Tài liệu lý thuyết sóng điện từ

Định nghĩa dao động điện từ: Sự biến thiên điều hoà theo thời gian của điện tích q của một bản tụ điện và cường độ dòng điện i hoặc cường độ điện trường Evà cảm ứng từ B trong mạch dao đ

Trường THPT Mỹ Đức A Tài liệu Ôn tập Phần Dao động điện từ - Sóng điện từ

TÀI LIỆU LÝ THUYẾT CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ

-CHỦ ĐỀ I DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ

I Mạch dao động :

- Gồm một tụ điện mắc nối tiếp với một cuộn cảm thành mạch kín

- Nếu r rất nhỏ ( 0): mạch dao động lí tưởng

II Dao động điện từ tự do trong mạch dao động

1 Định luật biến thiên điện tích và cường độ dòng điện trong một mạch dao động lí tưởng.

Sự biến thiên điện tích trên một

bản

Phương trình về dòng điện trong

mạch

Liên hệ

q = q0cos(t + ) i = - q0sin(t + ) = I0cos(t++ π/2) + Điện tích q của một bản tụ điện và cường độ

dòng điện i trong mạch dao động biến thiên điều hoà theo thời gian; i nhanh pha /2 so với q(I0 = Q0)

+ (q, i) biến thiên cùng chu kì T, cùng tần số f Nếu  = 0 thì q = q0cost  i = I0cos(t + π/2)

Hiệu điện thế giữa hai bản tụ u = U0cos(t + )

2 Định nghĩa dao động điện từ: Sự biến thiên điều hoà theo thời gian của điện tích q của một bản tụ điện và cường độ dòng

điện i (hoặc cường độ điện trường Evà cảm ứng từ B) trong mạch dao động được gọi là dao động điện từ tự do

3. Chu kì và tần số dao động riêng của mạch dao động( chu kì tần số của q và i)

  1

LC , 0

0

I

0

T

1 2

f

LC ,  2 00

I f Q

(Tần số góc, chu kì, tần số ) chỉ phụ thuộc vào đặc tính của mạch( là L và C), không phụ thuộc vào yếu tố ngoài (Q 0 , I 0 , v.v)

4 Năng lượng điện từ của mạch dao động

Năng lượng điện từ của mạch dao động bao gổm:

Năng lượng điện trường Wđ tập trung ở tụ điện Năng lượng từ trường Wt tập trung ở cuộn cảm

W đ =

C

Q

2

2

với q = Q0cost  Wđ = W0 cos2t W t =

2

2

Li với i = I0cos(t + π/2)  Wt = W0 sin2t

+ Wđ và Wt biến thiên tuần hoàn với cùng chu kì T’ =T/2 ( cùng tần số f’ = 2f) với T và f là chu kì và tần số của mạch dao động (chu kì tần số của q và i)

+ Trong mạch dao động có sự biến thiên tương hỗ giữa năng lượng điện trường và năng lượng từ trường: Khi Wđ tăng , thì Wt giảm (và ngược lại); phần Wđ tăng thêm bằng với phần Wt giảm đi ( và ngược lại)

+ Năng lượng điện từ W = W đ +W t =

2

2 0

CU =

C

Q

2

2

0 = = hằng số ( bảo toàn)

III Dao động điện từ tắt dần- dao động điện từ duy trì trong mạch dao động

1 Dao động điện từ tắt dần: Trong thực tế mạch LC có điện trở thuần mặt dù bé Trong quá trình dao động điện do hiệu ứng

Jun – Len-xơ mà năng lượng toàn phần ban đầu cung cấp cho mạch giảm dần theo thời gian, dẫn đến các biên độ dao động như điện tích, hiệu điện thế và cường độ dòng điện giảm

2 Dao động điện tự duy trì: Muốn có dao động điện từ không tắt dần ta có thể duy trì bằng cách cung cấp thêm năng lượng

cho mạch để bù vào phần năng lượng tiêu hao

3 Sự tương tự điện - cơ:

a Sự giống nhau về quy luật biến đổi thời gian:

Trường THPT Mỹ Đức A Tài liệu Ôn tập Phần Dao động điện từ - Sóng điện từ

x // + 2 x = 0 với:

 = m k

x = Acos( t + )

v = - A sin(t + )

W = 21kx221mv221kA2

q // + 2 q = 0 với:

 = LC1

q = Q 0 cos( t + )

i = - Q 0 sin(t + )

W =21 2 12 2 21 Q02

C Li q

b Sự tương tự giữa các đại lượng cơ và điện:

Đại lượng cơ Đại lượng điện

C

A x



q q



F = - kx = - m2x q 2

C 

CHỦ ĐỀ II SÓNG ĐIỆN TỪ

I ĐIỆN TỪ TRƯỜNG

1 Mối quan hệ giữa điện trường và từ trường (Các giả thuyết của Maxwell)

Từ trường biến thiên và điện trường xoáy Điện trường biến thiên và từ trường xoáy

Nội dung Nếu tại một nơi có từ trường biến thiên

theo thời gian thì tại nơi đó xuất hiện một điện trường xoáy.

