Dao Động Điện Từ Và Sóng Điện Từ

Dao động điện từ và Sóng điện từ là một phần kiến thức trọng tâm trong chương trình Vật lý lớp 12. Nội dung này thường xuyên xuất hiện trong các bài kiểm tra, thi cuối cấp của các em học sinh bậc THPT. Bài viết sau đây của Marathon Education sẽ tổng hợp những lý thuyết trọng tâm về dao động điện từ và sóng điện từ, giúp các em đạt được điểm số cao trong đợt kiểm tra sắp tới.

Dao động điện từ

Sự biến thiên điện tích

Với mạch dao động là một mạch kín bao gồm một cuộn dây có điện dung C, độ tự cảm L và điện trở thuần không đáng kể được nối lại với nhau.

• Điện tích trên tụ điện trong mạch dao động là: q = Q₀.cos(ωt + φ)
• Điện áp giữa hai bản tụ điện là: u = qC = U₀.cos(ωt + φ) (Với U₀ = q0C)

=> Nhận xét: Điện áp giữa hai bản tụ điện CÙNG PHA với điện tích trên tụ điện

• Cường độ dòng điện là: 

i = q’ = – ωq₀.sin(ωt + φ) =  I₀.cos(ωt +φ + π2) (Với I₀ = q₀.ω)

=> Nhận xét: Cường độ dòng điện NHANH PHA hơn điện tích trên tụ điện góc

• Hệ thức liên hệ: (qq₀)² + (iI₀)² = 1 hay (q.ωI₀)² + (iI₀)² = 1 hay (qq₀)² + (iω.q₀)² = 1
• Tần số góc: ω = 1LC
• Chu kì và tần số riêng của mạch dao động: T = 2πLC và f = 12πLC
• Liên hệ giữa giá trị biên độ và hiệu dụng: U₀ = U2 ; I₀ = I2A

Năng lượng điện từ trong mạch dao động

Năng lượng điện từ trong mạch dao động bao gồm:

• Năng lượng điện trường trong tụ điện:

W_đ = 12Cu² = 12qu = q22C = Q²₀/2C.cos²(ωt + φ) => W_đ = L2 (I²₀ – i²)

• Năng lượng từ trường trong cuộn cảm L:

W_t = 12Li² = Q²₀/2C. sin²(ωt + φ) => W_t = C2 (U²₀ – u²)

• Năng lượng từ trường và điện trường biến thiên tuần hoàn với tần số góc sau: ω’ = 2ω; f’=2f và chu kì T’ = T2
• Năng lượng điện từ trong mạch:

W = W_đ + W_t = W_đmax + W_tmax => W = 12CU₀² = 12Q₀U₀ = Q₀²/2C = 12LI₀²

Hay: W = W_C + W_L = 12.Q²₀/C.cos²(ωt + φ) + 12.Q₀²/C.sin²(ωt + φ)

=> W = 12.Q²₀/C = 12LI₀² = 12CU₀² = hằng số

Với q₀, I₀ và U₀ trong mạch dao động là: Q₀ = CU₀ = I0ω = I₀LC = I₀

* Lưu ý:

• Trong một chu kì dao động điện từ, có bốn lần năng lượng điện trường bằng với năng lượng từ trường.
• Khoảng thời gian giữa hai lần bằng nhau liên tiếp của năng lượng từ trường và năng lượng điện trường là T4
• Mạch dao động có điện trở R ≠ 0 thì dao động sẽ tắt dần. Để duy trì dao động này cần cung cấp cho mạch điện một năng lượng có công suất là:

P = I²R = I₀²/2.R = (ω².C².U₀²)/2.R = (U₀².C)/2L.R

• Quy ước: Với q > 0 ứng với bản tụ ta xét tích điện dương thì i > 0 ứng với dòng điện chạy đến bản tụ mà ta xét.
• Khi tụ phóng điện thì u và q giảm và ngược lại khi tụ nạp điện thì u và q tăng.
• Trên một bản tụ điện thì khoảng thời gian giữa 2 lần liên tiếp mà điện tích có độ lớn cực đại là: Δt = T2
• Khoảng thời gian ngắn nhất Δt để điện tích trên bản tụ này tích điện bằng một nửa giá trị cực đại là: T6

Cường độ dòng điện

Trong cuộn dây L biến thiên điều hòa thì cường độ dòng điện là:

i = q’ = -ωQ₀sin(ωt + φ) = ωQ₀sin(ωt + φ + π) = I₀sin(ωt + φ + π)

(Với I₀ = ωQ₀ chính là cường độ dòng điện cực đại).

=> Kết luận: q, u, i biến thiên điều hòa cùng tần số và có pha: u cùng pha với q, i sớm pha hơn q là p/2

Các loại dao động

Dao động tự do

Điều kiện để mạch điện dao động tự do là điện trở bằng không.

