Oscilatorni krug je ... Načelo djelovanja

Oscilatorni krug je uređajnamijenjene za stvaranje (stvaranje) elektromagnetskih oscilacija. Od svog nastanka do danas, koristi se u mnogim područjima znanosti i tehnologije: od svakodnevnog života do velikih tvornica koje proizvode najrazličitije proizvode.

Od čega se sastoji?

Oscilatorni krug se sastoji od svitka ikondenzator. Osim toga, može sadržavati i otpornik (element s promjenjivim otporom). Induktor (ili solenoid, kako se ponekad naziva) je štap na koji se namota nekoliko slojeva namota, što je u pravilu bakrena žica. Upravo taj element stvara oscilacije u oscilirajućem krugu. Jezgra u sredini često se naziva prigušnica ili jezgra, a zavojnica se ponekad naziva solenoid.

Svitak oscilirajućeg kruga stvara oscilacije samo kada postoji pohranjeni naboj. Kada struja prođe kroz nju, on akumulira naboj koji zatim odlazi u krug ako padne napon.

Žice zavojnice su obično vrlo male.otpor koji uvijek ostaje konstantan. U krugu oscilirajućeg kruga vrlo često se mijenja napon i struja. Ova promjena podliježe određenim matematičkim zakonima:

• U = u₀* cos (w * (t-t₀) gdje
  U je napon u zadanom vremenu t,
  U₀ - napon u vremenu t₀,
  w je frekvencija elektromagnetskih oscilacija.

Drugi sastavni dio sklopa jeelektrični kondenzator. To je element koji se sastoji od dvije ploče, koje su odvojene dielektrikom. Debljina sloja između ploča je manja od njihove veličine. Ovaj dizajn vam omogućuje da se akumuliraju na dielektričnom električnom naboju, koji se zatim može dati krugu.

Razlika između kondenzatora i baterije je u tomene pretvara tvari pod djelovanjem električne struje, a postoji i izravna akumulacija naboja u električnom polju. Dakle, pomoću kondenzatora, možete akumulirati dovoljno veliki naboj, koji možete dati sve odjednom. U ovom slučaju, struja u krugu se uvelike povećava.

Također, oscilirajući krug se sastoji od drugogelement: otpornik. Ovaj element ima otpor i konstruiran je za kontrolu struje i napona u krugu. Ako se pri stalnom naponu poveća otpor otpornika, jačina struje će se smanjiti prema Ohmovom zakonu:

• I = U / R, gdje
  I - jačina struje
  U je napon
  R je otpornost.

Indukcijska zavojnica

Pogledajmo pobliže sve detalje posla.zavojnice induktora i bolje razumiju njegovu funkciju u oscilirajućem krugu. Kao što smo rekli, otpornost ovog elementa teži nuli. Dakle, kada se spoji na jednosmjerni krug, doći će do kratkog spoja. Međutim, ako spajate zavojnicu na strujni krug izmjenične struje, radi ispravno. To dovodi do zaključka da element osigurava otpornost na izmjeničnu struju.

Ali zašto se to događa i kako se to događaotpornost na izmjeničnu struju? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, moramo se pozabaviti fenomenom samo-indukcije. Kada struja prolazi kroz zavojnicu, u njoj se pojavljuje elektromotorna sila (EMF), koja stvara prepreku promjeni struje. Veličina te sile ovisi o dva faktora: induktivnosti svitka i izvedenici struje tijekom vremena. Matematički se ova ovisnost izražava kroz jednadžbu:

• E = -L * I "(t), gdje
  E - vrijednost EMF-a,
  L je vrijednost induktivnosti svitka (za svaki svitak ona je različita i ovisi o broju namota zavojnice i njihovoj debljini),
  I "(t) je derivacija snage struje s obzirom na vrijeme (brzina promjene intenziteta struje).

Snaga istosmjerne struje se s vremenom ne mijenja, tako da nema otpora kada se primijeni.

Ali s izmjeničnom strujom sve njene parametreneprestano se mijenjaju prema sinusoidnom ili kosinusoidnom zakonu, zbog čega nastaje emf koji sprečava te promjene. Takva se otpornost naziva indukcija i izračunava se pomoću formule:

• X_L = w * L, gdje
  w je frekvencija oscilacija kruga,
  L je induktivnost svitka.

