Tài liệu lý thuyết sóng điện từ

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 tụ điện mắc nối tiếp với cuộn cảm thành mạch kín - Nếu r nhỏ ( 0): mạch dao động lí tưởng II Dao động điện từ tự mạch dao động Định luật biến thiên điện tích cường độ dòng điện mạch dao động lí tưởng Sự biến thiên điện tích q = q0cos(t + ) Phương trình dòng điện Liên hệ mạch i = - q0sin(t + ) = I0cos(t++ π/2) + Điện tích q tụ điện cường độ dòng điện i mạch dao động biến thiên Nếu  = q = q0cost  i = I0cos(t + π/2) điều hoà theo thời gian; i nhanh pha /2 so với q(I0 = Q0) + (q, i) biến thiên chu kì T, tần số f Hiệu điện hai tụ u = U0cos(t + ) Định nghĩa dao động điện từ: Sự biến thiên điều hoà theo thời gian điện tích q tụ điện cường độ dòng điện i (hoặc cường độ điện trường E cảm ứng từ B) mạch dao động gọi dao động điện từ tự Chu kì tần số dao động riêng mạch dao động( chu kì tần số q i) Tần số góc  Chu kì I0 ,  Q0 LC T  2 LC , T  2 Tần số Q0 I0 f 2 LC ,f  I0 2 Q0 (Tần số góc, chu kì, tần số ) phụ thuộc vào đặc tính mạch( L C), không phụ thuộc vào yếu tố (Q0, I0, v.v) Tỉ lệ thuận với ; Tỉ lệ nghịch với ; Tỉ lệ nghịch với , C ; Năng lượng điện từ mạch dao động Năng lượng điện từ mạch dao động bao gổm: Năng lượng điện trường Wđ tập trung tụ điện Năng lượng từ trường Wt tập trung cuộn cảm Wđ = Q2 2C Wt = với q = Q0cost  Wđ = W0 cos2t Li 2 với i = I0cos(t + π/2)  Wt = W0 sin2t + Wđ Wt biến thiên tuần hoàn với chu kì T’ =T/2 ( tần số f’ = 2f) với T f chu kì tần số mạch dao động (chu kì tần số q i) + Trong mạch dao động có biến thiên tương hỗ lượng điện trường lượng từ trường: Khi Wđ tăng , Wt giảm (và ngược lại); phần Wđ tăng thêm với phần Wt giảm ( ngược lại) + Năng lượng điện từ W = Wđ +Wt = CU 02 = Q02 2C = = số ( bảo toàn) III Dao động điện từ tắt dần- dao động điện từ trì mạch dao động Dao động điện từ tắt dần: Trong thực tế mạch LC có điện trở mặt dù bé Trong q trình dao động điện hiệu ứng Jun – Len-xơ mà lượng toàn phần ban đầu cung cấp cho mạch giảm dần theo thời gian, dẫn đến biên độ dao động điện tích, hiệu điện cường độ dòng điện giảm Dao động điện tự trì: Muốn có dao động điện từ khơng tắt dần ta trì cách cung cấp thêm lượng cho mạch để bù vào phần lượng tiêu hao Sự tương tự điện - cơ: a Sự giống quy luật biến đổi thời gian: Con lắc lò xo Thầy Nguyễn Hà Thanh Mạch dao động  thanhlymyduca@gmail.com Trường THPT Mỹ Đức A Tài liệu Ôn tập Phần Dao động điện từ - Sóng điện từ x//+  2x = với: = q//+  2q = với: k m = LC x = Acos(t + ) q = Q0cos(t + ) v = - Asin(t + ) i = - Q0sin(t + ) 1 kx  mv  kA 2 2 W= W= 2 q  Li  Q 2C 2C b Sự tương tự đại lượng điện: Đại lượng x v m Đại lượng điện q i L k C F µ u R v A2  x  ( )  i q02  q  ( )2  q u   L q C F = - kx = - m2x CHỦ ĐỀ II SÓNG ĐIỆN TỪ I ĐIỆN TỪ TRƯỜNG Mối quan hệ điện trường từ trường (Các giả thuyết Maxwell) Từ trường biến thiên điện trường xoáy Nếu nơi có từ trường biến thiên Điện trường biến thiên từ trường xoáy Nếu nơi có điện trường biến thiên theo thời gian theo thời gian nơi xuất nơi xuất từ trường