Bài 19 · Cơ bản

Điện từ trường. Mô hình sóng điện từ

Hiểu điện từ trường (từ trường biến thiên sinh điện trường xoáy và ngược lại), mô hình sóng điện từ (E ⊥ B ⊥ phương truyền, λ = c/f), biết thang sóng điện từ và cách truyền thông tin bằng sóng vô tuyến, rồi ôn cả chương III: lực từ, từ thông, cảm ứng điện từ, thanh trượt trên ray, máy phát điện.

Ứng với SGK Vật lí 12 (bộ thống nhất): Bài 19

⚡ Nhớ nhanh

1Từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra điện trường xoáy (đường sức khép kín); điện trường biến thiên sinh ra từ trường xoáy. Hai trường gắn với nhau thành điện từ trường.
2Điện từ trường lan truyền trong không gian là sóng điện từ: tại mỗi điểm $E$ ⊥ $B$ , cả hai ⊥ phương truyền (sóng ngang), E và B dao động cùng pha.
3Truyền được cả trong chân không với tốc độ c = 3·10⁸ m/s; λ = c/f: tần số tăng thì bước sóng giảm, tốc độ không đổi.
4Thang sóng theo tần số tăng dần: sóng vô tuyến → hồng ngoại → ánh sáng nhìn thấy → tử ngoại → tia X → tia gamma.
5Ôn chương III: F = BIℓ sinθ · Φ = BS cosα · |e| = N|ΔΦ|/Δt · thanh trượt e = Bℓv, F = B²ℓ²v/R, P = Fv · máy phát E₀ = NBSω.
6Bẫy: nói "tần số tăng thì sóng nhanh hơn" — wifi 2,4 GHz hay 5 GHz đều truyền với c; chỉ bước sóng đổi (12,5 cm → 6 cm).

👀 Nhìn là hiểu

Tab Khám phá có 3 chế độ: kéo tần số xem E, B và bước sóng λ = c/f; thang sóng điện từ từ vô tuyến đến gamma; và B biến thiên sinh điện trường xoáy. Tab Thí nghiệm: đo bước sóng vi ba bằng sóng dừng, và phần Tổng hợp chương III với thanh kim loại trượt trên ray trong từ trường. Tab Đoán trước có 4 cái bẫy.

Tần số f2,4 GHz

Bước sóng λ = c/f12,5 cm

Tốc độ truyền3·10⁸ m/s

Vùng sóngSóng vô tuyến

Đỏ: E · xanh: B (vẽ nhỏ hơn một chút để thấy hai đường): lên xuống cùng lúc = cùng pha.

Kéo thả tự do, xem số và đồ thị chạy theo.

Tần số f = 2,4 GHz (thang chia log, kéo ngang trên hình cũng được)

⏸ Dừng hình

Sóng điện từ f = 2,4 GHz: tốc độ vẫn c = 3·10⁸ m/s ⇒ λ = c/f = 12,5 cm (vùng sóng vô tuyến). E (đỏ) và B (xanh) vuông góc nhau, cùng vuông góc phương truyền và dao động cùng pha: trên đồ thị hai đường cùng lên cùng xuống.

1 🌀 Điện từ trường

Cần nhớ

✦Bài 16: từ thông qua vòng dây kín biến thiên thì có dòng cảm ứng. Mắc-xoen giải thích sâu hơn: từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra điện trường xoáy — điện trường có đường sức là đường cong khép kín (khác điện trường tĩnh, đường sức đi từ điện tích dương sang điện tích âm).
✦Điện trường xoáy tồn tại kể cả khi không có dây dẫn. Vòng dây chỉ giúp ta "thấy" nó: điện trường xoáy đẩy các electron tự do trong dây chạy thành dòng cảm ứng.
✦Ngược lại, điện trường biến thiên theo thời gian sinh ra từ trường xoáy quây quanh các đường sức điện.
✦Hai trường biến thiên này không tách rời nhau: gọi chung là điện từ trường. Chiều điện trường xoáy theo định luật Len-xơ: từ trường hướng vào trang giấy và tăng thì điện trường xoáy (dòng cảm ứng) ngược chiều kim đồng hồ; từ trường đó giảm thì cùng chiều kim đồng hồ.
✦Độ lớn: e = |ΔΦ|/Δt. Với từ trường đều B vuông góc vòng dây bán kính r đang biến thiên: e = πr²·ΔB/Δt, e tỉ lệ với r².

