Dao động điện từ

Tong hop ly thuyet chuong dao dong dien tu

DAO ĐNG ĐIN T I.Dao động điện từ trong mch LC 1.Mch dao động -Một cuộn cảm có độ tự cảm L mắc nối tiếp với tụ điện có điện dung C thành một mạch điện kín gọi là mạch dao động. *Nếu điện trở của mạch rất nhỏ, coi như bằng không thì mạch là mạch dao động lí tưởng. 2.Vai trò của cuộn cảm và tụ điện trong hot động mch -Tụ điện có nhiệm vụ tích điện cho mạch, sau đó nó phóng điện qua lại trong mạch nhiều lần tạo ra một dòng điện xoay chiều trong mạch. 3.Sự biến thiên điện tích và dòng điện trong mch  Điện tích trên một bản tụ biến thiên theo biểu thức q =q 0 cos(ωt + φ). với LC 1  .tần số góc  Cường độ dòng điện chạy trong mạch dao động biến thiên theo biểu thức  i = q’ = q 0 .ω.cos(ωt + φ + 2  ). i = I 0 cos(ωt + φ+ 2  ) Với I 0 = q 0 ω.  Điện áp trên tụ điện: u = C q = C q 0 cos(t + ) = U o cos(t + ). *Vậy “Điện tích q của một bản tụ điện và cường độ dòng điện i trong mch dao động biến thiên điều hoà theo thời gian; i sớm pha 2  so với q.” 4. Dao động điện từ tự do . - Dao động điện từ tự do: 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 E và cảm ứng từ B ) trong mạch dao động được gọi là dao động điện từ tự do. 5. Chu kì dao động riêng của mch dao động LC: Chu kì LCT 2 2     Tần số f = 1 2 LC II. Năng lượng điện từ trong mch dao động LC: + Năng lượng điện trường tập trung trong tụ điện: W C = 2 1 C q 2 = 2 1 2 0 q C cos 2 (t + ). + Năng lượng từ trường tập trung trong cuộn cảm: W L = 2 1 Li 2 = 2 1 L 2 q 2 0 sin 2 (t + ) = 2 1 2 0 q C sin 2 (t + ). Năng lượng điện trường và năng lượng từ trường biến thiên tuần hoàn với tần số góc ’ = 2 và chu kì T’ = 2 T . + Năng lượng điện từ trong mạch: L C W = W C + W L = 2 1 2 0 q C cos 2 (t + ) + 2 1 2 0 q C sin 2 (t + ) = 2 1 2 0 q C = 2 1 LI 2 0 = 2 1 CU 2 0 = hằng số. + Liên hệ giữa q 0 , I 0 và U 0 trong mạch dao động: q 0 = CU 0 = 0 I  = I 0 LC . III. Dao động điện từ tắt dần: + Nguyên nhân: Do mạch có R ≠ 0, do sự bức xạ sóng điện từ ra không gian. + Mạch dao động có điện trở thuần R  0 thì dao động sẽ tắt dần. Để duy trì dao động cần cung cấp cho mạch một năng lượng có công suất: 2 2 2 2 2 00 22 C U U RC I R R L     P + Nhiệt lượng tỏa ra: Q = W trước - W sau . IV. Dao động điện từ duy tr. Hệ t dao động : - Nguyên tắc duy trì: Phải b cho mạch dao động một năng lượng đng bằng năng lượng đ tiêu hao sau mi chu kì. - Để làm việc này ta dng một tranzito để điều khiển việc b năng lượng từ pin cho mạch dao động LC ăn nhp với từng chu kì dao động của mạch. - Dao động trong khung LC được duy trì n đnh với tần số riêng ω O của mạch. Người ta gọi đây là một hệ tự dao động. V. Dao động điện từ cưng bc : Nếu tạo ra trong mạch dao động RLC một suất điện động xoay chiều có tần số góc ω (khác với tần số góc ω 0 của mạch) thì trong mạch xuất hiện một dòng điện xoay chiều có tần số góc ω, tức là một dao động điện từ có tần số góc ω. Dao động điện từ này gọi là dao động điện từ cưng