CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU MPAs HẤP THỤ ĐẲNG HƯỚNG HAI CHIỀU
3.4. MPAs hấp thụ hai chiều theo cơ chế chồng chập cộng hưởng
3.4.1. Đặc tính hấp thụ hiệu suất cao của MPAs hấp thụ hai chiều sử dụng cơ
cộng hưởng từ (mục 3.5).
3.4. MPAs hấp thụ hai chiều theo cơ chế chồng chập cộng hưởng
3.4.1. Đặc tính hấp thụ hiệu suất cao của MPAs hấp thụ hai chiều sử dụng cơ chế chồng chập cộng hưởng cơ chế chồng chập cộng hưởng
Hình 3.17. Sự phân bố dịng điện, điện trường và mơ hình mạch điện tương đương
của CWP tại cộng hưởng điện và cộng hưởng từ.
Đểlàm rõ bản chất vật lý vềý tưởng chồng chập cộng hưởng điện-từ của cấu trúc DP dẫn đến hiệu suất hấp thụ cao, mơ hình mạch điện LC tương ứng với cộng hưởng điện và cộng hưởng từ được trình bày chi tiết trong Hình 3.17. Trong các mô
Cộng hưởng điện
Cộng hưởng từ Kim loại
Điện mơi
Dịng điện Điện trường
hình mạch điện LC, phần tử điện trở được đưa vào để đánh giá mức độ hấp thụ do cộng hưởng gây ra. Với cấu trúc DP, khi tương tác với sóng điện từ, từ trường ngồi tạo ra dịng ngược chiều chạy trên hai đĩa kim loại, từđó sinh ra từ trường thứ cấp. Khi đó, trong mạch điện tương đương LmCmRm, xuất hiện dòng điện cảm ứng. Ở tần số cộng hưởng fm (cộng hưởng từ), cảm kháng triệt tiêu với dung kháng nên dòng điện cảm ứng là cực đại. Khi đó, tổn thất ohmic (tỏa nhiệt) sinh ra theo định luật Joule-Lenz đạt cực đại, tương ứng với cực đại hấp thụ trong phổ hấp thụ. Bên cạnh đó, điện trường của sóng điện từ gây ra dịng điện song song trên hai đĩa kim loại của DP. Điều này cũng làm cho hai tấm kim loại tương đương với một cuộn cảm khác là
Le. Cuộn cảm này khác với Lm do sự phân bố dòng điện khác nhau. Khoảng trống
giữa hai ô cơ sở liền kề tương đương với tụ điện Ce. Bản chất vật lý của sự hấp thụ ở tần số cộng hưởng điện fe tương tựnhư ở cộng hưởng từ.
Thực tế, khi tương tác với sóng điện từ, từ trường và điện trường ln cùng tồn tại, có nghĩa là hai mơ hình mạch điện tồn tại đồng thời. Tuy nhiên, do các độ tự cảm và cácđiện dung tương đương là khác nhau nên hiện tượng cộng hưởng từ và cộng hưởng điện có thể xảy ra ở các tần số khác nhau. Tại tần số fm, cường độ dòng điện do từtrường cảm ứng gây ra có cường độ lớn trong khi cường độ dòng điện do điện trường cảm ứng gây ra yếu hơn nhiều và ngược lại.
Do mỗi tần số trong hai tần số cộng hưởng phụ thuộc vào các thơng số hình học khác nhaunêncó thểđiều chỉnh riêng từng tần sốđể chồng chập chúng với nhau. Khi hai tần số cộng hưởng chồng chập, dòng điện cảm ứng mạnh hơn. Dịng điện cảm ứng khi đó là tổng của dòng điện cảm ứng gây ra bởi cộng hưởng từ và cộng hưởng điện, dẫn đến tổn thất ohmic cao hơn. Sự gia tăng tổn thất ohmic có thể được giải thích về mặt định lượng bằng các tính tốn sau đây. Gọi Im là dòng điện cảm ứng gây ra bởi từ trường, Ie là dòng điện cảm ứng gây ra bởi điện trường, R là điện trở tương đương của hai tấm kim loại (mỗi tấm là R/2). Để đơn giản, chúng tơi giả sử rằng dịng điện cảm ứng tại cả hai tần số cộng hưởng có cường độ độc lập với tần số cộng hưởng. Có nghĩa là dịng điện cảm ứng khi xảy ra cộng hưởng từ (hoặc điện) tại tần số f1 và tần số f2 là như nhau. Tổn thất được tạo ra tại các tần số cộng hưởng riêng lẻ Pm và
Pe có thể được xác định theo định luật Joule-Lenz:
2
m m
2
e e
P I R (3.6)
Khi xảy ra hiện tượng hai cộng hưởng cùng tần sốthì dịng điện chạy trên hai lớp kim loại lần lượt là Im – Ie và Im + Ie . Do đó, tổn thất ohmic tổng cộng Pme trong trường hợp này là: 2 2 2 2 2 2 me m e m e m e m e R R P I I I I I R I R P P (3.7) Từphương trình (3.7) có thể thấy rằng khi hai cộng hưởng trùng nhau, tổn thất ohmic sẽ là tổng của tổn thất do cộng hưởng từ và tổn thất do cộng hưởng điện. Tuy nhiên như đã trình bày ở phần trước (1.1.1), các MPAs hấp thụ sóng điện từ bằng cách chuyển hóa năng lượng sóng điện từ: một phần thành nhiệt trên các bộ cộng hưởng kim loại (tổn thất ohmic), một phần thành nhiệt trên cách thành phần điện mơi. Vì vậy nếu xét về hiệu suất hấp thụ tổng thể thì quá trình phức tạp hơn, nhưng rõ ràng khi hai cộng hưởng trùng nhau thì hiệu suất hấp thụ tại tần số cộng hưởng trùng nhau sẽ được tăng cường.
Các phân tích mơ phỏng đã chỉ ra rằng tần số cộng hưởng fe phụ thuộc vào khoảng cách giữa các bộ cộng hưởng (kích thước ơ cơ sở). Mặt khác, tần số cộng hưởng từ fm không phụ thuộc vào khoảng cách đó. Điều này đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm [14]. Do đó, bằng cách điều chỉnh kích thước ơ cơ sở, tần số fe có thể thay đổi trong khi fm khơng thay đổi (trong điều kiện lý tưởng mà sự kết cặp giữa các bộ cộng hưởng là không đáng kể).