nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông chương dao đông sóng điện từ

chương “Dao động và sóng điện từ”

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU.........................................................................................................................................................2
PHẦN NỘI DUNG......................................................................................................................................................3
1.Nhiệm vụ của chương “Dao động và sóng điện từ”..................................................................................................3
2.Lịch sử phát triển của khoa học nghiên cứu về sóng điện từ.....................................................................................3
3.Sơ đồ kiến thức của chương “Dao động và sóng điện từ”.........................................................................................3
4.Chuẩn kiến thức – kĩ năng........................................................................................................................................4
4.1.Kiến thức...........................................................................................................................................................4
4.2.Kỹ năng..............................................................................................................................................................5
5.Phân tích nội dung kiến thức ....................................................................................................................................5
5.1.Mạch dao động (khung dao động)......................................................................................................................5
5.1.1.Khái niệm....................................................................................................................................................5
5.1.2.Lưu ý...........................................................................................................................................................5
5.2.Dao động điện từ................................................................................................................................................5
5.2.1.Một số khái niệm........................................................................................................................................5
5.2.1.1.Dao động điện từ..................................................................................................................................5
5.2.1.2.Dao động điện từ tự do.........................................................................................................................6
5.2.1.3.Dao động điện từ tắt dần......................................................................................................................7
5.2.1.4.Dao động điện từ duy trì ......................................................................................................................7
5.2.1.5.Dao động điện từ cưỡng bức................................................................................................................7
5.2.2.Khảo sát dao động trong mạch LC..............................................................................................................8
5.2.3.Năng lượng trong dao động điều hoà..........................................................................................................9
5.3.Lý thuyết điện từ của Maxwell .........................................................................................................................9
5.4.Điện từ trường..................................................................................................................................................13
5.5.Sóng điện từ.....................................................................................................................................................13
5.5.1.Khái niệm..................................................................................................................................................13
5.5.2.Đặc điểm của sóng điện từ........................................................................................................................14
5.5.3.Tính chất của sóng điện từ........................................................................................................................14
6.Sự tương tự giữa dao động điện từ và dao động cơ.................................................................................................15

7.Ứng dụng của sóng điện từ trong kỹ thuật..............................................................................................................16
7.1.Ang ten và sự lan truyền sóng điện từ..............................................................................................................16
7.2.Nguyên tắc thu phát thông tin bằng sóng điện từ.............................................................................................20
7.3.Sự truyền sóng điện từ quanh Trái đất.............................................................................................................23
7.4.Một số ứng dụng khác của sóng điện từ ..........................................................................................................25
7.4.1.Rađa..........................................................................................................................................................25
7.4.2.Lò vi sóng.................................................................................................................................................25
7.4.3.Bếp từ .......................................................................................................................................................26
PHẦN KẾT LUẬN....................................................................................................................................................27
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................................................28


chương “Dao động và sóng điện từ”

PHẦN MỞ ĐẦU
Trong chương trình phổ thông, Vật lí là một môn học cung cấp cho học sinh nhiều kiến
thức quan trọng khác nhau về: cơ học, nhiệt học, điện từ học, quang học, vật lí nguyên tử và hạt
nhân. Mỗi phần kiến thức đều có những đặc trưng riêng và gắn liền với nhiều ứng dụng trong thực
tế.
Để có thể giảng dạy tốt bộ môn Vật lí ở trường phổ thông thì người giáo viên ngoài lòng
đam mê và nhiệt huyết cần phải hiểu biết sâu sắc các kiến thức của môn học. Đối với học viên cao
học để có thể làm tốt hơn nhiệm vụ dạy học khi trở lại giảng dạy thì phải nghiên cứu sâu sắc các
kiến thức vật lí có trong chương trình vật lí phổ thông. Đó cũng là nhiệm vụ quan trọng của tất cả
các giáo viên Vật lí trong quá trình giảng dạy và đặc biệt trong quá trình đổi mới Giáo dục toàn
diện như hiện nay. Người giáo viên phải hiểu sâu về kiến thức cũng như ý đồ của SGK thì mới có
thể tổ chức hoạt động dạy học có hiệu quả và kích thích được sự hứng thú của học sinh cũng như
lựa chọn được phương pháp dạy học phù hợp với đặc trưng của môn học.
Nghiên cứu và phân tích chương trình vật lí phổ thông là môn học quan trọng giúp cho
các học viên có cái nhìn tổng quan toàn bộ chương trìnhVật lí phổ thông nói chung và ở phổ
thông trung học nói riêng.

“Dao động và sóng điện từ” là một phần của điện từ học, nghiên cứu các khái niệm cơ bản
về dao động điện từ, sóng điện từ, sự tồn tại của điện từ trường cũng như các ứng dụng quan trọng
trong lĩnh vực thu phát tín hiệu sóng điện từ. Trong đó, tìm hiểu về mạch dao động điện từ và sự
tạo thành sóng điện từ là nội dung quan trọng nhất của chương. Những kiến thức này là cơ sở cho
học sinh có sự đam mê có thể tìm hiểu về các ứng dụng về thu phát tín hiệu hiện nay trong lĩnh
vực kĩ thuật.
Với yêu cầu của môn học, trong tiểu luận này, tôi đi sâu nghiên cứu, phân tích làm rõ kiến
thức và ý đồ của SGK trong chương “Dao động và sóng điện từ” trong sách giáo khoa vật lí 12
nâng cao.
Tiểu luận được chia thành 3 phần lớn:
 Phần mở đầu trình bày lí do nghiên cứu của tiểu luận;
 Phần nội dung: nghiên cứu nội dung kiến thức cơ bản của chương, các yêu cầu về
chuẩn kiến thức kĩ năng cần đạt được và tìm hiểu một số ứng dụng quan trọng của kiến
thức này trong cuộc sống.
 Phần kết luận: tổng kết những kết quả mà tiểu luận đã đạt được.


