Mạch dao động là một thiết bị được thiết kế để tạo (tạo) dao động điện từ. Từ khi ra đời cho đến ngày nay, nó đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ: từ cuộc sống hàng ngày đến các nhà máy khổng lồ sản xuất nhiều loại sản phẩm.
Nó được làm bằng gì?
Mạch dao động gồm cuộn dây và tụ điện. Ngoài ra, nó cũng có thể chứa một điện trở (phần tử có điện trở thay đổi). Cuộn cảm (hoặc điện từ đôi khi được gọi) là một thanh trên đó được quấn nhiều lớp cuộn dây, theo quy luật, là một dây đồng. Chính phần tử này tạo ra dao động trong mạch dao động. Thanh ở giữa thường được gọi là cuộn cảm hoặc lõi, và cuộn dây đôi khi được gọi là điện từ.
Cuộn mạch dao động chỉ dao động khi có điện tích dự trữ. Khi dòng điện chạy qua nó, nó sẽ tích lũy một điện tích, sau đó nó sẽ tỏa ra mạch điện nếu điện áp giảm xuống.
Các cuộn dây thường có điện trở rất nhỏ, luôn không đổi. Trong mạch điện dao động rất hay xảy ra sự thay đổi hiệu điện thế và cường độ dòng điện. Sự thay đổi này tuân theo các định luật toán học nhất định:
-
U=U0 cos (w(t-t0), trong đó
U là điện áp hiện tại tại thời điểm t, U0- điện áp tại thời điểm t0, w - tần số của dao động điện từ.
Một thành phần không thể thiếu khác của mạch là tụ điện. Đây là một phần tử bao gồm hai bản, được ngăn cách bởi một chất điện môi. Trong trường hợp này, độ dày của lớp giữa các tấm nhỏ hơn kích thước của chúng. Thiết kế này cho phép bạn tích lũy điện tích trên chất điện môi, điện tích này sau đó có thể được chuyển sang mạch.
Điểm khác biệt giữa tụ điện và pin là không có sự biến đổi các chất dưới tác dụng của dòng điện mà là sự tích tụ điện tích trực tiếp trong điện trường. Do đó, với sự trợ giúp của tụ điện, có thể tích lũy một điện tích đủ lớn, có thể cho đi tất cả cùng một lúc. Trong trường hợp này, cường độ dòng điện trong mạch tăng lên rất nhiều.
Ngoài ra, mạch dao động còn gồm một phần tử nữa: điện trở. Phần tử này có điện trở và được thiết kế để kiểm soát dòng điện và điện áp trong mạch. Nếu tăng điện trở của biến trở ở một hiệu điện thế không đổi thì cường độ dòng điện giảm theo quy luậtOma:
-
I=U / R, trong đó
I là dòng điện, U là điện áp, R là điện trở.
Cuộn cảm
Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn tất cả sự tinh tế của cuộn cảm và hiểu rõ hơn về chức năng của nó trong mạch dao động. Như chúng ta đã nói, điện trở của phần tử này có xu hướng bằng không. Do đó, khi kết nối với mạch một chiều, ngắn mạch sẽ xảy ra. Tuy nhiên, nếu bạn kết nối cuộn dây với mạch điện xoay chiều, nó hoạt động bình thường. Điều này cho phép bạn kết luận rằng phần tử cung cấp khả năng chống lại dòng điện xoay chiều.
Nhưng tại sao điều này lại xảy ra và điện trở xuất hiện như thế nào với dòng điện xoay chiều? Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần chuyển sang một hiện tượng như hiện tượng tự cảm ứng. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, một suất điện động (EMF) phát sinh trong nó, tạo ra trở ngại cho việc thay đổi dòng điện. Độ lớn của lực này phụ thuộc vào hai yếu tố: độ tự cảm của cuộn dây và đạo hàm của cường độ dòng điện theo thời gian. Về mặt toán học, sự phụ thuộc này được biểu thị qua phương trình:
-
E=-LI '(t), trong đó
E là giá trị EMF, L là giá trị của độ tự cảm của cuộn dây (đối với mỗi cuộn dây thì nó khác nhau và phụ thuộc về số lượng cuộn dây của cuộn dây và độ dày của chúng), I '(t) - đạo hàm của cường độ dòng điện theo thời gian (tốc độ thay đổi cường độ dòng điện).
Cường độ dòng điện một chiều không thay đổi theo thời gian, vì vậy không có điện trở khi tiếp xúc với nó.
