BÀI GIẢNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG potx

1 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG TÊN HỌC PHẦN :TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG MÃ HỌC PHẦN : 13205 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HẢI PHÒNG – 2010 2 CHƯƠNG MỞ ĐẦU 0.1. Giải tích véctơ - Tích vô hướng của hai vecto : . . . . os A B B A A B c    - Tích có hướng của hai vecto : x sin . A B AB n   ( A , B và n làm thành tam diện thuận) - Đạo hàm khối (hay đạo hàm không gian) của một trường (có thể là trường vô hướng P, hoặc trường vecto B ) là một đại lượng (vô hướng hoặc vecto) : gradP P   là một vecto 0 0 0 P P P P x y z x y z           divB B   là một đại lượng vô hướng . y x z B B B B x y z           x rotB B   là một vecto 0 0 0 x x y z x y z B x y z B B B         Trong đó : toán tử Nabla (  ) trong tọa độ decac có dạng 0 0 0 x y z x y z           Chú ý hai công thức chuyển đổi tích phân : Công thức Gauss . . . S V B n ds divB dv     Ý nghĩa : nếu 0 divB  thì . . . 0 S V B n ds divB dv      tức là tích phân đại lượng B theo một mặt kín S được giá trị khác 0, ta gọi trong mặt kín S có nguồn, còn khác đi ta gọi trong mặt kín không có gì (nguồn). Công thức Stok . . L S B dl rotB ds     Ý nghĩa : nếu 0 rotB  thì . . 0 L S B dl rotB ds      tức là tích phân đại lượng B theo một đường cong kín L được giá trị khác 0, ta gọi B là trường xoáy (đường sức khép kín), c òn khác đi ta gọi là trường không xoáy. 0.2. Điện trường tĩnh - Trường tĩnh điện là trường được tạo ra xung quanh các điện tích cố định ( E và D không thay đổi theo thời gian). - Trường tĩnh điện là một trường thế. - Là một trường mang năng lượng, có tương tác lên các điện tích. Các điện tích chuyển động ngang qua trường sẽ được gia tốc. 3 - Định lý Gauss : . S D ds q Q     Trường tĩnh điện là một trường có nguồn : ( )div E    - Trường tĩnh điện không phải là một trường xoáy, các đường sức của trường không khép kín trong không gian : 0 rotE  - Vectơ cường độ điện trường E và thế (điện thế) của trường U : E gradU U     2 0 U   - Điều kiện bờ : Thành ph ần tiếp tuyến của vectơ cường độ điện trường liên tục tại bờ : 1 2 t t E E  Thành phần pháp tuyến của vectơ điện cảm gián đoạn tại bờ khi trên bề mặt phân cách có điện tích : 1 2n n D D    0.3. Dòng điện dẫn - Dòng điện dẫn là dòng chuyển động có hướng của các hạt mang điện. - Định luật bảo toàn điện tích : d divJ dt    Đối với dòng điện không đổi : 0 divJ  - Định luật Ôm : J E   - Các định luật Kirchoff (2 định luật : tổng các dòng điện ở một nút bằng 0, và tổng các sụt áp trên một mạch vòng bằng tổng các sức điện động) 0.4. Từ trường tĩnh - Từ trường tĩnh là trường được tạo ra xung quanh các dòng điện không đổi ( B và H không thay đổi theo thời gian). - Định luật Ampe : Lưu số của vectơ cường độ từ trường H theo một đường cong kín L bằng tổng đại số của các dòng điện nằm trong vòng kín đó : . L H dl I    Từ trường là một trường xoáy, các đường sức từ khép kín trong không gian bao quanh các dòng điện tạo ra từ trường : rotH J  - Thông lượng của vectơ cảm ứng từ qua một mặt kín bằng 0 : . 