Dạng bài

Suất điện động và chiều dòng cảm ứng khi từ trường biến thiên

1 Đổi đơn vị: r (cm → m), diện tích vòng S = πr² (m²).
2 Tính độ biến thiên từ thông: ΔΦ = ΔB·S (B vuông góc mặt vòng).
3 e = ΔΦ/Δt (độ lớn, N = 1 vòng).
4 Chiều: B tăng thì B cảm ứng ngược chiều B; B giảm thì cùng chiều B. Dùng quy tắc nắm tay phải suy ra chiều dòng.
5 Thử lại: e cỡ mV – V ở bài thí nghiệm trên lớp; thay ngược e vào ΔΦ = e·Δt.

⚠️ Bẫy hay gặp: Để r = 5 mà không đổi ra mét: S = π · 5² = 78,5 m² ⇒ e = 0,4 · 78,50,2 ≈ 157 V — vô lí cho một vòng dây bán kính 5 cm.

🌀

Làm mẫu

Một vòng dây dẫn bán kính 5 cm nằm trong mặt phẳng tờ giấy, trong từ trường đều vuông góc mặt vòng và hướng vào tờ giấy. Từ trường tăng đều từ 0 đến 0,4 T trong 0,2 s. Tìm suất điện động cảm ứng và chiều dòng điện trong vòng.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

2 📡 Mô hình sóng điện từ

Cần nhớ

✦Điện từ trường biến thiên lan truyền trong không gian thành sóng điện từ: E biến thiên sinh B, B biến thiên lại sinh E, cứ thế lan ra xa. Tần số sóng bằng tần số của nguồn (mạch dao động, anten).
✦Mô hình sóng: tại mỗi điểm $E$ ⊥ $B$ và cả hai ⊥ phương truyền ⇒ sóng ngang. E và B dao động cùng pha: cùng cực đại, cùng bằng 0 trong cùng một lúc.
✦Truyền được trong chân không với tốc độ c = 3·10⁸ m/s (trong không khí gần như vậy; trong môi trường vật chất chậm hơn). Sóng âm thì không truyền được trong chân không.
✦Hệ thức: λ = c/f = cT. Cùng tốc độ c, tần số f càng lớn thì bước sóng λ càng nhỏ.
✦Sóng điện từ mang năng lượng, và cũng phản xạ, khúc xạ, giao thoa như các sóng khác.

Dạng bài

Đổi giữa tần số và bước sóng

1 Đổi đơn vị: 1 GHz = 10⁹ Hz, 1 MHz = 10⁶ Hz; 1 cm = 10⁻² m, 1 nm = 10⁻⁹ m.
2 λ = c/f hoặc f = c/λ với c = 3·10⁸ m/s (trong chân không, không khí).
3 Bài rađa (sóng đi rồi phản xạ về): quãng đường đi và về = c·t, nên khoảng cách d = c·t/2.
4 Thử lại: λ·f phải ra 3·10⁸ m/s; wifi cỡ chục cm, sóng FM cỡ mét, sóng AM cỡ vài trăm mét.

⚠️ Bẫy hay gặp: Đổi sai GHz thành 10⁶: f = 2,4·10⁶ Hz ⇒ λ = 125 m — dài như sóng radio AM, vô lí với wifi.