bức. VI. Hiện tưng cộng hưng điện từ : - Nếu tần số góc ω của suất điện động cưng bức bằng tần số dao động riêng của mạch LC thì tng trở Z của mạch sẽ nhỏ nhất và bằng điện trở thuần của mạch : Z min = R. - Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều (do đó biên độ của dao động điện từ) trong mạch sẽ lớn nhất. Đó là hiện tượng cộng hưởng điện từ. - Nếu điện trở thuần R của mạch rất nhỏ thì cực đại của biên độ dao động cộng hưởng sẽ rất lớn so với biên độ ở những điểm lân cận. Sự cộng hưởng này gọi là sự cộng hưởng nhọn. - Nếu điện trở thuần R của mạch rất lớn thì sự chênh lệch giữa biên độ dao động cộng hưởng với biên độ của các biên độ dao động điện từ cưng bức khác sẽ không lớn lắm. Sự cộng hưởng này gọi là sự cộng hưởng t. VII. S tương t giữa dao động cơ và dao động điện từ: Đại lưng cơ Đại lưng điện Dao động cơ Dao động điện x q x” +  2 x = 0 q” +  2 q = 0 v i k m   1 LC   m L x = Acos(t + ) q = q 0 cos(t + ) k 1 C v = x’ = -Asin(t + ) i = q’ = -q 0 sin(t + ) F u 2 2 2 () v Ax   2 2 2 0 () i qq   µ R W=W đ + W t W=W đ + W t W đ W t (W C ) W đ = 1 2 mv 2 W t = 1 2 Li 2 W t W đ (W L ) W t = 1 2 kx 2 W đ = 2 2 q C ĐIN T TRƯNG I.Liên hệ gia điện trường biến thiên và từ trường biến thiên: + Nếu tại một nơi có một từ trường biến thiên theo thời gian thì tại nơi đó xuất hiện một điện trường xoáy. Điện trường xoáy là điện trường có các đường sức là đường cong kín. + Nếu tại một nơi có điện trường biến thiên theo thời gian thì tại nơi đó xuất hiện một từ trường. Đường sức của từ trường luôn khép kín. Từ trường biến thiên và điện trường xoáy Điện trường biến thiên và từ trường xoáy + Xung quanh khoảng không gian có từ trường biến thiên xuất hiện điện trường xoáy + Xung quanh khoảng không gian có điện trường biến thiên xuất hiện từ trường xoáy Điện trường xoáy điện trường tĩnh Từ trường xoáy Từ trường tĩnh - Đường sức khép kín, bao xung quanh các đượng sức từ - Nguồn gốc: từ trường biến thiên - Đường sức không kín, ra dương vào âm - Nguồn gốc: tồn tại xung quanh điện tích - Đường sức luôn khép kín, bao xung quanh các đượng sức điện - Nguồn gốc: điện trường biến thiên - Đường sức khép kín hoặc vô hạn - Nguồn gốc: sinh ra xung quanh điện tích chuyển động + Chiều đường sức điện trường xoáy: Chiều của đường sức điện trường xoáy E xác đnh giống chiều của dòng điện cảm ứng + Chiều đường sức từ trường xoáy: - Tụ nạp điện dòng tới bản dương, điện trường tăng; Tụ phóng điện dòng tới bản âm và điện trường giảm - Chiều của từ trường xoáy B tuân theo quy tác nắm bàn tay phải với chiều của dòng điện qua tụ. Vai trò điện trường xoáy: đẩy các điện tích tự do chuyển động thành dòng khép kín sinh ra dòng điện cảm ứng Vai trò của từ trường xoáy: Tương đương với một dòng điện (dòng điện dch) đi qua tụ C => khép kín dòng điện trong mạch dao động II. Điện từ trường: B đang giảm E B đang tăng E E đang tăng B I - - - - + + + + Tụ nạp điện E tăng E đang giảm B I - - - - + + + + Tụ phóng điện E giảm Mi biến