Nhưng với dòng điện xoay chiều, tất cả các thông số của nó liên tục thay đổi theo quy luật hình sin hoặc côsin,kết quả là, một EMF phát sinh để ngăn chặn những thay đổi này. Điện trở như vậy được gọi là cảm ứng và được tính theo công thức:
- XL=wL
Dòng điện trong điện từ tăng và giảm tuyến tính theo các quy luật khác nhau. Điều này có nghĩa là nếu bạn ngừng cung cấp dòng điện cho cuộn dây, nó sẽ tiếp tục cung cấp điện tích cho mạch trong một thời gian. Và nếu đồng thời nguồn cung cấp dòng điện bị ngắt đột ngột thì sẽ xảy ra hiện tượng giật do điện tích sẽ cố gắng phân phối và thoát ra khỏi cuộn dây. Đây là một vấn đề nghiêm trọng trong sản xuất công nghiệp. Một hiệu ứng như vậy (mặc dù không hoàn toàn liên quan đến mạch dao động) có thể được quan sát, ví dụ, khi rút phích cắm ra khỏi ổ cắm. Đồng thời, một tia lửa nhảy vọt, mà ở quy mô như vậy không thể gây hại cho một người. Đó là do thực tế là từ trường không biến mất ngay lập tức, mà dần dần tiêu tan, tạo ra dòng điện trong các vật dẫn khác. Ở quy mô công nghiệp, cường độ dòng điện lớn hơn nhiều lần so với cường độ 220 vôn mà chúng ta vẫn quen sử dụng, vì vậy khi một mạch điện bị gián đoạn trong sản xuất, các tia lửa điện có cường độ như vậy có thể xảy ra gây nguy hại cho cả cây trồng và con người.
Một cuộn dây là cơ sở của mạch dao động bao gồm. Điện cảm của các solenoid trong chuỗi cộng lại. Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn tất cả những nét tinh tế trong cấu trúc của phần tử này.
Điện cảm là gì?
Độ tự cảm của cuộn dây của mạch dao động là một chỉ số riêng bằng suất điện động (tính bằng vôn) xuất hiện trong mạch khidòng điện thay đổi 1 A trong 1 giây. Nếu điện từ được kết nối với mạch một chiều, thì độ tự cảm của nó mô tả năng lượng của từ trường được tạo ra bởi dòng điện này theo công thức:
-
W=(LI2) / 2, trong đó
W là năng lượng từ trường.
Hệ số tự cảm phụ thuộc vào nhiều yếu tố: vào dạng hình học của điện từ, đặc tính từ của lõi và số lượng cuộn dây. Một thuộc tính khác của chỉ báo này là nó luôn dương, vì các biến mà nó phụ thuộc không thể âm.
Điện cảm cũng có thể được định nghĩa là thuộc tính của vật dẫn mang dòng điện để lưu trữ năng lượng trong từ trường. Nó được đo bằng Henry (được đặt theo tên của nhà khoa học người Mỹ Joseph Henry).
Ngoài bộ điện từ, mạch dao động còn có một tụ điện, sẽ được thảo luận ở phần sau.
Tụ điện
Điện dung của mạch dao động do điện dung của tụ điện quyết định. Về ngoại hình của anh ấy đã được viết ở trên. Bây giờ chúng ta hãy phân tích vật lý của các quá trình diễn ra trong đó.
Vì các bản tụ điện được làm bằng chất dẫn điện nên dòng điện có thể chạy qua chúng. Tuy nhiên, có một vật cản giữa hai bản cực: một chất điện môi (có thể là không khí, gỗ hoặc vật liệu khác có điện trở cao. Do điện tích không thể di chuyển từ đầu này sang đầu kia của dây dẫn nên điện tích tích tụ trên bản tụ điện. Điều này làm tăng công suất của từ trường và điện trường xung quanh nó.điện tích tụ trên các tấm bắt đầu được chuyển đến mạch.
Mỗi tụ điện có định mức điện áp tối ưu cho hoạt động của nó. Nếu phần tử này được làm việc trong thời gian dài ở điện áp cao hơn điện áp danh định, tuổi thọ của phần tử này sẽ giảm đáng kể. Tụ điện mạch dao động liên tục bị ảnh hưởng bởi dòng điện, và do đó, khi chọn nó, bạn phải cực kỳ cẩn thận.
Ngoài các tụ điện thông thường đã được thảo luận, còn có các loại tụ điện. Đây là một yếu tố phức tạp hơn: nó có thể được mô tả như là sự giao nhau giữa pin và tụ điện. Theo quy luật, các chất hữu cơ đóng vai trò như một chất điện môi trong một ionistor, giữa nó có một chất điện phân. Chúng cùng nhau tạo ra một lớp điện kép, cho phép bạn tích lũy năng lượng trong thiết kế này gấp nhiều lần so với trong một tụ điện truyền thống.
Điện dung của tụ điện là gì?