chương “Dao động và sóng điện từ”

PHẦN NỘI DUNG
NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNG
CHƯƠNG DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ VẬT LÍ 12 NÂNG CAO
1. Nhiệm vụ của chương “Dao động và sóng điện từ”
Chương “Dao động và sóng điện từ” là một chương nằm trong phần điện từ trường
được trình bày trong chương trình Vật lí phổ thông. Nhiệm vụ của chương này là giới thiệu
và giúp học sinh tiếp cận với các kiến thức về dao động điện từ và sóng điện từ.
Trong đó kiến thức của chương tập trung phân tích các khái niệm về mạch dao
động, sóng điện từ, giải thích về sự tồn tại đồng thời của điện trường và từ trường qua đó
hình thành khái niệm sóng điện từ cho học sinh. Đồng thời giúp học sinh so sánh và tìm
hiểu được sự tương quan giữa sóng điện từ với dao động và sóng cơ. Nội dung của chương

cũng đề cập đến các loại dao động điện từ, đặc điểm của sóng điện từ.
Đặc biệt, trong chương này cũng giải thích cho học sinh những kiến thức cơ bản của
nguyên tắc truyền thông bằng sóng điện từ là một trong các lĩnh vực được nghiên cứu và
có nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống hiện đại.
2. Lịch sử phát triển của khoa học nghiên cứu về sóng điện từ
1820 Hans Christian Oersted (1777 - 1851) nhà Vật lí – hóa học người Đan mạch đã thiết
lập mối liên hệ giữa các hiện tượng điện và từ.
1831 Michael Faraday (1791 - 1867) nhà Vật lí – hóa học người Anh đã khám phá ra hiện
tượng cảm ứng điện từ.
1833 Lenx - nhà Vật lí người Nga phát hiện ra quy luật về chiều của suất điện động cảm
ứng.
1873 James Clerk Maxwell (1831 - 1879) người Scothland phát triển những ý kiến của
Faraday xây dựng lý thuyết về điện từ trường, chứng minh sự tồn tại của điện từ trường.
ông cũng tìm ra điều kiện lan truyền của sóng điện từ và chứng minh rằng sóng điện từ lan
truyền đi với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng.
1888 Heinrich Rudolf Hertz (1857 - 1894) nhà Vật lí người Đức bằng thực nghiệm đã thực
hiện có kết quả việc phát sóng điện từ.
Và từ đó cho đến nay, việc phát và thu sóng điện từ không ngừng phát triển và ngày càng
trở nên quan trọng trọng cuộc sống của xã hội.
3. Sơ đồ kiến thức của chương “Dao động và sóng điện từ”


chương “Dao động và sóng điện từ”

Lý thuyết của
Maxwell

Sự tương tự giữa
dao động điện từ và
dao động cơ

Dao động
điện từ tự do

Dao động điện từ

Năng
lượng
điện từ

Dao động
điện từ tắt
dần
Dao
động
điện từ duy
trì, dao động
điện từ cưỡng
bức.

Sóng điện từ

Điện trường
biến thiên

Từ trường
xoáy

Từ trường
biến thiên
Điện trường

xoáy

Điện từ trường

Ứng dụng

Ăng ten

Truyền thông
bằng
sóng
điện từ

4. Chuẩn kiến thức – kĩ năng
4.1. Kiến thức
- Trình bày được cấu tạo và nêu được vai trò của tụ điện và cuộn cảm trong hoạt động
của mạch LC.
- Viết được công thức tính chu kỳ dao động riêng của mạch dao động LC.
- Nêu được dao động điện từ.
- Nêu được năng lượng của dao động điện từ.
- Nêu được điện từ trường và sóng điện từ.
- Nêu được các tính chất của sóng điện từ.


chương “Dao động và sóng điện từ”

- Nêu được chức năng của từng khối trong sơ đồ khối của máy phát và máy thu sóng
vô tuyến điện đơn giản.
- Nêu được ứng dụng của sóng vô tuyến điện trong thông tin liên lạc.
4.2. Kỹ năng

- Vẽ được sơ đồ khối của máy phát và máy thu sóng vô tuyến điện.
- Vận dụng được công thức T = 2π LC .
5. Phân tích nội dung kiến thức
5.1. Mạch dao động (khung dao động)
C
5.1.1.
Khái niệm
Mạch dao động là một trong những khái niệm đầu tiên mà HS tiếp
L
xúc khi nghiên cứu về dao động điện từ. Mạch dao động gồm một cuộn
cảm có độ tự cảm L mắc nối tiếp với một tụ điện có điện dung C thành một mạch kín. Ta
vẫn thường gọi là mạch dao động LC.
Nếu điện trở của mạch rất nhỏ (coi như bằng không) thì mạch dao động là lí tưởng.
Thực tế, cuộn dây luôn có điện trở r ≠ 0, nên không có mạch dao động lí tưởng. Chính điện
trở này làm cho năng lượng của hệ bị tiêu hao dưới dạng nhiệt năng nên dao động của
mạch LC bị tắt dần.
Mạch như hình vẽ là mạch dao động lí tưởng, đơn giản. Thông thường mạch dao động
không phải chỉ chứa một cuộn dây và một tụ điện mà có thể chứa hệ các tụ điện và các
cuộn dây ghép nối tiếp hoặc song song tùy theo yêu cầu và mục đích sử dụng.
5.1.2.
Lưu ý
Mạch LRC mà ta xét trong các bài toán về dòng điện xoay chiều sau này cũng được
xem là mạch dao động điện từ, nhưng đây không phải là mạch dao động điện từ lí tưởng.
5.2. Dao động điện từ
5.2.1.
Một số khái niệm
5.2.1.1. Dao động điện từ
Để nghiên cứu dao động điện từ ta khảo sát quá trình phóng điện và quá trình nạp
điện của tụ điện C qua cuộn L (hình 1).
(1)

