạo đầu tiên.
Người đầu tiên đã nghĩ ra vệ tinh nhân tạo dùng cho truyền th ng là nhà viết
truyện khoa học giả tưởng Arthur C. Clarke vào năm 1945. Ông đã nghiên cứu về cách
phóng các vệ tinh này, quỹ đạo của chúng và nhiều khía cạnh khác cho việc thành lập
một hệ thống vệ tinh nhân tạo bao phủ thế giới. Ông cũng đề nghị 3 vệ tinh địa tĩnh
(geostationary) sẽ đủ để bao phủ viễn th ng cho toàn bộ Trái Đất.
Tuy nhiên, vệ tinh nhân tạo đầu tiên là Sputnik 1 được Liên bang X viết phóng
lên ngày 4 tháng 10 năm 1957.
3.4.6.2. Lịch sử ban đầu của chương trình vệ tinh nhân tạo Hoa Kỳ.
Tháng 5 năm 1946, Dự án R ND đưa ra bước khởi đầu cho Thiết kế ban đầu về
một Tàu vũ trụ Thực nghiệm bay quanh Trái Đất, "Một thiết bị vệ tinh với những c ng
Trang 95
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
cụ được chờ đợi sẽ làm một trong những c ng cụ khoa học mạnh mẽ nhất của thế kỷ
20. Thành c ng của tàu vũ trụ vệ tinh có thể mang lại những tiếng vang có thể so sánh
được với sự phát minh ra bom nguyên tử..."
Thời đại vũ trụ bắt đầu năm 1946, khi các nhà khoa học bắt đầu sử dụng các tên lửa
V-2 bắn được của Đức để đo lường tại tầng cao của khí quyển. Trước giai đoạn này,
các nhà khoa học đã sử dụng các khinh khí cầu có thể lên cao 30 km và các sóng radio
để nghiên cứu tầng điện ly. Từ 1946 đến 1952, nghiên cứu tầng cao của khí quyển Trái
Đất được tiến hành và sử dụng các tên lửa V-2. Điều này cho phép đo đạc áp lực, tỷ
trọng và nhiệt độ của khí quyển ở tầng cao 200 km.
Hoa Kỳ đã cân nhắc việc phóng các vệ tinh lên quỹ đạo từ năm 1945 dưới sự chỉ
huy của Văn phòng Hàng kh ng thuộc Hải quân Hoa Kỳ. Các dự án R ND của không
quân Hoa Kỳ cuối cùng đã cho phép dự án trên hoạt động, nhưng kh ng tin rằng vệ
tinh là một loại vũ khí quân sự tiềm tàng; mà họ chỉ coi nó là một c ng cụ khoa học,
chính trị và tuyên truyền. Năm 1954, Bộ trưởng bộ quốc phòng đã nói, "T i kh ng biết
đến một chương trình vệ tinh nào của Hoa Kỳ."
Dưới áp lực của Hội Tên lửa Hoa Kỳ, Quỹ Khoa học Quốc gia và Năm Địa vật lý
Thế giới, sự quan tâm của quân đội đã bắt đầu vào đầu năm 1955 khi Kh ng quân và
Hải quân Hoa Kỳ cùng làm việc về Dự án Tàu vũ trụ trong Quỹ đạo, liên quan tới việc
sử dụng tên lửa Jupit r C để phóng một vệ tinh nhỏ gọi là Explorer 1 vào ngày 31
tháng 1 năm 1958.
Ngày 29 tháng 7 năm 1955, Nhà trắng th ng báo rằng Hoa Kỳ dự định phóng các
vệ tinh vào mùa xuân năm 1958. Việc này sau này được gọi là Dự án Vanguard. Ngày
31 tháng 7, X Viết tuyên bố họ định phóng vệ tinh vào mùa hè năm 1957 và vào ngày
4 tháng 10 năm 1957 Sputnik I được phóng lên quỹ đạo, khởi đầu cuộc chạy đua vũ
trụ giữa hai quốc gia này.