Điện dung của tụ điện là tỷ số giữa điện tích của tụ điện với hiệu điện thế mà nó đặt. Bạn có thể tính giá trị này rất đơn giản bằng công thức toán học:
-
C=(e0 S) / d, trong đó
e0là khả năng cho phép của vật liệu điện môi (bảng giá trị), S - diện tích của các bản tụ điện, d - khoảng cách giữa các bản tụ.
Sự phụ thuộc của điện dung của tụ điện vào khoảng cách giữa các bản tụ được giải thích bằng hiện tượng cảm ứng tĩnh điện: khoảng cách giữa các bản tụ càng nhỏ thì chúng tác động vào nhau càng mạnh (theo định luật Coulomb), điện tích của các tấm càng lớn và hiệu điện thế càng giảm. Và khi điện áp giảmgiá trị điện dung tăng lên, vì nó cũng có thể được mô tả bằng công thức sau:
-
C=q / U, trong đó
q là điện tích trong coulombs.
Điều đáng nói về các đơn vị của số lượng này. Điện dung được đo bằng farads. 1 farad là một giá trị đủ lớn để các tụ điện hiện có (nhưng không phải tụ điện) có điện dung được đo bằng picofarad (một nghìn tỷ farad).
Điện trở
Cường độ dòng điện trong mạch dao động còn phụ thuộc vào điện trở của mạch. Và ngoài hai phần tử được mô tả tạo nên mạch dao động (cuộn dây, tụ điện), còn có một phần tử thứ ba - một điện trở. Anh ta có trách nhiệm tạo ra sự phản kháng. Điện trở khác với các phần tử khác ở chỗ nó có điện trở lớn, có thể thay đổi trong một số kiểu máy. Trong mạch dao động, nó thực hiện chức năng của một bộ điều chỉnh công suất từ trường. Bạn có thể mắc nhiều điện trở nối tiếp hoặc song song, do đó làm tăng điện trở của mạch.
Điện trở của phần tử này cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy bạn nên cẩn thận về hoạt động của nó trong mạch, vì nó nóng lên khi có dòng điện chạy qua.
Điện trở của điện trở được đo bằng Ohms và giá trị của nó có thể được tính bằng công thức:
-
R=(pl) / S, trong đó
p là điện trở suất của vật liệu điện trở (được đo bằng (Ohmmm2) / m);
l - chiều dài điện trở (tính bằng mét);
S - diện tích mặt cắt (tính bằng milimét vuông).
Làm thế nào để liên kết các thông số đường dẫn?
Bây giờ chúng ta đến gần với vật lýhoạt động của mạch dao động. Theo thời gian, điện tích trên các bản tụ điện thay đổi theo phương trình vi phân bậc 2.
Nếu bạn giải phương trình này, một số công thức thú vị sẽ theo sau nó, mô tả các quá trình xảy ra trong mạch. Ví dụ, tần số tuần hoàn có thể được biểu thị bằng điện dung và điện cảm.
Tuy nhiên, công thức đơn giản nhất cho phép bạn tính nhiều đại lượng chưa biết là công thức Thomson (được đặt theo tên của nhà vật lý người Anh William Thomson, người đưa ra nó vào năm 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - chu kỳ dao động điện từ, L và C - lần lượt là độ tự cảm của cuộn dây của mạch dao động và điện dung của các phần tử trong mạch, p - số pi.
Hệ số Q
Có một giá trị quan trọng khác đặc trưng cho hoạt động của mạch - hệ số chất lượng. Để hiểu nó là gì, người ta nên chuyển sang một quá trình như là sự cộng hưởng. Đây là hiện tượng mà biên độ trở thành cực đại với giá trị không đổi của lực hỗ trợ cho dao động này. Sự cộng hưởng có thể được giải thích bằng một ví dụ đơn giản: nếu bạn bắt đầu đẩy xích đu theo nhịp của tần số của nó, thì nó sẽ tăng tốc, và "biên độ" của nó sẽ tăng lên. Và nếu bạn đẩy hết thời gian, chúng sẽ chậm lại. Khi cộng hưởng, rất nhiều năng lượng thường bị tiêu tán. Để có thể tính toán mức độ tổn thất, họ đã đưa ra một tham số như là hệ số chất lượng. Đó là một tỷ lệ bằng tỷ lệnăng lượng trong hệ thống so với tổn thất xảy ra trong mạch trong một chu kỳ.
Hệ số phẩm chất của mạch được tính theo công thức:
-
Q=(w0 W) / P, trong đó
w0- tần số dao động tuần hoàn cộng hưởng;
W - năng lượng được lưu trữ trong hệ dao động;
P - công suất tiêu tán.
Thông số này là một giá trị không thứ nguyên, vì nó thực sự hiển thị tỷ lệ năng lượng: tích trữ trên chi tiêu.