(2)
Để mạch dao động ban đầu ta cần
K
cung cấp cho mạch một năng lượng E. Ban
L
E
đầu khóa K ở (1) nguồn điện tích điện cho
C
cho hai bản tụ điện đến điện tích Q 0 và hiệu
điện thế cực đại giữa hai bản tụ điện là U 0 =
Hình 1: Mạch dao động điện từ tự do
Q0/C
Với U0 = E – I.r = E (do mạch hở).


chương “Dao động và sóng điện từ”

Khi đó tụ điện có dự trữ điện năng:

W

đ

max =

CU 02
2

Khi chuyển K từ (1) đến (2), tụ điện tạo thành một mạch kín với cuộn dây L. Lúc
này tụ điện bắt đầu phóng điện (đóng vai trò

UC , I L
nguồn điện tức thời)
Ban đầu: t0 đến t1 cường độ dòng điện
UC
qua mạch tăng dần sẽ tạo ra từ trường quanh
IL
cuộn dây làm tập trung năng lượng của tụ điện
t
chuyển sang trên cuộn dây. Trong cuộn dây xuất
t
t
t
t
t
hiện dòng điện tự cảm với e = − L

di
(định luật
dt

0

1

2

3

4

Lenx) làm chậm sự phóng điện của tụ. Nên tụ C
càng phóng điện thì điện năng của tụ càng giảm
Hình 2: Sự biến thiên của i và u
thì độ tăng dòng điện càng giảm. Tại thời điểm
trong mạch LC
t1 dòng điện qua cuộn dây đạt cực đại I0 còn điện
áp trên tụ bằng 0. Tất cả điện năng lúc này
chuyển hóa hoàn toàn thành năng lượng từ trường tập trung ở cuộn dây, trị số năng lượng
đó được xác định: W

t max =

LI 02
2

Đối với mạch lí tưởng: Wt max= Wđ max.
Khi điện tích trên tụ điện q = 0 thì cuộn cảm trở thành nguồn năng lượng, từ t 1 đến t2
thì dòng điện giảm, tụ điện bắt đầu được nạp điện trở lại, điện áp của tụ điện tăng lên tuy
nhiên dấu của điện tích trên hai bản tụ điện ngược lại. Năng lượng từ trường biến đổi trở lại
thành năng lượng điện trường trong tụ điện. Sau khi điện tích trên tụ đạt giá trị cực đại, tụ
điện lại phóng điện  cứ như vậy quá trình tiếp diễn. quá trình dao động điện và từ trong
mạch LC tương tự như của con lắc đơn.
Trong mạch có sự biến thiên của q và i ta nói mạch LC có đặc điểm như vậy là
mạch dao động điện từ.
5.2.1.2. Dao động điện từ tự do
Quá trình tuần hoàn của việc biến đổi năng lượng giữa tụ C và cuộn L trong mạch
dao động không do tác động của nguồn bên ngoài gọi là dao động riêng (dao động tự do)
của mạch dao động.

chương “Dao động và sóng điện từ”

5.2.1.3.

Dao động điện từ tắt dần
Như ở trên khi khảo sát mạch dao động nếu xem mạch là lí tưởng có nghĩa là điện
trở của dây dẫn và cuộn dây r ≈ 0 thì năng lượng điện trường và năng lượng từ trường
trong mạch biến thiên qua lại lẫn nhau. Thực tế, cuộn dây luôn có điện trở r ≠ 0, nên không
có mạch dao động lí tưởng. Chính điện trở này làm cho năng lượng của hệ bị tiêu hao dưới
dạng nhiệt năng nên dao động của mạch LC bị tắt dần.

5.2.1.4.

Dao động điện từ duy trì
Nguyên nhân của dao động điện từ tự do trong các hệ thực tắt dần vì năng lượng của
dao động một phần chuyển thành nhiệt lượng thông qua điện trở. Để tránh sự tắt dần của
dao động tự do người ta tìm cách cấp thêm năng lượng cho vật dao
động để bù lại phần năng lượng đã chuyển thành nhiệt, mà không làm
R
thay đổi tần số riêng của nó dao động như vậy gọi là dao động duy trì.
C
u ͠
L
Trong kỹ thuật vô tuyến điện tử, có hai phương pháp chính để
bù tiêu hao của năng lượng:
- Dùng năng lượng của nguồn điện ngoài: đây là dao động cưỡng
Hình 3: mạch DĐ
cưỡng bức dùng
bức hay còn gọi là kích thích ngoài.
nguồn điện ngòai

- Thiết lập mạch điện tử để tự bù tiêu hao: đây là những máy tạo dao
động hình sin tự kích thích.
5.2.1.5. Dao động điện từ cưỡng bức
Dao động cưỡng bức là dao động của mạch dao động LC khi được kích thích bằng
một năng lượng của nguồn điện bên ngoài để bù tiêu hao. Nguồn năng lượng bên ngoài này
là một điện áp xoay chiều hình sin. Mạch dao động sẽ dao động với tần số của nguồn
cưỡng bức.
Khi tần số dao động cưỡng bức bằng tần số của dao động riêng của mạch ta có hiện
tượng cộng hưởng.


chương “Dao động và sóng điện từ”