📶

Làm mẫu

Sóng wifi có tần số 2,4 GHz. Tính bước sóng trong không khí và thời gian sóng đi được 30 m. Lấy c = 3·10⁸ m/s.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

3 🌈 Thang sóng điện từ và thông tin liên lạc

Thang sóng điện từ (giá trị xấp xỉ, trong chân không)

Loại sóng	Bước sóng	Tần số	Ứng dụng
Sóng vô tuyến	trên 1 mm	dưới 3·10¹¹ Hz	Radio, TV, wifi, lò vi sóng, rađa
Hồng ngoại	1 mm – 760 nm	3·10¹¹ – 4·10¹⁴ Hz	Điều khiển từ xa, sưởi, camera nhiệt
Ánh sáng nhìn thấy	760 – 380 nm	4·10¹⁴ – 8·10¹⁴ Hz	Mắt nhìn, quang hợp
Tử ngoại	380 – 10 nm	8·10¹⁴ – 3·10¹⁶ Hz	Khử trùng, phát hiện tiền giả
Tia X	10 nm – 10 pm	3·10¹⁶ – 3·10¹⁹ Hz	Chụp X-quang trong y tế
Tia gamma	dưới 10 pm	trên 3·10¹⁹ Hz	Diệt tế bào ung thư, khử trùng

Cần nhớ

✦Mọi loại trong bảng đều là sóng điện từ, cùng bản chất, cùng tốc độ c trong chân không; khác nhau ở tần số (bước sóng), nên tính chất và ứng dụng khác nhau.
✦Âm thanh có tần số thấp (âm tần, vài chục Hz – 20 kHz) không bức xạ đi xa được. Máy phát biến điệu: gắn tín hiệu âm tần lên sóng mang cao tần rồi phát ra anten.
✦Máy thu: anten thu → mạch chọn sóng → mạch tách sóng (lấy lại tín hiệu âm tần) → khuếch đại → loa.
✦Sóng ngắn phản xạ ở tầng điện li nên đi xa quanh Trái Đất; sóng cực ngắn (FM, TV, wifi, 4G) xuyên qua tầng điện li nên dùng cho vệ tinh nhưng phải "nhìn thấy" nhau.

Dạng bài

Xác định loại sóng điện từ

1 Đổi đơn vị: λ sang mét (nm = 10⁻⁹ m), f sang Hz.
2 Nếu đề cho λ thì f = c/λ (hoặc ngược lại).
3 So f hay λ với bảng thang sóng để kết luận loại sóng.
4 Thử lại: tần số càng lớn thì bước sóng càng nhỏ; ánh sáng nhìn thấy có f cỡ 10¹⁴ Hz.

⚠️ Bẫy hay gặp: Quên đổi nm: lấy λ = 940 (m) ⇒ f = 3·10⁸/940 ≈ 3,2·10⁵ Hz — rơi vào sóng radio, vô lí.

📺

Làm mẫu

Bộ điều khiển ti vi từ xa phát sóng điện từ có bước sóng 940 nm. Tính tần số và cho biết đó là sóng thuộc vùng nào.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

4 🔁 Ôn chương III: từ trường, lực từ, cảm ứng, máy phát

Công thức chương III

Nội dung	Công thức	Ghi chú
Lực từ lên dây dẫn	F = BIℓ sinθ	θ là góc giữa dây và B; chiều theo quy tắc bàn tay trái
Từ thông	Φ = BS cosα	α là góc giữa pháp tuyến và B; đơn vị Wb
Suất điện động cảm ứng	\|e\| = N·\|ΔΦ\|/Δt	Chiều theo định luật Len-xơ
Thanh dài ℓ chuyển động trong B	e = Bℓv	v, thanh, B vuông góc nhau; I = e/R
Lực từ cản thanh	F = BIℓ = B²ℓ²v/R	ngược chiều v; P = Fv = e·I = I²R
Máy phát điện xoay chiều	E₀ = NBSω	khung quay đều; e = E₀cos(ωt + φ)

Dạng bài

Giải bài thanh kim loại trượt trên ray

1 Đổi đơn vị: ℓ (m), v (m/s), B (T), R (Ω).
2 Suất điện động: e = Bℓv (thanh vuông góc đường sức và vuông góc v).
3 Dòng điện: I = e/R; chiều theo Len-xơ (diện tích mạch tăng ⇒ B cảm ứng ngược B).
4 Lực từ F = BIℓ cản chuyển động; kéo đều thì lực kéo bằng F. Công suất P = Fv.
5 Thử lại: P = e·I = I²R ba cách phải ra cùng một số.

