Sóng điện từ

SÓNG ĐIỆN TỪ

Chuyên đề này gồm 3 vấn đề: Điện từ trường, sóng điện từ, truyền thông bằng sóng điện từ

A. LÍ THUYẾT

1. Điện từ trường

a. Điện từ trường:

+ Trường xoáy: là trường có đường sức là đường cong kín

Ví dụ: Điện trường của một điện tích điểm đứng yên không phải là trường xoáy

Từ trường là một trường xoáy

b. Các giả thuyết của Măcxoen về điện từ trường.

• Giả thuyết 1:

– Mọi từ trường biến thiên theo thời gian đều sinh ra một điện trường xoáy.
– Điện trường xoáy là điện trường mà các đường sức bao quanh các đường cảm ứng từ

• Giả thuyết 2:

– Mọi điện trường biến thiên theo thời gian đều sinh ra một từ trường xoáy.
– Từ trường xoáy là từ trường mà các đường cảm ứng từ bao quanh các đướng sức của điện trường.

Kết luận

– Phát minh của Măcxoen dẫn đến kết luận không thể có điện trường hoặc từ trường tồn tại riêng biệt, độc lập với nhau. Điện trường biến thiên nào cũng sinh ra từ trường biến thiên và ngược lại từ trường biến thiên nào cũng sinh ra điện trường biến thiên.
c. Điện từ trường:

Điện trường và từ trường là hai mặt thể hiện khác nhau của một loại trường duy nhất gọi là điện từ trường.

2. Sóng điện từ.

a. 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.

b. Tính chất

– Sóng điện từ và sóng cơ có bản chất khác nhau.nhưng đều là quá trình nhưng đều là quá trình truyền năng lượng

– Môi trường sóng điện từ truyền trong được cả trong môi trường vật chất là môi trường chân không. Vận tốc truyền sóng phụ thuộc trong môi trường (Trong chân không truyền với vận tốc ánh sáng)

– Sóng điện từ là sóng ngang, trong quá trình truyền sóng $\overrightarrow{E}$ và $\overrightarrow{B}$ luôn có phương vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng. Cường độ điện trường E và cảm ứng từ B của điện từ trường luôn biến thiên cùng pha

– Sóng điện từ có thể:

+ Sóng điện từ tuân theo định luật phản xạ, định luật khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ, …

c.Phân loại sóng điện từ.

Loại sóng	Tần số	Bước sóng	Đặc tính
Sóng dài	$3\text{ - 300 KHz}$	${{10}^{5}}\text{ - 1}{{\text{0}}^{\text{3}}}\text{ m}$	Năng lượng nhỏ, ít bị nước hấp thụ
Sóng trung	$0,3\text{ - 3 MHz}$	${{10}^{3}}\text{ - 1}{{\text{0}}^{\text{2}}}\text{ m}$	Ban ngày tầng điện li hấp thụ mạnh, ban đêm tầng điện li phản xạ
Sóng ngắn	$3\text{ - 30 MHz}$	${{10}^{2}}\text{ - 10 m}$	Năng lượng lớn, bị tầng điện li và mặt đất phản xạ nhiều lần
Sóng cực ngắn	$30\text{ - 30000 MHz}$	$10\text{ - 1}{{\text{0}}^{{\text{-2}}}}\text{ m}$	Có năng lượng rất lớn, không bị tầng điện li hấp thụ, truyền theo đường thẳng

(Tần điện li: là tầng khí quyển ở độ cao từ 80-800km có chứa nhiều hạt mang điện tích là các electron, ion dương và ion âm.)

d. So sánh với sóng cơ

	Sóng điện từ (sóng ánh sáng)	Sóng cơ (sóng âm)
Giống nhau	– Đều mang năng lượng – Có khả năng nhiễu xạ, giao thoa – Tần số chỉ phụ thuộc vào nguồn – Tốc độ (bước sóng) phụ thuộc vào môi trường
Khác nhau	– Sóng ngang	– Có thể là sóng ngang, sóng dọc
	– Truyền trong mọi môi trường	– Chỉ truyền trong môi trường vật chất
	– Tốc độ truyền sóng phụ thuộc vào cả tần số Vận tốc trong chân không là lớn nhất n = c/v	– Tốc độ truyền sóng phụ thuộc vào môi trường + Mật độ : V_rắn> V_lỏng > V_khí + Nhiệt độ + Lực liên kết

3. Truyền thông bằng sóng điện từ

a. Mạch dao động kín và hở

– Mạch LC là mạch dao động kín: không phát sóng điện từ.

– Nếu bản cực tụ điện bị lệch: có sóng điện từ thoát ra.

– Thực tế dùng anten: ở giữa là cuộn dây, ở trên hở, đầu dưới nối đất.

