Đang tải... (xem toàn văn)
động kín Nếu một mạch dao động RLC có tụ điện song song với nhau, khoảng cách giữa hai bản rất nhỏ so với diện tích hai bản, ống dây dài có các vòng dây khép rất sít[r]
(1)MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU
PHẦN NỘI DUNG
1 Nhiệm vụ chương “Dao động sóng điện từ”
2 Lịch sử phát triển khoa học nghiên cứu sóng điện từ
3 Sơ đồ kiến thức chương “Dao động sóng điện từ”
4 Chuẩn kiến thức – kĩ
4.1 Kiến thức
4.2 Kỹ
5 Phân tích nội dung kiến thức
5.1 Mạch dao động (khung dao động)
5.1.1 Khái niệm
5.1.2 Lưu ý
5.2 Dao động điện từ
5.2.1. Một số khái niệm
5.2.1.1 Dao động điện từ
5.2.1.2 Dao động điện từ tự
5.2.1.3 Dao động điện từ tắt dần
5.2.1.4 Dao động điện từ trì
5.2.1.5 Dao động điện từ cưỡng
5.2.2. Khảo sát dao động mạch LC
5.2.3. Năng lượng dao động điều hoà
5.3 Lý thuyết điện từ Maxwell
5.4 Điện từ trường 13
5.5 Sóng điện từ 13
5.5.1. Khái niệm 13
5.5.2. Đặc điểm sóng điện từ 14
5.5.3. Tính chất sóng điện từ 14
6 Sự tương tự dao động điện từ dao động 15
7 Ứng dụng sóng điện từ kỹ thuật 17
7.1 Ang ten lan truyền sóng điện từ 17
7.2 Nguyên tắc thu phát thơng tin sóng điện từ 19
7.3 Sự truyền sóng điện từ quanh Trái đất 22
7.4 Một số ứng dụng khác sóng điện từ 24
7.4.1 Rađa 24
7.4.2 Lò vi sóng 25
7.4.3 Bếp từ 25
PHẦN KẾT LUẬN 26
TÀI LIỆU THAM KHẢO 27
(2)PHẦN MỞ ĐẦU
Trong chương trình phổ thơng, Vật lí mơn học cung cấp cho học sinh nhiều kiến thức quan trọng khác về: học, nhiệt học, điện từ học, quang học, vật lí nguyên tử hạt nhân Mỗi phần kiến thức có đặc trưng riêng gắn liền với nhiều ứng dụng thực tế
Để giảng dạy tốt mơn Vật lí trường phổ thơng người giáo viên ngồi lịng đam mê nhiệt huyết cần phải hiểu biết sâu sắc kiến thức môn học Đối với học viên cao học để làm tốt nhiệm vụ dạy học trở lại giảng dạy phải nghiên cứu sâu sắc kiến thức vật lí có chương trình vật lí phổ thơng Đó nhiệm vụ quan trọng tất giáo viên Vật lí trình giảng dạy đặc biệt trình đổi Giáo dục toàn diện Người giáo viên phải hiểu sâu kiến thức ý đồ SGK tổ chức hoạt động dạy học có hiệu kích thích hứng thú học sinh lựa chọn phương pháp dạy học phù hợp với đặc trưng mơn học
Nghiên cứu phân tích chương trình vật lí phổ thơng mơn học quan trọng giúp cho học viên có nhìn tổng quan tồn chương trìnhVật lí phổ thơng nói chung phổ thơng trung học nói riêng
“Dao động sóng điện từ” phần điện từ học, nghiên cứu khái niệm dao động điện từ, sóng điện từ, tồn điện từ trường ứng dụng quan trọng lĩnh vực thu phát tín hiệu sóng điện từ Trong đó, tìm hiểu mạch dao động điện từ tạo thành sóng điện từ nội dung quan trọng chương Những kiến thức sở cho học sinh có đam mê tìm hiểu ứng dụng thu phát tín hiệu lĩnh vực kĩ thuật
Với yêu cầu môn học, tiểu luận này, tơi sâu nghiên cứu, phân tích làm rõ kiến thức ý đồ SGK chương “Dao động sóng điện từ” sách giáo khoa vật lí 12 nâng cao
Tiểu luận chia thành phần lớn:
Phần mở đầu trình bày lí nghiên cứu tiểu luận;
Phần nội dung: nghiên cứu nội dung kiến thức chương, yêu cầu chuẩn kiến thức kĩ cần đạt tìm hiểu số ứng dụng quan trọng kiến thức sống
(3)PHẦN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THƠNG