Ví dụ: Mạch duy trì dao động RLC dùng tranzito
Dao động điện có thể được duy trì bằng sơ đồ như hình vẽ, cuộn dây L’ được mắc
hỗ cảm với cuộn dây L, khi có dao động trong mạch
RLC vì hỗ cảm nên trong cuộn L’ có suất điện động
cảm ứng.
Suất điện động cảm ứng tác động lên cực badơ
của tranditor làm cho dòng điện chạy qua cực colectơ
biến đối theo tần số của dao động điện trong mạch
RLC và cùng pha với hiệu điện thế hai đầu cuộn cảm
L.
Nhờ thế mà dao động tự do trong mạch RLC được
tiếp thêm năng lượng trong từng chu kỳ và được duy
Hình 4: Mạch duy trì
trì. Cần chú ý rằng chính nhờ sự dao động trong mạch
dao động RLC dùng
tranzito
RLC mà dòng điện ở cực colectơ được tạo ra để quay

trơ lại bù đắp năng lượng mất đi của mạch RLC, các
thông số phù hợp sẽ tạo ra sự cân bằng giữa năng lượng hao hụt và năng lượng bù đắp.
5.2.2.
Khảo sát dao động trong mạch LC
Xét mạch dao động LC như hình vẽ, vận dụng định luật Ohm cho đoạn mạch AB ta
có:
uAB = e – i.r

di
dt
dq
= q'
Với quy ước về dấu như hình bên thì i =
dt
Với mạch lí tưởng r ≈ 0 thì uAB ≈ e = − L

Ta lại có: u =

q
d 2q q
, nên: -L 2 =
C
dt
C

hay là :

q''+

1

q=0
LC

Hình 5: Đồ thị biến thiên điện
tích và cường độ dòng điện

1
ta có q''+ω2 q=0 đây là phương
LC
trình điện động lực học của dao động điện trong mạch LC. Phương trình này là phương
trình vi phân tuyến tính thuần nhất bậc 2 giải ra ta chọn dạng nghiệm q =Q 0 cos (ωt+φ); Q0
và φ là hai hằng số phụ thuộc điều kiện ban đầu.
Biểu thức cường độ dòng điện là:
Đặt ω=

i=

dq
π

= −ωQ0 sin ( ωt + ϕ ) = I 0 cos ωt + ϕ + 
dt
2



chương “Dao động và sóng điện từ”

với I 0 = ωQ0
Hiệu điện thế giữa hai bản A và B của tụ điện: u = q ' = −ωq sin ( ωt + ϕ )

AB
0
Như vậy có thể thấy dao động điện trong mạch LC là dao động điều hoà tức là biến
đổi theo qui luật hình sin. Và dòng điện i luôn lệch pha

π
với điện tích và hiệu điện thế hai
2

đầu cuộn cảm hoặc tụ điện.
5.2.3.
Năng lượng trong dao động điều hoà
Khi xảy ra quá trình dao động điện trong mạch LC, điện tích q của bản A tụ điện biến
đổi theo thời gian theo qui luật: q =Q0 cos (ωt+φ)
Q0 là điện tích cực đại giữ vai trò là biên độ của dao động. Giữa hai bản của tụ điện có
điện trường, năng lượng Wđ của điện trường có biểu thức như sau :
Q02
1 2 1
q2
Wd = Cu = qu =
cos 2 (ωt + ϕ)
hay Wd =
2
2
2C
2C

Cuộn dây với độ tự cảm L có dòng điện i chạy qua tạo nên một từ trường năng lượng
Wt của từ trường có biểu thức như sau :
Wt =

1 2 Q02
Li =
sin 2 (ωt + ϕ)
2
2C

Năng lượng toàn phần W của dao động điện là tồng năng lượng W đ của điện trường và
Wt của từ trường W = Wt + Wd
1
2

1
2

hay W = CU 02 = Q0 U 0 =

Q02 1 2
= LI0 = const
2C 2

Từ biểu thức này ta rút ra kết luận trong quá trính dao động điện, năng lượng toàn phần
E của dao động không đổi( được bảo toàn), có sự chuyển hoá giữa năng lượng điện trường và
năng lượng từ trường. Năng lượng toàn phần của dao động bằng năng lượng của điện trường
khi tụ điện tích điện lượng cực đại, lúc đó cường độ dòng điện bằng không và năng lượng của
từ trường bằng không.
5.3.

Lý thuyết điện từ của Maxwell
Sự ra đời của lý thuyết: Xét một mạch kín đứng yên trong từ trường biến thiên. Từ

thông qua mạch kín đó thay đổi làm trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng (định luật
Lenx).
Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng, chứng tỏ trong
mạch phải tồn tại một trường lực lạ tác dụng lực làm dịch
chuyển electron. Phân tích các kết quả thực nghiệm của

Hình 6 : Từ trường biến thiên sinh ra
điện trường xoáy


chương “Dao động và sóng điện từ”

Faraday, Maxwell cho rằng, trường lực lạ ở đây chính là điện trường. Nhưng điện trường
này không phải là điện trường tĩnh mà theo Maxwell điện trường đó phải là điện trường
xoáy.
Theo ông, nguyên nhân gây ra điện trường xoáy chính là sự biến thiên của từ trường. Vì
trước khi từ thông qua cuộn dây biến thiên thì trong mạch chưa có dòng điện. Từ đó Ông
đưa ra luận điểm thứ nhất: “Mọi từ trường biên thiên theo thời gian đều làm xuất hiện
một điện trường xoáy”.
* Đặc điểm của điện trường xoáy: có các đường sức khép kín và lưu thông của vectơ
cường độ điện trường xoáy dọc theo một được cong bất kỳ không những phụ thuộc vào vị
trí điểm đầu và điểm cuối, mà còn phụ thuộc vào hình dạng đường cong mà ta tính lưu
thông.
* Vì thế lưu thông của vectơ cường độ điện trường xoáy dọc theo một được cong kín
bất kỳ là khác không.
* Chính vì vậy, điện trường xoáy đóng vai trò là trường lực lạ, tạo ra suất điện động
làm di chuyển điện tích trong mạch, tạo thành dòng điện khép kín. Dựa vào định luật
Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ, Maxwell đã xây dựng một phương trình diễn tả
định lượng luận điểm thứ nhất của mình:


