Nguyên lý tạo sóng điện từ bằng anten : Chúng ta có thể hiểu rõ về sóng điện từ (EM) bằng cách xem xét cách chúng được tạo ra. Bất cứ khi nào dòng điện thay đổi, điện trường và từ trường liên quan sẽ khác nhau, di chuyển ra khỏi nguồn giống như sóng. Có lẽ tình huống dễ hình dung nhất là một dòng điện thay đổi trong một dây dẫn thẳng dài, được tạo ra bởi một máy phát điện xoay chiều ở tâm của nó, như được minh họa trong Hình 1.
Thm khảo : Lý thuyết cơ bản về antenna
Đến cuối phần này, bạn sẽ có thể:
- Mô tả sóng điện và sóng từ khi chúng di chuyển ra khỏi nguồn, chẳng hạn như máy phát điện xoay chiều.
- Giải thích mối quan hệ toán học giữa cường độ từ trường và cường độ điện trường.
- Tính cường độ cực đại của từ trường trong sóng điện từ, cho biết cường độ điện trường cực đại.
Hình 1. Sợi dây dài thẳng màu xám này với một nguồn phát điện xoay chiều ở tâm của nó trở thành một ăng ten phát sóng điện từ. Tại bốn thời điểm khác nhau. Điện trường (E) truyền ra xa ăng ten với tốc độ ánh sáng, tạo thành một phần của sóng điện từ.
Các điện trường ( E ) được hiển thị xung quanh các dây được tạo ra bởi sự phân bố điện tích trên dây dẫn. Cả E và sự phân bố điện tích đều thay đổi khi dòng điện thay đổi. Trường thay đổi truyền ra ngoài với tốc độ ánh sáng.
Có một từ trường liên kết ( B ) cũng truyền ra ngoài (xem Hình 2). Điện trường và từ trường có quan hệ chặt chẽ với nhau và lan truyền như một sóng điện từ. Đây là những gì xảy ra trong các ăng ten phát sóng chẳng hạn như trong các đài phát thanh và đài truyền hình.
Kiểm tra kỹ hơn một chu kỳ hoàn chỉnh được chỉ ra trong Hình 1 cho thấy bản chất tuần hoàn của các điện tích do nguồn phát tạo ra dao động lên xuống trong ăng ten và điện trường được tạo ra. Tại thời điểm t = 0, điện tích phân li cực đại, với điện tích âm ở phía trên và điện tích dương ở phía dưới, sinh ra độ lớn cực đại của điện trường theo chiều hướng lên. Một phần tư chu kỳ sau đó, không có sự phân bố điện tích và trường cạnh ăng ten bằng không, trong khi trường E cực đại đã dịch chuyển ra xa với tốc độ c .
Khi quá trình tiếp tục, sự phân bố điện tích đảo ngược và trường đạt giá trị hướng xuống lớn nhất, trở về 0 và tăng lên giá trị hướng lên tối đa vào cuối một chu kỳ hoàn chỉnh. Sóng truyền ra có biên độ tỉ lệ với độ phân li cực đại của điện tích. Bước sóng của nó ( λ ) tỷ lệ với chu kỳ của dao động và do đó, nhỏ hơn đối với chu kỳ ngắn hoặc tần số cao. (Như thường lệ, bước sóng và tần số ( f ) tỷ lệ nghịch.)
Sóng điện và sóng từ: Di chuyển cùng nhau
Tuân theo định luật Ampere, dòng điện trong anten tạo ra từ trường, như thể hiện trong Hình 2. Mối quan hệ giữa E và B được thể hiện tại một thời điểm trong Hình 2a. Khi dòng điện thay đổi, từ trường thay đổi về độ lớn và hướng.
Hình 2. (a) Dòng điện trong anten tạo ra các đường sức từ tròn. Dòng điện (I) tạo ra sự phân bố điện tích dọc theo dây dẫn, do đó tạo ra điện trường như hình vẽ. (b) Điện trường và từ trường ( E và B ) gần dây dẫn có phương vuông góc với nhau; chúng được hiển thị ở đây cho một điểm trong không gian. (c) Từ trường biến thiên theo dòng điện và lan truyền ra xa ăng ten với tốc độ ánh sáng.
Các đường sức từ cũng lan truyền ra khỏi ăng-ten với tốc độ ánh sáng, tạo thành phần khác của sóng điện từ, như trong hình 2b. Phần từ của sóng có cùng chu kỳ và bước sóng với phần điện, vì chúng đều được tạo ra bởi sự chuyển động và phân tách giống nhau của các điện tích trong anten.
