Rung động điện từ - không có rung động giảm chấn và cưỡng bức

Dao động điện từ trong đoạn mạch gồm cuộn cảm và tụ điện xảy ra do quá trình biến đổi tuần hoàn năng lượng điện thành năng lượng từ trường và ngược lại. Trong trường hợp này, điện tích trên các bản của tụ điện và cường độ dòng điện qua cuộn dây thay đổi định kỳ.

Dao động điện từ là tự do và cưỡng bức. Các dao động tự do, theo quy luật, bị tắt dần do điện trở vòng khác không, và các dao động cưỡng bức thường là tự dao động.

Giành được trong một mạch rung dao động tự do, trước tiên chúng ta cần đưa hệ thống này ra khỏi trạng thái cân bằng: thông báo cho tụ điện một điện tích ban đầu q0 hoặc bằng cách nào đó khởi tạo một xung dòng điện I0 qua cuộn dây.

Điều này sẽ đóng vai trò là một loại xung và dao động điện từ tự do sẽ xảy ra trong mạch - quá trình nạp và xả luân phiên của tụ điện qua cuộn dây cảm ứng sẽ bắt đầu và theo đó, từ trường của cuộn dây sẽ thay đổi tăng giảm

Dao động được duy trì trong mạch nhờ suất điện động xoay chiều ngoài gọi là dao động cưỡng bức. Vì vậy, như bạn đã hiểu, một ví dụ về hệ dao động đơn giản nhất trong đó có thể quan sát thấy các dao động điện từ tự do là một mạch dao động gồm một tụ điện có điện dung C và một cuộn dây có độ tự cảm L.

Trong một mạch dao động thực, quá trình nạp điện cho tụ điện được lặp đi lặp lại theo chu kỳ, nhưng các dao động nhanh chóng bị tắt do năng lượng tiêu tán chủ yếu trên điện trở hoạt động R của cuộn dây.

Xét đoạn mạch có mạch dao động lí tưởng. Trước tiên chúng ta hãy sạc tụ điện từ pin — chúng ta sẽ cung cấp cho nó điện tích ban đầu q0, nghĩa là chúng ta sẽ nạp năng lượng cho tụ điện. Đây sẽ là năng lượng cực đại của tụ điện We.

Bước tiếp theo là ngắt kết nối tụ điện khỏi pin và kết nối nó song song với cuộn cảm. Tại thời điểm này, tụ điện sẽ bắt đầu phóng điện và dòng điện tăng dần sẽ xuất hiện trong mạch cuộn dây. Tụ phóng điện càng lâu, điện tích từ nó dần dần đi vào cuộn dây càng nhiều, dòng điện trong cuộn dây càng lớn, do đó cuộn dây tích trữ năng lượng dưới dạng từ trường.

Quá trình này không diễn ra ngay lập tức mà dần dần, vì cuộn dây có độ tự cảm, nghĩa là hiện tượng tự cảm ứng xảy ra, hiện tượng này bao gồm thực tế là cuộn dây vẫn chống lại sự gia tăng dòng điện. Tại một thời điểm nào đó, năng lượng từ trường của cuộn dây đạt giá trị cực đại có thể Wm (tùy thuộc vào lượng điện tích ban đầu được chuyển đến tụ điện và điện trở của mạch là bao nhiêu).

Ngoài ra, do hiện tượng tự cảm ứng, dòng điện qua cuộn dây được duy trì theo cùng một hướng, nhưng cường độ của nó giảm và điện tích cuối cùng lại tích tụ trong tụ điện. Bằng cách này, tụ điện được sạc lại. Các tấm của nó bây giờ có dấu tích điện tích ngược lại so với lúc bắt đầu thí nghiệm, khi chúng tôi kết nối tụ điện với pin.

Năng lượng tụ điện đã đạt đến giá trị tối đa có thể cho mạch này. Dòng điện trong mạch ngừng lại. Bây giờ quá trình bắt đầu đi theo hướng ngược lại, và điều này sẽ tiếp tục lặp đi lặp lại, tức là sẽ có các dao động điện từ tự do.

Nếu điện trở hoạt động R của đoạn mạch bằng 0 thì hiệu điện thế trên hai bản tụ điện và cường độ dòng điện qua cuộn dây biến thiên vô hạn tuân theo định luật điều hòa - cosin hoặc sin. Đây được gọi là dao động điều hòa. Điện tích trên các bản tụ điện cũng sẽ thay đổi theo quy luật điều hòa.

Không có mất mát trong chu kỳ lý tưởng. Còn nếu đúng như vậy thì chu kì dao động tự do trong mạch chỉ phụ thuộc vào giá trị điện dung C của tụ điện và độ tự cảm L của cuộn dây. Khoảng thời gian này có thể được tìm thấy (đối với một vòng lặp lý tưởng với R = 0) bằng cách sử dụng công thức của Thomson:

Tần số và tần số chu kỳ tương ứng được tìm thấy cho một mạch không tổn hao lý tưởng bằng cách sử dụng các công thức sau:

Nhưng các mạch lý tưởng không tồn tại và các dao động điện từ bị tắt dần do tổn thất do dây dẫn nóng lên. Tùy thuộc vào giá trị của điện trở R, mỗi lần điện áp cực đại tụ điện tiếp theo sẽ thấp hơn lần trước.

Liên quan đến hiện tượng này, một tham số như độ giảm logarit của dao động hoặc độ giảm dao động được giới thiệu trong vật lý. Nó được tìm thấy dưới dạng logarit tự nhiên của tỷ số hai cực đại liên tiếp (cùng dấu) của các dao động:

Việc giảm dao động logarit có liên quan đến chu kỳ dao động lý tưởng theo mối quan hệ sau, trong đó một tham số bổ sung có thể được đưa vào, cái gọi là Hệ số giảm chấn:

Giảm chấn ảnh hưởng đến tần số dao động tự do. Do đó, công thức tìm tần số dao động tắt dần tự do trong mạch dao động thực khác với công thức cho mạch lý tưởng (có tính đến hệ số tắt dần):

Để tạo dao động trong mạch bật tiếng, cần phải bổ sung và bù đắp những tổn thất này sau mỗi nửa kỳ. Điều này đạt được trong các máy phát dao động liên tục, trong đó nguồn EMF bên ngoài bù cho tổn thất nhiệt bằng năng lượng của nó. Một hệ thống dao động như vậy với nguồn EMF bên ngoài được gọi là tự dao động.