Năng lượng mạch dao động LC là gì? - Tự Học 365

Năng lượng mạch dao động LC là gì?

Năng lượng mạch dao động LC là gì?

LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

1. Năng lượng điện trường

Năng lượng tập trung hoàn toàn ở tụ điện: ${{W}_{C}}=\frac{1}{2}C{{u}^{2}}=\frac{1}{2}\frac{{{q}^{2}}}{C}$

2. Năng lượng điện trường

Năng lượng tập trung ở cuộn cảm: ${{W}_{L}}=\frac{1}{2}L{{i}^{2}}$

3. Năng lượng điện từ

Năng lượng điện từ: $W={{W}_{C}}+{{W}_{L}}=\frac{1}{2}C{{u}^{2}}+\frac{1}{2}L{{i}^{2}}$

Năng lượng điện từ của mạch dao động LC lí tưởng được bảo toàn.

Ta có: $q={{Q}_{0}}\cos \omega t,\,i={q}'\left( t \right)=-\omega {{Q}_{0}}\sin \omega t$

Khi đó $W={{W}_{L}}+{{W}_{C}}=\frac{1}{2}L{{i}^{2}}+\frac{1}{2}\frac{{{q}^{2}}}{C}=\frac{1}{2}L{{\omega }^{2}}Q_{0}^{2}{{\sin }^{2}}\omega t+\frac{1}{2}.\frac{Q_{0}^{2}}{C}{{\cos }^{2}}\omega t$

$=\frac{Q_{0}^{2}}{2C}{{\sin }^{2}}\omega t+\frac{Q_{0}^{2}}{2C}{{\cos }^{2}}\omega t=\frac{Q_{0}^{2}}{2C}={{\text{W}}_{C\max }}=\frac{1}{2}CU_{0}^{2}=\frac{1}{2}{{Q}_{0}}{{U}_{0}}={{\text{W}}_{L\max }}=\frac{1}{2}LI_{0}^{2}.$

Vậy: $$

+ Nếu i, q, u biến thiên với tần số góc là $\omega $, tần số là f và chu kì T thì năng lượng điện trường và năng lượng từ trường biến thiên tuần hoàn với tần số góc

${\omega }'=2\omega =\frac{2}{\sqrt{LC}},$ tần số $f'=2f$ và chu kì ${T}'=\frac{T}{2}=\pi \sqrt{LC}.$

+ Ta có: $$

+ Các giá trị tức thời.

Năng lượng của mạch: $W=\frac{1}{2}LI_{0}^{2}=\frac{1}{2}L{{i}^{2}}+\frac{1}{2}C{{u}^{2}}\Rightarrow {{u}^{2}}=\frac{L}{C}\left( I_{0}^{2}-{{i}^{2}} \right).$

Tương tự ta có: $W=\frac{1}{2}LU_{0}^{2}=\frac{1}{2}L{{i}^{2}}+\frac{1}{2}C{{u}^{2}}\Rightarrow {{i}^{2}}=\frac{C}{L}\left( U_{0}^{2}-{{u}^{2}} \right).$

$W=\frac{Q_{0}^{2}}{2C}=\frac{1}{2}L{{i}^{2}}+\frac{{{q}^{2}}}{2C}\Rightarrow {{i}^{2}}=\frac{1}{LC}\left( Q_{0}^{2}-{{q}^{2}} \right)={{\omega }^{2}}\left( Q_{0}^{2}-{{q}^{2}} \right).$

+ Mối quan hệ giữa ${{\text{W}}_{L}}$ và ${{\text{W}}_{C}}$. Khi ${{\text{W}}_{L}}=n{{\text{W}}_{C}}$ (năng lượng từ trường bằng n lần năng lượng điện trường) ta có: $\Rightarrow {{\text{W}}_{C}}=\frac{1}{n+1}\text{W}\Leftrightarrow {{q}^{2}}=\frac{1}{n+1}Q_{0}^{2}\Rightarrow q=\frac{\left| {{Q}_{0}} \right|}{\sqrt{n+1}}.$

Tương tự ta có: $u=\frac{\left| {{U}_{0}} \right|}{\sqrt{n+1}};i=\sqrt{\frac{n}{n+1}}\left| {{I}_{0}} \right|.$

Khi ${{\text{W}}_{C}}=n{{\text{W}}_{n}}\Rightarrow {{\text{W}}_{L}}=\frac{1}{n}{{\text{W}}_{C}}\Rightarrow q=\frac{\left| {{Q}_{0}} \right|}{\sqrt{\frac{1}{n}+1}}.$

4. Sự tương ứng giữa dao động cơ và dao động điện từ:

Li độ x trong dao động điều hoà tương ứng với điện tích q trong dao động điện từ: $x\sim q$.

Vận tốc v tương ứng với dòng điện i: $v\sim i$.

Động năng ${{W}_{}}$ tương ứng với năng lượng từ trường ${{W}_{L}}:{{W}_{}}\sim {{W}_{L}}$.

Thế năng ${{W}_{t}}$ tương ứng với năng lượng điện trường ${{W}_{C}}:{{W}_{t}}\sim {{W}_{C}}$.

Khối lượng m tương ứng với L: $m\sim L$.

Độ cứng k tương ứng với $\frac{1}{C}:k\sim \frac{1}{C}$.

Nếu mạch có điện trở thuần $r\ne 0$ thì dao động sẽ tắt dần. Để duy trì dao động cần cung cấp cho mạch một năng lượng có công suất: $P={{I}^{2}}r=\frac{{{\omega }^{2}}Q_{0}^{2}.r}{2}=\frac{{{\omega }^{2}}{{C}^{2}}U_{0}^{2}.r}{2}=\frac{U_{0}^{2}.RC}{2L}.$

Luyện bài tập vận dụng tại đây!

VẬT LÝ LỚP 12