Cộng hưởng là một trong những hiện tượng vật lý phổ biến nhất trong tự nhiên. Hiện tượng cộng hưởng có thể được quan sát thấy trong các hệ thống cơ, điện và thậm chí cả nhiệt. Nếu không có sự cộng hưởng, chúng ta sẽ không có đài phát thanh, truyền hình, âm nhạc, và thậm chí cả sân chơi đu quay, chưa kể các hệ thống chẩn đoán hiệu quả nhất được sử dụng trong y học hiện đại. Một trong những dạng cộng hưởng thú vị và hữu ích nhất trong mạch điện là cộng hưởng điện áp.
Các phần tử của mạch cộng hưởng
Hiện tượng cộng hưởng có thể xảy ra trong đoạn mạch gọi là RLC chứa các thành phần sau:
- R - điện trở. Các thiết bị này, liên quan đến cái gọi là các phần tử hoạt động của mạch điện, chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt năng. Nói cách khác, chúng loại bỏ năng lượng khỏi mạch và chuyển nó thành nhiệt.
- L - điện cảm. Điện cảm trongmạch điện - tương tự của khối lượng hoặc quán tính trong hệ thống cơ khí. Thành phần này không được chú ý nhiều trong mạch điện cho đến khi bạn cố gắng thực hiện một số thay đổi đối với nó. Ví dụ trong cơ học, một sự thay đổi như vậy là một sự thay đổi về tốc độ. Trong mạch điện, cường độ dòng điện thay đổi. Nếu nó xảy ra vì bất kỳ lý do gì, độ tự cảm sẽ chống lại sự thay đổi này trong chế độ mạch.
- C là tên gọi của tụ điện, là thiết bị lưu trữ năng lượng điện giống như cách lò xo lưu trữ năng lượng cơ học. Một cuộn cảm tập trung và lưu trữ năng lượng từ trường, trong khi một tụ điện tập trung điện tích và do đó lưu trữ năng lượng điện.
Khái niệm về mạch cộng hưởng
Các phần tử quan trọng của mạch cộng hưởng là độ tự cảm (L) và điện dung (C). Điện trở có xu hướng làm tắt dần các dao động, vì vậy nó lấy năng lượng ra khỏi mạch. Khi xem xét các quá trình xảy ra trong mạch dao động, chúng ta tạm thời bỏ qua nó, nhưng cần phải nhớ rằng, giống như lực ma sát trong các hệ thống cơ học, không thể loại bỏ điện trở trong mạch.
Cộng hưởng điện áp và cộng hưởng dòng điện
Tùy thuộc vào cách kết nối các phần tử chính, mạch cộng hưởng có thể mắc nối tiếp và song song. Khi mắc mạch dao động nối tiếp với nguồn điện áp có tần số hiệu điện thế trùng với tần số riêng thì trong điều kiện nhất định, trong nó xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện áp. Cộng hưởng trong mạch điện mắc song songphần tử phản kháng được gọi là cộng hưởng hiện tại.
Tần số riêng của mạch cộng hưởng
Chúng ta có thể làm cho hệ dao động với tần số riêng của nó. Để làm điều này, trước tiên bạn cần sạc tụ điện, như trong hình trên bên trái. Khi việc này hoàn tất, phím sẽ được chuyển đến vị trí được hiển thị trong cùng một hình bên phải.
Tại thời điểm "0", tất cả năng lượng điện được lưu trữ trong tụ điện và cường độ dòng điện trong mạch bằng 0 (hình bên dưới). Chú ý rằng bản trên cùng của tụ điện tích điện dương trong khi bản dưới cùng tích điện âm. Chúng ta không thể nhìn thấy dao động của các electron trong mạch, nhưng chúng ta có thể đo dòng điện bằng ampe kế, và sử dụng máy hiện sóng để theo dõi bản chất của dòng điện so với thời gian. Lưu ý rằng T trên đồ thị của chúng ta là thời gian cần thiết để hoàn thành một dao động, trong kỹ thuật điện được gọi là "chu kỳ dao động".
Dòng điện chạy theo chiều kim đồng hồ (hình bên dưới). Năng lượng được truyền từ tụ điện sang cuộn cảm. Thoạt nhìn, có vẻ lạ khi một cuộn cảm chứa năng lượng, nhưng điều này tương tự như động năng chứa trong một khối chuyển động.
Dòng năng lượng quay trở lại tụ điện, nhưng lưu ý rằng cực tính của tụ điện hiện đã được đảo ngược. Nói cách khác, tấm dưới cùng mang điện tích dương và tấm trên mang điện tích âm (Hìnhdưới cùng).
Bây giờ hệ thống đã hoàn toàn đảo ngược và năng lượng bắt đầu chảy từ tụ điện trở lại cuộn cảm (hình bên dưới). Kết quả là, năng lượng trở lại hoàn toàn về điểm ban đầu và sẵn sàng bắt đầu lại chu kỳ.
Tần số dao động có thể được tính gần đúng như sau:
F=1 / 2π (LC)0, 5,
trong đó: F - tần số, L - điện cảm, C - điện dung.
