Hiện tượng cộng hưởng điện là gì? Nguồn gốc sinh ra và ứng dụng

Hiện tượng cộng hưởng điện là gì là vấn đề mà không ít người quan tâm, đặc biệt là những ai đang học và nghiên cứu về mạch điện xoay chiều RLC. Bởi cộng hưởng điện là một phần kiến thức quan trọng liên quan tới nhiều chủ đề khác nhau trong Vật Lý. Nếu bạn cũng đang quan tâm và muốn nghiên cứu về chủ đề này thì hãy tham khảo thông tin tại bài viết dưới đây.

Hiện tượng cộng hưởng là gì?

Cộng hưởng là một hiện tượng xảy ra trong dao động cưỡng bức hay một dao động được kích thích bởi một ngoại lực tuần hoàn nào đó có cùng tần số với dao động của riêng nó. Điều này khiến biên độ dao động cưỡng bức tăng lên một cách đột ngột.

Cộng hưởng có thể xảy ra trong rất nhiều kiểu dao động như: dao động điện từ, dao động cơ học. khi có sự cộng hưởng thì biên độ dao động của các vật sẽ đạt được giá trị cực đại.

Ví dụ thực tế: Vào giữa thế kỷ XIX có một đoàn quân bước đều qua một chiếc cầu treo khiến cho chiếc cầu bị rung lên rất dữ dội và bị đứt. Sự cố này xảy ra là do tần số bước đi của đoàn quan tình cờ bị trùng với tần số dao động riêng của chiếc cầu gây ra cộng hưởng khiến chiếc cầu sập. 

Để tạo ra hiện tượng cộng hưởng thì ta phải:

• Giữa nguyên R,L,C và thay đổi tần số của nguồn bức ω
• Giữ nguyên tần số ω và nguồn cưỡng bức thay đổi tần số dao động riêng của mạch bằng cách thay đổi L hoặc C. Thông thường người ta sẽ thay đổi C bằng cách sử dụng tự xoay, còn thay đổi L của cuộn cảm rất khó thực hiện nên rất ít người sử dụng phương pháp thay đổi L.

Mạch cộng hưởng điện là khi cường độ dòng điện chạy trong mạch đạt đến giá trị cực đại: Khi đó:

Trong đó:

• U: là hiệu điện thế hiệu dụng được đặt vào hai đầu mạch
• Zmin: là tổng trở đặt giá trị cực tiểu của mạch. 

Ứng dụng của hiện tượng cộng hưởng

Xem thêm:  Kiến thức Vật Lý: Điện trường và cường độ điện trường

Từ việc nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng mà rất nhiều thiết bị, công nghệ hiện đại đã được ra đời phục vụ đời sống con người với các lĩnh vực đa dạng.

Hiện nay người ta đang ứng dụng hiện tượng cộng hưởng vào:

• Máy thu sóng điện từ radio, các loại tivi sử dụng hiện tượng cộng hưởng để chọn thu và khuếch đại các sóng điện từ có tần số hoạt động thích hợp.
• Mạch khuếch đại trung cao tần sử dụng hiện tượng cộng hưởng khuếch đại 
• Máy chụp cộng hưởng được sử dụng rộng rãi trong y học để chụp các cơ quan hoặc nội tạng bên trong con người.
• Ứng dụng công nghệ dẫn điện mà không cần dây dẫn thông qua hiện tượng cộng hưởng giữa hai cuộn dây để truyền tải năng lượng điện. 
• Ứng dụng để nghiên cứu và hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng cộng hưởng trong sản xuất, thiết kế các loại máy móc sử dụng trong công trình xây dựng. 

Hệ quả của hiện tượng cộng hưởng điện 

Xem thêm: Tìm hiểu về điện tích hạt nhân và điện tích định luật cu lông 

Khi hiện tượng cộng hưởng điện diễn ra ta sẽ có hệ quả như sau:

• Cường độ dòng điện sẽ đạt giá trị cực đại:

• Điện áp của hai đầu điện trở cực đại sẽ là:

URmax = Imax.R

• Công suất toàn mạch cực đại là: 

• Hệ số công suất sẽ đạt được giá trị tối đa là cosφ = 1.

Những thay đổi về đại lượng vật lý để mạch xảy ra cộng hưởng

Từ những thay đổi về đại lượng vật lý mạch xảy ra cộng hưởng cũng sẽ có những thay đổi như sau:

Thay đổi ω

Mạch xảy ra cộng hưởng điện khi điều chỉnh ω để ZL = ZC sẽ tương đương với:

Thay đổi C

Khi C thay đổi thì mạch cộng hưởng ZL = ZC tương đương:

Bên cạnh đó:

• Điện áp giữa hai đầu mạch RC đạt giá trị cực đại:

• Hiệu điện thế giữa hai đầu tụ điện sẽ đạt giá trị cực đại UCmax = Imax.ZC.

Bài tập ví dụ

Bài 1: Một mạch điện AB được ghép nối tiếp với mạch điện RLC. Trong đó có R =100 Ω; L = 1/π (H) và C = 2/π (μF). Hỏi cần đặt vào hai đầu của mạch điện áp có tần số bao nhiêu để mạch xuất hiện hiện tượng cộng hưởng điện? Khi đó, hãy tìm:

1. a) Tổng trở của mạch?
2. b) Dung kháng
3. c) Cảm kháng.

Lời giải:

Ta có: 

• R =100 Ω
• L = 1/π (H)
• C = 4/π (μF) = 

Để mạch xảy ra cộng hưởng thì

Do mạch xảy ra cộng hưởng nên 

• Tổng trở của mạch sẽ có giá trị cực tiểu là:

Zmin = R = 100 (Ω)

• Dung kháng là:

• Cảm kháng là ZL = ZC = 500 (Ω).

Bài 2: Đặt điện áp của dòng điện xoay chiều có biểu thức u là 230√2.cos(100t + 2) V vào hai đầu mạch điện điện ghép nối tiếp có điện trở R = 100 Ω, cuộn dây thuần cảm L = 1/ (H) và tụ điện C có thể thay đổi được. Điều chỉnh C = C0 thì mạch có cộng hưởng điện?

1. Điện dung C0
2. Imax
3. Công suất toàn mạch
4. Điện áp giữa hai đầu RL.

Lời giải:

Ta có:

• u = 230√2.cos(100t + 2) V => ω = 100 (rad/s)
• R= 100 (Ω)
• L = 1/ (H).

Cảm kháng ZL = ωL = 100π.1= 100 (Ω)

a.Khi mạch cộng hưởng xảy ra thì: ZL = ZC0.

⇔

b. Dòng điện cực đại:

c. Công suất cực đại là: 

d. Tổng trở mạch RL:

Như vậy điện áp giữa hai đầu phần từ RL: 

URL = Imax.ZRL = 2,3.100√2= 230√2 (Ω)

Trên đây là toàn bộ thông tin bài viết liên quan đến hiện tượng cộng hưởng điện là gì? và các bài tập ví dụ. Hy vọng những thông tin chia sẻ tại bài viết sẽ cung cấp cho bạn các kiến thức bổ ích nhất phục vụ cho học tập.