Giáo trình Vật lý 2 - Chương 2: Dao động và sóng điện tử

GIÁO TRÌNH VẬT LÝ 2
Thuyết Maxwell và thí nghiệm của Hertz
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
 Vào khoảng năm 1865, James Clerk Maxwell đã đưa ra
hệ thống các phương trình về điện và từ, sau này chính
là hệ thống các phương trình Maxwell. Nhờ đó,
Maxwell đã tiên đoán được sự tồn tại của sóng điện từ.
 Vào khoảng năm 1887, Heinrich Rudolf Hertz lần đầu
tiên trong lịch sử chứng tỏ được sự tồn tại của sóng
điện từ bằng thực nghiệm. Từ đó lý thuyết điện từ của
Maxwell đã giúp cho chúng ta có những bước tiến lớn
trong Vật lý.
Sóng vô tuyến và ứng dụng
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
 Sóng vô tuyến là một kiểu bức xạ điện từ với bước
sóng trong phổ điện từ dài hơn bước sóng của tia
hồng ngoại, có tần số nằm trong khoảng từ 3kHz đến
khoảng 300GHz.
 Sóng vô tuyến được sử dụng để truyền thông tin
(không dây) giữa bộ phận phát và bộ phận thu. Nó có
vai trò rất lớn trong đời sống, khoa học kỹ thuật.
 Ngoài ra nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
(điều khiển, chụp cộng hưởng từ, lò viba, ).
Dao động điện từ và mạch LC
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
 Hạt nhân của việc sử dụng sóng vô tuyến đó là bộ phận
phát và thu sóng vô tuyến, cả hai bộ phận này đều dựa
trên sự dao động trong mạch LC.
 Mạch LC là một mạch khép kín gồm một tụ điện và
một cuộn dây nối với nhau. Sự phóng điện giữa hai
bản tụ điện qua cuộn dây tạo thành dao động trong
mạch với tần số xác định.
Mạch LC lý tưởng
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
constLi
2
1
C2
q
WWW 2
2
LC 
0i
LC
1
dt
id
0Li
2
1
C2
q
dt
d
2
2
2
2








LC
1
0 0i
dt
id 2
02
2

Dao động điện từ điều hòa
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
 0i
dt
id 2
02
2
  tcosIi 00
LC
1
0 
LC2T 
LC2
1
f


Mạch LC có điện trở (thực tế)
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
2
2
LC Li
2
1
C2
q
WWW 
0i
LC
1
dt
di
L
R
dt
id
2
2


L2
R
;
LC
1
0  *0i
dt
di
2
dt
id 2
02
2

dtRiLi
2
1
C2
q
ddtRidW 22
2
2 






Dao động điện từ tắt dần
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
 





 
22
0
t
0 tcoseIi
0
   
2
02
1 R
LC 4L
   
2
2
2 2
T
1 R
LC 4L
 
 


2
2
1 1 R
f
2 2 LC 4L

  
 
Mạch LC có nguồn cưỡng bức
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
2
2
LC Li
2
1
C2
q
WWW 
 
2
0
2
Ed i R di 1
i cos t
L dt LC Ldt

   

L2
R
;
LC
1
0  
2
2 0
02
Ed i di
2 i cos t
dt Ldt

    
2dW Ri dt e.i.dt 
 0e E sin t 
Dao động điện từ cưỡng bức
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
 0i I cos t    
0
0 22
L C
E
I
R Z Z

 
  L C
Z Z
cot
R

 
Hệ thống các phương trình Maxwell
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
 
 
 
 
div B 0
div D
B
rot E
t
D
rot H j
t
 

  


  

  
 
chân không
 
 
 
  0 0
div B 0
div E 0
B
rot E
t
E
rot B
t
 

 


  

   
 
Sóng điện từ
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
2
0 0 2
E
E 0
t

    

 Từ các phương trình trên, Maxwell xây dựng được phương
trình lan truyền, đây là bằng chứng lý thuyết chứng tỏ sự
tồn tại của sóng điện từ
 8
0 0
1
v c 3.10 m/s  
 
 Vận tốc lan truyền được tính theo lý thuyết:
Những tính chất cơ bản của SĐT
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
 Có đầy đủ các tính chất của sóng nói chung.
 Truyền trong mọi môi trường, truyền tốt nhất trong
chân không, các môi trường vật chất sẽ bị cản trở.
 Truyền với vận tốc rất lớn, bằng vận tốc ánh sáng.
 Gồm hai thành phần: Điện trường và Từ trường
Sóng điện từ phẳng đơn sắc
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
 Sóng điện từ đơn sắc truyền đi sao cho mặt phẳng dao động
không đổi và các tia sóng song song với nhau được gọi là
sóng điện từ phẳng đơn sắc.
Sóng điện từ phẳng đơn sắc
Vật lý 2 \ Chương 2 – Dao động và sóng điện từ
 
 
0
0
E E cos t
H H cos t
  

 
 Biểu thức điện trường và từ trường
2 2 2
0 0 0
1 1
w E H E
2 2
     
 Mật độ năng lượng
0 0
E H  
2 2 20 0
0 0 0 0
0 0
1 1 1
I E v E H
2 2 2
 
   
 
 Cường độ của sóng điện từ phẳng đơn sắc