 
∂B 
E
d
l
=
−
∫( L )
∫( S ) ∂t dS

(1)

Phương trình (1) được gọi là phương trình Maxwell – Faraday ở dạng tích phân. Nó
diễn tả đặc tính xoáy của điện trường. Trong đó, vế phải thể hiện tốc độ biến thiên của từ
thông qua diện tích S; vế trái là lưu thông của vectơ cường độ điện trường xoáy dọc theo
chu tuyến L bao quanh S. Ở dạng vi phân, phương trình Maxwell – Faraday có dạng:



∂B
rotE = −
∂t

(2)

Luận điểm thứ hai của Maxwell – dòng điện dịch: Maxwell đã cho rằng mọi từ
trường biến thiên đều sinh ra điện trường xoáy.
Phân tích các hiện tượng điện từ khác Maxwell khẳng định phải có điều ngược lại:
“Mọi điện trường biến thiên theo thời gian đều làm

xuất hiện từ trường”, đó là nội dung luận điểm thứ hai
của Maxwell.
Vì từ trường là dấu hiệu cơ bản nhất và tất yếu
của mọi dòng điện, nên nếu sự biến thiên của điện
trường tạo ra từ trường thì sự biến thiên của điện trường
đó có tác dụng như một dòng điện. Maxwell gọi đó là

Hình 7: Điện trường biến thiên sinh
ra từ trường xoáy


chương “Dao động và sóng điện từ”

dòng điện dịch, để phân biệt với dòng điện dẫn, là dòng chuyển dời có hướng của các điện
tích.
Để hình dung về dòng điện dịch, ta xét một mạch điện xoay chiều gồm tụ điện C
mắc nối tiếp với một bóng đèn. Đèn sáng bình thường, điều này được giải thích là do tụ
điện liên tục phóng điện và nạp điện nên trong dây dẫn và đèn luôn tồn tại dòng điện dẫn
xoay chiều. Còn giữa hai bản tụ điện, mạch hở nên không có dòng điện dẫn. Nhưng hiệu
điện thế giữa hai bản tụ luôn biến thiên làm điện trường trong lòng tụ biến thiên, sinh ra
dòng điện dịch. Như vậy dòng điện dẫn trong dây dẫn của mạch điện đã được đóng kín
bằng dòng điện dịch trong lòng tụ điện.
Dòng điện dịch có tính chất cơ bản giống dòng
điện dẫn ở chỗ nó gây ra từ trường. Nhưng nó không
giống dòng điện dẫn về bản chất: dòng điện dẫn là do sự
chuyển dời có hướng của các điện tích trong một môi
trường dẫn nào đó; còn dòng điện dịch là do sự biến
thiên của điện trường sinh ra. Vì thế, khác với dòng điện
dẫn, dòng điện dịch có thể tồn tại ngay cả trong điện môi
hoặc trong chân không; dòng điện dịch không có tác

Hình 8 : Dòng điện dịch
dụng nhiệt Joule – Lenz như dòng điện dẫn.
sinh ra từ trường
Với giả thuyết về dòng điện dịch, bằng cách vận
dụng định lý Ampère về lưu thông của vectơ cường độ từ trường, Maxwell đã thiết lập
được biểu thức định lượng cho luận điểm thứ hai của mình:

 
  ∂D  
∫( L)Hdl = (∫S ) j + ∂t dS (3)
Phương trình(3) được gọi là phương trình Maxwell – Ampère ở dạng tích phân.

∂D
v
Trong đó J là véc tơ mật độ dòng điện dẫn; ∂t là véc tơ mật độ dòng điện dịch. Vế phải
biểu diễn cường độ dòng điện toàn phần (gồm dòng điện dẫn và dòng điện dịch) chảy qua
tiết diện S; Vế trái là lưu thông của vectơ cường độ từ trường dọc theo chu tuyến L bao
quanh S. Phương trình Maxwell còn có dạng vi phân tương đương với hệ 3 phương trình
đại số sau:


chương “Dao động và sóng điện từ”

∂D x
∂H z ∂H y
−
= jx +
∂y
∂z
∂t

∂D y
∂H x ∂H z
−
= jy +
∂z
∂x
∂t
∂H y ∂H x
∂D z
−
= jz +
∂x
∂y
∂t

Lưu ý: Hệ phương trình Maxwell
Theo các luận điểm của Maxwel, từ trường biến thiên sinh ra điện trường xoáy và

uv
∂H
ngược lại, mà sự biến thiên của từ trường là bất kỳ, nên đạo hàm
cũng biến thiên theo
∂t
thời gian, do đó điện trường xoáy xuất hiện cũng biến thiên theo thời gian và nó lại gây ra
một từ trường biến thiên, … Như vậy, điện trường và từ trường liên hệ chặt chẽ với nhau
và chuyển hoá lẫn nhau. Chúng tồn tại đồng thời trong không gian tạo thành trường thống
nhất – trường điện từ. Khái niệm về trường điện từ được Maxwell nêu lên đầu tiên và để
diễn tả định lượng, ông đã thiết lập các phương trình – gọi là hệ phương trình Maxwell.
Phương trình thứ nhất trong hệ phương trình này là phương trình Maxwell –
Faraday diễn tả luận điểm thứ nhất của Maxwell về mối liên hệ giữa từ trường biến thiên

và điện trường xoáy. Phương trình thứ 2 là phương trình Maxwell – Ampère diễn tả luận
điểm thứ hai của Maxwell về mối liên hệ giữa điện trường biến thiên và từ trường. Các
phương trình thứ 3 và thứ 4 diễn tả định lý Ostrogradsky – Gauss ở dạng vi phân, tích phân
đối với điện trường và từ trường. Ngoài các phương trình cơ bản trên, còn có các phương
uv uv uv uv
trình diễn tả mối quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng cho trường E , D , B , H với các đại
lượng đặc trưng cho tính chất của môi trường (μ,σ,ε,):
u
u
+ Môi trường điện môi: D=εε 0 E
(7.1)



u

+ Môi trường điện dẫn: J=σE

(7.2)

+ Môi trường từ hoá:

(7.3)

u
u
B=μμ 0 H

Trong các phương trình Maxwell, các đại lượng đặc trưng cho trường đều là các đại
lượng biến thiên theo toạ độ và thời gian. Nói cách khác, chúng là hàm của x, y, z, t.