Quá trình được xem xét trong ví dụ này phản ánh bản chất vật lý của sự cộng hưởng ứng suất.
Học Cộng hưởng Căng thẳng
Trong mạch LC thực luôn tồn tại một lượng điện trở nhỏ làm biên độ dòng điện giảm dần theo từng chu kỳ. Sau một số chu kỳ, dòng điện giảm đến không. Hiệu ứng này được gọi là "giảm tín hiệu hình sin". Tốc độ dòng điện giảm đến 0 phụ thuộc vào lượng điện trở trong mạch. Tuy nhiên, cảm kháng không làm thay đổi tần số dao động của mạch cộng hưởng. Nếu điện trở đủ lớn thì trong mạch sẽ không có dao động hình sin.
Rõ ràng, ở đâu có tần số dao động tự nhiên, ở đó có khả năng xảy ra quá trình cộng hưởng. Chúng tôi thực hiện điều này bằng cách mắc nối tiếp nguồn điện xoay chiều (AC), như thể hiện trong hình bên trái. Thuật ngữ "biến" có nghĩa là điện áp đầu ra của nguồn dao động với mộttần số. Nếu tần số của nguồn điện phù hợp với tần số riêng của mạch thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện áp.
Điều kiện xuất hiện
Bây giờ chúng ta sẽ xem xét các điều kiện để xảy ra hiện tượng cộng hưởng ứng suất. Như trong hình cuối cùng, chúng tôi đã trả lại điện trở cho vòng lặp. Trong trường hợp không có điện trở trong mạch thì cường độ dòng điện trong mạch cộng hưởng sẽ tăng đến một giá trị cực đại nào đó xác định bởi thông số của các phần tử trong mạch và công suất của nguồn điện. Tăng điện trở của biến trở trong mạch cộng hưởng làm tăng xu hướng dòng điện trong mạch giảm dần, nhưng không ảnh hưởng đến tần số của dao động cộng hưởng. Theo quy luật, chế độ cộng hưởng điện áp không xảy ra nếu điện trở của mạch cộng hưởng thỏa mãn điều kiện R=2 (L / C)0, 5.
Sử dụng cộng hưởng điện áp để truyền tín hiệu vô tuyến
Hiện tượng cộng hưởng ứng suất không chỉ là một hiện tượng vật lý gây tò mò. Nó đóng một vai trò đặc biệt trong công nghệ truyền thông không dây - đài phát thanh, truyền hình, điện thoại di động. Máy phát được sử dụng để truyền thông tin không dây nhất thiết phải chứa các mạch được thiết kế để cộng hưởng ở một tần số cụ thể cho từng thiết bị, được gọi là tần số sóng mang. Với một ăng-ten phát được kết nối với máy phát, nó phát ra sóng điện từ ở tần số sóng mang.
Ăng-ten ở đầu kia của đường dẫn thu phát nhận tín hiệu này và đưa nó đến mạch thu, được thiết kế để cộng hưởng ở tần số sóng mang. Rõ ràng, ăng-ten nhận được nhiều tín hiệu ở cáctần số, chưa kể đến tiếng ồn xung quanh. Do sự hiện diện của mạch cộng hưởng ở đầu vào của thiết bị nhận, được điều chỉnh theo tần số sóng mang của mạch cộng hưởng, máy thu sẽ chọn đúng tần số duy nhất, loại bỏ tất cả các tần số không cần thiết.
Sau khi phát hiện tín hiệu vô tuyến được điều chế biên độ (AM), tín hiệu tần số thấp (LF) được trích xuất từ nó sẽ được khuếch đại và đưa đến thiết bị tái tạo âm thanh. Đây là hình thức truyền vô tuyến đơn giản nhất và rất nhạy cảm với tiếng ồn và nhiễu.
Để cải thiện chất lượng thông tin nhận được, các phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến khác, tiên tiến hơn đã được phát triển và sử dụng thành công, cũng dựa trên việc sử dụng các hệ thống cộng hưởng đã được điều chỉnh.
Điều chế tần số hoặc đài FM giải quyết được nhiều vấn đề của việc truyền sóng radio AM, nhưng điều này phải trả giá là làm phức tạp hệ thống truyền dẫn. Trong đài FM, âm thanh hệ thống trong đường dẫn điện tử được chuyển đổi thành những thay đổi nhỏ trong tần số sóng mang. Phần thiết bị thực hiện chuyển đổi này được gọi là "bộ điều biến" và được sử dụng với bộ phát.
Theo đó, một bộ giải điều chế phải được thêm vào bộ thu để chuyển đổi tín hiệu trở lại dạng có thể phát qua loa.
Thêm các ví dụ về sử dụng cộng hưởng điện áp
Cộng hưởng điện áp như một nguyên tắc cơ bản cũng được nhúng trong mạch của nhiều bộ lọc được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện để loại bỏ các tín hiệu có hại và không cần thiết,làm mịn các gợn sóng và tạo ra các tín hiệu hình sin.