Sau khi Thế Chiến Thứ Hai chấm dứt, khả năng của các loại bom bay V-1 và V-2
khiến cho các nhà khoa học nghĩ đến việc áp dụng phương tiện này vào việc khảo cứu
thượng tầng khí quyển. Tại Hoa Kỳ loại hỏa tiễn dùng cho khí tượng học có tên là
D acon, dài 4 mét, có thể lên cao hơn 20,000 mét, mang th o các dụng cụ đo áp suất,
nhiệt độ và độ ẩm của kh ng khí. Kế tiếp loại hỏa tiễn D acon là loại rob , dài 8
mét, dùng nhiên liệu lỏng và có thể lên cao tới 70 dậm.
Tuy được phóng lên thượng tầng khí quyển, các hỏa tiễn chỉ gặt hái được những
yếu tố trong một vài phút, thêm vào đó rất nhiều dụng cụ đo lường bị thất lạc vì rơi
xuống biển hay xuống các rừng núi. Các khuyết điểm này khiến cho các nhà khoa học
nghĩ đến việc dùng một vệ tinh lu n lu n bay chung quanh địa cầu và liên tục gửi về
các đài nhận đặt tại dưới đất những tín hiệu ghi nhận về tỉ trọng kh ng khí, tia vũ trụ,
từ trường, các bức xạ của mặt trời và các yếu tố khác về khí tượng cũng như về các
thiên thạch.
Vào năm 1954, Hội Nghị Quốc Tế Liên Hiệp Khoa Học quyết định rằng các
chương trình hỏa tiễn và vệ tinh sẽ được sử dụng trong Năm Địa Cầu Vật Lý Học (Th
Trang 96
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Int rnational G ophysical Y ar, 1957/58). Ngày 29 tháng 7 năm 1955, Hoa Kỳ tuyên
bố một chương trình phóng vệ tinh nhân tạo gọi là Dự Án Vanguard và dự án này có
mục đích phụng sự Khoa Học nói chung và cho Năm Địa Cầu Vật Lý Học nói riêng.
Vào ngày 01 tháng 7 năm 1957, tức là ngày đầu Năm Địa Cầu Vật Lý, Liên X tuyên
bố có thể phóng đi một vệ tinh nhân tạo trước Hoa Kỳ và lại có trọng lượng lớn hơn.
Nhưng giới khoa học đã kh ng quan tâm đến lời rêu rao đó và ph Tây Phương coi
đây là một lời tuyên truyền. Đến ngày 4 tháng 10 năm 1957, một tháng trước khi vệ
tinh Vanguard được sẵn sàng phóng đi, Liên X đã đặt vào quỹ đạo của trái đất vệ tinh
Sputnik I và mở đầu một kỷ nguyên mới: “Kỷ Nguyên Liên Hành Tinh”.
Việc thành c ng của Liên X trên lĩnh vực hỏa tiễn là một trái bom lớn phát nổ,
làm bàng hoàng Thế Giới Tự Do và cũng khiến người ta nghi ngờ đây là một sự gian
trá. Nhưng vệ tinh “Sputnik” (Mặt Trăng nhỏ) nặng 145 kil và có trọng lượng hữu ích
85.4 kil vẫn bay đều chung quanh trái đất mãi tới ngày 4 tháng 1 năm 1958.
Trong khi Thế Giới còn đang tranh luận về vệ tinh của Liên X thì Tiến Sĩ natol
. Blagonravov lại báo trước việc phóng hỏa tiễn có mang một vệ tinh thứ hai. Rồi vệ
tinh Sputnik II được đặt vào quỹ đạo của trái đất vào ngày 3 tháng 11 năm 1957.
Trong lần viếng thăm Hoa Kỳ, Tiến Sĩ Blagonravov còn trình bày sự quan trọng của
chiếc vệ tinh mới này. Đối với Sputnik II, mọi người kinh ngạc về trong lượng hữu ích
quá lớn: 508 kil và sự có mặt của một phi hành gia đầu tiên: Laika. Sau khi bay được
3,270 vòng chung quanh trái đất, vệ tinh Sputnik II rơi vào đêm h m 13 rạng ngày
14/4/1958 trong vùng Đại Tây Dương, giữa Nam Mỹ và châu Phi. Sự thành c ng của
Liên X trong lãnh vực hỏa tiễn làm tổn thương danh dự của Hoa Kỳ. Vì uy tín quốc
gia, người Mỹ quyết định lấy lại danh dự đã mất, dù với giá nào.