Hệ phương trình Maxwell bao hàm tất cả các định luật cơ bản về điện và từ. Trường
tĩnh điện, từ trường tĩnh và sóng điện từ chỉ là những trường hợp riêng của điện từ trường
mà thôi.
Ý nghĩa của thuyết Maxwell
Lý thuyết điện từ của Maxwell thống nhất điện trường và từ trường , là một bước
phát triển hoàn thiện những hiểu biết của con người về điện, từ. Trước đó, những hiểu biết


chương “Dao động và sóng điện từ”

của con người về điện, từ còn rời rạc; người ta quan niệm rằng điện và từ là hai lĩnh vực
không liên quan nhau. Maxwell đã phát triển các ý tưởng của Faraday về điện, từ một cách
sâu sắc và đã xây dựng lý thuyết thống nhất giữa điện và từ - lý thuyết trường điện từ - một
cách hoàn hảo.
Thuyết điện từ của Maxwell không những giải thích triệt để các hiện tượng điện từ
đã biết mà nó còn cho phép tiên đoán sự tồn tại của sóng điện từ (mà gần 30 năm sau thực
nghiệm mới xác lập được). Nghiên cứu bằng lý thuyết về các tính chất của sóng điện từ,
Maxwell đã khẳng định ánh sáng cũng là sóng điện từ. Với những đóng góp to lớn của
mình, Maxwell được đánh giá là một trong những nhà vật lí đi tiên phong, mở ra bước
ngoặt trong lịch sử nhận thức của nhân loại.
5.4. Điện từ trường
Mỗi biến thiên theo thời gian của từ trường đều sinh ra trong không gian xung
quanh một điện trường xoáy biến thiên theo thời gian và ngược lại mỗi biến thiên theo thời
gian của điện trường cũng sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian trong không gian
xung quanh.
Như vậy, điện trường biến thiên và từ trường biến thiên cùng tồn tại trong không
gian. Chúng có thể chuyển hóa lẫn nhau trong một trường thống nhất được gọi là điện từ
trường.
Trong thực tế khi ta nói tới điện trường hay từ trường thì ta chỉ xét tới từng mặt của
một chỉnh thể là điện từ trường mà thôi, không bao giờ có sự tồn tại riêng biệt của cả điện

trường hay từ trường.
5.5.
5.5.1.

Sóng điện từ
Khái niệm
Quá trình lan truyền điện từ trường được gọi là sóng điện từ.
Maxwell đã tiên đoán sự tồn tại của sóng điện từ và xây dựng được các phương
trình toán học về quy luật của nó gọi là phương trình Maxwell.


chương “Dao động và sóng điện từ”

Hình 9: Mô hình sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian

5.5.2.
-

Đặc điểm của sóng điện từ

Vận tốc lan truyền sóng điện từ trong chân không là c = 3.10 8 m/s; và trong môi trường
c
n

vật chất đồng nhất và đẳng hướng là v= , với n=εμ

là chiết suất tuyết đối của môi

trường; ε và μ là hệ số điện môi và từ môi của môi trường đó. Vì ε, μ > 1 nên n > 1 và v <
c.

-

u

Sóng điện từ là sóng ngang: tại mỗi điểm trong không gian có sóng điện từ, các vectơ E và

B luôn dao động theo hai phương vuông góc nhau và cả hai vec tơ này cùng vuông góc với
phương truyền sóng.

-

Khác với sóng cơ học, sóng điện từ truyền được cả trong môi trường vật chất và trong
chân không.
Trong chân không, sóng điện từ có bước sóng là: λ = c. T
Những đặc điểm này đều đã được kiểm chứng bằng thực tế. Sau khi sóng điện từ được phát
và thu bằng các phương tiện ngày càng tiến bộ.

5.5.3.
-

Tính chất của sóng điện từ

Sóng điện từ có mang năng lượng. Năng lượng sóng điện từ chính là năng lượng của điện

1
2

2

từ trường. Mật độ năng lượng sóng điện từ là: w=εε E0 +

-

1
μμ H0
2

Sóng điện từ tuân theo các quy luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ.

2


chương “Dao động và sóng điện từ”

-

Sóng điện từ tuân theo các quy luật giao thoa, nhiễu xạ.
Nguồn phát sóng điện từ (còn gọi là chấn tử) rất đa dạng, có thể là bất cứ vật thể nào tạo ra
một điện trường hoặc một từ trường biến thiên như: tia lửa điện,dây dẫn điện xoay chiều,
cầu dao đóng ngắt mạch điện,…

5.5.4.