⚠️ Bẫy hay gặp: Dùng ℓ = 50 (cm) trong F = BIℓ: F = 0,4 · 0,4 · 50 = 8 N — lớn gấp 100 lần đáp số đúng 0,08 N.

🛤️

Làm mẫu

Thanh kim loại dài ℓ = 0,5 m trượt đều với v = 2 m/s trên hai ray nằm ngang nối với điện trở R = 1 Ω, trong từ trường đều B = 0,4 T vuông góc mặt phẳng ray (bỏ qua điện trở thanh và ray). Tính e, I, lực từ và công suất kéo.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

5 📶 Hiện tượng quanh ta

✦📶 Wifi, Bluetooth, 4G đều là sóng điện từ thuộc vùng vi ba. Wifi 2,4 GHz có λ = 12,5 cm; tường dày làm yếu sóng vì hấp thụ và phản xạ bớt.
✦🍲 Lò vi sóng dùng sóng 2,45 GHz (λ ≈ 12,2 cm). Sóng phản xạ trên vách kim loại tạo sóng dừng có chỗ mạnh chỗ yếu, nên thức ăn đặt trên đĩa quay để nóng đều.
✦🚀 Phi hành gia trên Mặt Trăng nói chuyện bằng bộ đàm: ngoài đó là chân không, âm không truyền nhưng sóng điện từ vẫn truyền; tín hiệu đi 3,84·10⁸ m mất khoảng 1,28 s.
✦☀️ Ánh sáng Mặt Trời cũng là sóng điện từ: đi 1,5·10¹¹ m với tốc độ 3·10⁸ m/s mất 500 s, tức 8 phút 20 giây mới tới Trái Đất.

6 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai

⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm

✦λ = c/f: f gấp 10 thì λ chia 10. Nhớ mốc: wifi chục cm, FM mét, AM vài trăm mét.
✦Câu hỏi về E và B có đáp án cố định: vuông góc nhau, cùng vuông góc phương truyền, cùng pha.
✦Thanh trượt: e ∝ v, F ∝ v, P ∝ v². Vận tốc gấp đôi ⇒ lực gấp 2, công suất gấp 4.
✦Chiều dòng cảm ứng: luôn chống lại sự biến thiên — B tăng thì B cảm ứng ngược, B giảm thì cùng.

⚠️ Lỗi hay sai nhất

✦Đổi sai GHz: wifi 2,4 GHz ra λ = 125 m thay vì 12,5 cm (dùng 10⁶ thay 10⁹).
✦Rađa: quên chia 2. Tín hiệu phản xạ sau 0,4 ms ⇒ d = 60 km, không phải 120 km (sóng đi và về).
✦Cho rằng tần số tăng thì sóng nhanh hơn: wifi 2,4 GHz → 5 GHz vẫn 3·10⁸ m/s, λ chỉ giảm từ 12,5 cm còn 6 cm.
✦Nói sóng điện từ là sóng dọc hay cần môi trường: sóng điện từ là sóng ngang và truyền được trong chân không.
✦Thanh trượt không đổi cm sang m: F = 8 N thay vì 0,08 N.
✦Quên cos trong Φ = BS cosα: S = 200 cm², B = 0,5 T, α = 60° ra 10 mWb thay vì 5 mWb.

📏 Kiểm tra đơn vị và độ lớn

✦Tốc độ sóng điện từ trong chân không luôn là 3·10⁸ m/s. Ra 3·10⁶ hay 3·10¹⁰ là sai số mũ.
✦λ·f luôn ra 3·10⁸ m/s: dùng để thử lại mọi bài đổi f ↔ λ.
✦Thanh trượt: P = F·v = e·I = I²R, ba cách phải cùng một số.
✦e của một vòng dây trong thí nghiệm lớp cỡ mV – V. Ra hàng trăm V thường là quên đổi cm² sang m².

✏️ Luyện tập

Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.

🌀

Điện từ trường

1
Nhận biết
Theo Mắc-xoen, từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra
2
Thông hiểu
Vòng dây dẫn phẳng nằm trong mặt phẳng tờ giấy. Từ trường đều hướng vào trong tờ giấy (vuông góc mặt vòng) và đang tăng. Dòng điện cảm ứng trong vòng dây
3
Thông hiểu Vòng dây bán kính 10 cm đặt trong từ trường đều vuông góc mặt vòng. Từ trường tăng đều từ 0 đến 0,5 T trong 0,1 s. Suất điện động cảm ứng là mV (làm tròn đến hàng đơn vị).
4
Vận dụng
Vùng hình trụ bán kính 20 cm có từ trường đều dọc trục, đang tăng đều theo thời gian. Hai vòng dây cùng tâm trục, mặt phẳng vuông góc từ trường, bán kính 5 cm và 10 cm, đều nằm trong vùng đó. Suất điện động cảm ứng của vòng lớn so với vòng nhỏ

📡

Mô hình sóng điện từ

1
Nhận biết
Phát biểu nào đúng về sóng điện từ?
2
Thông hiểu
Tại một điểm trên phương truyền của sóng điện từ, vectơ cường độ điện trường $E$ và vectơ cảm ứng từ $B$
3
Thông hiểu Sóng wifi có tần số 2,4 GHz. Bước sóng của nó trong không khí là cm (c = 3·10⁸ m/s).
4
Thông hiểu
Một sóng điện từ truyền trong chân không, tần số tăng gấp đôi. Tốc độ truyền và bước sóng thay đổi thế nào?
5
Vận dụng Rađa phát xung sóng điện từ về phía máy bay và thu tín hiệu phản xạ sau 0,4 ms kể từ lúc phát. Máy bay cách rađa km (c = 3·10⁸ m/s).

🌈

Thang sóng và thông tin liên lạc

1
Nhận biết
Các sóng điện từ xếp theo thứ tự tần số tăng dần là
2
Thông hiểu Ánh sáng đỏ có bước sóng 700 nm trong chân không. Tần số của nó là ·10¹⁴ Hz (c = 3·10⁸ m/s; làm tròn một chữ số thập phân).
3
Vận dụng
Tia X có bước sóng 0,1 nm trong chân không. Tần số của nó là
4
Nhận biết
Trong máy thu thanh, mạch tách sóng có nhiệm vụ

🔬

Thí nghiệm và số liệu

1
Thông hiểu
Đo sóng vi ba bằng sóng dừng: ở mỗi tần số f, đo khoảng cách d giữa hai nút sóng liên tiếp (d = λ/2). Được bảng: $f (GHz) d (cm) 3 5, 1 6 2, 5 10 1, 5$ Nhận xét nào đúng?
2
Thông hiểu Theo bảng số liệu ở câu trên, bước sóng ứng với tần số 6 GHz là cm.
3
Vận dụng
Một học sinh đo sóng dừng vi ba: khoảng cách từ nút thứ nhất đến nút thứ năm (liên tiếp) là 6,0 cm. Bước sóng của sóng là

🔁

Ôn chương III

1
Vận dụng
Thanh dài 0,4 m chuyển động đều với v = 5 m/s vuông góc với đường sức của từ trường đều B = 0,5 T, trượt trên ray nối điện trở R = 2 Ω (bỏ qua điện trở thanh và ray). Cường độ dòng điện và lực từ tác dụng lên thanh là
2
Thông hiểu Khung dây phẳng gồm N = 100 vòng, mỗi vòng S = 200 cm², quay đều trong từ trường đều B = 0,5 T với tốc độ góc ω = 100 rad/s. Suất điện động cực đại là V.
3
Thông hiểu
Đoạn dây dài 20 cm mang dòng điện 5 A đặt vuông góc với từ trường đều B = 0,3 T. Lực từ tác dụng lên đoạn dây là
4
Thông hiểu
Khung dây phẳng diện tích 200 cm² đặt trong từ trường đều B = 0,5 T, pháp tuyến của khung hợp với B góc 60°. Từ thông qua khung là
5
Vận dụng Cuộn dây 50 vòng, diện tích mỗi vòng 40 cm², đặt trong từ trường đều vuông góc mặt vòng. Từ trường giảm đều từ 0,6 T về 0 trong 0,05 s. Suất điện động cảm ứng là V.
6
Thông hiểu
Kéo đều thanh trượt trên ray trong từ trường đều (mạch kín, có điện trở). Nếu kéo với vận tốc gấp đôi (vẫn đều) thì công suất cơ học của người kéo

🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp

Đề Vật lí có 3 phần: 18 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của bài này.

