Tin tức

Điều gì xảy ra khi bạn đặt cuộn cảm và tụ điện vào mạch điện? Một điều gì đó thú vị - và nó thực sự quan trọng.
Bạn có thể tạo ra nhiều loại cuộn cảm khác nhau, nhưng loại phổ biến nhất là cuộn dây hình trụ - một cuộn dây điện từ.
Khi dòng điện đi qua vòng thứ nhất, nó sẽ tạo ra một từ trường đi qua các vòng khác. Trừ khi biên độ thay đổi, từ trường sẽ không thực sự có tác dụng gì. Từ trường thay đổi sẽ tạo ra điện trường trong các mạch khác. Chiều của điện trường này tạo ra sự thay đổi điện thế giống như pin.
Cuối cùng, chúng ta có một thiết bị có hiệu điện thế tỷ lệ với tốc độ thay đổi theo thời gian của dòng điện (vì dòng điện tạo ra từ trường). Điều này có thể được viết là:
Có hai điều cần chỉ ra trong phương trình này. Đầu tiên, L là độ tự cảm. Nó chỉ phụ thuộc vào hình dạng của cuộn dây (hoặc bất kỳ hình dạng nào bạn có) và giá trị của nó được đo ở dạng Henry. Thứ hai, có một điểm trừ dấu hiệu. Điều này có nghĩa là sự thay đổi điện thế trên cuộn cảm ngược chiều với sự thay đổi của dòng điện.
Độ tự cảm hoạt động như thế nào trong mạch điện? Nếu bạn có dòng điện không đổi thì không có sự thay đổi (dòng điện một chiều), do đó không có sự khác biệt về điện thế giữa cuộn cảm - nó hoạt động như thể nó thậm chí không tồn tại. Nếu có dòng điện tần số cao (mạch điện xoay chiều) thì sẽ có hiệu điện thế lớn trên cuộn cảm.
Tương tự như vậy, có nhiều cấu hình tụ điện khác nhau. Hình dạng đơn giản nhất sử dụng hai tấm dẫn điện song song, mỗi tấm mang một điện tích (nhưng điện tích thực bằng 0).
Điện tích trên các bản này tạo ra một điện trường bên trong tụ điện. Do có điện trường nên điện thế giữa các bản cũng phải thay đổi. Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào lượng điện tích. Hiệu điện thế giữa các tụ có thể là Viết như:
Ở đây C là giá trị điện dung tính bằng farad - nó cũng chỉ phụ thuộc vào cấu hình vật lý của thiết bị.
Nếu dòng điện đi vào tụ điện, giá trị điện tích trên bo mạch sẽ thay đổi. Nếu có dòng điện không đổi (hoặc tần số thấp), dòng điện sẽ tiếp tục nạp điện vào các bản tụ để tăng điện thế nên theo thời gian, điện thế cuối cùng sẽ tăng lên. giống như một mạch hở và điện áp của tụ điện sẽ bằng điện áp pin (hoặc nguồn điện). Nếu bạn có dòng điện tần số cao, điện tích sẽ được thêm vào và lấy đi khỏi các bản trong tụ điện và không cần sạc tích tụ, tụ điện sẽ hoạt động như thể nó không tồn tại.
Giả sử chúng ta bắt đầu với một tụ điện đã tích điện và kết nối nó với một cuộn cảm (không có điện trở trong mạch vì tôi đang sử dụng các dây vật lý hoàn hảo). Hãy nghĩ đến thời điểm cả hai được kết nối. Giả sử có một công tắc thì tôi có thể vẽ sơ đồ sau đây.
Đây là những gì đang xảy ra. Đầu tiên, không có dòng điện (vì công tắc đang mở). Khi công tắc đóng, sẽ có dòng điện, không có điện trở, dòng điện này sẽ nhảy đến vô cùng. Tuy nhiên, dòng điện tăng lớn này có nghĩa là điện thế sinh ra trên cuộn cảm sẽ thay đổi. Đến một lúc nào đó, độ biến thiên điện thế trên cuộn cảm sẽ lớn hơn độ biến thiên trên tụ điện (vì tụ mất điện khi dòng điện chạy qua), khi đó dòng điện sẽ đảo chiều và nạp lại tụ điện .Quá trình này sẽ tiếp tục lặp lại - vì không có lực cản.