Dao động tắt dần

• Dao động tắt dần xảy ra do nguyên nhân là điện trở làm tiêu hao năng lượng dưới dạng điện năng
• Dao động tắt nhanh hay chậm phụ thuộc chủ yếu vào điện trở (Điện trở càng lớn thì dao động tắt càng nhanh)
• Công thức của dao động tắt dần:

Cho tới khi tắt hẳn thì năng lượng mất mát là: W_mất = Q = I².Rt

Dao động duy trì

• Cách duy trì là: Dùng một mạch để điều khiển
• Dao động duy trì có đặc điểm là: Dao động với tần số tự do
• Để duy trì được dao động chúng ta cần cung cấp cho nó phần năng lượng đúng bằng phần năng lượng đã tiêu hao trong quá trình dao động. Theo định luật Jun – Lenxơ, ta có mạch cung cấp cần công suất là:          

\begin{aligned}
& P=I^2R=U_0^2.C.\frac{R}{2L}
\end{aligned}

Dao động cưỡng bức

• Cách làm: Đặt vào hai đầu của mạch điện từ một hiệu điện thế biến thiên điều hòa
• Đặc điểm: Dao động với tần số bằng với tần số của hiệu điện thế ngoài.
• Điều kiện cộng hưởng cần có là: Ω= ω

Điện từ trường 

Giả thuyết Macxoen 

Khi từ trường biến thiên theo thời gian (t), nó sinh ra điện trường xoáy có đường sức điện bao quanh đường cảm ứng từ (Lúc này điện trường tĩnh có đường sức điện hở).

Khi điện trường biến thiên theo thời gian t thì sinh ra từ trường có đường cảm ứng từ bao quanh đường sức điện.

⇒ Vậy điện trường hoặc từ trường không thể tồn tại riêng biệt, độc lập nhau. Điện trường và từ trường là hai mặt cá thể riêng của một trường duy nhất là trường điện từ.

Dòng điện dịch

Khi tụ điện phóng điện hay tích điện thì giữa hai bản cực có điện trường biến thiên sinh ra từ trường xoáy như dòng điện chạy trong dây dẫn đi qua tụ điện.

Do đó, dòng điện dịch được hiểu là sự biến thiên của điện trường giữa các bản tụ điện (nơi không có dây dẫn) tương đương với dòng chạy trong dây dẫn, cũng sinh ra từ trường biến thiên.

Dòng điện dịch và dòng điện dẫn tạo thành một dòng điện khép kín trong mạch.

Sóng điện từ

Định nghĩa

Sóng điện từ được hiểu là quá trình lan truyền trong không gian của điện từ trường biến thiên tuần hoàn theo thời gian.

Đặc điểm của sóng điện từ

Sóng điện từ bao gồm những đặc điểm sau đây:

• Sóng điện từ lan truyền được trong chân không (Với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng là c ≈ 3.108m/s). Đồng thời, sóng điện từ cũng lan truyền trong các điện môi. Đặc biệt, tốc độ lan truyền của sóng điện từ trong chân không lớn hơn trong các điện môi và phụ thuộc vào hằng số điện môi.
• Sóng điện từ là sóng ngang. Trong quá trình lan truyền vectơ E và vectơ B luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng. Tại mỗi điểm dao động của điện trường và từ trường  luôn cùng pha với nhau.
• Khi sóng điện từ gặp mặt phân cách giữa hai môi trường thì nó cũng bị khúc xạ và phản xạ như ánh sáng. Ngoài ra cũng có hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa,… sóng điện từ.
• Sóng điện từ mang năng lượng. Khi sóng điện từ truyền đến một anten, làm cho các electron tự do trong anten cũng dao động.
• Nguồn phát sóng điện từ rất phong phú như cầu dao đóng, tia lửa điện, trời sấm sét, ngắt mạch điện,…

Sóng vô tuyến

Sóng vô tuyến được hiểu là sóng điện từ có tần số hàng nghìn Hz trở lên.

Tầng điện ly thì cách mặt đất khoảng 80km và chứa nhiều hạt tích điện.

Phát và thu sóng điện từ

Mạch dao động kín, hở

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

Nếu bản cực tụ điện bị lệch thì sẽ có sóng điện từ thoát ra.

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

Phát và thu sóng điện từ

Phát sóng điện từ: Là sự kết hợp máy phát dao động điều hòa và anten. Mạch hoạt động gây ra điện từ trường biến thiên, anten phát sóng điện từ cùng tần số f.

Thu sóng điện từ: Là sự kết hợp giữa anten với mạch dao động có tụ điện điện dung thay đổi. Điều chỉnh C để mạch cộng hưởng tần số f cần có được gọi là chọn sóng.

Sơ đồ truyền thông bằng sóng vô tuyến

• Dùng micro để biến dao động âm thành dao động điện: sóng âm tần

• Dùng sóng vô tuyến điện từ cao tần có bước sóng từ vài mét đến vài trăm mét để tải các thông tin gọi là sóng mang.

• Phải biến điện sóng điện từ, dùng mạch biến điệu để “trộn” sóng âm tần với sóng mang

• Đặc biệt, ở nơi thu dùng mạch tách sóng để tách sóng âm tần ra khỏi sóng cao tần để đưa ra loa.
• Khi tín hiệu thu được có cường độ nhỏ, ta phải khuếch đại chúng bằng các mạch khuếch đại.

Tham khảo ngay các khoá học online của Marathon Education

Trên đây là những chia sẻ của team Marathon Education về nội dung kiến thức dao động và sóng điện từ của môn Lý lớp 12. Hy vọng với những nội dung lý thuyết được tóm tắt ở trên sẽ giúp các em cải thiện phần nào về kiến thức lĩnh vực này. Hãy liên hệ ngay với Marathon để được tư vấn nếu các em có nhu cầu học trực tuyến nâng cao kiến thức nhé! Marathon Education chúc các em được điểm cao trong các bài kiểm tra và kỳ thi sắp tới!