Sóng điện và sóng từ được biểu diễn cùng một lúc trong hình 3. Điện trường và từ trường tạo ra bởi một ăng ten dây thẳng dài chính xác cùng pha. Lưu ý rằng chúng vuông góc với nhau và theo hướng truyền, làm cho đây là sóng ngang
Hình 3. Một phần của sóng điện từ được phát ra từ anten tại một thời điểm. Điện trường và từ trường ( E và B ) cùng pha, chúng vuông góc với nhau và có hướng truyền. Để rõ ràng, các sóng chỉ được hiển thị dọc theo một hướng, nhưng chúng cũng lan truyền theo các hướng khác.
Các sóng điện từ thường truyền ra từ nguồn theo mọi hướng, đôi khi tạo thành một dạng bức xạ phức tạp. Ví dụ, một ăng-ten tuyến tính như thế này sẽ không phát xạ song song với chiều dài của nó. Sóng được biểu diễn theo một hướng từ anten trong Hình 3 để minh họa các đặc tính cơ bản của nó.
Thay vì máy phát điện xoay chiều, ăng ten cũng có thể được điều khiển bằng mạch điện xoay chiều. Trên thực tế, các điện tích tỏa ra bất cứ khi nào chúng được tăng tốc. Nhưng trong khi dòng điện trong mạch cần một đường dẫn hoàn chỉnh, một ăng-ten có sự phân bố điện tích thay đổi tạo thành sóng dừng , được điều khiển bởi AC. Kích thước của ăng-ten rất quan trọng để xác định tần số của sóng điện từ bức xạ. Đây là một hiện tượng cộng hưởng và khi chúng ta điều chỉnh radio hoặc TV, chúng ta sẽ thay đổi các đặc tính điện để đạt được các điều kiện cộng hưởng thích hợp trong ăng-ten.
Nhận sóng điện từ – Nguyên lý tạo sóng điện từ bằng anten
Sóng điện từ mang năng lượng ra khỏi nguồn của chúng, tương tự như sóng âm mang năng lượng ra khỏi sóng dừng trên dây đàn guitar. Một ăng-ten để nhận tín hiệu EM hoạt động ngược lại. Và giống như ăng-ten tạo ra sóng EM, ăng-ten thu được thiết kế đặc biệt để cộng hưởng ở các tần số cụ thể.
Một sóng điện từ đến làm tăng tốc các electron trong ăng-ten, tạo ra sóng dừng. Nếu radio hoặc TV được bật, các bộ phận điện sẽ nhận và khuếch đại tín hiệu được hình thành bởi các electron gia tốc. Sau đó, tín hiệu được chuyển đổi sang định dạng âm thanh và / hoặc video. Đôi khi các đĩa thu lớn được sử dụng để tập trung tín hiệu vào ăng-ten.
Trên thực tế, các điện tích tỏa ra bất cứ khi nào chúng được tăng tốc. Khi thiết kế mạch, chúng ta thường cho rằng năng lượng không nhanh chóng thoát ra khỏi mạch xoay chiều, và phần lớn điều này là đúng. Một ăng ten phát sóng được thiết kế đặc biệt để nâng cao tốc độ bức xạ điện từ, và cần phải che chắn để giữ cho bức xạ gần bằng không. Một số hiện tượng quen thuộc dựa trên sự tạo ra sóng điện từ bởi các dòng điện khác nhau. Ví dụ, lò vi sóng của bạn sẽ gửi các sóng điện từ, được gọi là vi sóng, từ một ăng-ten được giấu kín có đặt dòng điện dao động lên nó.
E -Field và B -Field
Có một mối quan hệ giữa cường độ trường E và B trong sóng điện từ. Điều này có thể được hiểu bằng cách xem xét lại ăng-ten vừa mô tả. Trường E được tạo ra bởi sự phân tách điện tích càng mạnh thì dòng điện càng lớn và do đó, Trường B được tạo ra càng lớn .
Vì dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp (định luật Ohm) và điện áp tỷ lệ thuận với cường độ trường E , nên cả hai tỷ lệ thuận. Có thể chứng minh rằng độ lớn của các trường có một tỷ lệ không đổi, bằng tốc độ ánh sáng. Đó là,là tỷ số giữa cường độ trường E và cường độ trường B trong bất kỳ sóng điện từ nào. Điều này luôn đúng ở mọi thời điểm và mọi vị trí trong không gian. Một kết quả đơn giản.
