Et oscillerende kredsløb er en enhed designet til at generere (skabe) elektromagnetiske oscillationer. Fra starten til i dag har den været brugt inden for mange områder af videnskab og teknologi: fra hverdagen til store fabrikker, der producerer en bred vifte af produkter.
Hvad er det lavet af?
Svingningskredsløbet består af en spole og en kondensator. Derudover kan den også indeholde en modstand (element med variabel modstand). En induktor (eller solenoide, som det nogle gange kaldes) er en stang, hvorpå der er viklet flere lag vikling, som som regel er en kobbertråd. Det er dette element, der skaber svingninger i oscillerende kredsløb. Stangen i midten kaldes ofte en choker eller kerne, og spolen kaldes nogle gange en solenoide.
Oscillerende kredsløbsspolen svinger kun, når der er en lagret ladning. Når strøm passerer gennem det, akkumulerer det en ladning, som det så afgiver til kredsløbet, hvis spændingen falder.
Spolens ledninger har norm alt meget lille modstand, som altid forbliver konstant. I kredsløbet af et oscillerende kredsløb sker der meget ofte en ændring i spænding og strøm. Denne ændring er underlagt visse matematiske love:
-
U=U0cos(w(t-t0), hvor
U er den aktuelle spænding tidspunkt t, U0 - spænding på tidspunktet t0, w - frekvens på elektromagnetiske oscillationer.
En anden integreret komponent i kredsløbet er den elektriske kondensator. Dette er et element, der består af to plader, som er adskilt af et dielektrikum. I dette tilfælde er tykkelsen af laget mellem pladerne mindre end deres størrelser. Dette design giver dig mulighed for at akkumulere en elektrisk ladning på dielektrikumet, som derefter kan overføres til kredsløbet.
Forskellen mellem en kondensator og et batteri er, at der ikke sker nogen omdannelse af stoffer under påvirkning af en elektrisk strøm, men en direkte ophobning af ladning i et elektrisk felt. Således er det ved hjælp af en kondensator muligt at akkumulere en tilstrækkelig stor ladning, som kan gives væk på én gang. I dette tilfælde øges strømstyrken i kredsløbet meget.
Oscillatorkredsløbet består også af et element mere: en modstand. Dette element har modstand og er designet til at styre strømmen og spændingen i kredsløbet. Hvis modstandens modstand øges ved en konstant spænding, vil strømstyrken falde ifølge lovenOma:
-
I=U/R, hvor
I er strøm, U er spænding, R er modstand.
Induktor
Lad os se nærmere på alle induktorens finesser og bedre forstå dens funktion i et oscillerende kredsløb. Som vi allerede har sagt, har modstanden af dette element en tendens til nul. Når den er tilsluttet et DC-kredsløb, vil der således opstå en kortslutning. Men hvis du tilslutter spolen til et AC-kredsløb, fungerer det korrekt. Dette giver dig mulighed for at konkludere, at elementet giver modstand mod vekselstrøm.
Men hvorfor sker det, og hvordan opstår modstand ved vekselstrøm? For at besvare dette spørgsmål skal vi vende os til et sådant fænomen som selvinduktion. Når strøm passerer gennem spolen, opstår der en elektromotorisk kraft (EMF), som skaber en hindring for at ændre strømmen. Størrelsen af denne kraft afhænger af to faktorer: spolens induktans og den afledte strømstyrke i forhold til tid. Matematisk udtrykkes denne afhængighed gennem ligningen:
-
E=-LI'(t), hvor
E er EMF-værdien, L er værdien af spoleinduktansen (for hver spole er den forskellig og afhænger af på antallet af spoler i viklingen og deres tykkelser), I'(t) - afledt af strømstyrken med hensyn til tid (hastigheden for ændring af strømstyrken).
Direkte strømstyrke ændrer sig ikke over tid, så der er ingen modstand, når den udsættes for det.