Gọi là mạch LC vì nó có một cuộn cảm (L) và một tụ điện (C) -Tôi nghĩ điều này là hiển nhiên. Độ biến thiên điện thế xung quanh toàn bộ mạch phải bằng 0 (vì nó là một chu trình) để tôi có thể viết:
Cả Q và I đều thay đổi theo thời gian. Có một mối liên hệ giữa Q và I vì dòng điện là tốc độ thay đổi theo thời gian của điện tích rời khỏi tụ điện.
Bây giờ tôi có một phương trình vi phân bậc hai của biến điện tích. Đây không phải là một phương trình khó giải - trên thực tế, tôi có thể đoán ra một nghiệm.
Điều này gần giống như cách giải khối lượng của lò xo (ngoại trừ trường hợp này, vị trí thay đổi chứ không phải điện tích). Nhưng chờ đã! Chúng ta không cần phải đoán đáp án, bạn cũng có thể sử dụng các phép tính số để tính giải quyết vấn đề này. Hãy để tôi bắt đầu với các giá trị sau:
Để giải bài toán này bằng số, tôi sẽ chia bài toán thành các bước thời gian nhỏ. Ở mỗi bước thời gian, tôi sẽ:
Tôi nghĩ điều này khá tuyệt. Thậm chí tốt hơn, bạn có thể đo chu kỳ dao động của mạch (dùng chuột để di chuột và tìm giá trị thời gian), sau đó sử dụng phương pháp sau để so sánh nó với tần số góc dự kiến:
Tất nhiên, bạn có thể thay đổi một số nội dung trong chương trình và xem điều gì sẽ xảy ra - hãy tiếp tục, bạn sẽ không phá hủy vĩnh viễn bất cứ thứ gì.
Mô hình trên không thực tế. Các mạch thực (đặc biệt là dây dài trong cuộn cảm) có điện trở. Nếu tôi muốn đưa điện trở này vào mô hình của mình, mạch sẽ trông như thế này:
Điều này sẽ thay đổi phương trình vòng điện áp. Bây giờ cũng sẽ có một thuật ngữ cho sự sụt giảm điện thế trên điện trở.
Một lần nữa tôi có thể sử dụng kết nối giữa điện tích và dòng điện để có được phương trình vi phân sau:
Sau khi thêm một điện trở, phương trình này sẽ trở nên khó hơn và chúng ta không thể chỉ “đoán” nghiệm. Tuy nhiên, việc sửa đổi phép tính số ở trên để giải bài toán này không quá khó. Trên thực tế, sự thay đổi duy nhất là đường tính đạo hàm thứ hai của điện tích. Tôi đã thêm một thuật ngữ vào đó để giải thích điện trở (nhưng không phải bậc một). Sử dụng điện trở 3 ohm, tôi nhận được kết quả như sau (nhấn lại nút phát để chạy).
Có, bạn cũng có thể thay đổi giá trị của C và L, nhưng hãy cẩn thận. Nếu chúng quá thấp, tần số sẽ rất cao và bạn cần thay đổi kích thước của bước thời gian thành giá trị nhỏ hơn.
Khi bạn tạo một mô hình (thông qua phân tích hoặc phương pháp số), đôi khi bạn không thực sự biết liệu nó là hợp pháp hay hoàn toàn giả mạo. Một cách để kiểm tra mô hình là so sánh nó với dữ liệu thực. Hãy để chúng tôi làm điều này. Đây là của tôi cài đặt.