CHƯƠNG DAO ĐỘNG VÀ SĨNG ĐIỆN TỪ VẬT LÍ 12 NÂNG CAO 1 Nhiệm vụ chương “Dao động sóng điện từ”
Chương “Dao động sóng điện từ” chương nằm phần điện từ trường trình bày chương trình Vật lí phổ thơng Nhiệm vụ chương giới thiệu giúp học sinh tiếp cận với kiến thức dao động điện từ sóng điện từ
Trong kiến thức chương tập trung phân tích khái niệm mạch dao động, sóng điện từ, giải thích tồn đồng thời điện trường từ trường qua hình thành khái niệm sóng điện từ cho học sinh Đồng thời giúp học sinh so sánh tìm hiểu tương quan sóng điện từ với dao động sóng Nội dung chương đề cập đến loại dao động điện từ, đặc điểm sóng điện từ
Đặc biệt, chương giải thích cho học sinh kiến thức ngun tắc truyền thơng sóng điện từ lĩnh vực nghiên cứu có nhiều ứng dụng quan trọng sống đại
2 Lịch sử phát triển khoa học nghiên cứu sóng điện từ
1820 Hans Christian Oersted (1777 - 1851) nhà Vật lí – hóa học người Đan mạch thiết lập mối liên hệ tượng điện từ
1831 Michael Faraday (1791 - 1867) nhà Vật lí – hóa học người Anh khám phá tượng cảm ứng điện từ
1833 Lenx - nhà Vật lí người Nga phát quy luật chiều suất điện động cảm ứng
1873 James Clerk Maxwell (1831 - 1879) người Scothland phát triển ý kiến Faraday xây dựng lý thuyết điện từ trường, chứng minh tồn điện từ trường ơng tìm điều kiện lan truyền sóng điện từ chứng minh sóng điện từ lan truyền với vận tốc vận tốc ánh sáng
1888 Heinrich Rudolf Hertz (1857 - 1894) nhà Vật lí người Đức thực nghiệm thực có kết việc phát sóng điện từ
Và từ nay, việc phát thu sóng điện từ khơng ngừng phát triển ngày trở nên quan trọng trọng sống xã hội
3 Sơ đồ kiến thức chương “Dao động sóng điện từ”
(4)4 Chuẩn kiến thức – kĩ năng
4.1 Kiến thức
- Trình bày cấu tạo nêu vai trò tụ điện cuộn cảm hoạt động mạch LC
- Viết cơng thức tính chu kỳ dao động riêng mạch dao động LC - Nêu dao động điện từ
- Nêu lượng dao động điện từ - Nêu điện từ trường sóng điện từ - Nêu tính chất sóng điện từ
Dao động điện từ
Dao động điện từ
Điện trường biến thiên
Từ trường xoáy
Từ trường biến thiên
Điện trường xoáy
Điện từ trường
Ứng dụng
Ăng ten Truyền thơng sóng điện từ
Năng lượng điện từ
Dao động điện từ tắt dần
Dao động điện từ trì, dao động điện từ cưỡng
Sóng điện từ Dao động
điện từ tự
Maxwell
Maxwell
Sự tương tự dao động điện từ dao động
(5)- Nêu chức khối sơ đồ khối máy phát máy thu sóng vơ tuyến điện đơn giản
- Nêu ứng dụng sóng vơ tuyến điện thông tin liên lạc
4.2 Kỹ năng
- Vẽ sơ đồ khối máy phát máy thu sóng vơ tuyến điện - Vận dụng cơng thức T = 2π LC.
5 Phân tích nội dung kiến thức
5.1. Mạch dao động (khung dao động)
5.1.1. Khái niệm
Mạch dao động khái niệm mà HS tiếp xúc nghiên cứu dao động điện từ Mạch dao động gồm cuộn
cảm có độ tự cảm L mắc nối tiếp với tụ điện có điện dung C thành mạch kín Ta thường gọi mạch dao động LC
Nếu điện trở mạch nhỏ (coi khơng) mạch dao động lí tưởng Thực tế, cuộn dây ln có điện trở r ≠ 0, nên khơng có mạch dao động lí tưởng Chính điện trở làm cho lượng hệ bị tiêu hao dạng nhiệt nên dao động mạch LC bị tắt dần
Mạch hình vẽ mạch dao động lí tưởng, đơn giản Thơng thường mạch dao động khơng phải chứa cuộn dây tụ điện mà chứa hệ tụ điện cuộn dây ghép nối tiếp song song tùy theo yêu cầu mục đích sử dụng
5.1.2. Lưu ý