Men med vekselstrøm ændres alle dens parametre konstant i henhold til en sinusformet eller cosinus-lov,som følge heraf opstår der en EMF, der forhindrer disse ændringer. En sådan modstand kaldes induktiv og beregnes med formlen:
- XL =wL
Strømmen i solenoiden stiger og falder lineært i henhold til forskellige love. Det betyder, at hvis du stopper strømforsyningen til spolen, vil den fortsætte med at give opladning til kredsløbet i nogen tid. Og hvis strømforsyningen på samme tid afbrydes brat, vil der opstå et stød på grund af det faktum, at ladningen vil forsøge at blive fordelt og forlade spolen. Dette er et alvorligt problem i industriel produktion. En sådan effekt (selv om den ikke er helt relateret til oscillerende kredsløb) kan observeres, for eksempel, når stikket trækkes ud af stikkontakten. Samtidig springer en gnist, som på en sådan skala ikke er i stand til at skade en person. Det skyldes det faktum, at magnetfeltet ikke forsvinder med det samme, men gradvist forsvinder, hvilket inducerer strømme i andre ledere. I industriel skala er strømstyrken mange gange større end de 220 volt, vi er vant til, så når et kredsløb afbrydes i produktionen, kan der opstå gnister af en sådan styrke, som forårsager meget skade på både planten og personen.
En spole er grundlaget for, hvad et oscillerende kredsløb består af. Induktanserne af solenoiderne i serie lægges sammen. Dernæst vil vi se nærmere på alle finesserne i strukturen af dette element.
Hvad er induktans?
Induktansen af spolen i et oscillerende kredsløb er en individuel indikator numerisk lig med den elektromotoriske kraft (i volt), der opstår i kredsløbet, nårændring i strøm med 1 A på 1 sekund. Hvis solenoiden er forbundet til et jævnstrømskredsløb, beskriver dens induktans energien af det magnetiske felt, der skabes af denne strøm ifølge formlen:
-
W=(LI2)/2, hvor
W er magnetfeltets energi.
Induktansfaktoren afhænger af mange faktorer: af solenoidens geometri, af kernens magnetiske karakteristika og af antallet af trådspoler. En anden egenskab ved denne indikator er, at den altid er positiv, fordi de variabler, den afhænger af, ikke kan være negative.
Induktans kan også defineres som en strømførende leders egenskab til at lagre energi i et magnetfelt. Det måles i Henry (opkaldt efter den amerikanske videnskabsmand Joseph Henry).
Udover solenoiden består oscillatorkredsløbet af en kondensator, som vil blive diskuteret senere.
Elektrisk kondensator
Kapacitansen af oscillatorkredsløbet bestemmes af kapacitansen af den elektriske kondensator. Om hans udseende blev skrevet ovenfor. Lad os nu analysere fysikken i de processer, der finder sted i den.
Da kondensatorpladerne er lavet af en leder, kan der strømme en elektrisk strøm gennem dem. Der er dog en forhindring mellem de to plader: et dielektrikum (det kan være luft, træ eller andet materiale med høj modstand. På grund af det faktum, at ladningen ikke kan bevæge sig fra den ene ende af ledningen til den anden, samler den sig på kondensatorplader. Dette øger styrken af de magnetiske og elektriske felter omkring den.elektriciteten akkumuleret på pladerne begynder at blive overført til kredsløbet.
Hver kondensator har en spænding, der er optimal til dens drift. Hvis dette element drives i lang tid ved en spænding over den nominelle spænding, reduceres dets levetid betydeligt. Oscillatorkredsløbskondensatoren påvirkes konstant af strømme, og derfor skal du være yderst forsigtig, når du vælger den.
Ud over de sædvanlige kondensatorer, der blev diskuteret, er der også ionistorer. Dette er et mere komplekst element: det kan beskrives som en krydsning mellem et batteri og en kondensator. Som regel tjener organiske stoffer som et dielektrikum i en ionistor, mellem hvilken der er en elektrolyt. Sammen skaber de et dobbelt elektrisk lag, som giver dig mulighed for at akkumulere i dette design mange gange mere energi end i en traditionel kondensator.
Hvad er kapacitansen for en kondensator?