Ngày 6 tháng 12 năm 1957, sau 11 giờ kiểm soát tỉ mỉ, hỏa tiễn ba tầng mang vệ
tinh Vanguard lên khỏi mặt đất được một thước thì phát nổ, làm tiêu tan tất cả hy vọng
của Hoa Kỳ. Các kỹ thuật gia của Hải Quân phụ trách chương trình Vanguard lại bắt
tay vào việc phóng hỏa tiễn lần thứ hai. Ngày 22 tháng 1 năm 1958 hồi 21 giờ, lệnh
khai hỏa bắt đầu nhưng vì trở ngại kỹ thuật, c ng cuộc này phải hoãn tới ngày 24 rồi
ngày 25 để rồi lại bắt đầu vào ngày 26 và một tai nạn đã xẩy ra khiến người ta phải
thay thế tất cả tầng thứ hai của hỏa tiễn.
Vào thời gian này, kh ng phải là lúc chần chờ được nữa. Tại khắp nơi trên đất Hoa
Kỳ, nhiều người chỉ trích sự làm chậm chễ việc phóng vệ tinh Explor r I của Lục
Quân. Nguyên vào giai đoạn này, tại Hoa Kỳ với cùng chương trình hỏa tiễn, ba bộ
Hải Quân, Kh ng Quân và Lục Quân đều thi đua phụ trách một cách riêng rẽ. Trong
khi chờ đợi nhóm chuyên viên Hải Quân của Tiến Sĩ Hag n sẵn sàng, các chuyên viên
Bộ Lục Quân do Von Braun điều khiển cho biết có thể dùng hỏa tiễn 4 tầng Jupit r-C
cho việc đặt một vệ tinh vào quỹ đạo của trái đất. Ngày 31/1/1958 tại Mũi Can v ral
sau 8 giờ điều chỉnh, việc phóng vệ tinh Explor r I nặng tổng cộng 14 kil đã thành
c ng. Ngày 5/2/1958, lần phóng vệ tinh Vanguard lại gặp thất bại. Bộ Lục Quân được
Trang 97
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
phép phóng đi một vệ tinh Explor r khác vào ngày 5/3/1958 nhưng lần này, vệ tinh chỉ
đi được chừng 3,000 cây số rồi rơi xuống Đại Tây Dương
Các nhà hữu trách trong chương trình Vanguard làm việc kh ng ngừng để phục hận và
ngày 17/2/1958, vệ tinh Vanguard I có đường kính 15 cm đã bay đều chung quanh trái
đất. Mọi người Mỹ thở ra nhẹ nhàng và cảm thấy dễ chịu vì giữa Lục Quân và Hải
Quân Hoa Kỳ, cả hai bên đều được một điểm và giữa Liên X và Mỹ, mỗi ph đều có
2 vệ tinh bay quanh trái đất.
Ngày 5/3/1958, vệ tinh Explor r II được phóng đi nhưng kh ng thành c ng. Bộ
Lục Quân lại cho phép phóng tiếp vệ tinh Explor r III vào ngày 26/3, lần này kết quả
mỹ mãn, vệ tinh sống được 93 ngày. Bên Hải Quân, một vệ tinh Vanguard nặng 9.75
kil được phóng đi nhưng thất bại. Sự tranh đua giữa Hải Quân và Lục Quân đang
kịch liệt thì vào ngày 15/5/1958, Liên X phóng đi vệ tinh Sputnik III nặng 1,326 kil
và có 968 kil dụng cụ đo lường. Phía Hoa Kỳ phản ứng lại bằng 2 lần phóng vệ tinh
Vanguard nữa vào các ngày 27/5 và 26/6 nhưng cả hai đều gặp thất bại. Đúng một
tháng sau, Hoa Kỳ sửa chữa sự thua kém bằng vệ tinh Explor IV.
