Осцилаторната верига е ... Принципът на действие

Осцилаторната верига е устройство, създадено да генерира (създава) електромагнитни трептения. От самото начало и до днес се използва в много области на науката и технологиите: от ежедневието до огромните заводи, произвеждащи различни продукти.

От какво се състои?

Осцилаторната верига се състои от намотка и кондензатор. В допълнение, той може да съдържа и резистор (елемент с променливо съпротивление). Индуктор (или соленоид, тъй като понякога се нарича) е прът, на която са навити намотки няколко слоя, които обикновено е меден проводник. Този елемент създава колебания в осцилаторната верига. Пръчката в средата често се нарича дроселова клапа или сърцевина, а серпентината понякога се нарича соленоид.

Намотката на колебателната верига създава колебания само ако има натрупан заряд. При преминаване на ток през него, тя натрупва заряд, който след това дава на веригата, ако напрежението падне.

Проводниците на намотките обикновено имат много малко съпротивление, което винаги остава постоянно. В схемата на осцилаторната верига напрежението и токът се променят много често. Тази промяна е предмет на някои математически закони:

• U = U₀* cos (w * (t-t₀), където
  U е напрежението в даден момент t,
  U₀ - напрежението в момент t₀,
  w е честотата на електромагнитните колебания.

Друга неразделна част от веригата е електрическият кондензатор. Това е елемент, състоящ се от две плочи, които са разделени с диелектрик. Дебелината на слоя между плочите е по-малка от размерите им. Този дизайн ви позволява да се натрупате върху диелектричния електрически заряд, който след това може да бъде даден във верига.

Разликата между кондензатор и батерия е, че няма трансформация на вещества под въздействието на електрически ток, но се получава пряко натрупване на заряд в електрическо поле. По този начин с помощта на кондензатор е възможно да се натрупа достатъчно голям заряд, който може да бъде изпратен наведнъж. Същевременно текущата сила в схемата значително се увеличава.

Също така, осцилаторната схема се състои от още един елемент: резистор. Този елемент има съпротивление и е проектиран да контролира тока и напрежението във веригата. Ако при постоянно увеличение на напрежението съпротивление на резистора, тогава токът ще намалее в закона на Ом:

• I = U / R, където
  Аз съм ампераж,
  U е напрежението,
  R е съпротивлението.

Индукторна намотка

Нека да разгледаме по-отблизо всички тънкости на индуктора и да разберем по-добре неговата функция в осцилаторната верига. Както вече казахме, съпротивлението на този елемент има тенденция към нула. Така, когато една DC връзка е свързана към веригата, късо съединение. Ако обаче свържете бобината към верига с променлив ток, тя работи правилно. Това ни позволява да заключим, че елементът осигурява устойчивост на променлив ток.

Но защо се случва това и как възниква съпротивление при променлив ток? За да отговорим на този въпрос, трябва да обърнем внимание на това явление като самоиндукция. Когато токът преминава през намотката, електромоторна сила (ЕМП), което създава пречка за промяната на тока. Мащабът на тази сила зависи от два фактора: индуктивност на намотката и производната на тока по отношение на времето. Математически тази зависимост се изразява в уравнението:

• E = -L * I `(t), където
  Е е стойността на ЕМП,
  L е стойността на индуктивност на намотката (за всяка бобина тя е различна и зависи от броя намотки на намотката и тяхната дебелина),
  I `(t) е производното на текущата сила по отношение на времето (скоростта на промяна на тока на тока).

Силата на постоянен ток не се променя с времето, поради което съпротивлението не възниква, когато действа.

Но при променлив ток всички параметри постоянно се променят в синусоидално или косинусно право, което води до ЕМП, който предотвратява тези промени. Това съпротивление се нарича индукция и се изчислява по формулата:

• X_L = w * L, където
  w е честотата на трептене на веригата,
  L - индуктивност на намотка.

Токът в соленоида се увеличава линейно и намалява според различните закони. Това означава, че ако спрете подаването на ток към намотката, тя ще продължи да се зарежда за известно време във веригата. И ако в същото време внезапно прекъсне захранването на тока, ще има удар поради факта, че зарядът ще се опита да се освободи и да излезе от намотката. Това е сериозен проблем в промишленото производство. Такъв ефект (въпреки че не е изцяло свързан с осцилаторната верига) може да се наблюдава например при издърпване на щепсела от гнездото. В същото време искри скокове, които в такъв мащаб не могат да навредят на човек. Това се дължи на факта, че магнитното поле не изчезва веднага, но постепенно се разсейва, предизвиквайки токове в други проводници. В промишлен мащаб мощността на тока е много пъти по-големи от нашите обичайни 220 волта, така че прекъсването на веригата на производство може да предизвика искри такава сила, която ще доведе до много вреди на двата завода и човека.

Намотката е в основата на това, от което се състои осцилаторната верига. Индуктивите на серийно свързани соленоиди се добавят. След това ще разгледаме по-подробно всички подробности за структурата на този елемент.