Kapacitansen af en kondensator er forholdet mellem ladningen af kondensatoren og den spænding, som den er placeret under. Du kan beregne denne værdi meget enkelt ved at bruge den matematiske formel:
-
C=(e0S)/d, hvor
e0 er permittiviteten af det dielektriske materiale (tabelværdi), S - arealet af kondensatorpladerne, d - afstanden mellem pladerne.
Afhængigheden af kondensatorens kapacitans af afstanden mellem pladerne forklares af fænomenet elektrostatisk induktion: Jo mindre afstanden mellem pladerne er, jo stærkere påvirker de hinanden (ifølge Coulombs lov), større ladning af pladerne og jo lavere spænding. Og efterhånden som spændingen falderkapacitansværdien stiger, da den også kan beskrives med følgende formel:
-
C=q/U, hvor
q er ladningen i coulombs.
Det er værd at tale om enhederne for denne mængde. Kapacitansen måles i farad. 1 farad er en tilstrækkelig stor værdi til, at eksisterende kondensatorer (men ikke ionistorer) har en kapacitans målt i picofarads (en trillion farad).
Modstand
Strømmen i oscillatorkredsløbet afhænger også af kredsløbets modstand. Og ud over de to beskrevne elementer, der udgør oscillatorkredsløbet (spoler, kondensatorer), er der også en tredje - en modstand. Han er ansvarlig for at skabe modstand. Modstanden adskiller sig fra andre elementer ved, at den har en stor modstand, som kan ændres i nogle modeller. I det oscillerende kredsløb udfører det funktionen af en magnetfelteffektregulator. Du kan tilslutte flere modstande i serie eller parallelt, og derved øge kredsløbets modstand.
Modstanden af dette element afhænger også af temperaturen, så du skal være forsigtig med dets funktion i kredsløbet, da det opvarmes, når strømmen passerer.
Modstandsmodstand måles i ohm, og dens værdi kan beregnes ved hjælp af formlen:
-
R=(pl)/S, hvor
p er modstandsmaterialets resistivitet (målt i (Ohmmm2)/m);
l - modstandslængde (i meter);
S - tværsnitsareal (i kvadratmillimeter).
Hvordan forbinder man stiparametre?
Nu er vi tæt på fysikdrift af oscillerende kredsløb. Over tid ændres ladningen på kondensatorpladerne i henhold til en andenordens differentialligning.
Hvis du løser denne ligning, følger der adskillige interessante formler, der beskriver de processer, der forekommer i kredsløbet. For eksempel kan den cykliske frekvens udtrykkes i form af kapacitans og induktans.
Den enkleste formel, der giver dig mulighed for at beregne mange ukendte størrelser, er Thomson-formlen (opkaldt efter den engelske fysiker William Thomson, som udledte den i 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - perioden for elektromagnetiske oscillationer, L og C - henholdsvis induktansen af spolen i det oscillerende kredsløb og kapacitansen af kredsløbselementerne, p - tallet pi.
Q-faktor
Der er en anden vigtig værdi, der kendetegner driften af kredsløbet - kvalitetsfaktoren. For at forstå, hvad det er, bør man vende sig til en sådan proces som resonans. Dette er et fænomen, hvor amplituden bliver maksimal med en konstant værdi af den kraft, der understøtter denne oscillation. Resonansen kan forklares med et simpelt eksempel: Hvis du begynder at skubbe svinget i takt med dets frekvens, vil det accelerere, og dets "amplitude" vil stige. Og hvis du skubber ud af tiden, vil de bremse. Ved resonans spredes ofte meget energi. For at kunne beregne størrelsen af tabene kom de med en sådan parameter som kvalitetsfaktoren. Det er et forhold, der er lig med forholdetenergi i systemet til de tab, der opstår i kredsløbet i én cyklus.
Kvalitetsfaktoren for kredsløbet beregnes af formlen:
-
Q=(w0W)/P, hvor
w0 - resonans cyklisk oscillationsfrekvens;
W - energi lagret i oscillatorsystemet;
P - effekttab.
Denne parameter er en dimensionsløs værdi, da den faktisk viser forholdet mellem energi: lagret og brugt.