Vào thời bấy giờ, một loạt vệ tinh khác được chế tạo có tên là Pion r và sẽ được
phóng đi do hỏa tiễn Thor- bl của Bộ Kh ng Quân. Loại vệ tinh này có mục đích
dùng để thám hiểm mặt trăng. Hỏa tiễn đầu tiên được phóng đi vào ngày 17 tháng 8
năm 1958 nhưng sau khi lên cao được 15,000 cây số, hỏa tiễn đã phát nổ. Chiếc hỏa
tiễn thứ hai mang danh hiệu Pion r I được khai hỏa vào ngày 11 tháng 10 năm 1958,
đã lên cao được 71,000 dậm nhưng vì gia tốc còn kém nên hỏa tiễn đã rơi xuống Nam
Thái Bình Dương sau 43 giờ 17 phút rưỡi. Hỏa tiễn Pion r II lên cao được 1,000 dậm
vào ngày 8/11/1958 nhưng vì tầng trên kh ng khai hỏa được nên hỏa tiễn đã rơi xuống
Đại Tây Dương 42.5 phút sau khi cất cánh. Ngày 6/12/1958, Lục Quân Hoa Kỳ lại
phóng đi hỏa tiễn Pion r III, chiếc này đã lên cao được 66,654 dậm nhưng rồi rơi bốc
cháy trong lớp khí quyển trên Xích Đạo châu Phi.
Vào cuối năm 1958, phía Hoa Kỳ thắng điểm sau khi phóng nốt vệ tinh Scor vào
ngày 18/12 do hỏa tiễn tlas. Vệ tinh Scor đã truyền đi lời chúc mừng Hòa Bình của
Tổng Thống Hoa Kỳ Eis nhow r. Nhưng Thế Giới Tự Do kh ng vui được lâu thì vào
ngày 2/1/1959, Liên X phản ứng bằng vệ tinh Lunik I nặng 361 kil . Vệ tinh này đi
cách mặt trăng 4,600 dậm rồi bay quanh mặt trời nên trở thành hành tinh M chta. Hoa
Kỳ liền trả lời bằng một loạt phóng khác trong đó có thể kể đến sự thành c ng của các
vệ tinh Vanguard II ngày 17/2/1959, Discoverer I ngày 28/2, Pioneer IV ngày 3/3,
Discoverer II ngày 13/4, Explorer VI ngày 7/8, Discoverer V ngày 13/8 và Discoverer
VI ngày 19/8/1959.
Người ta kh ng biết rõ các lần thất bại của Liên X nhưng các thành tích ghi được
của Liên X cũng rất đáng kể chẳng hạn như vệ tinh Lunik II phóng đi vào ngày
12/9/1959 đã cho biết chung quanh mặt trăng kh ng có từ trường, rồi vào ngày 4/10,
vệ tinh Lunik III được phóng đi và đã gửi về trái đất hình ảnh mặt sau của mặt trăng
mà con người chưa từng nhìn thấy. Về phía Hoa Kỳ, tính tới cuối năm 1959, thêm 4 vệ
Trang 98
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
tinh đã được đặt vào quỹ đạo là Vanguard III, Explor r VII, Discov r r VII và
Discoverer VIII.
Ngày 11/3/1960, Hoa Kỳ thành c ng trong việc đặt vệ tinh Pion r V vào quỹ đạo
mặt trời, đây là một thành c ng đáng kể nhất về truyền tin vì các tín hiệu được truyền
đi từ 20 triệu dậm. Sau đó Hoa Kỳ lại có chương trình Rang r. Vệ tinh Rang r I được
phóng đi vào ngày 23/8/1961 và Rang r II khai hỏa vào ngày 18/11/1961 đã gặp thất
bại. Rang r III được dự trù phóng lên mặt trăng và vào ngày 16/1/1962, hỏa tiễn được
khai hỏa nhưng vì phần đẩy tlas đã cho tốc độ quá cao nên vệ tinh bay cách mặt
trăng 22,862 dậm để rồi đi vào quỹ đạo của mặt trời. Tới vệ tinh Rang r IV bắn đi vào
ngày 23/4/1962, tuy trúng mặt trăng nhưng các bộ phận khác bị hư hỏng. Ngày
18/10/1962, vệ tinh Rang r V được phóng lên, đã đi cách mặt trăng 450 dậm rồi bay
chung quanh mặt trời.
Về phía Liên X trong năm 1963, họ thử phóng vệ tinh tới mặt trăng 3 lần vào các
ngày 4/1, 5/2 và 2/4 nhưng cả ba lần này đều gặp thất bại trong khi đó Liên X và Hoa
Kỳ đều tìm cách phóng người lên kh ng gian.