Thang sóng điện từ

6. Sự tương tự giữa dao động điện từ và dao động cơ
So sánh quá trình dao động điện từ đơn giản trên một mạch dao động LC và một dao động
cơ là một con lắc lò xo (hình vẽ ). Ta thấy sự tương tự điện cơ là sự tương tự về qui luật dao động
( biến đổi điều hoà theo thời gian) của hệ dao động cơ học và của mạch điện, dựa trên cơ sở sự
đồng nhất về dạng của các phương trình vi phân mô tả hệ đó.
Sau đây có thể nêu lên sự tương ứng của từng cặp đại lượng( cơ và điện)

Cùng biến thiên theo một qui luật và có cùng vai trò như nhau trong phương trình vi phân của quá
trình dao động.
Đại lượng
cơ

điện

1
C

Phương trình
Dao động cơ

Dao động điện

x” + ω 2x = 0

Q” + ω 2q = 0

ω=

k
m

ω=

1
LC

m, k

L,

x

q

x = Acos(ωt + ϕ)

q = q0cos(ωt + ϕ)

v

i

v = x’ = -ωAsin(ωt + ϕ)

i = q’ = -ωq0sin(ωt + ϕ)

A

Q0

v
A 2 =x 2 +( )2
ω

i2
Q =q + 2
ω

Cơ năng

NL điện từ

W = Wđ + Wt

2
0

2

W = Wđ + Wt


chương “Dao động và sóng điện từ”

7.

Wđ

Wt (WC)

Wđ = mv2

1
2

Wt =

1 2
Li
2

Wt

Wđ (WL)

Wt =

1 2
kx
2

Wđ =

1 q2
2C

Ứng
dụng của
sóng điện
từ trong
kỹ thuật
7.1.
Ang ten
và sự lan
truyền
sóng điện
từ

7.1.1.
Mạch dao
động kín
Nếu một
mạch dao
động RLC
có tụ điện
song song
với nhau,
khoảng
cách giữa
hai bản rất
nhỏ so với
diện tích
hai bản,
ống dây
dài có các
vòng dây
khép rất
sít nhau,
tiết diện
ống dây
nhỏ so với chiều dài ống dây thì trong quá trình dao động điện từ năng lượng điện trường


chương “Dao động và sóng điện từ”

tập trung ở khoảng không gian giữa hai bản tụ, năng lượng điện trường tập trung trong lòng
ống dây. Kết quả là điện từ trường do mạch tạo ra không truyền ra ngoài, mạch như vậy
người ta gọi là mạch dao động kín.

7.1.2.
Mạch dao động hở
Vậy muốn điện từ trường đó lan truyền đi xa cần chuyển mạch kí thành mạch hở.
Nếu tách xa hai bản cực của tụ điện C, đồng thời tách xa các vòng dây của cuộn cảm L thì
vùng không gian có điện trường biến thiên và từ trường biến thiên được mở rộng dần.
7.1.3.
Anten
Anten chính là một dạng mạch dao động hở là một công cụ hữu hiệu để thu phát
sóng điện từ. Anten có nhiều dạng khác nhau tuỳ theo tần số sóng và nhu cầu sử dụng.
Hình 10d.

Hình 10 Sơ đồ phát sóng điện từ đi xa bằng Anten có dây nối trời và nối đất

Một số ví dụ về các loại Anten đang được sử dụng hiện nay.

Hình 11: An ten có các chấn tử kim loại

Hình 13: Anten có mặt kim loại phản xạ

Hình 12: Anten thu sóng vô tuyến
của Mic không dây


chương “Dao động và sóng điện từ”

Giải thích: Giả sử trong Anten có một electron dao động thì nó sẽ tạo ra một điện từ trường
biến thiên theo sơ đồ ở hình 14 .

Hình 14 : Điện tích dao động tạo ra điện trường biến thiên

chương “Dao động và sóng điện từ”

Và sau đó sẽ có một điện trường xoáy biến thiên để tạo thành một điện từ trường
lan truyền trong không gian. Thậm chí có thể tạo ra một sóng điện từ bằng một thí nghiệm
đơn giản nối hai bản tụ điện mở với một ắc qui khi đóng ngắt khoá k tạo ra một sóng điện
từ lan truyền như hình .

Hình 15 : Có thể tạo ra sóng điện từ bằng cách đơn giản
Các dao động điện từ được truyền tù mạch dao động ra Anten bằng cách ghép qua
cuộn cảm, cuộn cảm L của mạch dao động sẽ phát ra một dao động có tần số điều chỉnh
được sẽ được mắc song song với cuộn L’ trên Anten. Do hiện tượng cảm ứng điện từ trên
ống dây L’ có một dao động điện từ cùng tần số với dao động trong mạch, dao động điện
từ sẽ được truyền ra ngoài và phát đi xa.

Hình 16: Sóng điện từ được phát ra từ một Anten lưỡng cực


chương “Dao động và sóng điện từ”

7.2.

Nguyên tắc thu phát thông tin bằng sóng điện từ

Liên lạc bằng sóng điện từ là phương pháp phát và thu các thông tin ở khoảng cách
xa và rất xa nhờ sóng điện từ. do không cần dây dẫn nên cự ly truyền và thu sóng trở nên
rộng lớn. Từ một điểm trên mặt đất các thông tin được truyền đến bất cứ nơi nào trên thế
giới.
Để truyền được thông tin như âm thanh, hình ảnh đến những nơi xa, người ta đều áp
dụng một qui trình chung như sau:

- Biến các âm thanh từ micro, hình ảnh từ camera thành các tín dao động điện tần số
thấp gọi là các tín hiệu âm tần.
* Xét quá trình phát âm thanh (phát thanh).

Hình 17: Sơ đồ của quá trình phát thanh


chương “Dao động và sóng điện từ”

- Trộn các tín hiệu âm tần ở hình 18.a có năng lượng thấp không thể mang đi xa, vào
các sóng cao tần( tần số cao) ở hình 18.b có năng lượng lớn hơn rất nhiều để mang sóng âm
tần đi xa. Quá trình này gọi là biến điệu tần số, kết quả quá trình biến điệu là một sóng có
tần số là tần số sóng cao tần nhưng biên độ biến thiên theo tần số sóng âm tần( hình 18.c).