Hvad er et ideelt oscillerende kredsløb
For en bedre forståelse af processerne i dette system kom fysikere med det såkaldte ideelle oscillerende kredsløb. Dette er en matematisk model, der repræsenterer et kredsløb som et system med nul modstand. Det producerer udæmpede harmoniske svingninger. En sådan model gør det muligt at opnå formler til den omtrentlige beregning af konturparametre. En af disse parametre er total energi:
W=(LI2)/2.
Sådanne forenklinger fremskynder beregningerne betydeligt og gør det muligt at evaluere karakteristika for et kredsløb med givne indikatorer.
Hvordan virker det?
Hele cyklussen af det oscillerende kredsløb kan opdeles i to dele. Nu vil vi analysere i detaljer de processer, der forekommer i hver del.
- Første fase: Den positivt ladede kondensatorplade begynder at aflades, hvilket giver strøm til kredsløbet. I dette øjeblik går strømmen fra en positiv ladning til en negativ, der passerer gennem spolen. Som et resultat opstår elektromagnetiske svingninger i kredsløbet. strøm der går igennemspole, går til den anden plade og oplader den positivt (hvorimod den første plade, hvorfra strømmen gik, lades negativt).
- Anden fase: den omvendte proces finder sted. Strømmen går fra den positive plade (som var negativ i begyndelsen) til den negative og passerer igen gennem spolen. Og alle anklagerne falder på plads.
Cyklusen gentages, så længe der er en ladning på kondensatoren. I et ideelt oscillerende kredsløb fortsætter denne proces uendeligt, men i et rigtigt er energitab uundgåelige på grund af forskellige faktorer: opvarmning, som opstår på grund af eksistensen af modstand i kredsløbet (Joule-varme) og lignende.
Konturdesignmuligheder
Udover de simple "spole-kondensator" og "spole-modstand-kondensator"-kredsløb, er der andre muligheder, der bruger et oscillerende kredsløb som basis. Dette er for eksempel et parallelkredsløb, som adskiller sig ved, at det eksisterer som et element i et elektrisk kredsløb (fordi, hvis det eksisterede separat, ville det være et seriekredsløb, hvilket blev diskuteret i artiklen).
Der er også andre typer design, der inkluderer forskellige elektriske komponenter. For eksempel kan du tilslutte en transistor til netværket, som vil åbne og lukke kredsløbet med en frekvens svarende til oscillationsfrekvensen i kredsløbet. Der vil således blive etableret udæmpede svingninger i systemet.
Hvor bruges et oscillerende kredsløb?
Den mest kendte anvendelse af kredsløbskomponenter er elektromagneter. De bruges igen i samtaleanlæg, elektriske motorer,sensorer og i mange andre knap så almindelige områder. En anden applikation er en oscillationsgenerator. Faktisk er denne brug af kredsløbet meget velkendt for os: i denne form bruges det i mikrobølger til at skabe bølger og i mobil- og radiokommunikation til at transmittere information over en afstand. Alt dette skyldes, at elektromagnetiske bølgers svingninger kan kodes på en sådan måde, at det bliver muligt at transmittere information over lange afstande.
Selve induktoren kan bruges som et element i en transformer: To spoler med et forskelligt antal viklinger kan overføre deres ladning ved hjælp af et elektromagnetisk felt. Men da solenoidernes egenskaber er forskellige, vil strømindikatorerne i de to kredsløb, som disse to induktorer er forbundet til, være forskellige. Det er således muligt at omdanne en strøm med en spænding på f.eks. 220 volt til en strøm med en spænding på 12 volt.
Konklusion
Vi har analyseret i detaljer princippet om driften af det oscillerende kredsløb og hver af dets dele separat. Vi lærte, at et oscillerende kredsløb er en enhed designet til at skabe elektromagnetiske bølger. Dette er dog kun det grundlæggende i den komplekse mekanik af disse tilsyneladende simple elementer. Du kan lære mere om kredsløbets forviklinger og dets komponenter fra den specialiserede litteratur.