Vệ tinh nhân tạo lớn nhất hiện bay quanh Trái Đất là Trạm vũ trụ quốc tế.
3.4.7. Các nước có khả năng phóng vệ tinh nhân tạo.
Danh sách này bao gồm những quốc gia có khả năng độc lập để tự phóng vệ tinh
lên quỹ đạo, gồm cả việc sản xuất ra khí cụ cần thiết để phóng. Nhiều nước khác cũng
có khả năng thiết kế hay chế tạo vệ tinh - việc này, nói chung, kh ng tốn nhiều tiền và
cũng kh ng đòi hỏi khả năng khoa học và kỹ thuật lớn – nhưng kh ng thể phóng
chúng lên, thay vào đó họ dùng các dịch vụ phóng vệ tinh của nước ngoài. Danh sách
này không nhắc tới các quốc gia đó mà chỉ liệt kê những nước có khả năng phóng vệ
tinh và ngày khả năng này lần đầu tiên được thể hiện.
Quốc gia
Năm phóng Vệ tinh đầu tiên
Liên bang X viết
1957
Sputnik 1
Hoa Kỳ
1958
Explorer 1
Canada
1962
Alouette 1
Pháp
1965
Astérix
Nhật
1970
Osumi
Trung Quốc
1970
Đông Phương Hồng I
Anh
1971
Prospero X-3
Liên minh Châu Âu 1979
Ariane 1
Ấn Độ
1980
Rohini
Israel
1988
Ofeq 1
Trang 99
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
Bảng 3.1: Các nước phóng vệ tinh đầu tiên.
Cả Bắc Triều Tiên và Iraq đã tuyên bố những vụ phóng vệ tinh lên quỹ đạo nhưng
điều này còn chưa được xác định. Na Uy đã phóng các vệ tinh trong nước và quốc tế
từ trung tâm vũ trụ của họ ở ndoya. Tới năm 2006, chỉ có tám quốc gia đã phóng các
vệ tinh lên quỹ đạo một cách độc lập với phương tiện phóng của chính họ chế tạo.
Th o thứ tự thời gian: Liên bang X viết, Hoa Kỳ, Pháp, Nhật Bản, Trung Quốc,
Anh, Ấn Độ và Israel. Khả năng phóng vệ tinh của nh và Pháp hiện được quy cho
Liên minh châu Âu, và khả năng của Liên bang X viết được chuyển cho Nga, làm
giảm số lượng những thực thể chính trị với khả năng phóng vệ tinh thực tế xuống còn
bảy cường quốc vũ trụ chính: Hoa Kỳ, Nga, Trung Quốc, Ấn Độ, Liên minh châu Âu,
Nhật Bản – và một cường quốc vũ trụ "nhỏ": Isra l. Nhiều quốc gia khác như Nam
Triều Tiên, Pakistan và Brasil đang ở giai đoạn đầu chương trình phát triển khả năng
phóng vệ tinh ở mức độ nhỏ của họ, và đang tìm cách trở thành các tiểu cường quốc vũ
trụ - các nước khác có thể có khả năng về khoa học và c ng nghệ, nhưng kh ng có khả
năng kinh tế hay kh ng có tham vọng về chính.
Trang 100
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
C. KẾT LUẬN
1. NHẬN ĐỊNH LẠI GIẢ THUYẾT - KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ
TÀI:
Sau một thời gian làm việc tích cực, cuối cùng đề tài đã được hoàn thành.
Sau đây chúng t i sẽ điểm lại những điều đã nghiên cứu được:
Trước hết là có cái nhìn tổng quan về điện từ học, cũng cố một số vấn đề cơ
bản về điện từ học, những đặc tính đặc trưng cũng như tính chất của đối tượng.
Vấn đề này đã được chúng t i trình bày đầy đủ trong phần 2, chương I.
Thứ hai là có thể nghiên cứu chi tiết lịch sử phát triển của điện từ học trong
các giai đoạn cụ thể. Nêu bật lên những thành tựu to lớn trong lĩnh vực điện từ
trong suốt quá trình phát triển của loài người.