*/ Anten :

– Là một mạch dao động hở (năng lượng điện trường và năng lượng từ trường có khả năng khuyết tan )

b. Sơ đồ truyền sóng điện từ

– Biến điệu: Trộn sóng âm tần và sóng cao tần tạo ra sóng cao tần có li độ cực đại biến thiên theo âm tần: Hình vẽ

– Chọn sóng: Dựa trên hiện tượng cộng hưởng điện từ

Bước sóng của sóng điện từ mà mạch phát ra hay thu được:

$\lambda =c.T=\frac{c}{f}=2\pi c\sqrt{{LC}}$ với c =3.10⁸ m/s

II. BÀI TẬP

DẠNG 1 : Bài tập về tần số và bước sóng của sóng điện từ

1. Công thức cơ bản

$\omega =\frac{1}{{\sqrt{{LC}}}}$ , $\displaystyle T=\frac{{2\pi }}{\omega }=2\pi \sqrt{{LC}}$ ; ; $\displaystyle f=\frac{\omega }{{2\pi }}=\frac{1}{{2\pi \sqrt{{LC}}}}$ ; $\displaystyle \lambda =c.T=c.2\pi \sqrt{{LC}}$
Tụ điện

+ Điện dung của tụ phẳng: $\displaystyle C=\frac{{\varepsilon .S}}{{{{{9.10}}^{9}}.4\pi .d}}$

+ Điện dung của tụ xoay: $C=(n-1){{C}_{0}}=(n-1)\frac{{\varepsilon \alpha {{R}^{2}}}}{{8k\pi d}}+b$

+ Nếu bộ tụ gồm ${{C}_{1}},{{C}_{2}},{{C}_{{3,}}}...$ mắc nối tiếp: $\frac{1}{C}=\frac{1}{{{{C}_{1}}}}+\frac{1}{{{{C}_{2}}}}+\frac{1}{{{{C}_{3}}}}+...({{C}_{b}}$ giảm)

+ Nếu bộ tụ gồm ${{C}_{1}},{{C}_{2}},{{C}_{{3,}}}...$ mắc song song: $C={{C}_{1}}+{{C}_{2}}+{{C}_{3}}....({{C}_{{bo}}}$ tăng )

Hệ số tự cảm

+ Công thức tính hệ số tự cảm: $L=4\pi {{10}^{{-7}}}\mu \frac{{{{N}^{2}}}}{l}.S$ (Ghép nối tiếp thì ${{L}_{1}}+{{L}_{2}}=L$ )

2. Kĩ năng

Với bài toán giới hạn (C, L,l): Chia làm hai bộ dữ kiện độc lập (lớn nhất và nhỏ nhất)
Tỉ số: $\frac{{{{f}_{1}}}}{{{{f}_{2}}}}=\sqrt{{\frac{{{{C}_{2}}}}{{{{C}_{1}}}}}}=\sqrt{{\frac{{{{L}_{2}}}}{{{{L}_{1}}}}}}$
Chuyển quan hệ:

$C = x . C_{1} \pm y . C_{2} \overset{f = \frac{1}{2 π \sqrt{L C}}}{\to} \frac{1}{f^{2}} = x . \frac{1}{f_{1}^{2}} \pm y . \frac{1}{f_{2}^{2}} \overset{λ = 2 π c \sqrt{L C}}{\to} λ^{2} = x . λ_{1}^{2} \pm y . λ_{2}^{2}$

$\frac{1}{C} = x . {\frac{1}{C}}_{1} \pm y . {\frac{1}{C}}_{2} \overset{f = \frac{1}{2 π \sqrt{L C}}}{\to} f^{2} = x . f_{1}^{2} \pm y . f_{2}^{2} \overset{λ = 2 π c \sqrt{L C}}{\to} \frac{1}{λ^{2}} = x . \frac{1}{λ_{1}^{2}} \pm y . \frac{1}{λ_{2}^{2}}$

DẠNG 2: Bài tập quá trình truyền sóng điện từ: Trong quá trình truyền sóng điện từ thì tốc độ truyền sóng là không đổi.

Áp dụng công thức S = v.t = c. t (c là tốc độ ánh sáng trong chân không )

VÍ DỤ:

Ví dụ 1 (Bài tập bước sóng của sóng điện từ): Mạch chọn sóng gồm tụ điện C biến đổi từ 100 – 500pF và cuộn dây thuần cảm có L biến đổi từ $10-100\mu H$ . Hỏi sóng này thu điện từ trong khoảng

A. $421,3m\le \lambda \le 59,5m.$ B. $59,5m\le \lambda \le 421,3m.$

C. $421,3\mu m\le \lambda \le 59,5\mu m.$ D. $59,5\mu m\le \lambda \le 421,3\mu m.$

Hướng dẫn

$\lambda =\frac{c}{f}=c.2\pi .\sqrt{{LC}}$

${{\lambda }_{{\min }}}=c.2\pi \sqrt{{{{L}_{{\min }}}{{C}_{{\min }}}}}={{3.10}^{8}}.2\pi \sqrt{{{{{100.10}}^{{-12}}}{{{.10.10}}^{{-6}}}}}=59,5m$

${{\lambda }_{{\max }}}=c.2\pi \sqrt{{{{L}_{{\max }}}{{C}_{{\max }}}}}={{3.10}^{8}}.2\pi \sqrt{{{{{500.10}}^{{-12}}}{{{.100.10}}^{{-6}}}}}=421,3m$