Mạch LRC mà ta xét tốn dịng điện xoay chiều sau xem mạch dao động điện từ, mạch dao động điện từ lí tưởng
5.2. Dao động điện từ
5.2.1. Một số khái niệm
5.2.1.1 Dao động điện từ
Để nghiên cứu dao động điện từ ta khảo sát trình phóng điện q trình nạp điện tụ điện C qua cuộn L (hình 1)
Để mạch dao động ban đầu ta cần cung cấp cho mạch lượng E Ban đầu khóa K (1) nguồn điện tích điện cho cho hai tụ điện đến điện tích Q0 hiệu
điện cực đại hai tụ điện U0 =
Q0/C
Với U0 = E – I.r = E (do mạch hở)
Học viên thực hiện: Ngô Thị Thúy Ngân Trang
C
L
Hình 1: Mạch dao động điện từ tự
C L
K E
(6)Khi tụ điện có dự trữ điện năng: max CU
W đ
Khi chuyển K từ (1) đến (2), tụ điện tạo thành mạch kín với cuộn dây L Lúc tụ điện bắt đầu phóng điện (đóng vai trị
nguồn điện tức thời)
Ban đầu: t0 đến t1 cường độ dòng điện
qua mạch tăng dần tạo từ trường quanh cuộn dây làm tập trung lượng tụ điện chuyển sang cuộn dây Trong cuộn dây xuất dòng điện tự cảm với
dt di L
e (định luật Lenx) làm chậm phóng điện tụ Nên tụ C phóng điện điện tụ giảm độ tăng dịng điện giảm Tại thời điểm t1 dòng điện qua cuộn dây đạt cực đại I0 điện
áp tụ Tất điện lúc chuyển hóa hồn tồn thành lượng từ trường tập trung cuộn dây, trị số lượng xác định:
2 max
2 LI
W t
Đối với mạch lí tưởng: Wt max= Wđ max
Khi điện tích tụ điện q = cuộn cảm trở thành nguồn lượng, từ t1 đến t2
thì dịng điện giảm, tụ điện bắt đầu nạp điện trở lại, điện áp tụ điện tăng lên nhiên dấu điện tích hai tụ điện ngược lại Năng lượng từ trường biến đổi trở lại thành lượng điện trường tụ điện Sau điện tích tụ đạt giá trị cực đại, tụ điện lại phóng điện trình tiếp diễn trình dao động điện từ mạch LC tương tự lắc đơn
Trong mạch có biến thiên q i ta nói mạch LC có đặc điểm là mạch dao động điện từ.
5.2.1.2. Dao động điện từ tự do
Q trình tuần hồn việc biến đổi lượng tụ C cuộn L mạch dao động khơng tác động nguồn bên ngồi gọi dao động riêng (dao động tự do) mạch dao động
5.2.1.3. Dao động điện từ tắt dần
Như khảo sát mạch dao động xem mạch lí tưởng có nghĩa điện trở dây dẫn cuộn dây r ≈ lượng điện trường lượng từ trường mạch biến thiên qua lại lẫn Thực tế, cuộn dây ln có điện trở r ≠ 0, nên khơng
t t t t
UC , IL
UC IL
t
0
t
(7)có mạch dao động lí tưởng Chính điện trở làm cho lượng hệ bị tiêu hao dạng nhiệt nên dao động mạch LC bị tắt dần
5.2.1.4. Dao động điện từ trì
Nguyên nhân dao động điện từ tự hệ thực tắt dần lượng dao động phần chuyển thành nhiệt lượng thông qua điện trở Để tránh tắt dần dao động tự người ta tìm cách cấp thêm lượng cho vật dao
động để bù lại phần lượng chuyển thành nhiệt, mà không làm thay đổi tần số riêng dao động gọi dao động trì Trong kỹ thuật vơ tuyến điện tử, có hai phương pháp để bù tiêu hao lượng:
- Dùng lượng nguồn điện ngồi: dao động cưỡng hay cịn gọi kích thích ngồi
- Thiết lập mạch điện tử để tự bù tiêu hao: máy tạo dao động hình sin tự kích thích
5.2.1.5. Dao động điện từ cưỡng bức
Dao động cưỡng dao động mạch dao động LC kích thích lượng nguồn điện bên để bù tiêu hao Nguồn lượng bên ngồi điện áp xoay chiều hình sin Mạch dao động dao động với tần số nguồn cưỡng
Khi tần số dao động cưỡng tần số dao động riêng mạch ta có hiện tượng cộng hưởng.