xốy Đặc điểm điện trường xốy Điện trường xốy có đường sức khép kín Đường sức từ trường khép kín, bao quanh đường sức đường sức Cơ sở phát bao quanh đường sức từ Thí nghiệm cảm ứng điện từ faradây điện Sự xuất từ trường dòng điện dịch sở giúp ta sở lập luận sở phát điện trường xoáy khẳng định kết luận "Xung quanh điện trường biến Nội dung thiên xuất từ trường" * Chú ý: Điện trường biến thiên theo thời gian tương ứng với dòng điện gọi dòng điện dịch Dòng điện dẫn dòng điện dịch Bản chất Dòng điện dẫn Dòng chuyển dời có hướng hạt mang Dòng điện dịch Do điện trường biến thiên sinh Đặc điểm điện tự - Chạy bên vật dẫn - Chạy bên điện môi (trong tụ điện) - Đường sức từ khép kín, bao quanh dòng - Đường sức từ khép kín, bao quanh dòng điện dịch (bao điện dẫn quanh dường sức điện) - Đo cường độ dòng điện ampe - Khơng đo cường độ dòng điện am pe kế kế Điện từ trường ĐIỆN TRƯỜNG Thầy Nguyễn Hà Thanh TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TRƯỜNG  thanhlymyduca@gmail.com Trường THPT Mỹ Đức A Điện tích Điện tích dao đứng yên tạo động tạo ra ĐIỆN TRƯỜNG Tài liệu Ôn tập Phần Dao động điện từ - Sóng điện từ Dòng điện Dòng điện biến + Mỗi biến thiên theo thời gian từ trường sinh không đổi tạo thiên tạo TỪ không gian xung quanh điện trường xoáy ĐIỆN TỪ TRƯỜNG TRƯỜNG biến thiên theo thời gian, ngược lại, biến thiên TRƯỜNG KHÔNG ĐỔI BIẾN THIÊN theo thời gian điện trường sinh từ TĨNH Đường sức BIẾN THIÊN Đường sức Đường sức từ : Đường sức từ : điện : hở điện : khép khép kín khép kín trường biến thiên theo thời gian khơng gian kín xung quanh + Điện trường từ trường khơng tồn riêng biệt chúng họp lại thành trường gọi điện từ trường + Từ trường biến thiên nhanh cường độ điện trường xốy lớn ngược lại + Điện từ trường không đứng yên mà lan truyền không gian với tốc độ ánh sáng + Những nơi có điện từ trường : Xung quang điện tích dao động; cuộn cảm tụ điện mạch dao động hoạt động; tia lửa điện; Hồ quang điện; Xung quanh dây dẫn có dòng điện xoay chiều qua; êlectron đèn hình vơ tuyến đến va chạm vào hình.V.V II SĨNG ĐIỆN TỪ Định nghĩa sóng điện từ : Quá trình lan truyền khơng gian điện từ trường biến thiên tuần hoàn theo thời gian trình sóng, sóng gọi sóng điện từ Đặc điểm sóng điện từ + Sóng điện từ lan truyền môi trường với vận tốc vận tốc ánh sáng mơi trường + Sóng điện từ truyền chân khơng với vận tốc c = 3.108(m/s), bước sóng tần số liên hệ theo công thức : = c f + Sóng điện từ mang lượng Mật độ lượng sóng điện từ tăng theo luỹ thừa bậc bốn tần số sóng + Trong q trình lan truyền sóng điện từ điểm phương truyền véc tơ vng góc với vng góc với phương truyền sóng(tuân theo quy tắc nắm bàn tay phải – quy tắc đinh ốc) Sóng điện từ sóng ngang + Sóng điện từ có đầy đủ tính chất sóng học : Phản xạ, khúc xạ, giao thoa, sóng dừng… III THƠNG TIN BẰNG SĨNG VÔ TUYẾN ĐIỆN Anten: a Mạch dao động hở: + Trong mạch dao động kín LC điện trường biến thiên chủ yếu tập trung bên tụ điện từ trường biến thiên chủ yếu tập trung bên cuộn cảm Mạch khơng có khả xạ sóng điện từ + Nếu tụ lệch khơng song song vòng dây cuộn cảm xa đường sức điện trường đường sức từ vượt khỏi mạch vào không gian Mạch phát sóng điện từ + Các tụ lệch khả phát sóng mạch lớn Nếu tụ lệch góc 180 khả phát sóng mạch cực đại + Trong thực tế người ta dùng dây dẫn dài, có cuộn cảm, đầu để hở đầu tiếp đất Hệ thống gọi anten b Anten phát thu: Thầy Nguyễn Hà Thanh  thanhlymyduca@gmail.com Trường THPT Mỹ Đức A Tài liệu Ôn tập Phần Dao động điện từ - Sóng điện từ + Anten phát: Trong electrôn anten dao động dọc theo phương anten với tần số f anten xạ sóng điện từ với tần số + Anten thu- mạch chọn sóng : * Mắc anten thu với mạch dao động LC, electrôn anten dao động dọc theo anten với tất tần số đài phát khác truyền đến, mạch LC xảy dao động điện từ với tất tần số * Chọn sóng : Để thu sóng có tần số f đài định, người ta điều chỉnh điện dung C mạch LC nhằm thay đổi tần số dao động riêng mạch để trùng với tần số đài muốn thu Khi mạch LC xảy cộng hưởng, dao động với tần số f mạch LC có biên độ lớn hẳn dao động có tần số khác Lúc máy thu thực chọn sóng Ngun tắc thơng tin vơ tuyến điện: - Micrô: thiết bị biến đổi dao động âm (âm thanh) thành dao động âm tần (dao động điện có tần số tần số âm) - Loa: 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 khoảng từ vài chục đến 20.000Hz (chứa đựng thông tin âm thanh, hình ảnh) có tần số thấp(năng lượng thấp) không truyền xa - Dao động điện từ cao tần (có tần số lớn từ 500kHz đến 900MHz)có lượng lớn truyền xa, lại không chứa thông tin âm thanh, hình ảnh - Giải 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 xa(sóng mang) Ở máy thu thực việc tách sóng âm tần khỏi sóng cao tần, để thu 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 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 biến điệu (5): Anten phát: Tạo điện từ trường cao tần lan truyền khơng gian 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 vài thơng số sóng điện từ cao tần theo quy luật tín hiệu âm tần mà người ta muốn truyền Qúa trình gọi q trình biến điệu Có ba cách biến điệu là: biến điệu biên độ, tần số biến điệu pha, hai cách đầu phổ biến + Biến điệu biên độ(Amplitude Modulation - AM): dùng cho sóng dài, trung 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 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 Sự truyền sóng vơ tuyến điện trái đất: + Sóng vơ tuyến : Sóng điện từ có bước sóng từ vài mét đến vài km dùng thông tin liên lạc + Để thực thơng tin liên lạc sóng điện từ phát từ đài phát phải đến đài thu Hình dạng, tính chất vật lý mặt đất, trạng thái khí (tầng điện li) ảnh hưởng lớn đến lan truyền sóng điện từ + Các dải sóng vơ tuyến mục đích thơng tin: Thầy Nguyễn Hà Thanh  thanhlymyduca@gmail.com Trường THPT Mỹ Đức A Phân loại Tài liệu Ôn tập Phần Dao động điện từ - Sóng điện từ Tính chất ứng dụng - Sóng dài bị nước hấp thụ nên dùng thông tin liên lạc nước - Bị phản xạ hấp thụ tầng điện li mặt đất Sóng dài ( > 1000m) - Có khả vòng qua vật cản mặt đất, có lượng thấp nên dùng Sóng trung ( = 100  1000m): thông