0 S B d s   Từ trường là trường không có nguồn : 0 divB  - Điều kiện bờ : 4 Thành phần pháp tuyến của vectơ cảm ứng từ liên tục tại bờ : 1 2 n n B B  Thành phần tiếp tuyến của vectơ cường độ từ trường gián đoạn tại bờ khi trên mặt phân cách có dòng điện : 1 2 t t s H H J   5 Chương 1 TRƯỜNG ĐIỆN TỪ 1.1 HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXELL H ệ phương trình Maxell dạng vi phân (cột 1 bảng 4.1 tr. 46 giáo trình) 0 E rotH J t H rotE t div E div H                           Hoặc x x . . 0 t t                         D H J B E D B Hệ phương trình Maxell dạng tích phân (cột 3 bảng 4.1 tr. 46 GT) . . . . . 0 l S l s S S d H dl I D ds dt E dl Bd s t E ds q H ds                                   Trong đó : E Vectơ cường độ điện trường [V/m] D Vectơ điện cảm ( ) D E   [A/m 2 ] H Vectơ cường độ từ trường [A/m] B Vectơ từ cảm ( ) B H   [T=Wb/m 2 ] J Mật độ dòng điện [A/m 2 ]  Mật độ điện tích khối [C/m 3 ] Ý ngh ĩa vật lý của các phương trình Maxell được tóm tắt như trong cột 4 bảng 4.1 tr.46 GT: - phương trình Maxell thứ nhất có thể biến đổi như sau : . ( ) dan dich l s s s E H dl J ds Jd s Ed s i i t t                  6 trong đó dan s i Jd s   là dòng điện dẫn-dòng chuyển động của các điện tích, còn J E   (định luật Ôm – tr.27) ( E) dich s s i Ed s ds t t           là dòng điện dịch-dòng xuất hiện do có sự biến thiên của cường độ điện trường theo thời gian. Khái niệm về dòng điện dịch được trình bày rõ ràng và đơn giản ở mục 4.1 tr. 40 GT. “Điện trường biến thiên theo thời gian sinh ra từ trường xoáy (biến thiên trong không gian v ới đường sức khép kín)” - phương trình Maxell thứ hai có thể viết . l s d E dl Bds dt t           “Từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra điện trường xoáy” - phương trình Maxell thứ ba thể hiện điện trường có nguồn, nguồn của điện trường là các điện tích. - phương trình Maxell thứ tư thể hiện từ trường không có nguồn. Trong tự nhiên không có các t ừ tích tự do. - điều kiện bờ tổng quát của trường điện từ trường biến thiên : 1 2 1 2 1 2 1 2 t t n n t t s n n E E D D H H J B B        Chú ý 1 : Nguyên lý đổi lẫn của các phương trình Maxell m m m m E rotH J H E t H J J rotE J t div E div H                                                 trong đó m J và m  là đại lượng ảo Chú ý 2 : Điện trường tĩnh và từ trường tĩnh là các trường hợp riêng của trường điện từ biến thiên, khi đó các thành phần đạo h àm theo thời gian bằng 0, Hệ phương trình Maxell trong các trường hợp này sẽ có các biến dạng như các kết quả khảo sát của các chương 1, 2, 3. Chú ý 3 : Một số công thức của giải tích vectơ cần ôn lại môn Toán cao cấp 2, và được ghi lại ở phụ lục 1 tr.270 GT. 1.2 ĐỊNH LÝ POYNTING 7 1.2.1 Định lý Poynting : s dW P d s dt      trong đó 2 2 ( ) 2 2 V E H W dv      là năng lượng điện từ tích tụ trong thể tích V . . V P J E dv   là công suất tổn hao nhiệt của dòng điện trong V x E H   được gọi là vectơ Poynting. - Vectơ  là vectơ mật độ thông lượng năng lượng chảy qua mặt S trong đơn vị thời gian. Theo định nghĩa, th ì năng lượng của trường điện từ ở mỗi điểm sẽ lan truyền theo phương của vectơ  , tức là phương pháp tuyến với mặt phẳng tạo bởi hai vectơ E và H . Giá tr ị (tức thời) : . .sin( , ) . E H E H E H E H     (W/m 2 ) Giá tr ị trung bình : * * 0 1 1 1 (E ) Re(E ) 2 2 T m m tb dt H H T         - Định lý Poynting chỉ ra rằng : sự biến đổi năng lượng trường điện từ trong một thể tích V, một phần do biến thành nhiệt và một phần do truyền lan thoát ra mặt bao bọc thể tích ấy. - Còn gọi là định lý Umôv-Poynting. 1.2.2 Chứng minh định lý Poynting – tr.49 G ợi ý : E rotH J E t H H rotE t                   2 2 2 2 1 ( ) 2 E H E H ErotH HrotE J E E H J E t t t t                    2 2 E H ( ) 1 ( ) 1 ( ) 2 2 rotH rotE div E H E E H H E H t t t t                    từ đó suy ra công thức 4.30 và 4.31 1.2.3 Các ví dụ minh họa định lý Poynting - Trong môi trường điện môi lý tưởng 0   , tức là 0 J  và 0 P  nếu 0 dW dt  tức là 0 S d s    năng lượng thoát ra khỏi V, bao bởi mặt S 8 nếu 0 dW dt  tức là 0 S d s    năng lượng thâm nhập vào V, bao bởi mặt S - Khảo sát sự truyền năng lượng qua đoạn dây dẫn (tr.52). Câu hỏi ôn tập chương 1 : 1. Hệ phương trình Maxell và ý nghĩa vật lý. 2. Trình bày nguyên lý đổi lẫn của các phương trình Maxell. 3. Phát bi ểu định lý Poynting và nêu ý nghĩa vật lý. 4. Chứng minh định lý Poynting. 9 Chương 2 SÓNG ĐIỆN TỪ PHẲNG 2.1 KHÁI NIỆM VỀ SÓNG PHẲNG - mặt đồng biên : cùng biên độ - mặt đồng pha : cùng pha - sóng điện từ phẳng : mặt đồng pha đồng biên là mặt phẳng (gần đúng ở vùng xa đối với tất cả các nguồn bức xạ) 2.2 SÓNG PHẲNG TRONG MÔI TRƯỜNG ĐIỆN MÔI LÝ TƯỞNG 2.2.1 Một số giả thiết - môi trường điện môi lý tưởng 0   - không có nguồn ngoài 0, 0 J    - chọn hệ tọa độ z i  mặt sóng (x,y), 0 z z E H   do đó y x x y E E i E i   và y x x y H H i H i   có thể tách thành 2 hệ thống A(gồm E x ,H y ) và B(gồm E y ,H x ) 2.2.2 Phương trình sóng (5.4 tr 59) - xuất phát từ hệ phương trình maxell với giả thiết 2.2.1 - triển khai hai vế của M1 và M2, chú ý sóng truyền theo trục z nên 0 x y       chỉ có 0 z    đối với , , , x y x y E E H H 0 x y z t             đối với , z z E H dẫn ra được hệ phương trình 5.2 tr 58. - để nhận được phương trình sóng đối với các thành phần sóng, lấy E x làm điển hình, xu ất phát từ I.a z H y   y x H E z t        vi phân 2 vế : ( . ) 2 2 2 2 1 ( ) ( ) x E Hy II b z t y y x x H H E E t t z z t z                          - rút ra phương trình sóng đối với E x : 2 2 2 2 1 x x E E t z        đặt 1 v   ta có pt 5.4 tr 59 : 2 2 2 2 2 1 0 x x E E z v t       hay 2 2 2 2 0 x x E E t        với z v   2.2.3 Nghiệm của phương trình sóng Nghiệm của 5.5 là hàm số tùy ý theo hai biến dạng ( ) F t   và ( ) F t   vì cả hai hàm này đều có đạo h àm bậc 2 theo t và  bằng nhau. Nghiệm tổng quát có dạng : 10 1 2 1 2 ( ) ( ) ( ) ( ) x z z E F t F t F t F t v v           1 ( ) F t   biểu diễn sóng truyền