Ví dụ: Mạch trì dao động RLC dùng tranzito
Học viên thực hiện: Ngô Thị Thúy Ngân Trang
L C
u ͠
R
(8)Dao động điện trì sơ đồ hình vẽ, cuộn dây L’ mắc hỗ cảm với cuộn dây L, có dao động mạch
RLC hỗ cảm nên cuộn L’ có suất điện động cảm ứng
Suất điện động cảm ứng tác động lên cực badơ tranditor làm cho dòng điện chạy qua cực colectơ biến đối theo tần số dao động điện mạch
RLC pha với hiệu điện hai đầu cuộn cảm L
Nhờ mà dao động tự mạch RLC tiếp thêm lượng chu kỳ trì Cần ý nhờ dao động mạch RLC mà dịng điện cực colectơ tạo để quay trơ lại bù đắp lượng mạch RLC,
thông số phù hợp tạo cân lượng hao hụt lượng bù đắp
5.2.2. Khảo sát dao động mạch LC
Xét mạch dao động LC hình vẽ, vận dụng định luật Ohm cho đoạn mạch AB ta
có: uAB = e – i.r
Với mạch lí tưởng r ≈ uAB ≈
dt di L e
Với quy ước dấu hình bên q' dt dq i Ta lại có:
C q
u , nên:
2
d q q -L =
dt C :
1 q''+ q=0
LC
Đặt ω=
LC ta có
2
q''+ω q=0 phương
trình điện động lực học dao động điện mạch LC Phương trình phương trình vi phân tuyến tính bậc giải ta chọn dạng nghiệm q =Q0 cos (ωt+φ); Q0
và φ hai số phụ thuộc điều kiện ban đầu Biểu thức cường độ dòng điện là:
cos sin 0
Q t I t
dt dq i
với I0 Q0
Hình 5: Đồ thị biến thiên điện tích cường độ dịng điện
(9)Hiệu điện hai A B tụ điện: u q q t
AB ' 0sin
Như thấy dao động điện mạch LC dao động điều hoà tức biến đổi theo qui luật hình sin Và dịng điện i ln lệch pha π
2 với điện tích hiệu điện hai đầu cuộn cảm tụ điện
5.2.3. Năng lượng dao động điều hồ
Khi xảy q trình dao động điện mạch LC, điện tích q A tụ điện biến đổi theo thời gian theo qui luật: q =Q0 cos (ωt+φ)
Q0 điện tích cực đại giữ vai trò biên độ dao động Giữa hai tụ điện có
điện trường, lượng Wđ điện trường có biểu thức sau :
2 d
1 q
W Cu qu
2 2C
hay
2 d
Q
W cos ( t )
2C
Cuộn dây với độ tự cảm L có dịng điện i chạy qua tạo nên từ trường lượng Wt từ trường có biểu thức sau :
2
2
t
Q
W Li sin ( t )
2 2C
Năng lượng toàn phần W dao động điện tồng lượng Wđ điện trường
Wt từ trường W W t Wd
hay
2
2
0 0
Q
1 1
W CU Q U LI
2 2C
= const
Từ biểu thức ta rút kết luận trính dao động điện, lượng tồn phần E dao động khơng đổi( bảo tồn), có chuyển hoá lượng điện trường lượng từ trường Năng lượng toàn phần dao động lượng điện trường tụ điện tích điện lượng cực đại, lúc cường độ dịng điện khơng lượng từ trường không
5.3. Lý thuyết điện từ Maxwell
Sự đời lý thuyết: Xét mạch kín đứng yên từ trường biến thiên Từ thơng qua mạch kín thay đổi làm mạch xuất dịng điện cảm ứng (định luật Lenx)
Sự xuất dòng điện cảm ứng, chứng tỏ mạch phải tồn trường lực lạ tác dụng lực làm dịch chuyển electron Phân tích kết thực nghiệm Faraday, Maxwell cho rằng, trường lực lạ
Học viên thực hiện: Ngô Thị Thúy Ngân Trang
(10)điện trường Nhưng điện trường điện trường tĩnh mà theo Maxwell điện trường phải điện trường xốy.
Theo ơng, ngun nhân gây điện trường xốy biến thiên từ trường Vì trước từ thơng qua cuộn dây biến thiên mạch chưa có dịng điện Từ Ơng đưa luận điểm thứ nhất: “Mọi từ trường biên thiên theo thời gian làm xuất hiện một điện trường xoáy”
* Đặc điểm điện trường xốy: có đường sức khép kín lưu thơng vectơ cường độ điện trường xoáy dọc theo cong khơng phụ thuộc vào vị trí điểm đầu điểm cuối, mà cịn phụ thuộc vào hình dạng đường cong mà ta tính lưu thơng
* Vì lưu thơng vectơ cường độ điện trường xốy dọc theo cong kín khác khơng
* Chính vậy, điện trường xốy đóng vai trò trường lực lạ, tạo suất điện động làm di chuyển điện tích mạch, tạo thành dịng điện khép kín Dựa vào định luật Faraday tượng cảm ứng điện từ, Maxwell xây dựng phương trình diễn tả định lượng luận điểm thứ mình: dS