tin liên lạc mặt đất phạm vi hẹp - Bị phản xạ hấp thụ mạnh tầng điện li mặt đất Nhưng ban đêm mùa đông tầng điện li phản xạ tốt sóng trung nên ban đêm nghe đài sóng trung rõ Sóng ngắn : (10  100)(m) - Dùng thông tin liên lạc mặt đất - Bị phản xạ nhiều lần tầng điện li mặt đất có lượng lớn nên truyền Sóng cực ngắn :(  < 10)(m) xa Ứng dụng lĩnh vực truyền truyền hình - Sóng có lượng lớn nhất, không bị tầng điện li phản xạ hấp thụ nên chúng truyền thẳng - Sóng ứng dụng vơ tuyến truyền hình thơng tin vũ trụ - Trong vơ tuyến truyền hình để thơng tin xa mặt đất người ta phải dùng đài tiếp sóng trung gian mặt đất, vệ tinh nhân tạo, để thu sóng đài phát phát lại sóng theo hướng định Sự thu sóng điện từ máy thu - Ở lối vào máy thu sóng : có ăng ten mắc phối hợp với mạch LC có điện dung C biến thiên - Hoạt động : Anten nhận nhiều sóng có tần số khác không gian nhiều đài phát, e anten dao động (cưỡng )theo tất tần số Muốn thu sóng có tần số f đài phát đó, người ta điều chỉnh C mạch chọn sóng máy thu, cho tần số riêng mạch chọn sóng f Khi có tượng cộng hưởng, mạch LC dao động với tần số f có biên độ lớn hẳn dao động khác Người ta nói máy thu thực chọn sóng CÁC DẠNG BÀI TẬP CHƯƠNG IV DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ CHỦ ĐỀ I MẠCH DAO ĐỘNG - DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ TẦN SỐ - CHU KÌ CỦA MẠCH LC VIẾT CÁC BIỂU THỨC ĐIỆN TÍCH – DỊNG ĐIỆN – HIỆU ĐIỆN THẾ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN – TỪ TRƯỜNG DÒNG ĐIỆN VÀ HIỆU ĐIỆN THẾ CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG CHO MẠCH KHOẢNG THỜI GIAN - TỤ PHÓNG ĐIỆN Thầy Nguyễn Hà Thanh  thanhlymyduca@gmail.com Trường THPT Mỹ Đức A Tài liệu Ôn tập Phần Dao động điện từ - Sóng điện từ SỰ TƯƠNG TỰ ĐIỆN – CƠ CHỦ ĐỀ II ĐIỆN TỪ TRƯỜNG – SỰ THU - PHÁT SÓNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TRƯỜNG SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ TÍNH CHẤT SĨNG VƠ TUYẾN – SỰ THU – PHÁT SĨNG VƠ TUYẾN BƯỚC SĨNG CỦA MẠCH LC HỞ VÀ SỰ ĐIỀU CHỈNH MẠCH LC MẠCH LC CÓ TỤ GHÉP MẠCH LC CÓ TỤ XOAY XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG L,C CỦA MẠCH LC CÔNG SUẤT CẦN CUNG CẤP CHO MẠCH ĐỂ BÙ VÀO PHẦN HAO PHÍ DO TOẢ NHIỆT – MẠCH LC CĨ R ỨNG DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ ĐO KHOẢNG CÁCH 10 ỨNG DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ ĐO VẬN TỐC RADA Thầy Nguyễn Hà Thanh  thanhlymyduca@gmail.com ... Định nghĩa sóng điện từ : Q trình lan truyền không gian điện từ trường biến thiên tuần hồn theo thời gian q trình sóng, sóng gọi sóng điện từ Đặc điểm sóng điện từ + Sóng điện từ lan truyền môi... ra ĐIỆN TRƯỜNG Tài liệu Ôn tập Phần Dao động điện từ - Sóng điện từ Dòng điện Dòng điện biến + Mỗi biến thiên theo thời gian từ trường sinh không đổi tạo thiên tạo TỪ không gian xung quanh điện. .. trên: Người ta ‘gài’ (hay trộn )sóng điện từ âm tần vào sóng điện từ cao tần, nhờ sóng điện từ cao tần mang xa (sóng mang) Ở máy thu thực việc tách sóng âm tần khỏi sóng cao tần, để thu tín hiệu