Cuối cùng là bước đầu tìm hiểu các khái niệm cơ bản, những đặt trưng chủ
yếu của th ng tin vệ tinh như các mạng điện thoại thường dùng, xử lý tín hiệu
trên đường truyền, th ng tin về các vệ tinh cách phát thu tín hiệu… Hy vọng sẽ
đáp ứng sẽ đáp ứng được phần nào nhu cầu về kỹ thuật và chuyên m n.
2. NHỮNG KHÓ KHĂN KHI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI:
Trong quá trình nghiên cứu để thực hiện đề tài, chúng t i cũng đã khó
khăn là có những khái niệm mới, những mạch điện phức tạp đòi hỏi phải có đủ
kiến thức chuyên m n trong lĩnh vực điện tử viễn th ng mới hiểu rõ.
Cần hiểu thêm các khái niệm mới.
Những mạch điện phức tạp phục vụ cho việc nghiên cứu và giảng dạy của
cá nhân sau này.
3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI:
Sau khi hoàn thành luận văn và tốt nghiệp ra trường, chúng t i sẽ tiếp tục
nghiên cứu, khai thác thêm chi tiết những nguyên tắc cũng như cấu tạo của hệ
thống th ng tin liên lạc bằng sóng v tuyến đặt biệt là điện thoại di động. Nếu có
điều kiện, chúng t i sẽ liên hệ với Khoa C ng Nghệ để biết thêm về những vấn
đề thắc mắt.
Th ng tin liên lạc có vai trò cực kỳ quan trọng, kh ng thể thiếu được trong
đời sống hàng ngày. Do đó, khi trở thành người giáo viên Vật lý, chúng t i phải
có trách nhiệm làm cho Vật lý thực sự là m n học có ích cho sự phát triển của
xã hội.
Trang 101
Luận văn tốt nghiệp ĐH
GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn
SVTHV : Lê Thanh Tân
C. TÀI LIỆU THAM KHẢO.
[1]. Hồ Hữu Hậu, 2005-2006 - Giáo trình Điện động lực học - NXB Đại học Cần
Thơ.
[2]. Phạm Văn Tuấn - Giáo trình điện học - NXBĐại học Cần Thơ.
[3]. Lương Duyên Bình, Dư Chí C ng, Nguyễn Hữu Hồ, 2004 -Vật lý đại cương tập 2 - phần 1- NXBGD.
[4]. http://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90i%E1%BB%87n_t%E1%BB%AB
_h%E1%BB%8Dc.
[5]. http://www.hutech.edu.vn/khoacodientu/
[6]. www.thuvienvatly.com
[7]. www.violet.com.
[8]. www.physcics.us.edu
[9]. www.vi.wikipedia.org
[10]. www.tailieu.vn
Trang 102
[...]... 1.3.2.1 Sự từ hóa các chất, cảm ứng từ trong từ môi Một vật dẫn có dòng điện chạy qua được đặt trong một m i trường nào đó thì cảm ứng từ tại mỗi điểm trong m i trường đó khác với cảm ứng từ trong chân kh ng, tức là do tác dụng của từ trường của dòng điện thì m i trường đó bị biến đổi Ta nói rằng m i trường đó bị từ hóa hay bị nhiễm từ Các chất có khả năng bị từ hóa được gọi là từ m i hay vật liệu từ Ta... tổng hợp trong c ng thức trên là cảm ứng từ trung bình còn gọi là từ trường vĩ m trong thể tích đủ nhỏ của từ m i Giá trị trung bình của cảm ứng từ vi m trong thể tích từ m i chính bằng giá trị của cảm ứng từ vĩ m Căn cứ vào phương, chiều và độ lớn của v cto người ta phân từ m i thành 3 loại: - Chất thuận từ: cùng chiều với và có độ lớn rất nhỏ so với B0 Gồm các chất như: nh m v nfram, platin, xi,... có thể xác định từ trường của cả vật từ hóa sinh ra 1.3.2.3 Cường độ từ trường trong từ môi Trong tĩnh điện, khi xét điện trường trong điện m i, ngoài v cto cường độ điện trường chúng ta đưa thêm v cto điện dịch Trong từ học cũng có sự tương tự như thế Khi xét từ trường trong từ m i, ngoài véctơ cảm ứng từ vào véctơ cường độ từ trường chúng ta