Nếu tại một nơi có điện trường biến thiên theo thời gian thì tại nơi đó xuất hiện một từ trường xoáy

Đặc điểm của

đường sức

Điện trường xoáy có đường sức khép kín bao quanh đường sức từ

Đường sức của từ trường khép kín, bao quanh đường sức điện

Cơ sở phát hiện

hoặc cơ sở lập luận

Thí nghiệm cảm ứng điện từ của faradây

là cơ sở phát hiện ra điện trường xoáy

Sự xuất hiện từ trường của dòng điện dịch là cơ sở giúp ta khẳng định kết luận "Xung quanh một điện trường biến thiên xuất hiện một từ trường"

* Chú ý: Điện trường biến thiên theo thời gian tương ứng với một dòng điện gọi là dòng điện dịch

2 Dòng điện dẫn và dòng điện dịch

Bản chất Dòng chuyển dời có hướng của hạt mang

điện tự do

Do điện trường biến thiên sinh ra

Đặc điểm - Chạy bên trong vật dẫn

- Đường sức từ khép kín, bao quanh dòng điện dẫn

- Đo được cường độ dòng điện bằng ampe kế

- Chạy bên trong điện môi (trong tụ điện)

- Đường sức từ khép kín, bao quanh dòng điện dịch (bao quanh dường sức điện)

- Không đo được cường độ dòng điện bằng am pe kế

3 Điện từ trường

Trường THPT Mỹ Đức A Tài liệu Ôn tập Phần Dao động điện từ - Sóng điện từ

Điện tích

đứng yên tạo

ra ĐIỆN

TRƯỜNG

TĨNH

Điện tích dao động tạo ra ĐIỆN TRƯỜNG BIẾN THIÊN

Dòng điện không đổi tạo ra

TỪ TRƯỜNG KHÔNG ĐỔI

Dòng điện biến thiên tạo ra TỪ TRƯỜNG BIẾN THIÊN

+ Mỗi biến thiên theo thời gian của từ trường đều sinh

ra trong không gian xung quanh một điện trường xoáy biến thiên theo thời gian, và ngược lại, mỗi biến thiên theo thời gian của điện trường cũng sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian trong không gian xung quanh

+ Điện trường và từ trường không tồn tại riêng biệt chúng họp lại thành một trường duy nhất gọi là điện

từ trường + Từ trường biến thiên càng nhanh thì cường độ điện trường xoáy càng lớn và ngược lại

+ Điện từ trường không đứng yên mà lan truyền trong không gian với tốc độ ánh sáng

+ Những nơi có điện từ trường : Xung quang điện tích dao động; cuộn cảm và tụ điện trong mạch dao động đang hoạt động; tia lửa điện; Hồ quang điện; Xung quanh dây dẫn có dòng điện xoay chiều đi qua; êlectron trong đèn hình vô tuyến đến va chạm vào màn hình.V.V

Đường sức

điện : hở

Đường sức điện : khép kín

Đường sức từ : khép kín

Đường sức từ : khép kín

II SÓNG ĐIỆN TỪ

1 Định nghĩa sóng điện từ : Quá trình lan truyền trong không gian của điện từ trường biến thiên tuần hoàn theo thời gian là

một quá trình sóng, sóng đó được gọi là sóng điện từ

2 Đặc điểm của sóng điện từ

+ Sóng điện từ lan truyền trong mọi môi trường với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng trong môi trường đó

+ Sóng điện từ truyền được trong chân không với vận tốc c = 3.108(m/s), giữa bước sóng và tần số liên hệ theo công thức :

 = c f + Sóng điện từ mang năng lượng Mật độ năng lượng sóng điện từ tăng theo luỹ thừa bậc bốn của tần số sóng

+ Trong quá trình lan truyền sóng điện từ tại mỗi điểm trên phương truyền các véc tơ và vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng(tuân theo quy tắc nắm bàn tay phải – quy tắc đinh ốc) Sóng điện từ là sóng ngang

+ Sóng điện từ có đầy đủ các tính chất như sóng cơ học như : Phản xạ, khúc xạ, giao thoa, sóng dừng…

III THÔNG TIN BẰNG SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN.