t B l d E S L ) ( )
( (1)
Phương trình (1) gọi phương trình Maxwell – Faraday dạng tích phân Nó diễn tả đặc tính xốy của điện trường Trong đó, vế phải thể tốc độ biến thiên từ thơng qua diện tích S; vế trái lưu thơng vectơ cường độ điện trường xốy dọc theo chu tuyến L bao quanh S Ở dạng vi phân, phương trình Maxwell – Faraday có dạng:
t B E rot (2) Luận điểm thứ hai Maxwell – dòng điện dịch: Maxwell cho từ trường biến thiên sinh điện trường xoáy
Phân tích tượng điện từ khác Maxwell khẳng định phải có điều ngược lại:
“Mọi điện trường biến thiên theo thời gian làm xuất từ trường”, nội dung luận điểm thứ hai Maxwell
Vì từ trường dấu hiệu tất yếu dòng điện, nên biến thiên điện trường tạo từ trường biến thiên điện trường có tác dụng dịng điện Maxwell gọi dịng điện dịch, để phân biệt với dòng điện dẫn, dịng chuyển dời có hướng điện tích
(11)Để hình dung dịng điện dịch, ta xét mạch điện xoay chiều gồm tụ điện C mắc nối tiếp với bóng đèn Đèn sáng bình thường, điều giải thích tụ điện liên tục phóng điện nạp điện nên dây dẫn đèn ln tồn dịng điện dẫn xoay chiều Còn hai tụ điện, mạch hở nên khơng có dịng điện dẫn Nhưng hiệu điện hai tụ biến thiên làm điện trường lòng tụ biến thiên, sinh
dòng điện dịch Như dòng điện dẫn dây dẫn mạch điện đóng kín bằng dịng điện dịch trong lịng tụ điện
Dịng điện dịch có tính chất giống dịng điện dẫn chỗ gây từ trường Nhưng khơng giống dịng điện dẫn chất: dòng điện dẫn chuyển dời có hướng điện tích mơi trường dẫn đó; cịn dịng điện dịch biến thiên điện trường sinh Vì thế, khác với dịng điện dẫn, dịng điện dịch tồn điện môi chân khơng; dịng điện dịch khơng có tác dụng nhiệt Joule – Lenz dòng điện dẫn
Với giả thuyết dòng điện dịch, cách vận
dụng định lý Ampère lưu thông vectơ cường độ từ trường, Maxwell thiết lập biểu thức định lượng cho luận điểm thứ hai mình:
) ( )
(L S
S d t D j l d H (3)
Phương trình(3) gọi phương trình Maxwell – Ampère dạng tích phân Trong J véc tơ mật độ dịng điện dẫn;
t D
là véc tơ mật độ dòng điện dịch Vế phải biểu diễn cường độ dòng điện tồn phần (gồm dịng điện dẫn dịng điện dịch) chảy qua tiết diện S; Vế trái lưu thông vectơ cường độ từ trường dọc theo chu tuyến L bao quanh S Phương trình Maxwell cịn có dạng vi phân tương đương với hệ phương trình đại số sau:
t D j y H x H t D j x H z H t D j z H y H z z x y y y z x x x y z
Lưu ý: Hệ phương trình Maxwell
Học viên thực hiện: Ngô Thị Thúy Ngân Trang 11
(12)Theo luận điểm Maxwel, từ trường biến thiên sinh điện trường xoáy ngược lại, mà biến thiên từ trường bất kỳ, nên đạo hàm H
t
biến thiên theo thời gian, điện trường xốy xuất biến thiên theo thời gian lại gây từ trường biến thiên, … Như vậy, điện trường từ trường liên hệ chặt chẽ với chuyển hoá lẫn Chúng tồn đồng thời không gian tạo thành trường thống – trường điện từ Khái niệm trường điện từ được Maxwell nêu lên để diễn tả định lượng, ơng thiết lập phương trình – gọi hệ phương trình Maxwell
Phương trình thứ hệ phương trình phương trình Maxwell – Faraday diễn tả luận điểm thứ Maxwell mối liên hệ từ trường biến thiên điện trường xốy Phương trình thứ phương trình Maxwell – Ampère diễn tả luận điểm thứ hai Maxwell mối liên hệ điện trường biến thiên từ trường Các phương trình thứ thứ diễn tả định lý Ostrogradsky – Gauss dạng vi phân, tích phân điện trường từ trường Ngồi phương trình trên, cịn có phương trình diễn tả mối quan hệ đại lượng đặc trưng cho trường E ,D ,B ,H với đại lượng đặc trưng cho tính chất môi trường (μ,σ,ε,):
+ Môi trường điện môi: D=εε E 0 (7.1) + Môi trường điện dẫn: J=σE (7.2) + Mơi trường từ hố: B=μμ H 0 (7.3)