🅰️

Phần I · Trắc nghiệm 4 lựa chọn

1
Thông hiểu
Một đài phát thanh phát sóng có tần số 90 MHz. Bước sóng của sóng này trong không khí là (c = 3·10⁸ m/s)
2
Thông hiểu
Trong sóng điện từ truyền trong chân không, tại một điểm, vào thời điểm cường độ điện trường E có độ lớn cực đại thì cảm ứng từ B
3
Vận dụng
Khung dây 100 vòng, diện tích 25 cm², đặt trong từ trường đều vuông góc mặt khung. Cảm ứng từ biến thiên theo thời gian B = 0,2t (B tính bằng T, t tính bằng s). Độ lớn suất điện động cảm ứng là

✅

Phần II · Đúng / sai

1
Thông hiểu
Một bộ phát wifi phát sóng điện từ tần số 2,4 GHz trong không khí. Lấy c = 3·10⁸ m/s.

a)Bước sóng của sóng này là 12,5 cm.

b)Sóng này vẫn truyền được trong chân không với tốc độ 3·10⁸ m/s.

c)Sóng này là sóng dọc: E và B dao động dọc theo phương truyền.

d)Nếu đổi sang wifi 5 GHz thì tốc độ truyền sóng tăng lên khoảng 2,1 lần.
2
Vận dụng
Thanh kim loại dài ℓ = 0,5 m trượt đều với v = 2 m/s trên hai ray nối điện trở R = 1 Ω, trong từ trường đều B = 0,4 T vuông góc mặt phẳng ray (bỏ qua điện trở thanh và ray).

a)Suất điện động cảm ứng trong thanh là 0,4 V.

b)Lực từ tác dụng lên thanh là 0,08 N và ngược chiều chuyển động.

c)Nếu kéo với v = 4 m/s thì công suất điện trong mạch chỉ tăng gấp đôi, thành 0,32 W.

d)Khi ngừng kéo, thanh dừng hẳn (v = 0) mà vẫn còn dòng cảm ứng vì từ trường vẫn xuyên qua mạch.

🔢

Phần III · Trả lời ngắn

1
Thông hiểu Khoảng cách Trái Đất – Mặt Trăng là 3,84·10⁸ m. Tín hiệu sóng vô tuyến truyền từ Trái Đất đến Mặt Trăng mất bao nhiêu giây (c = 3·10⁸ m/s; làm tròn đến hai chữ số thập phân)? Đáp số:
2
Vận dụng Thanh dài 0,25 m trượt đều với v = 3 m/s trên ray nối điện trở 0,5 Ω, trong từ trường đều B = 0,8 T vuông góc mặt phẳng ray (bỏ qua điện trở thanh và ray). Cường độ dòng điện trong mạch là bao nhiêu ampe? Đáp số:
3
Vận dụng Với thanh trượt ở câu trên (kéo đều), công suất cơ học của lực kéo là bao nhiêu oát? Đáp số:

🎯 Bài này vào đề tốt nghiệp ở đâu?

•Phần I thường hỏi mô hình sóng (E ⊥ B ⊥ phương truyền, cùng pha, sóng ngang), tính λ = c/f hay f = c/λ, thứ tự các vùng trong thang sóng, và chiều dòng cảm ứng khi từ trường biến thiên.
•Phần II hay có một tình huống sóng (wifi, rađa, lò vi sóng) hoặc thanh trượt trên ray: ý dễ mất điểm là nhầm sóng dọc/ngang, nói tần số tăng thì tốc độ tăng, hoặc nghĩ công suất tỉ lệ với v thay vì v².
•Phần III có thể hỏi bước sóng hay tần số (nhớ đổi GHz, MHz, nm), thời gian truyền tín hiệu, hoặc e, I, F, P của thanh trượt (nhớ đổi cm sang m).

Làm đề thi thử trọn bộ

Bài tiếp theo
Cấu trúc hạt nhân