Mạch dao động lí tưởng là gì
Để hiểu rõ hơn về các quá trình trong hệ thống này, các nhà vật lý đã đưa ra cái gọi là mạch dao động lý tưởng. Đây là một mô hình toán học biểu diễn một mạch điện là một hệ thống có điện trở bằng không. Nó tạo ra dao động điều hòa không dấu. Một mô hình như vậy giúp bạn có thể có được các công thức để tính toán gần đúng các tham số của đường bao. Một trong những thông số này là tổng năng lượng:
W=(LI2) / 2.
Những đơn giản hóa như vậy giúp tăng tốc đáng kể tính toán và giúp bạn có thể đánh giá các đặc tính của mạch với các chỉ số nhất định.
Nó hoạt động như thế nào?
Có thể chia toàn bộ chu kỳ của mạch dao động thành hai phần. Bây giờ chúng ta sẽ phân tích chi tiết các quy trình xảy ra trong từng phần.
- Pha thứ nhất: Bản tụ tích điện dương bắt đầu phóng điện tạo ra dòng điện chạy qua mạch. Lúc này, dòng điện đi từ điện tích dương sang điện tích âm, chạy qua cuộn dây. Kết quả là trong mạch xảy ra dao động điện từ. dòng điện đi quacuộn dây, đi đến tấm thứ hai và tích điện dương (trong khi tấm thứ nhất, nơi có dòng điện chạy qua, được tích điện âm).
- Giai đoạn thứ hai: diễn ra quá trình ngược lại. Dòng điện đi từ bản dương (lúc đầu là bản âm) sang bản âm, lại đi qua cuộn dây. Và tất cả các khoản phí đều được áp dụng.
Chu kỳ lặp lại miễn là có điện tích trên tụ điện. Trong một mạch dao động lý tưởng, quá trình này diễn ra liên tục, nhưng trong thực tế, tổn thất năng lượng là không thể tránh khỏi do các yếu tố khác nhau: sự nóng lên, xảy ra do sự tồn tại của điện trở trong mạch (nhiệt Joule), và những thứ tương tự.
Tùy chọn thiết kế đường viền
Bên cạnh các mạch "cuộn dây-tụ điện" và "cuộn dây-điện trở-tụ điện", có những lựa chọn khác sử dụng mạch dao động làm cơ sở. Ví dụ, đây là một mạch song song, khác ở chỗ nó tồn tại như một phần tử của mạch điện (bởi vì, nếu nó tồn tại riêng lẻ, nó sẽ là một mạch nối tiếp, điều này đã được thảo luận trong bài viết).
Ngoài ra còn có các loại thiết kế bao gồm các thành phần điện khác nhau. Ví dụ, bạn có thể kết nối một bóng bán dẫn với mạng, bóng bán dẫn này sẽ đóng mở mạch với tần số bằng tần số dao động trong mạch. Do đó, các dao động chưa lấy dấu sẽ được thiết lập trong hệ thống.
Mạch dao động được sử dụng ở đâu?
Ứng dụng quen thuộc nhất của linh kiện trong mạch là nam châm điện. Lần lượt, chúng được sử dụng trong hệ thống liên lạc nội bộ, động cơ điện,cảm biến và trong nhiều lĩnh vực không bình thường khác. Một ứng dụng khác là máy tạo dao động. Thực tế, việc sử dụng mạch này rất quen thuộc với chúng ta: ở dạng này, nó được sử dụng trong lò vi sóng để tạo sóng và trong liên lạc di động và vô tuyến để truyền thông tin qua một khoảng cách xa. Tất cả điều này là do sự dao động của sóng điện từ có thể được mã hóa theo cách có thể truyền thông tin trên một khoảng cách xa.
Bản thân cuộn cảm có thể được sử dụng như một phần tử của máy biến áp: hai cuộn dây có số lượng cuộn dây khác nhau có thể chuyển điện tích của chúng bằng cách sử dụng trường điện từ. Nhưng vì đặc tính của các cuộn cảm khác nhau, các chỉ số dòng điện trong hai mạch mà hai cuộn cảm này được kết nối với nhau sẽ khác nhau. Do đó, có thể chuyển đổi dòng điện có điện áp 220 vôn thành dòng điện có điện áp 12 vôn.
Kết
Chúng tôi đã phân tích chi tiết về nguyên lý hoạt động của mạch dao động và từng bộ phận riêng biệt của nó. Chúng ta đã biết rằng mạch dao động là một thiết bị được thiết kế để tạo ra sóng điện từ. Tuy nhiên, đây chỉ là những điều cơ bản về cơ học phức tạp của những phần tử tưởng chừng như đơn giản này. Bạn có thể tìm hiểu thêm về sự phức tạp của mạch và các thành phần của nó từ các tài liệu chuyên ngành.