1 Anten:

a Mạch dao động hở:

+ Trong mạch dao động kín LC điện trường biến thiên chủ yếu tập trung bên trong tụ điện và từ trường biến thiên chủ yếu tập trung bên trong cuộn cảm Mạch không có khả năng bức xạ sóng điện từ

+ Nếu các bản tụ lệch đi không còn song song nữa và các vòng dây của cuộn cảm xa nhau thì đường sức điện trường và đường sức từ vượt ra khỏi mạch đi vào không gian Mạch phát được sóng điện từ

+ Các bản tụ càng lệch thì khả năng phát sóng của mạch càng lớn Nếu các bản tụ lệch nhau một góc 1800 thì khả năng phát sóng của mạch là cực đại

+ Trong thực tế người ta dùng một dây dẫn dài, chính giữa có cuộn cảm, đầu trên để hở đầu dưới tiếp đất Hệ thống này gọi

là anten.

Trường THPT Mỹ Đức A Tài liệu Ôn tập Phần Dao động điện từ - Sóng điện từ

+ Anten phát: Trong các electrôn trong anten dao động dọc theo phương anten cũng với tần số f và anten bức xạ được sóng

điện từ cũng với tần số đó

+ Anten thu- mạch chọn sóng :

* Mắc anten thu với một mạch dao động LC, các electrôn trong anten dao động dọc theo anten với tất cả các tần số do các đài phát khác nhau truyền đến, khi đó trong mạch LC cũng xảy ra dao động điện từ với tất cả các tần số đó

* Chọn sóng : Để thu được sóng có tần số f của một đài nhất định, người ta điều chỉnh điện dung C của mạch LC nhằm thay

đổi tần số dao động riêng của mạch này để nó trùng với tần số đài muốn thu Khi đó trong mạch LC xảy ra cộng hưởng, và

dao động với tần số f trong mạch LC có biên độ lớn hơn hẳn các dao động có tần số khác Lúc này máy thu đã thực hiện được

sự chọn sóng

2 Nguyên tắc thông tin bằng vô tuyến điện:

- Micrô: là thiết bị biến đổi dao động âm (âm thanh) thành dao động âm tần (dao động điện có tần số bằng tần số âm).

- Loa: là thiết bị biến đổi dao động điện từ âm tần thành dao động âm(vai trò ngược với micro).

- Dao động điện từ âm tần có tần số trong khoảng từ vài chục đến 20.000Hz (chứa đựng những thông tin như âm thanh, hình ảnh) nhưng có tần số thấp(năng lượng thấp) không truyền được đi xa.

- Dao động điện từ cao tần (có tần số lớn từ 500kHz đến 900MHz)có năng lượng lớn có thể truyền đi xa, nhưng lại không chứa các thông tin âm thanh, hình ảnh.

- Giải quyết vấn đề trên: Người ta ‘gài’ (hay trộn)sóng điện từ âm tần vào sóng điện từ cao tần, nhờ sóng điện từ cao tần mang đi xa(sóng mang) Ở các máy thu thực hiện việc tách sóng âm tần ra khỏi sóng cao tần, để thu được tín hiệu âm thanh, hình ảnh.

a Ở máy phát:

(1): Micro: chuyển từ dao động âm thành dao động điện từ âm tần(có tần số bằng tần số âm)

(2): Phát sóng điện từ có tần số cao (cỡ MHz)

(3): Mạch biến điệu: Trộn dao động điện từ cao tần với dao động điện từ âm tần.

(4): Khuyếch đại dao động điện từ cao tần đã được biến điệu

(5): Anten phát: Tạo ra điện từ trường cao tần lan truyền trong không gian dưới dạng sóng điện từ

Cần biết:

+ Để trộn tín hiệu âm tần vào sóng điện từ cao tần, người ta tìm cách điều khiển một hoặc một vài thông số của sóng điện từ cao tần theo quy luật của tín hiệu âm tần mà người ta muốn truyền đi Qúa trình này gọi là quá trình biến điệu Có ba cách biến điệu đó là: biến điệu biên độ, tần số và biến điệu pha, trong đó hai cách đầu là phổ biến.

+ Biến điệu biên độ(Amplitude Modulation - AM): dùng cho sóng dài, trung và ngắn.

+ Biến điệu tần số (Frequency Modulation - FM): dùng cho sóng cực ngắn.

b Ở máy thu:

(1): Anten thu: Thu sóng điện từ cao tần biến điệu

(2): Mạch khuếch đại: Khuyếch đại dao động điện từ cao tần từ anten gởi tới

(3): Mạch tách sóng: Tách dao động điện từ âm tần ra khỏi dao động điện từ cao tần

(4): Mạch khuếch đại: Khuyếch đại dao động điện từ âm tần từ mạch tách sóng gửi đến

(5): Loa: Biến dao động điện thành dao động âm

3 Sự truyền sóng vô tuyến điện trên trái đất:

+ Sóng vô tuyến : Sóng điện từ có bước sóng từ vài mét đến vài km được dùng trong thông tin liên lạc.