Đây là cách nó hoạt động. Đầu tiên, tôi sử dụng ba cục pin loại D để sạc tụ điện. Tôi có thể biết khi nào tụ điện đã gần đầy bằng cách nhìn vào điện áp trên tụ điện. Tiếp theo, ngắt kết nối pin rồi đóng công tắc lại phóng điện tụ điện qua cuộn cảm. Điện trở chỉ là một phần của dây - Tôi không có điện trở riêng.
Tôi đã thử nhiều cách kết hợp tụ điện và cuộn cảm khác nhau và cuối cùng cũng đạt được một số kết quả. Trong trường hợp này, tôi đã sử dụng tụ điện 5 μF và một máy biến áp cũ trông xấu xí làm cuộn cảm của mình (không được hiển thị ở trên). Tôi không chắc chắn về giá trị của độ tự cảm, vì vậy tôi chỉ ước tính tần số góc và sử dụng giá trị điện dung đã biết của mình để tìm độ tự cảm 13,6 Henry. Đối với điện trở, tôi đã cố gắng đo giá trị này bằng một ohm kế, nhưng việc sử dụng giá trị 715 ohms trong mô hình của tôi dường như vẫn có tác dụng tốt nhất.
Đây là biểu đồ mô hình số của tôi và điện áp đo được trong mạch thực tế (tôi đã sử dụng đầu dò điện áp vi sai Vernier để thu được điện áp dưới dạng hàm của thời gian).
Nó không phải là một sự phù hợp hoàn hảo - nhưng nó đủ gần với tôi. Rõ ràng, tôi có thể điều chỉnh các thông số một chút để phù hợp hơn, nhưng tôi nghĩ điều này cho thấy mô hình của tôi không hề điên rồ.
Đặc điểm chính của mạch LRC này là nó có một số tần số tự nhiên phụ thuộc vào giá trị của L và C. Giả sử tôi đã làm điều gì đó khác đi. Điều gì sẽ xảy ra nếu tôi kết nối một nguồn điện áp dao động với mạch LRC này? Dòng điện cực đại trong mạch phụ thuộc vào tần số của nguồn điện áp dao động. Khi tần số của nguồn điện áp và mạch LC bằng nhau thì bạn sẽ thu được dòng điện cực đại.
Một ống có lá nhôm là một tụ điện và một ống có dây là một cuộn cảm. Cùng với (điốt và tai nghe), chúng tạo thành một đài tinh thể. Đúng vậy, tôi ghép nó lại với một số vật dụng đơn giản (tôi đã làm theo hướng dẫn trên YouTube này video).Ý tưởng cơ bản là điều chỉnh các giá trị của tụ điện và cuộn cảm để “điều chỉnh” theo một đài phát thanh cụ thể. Tôi không thể làm cho nó hoạt động bình thường-Tôi không nghĩ có bất kỳ đài phát thanh AM nào tốt xung quanh (hoặc cuộn cảm của tôi bị hỏng). Tuy nhiên, tôi thấy rằng bộ radio pha lê cũ này hoạt động tốt hơn.
Tôi tìm được một đài mà tôi khó nghe nên tôi nghĩ chiếc radio tự chế của tôi có thể không đủ tốt để bắt được đài. Nhưng chính xác thì mạch cộng hưởng RLC này hoạt động như thế nào và bạn lấy tín hiệu âm thanh từ nó như thế nào? Tôi sẽ lưu nó trong một bài viết trong tương lai.
© 2021 Condé Nast.tất cả các quyền được bảo lưu. Bằng cách sử dụng trang web này, bạn chấp nhận thỏa thuận người dùng, chính sách quyền riêng tư và tuyên bố về cookie của chúng tôi, cũng như các quyền riêng tư ở California của bạn. Là một phần trong quan hệ đối tác liên kết của chúng tôi với các nhà bán lẻ, Wired có thể nhận được một phần doanh thu từ các sản phẩm được mua thông qua trang web của chúng tôi. Nếu không có sự cho phép trước bằng văn bản của Condé Nast, các tài liệu trên trang web này không được sao chép, phân phối, truyền đi, lưu vào bộ nhớ đệm hoặc sử dụng theo cách khác. Lựa chọn quảng cáo