cũng đưa thêm được định nghĩa bởi c ng thức: Trang 30 Luận... có thứ nguyên Độ từ hóa của một chất phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của từ m i Thí nghiệm chứng tỏ rằng trong các chất thuận từ và nghịch từ, giá trị của nhỏ hơn 1 nhiều Đó là những chất từ tính yếu Đối với chất thuận từ thì , còn chất nghịch từ thì đối với chất sắt từ thì Ngoài ra cường độ từ hóa của chất sắt từ còn phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài Biểu diễn mối quan hệ giữa v cto cảm ứng. .. ứng từ trong từ m i: và v cto cường độ từ trường Trong đó được gọi là độ từ thẩm tương đối của một m i trường đối với chân kh ng thì được gọi là độ từ thẩm tuyệt đối của một m i trường Từ c ng thức trên ta thấy rằng trong m i trường đẳng hướng và đồng chất thì hai vecto và cùng phương cùng chiều 1.3.3 Thuận từ, nghịch từ, sắt từ 1.3.3.1 Thuận từ, nghịch từ "Nghịch" ở đây có thể hiểu là chống lại từ. .. tổng hợp các véctơ cảm ứng từ do tất cả các dòng điện gây ra tại điểm đó 1.1.2.6 Đường cảm ứng từ Trong từ trường, véctơ cảm ứng từ thay đổi th o vị trí, để có một hình ảnh khái quát nhưng cụ thể về từ trường, người ta đưa ra khái niệm về đường cảm ứng từ Đường cảm ứng từ là đường cong vạch ra trong từ trường sao cho tiếp tuyến tại mọi điểm của nó trùng với phương của véctơ cảm ứng từ tại những điểm ấy,... điện xuất hiện trong mạch thì có từ trường do dòng điện trong mạch tạo ra Vì thế buộc ta phải thừa nhận rằng biểu thức 1 2 LI chính là năng lượng 2 của từ trường 1.1.2.9 Mật độ năng lượng từ trường Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ rằng: năng lượng từ trường được phân bố trong khoảng kh ng gian của từ trường Như ta đã nói ở trên, từ trường trong ống dây thẳng và dài là từ trường đều và có thể coi là... từ m i chưa bị từ hóa, các m m n từ phân tử phân bố hỗn loạn, nên tác dụng từ của chúng triệt tiêu lẫn nhau Nếu đặt từ m i trong từ trường thì các m m n từ phân tử sắp xếp th o một trật tự xác định th o hướng của từ trường Vì vậy, một vật bị từ hóa tức là bên trong nó có một hệ thống dòng điện phân tử được định hướng toàn bộ, vật có m m n từ bằng tổng các m m n từ phân tử Cường độ từ trường trong từ. .. một vật vào từ trường, th o quy tắc cảm ứng điện từ, trong nội tại của nguyên tử sẽ sinh ra dòng cảm ứng th o quy tắc L nz, tức là dòng sinh ra sẽ có xu thế chống lại nguồn sinh ra nó (từ trường), và tạo ra một m m n từ phụ ngược với chiều của từ trường ngoài Đó là tính nghịch từ Chất nghịch từ là chất kh ng có m m n từ nguyên từ (tức là m m n từ sinh ra do các điện tử bù trừ lẫn nhau), vì thế khi... chuyển động, thông qua đó điện tích chuyển động này tác dụng lên điện tích chuyển động khác một lực từ 1.1.2.4 Véctơ từ trường Để nghiên cứu từ trường về phương diện tác dụng lực ta chúng ta vẫn xét sự tương tác giữa tác dụng lực của từ trường lên yếu tố dòng I dl khi nó được đặt trong từ trường và tại một điểm cụ thể trong kh ng gian Thay đổi giá trị cường độ dòng điện và đo lực từ tác dụng lên yếu
Ngày đăng: 12/10/2015, 16:59
Xem thêm: lịch sử phát triển điện, từ trong thế kỉ thứ xx và ứng dụng trong thông tin, lịch sử phát triển điện, từ trong thế kỉ thứ xx và ứng dụng trong thông tin