thiên theo thời gian của từ trường sinh ra trong không gian xung quanh một điện trường xoáy biến thiên theo thời gian, ngược lại mi 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 biến thiên và từ trường biến thiên cng tồn tại trong không gian. Chng có thể chuyển hóa lẫn nhau trong một trường thống nhất được gọi là điện từ trường. SNG ĐIN T I. Sng điện từ: Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong không gian. II. Cc đc đim của sng điện từ: + Sóng điện từ lan truyền được trong chân không. Vận tốc lan truyền của sóng điện từ trong chân không bằng vận tốc ánh sáng (c  3.10 8 m/s). Sóng điện từ lan truyền được trong các điện môi. Tốc độ lan truyền của sóng điện từ trong các điện môi nhỏ hơn trong chân không và phụ thuộc vào hằng số điện môi. Trong chân không, sóng điện từ tần số f thì có bước sóng là .2. LCc f c   + Sóng điện từ là sóng ngang. Trong quá trình lan truyền  E và  B luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng. Tại mi điểm dao động của điện trường và từ trường trong sóng điện từ luôn cng pha với nhau. III. Tính cht của sng điện từ: + Khi sóng điện từ gặp mặt phân cách giữa hai môi trường thì nó cũng b phản xạ và khc xạ như ánh sáng. Ngoài ra cũng có hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ sóng điện từ. + Sóng điện từ mang năng lượng. Nhờ có năng lượng mà khi sóng điện từ truyền đến một anten, nó sẽ làm cho các electron tự do trong anten dao động. + Nguồn phát sóng điện từ rất đa dạng, có thể là bất cứ vật thể nào có thể tạo ra một điện trường hoặc một từ trường biến thiên, như tia lửa điện, dây dẫn dòng điện xoay chiều, cầu dao đóng, ngắt mạch điện . TRUYN THÔNG BNG SNG ĐIN T I. Mch dao động h. Anten : Dụng cụ thu phát: Dng Ăngten (là một mạch dao động LC hở) */ Nguyên tắc thu phát: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và cộng hưởng điện */ Một mạch dao động hở LC chỉ thu và phát được sóng điện từ có chu kì và tần số bằng chu kì và tần số riêng của mạch: => f sóng = 1 2 LC  => 2 c c LC f   II. Nguyên tc truyền thông bng sng điện từ : - Biến âm thanh (hoặc hình ảnh) muốn truyền đi thành các dao động điện từ có tần số thấp gọi là các tín hiệu âm tần (hoặc tính hiệu th tần). - Dng sóng điện từ tần số cao (cao tần) để mang các tín hiệu âm tần hoặc th tần đi xa, sóng này gọi là sóng mang. Muốn vậy phải trộn sóng điện từ âm tần hoặc th tần với sóng điện từ cao tần (biến điệu chng). Qua anten phát, sóng điện từ cao tần đ biến điệu được truyền đi trong không gian. - Dng máy thu với anten thu để chọn và thu lấy sóng điện từ cao tần muốn thu. - Tách tín hiệu ra khỏi sóng cao tần (tách sóng) rồi dng loa để nghe âm thanh truyền tới hoặc dng màn hình để xem hình ảnh. Để tăng cường độ của sóng truyền đi và tăng cường độ của tín hiệu thu được người ta dng các mạch khuếch đại. Sơ đồ khối của một máy phát thanh và máy thu thanh vô tuyến đơn giản Máy phát thanh Máy thu thanh (1): Micrô: Tạo ra dao động điện từ âm tần. (2): Mạch