Trong phương trình Maxwell, đại lượng đặc trưng cho trường đại lượng biến thiên theo toạ độ thời gian Nói cách khác, chúng hàm x, y, z, t
Hệ phương trình Maxwell bao hàm tất định luật điện từ Trường tĩnh điện, từ trường tĩnh sóng điện từ trường hợp riêng điện từ trường mà
Ý nghĩa thuyết Maxwell
Lý thuyết điện từ Maxwell thống điện trường từ trường , bước phát triển hoàn thiện hiểu biết người điện, từ Trước đó, hiểu biết người điện, từ rời rạc; người ta quan niệm điện và từ là hai lĩnh vực không liên quan Maxwell phát triển ý tưởng Faraday điện, từ cách sâu sắc xây dựng lý thuyết thống điện từ - lý thuyết trường điện từ - cách hoàn hảo
(13)Maxwell khẳng định ánh sáng sóng điện từ Với đóng góp to lớn mình, Maxwell đánh giá nhà vật lí tiên phong, mở bước ngoặt lịch sử nhận thức nhân loại
5.4. Điện từ trường
Mỗi biến thiên theo thời gian từ trường sinh không gian xung quanh điện trường xoáy biến thiên theo thời gian ngược lại biến thiên theo thời gian điện trường sinh từ trường biến thiên theo thời gian không gian xung quanh
Như vậy, điện trường biến thiên từ trường biến thiên tồn khơng gian Chúng chuyển hóa lẫn trường thống gọi điện từ trường
Trong thực tế ta nói tới điện trường hay từ trường ta xét tới mặt chỉnh thể điện từ trường mà thơi, khơng có tồn riêng biệt điện trường hay từ trường
5.5. Sóng điện từ
5.5.1. Khái niệm
Quá trình lan truyền điện từ trường gọi sóng điện từ
Maxwell tiên đoán tồn sóng điện từ xây dựng phương trình tốn học quy luật gọi phương trình Maxwell
Học viên thực hiện: Ngơ Thị Thúy Ngân Trang 13
(14)5.5.2. Đặc điểm sóng điện từ
- Vận tốc lan truyền sóng điện từ chân khơng c = 3.10
8 m/s; môi trường
vật chất đồng đẳng hướng làv=c
n , với n=εμ chiết suất tuyết đối môi trường; ε μ hệ số điện môi từ mơi mơi trường Vì ε, μ > nên n > v < c
- Sóng điện từ sóng ngang: điểm khơng gian có sóng điện từ, vectơ E
và
Bluôn dao động theo hai phương vuông góc hai vec tơ vng góc với phương truyền sóng
- Khác với sóng học, sóng điện từ truyền mơi trường vật chất trong chân không
Trong chân khơng, sóng điện từ có bước sóng là: λ = c T
Những đặc điểm kiểm chứng thực tế Sau sóng điện từ phát thu phương tiện ngày tiến
5.5.3. Tính chất sóng điện từ
- Sóng điện từ có mang lượng Năng lượng sóng điện từ lượng điện từ trường Mật độ lượng sóng điện từ là: w=εε E + μμ H1 0 1 0
2 2
- Sóng điện từ tuân theo quy luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ. - Sóng điện từ tuân theo quy luật giao thoa, nhiễu xạ.
(15)5.5.4. Thang sóng điện từ
6 Sự tương tự dao động điện từ dao động cơ
So sánh trình dao động điện từ đơn giản mạch dao động LC dao động lắc lị xo (hình vẽ ) Ta thấy tương tự điện tương tự qui luật dao động ( biến đổi điều hoà theo thời gian) hệ dao động học mạch điện, dựa sở đồng dạng phương trình vi phân mơ tả hệ
Sau nêu lên tương ứng cặp đại lượng( điện)
Cùng biến thiên theo qui luật có vai trị phương trình vi phân q trình dao động
Đại lượng Phương trình
cơ điện Dao động cơ Dao động điện
x” + 2x = 0 Q” + 2q = 0
m, k L,
C
k m
LC
x q x = Acos(t + ) q = q0cos(t + )
v i v = x’ = -Asin(t + ) i = q’ = -q0sin(t + )
A Q0 2
v A =x +( )
ω
2
2
0
i Q =q +
ω
Cơ NL điện từ W = Wđ + Wt W = Wđ + Wt
Wđ Wt (WC) Wđ =
1
2mv
2 W
t =
1 2Li
2
Wt Wđ (WL) Wt =
2kx
2 W
đ =
2 q C
(16)7. Ứng dụng của sóng điện từ trong kỹ thuật
7.1. Ang ten
và lan truyền sóng điện từ
7.1.1. Mạch dao