+ Để thực hiện được thông tin liên lạc thì sóng điện từ phát ra từ đài phát phải đến được đài thu Hình dạng, tính chất vật lý của mặt đất, và trạng thái của khí quyển (tầng điện li) ảnh hưởng rất lớn đến sự lan truyền của sóng điện từ

+ Các dải sóng vô tuyến và mục đích thông tin:

2

1

5

Trường THPT Mỹ Đức A Tài liệu Ôn tập Phần Dao động điện từ - Sóng điện từ

Sóng dài ( > 1000m)

- Sóng dài ít bị nước hấp thụ nên dùng trong thông tin liên lạc dưới nước

- Bị phản xạ và hấp thụ ở tầng điện li và mặt đất

- Có khả năng đi vòng qua các vật cản trên mặt đất, nhưng có năng lượng thấp nên dùng trong thông tin liên lạc trên mặt đất trong phạm vi hẹp

Sóng trung ( = 100  1000m): - Bị phản xạ và hấp thụ mạnh ở tầng điện li và mặt đất Nhưng ban đêm và mùa đông tầng

điện li phản xạ tốt sóng trung nên ban đêm nghe đài bằng sóng trung rõ hơn

- Dùng trong thông tin liên lạc trên mặt đất

Sóng ngắn : (10  100)(m) - Bị phản xạ nhiều lần giữa tầng điện li và mặt đất và có năng lượng lớn nên có thể truyền

đi xa Ứng dụng trong lĩnh vực truyền thanh và truyền hình

Sóng cực ngắn :(  < 10)(m) - Sóng này có năng lượng lớn nhất, và không bị tầng điện li phản xạ và hấp thụ nên chúng

truyền thẳng

- Sóng này được ứng dụng trong vô tuyến truyền hình và thông tin vũ trụ

- Trong vô tuyến truyền hình để thông tin đi xa trên mặt đất thì người ta phải dùng các đài tiếp sóng trung gian trên mặt đất, hoặc trên các vệ tinh nhân tạo, để thu sóng của đài phát

và phát lại sóng này theo một hướng nhất định

4 Sự thu sóng điện từ ở máy thu.

- Ở lối vào của một máy thu sóng : có một ăng ten mắc phối hợp với một mạch LC có điện dung C biến thiên

- Hoạt động : Anten nhận được rất nhiều sóng có tần số khác nhau trong không gian của nhiều đài phát, các e trong anten dao động (cưỡng bức )theo tất cả các tần số đó Muốn thu được sóng có tần số f của một đài phát nào đó, người ta điều chỉnh C của mạch chọn sóng của máy thu, sao cho tần số riêng của mạch chọn sóng cũng bằng f Khi đó có hiện tượng cộng hưởng, và trong

mạch LC dao động với tần số f có biên độ lớn hơn hẳn các dao động khác Người ta nói rằng máy thu đã thực hiện sự chọn sóng.

CÁC DẠNG BÀI TẬP CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ

CHỦ ĐỀ I MẠCH DAO ĐỘNG - DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ

1 TẦN SỐ - CHU KÌ CỦA MẠCH LC

2 VIẾT CÁC BIỂU THỨC ĐIỆN TÍCH – DÒNG ĐIỆN – HIỆU ĐIỆN THẾ

3 NĂNG LƯỢNG ĐIỆN – TỪ TRƯỜNG

4 DÒNG ĐIỆN VÀ HIỆU ĐIỆN THẾ

5 CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG CHO MẠCH

Trường THPT Mỹ Đức A Tài liệu Ôn tập Phần Dao động điện từ - Sóng điện từ

7 SỰ TƯƠNG TỰ ĐIỆN – CƠ

CHỦ ĐỀ II ĐIỆN TỪ TRƯỜNG – SỰ THU - PHÁT SÓNG ĐIỆN TỪ

1 ĐIỆN TỪ TRƯỜNG

2 SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ TÍNH CHẤT

3 SÓNG VÔ TUYẾN – SỰ THU – PHÁT SÓNG VÔ TUYẾN

4 BƯỚC SÓNG CỦA MẠCH LC HỞ VÀ SỰ ĐIỀU CHỈNH MẠCH LC

5 MẠCH LC CÓ TỤ GHÉP

6 MẠCH LC CÓ TỤ XOAY

7 XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG L,C CỦA MẠCH LC

8 CÔNG SUẤT CẦN CUNG CẤP CHO MẠCH ĐỂ BÙ VÀO PHẦN HAO PHÍ DO TOẢ NHIỆT – MẠCH LC CÓ R

9 ỨNG DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ ĐO KHOẢNG CÁCH

10 ỨNG DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ ĐO VẬN TỐC RADA