phát sóng điện từ cao tần: Phát sóng điện từ có tần số cao (c MHz). (3): Mạch biến điệu: Trộn dao động điện từ cao tần với dao động điện từ âm tần. (4): Mạch khuyếch đại: Khuyếch đại dao động điện từ cao tần đ được biến điệu. (5): Anten phát: Tạo ra điện từ trường cao tần lan truyền trong không gian (1): Anten thu: Thu sóng điện từ cao tần biến điệu. (2): Mạch khuyếch đại dao động điện từ cao tần: 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 khuyếch đại dao động điện từ âm tần: Khuyếch đại dao động điện từ âm tần từ mạch tách sóng gởi đến. (5): Loa: Biến dao động điện thành dao động âm III. Sự truyền sng điện từ quanh Tri Đt : + Sóng vô tuyến là các sóng điện từ dng trong vô tuyến. Chng có bước sóng từ vài m đến vài km. Theo bước sóng, người ta chia sóng vô tuyến thành các loại: sóng cực ngắn, sóng ngắn, sóng trung và sóng dài. Sóng cc ngắn Sóng ngắn Sóng trung Sóng dài λ = vài cm - 10m f = 30MHz - 10 6 MHz λ = 10m - 100 m f = 3MHz - 30MHz  = 100m - 1000m f = 0,3MHz - 3MHz  = 1km – vài chục km f = 3kHz – 0,3MHz + Tầng điện li là lớp khí quyển b ion hóa mạnh bởi ánh sáng Mặt Trời và nằm trong khoảng độ cao từ 80 km đếm 800 km, có ảnh hưởng rất lớn đến sự truyền sóng vô tuyến điện. + Các phân tử không khí trong khí quyển hấp thụ rất mạnh các sóng dài, sóng trung và sóng cực ngắn nhưng ít hấp thụ các vng sóng ngắn. Các sóng ngắn phản xạ tốt trên tầng điện li và mặt đất. 2 3 4 5 1 3 4 5 1 2 S truyền sóng vô tuyến trong khí quyển: + Sóng dài: có năng lượng thấp, b các vật trên mặt đất hấp thụ mạnh nhưng nước lại hấp thụ ít, do đó sóng dài và cực dài được dng trong thông tin liên lạc dưới nước (VD: liên lạc giữa các tàu ngầm, ). Tuy nhiên, chng b yếu đi rất nhanh khi đi ra xa khỏi nguồn phát, vì vậy nguồn phát phải có công suất lớn. + Sóng trung: Ban ngày b hấp thụ mạnh nên không truyền đi xa. Ban đêm sóng ít b hấp thụ, phản xạ tốt ở tầng điện li nên sóng có thể truyền đi xa. Sóng trung được dùng trong vô tuyến truyền thanh (thường sử dụng chỉ trong phạm vi một quốc gia). Tuy nhiên, về ban ngày thì ta chỉ bắt được các đài ở gần, còn về ban đêm sẽ bắt được các đài ở xa hơn (ban đêm nghe đài sóng trung rõ hơn ban ngày). + Sóng ngắn: có năng lượng lớn, b phản xạ nhiều lần giữa tầng điện ly và mặt đất. Do đó một đài phát sóng ngắn có công suất lớn có thể truyền sóng tới mọi điểm trên Trái Đất. Sóng ngắn thường được dùng trong liên lạc vô tuyến hàng hải và hàng không, các đài phát thanh, + Sóng cực ngắn: không b tầng điện li hấp thụ hay phản xạ, nó xuyên qua tầng điện li vào vũ trụ. Sóng cực ngắn thường được dùng trong việc điều khiển bằng vô tuyến, trong vô tuyến truyền hình, trong thông tin vũ trụ, Chú ý: + Vô tuyến truyền hình dùng các sóng cực ngắn, không truyền được xa trên mặt đất, không bị tầng điện li hấp thụ hay phản xạ, nó xuyên qua tầng điện li. Muốn truyền hình đi xa, người ta phải đặt các đài tiếp sóng trung gian, hoặc dùng vệ tinh nhân tạo để thu rồi phát trở về Trái Đất.