Vật lí Phổ thông

Chuyên trang Trắc nghiệm Trực tuyến môn Vật lí
Tìm kiếm

Vật lý Lớp 12

Chương 4: Mạch dao động điện từ LC

I. Mạch dao động LC.

1. Cấu tạo: Mạch dao động gồm một tụ điện mắc nối tiếp với một cuộn cảm thành mạch kín.

- Khi điện trở R rất nhỏ (~ 0) thì mạch dao động được xem là lí tưởng, và trong mạch có dao động điện từ tự do.

- Trường hợp mạch dao động có điện trở thuần R ≠ 0 thì dao động sẽ tắt dần. Để duy trì dao động cần cung cấp cho mạch một năng lượng để bù vào năng lượng mất đi. Năng lượng này cỡ:

$ A = R{I^2}t = \frac{{U_0^2RC}}{{2L}}t $

2. Nguyên tắc hoạt động: Ban đầu tích điện cho tụ điện rồi cho nó phóng điện tạo ra một dòng điện xoay chiều trong mạch. Sự biến thiên điều hòa của điện trường và từ trường trong mạch dao động gọi là dao động điện từ tự do trong mạch với tần số góc $\omega = \frac{1}{{\sqrt {LC} }} $

- Điện tích của 1 bản tụ điện biến thiên điều hòa theo thời gian: q=Q0cos(ωt + φ)

- Biểu thức điện áp hai đầu bản tụ: u=U0cos(ωt + φ) với $U_0 = \frac {Q_0}{C}$

- Biểu thức dòng điện trong mạch: i= q’= I0cos(ωt + φ + π/2) với $ I_0= \omega Q_0 = U_0 \sqrt {\frac {C}{L}}$

Liên hệ giữa q và i
Liên hệ giữa q và u
Liên hệ giữa u và i
$ \frac{q^2}{Q_0^2} + \frac{i^2}{I_0^2} = 1 $ 

Hệ thức độc lập

$ q = Cu $

Phương trình bậc 1

$ \frac{u^2}{U_0^2} + \frac{i^2}{I_0^2} = 1 $

Hệ thức độc lập
Đồ thị (q, i) là đường elip Đồ thị (q, u) là đoạn thẳng Đồ thị (u, i) là đường elip
q trễ pha π/2 so với i q cùng pha với u u trễ pha π/2 so với i

3. Năng lượng của mạch dao động:

- Năng lượng điện trường tập trung ở tụ điện: Wđ=$ \frac{Cu^2}{2} = \frac{{{q^2}}}{{2C}} = \frac{qu}{2} $

- Năng lượng từ trường tập trung ở cuộn cảm: Wt=$ \frac{Li^2}{2} $.

- Tổng năng lượng điện trường và năng lượng từ trường của mạch dao động gọi là năng lượng điện từ. $ W = W_đ + W_t = \frac{CU_0^2}{2} = \frac{LI_0^2}{2} = \frac{{Q_0^2}}{{2C}} = \frac{Q_0U_0}{2} $

Chú ý: Mạch dao động có tần số góc ω, tần số f và chu kỳ T thì Wđ và Wt biến thiên với tần số góc 2ω, tần số 2f và chu kỳ T/2. Mạch dao động có điện trở thuần R ≠ 0 thì dao động sẽ tắt dần. Để duy trì dao động cần cung cấp cho mạch một năng lượng đúng bằng năng lượng mất mát trong từng chu kì nhờ mạch dao động dùng tranzitor.

  + Khi Wt=nWđ ⇒ $ q = \pm \frac{{{Q_0}}}{{\sqrt {n + 1} }} $ và $ u = \pm \frac{{{U_0}}}{{\sqrt {n + 1} }} $ và $ i = \pm {I_0}\sqrt {\frac{n}{{n + 1}}} $

  + Tỉ số năng lượng điện trường và năng lượng điện từ: $ \frac{{{W_đ }}}{W} = {\left( {\frac{q}{{{Q_0}}}} \right)^2} $

  + Tỉ số năng lượng điện từ và năng lượng điện trường: $ \frac{W}{{{W_đ }}} = {\left( {\frac{{{Q_0}}}{q}} \right)^2} $

  + Tỉ số năng lượng từ trường và năng lượng điện trường: $ \frac{{{W_t}}}{{{W_đ }}} = \frac{{W - {W_đ }}}{{{W_đ }}} = {\left( {\frac{{{Q_0}}}{q}} \right)^2} - 1 $

  + Tỉ số năng lượng từ trường và năng lượng điện từ: $ \frac{{{W_t}}}{W} = \frac{{W - {W_đ }}}{W} = 1 - {\left( {\frac{q}{{{Q_0}}}} \right)^2} $

  + Năng lượng điện trường và năng lượng từ trường trung bình trong thời gian nT/2 là: $ \frac{W}{2} = \frac{{Q_0^2}}{{4C}} $

4. Ghép tụ:

Tụ điện mắc song song. Tụ điện mắc nối tiếp.

