Chương 1 TƯƠNG TÁC CỦA SÓNG VI BA VỚI VẬT LIỆU 1. Tán xạ và phản xạ sóng điện từ gây bởi vật liệu Tán xạ là quá trình làm phân tán năng lượng và phương truyền của sóng điện từ (EM-Electromagneti) khi lan truyền tới vật liệu. Một phần năng lượng của sóng điện từ sẽ bị phân tán (hoặc phản xạ) hoặc thay đổi hướng, pha, hoặc bước sóng so với sóng tới. Đó là kết quả của sự tương tác giữa sóng điện từ với các điện tử và ion trong vật liệu.
Trường tán xạ được định dạng bởi các tính chất của vật liệu như hệ số điện thẩm, từ thẩm, độ dẫn, kích thước, hình dạng của vật thể và tần số của sóng tới. Ở tần số vô tuyến, các kim loại hoạt động như một vật dẫn hoàn hảo và có rất nhiều các điện tử tự do, các điện tử này rất dễ dao động để cộng hưởng với tần số của sóng tới và tạo ra một sóng mới (sóng tán xạ) có cùng tần số và biên độ với sóng tới. Kim loại không những phản xạ tốt các sóng ánh sáng mà còn phản xạ rất tốt cả với những bức xạ vi ba. Có thể thấy rằng kim loại gần như không làm tiêu hao năng lượng của sóng tới và được coi như một vật phản xạ hoàn hảo các sóng vi ba.
Trong trường hợp vật liệu không dẫn điện, chúng không chứa các điện tử tự do nên sự dao động của các điện tử không được lan truyền từ nguyên tử này sang nguyên tử khác trong vật liệu. Tuy nhiên hiện tượng cộng hưởng vẫn có thể xảy ra khi sóng điện từ tương tác với mômen spin hoặc mômen lưỡng cực điện của các ion và nguyên tử trong vật liệu. Đây chính là cơ sở cho các hiện tượng tổn hao từ và tổn hao điện môi chủ yếu được khai thác trong các vật liệu hấp thụ sóng vi ba hiện nay. Sóng điện từ bị phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường có trở kháng khác nhau; các thông số của sóng điện từ có thể thu được bằng cách giải các phương trình Maxwell với điều kiện biên tại bề mặt.
Chỉ số khúc xạ có thể được xác định bằng biểu thức [5]: n= r r (1.1) 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong đó: r, r tương ứng với độ điện thẩm và từ thẩm tương đối, cả hai đại lượng này đều là số phức và có biểu thức như sau: r r 'i r ' ' (1.3) Trở kháng nội tại Z của vật liệu được xác định: Z (1.4) Lưu ý rằng, trong không gian tự do độ điện thẩm và từ thẩm tương đối có giá trị tương ứng là 0 = 8,85. Vì vậy, trở kháng nội tại của không gian tự do có thể tính được như sau: 0 Z 377 (1.5) 0 Một trong những cách để giảm thiểu phản xạ từ bề mặt, đó là xem xét các phương trình vật lý đặc trưng cho sự phản xạ. Có bốn điều kiện để cho kết quả phản xạ đạt giá trị tối thiểu. Phương trình cần quan tâm đầu tiên là phương trình biểu thị hệ số phản xạ tại tại bề mặt.6) 0 Z Z 0 Trong đó: là hệ số phản xạ và là giá trị đặc trưng của môi trường tới (môi trường tới bất kỳ hoặc không khí).
Giá trị đặc trưng của môi trường trong phương trình này có thể được thay thế bằng trở kháng nội tại Z = 1/. Hệ số phản xạ giảm về không khi = 0, hay nói cách khác các lớp vật liệu này phải có trở kháng đầu vào phù hợp với môi trường tới. Trong phép đo trong không gian tự do, trở kháng đầu vào của lớp vật liệu theo lý thuyết đường truyền được xác định bởi công thức sau: r 2fd Z Z0 .7) r c Vì vậy, một vật liệu có trở kháng đầu vào bằng Z Z0 = 377 Ω thì sẽ không phản xạ sóng vi ba nếu môi trường tới là môi trường không khí. Phương pháp phối 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hợp trở kháng lý tưởng có thể có được nếu độ từ thẩm và điện thẩm bằng nhau.
Đây chính là điều kiện thứ hai để có kết quả của sự phản xạ tối thiểu. Trong trường hợp này phương trình (1.6) được viết lại như sau: Z 1 Z0 (1.8) Z 1 Z0 Bình thường thì trở kháng nội tại sẽ là Z r (1.9) Z0 r 'i ' ' 'i ' ' Trong đó: r và r là các yếu tố đại diện cho thành phần 0 0 thực và ảo của độ điện thẩm và độ từ thẩm phức. Nếu môi trường tới là không gian tự do và không có phản xạ, thì khi đó ta có r = r. Có nghĩa là cả hai thành phần thực và ảo của độ từ thẩm và điện thẩm là bằng nhau, khi đó hệ số phản xạ bằng không.
Điều kiện thứ ba, đây là trường hợp đặc biệt vì mẫu hấp thụ được phủ lên đế là tấm kim loại, ta thấy có sự tổn hao sóng điện từ khi sóng truyền vào trong môi trường hấp thụ. Công suất tổn hao của sóng tỉ lệ với khoảng cách theo hàm số e-d. là hệ số tổn hao của vật liệu và có biểu thức như sau: 1 1 a 0 0 (a b ) sin tan 1 2 2 4 (1. Để có công suất tổn hao lớn trong khi độ dày nhỏ thì phải lớn, có nghĩa là ’, ’’, ’, ’’ phải lớn.