động kín Nếu mạch dao động RLC có tụ điện song song với nhau, khoảng cách hai nhỏ so với diện tích hai bản, ống dây dài có vịng dây khép sít nhau, tiết diện ống dây nhỏ so với chiều dài ống dây trình dao động điện từ lượng điện trường tập trung khoảng không gian hai tụ, lượng điện trường tập trung lòng ống dây Kết điện từ trường mạch tạo không truyền ngoài, mạch người ta gọi mạch dao động kín
(17)Vậy muốn điện từ trường lan truyền xa cần chuyển mạch kí thành mạch hở Nếu tách xa hai cực tụ điện C, đồng thời tách xa vịng dây cuộn cảm L vùng khơng gian có điện trường biến thiên từ trường biến thiên mở rộng dần
7.1.3. Anten
Anten dạng mạch dao động hở công cụ hữu hiệu để thu phát sóng điện từ Anten có nhiều dạng khác tuỳ theo tần số sóng nhu cầu sử dụng Hình 10d
Một số ví dụ loại Anten sử dụng
Học viên thực hiện: Ngô Thị Thúy Ngân Trang 17
Hình 11: An ten có chấn tử kim loại
Hình 12: Anten thu sóng vơ tuyến Mic khơng dây
Hình 13: Anten có mặt kim loại phản xạ
(18)Giải thích: Giả sử Anten có electron dao động tạo điện từ trường biến thiên theo sơ đồ hình 14
Và sau có điện trường xốy biến thiên để tạo thành điện từ trường lan truyền khơng gian Thậm chí tạo sóng điện từ thí nghiệm đơn giản nối hai tụ điện mở với ắc qui đóng ngắt khố k tạo sóng điện từ lan truyền hình
(19)Hình 15 : Có thể tạo sóng điện từ cách đơn giản
Các dao động điện từ truyền tù mạch dao động Anten cách ghép qua cuộn cảm, cuộn cảm L mạch dao động phát dao động có tần số điều chỉnh mắc song song với cuộn L’ Anten Do tượng cảm ứng điện từ ống dây L’ có dao động điện từ tần số với dao động mạch, dao động điện từ truyền phát xa
Hình 16: Sóng điện từ phát từ Anten lưỡng cực
(20)7.2. Ngun tắc thu phát thơng tin sóng điện từ
Liên lạc sóng điện từ phương pháp phát thu thông tin khoảng cách xa xa nhờ sóng điện từ khơng cần dây dẫn nên cự ly truyền thu sóng trở nên rộng lớn Từ điểm mặt đất thông tin truyền đến nơi giới
Để truyền thông tin âm thanh, hình ảnh đến nơi xa, người ta áp dụng qui trình chung sau:
- Biến âm từ micro, hình ảnh từ camera thành tín dao động điện tần số thấp gọi tín hiệu âm tần
* Xét trình phát âm (phát thanh)
(21)- Trộn tín hiệu âm tần hình 18.a có lượng thấp khơng thể mang xa, vào sóng cao tần( tần số cao) hình 18.b có lượng lớn nhiều để mang sóng âm tần xa Q trình gọi biến điệu tần số, kết trình biến điệu sóng có tần số tần số sóng cao tần biên độ biến thiên theo tần số sóng âm tần( hình 18.c)
Hình 18: Biến điệu sóng cao tần
(22)-Các tín hiệu truyền không gian đến Anten máy thu, Anten máy thu có vơ số sóng vơ tuyến từ đài phát khác Cuộn dây L’ Anten mắc song song với cuộn dây L mạch dao động, cần chọn sóng ta điều chỉnh tụ C mạch LC để có tần số dao động trùng với tần số dao động sóng cần thu Trong mạch dao động có tượng cộng hưởng với sóng cần thu Sóng vơ tuyến khuếch đại truyền đến phận phát âm
SƠ ĐỒ
KHỐI MỘT HỆ THỐNG VIỄN THÔNG
Hình 20: Sơ đồ khối hệ thống viễn thơng
(23)7.3. Sự truyền sóng điện từ quanh Trái đất
Các đặc tính truyền sóng điện từ truyền kênh truyền dây mềm phụ thuộc nhiều vào tần số Điều thấy từ bảng kê Phổ điện từ chia làm băng lớn:
- Sóng mặt đất ( Ground ware ) - Sóng trời ( Sky ware )
- Sóng truyền theo đường tầm mắt ( light of sight ) LOS
Người ta thưởng vào tần số để chia sóng điện từ thành dải sóng sau:
Băng tần Ký hiệu Đặt tính truyền Những ứng dụng tiêu biểu
(24)3 - 30KHz VLFvery low frequency
Sóng đất Suy giảm ngày đêm Nhiểu khơng khí cao
Thơng tin nước 30- 300KHz LFlow frequency Tương tự VLF Ít tin cậy Bị
hấp thu vào ban ngày
Hướng dẫn radio cho hải hành
300-3000KHzMFMedium frequency
Sóng đất sóng trời ban đêm Suy giảm vào ban nhiểu vào ban ngày Nhiểu khơng khí
Radio hàng hải Tần số cấp cứu phát sống Am