 Điện dung tăng.

 C=C1+C2

 $ \frac{1}{f^2} = \frac{1}{f_1^2} + \frac{1}{f_2^2} $

 $ T^2 = T_1^2 + T_2^2$

 $ \lambda ^2 = \lambda_1^2 + \lambda_2^2$

 Điện dung giảm.

 $\frac{1}{C} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2}$

 $ f^2 = f_1^2 + f_2^2$

 $ \frac{1}{T^2} = \frac{1}{T_1^2} + \frac{1}{T_2^2} $

 $ \frac{1}{\lambda ^2} = \frac{1}{\lambda_1^2} + \frac{1}{\lambda_2^2} $

I. ĐIỆN TỪ TRƯỜNG: Là trường có hai thành phần biến thiên theo thời gian, liên quan mật thiết với nhau gồm điện trường biến thiên và từ trường biến thiên. Nếu tại một nơi có điện trường biến thiên theo thời gian thì tại nơi đó xuất hiện từ trường xoáy. Ngược lại nếu tại một nơi có từ trường biến thiên theo thời gian thì tại đó xuất hiện điện trường xoáy.

  - Điện trường xoáy: Điện trường có đường sức là những đường cong kín gọi là điện trường xoáy.

  - Từ trường xoáy: Từ trường mà đường sức của nó bao giờ cũng khép kín.

  - Dòng điện dẫn: là dòng điện chạy trong dây dẫn.

  - Dòng điện dịch: là phần dòng điện (ảo) chạy qua tụ điện.

II. SÓNG ĐIỆN TỪ: Sóng điện từ chính là điện từ trường lan truyền trong không gian. Có các đặc điểm sau:

  - Sóng điện từ là sóng ngang: $ \vec E \bot \vec B \bot \vec c $. Tuy nhiên, dao động của điện trường và của từ trường tại một điểm luôn luôn đồng pha với nhau.

  - Sóng điện từ mang năng lượng.

  - Sóng điện từ lan truyền được trong chân không với tốc độ c ≈ 3.108m/s và trong môi trường có chiết suất n (với $n = \sqrt {\varepsilon \mu } $) thì $v = \frac {c}{n}$

  - Khi sóng điện từ gặp mặt phân cách giữa hai môi trường thì nó bị phản xạ và khúc xạ. Khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường thì tần số thì không đổi nhưng tốc độ và bước sóng có thể thay đổi.

  - Bước sóng của sóng điện từ: $\lambda = 2\pi c \sqrt{LC}$

1. Thang sóng điện từ: Các sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X, và tia gamma đều có cùng một bản chất là sóng điện từ, chúng chỉ khác nhau về bước sóng (tần số). Các tia có bước sóng càng ngắn có tính đâm xuyên càng mạnh, dễ tác dụng lên kính ảnh, dễ làm phát quang các chất và ion hóa không khí. Các tia có bước sóng dài, ta dễ quan sát hiện tượng giao thoa.

- Nếu sắp xếp theo thứ tự bước sóng giảm dần (tần số tăng dần) ta được một thang sóng điện từ như sau: Sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X, tia gamma.

2. Các bức xạ điện từ không nhìn thấy.

- Thang sóng vô tuyến: Sóng điện từ có bước sóng từ vài m đến vài km được dùng trong thông tin liên lạc vô tuyến gọi là sóng vô tuyến gồm: Sóng cực ngắn, Sóng ngắn, Sóng trung, Sóng dài.

Sóng cực ngắn Sóng ngắn Sóng trung Sóng dài
Bước sóng 0,01m ÷ 10m 10m ÷ 100m 100m ÷ 1000m >1000 m
Đặc điểm

- Có Năng lương rất lớn và truyền đi được trên mặt đất.

- Không bị tần điện ly hấp thụ hoặc phản xạ, có khả năng truyền rất xa theo đường thẳng.

- Có Năng lượng lớn, truyền đi được mọi địa điểm trên mặt đất.

- Có khả năng phản xạ nhiều lần giữa tần điện ly và mặt đất.

- Có Năng lương khá lớn, truyền đi được trên mặt đất.