Cần lưu ý rằng điều kiện này phải phù hợp với điều kiện đầu tiên (phương trình 1. Ở đây giá trị của độ từ thẩm và điện thẩm lớn thì sẽ làm tăng khả năng khử phản xạ. Cuối cùng, để sóng phản xạ tại hai mặt của lớp vật liệu hấp thụ tự triệt tiêu lẫn nhau, thì pha của hai sóng phản xạ tại hai mặt của lớp vật liệu này phải lệch pha nhau là π. Điều này được biết đến như một điều kiện phối hợp pha hay điều kiện 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phối hợp một phần tư bước sóng.
Hiệu ứng này xảy ra khi độ dày mẫu thỏa mãn điều kiện: d (2n 1)c /( 4 f r r ) , n = 0, 1, 2, … 1. Các cơ chế hấp thụ sóng vi ba Trên thực tế thì bất kỳ một loại vật liệu nào cũng đều hấp thụ năng lượng của sóng điện từ khi truyền qua chúng. Các vật liệu có thể hấp thụ sóng điện từ theo nhiều cơ chế khác nhau tùy thuộc vào đặc tính của từng vật liệu. Trong thực tế, hầu hết các vật liệu hấp thụ sóng vi ba đều được thiết kế dựa trên ba cơ chế hấp thụ cơ bản: tổn hao xoáy, tổn hao điện môi và tổn hao từ.
- Tổn hao xoáy (còn gọi là dòng Foucault) là cơ chế hấp thụ cơ bản của các vật liệu dẫn điện. Điện trở của vật dẫn chính là yếu tố tổn hao và chuyển đổi năng lượng của dòng Foucault thành nhiệt năng. - Vật liệu điện môi hấp thụ sóng điện từ thông qua sự phân cực tần số cao của các dipole lưỡng cực điện. Do năng lượng sóng điện từ được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt, hiện tượng này được gọi là đốt nóng điện môi (dielectric heating).
Đây cũng chính là nguyên tắc hoạt động của lò vi sóng. - Hiện tượng đốt nóng từ (magnetic heating) cũng xảy ra khá tương tự với đốt nóng điện môi khi một vật liệu từ được đặt trong môi trường sóng vi ba: các mômen spin bị phân cực ở tần số cao, gây tổn hao và vì thế tỏa nhiệt. Cơ chế tổn hao điện môi Vật liệu điện môi được xác định là vật liệu cách điện và dễ bị phân cực khi đặt trong điện trường [13] và đây chính là nguồn gốc của tổn hao điện môi. Phân cực có thể xảy ra do sự quay lưỡng cực điện, dịch chuyển điện tử, ion hóa và các hiệu ứng nhiệt [16].
Quá trình quay của các lưỡng cực điện làm cho các nguyên tử và ion dao động, gây tổn hao và sinh nhiệt. Tuy nhiên, sự quay của lưỡng cực điện không phải thay đổi một cách tự do, mà nó cần phải thắng được lực ma sát, năng lượng sẽ bị tổn hao trong quá trình ma sát và va chạm giữa các phân tử. Nhiệt lượng tổng cộng được tạo ra bởi quá trình này liên quan trực tiếp đến khả năng liên kết của chính bản thân các phân tử và liên quan đến tần số của điện trường ngoài [12]. Ở 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vùng tần số rất cao, lưỡng cực không kịp định hướng theo điện trường bên ngoài, do đó hiệu ứng tổn hao và đốt nóng không xảy ra.
Hằng số điện môi () được định nghĩa là tỉ số giữa mật độ thông lượng điện (D) và cường độ điện trường (E): Hằng số điện môi chỉ ra khả năng phân cực của vật liệu theo cường độ điện trường.11) Hằng số điện môi tương đối (r) (thông thường đối với không gian tự do là 0 = 8,85.10-12 F/m) được định nghĩa: r = /0 (1.12) Một trong những thông số quan trọng của một chất điện môi là thời gian hồi phục () của các lưỡng cực điện. Hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra khi chu kỳ biến đổi của điện trường ngoài bằng với tần số hồi phục của lưỡng cực. Đối với chất điện môi đồng nhất, thời gian hồi phục bao gồm thời gian định hướng của lưỡng cực điện và đảo hướng lưỡng cực điện khi thay đổi hướng của điện trường ngoài [9]. Lưỡng cực điện Nguyên tử Điện tử Ion dẫn Vi ba Hồng ngoại f (GHz) Hình 1.
Hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số [11]. Hằng số điện môi đạt tới giới hạn khi tăng tần số. Vượt qua giới hạn ở tần số cao, hằng số điện môi gần như không thay đổi do các lưỡng cực điện rơi vào 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trạng thái đóng băng. Trong khi phần thực của hằng số điện môi phức (r’) đặc trưng cho mức độ khả năng lưu trữ năng lượng, phần ảo (r”) đại diện cho công suất tổn hao.
Tổn hao điện môi (tan) được xác định bằng tỉ số ’’/’, cho biết công suất tổn hao của năng lượng lưu trữ. Sự thay đổi phức tạp của tính chất điện môi được thấy trong đồ thị hằng số điện môi (hình 1. Tổn hao điện môi được gây ra bởi sự phân cực điện tử, phân cực nguyên tử, lưỡng cực và phân cực bề mặt. Phân cực điện tử Nguyên tử gồm các điện tử quay xung quanh hạt nhân.