Bài 22: Sóng điện từ

I. Tóm tắt lý thuyết:

1. Sóng điện từ

-  Định nghĩa: Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong không gian.

-  Đặc điểm:

+ Sóng điện từ là sóng ngang, lan truyền được trong chân không và trong các môi trường vật chất. Tốc độ  sóng điện từ phụ thuộc vào môi trường truyền sóng; trong chân không, không khí là \[c = {3.10^8}m/s\;\] (tốc độ lớn nhất con người có thể đạt được), trong các môi trường khác, tốc độ nhỏ hơn c.

+ Véctơ cường độ điện trường \[\vec E\] và véctơ cảm ứng từ \[\vec B\] luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng. 3 véctơ \[\vec E\], \[\vec B\] và \[\vec v\] tại mọi điểm tạo với nhau thành một tam diện thuận.

+ Dao động của điện trường và của từ trường tại một điểm luôn luôn đồng pha với nhau.

+ Sóng điện từ tuân theo định luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ như ánh sáng .

+ Sóng điện từ mang năng lượng. Năng lượng sóng điện từ tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của tần số.

2. Bảng sóng vô tuyến và ứng dụng

Loại sóng	Bước sóng	Đặc điểm	Ứng dụng
Sóng dài	≥ 1000m	+ Có năng lượng thấp + Bị các vật trên mặt đất hấp thụ mạnh nhưng nước lại hấp thụ ít	Dùng trong thông tin liên lạc dưới nước
Sóng trung	100 - 1000m	+ Ban ngày bị tầng điện li hấp thụ mạnh nên không truyền đi xa được + Ban đêm bị tầng điện li phản xạ nên truyền đi xa được	Dùng trong thông tin liên lạc vào ban đêm
Sóng ngắn	10 - 100m	+ Có năng lượng lớn + Bị phản xạ nhiêu lần giữa tầng điện li và mặt đất	Dùng trong thông tin liên lạc trên mặt đất
Sóng cực ngắn	1 - 10m	+ Có năng lượng rất lớn + Không bị tâng điện li hấp thụ hay phản xạ + Xuyên qua tầng điện li vào vũ trụ	Dùng trong thông  tin vũ trụ

* Tầng điện li là một lớp khí quyển, trong đó các phần tử khí đã bị ion hóa rất mạnh dưới tác dụng của các tia tử ngoại trong ánh sáng Măt Trời. tầng điện ly kéo dài từ độ cao 80÷800 km.

II. Bài tập minh hoạ:

Bài 1: Mạch dao động ở lối vào của một máy thu thanh gồm một cuộn cảm có độ tự cảm 5 μH và một tụ điện có điện dung biến thiên. Để thu sóng có bước sóng 31 m thì phải điều chỉnh điện dung của tụ điện bằng bao nhiêu?

Giải:

\[\begin{array}{*{20}{l}}
{\lambda {\rm{ \;}} = cT = c2\pi \sqrt {LC} }\\
{ \to C = \frac{{{\lambda ^2}}}{{4{\pi ^2}{c^2}L}} = 5,{{4.10}^{ - 11}}F = 54pF}
\end{array}\]

Bài 2: Trong Mạch chọn sóng của một máy thu vô tuyến điện, bộ cuộn cảm có độ tự cảm thay đổi từ 1 mH đến 25 mH. Để mạch chỉ bắt được các sóng điện từ có bước sóng từ 120 m đến 1200 m thì bộ tụ điện phải có điện dung biến đổi trong khoảng?

Giải:

Ta có: \[\lambda {\rm{ \;}} = cT = c.2\pi \sqrt {LC} \]

\[\begin{array}{*{20}{l}}
{ \to C = {{\left( {\frac{\lambda }{{2\pi c}}} \right)}^2}.\frac{1}{L}}\\
{ \to {C_{\min }} = {{\left( {\frac{{{\lambda _{\min }}}}{{2\pi c}}} \right)}^2}.\frac{1}{{{L_{\min }}}} = {{4.10}^{ - 12}}F = 4pF}\\
{ \to {C_{\max }} = {{\left( {\frac{{{\lambda _{\max }}}}{{2\pi c}}} \right)}^2}.\frac{1}{{{L_{\max }}}} = {{16.10}^{ - 12}}F = 16pF}
\end{array}\]

Bài 3: Một tụ điện xoay có điện dung cực đại \[{C_{max}}\; = {\rm{ }}490pF\], khi các lá nằm đối diện hoàn toàn và sau khi quay các lá đi \[{180^o}\] điện dung giảm đến cực tiểu \[{C_{min}}\; = {\rm{ }}10pF\]. Tìm điện dung của tụ điện xoay khi quay các lá đi một góc \[{30^o}\] kể từ vị trí cực đại là bao nhiêu?