- Bị tần điện ly hấp thụ vào ban ngày và phản xạ vào ban đêm.

- Có Năng lựơng nhỏ, không truyền được đi xa trên mặt đất.

- Ít bị nước hấp thụ.
Ứng dụng Dùng để thông tin trong vũ trụ. Dùng để thông tin trên mặt đất. Dùng thông tin ban đêm. Thông tin dưới nước.

  Tia Hồng ngoại Tia Tử ngoại Tia X (Rơnghen)
Định nghĩa Là sóng điện từ λ > 0,76 μm Là sóng điện từ λ < 0,38 μm Là sóng điện từ 10-11 < λ < 10-8m
Bản chất Là sóng điện từ Là sóng điện từ Là sóng điện từ
Tác dụng

- Tác dụng nhiệt rất mạnh.

- Tác dụng lên phim ảnh hồng ngoại.

- Gây ra 1 số phản ứng hóa học.

- Biến điệu được như sóng điện từ.<

- Ion hóa không khí

- Bị nước, thủy tinh hấp thụ.

- Tác dụng lên phim ảnh.

- Kích thích sự phát quang.

- Kích thích nhiều phản ứng hóa học.

- Tác dụng sinh học.

- Đâm xuyên mạnh.

- Bị nước, thủy tinh hấp thụ.

- Tác dụng lên phim ảnh.

- Kích thích sự phát quang.

- Kích thích nhiều phản ứng hóa học.

- Ion hóa không khí.

- Tác dụng sinh học.
Ứng dụng

- Sấy khô, sưởi ấm, sơn xe mau khô.

- Chụm ảnh hồng ngoại, bộ điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại, ống nhòm hồng ngoại, camera hồng ngoại, tên lửa tự động tìm mục tiêu.

- diệt khuẩn, nấm mốc, tiệt trùng dụng cụ phẩu thuật, nước đóng chai.

- Chữa bệnh còi xương.

- Dò tìm vết nứt trên bề mặt sản phẩm kim loại.

- Dùng phim ảnh để nghiên cứu tia tử ngoại, đèn huỳnh quang, các phản ứng tổng hợp O3, gây hiện tượng quang điện.

- Chụp điện, chiếu điện.

- Chữa bệch ung thư nông.

- Dò tìm khuyết tật trong vật đúc, kiểm tra hành lí, nghiên cứu cấu trúc kim loại.

- Dùng chì làm tấm chắn để bảo vệ cho người khi sử dụng tia X, máy đo liều lượng tia Rơnghen.
Nguồn phát Mọi vật đều phát tia hồng ngoại (> 00K), Mặt trời, cơ thể người, bếp ga, bếp than, đèn điện dây tóc nhiệt độ thấp, điốt phát quang hồng ngoại. Nhưng để nhận biết một vật thông qua tia hồng ngoại, thì vật đó phải có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường. Vật có nhiệt độ cao trên 20000C, hồ quang điện, Mặt trời, đèn hơi thủy ngân. Dùng ống tia X hay ống Culítgiơ: chùm tia catot (chùm êlectron) có năng lượng lớn đập vào kim loại có nguyên tử lượng lớn sẽ phát tia X.

* Sơ đồ khối của máy phát và thu sóng vô tuyến.

Máy phát Máy thu

(1): Micrô: Dùng micrô để biến dao động âm thành dao động điện: sóng âm tần.

(2): Mạch phát sóng điện từ cao tần: Phải dùng các sóng vô tuyến có bước sóng ngắn nằm trong vùng các dải sóng vô tuyến để làm sóng mang.

(3): Mạch biến điệu: Phải biến điệu các sóng mang, Dùng mạch biến điệu để “trộn” sóng âm tần với sóng mang.

(4): Mạch khuyếch đại: Ta dùng các mạch khuếch đại sóng rồi đưa ra anten phát.

(5): Anten phát: Sóng điện từ cao tần đã biến điệu được Anten phát đi trong không gian.

(1): Anten thu: Dùng máy thu với anten thu để chọn và thu lấy sóng điện từ cao tần muốn thu.

(2): Mạch khuyếch đại dao động điện từ cao tần: Dùng các mạch khuếch đại để khuếch đại tín hiệu thu được

(3): Mạch tách sóng: Tách tín hiệu âm tần ra khỏi sóng cao tần.

(4): Mạch khuyếch đại dao động điện từ âm tần: khuếch đại tín hiệu âm tần rồi truyền tới loa hoặc màn hình.

(5): Loa, màn hình: Để phát âm thanh, hình ảnh.