3 - 30MHz HFHight frequency
Sự phản xạ tần ion cần thay đổi theo thời gian ngày, theo mùa theo tần số Nhiểu khơng khí 30Mhz
radio nghiệp dư Phát quốc tế Viễn thông quân Thông tin đường dài cho khơng hành hải hành Điện thoại, điện tín, fax 30- 300MHz VHFVery high frequency
Gần với LOS Sự tán xạ gây thay đổi nhiệt độ Nhiễu khơng gian
Truyền hình VHF Radio FM stereo Trợ giúp không hành
0.3 - GHz1.0 - 2.0 GHz2.0 - 4.0 GHz
UHFUltra high
frequencyLS
Truyền LOS Nhiễu không gian
Truyền hình VHF Radio FM Stereo Trợ giúp khơng hành
3 30 GHz2
-4.04.0
-8.08.0
12.012.0 18.018.0 -27.027.0-40.0
SHFSupper high
frequencySCXKUKKa
Truyền LOS Suy giảm Oxi nước không khí Sự hấp thụ nước cao 22.2 GHz
Viễn thông vệ tinh Radar microwave links
30 - 300 GHz26.5
-4033.0
50.040.0 75.075.0 -110.0110 – 300
EHFExtremely high frequencyRQVWMm
Tương tự Hơi nước hấp thụ mạnh 183GHz Oxy hấp thu 60 119 GHz
Radar, vệ tinh, thí nghiệm
103 – 107 IR (Hồng ngoại ) ánh sáng khả kiến UV ( Tử
(25)ngoại ) Bảng
7.4. Một số ứng dụng khác sóng điện từ 7.4.1. Rađa
Nguyên tắc: phát sóng điện từ có tần số biên độ phù hợp vào vật có kích thước lớn thu sóng phản xạ để xác định vị trí kích thước vật Lịch sử đời: Một nhà văn người Mỹ trình bày 1911trong tiểu thuyết khoa học viễn tưởng, nguyên lý Ra đa hai người Anh E.V.Eppleton M Bannet áp dụng để phát lớp nhiễm điện khí quyển, nhiên kỹ thuật lúc cịn sơ khai Năm 1935 Robert Watson Watt dùng đa phát máy bay cách xa 50 kM Ngày Ra đa sử dụng phổ biến quân sự, theo dõi thời tiết, liên lạc hàng khơng…
Ngày giới có loại máy bay chiến đấu gọi máy bay tàng hình Tàng hình khơng phải khơng thể nhìn thấy, mà bên ngồi máy bay có chất đặc biệt hấp thụ sóng phát từ Ra đa, nên nhiều loại Rađa phát loại máy bay
Hình 22 : Máy bay tàng hình quân đội Mỹ
7.4.2. Lị vi sóng
Lị vi sóng thiết bị dùng để nấu thức ăn cách phát sóng điện từ phù hợp tác động lên thức ăn làm thức ăn nóng lên
Hình 23: Lị vi sóng
(26)7.4.3. Bếp từ
Bếp từ loại bếp dùng sóng điện từ tạo dịng điện cảm ứng khối kim loại làm nồi, chảo nấu ăn
(27)PHẦN KẾT LUẬN
Qua trình tìm hiểu thực tiểu luận thu số kinh nghiệm sau: - Nội dung kiên thức phần “Dao động sóng điện từ” đa dạng phong phú Để
hiểu nội dung kiến thức phần này, người giáo viên cần phải nghiên cứu chi tiết nội dung lý thuyết điện từ Maxwell Bên cạnh nội dung lý thuyết trừu tượng phải sử dụng cơng cụ tốn học bậc cao hiểu cách trọn vẹn Vì vậy, trình dạy học cần phải có phương pháp phù hợp để truyền đạt đến học sinh nội dung phần
- Những khái niệm kiến thức chương gần với thực tế có nhiều ứng dụng quan trọng nên dạy học có hiệu giáo viên cần tham khảo thêm ví dụ thực tế để học sinh động nhằm kích thích hứng thú học tập học sinh
Thông qua việc nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng chương “Dao động sóng điện từ” tơi có dịp nghiên cứu nhiều tài liệu Từ hiểu sâu sắc kiến thức phần Sau nghiên cứu, học nhiều điều từ kiến thức cũ Điều quan trọng giảng dạy Tôi tự tin vào kiến thức từ tìm cách hướng dẫn để học sinh lĩnh hội kiến thức cách hiệu
(28)TÀI LIỆU THAM KHẢO Cơ sở vật lý tập -D.Halliday, R.Resnick, J.Walker- NXB Giáo Dục Dao động sóng- Phạm Q Tư, Nguyễn Thị Bảo Ngọc- NXB Giáo Dục Vật lý 12 – Lương Duyên Bình chủ biên- NXB Giáo Dục
4 Vật lý 12 nâng cao -Vũ Thế Khôi chủ biên- NXB Giáo Dục
5 Vật lý 12 Sách giáo viên – Lương Duyên Bình chủ biên - NXB Giáo Dục Vật lý 12 nâng cao Sách giáo viên - Vũ Thế Khôi chủ biên - NXB Giáo Dục
7 Hướng dẫn thực chương trình sách giáo khoa 12- Nguyễn Trọng Sửu- NXB Giáo Dục Lịch sử vật lý- Phạm Quí Tư-NXB Giáo Dục