Bài 21. Dao động điện từ (Vật lí 12 Nâng cao)

Bài 21. Dao động điện từ (Vật lí 12 Nâng cao) tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tấ...

DAO ĐỘNG VÀ SÓNG

ĐIỆN TỪ CHƯƠNG IV

Sự lan truyền của sóng điện từ

r

E r

E r

Chương này trình bày các kiến thức về:

 Dao động và sóng điện từ, sự tương tự của chúng với dao động và sóng cơ.

 Dao động điện từ tự do, dao động tắt dần,

hệ tự dao động, dao động cưỡng bức và

cộng hưởng điện.

 Điện từ trường, sóng điện từ và nguyên tắc truyền thông bằng sóng điện từ.

Bài 21

DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ

1 Dao động điện từ trong mạch LC điện từ a) Thí nghiệm

Nối hai đầu cuộn cảm L với lối vào của dao

động kí điện tử như Hình 2 Điều chỉnh dao

R

Hình 2 Mắc mạch dao

động LC với dao động kí

O

O

i

Suất điện động tự cảm làm chậm sự phóng điện của tụ điện, và khi tụ điện hết điện thì dòng tự cảm lại nạp điện cho điện, làm cho tụ điện lại được tích điện nhưng theo chiều ngược lại.

Sau đó, tụ điện lại phóng điện theo chiều ngược với ban đầu Hiện tượng sẽ lặp đi lặp lại toạ thành dao động điện

Quá trình dao động điện và từ trong mạch

LC tương tự như dao động của con lắc đơn

C1 Trong Hình 3, tại thời điểm nào thì từ

trường của ống dây có giá trị lớn nhất? Giá trị nhỏ nhất?

i > 0, nếu dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều từ B đến A.

+

Hình 4 Khảo sát định

lượng dao động điện.

Từ đó: ( )

( )

0 0

cho thấy các đại lượng điện q, I, u đều biến

thiên tuần hoàn theo quy luật dạng sin.

Mặt khác, ta biết khi có dòng điện thì luôn có

từ trường, mà cảm ứng từ B luôn tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện, nên có thể suy ra từ trường trong mạch cũng biến thiên tuần hoàn theo quy luật dạng sin

Biến thiên của điện trường và từ trường ở

trong mạch trên được gọi là dao động điện

từ Nếu không có tác động điện hoặc từ với

bên ngoài, thì dao động này gọi là dao động

điện từ tự do Khi đó mạch LC Có các đặc

trưng riêng là:

Có thể viết phương trình dao động điện từ và từ trong mạch LC như sau:

0 0

2 Năng lượng điện từ trong mạch dao động

Nếu không có sự tiêu hao năng lượng thì trong quá trình dao động điện từ, năng klượng được tập trung ở tụ điện (WC) và cuộn cảm

(WL) Tại một thời điểm bất kì, ta có:

Năng lượng điện trường tập trung trong tụ điện:

Năng lượng từ trường tập trung trong cuộn cảm:

Ta suy ra năng lượng điện từ toàn phần của mạch LC là:

Vậy, trong quá rình dao động của mạch, năng lượng từ trường và năng lượng điện trường luôn chuyển hoá cho nhau, nhưng tổng năng lượng điện từ là không đổi

2 0

2

q C

+ = = hằng số.

Tiết 2

Viết các phương trình dao động điện từ và từ trong mạch LC: q; u; I; B

0 0

Viết các công thức tính tần số góc, tần số, chu kì

dao động riêng của mạch dao động LC

Năng lượng điện từ trong mạch dao động có những đặc điểm gì?

Nếu không có sự tiêu hao năng lượng thì trong quá trình

dao động điện từ, năng lượng được tập trung ở tụ điện

(WC) và cuộn cảm (WL) Tại một thời điểm bất kì, ta có:

Năng lượng điện trường tập trung trong tụ điện:

Năng lượng điện từ toàn phần của mạch LC lí tưởng là một hằng số

Vậy, trong quá rình dao động của mạch, năng lượng từ trường và năng lượng điện trường luôn chuyển hoá cho nhau, nhưng tổng năng lượng điện từ là không đổi

2 0

2

q C

+ = = hằng số.

Trong thực tế, trong mạch dao động có điện trở R khác

không nên năng lượng của mạch dao động không được bảo toàn Dao động điện từ trong mạch là dao động tắt dần

3 Dao động điện từ tắt dần

Trong các mạch dao động thực luôn có tiêu hao năng

lượng, ví dụ do điện trở thuần R của dây dẫn, vì vậy dao động sẽ dừng lại sau khi năng lượng bị tiêu hao hết

Quan sát trên dao động kí điện tử (Hình 5) ta thấy biên

độ của dao động giảm dần đến 0

Hiện tượng này gọi là dao động điện từ tắt dần Giá trị của

R càng lớn thì sự tắt dần càng nhanh, thậm chí nếu R rất lớn thì không có dao động.