Какво е индуктивност?

Индукция намотка осцилираща верига - е отделен параметър, който е числено равно на електродвижещата сила (в волта), което се случва в схема когато текущата вариант на 1 А в продължение на 1 секунда. Ако соленоидът е свързан към верига за постоянен ток, то неговата индуктивност описва енергията на магнитното поле, която се създава от този ток съгласно формулата:

• W = (L * I²) / 2, където
  W е енергията на магнитното поле.

Коефициентът на индуктивност зависи от много фактори: от геометрията на соленоида, от магнитните характеристики на сърцевината и от броя на намотките на тел. Друго свойство на този индикатор е, че то винаги е положително, защото променливите, от които зависи, не могат да бъдат отрицателни.

Индуктивността може да се определи и като свойство на проводник с ток за съхраняване на енергия в магнитно поле. Измерва се в Хенри (кръстен на американския учен Джоузеф Хенри).

В допълнение към соленоида, осцилаторната верига се състои от кондензатор, който ще бъде разгледан по-късно.

Електрически кондензатори

Капацитетът на колебателната верига се определя от капацитет на електричество кондензатор. За неговия външен вид е написано по-горе. Сега нека анализираме физиката на процесите, които се случват в нея.

Тъй като кондензаторните пластини са направени от проводник, през тях може да тече електрически ток. Въпреки това, между двете плочи е пречка. Изолатор (те могат да бъдат въздух, дърво или друг материал с висока устойчивост Поради факта, че такса не може да се движи от единия край на жицата към другия, има го натрупване на кондензаторни плочи по този начин увеличава магнитната и електрическата енергия. полета около него.Така, когато таксата приключва, цялото количество електроенергия, натрупано върху плочите, започва да се прехвърля към веригата.

Всеки кондензатор има номинално напрежение, оптимално за работата му. Ако този елемент работи дълго време при напрежение, по-високо от номиналното напрежение, неговият експлоатационен живот се намалява значително. Кондензаторът на колебателната верига постоянно се влияе от токовете и затова при избора й трябва да бъдем изключително внимателни.

В допълнение към конвенционалните кондензатори, които бяха обсъдени, има и йонистори. Това е по-сложен елемент: може да се опише като кръстоска между батерията и кондензатора. Като правило, органичните вещества са диелектриците в йонистора, между които има електролит. Заедно те създават двоен електрически слой, който ви позволява да се натрупвате в този дизайн понякога повече енергия, отколкото в традиционния кондензатор.

Какъв е капацитетът на кондензатор?

Кондензатор капацитет е съотношението на кондензатор такса към напрежението, под което се намира. За да изчислите тази стойност може да бъде много проста с помощта на математическа формула:

• С = (напр₀* S) / d, където
  д₀ - диелектрична константа от диелектричния материал (таблична стойност),
  S е областта на кондензаторните плочи,
  d е разстоянието между плочите.

Зависимостта на капацитет на кондензатор от разстоянието между електродите се обяснява с феномена на електростатична индукция е по-малко от разстоянието между плочите, толкова повече те влияят една на друга (Кулон), толкова по-големи електроди за зареждане и по-малко стрес. И тъй като напрежението намалява, капацитетът се увеличава, защото може да бъде описан и със следната формула:

• C = q / U, където
  q - зареждане в кулоните.

Струва си да говорим за единици от този мащаб. Капацитетът се измерва в farads. 1 фарад - достатъчно голяма стойност, така че съществуващите кондензатори (не суперкондензатори) имат капацитет, измерен в picofarads (1/1000000000000 фарад).

резистор

Токът в схемата на трептене също зависи от съпротивлението на веригата. И освен описаните два елемента, от които се състои осцилаторната верига (бобина, кондензатор), има и трета - резистор. Той е отговорен за създаването на съпротива. Резисторът се различава от другите елементи, тъй като има много съпротивление, което при някои модели може да се промени. В осцилаторната верига тя действа като регулатор на силата на магнитното поле. Възможно е да се свържат няколко резистори последователно или паралелно, като по този начин се увеличи съпротивлението на веригата.

Съпротивлението на този елемент също зависи от температурата, така че трябва да бъдете внимателни за работата му в схемата, тъй като когато токът преминава, то се нагрява.

Съпротивлението на резистора се измерва в ома и неговата стойност може да се изчисли по формулата:

• R = (p * 1) / S, където
  р е съпротивлението на резисторния материал (измерено в (Ohm * mm)²) / m) -
  l - дължина на резистора (в метри) -
  S е площта на напречното сечение (в квадратни милиметри).

Как да свържете параметрите на контурите?

Сега стигнахме много близо до физиката на осцилаторната верига. С течение на времето, зарядът на кондензаторните пластини се променя в съответствие с второстепенно диференциално уравнение.

Ако решаваме това уравнение, то дава няколко интересни формули, описващи процесите, протичащи в схемата. Например, цикличната честота може да бъде изразена като капацитет и индуктивност.