Hình 18: Biến điệu sóng cao tần


chương “Dao động và sóng điện từ”

-Các tín hiệu này được truyền đi trong không gian đến Anten của máy thu, trong
Anten của máy thu có vô số sóng vô tuyến từ các đài phát khác nhau. Cuộn dây L’ của
Anten mắc song song với cuộn dây L của mạch dao động, khi cần chọn một sóng nào đó ta
điều chỉnh tụ C trên mạch LC để có tần số dao động trùng với tần số dao động của sóng
cần thu. Trong mạch dao động sẽ có hiện tượng cộng hưởng với sóng cần thu đó. Sóng vô
tuyến đó sẽ được khuếch đại và truyền đến bộ phận phát ra âm thanh.

•
Hình 19: Sơ đồ thu sóng phát thanh

MỘT HỆ THỐNG VIỄN THÔNG.

Hình 20: Sơ đồ khối của một hệ thống viễn thông.

SƠ
ĐỒ
KHỐI


chương “Dao động và sóng điện từ”

7.3.

-

Sự truyền sóng điện từ quanh Trái đất
Các đặc tính truyền của sóng điện từ được truyền trong kênh truyền dây mềm thì
phụ thuộc nhiều vào tần số. Điều này được thấy từ bảng kê ở trên. Phổ điện từ có thể được
chia làm 3 băng lớn:
Sóng mặt đất ( Ground ware )
Sóng trời ( Sky ware )
Sóng truyền theo đường tầm mắt ( light of sight ) LOS.

Người ta thưởng căn cứ vào tần số để chia sóng điện từ thành các dải sóng như sau:
Băng tần

Ký hiệu

Đặt tính truyền

Những ứng dụng tiêu biểu

chương “Dao động và sóng điện từ”

3 - 30KHz

VLFvery low frequency

Sóng đất. Suy giảm ít ngày
và đêm. Nhiểu không khíThông tin dưới nước
cao

30- 300KHz LFlow frequency

Tương tự VLF. Ít tin cậy. BịHướng dẫn radio cho hải
hấp thu vào ban ngày
hành

300-3000KHzMFMedium frequency

Sóng đất và sóng trời ban
đêm. Suy giảm ít vào ban vàRadio hàng hải. Tần số cấp
nhiểu vào ban ngày. Nhiểucứu phát sống Am
không khí

3 - 30MHz

Sự phản xạ ở tần ion cầnradio nghiệp dư. Phát thanh
thay đổi theo thời gian trongquốc tế. Viễn thông quân
ngày, theo mùa và theo tầnsự. Thông tin đường dài cho

số. Nhiểu không khí ít tạikhông hành và hải hành.
30Mhz
Điện thoại, điện tín, fax.

HFHight frequency

Gần với LOS. Sự tán xạ gâyTruyền hình VHF. Radio
30- 300MHz VHFVery high frequency bởi những thay đổi nhiệt độ.FM stereo. Trợ giúp không
Nhiễu không gian.
hành.
0.3
3
GHz1.0 - 2.0UHFUltra
GHz2.0 - 4.0frequencyLS
GHz

Truyền hình VHF. Radio
highTruyền LOS. Nhiễu không
FM Stereo. Trợ giúp không
gian.
hành.

3 - 30 GHz2 Truyền LOS. Suy giảm do
4.04.0
Oxi và hơi nước trong
8.08.0
-SHFSupper
high
Viễn thông vệ tinh. Radar
không khí. Sự hấp thụ do

12.012.0
-frequencySCXKUKKa
microwave links.
hơi nước rất cao tại 22.2
18.018.0
GHz
27.027.0-40.0
30 - 300
GHz26.5
Tương tự trên. Hơi nước
4033.0
EHFExtremely
highhấp thụ rất mạnh tại
50.040.0
Radar, vệ tinh, thí nghiệm.
frequencyRQVWMm
183GHz. Oxy hấp thu tại 60
75.075.0
và 119 GHz .
110.0110
–
300
103 – 107

IR (Hồng ngoại ) ánh sángTruyền LOS
khả kiến và UV ( Tử

Viễn thông quang

chương “Dao động và sóng điện từ”

ngoại )
Bảng 1
7.4. Một số ứng dụng khác của sóng điện từ
7.4.1. Rađa
Nguyên tắc: khi phát một sóng điện từ có tần số và biên độ phù hợp vào một vật có
kích thước khá lớn thì có thể thu được sóng phản xạ để xác định được vị trí kích thước của
vật đó. Lịch sử ra đời: Một nhà văn người Mỹ trình bày 1911trong một cuốn tiểu thuyết
khoa học viễn tưởng, nguyên lý Ra đa được hai người Anh E.V.Eppleton và M Bannet áp
dụng để phát hiện lớp nhiễm điện của khí quyển, tuy nhiên kỹ thuật lúc đó còn khá sơ khai.
Năm 1935 Robert Watson Watt đã dùng ra đa phát hiện được một máy bay cách xa 50 kM.
Ngày nay Ra đa được sử dụng phổ biến trong quân sự, theo dõi thời tiết, liên lạc hàng
không…
• Ngày nay trên thế giới có một loại máy bay chiến đấu gọi là máy bay tàng hình. Tàng hình
ở đây không phải là không thể nhìn thấy, mà bên ngoài máy bay này có một chất đặc biệt
có thể hấp thụ các sóng được phát ra từ Ra đa, nên nhiều loại Rađa không thể phát hiện ra
loại máy bay này.

Hình 22 : Máy bay tàng hình của quân đội Mỹ
7.4.2. Lò vi sóng
Lò vi sóng là thiết bị dùng để nấu thức ăn bằng
cách phát ra một sóng điện từ phù hợp tác động
lên thức ăn làm thức ăn nóng lên.
Hình 23: Lò vi sóng