R = 0 R nhỏ

Dao động điện từ tắt dần

Hình 5 Các hình ảnh trên màn hình dao động kí

-Hình 6 Mạch duy trì dao động

Muốn duy trì dao

động, ta phải bù đủ

và đúng phần năng

lượng bị tiêu hao

trong mỗi chu kì

4 Dao động điện từ duy trì Hệ tự dao động

Muốn làm việc này,

có thể dùng tranzito

để điều khiển việc bù

năng lượng từ pin cho

khung dao động LC

ăn nhịp với từng chu

kì dao động của mạch

tranzito sao cho dòng

điện từ pin P bổ sung

cho mạch LC đúng với

phần năng lượng bị mất

trong từng chu kì

-Hình 6 Mạch duy trì dao động

Câu C3

Trong sơ đồ mạch duy trì

dao động, nếu nối trực

tiếp cuộn thứ cấp biến thế

với cực gốc của tranzito

không qua tụ C1có được

không? Tại sao?

Không được Khi đó cực

gốc của tranzito đoản

mạch với cực phát qua

điện trở thuần rất nhỏ của

cuộn thứ cấp.

-Hình 6 Mạch duy trì dao động

Câu C4

Không được Vì trong

khung có thêm cuộn sơ

=

Mắc mạch dao động LC có tần số

dao động riêng ω0 nối tiếp với một

nguồn điện ngoài Nguồn này có

hiệu điện thế biến thiên theo thời

4 Dao động điện từ cưỡng bức Sự cộng hưởng

Lúc này, dòng điện trong mạch

LC sẽ buộc phải biến thiên theo

tần số ω của nguồn điện ngoài

chứ không thể dao động theo tần

số riêng ω0 được nữa Quá trình

này được gọi là dao động điện từ

cưỡng bức, tương tự như dao

động cưỡng bức trong cơ học.

Giữ nguyên biên độ của hiệu điện thế u và khảo sát biên

độ của dao động cưỡng bức này, người ta thấy nếu thay đổi tần số ω của nguồn điện ngoài thì biên độ của dao

động điện (biểu hiện qua cường độ dòng điện) trong

khung thay đổi theo, đến khi ω = ω0 thì biên độ dao động điện trong khung đạt giá trị cực đại Hiện tượng này được

gọi là sự cộng hưởng.

4 Dao động điện từ cưỡng bức Sự cộng hưởng

Đồ thì trên Hình 8 cho thấy giá trị cực đại của biên độ khi cộng hưởng tuỳ thuộc vào điện trở thuần R của mạch LC

6 Sự tương tự giữa dao động điện từ

và dao động cơ

Tứ các nội dung trên, ta thấy giữa dao động điện từ

trong mạch LC và dao động cơ học của con lắc có nhiều điểm tương tự về quy luật biến đổi theo thời gian và các đại lượng (Bảng 1) Các phương trình và công thức biểu thị hai loại dao động có cùng một dạng (Bảng 2)

k m

i V

q" + ω 2 q = 0 x" + ω 2 x = 0

q x

Dao động điện Dao động cơ

ĐIỆN CƠ

Bảng 2 Bảng 1

Đại lượng

C

q

Li C

q

2 2

2

2 2

2

= +

=

Bài tập vớ dụ

1.Trong một mạch dao động LC có tụ điện là 5 à F, cường độ tức

thời của dòng điện là i = 0,05cos2000t(A) Độ tự cảm của tụ cuộn cảm là:

A 0,1H B 0,2H C 0,25H D 0,15H.

2 Trong một mạch dao động LC có tụ điện là 5 à F, cường độ tức thời của dòng điện là i = 0,05cos2000t(A) Biểu thức điện tích trên tụ là:

A q = 2.10-5sin(2000t - π /2)(C) B q = 2,5.10-5sin(2000t - π /2) (C)

C q = 2.10-5sin(2000t - π /4)(C) D q = 2,5.10-5sin(2000t - π /4) (C).

Bài tập vớ dụ

3 Một mạch dao động LC có năng lượng 36.10 -6 J và điện dung của

tụ điện C là 25 à F Khi hiệu điện thế giữa hai bản tụ là 3V thì năng lư ợng tập trung ở cuộn cảm là: