Осцилаторната верига е устройство, предназначено да генерира (създава) електромагнитни трептения. От създаването си до наши дни той се използва в много области на науката и технологиите: от ежедневието до огромни фабрики, произвеждащи голямо разнообразие от продукти.
От какво е направено?
Оцилаторната верига се състои от намотка и кондензатор. Освен това може да съдържа и резистор (елемент с променливо съпротивление). Индуктор (или соленоид, както понякога се нарича) е прът, върху който са навити няколко слоя намотка, която по правило е медна жица. Именно този елемент създава трептения в осцилаторния кръг. Пръчката в средата често се нарича дросел или сърцевина, а бобината понякога се нарича соленоид.
Намотката на осцилаторния кръг осцилира само когато има съхранен заряд. Когато токът преминава през него, той натрупва заряд, който след това отдава на веригата, ако напрежението падне.
Жиците на бобината обикновено имат много малко съпротивление, което винаги остава постоянно. Във веригата на трептяща верига много често се случва промяна в напрежението и тока. Тази промяна е предмет на определени математически закони:
-
U=U0cos(w(t-t0), където
U е текущото напрежение момент във времето t, U0 - напрежение в момента t0, w - честота на електромагнитни трептения.
Друг неразделен компонент на веригата е електрическият кондензатор. Това е елемент, състоящ се от две плочи, които са разделени от диелектрик. В този случай дебелината на слоя между плочите е по-малка от техните размери. Този дизайн ви позволява да натрупате електрически заряд върху диелектрика, който след това може да бъде прехвърлен към веригата.
Разликата между кондензатор и батерия е, че няма трансформация на веществата под действието на електрически ток, а директно натрупване на заряд в електрическо поле. Така с помощта на кондензатор е възможно да се натрупа достатъчно голям заряд, който може да се раздаде наведнъж. В този случай силата на тока във веригата се увеличава значително.
Осцилаторната верига се състои от още един елемент: резистор. Този елемент има съпротивление и е предназначен да контролира тока и напрежението във веригата. Ако съпротивлението на резистора се увеличи при постоянно напрежение, тогава силата на тока ще намалее според законаОма:
-
I=U/R, където
I е ток, U е напрежение, R е съпротивление.
индуктор
Нека разгледаме по-отблизо всички тънкости на индуктора и да разберем по-добре неговата функция в осцилаторна верига. Както вече казахме, съпротивлението на този елемент клони към нула. По този начин, когато е свързан към DC верига, ще възникне късо съединение. Въпреки това, ако свържете бобината към AC верига, тя работи правилно. Това ви позволява да заключите, че елементът предлага устойчивост на променлив ток.
Но защо се случва това и как възниква съпротивлението при променлив ток? За да отговорим на този въпрос, трябва да се обърнем към такъв феномен като самоиндукция. Когато токът преминава през намотката, в нея възниква електродвижеща сила (EMF), която създава пречка за промяна на тока. Големината на тази сила зависи от два фактора: индуктивността на бобината и производната на силата на тока по отношение на времето. Математически тази зависимост се изразява чрез уравнението:
-
E=-LI'(t), където
E е стойността на ЕМП, L е стойността на индуктивността на бобината (за всяка намотка тя е различна и зависи за броя намотки на намотката и техните дебелини), I'(t) - производна на силата на тока по отношение на времето (скорост на изменение на силата на тока).
Сила на постоянен ток не се променя с течение на времето, така че няма съпротивление, когато е изложено на него.
Но при променлив ток всички негови параметри непрекъснато се променят според синусоидален или косинус закон,в резултат на това възниква ЕМП, което предотвратява тези промени. Такова съпротивление се нарича индуктивно и се изчислява по формулата:
- XL =wL
Токът в соленоида линейно нараства и намалява според различни закони. Това означава, че ако спрете подаването на ток към бобината, тя ще продължи да дава заряд на веригата за известно време. И ако в същото време захранването с ток бъде внезапно прекъснато, тогава ще възникне шок поради факта, че зарядът ще се опита да се разпредели и да излезе от намотката. Това е сериозен проблем в промишленото производство. Такъв ефект (въпреки че не е свързан изцяло с осцилаторната верига) може да се наблюдава например при издърпване на щепсела от контакта. В същото време скача искра, която в такъв мащаб не е в състояние да навреди на човек. Това се дължи на факта, че магнитното поле не изчезва веднага, а постепенно се разсейва, предизвиквайки токове в други проводници. В индустриален мащаб силата на тока е многократно по-голяма от 220 волта, с които сме свикнали, така че при прекъсване на веригата в производството могат да възникнат искри с такава сила, които причиняват много вреда както на растението, така и на човека.
Намотка е основата на това, от което се състои осцилаторната верига. Индуктивностите на последователните соленоиди се сумират. След това ще разгледаме по-отблизо всички тънкости на структурата на този елемент.
Какво е индуктивност?
Индуктивността на бобината на осцилаторна верига е индивидуален индикатор, числено равен на електродвижещата сила (в волтове), която възниква във веригата, когатопромяна на тока с 1 A за 1 секунда. Ако соленоидът е свързан към DC верига, тогава неговата индуктивност описва енергията на магнитното поле, което се създава от този ток по формулата:
-
W=(LI2)/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 проводника. Друго свойство на този индикатор е, че той винаги е положителен, тъй като променливите, от които зависи, не могат да бъдат отрицателни.
Индуктивността може да се дефинира и като свойството на проводник с ток да съхранява енергия в магнитно поле. Измерва се в Хенри (наречен на американския учен Джоузеф Хенри).
В допълнение към соленоида, осцилаторната верига се състои от кондензатор, който ще бъде обсъден по-късно.
Електрически кондензатор
Капацитетът на осцилаторната верига се определя от капацитета на електрическия кондензатор. За външния му вид беше написано по-горе. Сега нека анализираме физиката на процесите, които протичат в него.
Тъй като плочите на кондензатора са направени от проводник, през тях може да протича електрически ток. Между двете пластини обаче има пречка: диелектрик (може да бъде въздух, дърво или друг материал с високо съпротивление. Поради факта, че зарядът не може да се премести от единия край на проводника към другия, той се натрупва върху кондензаторни пластини. Това увеличава мощността на магнитното и електрическото поле около него.натрупаното върху плочите електричество започва да се прехвърля към веригата.
Всеки кондензатор има номинално напрежение, което е оптимално за неговата работа. Ако този елемент работи дълго време при напрежение над номиналното напрежение, експлоатационният му живот се намалява значително. Кондензаторът на осцилаторната верига постоянно се влияе от токове и затова, когато го избирате, трябва да бъдете изключително внимателни.
В допълнение към обичайните кондензатори, които бяха обсъдени, има и йонистори. Това е по-сложен елемент: може да се опише като кръстоска между батерия и кондензатор. Като правило органичните вещества служат като диелектрик в йонистор, между който има електролит. Заедно те създават двоен електрически слой, който ви позволява да акумулирате в този дизайн много пъти повече енергия, отколкото в традиционен кондензатор.
Какъв е капацитетът на кондензатор?
Капацитетът на кондензатора е съотношението на заряда на кондензатора към напрежението, под което се намира. Можете да изчислите тази стойност много просто, като използвате математическата формула:
-
C=(e0S)/d, където
e0 е проницаемостта на диелектричния материал (таблица стойност), S - площта на кондензаторните пластини, d - разстоянието между плочите.
Зависимостта на капацитета на кондензатора от разстоянието между плочите се обяснява с феномена на електростатичната индукция: колкото по-малко е разстоянието между плочите, толкова по-силно се влияят една на друга (според закона на Кулон), по-голям е зарядът на плочите и толкова по-ниско е напрежението. И тъй като напрежението намалявастойността на капацитета се увеличава, тъй като може да се опише и със следната формула:
-
C=q/U, където
q е зарядът в кулони.
Заслужава си да поговорим за единиците на това количество. Капацитетът се измерва във фаради. 1 фарад е достатъчно голяма стойност, така че съществуващите кондензатори (но не йонистори) да имат капацитет, измерен в пикофаради (един трилион фарад).
Резистор
Токът в осцилаторната верига също зависи от съпротивлението на веригата. И в допълнение към двата описани елемента, които съставляват осцилаторната верига (намотки, кондензатори), има и трети - резистор. Той е отговорен за създаването на съпротива. Резисторът се различава от другите елементи по това, че има голямо съпротивление, което може да се сменя при някои модели. В осцилаторната верига той изпълнява функцията на регулатор на мощността на магнитното поле. Можете да свържете няколко резистора последователно или паралелно, като по този начин увеличите съпротивлението на веригата.
Съпротивлението на този елемент също зависи от температурата, така че трябва да внимавате за неговата работа във веригата, тъй като той се нагрява при преминаване на тока.
Съпротивлението на резистора се измерва в ома и неговата стойност може да се изчисли по формулата:
-
R=(pl)/S, където
p е съпротивлението на резисторния материал (измерено в (Ohmmm2)/m);
l - дължина на резистора (в метри);
S - площ на сечение (в квадратни милиметри).
Как да свържете параметрите на пътя?
Сега се приближаваме до физикатаработа на осцилаторния кръг. С течение на времето зарядът на плочите на кондензатора се променя според диференциално уравнение от втори ред.
Ако решите това уравнение, от него следват няколко интересни формули, описващи процесите, протичащи във веригата. Например, цикличната честота може да бъде изразена като капацитет и индуктивност.
Въпреки това, най-простата формула, която ви позволява да изчислите много неизвестни количества, е формулата на Томсън (наречена на английския физик Уилям Томсън, който я изведе през 1853 г.):
-
T=2p(LC)1/2.
T - периодът на електромагнитните трептения, L и C - съответно, индуктивността на бобината на осцилаторната верига и капацитета на елементите на веригата, p - числото pi.
Q фактор
Има още една важна стойност, която характеризира работата на веригата - коефициентът на качество. За да разберете какво е, трябва да се обърнете към такъв процес като резонанс. Това е явление, при което амплитудата става максимална с постоянна стойност на силата, която поддържа това трептене. Резонансът може да се обясни с прост пример: ако започнете да натискате люлеенето до ритъма на неговата честота, тогава той ще се ускори и неговата "амплитуда" ще се увеличи. И ако избутате времето, те ще се забавят. При резонанс често се разсейва много енергия. За да могат да изчислят размера на загубите, те измислиха такъв параметър като качествен фактор. Това е съотношение, равно на съотношениетоенергия в системата към загубите, възникващи във веригата в един цикъл.
Коефициентът на качество на веригата се изчислява по формулата:
-
Q=(w0W)/P, където
w0 - резонансна циклична честота на трептене;
W - енергия, съхранявана в осцилаторната система;
P - разсейване на мощността.
Този параметър е безразмерна стойност, тъй като всъщност показва съотношението на енергията: съхранявана към изразходвана.
Какво е идеалната осцилаторна верига
За по-добро разбиране на процесите в тази система, физиците измислиха така наречената идеална осцилаторна верига. Това е математически модел, който представя верига като система с нулево съпротивление. Той произвежда незатихващи хармонични трептения. Такъв модел дава възможност да се получат формули за приблизителното изчисляване на параметрите на контура. Един от тези параметри е общата енергия:
W=(LI2)/2.
Такива опростявания значително ускоряват изчисленията и правят възможно оценката на характеристиките на веригата с дадени индикатори.
Как работи?
Целият цикъл на осцилаторната верига може да бъде разделен на две части. Сега ще анализираме подробно процесите, протичащи във всяка част.
- Първа фаза: Положително заредената кондензаторна плоча започва да се разрежда, давайки ток към веригата. В този момент токът преминава от положителен заряд към отрицателен, преминавайки през намотката. В резултат на това във веригата възникват електромагнитни трептения. преминаващ токнамотка, отива към втората пластина и я зарежда положително (докато първата плоча, от която тече токът, се зарежда отрицателно).
- Втора фаза: протича обратният процес. Токът преминава от положителната плоча (която беше отрицателна в самото начало) към отрицателната, преминавайки отново през намотката. И всички обвинения си идват на мястото.
Цикълът се повтаря, докато има заряд на кондензатора. В идеална осцилаторна верига този процес протича безкрайно, но в реална загубите на енергия са неизбежни поради различни фактори: нагряване, което възниква поради наличието на съпротивление във веригата (джаулова топлина) и други подобни.
Опции за контурен дизайн
Освен простите вериги "намотка-кондензатор" и "намотка-резистор-кондензатор", има и други опции, които използват осцилаторна верига като основа. Това например е паралелна верига, която се различава по това, че съществува като елемент от електрическа верига (защото, ако съществуваше отделно, би била последователна верига, което беше обсъдено в статията).
Има и други типове дизайни, които включват различни електрически компоненти. Например, можете да свържете транзистор към мрежата, който ще отваря и затваря веригата с честота, равна на честотата на трептене във веригата. Така в системата ще се установят незатихващи трептения.
Къде се използва осцилаторна верига?
Най-познатото приложение на компонентите на веригата е електромагнитите. Те от своя страна се използват в домофони, електрически двигатели,сензори и в много други не толкова обикновени области. Друго приложение е генератор на трептения. Всъщност това използване на веригата ни е много познато: в тази форма тя се използва в микровълновата печка за създаване на вълни и в мобилните и радиокомуникациите 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 става възможно предаването на информация на дълги разстояния.
Самият индуктор може да се използва като елемент на трансформатор: две намотки с различен брой намотки могат да прехвърлят заряда си с помощта на електромагнитно поле. Но тъй като характеристиките на соленоидите са различни, индикаторите на тока в двете вериги, към които са свързани тези два индуктора, ще се различават. По този начин е възможно да се преобразува ток с напрежение, да речем, 220 волта в ток с напрежение от 12 волта.
Заключение
Ние анализирахме подробно принципа на действие на осцилаторния кръг и всяка негова част поотделно. Научихме, че осцилаторната верига е устройство, предназначено да създава електромагнитни вълни. Това обаче са само основите на сложната механика на тези на пръв поглед прости елементи. Можете да научите повече за тънкостите на веригата и нейните компоненти от специализираната литература.