Обаче най-простата формула, която ни позволява да изчислим много неизвестни количества, е формулата на Томсън (наречена след английския физик Уилям Томсън, който я извежда през 1853 г.):

• T = 2 * n * (L * C)^1/2.
  Т е периодът на електромагнитни трептения,
  L и C са съответно индуктивността на намотката на осцилаторната верига и капацитета на контурните елементи,
  n е числото pi.

качествен фактор

Има още едно важно количество, което характеризира работата на веригата: Q-фактор. За да разберем какво е това, трябва да се обърнем към такъв процес като резонанс. Този феномен, в който амплитудата става максимална със същата величина на силата, която поддържа това колебание. Обяснете, че резонансът може да бъде прост пример: ако започнете да натискате люлеенето навреме с тяхната честота, те ще се ускорят и тяхната "амплитуда" ще се увеличи. И ако не държите такт, те ще се забавят. В резонанс, много енергия е много често разпръснати. За да може да се изчисли величината на загубите, излезе параметър като Q-фактор. Това е коефициент, равен на съотношението на енергията в системата към загубите, които се появяват в схемата в един цикъл.

Качеството на контура се изчислява по формулата:

• Q = (w₀* W) / P, където
  w₀ - резонансната циклична честота на трептене -
  W е енергията, съхранявана в осцилиращата система -
  P е разсейваната мощност.

Този параметър е безразмерно количество, тъй като всъщност показва съотношението на съхранените енергии към изразходваната енергия.

Каква е идеалната осцилаторна верига

За да разберат по-добре процесите в тази система, физиците са измислили така наречената идеална осцилаторна верига. Това е математически модел, който представлява веригата като система с нулево съпротивление. В него възникват невъзмогнали хармонични трептения. Този модел ни позволява да получим формули за приблизителното изчисляване на параметрите на контура. Един такъв параметър е общата енергия:

• W = (L * I²) / 2.

Такива опростявания значително ускоряват изчисленията и ни позволяват да оценим характеристиките на веригата с дадени параметри.

Как действа?

Целият цикъл на осцилаторната верига може да бъде разделен на две части. Сега ще разгледаме подробно процесите, протичащи във всяка част.

• Първа фаза: Табелата на кондензатора, заредена положително, започва да се разрежда, като дава ток на веригата. В този момент токът преминава от положителния заряд към отрицателния, преминаващ през намотката. Поради това в електрическата верига се появяват електромагнитни колебания. Токът, преминаващ през бобината, преминава към втората плоча и я зарежда положително (докато първата плоча, с която течеше токът, се зарежда отрицателно).
• Втора фаза: възниква обратна процедура. Токът преминава от положителната плоча (която е била отрицателна в самото начало) до отрицателната, преминаваща през бобината отново. И всички обвинения попадат на място.

Цикълът се повтаря, докато кондензатор е заредена. В един идеален резонансна верига този процес е безкраен, а реално загуба на мощност е неизбежна поради различни фактори: отопление, която се проявява в резултат на наличието на съпротивата в схема (Джаул топлината) на, и други подобни.

Опции за дизайн на контура

В допълнение към обикновените схеми "бобина-кондензатор" и "бобина-резистор-кондензатор" има и други варианти, които използват базовата генераторна верига. Това например е паралелна схема, която се различава по това, че съществува като елемент на електрическа верига (защото, ако съществува отделно, тя би била последователна верига, която беше обсъдена в статията).

Съществуват и други видове конструкции, включително различни електрически компоненти. Например, можете да свържете транзистор към мрежата, която ще отвори и затвори веригата с честота, равна на честотата на колебанията във веригата. По този начин в системата се установяват неспиращи колебания.

Къде се прилага осцилаторната схема?

Най-познатото приложение на компонентите на контура е електромагнитите. Те, от своя страна, се използват във вратите, електродвигателите, сензорите и в много други по-малко общи части. Друго приложение е осцилаторът. Всъщност това използване на веригата е много познато за нас: в тази форма се използва в микровълновата печка за създаване на вълни и в мобилната и радио комуникацията за предаване на информация на разстояние. Всичко това се дължи на факта, че колебанията на електромагнитните вълни могат да бъдат кодирани по такъв начин, че да бъде възможно предаването на информация на дълги разстояния.

Индукторът може да бъде използван като елемент на трансформатор: две намотки с различен брой намотки могат да предават заряда си посредством електромагнитно поле. Но тъй като характеристиките на соленоидите са различни, текущите стойности в двете схеми, към които са свързани двата индуктора, ще се различават. По този начин е възможно да се преобразува ток с напрежение, да речем 220 волта в ток от 12 волта.

заключение

Ние подробно разглобявахме принципа на работа на осцилаторната верига и всяка от нейните части поотделно. Научихме, че осцилаторната верига е устройство, създадено да създава електромагнитни вълни. Това обаче са само основите на сложната механика на тези привидно прости елементи. Можете да научите повече за тънкостите на веригата и нейните компоненти от специализирана литература.