theo hướng z dương 2 ( ) F t   biểu diễn sóng truyền theo hướng z âm 2.2.4 Quan hệ giữa các thành phần trường Từ y x H E z t        thay 1 1 ( ) ( ) x y z E F t v z H G t v          ta có ' ' 1 1 1 ( ) ( ) z z F t G t v v v     lấy tích phân theo biến ( ) z t v  lại có 1 1 1 ( ) ( ) z z F t G t v v v     chú ý : 1 v   và có 1 1 ( ) ( ) z z F t G t v v      Như vậy đối với sóng thuận : 0 x y E Z H     gọi là trở kháng sóng 2.2.5 Sóng phẳng điều hòa Đối với sóng phẳng điều hòa : 1 ( ) cos ( ) cos( ) z z F t A t A t z v v v         Ký hiệu : 2 2 f k v v        và gọi là hệ số pha hay hằng số sóng, có thể viết 0 0 ( ) ( ) 0 0 cos( ) cos( ) x i t kz i t kz x E E t kz E t kz hay E E e E e             Thành phần H y vuông góc với E x và có giá trị bằng 0 0 E Z . Hình 5.3a bi ểu diễn sự phụ thuộc của các thành phần E và H theo thời gian tại một điểm z cố định. Hình 5.3b biểu diễn sự phụ thuộc của E và H theo z ở một thời điểm cố định. 2.3 SÓNG PHẲNG TRONG MÔI TRƯỜNG BÁN DẪN 2.3.1 Phân loại môi trường truyền sóng Thực tế không có môi trường điện môi lý tưởng, và do đó chỉ có môi trường truyền sóng bán dẫn. Tính bán dẫn phụ thuộc vào quan hệ tương đối giữa dòng điện dẫn J dẫn ( ) E  và dòng điện dịch J dịch ( ) E t    . Môi trường được coi là môi trường dẫn điện, nếu : [...]... của trường là từ trường (H lớn) - Thành phần H và E sai pha bằng  / 4 Câu hỏi ôn tập chương 2 : 1 Phương trình sóng và nghiệm của phương trình sóng trong môi trường điện môi lý tưởng 2 Trình bày về khái niệm sóng phẳng điều hoà 3 Sóng phẳng trong môi trường bán dẫn và khái niệm hằng số điện môi phức 11 Chương 3 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 3.1 PHÂN LOẠI SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN Băng sóng Bước sóng. .. lưu - là cách truyền sóng nhờ sự tán xạ ở tầng đối lưu hay kiểu dẫn sóng trong ống dẫn sóng d Phương thức sóng trời : - là cách truyền sóng nhờ sự khúc xạ và phản xạ hay tán xạ sóng từ tầng điện li - tầng điện li : cách mặt đất 80 đến 400 km, có một khoảng không gian chứa các điện tử tự do và các ion gọi là tầng điện li Tầng điện li có tính chất khúc xạ liên tục làm tia sóng bị uốn cong và đến độ cao... PHƯƠNG THỨC TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN a Phương thức truyền thẳng trong không gian tự do (sóng tự do) - là phương thức truyền trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng của không gian vũ trụ 13 - ví dụ : sóng truyền giữa vệ tinh với con tàu vũ trụ, trái đất với vệ tinh, vệ tinh với vệ tinh b Phương thức truyền sóng đất: - là cách truyền sóng gần mặt đất theo kiểu truyền thẳng c Phương thức truyền sóng đối...E
 E t Và ngược lại môi trường được coi là môi trường điện môi, nếu : E