VÍ DỤ 1. TÍNH CƯỜNG ĐỘ TRƯỜNG B TRONG SÓNG ĐIỆN TỪ- Nguyên lý tạo sóng điện từ bằng anten
Cường độ trường B trong sóng điện từ có cường độ trường E cực đại 1000 V / m là bao nhiêu?
Để tìm cường độ trường B , chúng tôi sắp xếp lại phương trình trên để giải cho B , thu được
B=E/C
Giải pháp
Ta được E , và c là tốc độ ánh sáng. Nhập chúng vào biểu thức cho B sẽ thu được
Trong đó T là viết tắt của Tesla, một đơn vị đo cường độ từ trường.
Thảo luận
Trường điện tử B ít hơn một phần mười của từ trường của Trái đất. Điều này có nghĩa là một điện trường tương đối mạnh 1000 V / m đi kèm với một từ trường tương đối yếu. Lưu ý rằng khi sóng này lan ra, chẳng hạn như với khoảng cách từ một ăng-ten, cường độ trường của nó trở nên yếu dần.
Kết quả của ví dụ này phù hợp với tuyên bố được đưa ra trong Phương trình Maxwell. Tuy nhiên, chúng có thể được phát hiện trong sóng điện từ bằng cách tận dụng hiện tượng cộng hưởng, như Hertz đã làm. Một hệ có cùng tần số riêng với sóng điện từ có thể được thực hiện để dao động. Tất cả các máy thu thanh và truyền hình đều sử dụng nguyên tắc này để thu và sau đó khuếch đại các sóng điện từ yếu, đồng thời loại bỏ tất cả các sóng khác không ở tần số cộng hưởng của chúng.
THỬ NGHIỆM
Đối với TV hoặc đài của bạn ở nhà, hãy xác định ăng-ten và phác thảo hình dạng của nó. Nếu không có cáp, bạn có thể có ăng-ten TV ngoài trời hoặc trong nhà. Ước tính kích thước của nó. Nếu tín hiệu TV nằm trong khoảng từ 60 đến 216 MHz đối với các kênh cơ bản, thì bước sóng của các sóng EM đó là bao nhiêu?
Thử dò đài và ghi lại dải tần số nhỏ mà tại đó nhận được tín hiệu hợp lý cho đài đó. (Điều này dễ dàng hơn với khả năng đọc kỹ thuật số.) Nếu bạn có một chiếc ô tô có đài và ăng-ten có thể mở rộng, hãy lưu ý chất lượng thu sóng khi chiều dài của ăng-ten thay đổi.
Tóm tắt phần – Nguyên lý tạo sóng điện từ bằng anten
- Sóng điện từ được tạo ra bởi các điện tích dao động (bức xạ bất cứ khi nào được gia tốc) và có cùng tần số với dao động.
- Vì điện trường và từ trường trong hầu hết các sóng điện từ đều vuông góc với phương của sóng chuyển động, nên nó thường là sóng ngang.
- Cường độ của các phần điện và từ của sóng có liên quan với nhau bởi C=E/B
Trong đó hàm ý rằng từ trường B là rất yếu so với các lĩnh vực điện tử .
Điện trường: một đại lượng vectơ ( E ); các đường sức điện trên một đơn vị điện tích, chuyển động hướng tâm ra ngoài từ điện tích dương và hướng vào trong về phía điện tích âm
Cường độ điện trường: độ lớn của điện trường, ký hiệu là E trường
Từ trường: một đại lượng vectơ ( B ); có thể được sử dụng để xác định lực từ trên một hạt mang điện chuyển động
Cường độ từ trường: độ lớn của từ trường, ký hiệu là B-field
Sóng ngang: sóng, chẳng hạn như sóng điện từ, dao động vuông góc với trục dọc theo đường truyền
Sóng dừng: sóng dao động tại chỗ, có các nút không xảy ra chuyển động
Bước sóng: khoảng cách từ đỉnh này đến đỉnh kế tiếp của sóng
Biên độ: độ cao hoặc độ lớn của sóng điện từ
Tần số: số chu kỳ sóng hoàn chỉnh (lên-xuống) đi qua một điểm nhất định trong vòng một giây (chu kỳ / giây)
Cộng hưởng: một hệ thống hiển thị dao động nâng cao khi bị nhiễu loạn tuần hoàn có cùng tần số với tần số tự nhiên của nó
Dao động: dao động qua lại trong một nhịp ổn định