Giải:

Khi quay các lá đi điện dung của tụ điện xoay giảm từ \[{C_{max}}\; = {\rm{ }}490pF\] đến \[{C_{min}}\; = {\rm{ }}10pF\] tức là đã giảm đi một lượng:

\[{C_{max}}\; - {C_{min}}\; = 480pF\]

Điện dung của tụ xoay sau khi các lá quay đi một góc \[\alpha  = {30^o}\] là:

\[{C_{V\alpha }} = {C_{{V_{\max }}}} - \frac{{{C_{{V_{\max }}}} - {C_{{V_{\min }}}}}}{{180^\circ }}.\alpha ^\circ  = 490 - 80 = 410pF\]

Bài 4: Một mạch dao động LC đang dao động tự do. Người ta đo được điện tích cực đại trên 1 bản tụ là \[{Q_0}\; = {10^{ - 6}}\;C\] và dòng điện cực đại trong mạch \[{I_0}\; = 10A\]. Bước sóng điện từ mà mạch có thể phát ra là bao nhiêu?

Bài 5: Mạch chọn sóng của một máy thu thanh gồm một cuộn dây thuần cảm và một tụ điện có điện dung biến đổi được. Khi đặt điện dung của tụ điện có giá trị 15 pF thì bắt được sóng có bước sóng 25 m. Khi điện dung của tụ điện giá trị 135 pF thì sẽ bắt được sóng có bước sóng bằng bao nhiêu?

Bài 6: Mạch chọn sóng của một máy thu sóng vô tuyến gồm cuộn cảm thuần có \[L = 0,4/\pi \] H và tụ điện có C thay đổi được. Điều chỉnh \[C = 10/9\pi \] pF thì mạch này thu được sóng điện từ có bước sóng là bao nhiêu?

Bài 7: Mạch dao động ở lối vào của một máy thu thanh có thể bắt được các sóng ngắn và sóng trung có bước sóng từ 10 m đến 1 km. Biết điện dung C của tụ điện biến thiên trong khoảng từ 15 pF đến 860 pF; vận tốc ánh sáng trong chân không \[c = {3.10^8}\;m/s\]. Độ tự cảm L của mạch biến thiên trong khoảng bao nhiêu?  

Bài 8: Một Mạch chọn sóng gồm cuộn cảm có độ tự cảm 4 μH và một tụ điện có điện dung biến đổi từ 5 pF đến 400 pF. Lấy \[\pi  = 10\]. Dải sóng vô tuyến thu được với mạch trên có bước sóng trong khoảng bao nhiêu?

Bài 9: Một tụ xoay gồm 10 tấm, diện tích đối diện giữa 2 bản là \[S = 3,14c{m^2}\], khoảng cách giữa 2 tấm liên tiếp là d = 0,5mm, giữa các bản là không khí. Tụ này được mắc vào 2 đầu của 1 cuộn dây thuần cảm có L = 5mH. Bước sóng điện từ mà khung này thu được là bao nhiêu?

Bài 10: Tụ xoay có điện dung biến thiên liên tục và tỉ lệ thuận với góc quay từ giá trị \[{C_1}\; = 10pF\] đến \[{C_2}\; = 370pF\] tương ứng khi góc quay của các bản tụ tăng dần từ \[{0^o}\] đến \[{180^o}\]. Tụ điện được mắc với một cuộn dây có hệ số tự cảm L = 2 μH để tạo thành mạch chọn sóng của máy thu. Để thu được sóng có bước sóng λ = 18,84 m phải xoay tụ một góc bằng bao nhiêu kể từ khi tụ có điện dung nhỏ nhất?