 E t Cần chú ý rằng : tính chất môi trường không chỉ phụ thuộc vào các thông số  ,  mà còn phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của điện trường ( trường hợp sóng điều hòa E ) tức là phụ thuộc vào tần số của sóng trong t 2.3.2 Khái niệm hằng số điện môi phức Từ phương trình M1 đối với sóng điều hòa :  rot H... tr 158) 2 Phân loại các trường hợp truyền lan sóng đất - Phân biệt trường hợp anten đặt thấp và anten đặt cao : anten đặt thấp là trường hợp truyền sóng đất ở dải sóng dài trung ngắn, anten đặt cao là trường hợp truyền sóng đất ở dải sóng cực ngắn - Phân biệt trường hợp mặt đất phẳng và mặt đất cầu khi cự ly thông tin không lớn so với độ cong mặt đất thì coi mặt đất là phẳng và khi cự ly thông tin lớn... hỏi ôn tập chương 3 : 1 Phân loại băng sóng vô tuyến điện 2 Công thức truyền sóng lý tưởng 3 Khái niệm về phân cực sóng 4 Trình bày nguyên lý Huyghen và khái niệm miền Fresnel 16 Chương 4 TRUYỀN SÓNG ĐẤT 4.1 Khái quát chung 4.2 Truyền sóng đất anten đặt cao (sóng cực ngắn) 4.3 Truyền sóng đất anten đặt thấp (sóng dài trung ngắn) 4.1 KHÁI QUÁT CHUNG 1 Thông số điện của đất - Một số giả thiết, - Giá... (hình 11.5) và có atd  8500km - tính r0' và h’ 3 Hiện tượng phadinh trong tầm nhìn thẳng (tự đọc) 5.3 TRUYỀN SÓNG TẦNG ĐỐI LƯU 1 Truyền sóng tầng đối lưu kiểu ống dẫn sóng - Hiện tượng siêu khúc xạ phát sinh truyền sóng ống dẫn sóng - điều kiện phát sinh ống dẫn sóng tầng đối lưu 2 Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu - Hiện tượng, và giải thích định tính - Nhận định 5.4 SUY GIẢM SÓNG TRONG... - thấp nhất - chỉ phản xạ được sóng dài (fth=100-700 Khz) - hấp thụ mạnh sóng trung vì mật độ khí lớn Lớp E : - phản xạ được sóng trung và dải dưới sóng ngắn - cả ban ngày và ban đêm sóng trung đều phản xạ được từ lớn E, nhưng ban ngày có lớp D hấp thụ mạnh sóng trung nên coi như sóng trung không truyền lan được bằng phương thức sóng trời vào ban ngày Lớp F - phản xạ sóng ngắn - ban ngày tách làm 2... PHÂN CỰC SÓNG (mục 9.4 trang 146 SGK) Xét sóng phẳng lan truyền trong môi trường điện môi lý tưởng là sóng điện từ ngang TEM Giả sử hướng lan truyền là hướng, ở mỗi điểm khảo sát M, điện trường E có thể phân tích thành hai thành phần nằm trong mặt phẳng yOz, gồm thành phần thẳng đứng E z và thành phần nằm ngang E y , có độ lớn là : Ez  Ezm cos(t   z ) E y  E ym cos(t   y ) Tùy thuộc vào mối... đối với sóng dài và sóng trung, ít hiệu quả đối với sóng ngắn và sóng cực ngắn 2 Mặt đất phẳng không đồng nhất - cơ sở :  càng lớn, mặt đất dẫn điện càng tốt thì độ suy giảm F càng nhỏ khoảng cách càng xa, cường độ trường càng suy giảm - trường hợp truyền sóng qua miền đất không đồng nhất, độ suy giảm tại bờ (không đồng nhất) không liên tục, cụ thể : trường hợp đất – biển : quanh bờ, cường độ trường . THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG TÊN HỌC PHẦN :TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG MÃ HỌC PHẦN. truyền sóng Thực tế không có môi trường điện môi lý tưởng, và do đó chỉ có môi trường truyền sóng bán dẫn. Tính bán dẫn phụ thuộc vào quan hệ tương đối giữa dòng điện dẫn J dẫn ( ) E  và dòng điện. C ỰC SÓNG (mục 9.4 trang 146 SGK) Xét sóng phẳng lan truyền trong môi trường điện môi lý tưởng là sóng điện từ ngang TEM. Giả sử hướng lan truyền là hướng, ở mỗi điểm khảo sát M, điện trường