CHƯƠNG IV : DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ 1. Mạch dao động: * Sự biến thiên điện tích và dòng điện trong mạch dao động: + Mạch dao động là một mạch điện khép kín gồm một tụ điện có điện dung C và một cuộn dây có độ tự cảm L, có điện trở thuần không đáng kể nối với nhau. + Điện tích trên tụ điện trong mạch dao động: q = Q o cos(ωt + ϕ). + Cường độ dòng điện trên cuộn dây: i = q' = - ωQ o sin(ωt + ϕ) = I o cos(ωt + ϕ + 2 π ) với: I 0 = ωQ 0 + Hiệu điện thế trên hai bản tụ: u = U o cos(ωt + ϕ) với U 0 = Dòng điện trong mạch dao động biến thien điều hòa cùng tần số, sơm pha hơn điện tích một góc . Điện tích trên tụ điện và cường độ dòng điện trong mạch dao động biến thiên điều hoà với tần số góc ω = LC 1 . Tần số của mạch dao động chỉ phụ thuộc vào những đặc tính của mạch. - Dao động của điện tích giữa hai bản tụ và cường độ dòng điện i theo ifgian trong mạch dao động gọi là dao động tự do. * Năng lượng điện từ trong mạch dao động + Năng lượng điện trường trên tụ điện W đ = 2 1 Cu 2 = 2 1 C q 2 = 2 1 qu = 2 1 C q 2 = 2 1 C Q o 2 cos 2 (ωt + ϕ). + Năng lượng từ trường trên cuộn cảm W t = 2 1 Li 2 = 2 1 Lω 2 Q o 2 sin 2 (ωt + ϕ) = 2 1 C Q o 2 sin 2 (ωt + ϕ). Năng lượng điện trường và năng lượng từ trường biến thiên điều hoà với tần số góc ω’ = 2ω và chu kì T’ = 2 T . + Năng lượng điện từ trong mạch W = W đ + W t = 2 1 C Q o 2 cos 2 (ωt + ϕ) + 2 1 C Q o 2 sin 2 (ωt + ϕ) = 2 1 C Q o 2 = 2 1 LI o 2 = 2 1 CU o 2 + Năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường khi: q = 2 o Q hoặc i = 2 o I - Năng lượng trong mạch dao động gồm năng lượng điện trường tập trung ở tụ điện và năng lượng từ trường tập trung ở cuộn cảm. - Năng lượng điện trường và năng lượng từ trường biến thiên điều hòa theo thời gian với cùng một tần số. - Tổng năng lượng của điện trường và năng lượng từ trường là không đổi, tức là được bảo toàn. Bộ tụ mắc nối tiếp : . 111 21 ++= CCC Bộ tụ mắc song song: C = C 1 + C 2 + … * Sự tắt dần của dao động điện từ trong mạch dao động + Cuộn cảm và dây nối bao giờ cũng có điện trở thuần dù rất nhỏ làm tiêu hao năng lượng của mạch do tỏa nhiệt. + Ngoài ra còn một phần năng lượng bị bức xạ ra không gian xung quanh dưới dạng sóng điện từ cũng làm giảm năng lượng của mạch. Năng lượng của mạch dao động giảm dần, do đó dao động điện từ trong mạch tắt dần. 2. Điện từ trường: * Từ trường biến thiên, điện trường xoáy + Khi một từ trường biến thiên theo thời gian, nó sinh ra một điện trường xoáy trong không gian xung quanh nó. Điện trường xoáy là điện trường mà các đường sức là những đường cong khép kín, bao quanh các đường cảm ứng từ của từ trường. *Điện trường biến thiên, từ trường xoáy: + Khi một điện trường biến thiên theo thời gian, nó làm xuất hiện một từ trường xoáy. Từ trường xoáy là từ trường mà các đường cảm ứng từ bao quanh các đường sức của điện trường. * Khái niệm về dòng điện dịch: dòng điện dịch là một khái niệm dùng để chỉ sự biến thiên của điện trường, nó tương đương như một dòng điện là đều sinh ra từ trường. Dòng điện trong mạch dao động được coi là dòng điện khép kín gồm dòng điện dẫn chạy trong dây dẫn và dòng điện dịch chạy qua tụ điện. * Điện từ trường Điện trường và từ trường có thể chuyển hóa lẫn nhau, liên hệ với nhau rất chặt chẻ, chúng là hai mặt thể hiện khác nhau của một trường duy nhất gọi là điện từ trường. Điện từ trường lan truyền trong không gian với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng. * Sự khác nhau giữa điện trường xoáy và điện trường tĩnh + Điện trường xoáy có đường sức khép kín, điện trường tĩnh có đường sức không khép kín. + Điện trường xoáy biến thiên theo thời gian, không gian. Điện trường tĩnh không biến đổi theo thời gian, chỉ biến đổi theo không gian. + Điện trường xoáy do từ trường biến thiên sinh ra, điện trường tĩnh do điện tích đứng yên sinh ra. 3.Sóng điện từ: Sóng điện từ là quá trình truyền đi trong không gian của điện từ trường biến thiên tuần hoàn theo thời gian. * Tính chất của sóng điện từ. + Sóng điện từ cũng có những tính chất giống như sóng cơ học. Chúng phản xạ được trên các mặt kim loại. Chúng giao thoa được với nhau. + Sóng điện từ truyền được trong môi trường vật chất và cả 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. Trong chân không tần số f và bước sóng λ của sóng điện từ liên hệ với nhau bởi biểu thức λ = f c . Khi truyền qua các môi trường khác nhau vận tốc của sóng điện từ thay đổi nên bước sóng điện từ thay đổi còn tần số của sóng điện từ thì không đổi. + Sóng điện từ là sóng ngang. Trong quá trình truyền sóng, tại một điểm bất kỳ trên phương truyền véc tơ cường độ điện trường → E và véc tơ cảm ứng từ → B vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng. + Sóng điện từ mang năng lượng. Năng lượng sóng điện từ tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của tần số sóng. * Phân loại và các đặc tính của sóng vô tuyến LOẠI SÓNG TẦN SỐ BƯỚC SÓNG Sóng dài 3 - 300 kHz 10 5 - 10 3 m Sóng trung 0,3 - 3 MHz 10 3 - 10 2 m Sóng ngắn 3 - 30 MHz 10 2 - 10 m Sóng cực ngắn 30 - 30000 MHz 10 - 10 -2 m Đặc tính và phạm vi sử dụng của mỗi loại sóng + Các sóng dài ít bị nước hấp thụ nên được dùng để thông tin dưới nước. Sóng dài ít dùng để thông tin trên mặt đất vì năng lượng nhỏ, không truyền đi xa được. + Các sóng trung truyền được theo bề mặt Trái Đất. Ban ngày chúng bị tầng điện li hấp thụ mạnh nên không truyền được xa. Ban đêm, tầng điện li phản xạ sóng trung nên chúng truyền được đi xa. Các đài thu sóng trung ban đêm nghe rất rỏ còn ban ngày thì nghe không tốt. + Các sóng ngắn có năng lượng lớn hơn sóng trung, chúng được tầng điện li và mặt đất phản xạ đi phản xạ lại nhiều lần. Một đài phát sóng ngắn công suất lớn có thể truyền sóng đi mọi nơi trên Trái Đất. + Các sóng cực ngắn có năng lượng lớn nhất, không bị tầng điện li hấp thụ và phản xạ, có khả năng truyền đi rất xa theo đường thẳng và được dùng trong thông tin vũ trụ. Vô tuyến truyền hình dùng sóng cực ngắn không truyền được đi xa trên mặt đất, muốn truyền hình đi xa, người ta phải làm các đài tiếp sóng trung gian hoặc dùng vệ tinh nhân tạo để thu sóng của đài phát rồi phát trở về Trái Đất. 4. Thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến : * Máy phát dao động điều hoà dùng tranzito Máy phát dao động điều hòa dùng tranzito là một mạch tự dao động dùng để sản ra dao dộng điện từ cao tần không tắt. Máy phát dao động điều hoà gồm một mạch dao động LC, một tranzito và nguồn điện một chiều để bổ sung năng lượng cho mạch dao động LC làm cho dao động điện từ trong mạch LC không tắt dần. * Mạch dao động hở, ăngten Một hệ thống gồm cuộn dây và tụ điện có các bản tụ để lệch nhau thì có thể phát sóng ra xa gọi là mạch dao động hở. Trường hợp để hai bản của tụ điện lệch hẳn một góc 180 o thì khả năng phát sóng của mạch dao động lúc đó là lớn nhất. Ăngten là một dây dẫn dài, có cuộn cảm ở giữa, đầu trên để hở còn đầu dưới tiếp đất. * Phát và thu sóng điện từ Phát sóng điện từ Phối hợp một máy phát dao động điều hòa với một ăngten. Cuộn cảm L của mạch dao động truyền vào cuộn cảm của ăngten một từ trường dao động với tần số f, từ trường này làm phát sinh một điện trường cảm ứng trong ăngten làm các electron trong ăngten dao động với tần số f, ăngten phát ra sóng điện từ tần số f bằng tần số của máy phát dao động điều hoà. Thu sóng điện từ Phối hợp một ăngten với một mạch dao động LC. Ăngten nhận được rất nhiều sóng vô tuyến có tần số khác nhau do nhiều đài phát truyền tới, các electron trong ăngten dao động và mạch LC cũng dao động với tất cả các tần số đó. Muốn thu sóng có tần số f xác định, ta điều chỉnh tụ C của mạch để dao động riêng của mạch có cùng tần số , khi đó có hiện tượng cộng hưởng và trong mạch LC, dao động với tần số f có biên độ lớn hơn hẵn các dao động khác, ta nói mạch LC đã chọn sóng. . đổi nên bước sóng điện từ thay đổi còn tần số của sóng điện từ thì không đổi. + Sóng điện từ là sóng ngang. Trong quá trình truyền sóng, tại một điểm bất. bước sóng λ của sóng điện từ liên hệ với nhau bởi biểu thức λ = f c . Khi truyền qua các môi trường khác nhau vận tốc của sóng điện từ thay đổi nên bước sóng