Struja u solenoidu linearno se povećava i smanjujeprema različitim zakonima. To znači da ako zaustavite protok struje u zavojnicu, on će nastaviti puniti struju za neko vrijeme. A ako u isto vrijeme naglo prekine protok struje, tada će doći do šoka zbog činjenice da će naboja pokušati distribuirati i napustiti zavojnicu. To je ozbiljan problem u industrijskoj proizvodnji. Ovaj učinak (iako nije u potpunosti povezan s oscilatornim krugom) može se promatrati, na primjer, kada povučete utikač iz utičnice. U ovom slučaju, iskra skače, što u takvim razmjerima nije u stanju povrijediti osobu. To je zbog činjenice da magnetsko polje ne nestaje odmah, već se postupno raspršuje, inducirajući struje u drugim vodičima. Na industrijskoj razini, jačina struje je mnogo puta veća od uobičajene 220 volti, stoga, ako se prekine industrijski krug, mogu se pojaviti takve iskre koje će prouzročiti mnogo štete i za biljku i za čovjeka.

Zavojnica je osnova onoga što se sastoji od oscilacijskog kruga. Dodaju se induktivnosti serijski povezanih solenoida. Zatim ćemo pobliže pogledati sve detalje strukture ovog elementa.

Što je induktivnost?

Induktivnost svitka oscilatora -To je pojedinačni pokazatelj, numerički jednak elektromotornoj sili (u voltima), koja se javlja u krugu kada se struja mijenja za 1 A po 1 sekundi. Ako je solenoid spojen na jednosmjerni strujni krug, tada njegova induktivnost opisuje energiju magnetskog polja, koju stvara ova struja prema formuli:

• W = (L * I²) / 2, gdje
  W je energija magnetskog polja.

Koeficijent induktivnosti ovisi o mnogimafaktori: od geometrije solenoida, od magnetskih karakteristika jezgre i broja zavojnica žice. Još jedno svojstvo ovog pokazatelja je da je uvijek pozitivno, jer varijable o kojima ovisi ne mogu biti negativne.

Indukcija se također može definirati kao svojstvo vodiča s strujom da akumulira energiju u magnetskom polju. Mjeri se u Henryju (nazvan po američkom znanstveniku Josephu Henryju).

Osim solenoida, oscilirajući krug se sastoji od kondenzatora, o čemu će se dalje raspravljati.

Električni kondenzator

Kapacitet oscilirajućeg kruga određen je kapacitetom električnog kondenzatora. O njegovom izgledu pisalo je gore. Sada ćemo analizirati fiziku procesa koji se u njemu odvijaju.

Budući da su ploče kondenzatora napravljenekroz njega može protjecati električna struja. Međutim, između dvije ploče postoji prepreka: dielektrik (može biti zrak, drvo ili drugi materijal s visokim otporom. Zbog činjenice da se naboj ne može pomaknuti s jednog kraja na drugi, on se nakuplja na pločama kondenzatora. To povećava snagu magnetnih i električnih elemenata). Dakle, kada je punjenje zaustavljeno, sva struja koja se nakupila na pločama počinje se prenositi u krug.

Svaki kondenzator ima nazivni naponoptimalno za njegov rad. Ako ovaj element dulje vrijeme radi na naponu koji je veći od nominalnog, njegov životni vijek je značajno smanjen. Kondenzator oscilirajućeg kruga stalno je pod utjecajem struja, pa biste stoga trebali biti izuzetno oprezni pri odabiru.

Osim konvencionalnih kondenzatora, o kojima se raspravljalo,Postoje i ionistori. To je složeniji element: može se opisati kao križ između baterije i kondenzatora. U pravilu, izolator u ionistoru je organska tvar, između koje se nalazi elektrolit. Zajedno stvaraju dvostruki električni sloj, koji omogućuje prikupljanje mnogo više energije u ovom dizajnu nego u tradicionalnom kondenzatoru.

Što je kapacitet kondenzatora?

Kapacitet kondenzatora je omjer naboja kondenzatora i napona pod kojim se nalazi. Tu vrijednost možete vrlo jednostavno izračunati pomoću matematičke formule:

• C = (e₀* S) / d, gdje
  e₀ - dielektrična konstanta dielektričnog materijala (tablična vrijednost),
  S je površina ploča kondenzatora,
  d je udaljenost između ploča.

Ovisnost kapacitivnosti kondenzatora o udaljenostiizmeđu ploča se objašnjava fenomenom elektrostatske indukcije: što je manji razmak između ploča, to više utječu jedni na druge (prema Coulombovom zakonu), to su ploče više punjene i manje napona. A kada se napon smanji, vrijednost kapacitivnosti se povećava, jer se također može opisati sljedećom formulom:

• C = q / U, gdje
  q - naboj u privjescima.

Vrijedi govoriti o jedinicama ovogavrijednost. Kapacitet se mjeri u faradu. 1 farad je dovoljno velika vrijednost, stoga postojeći kondenzatori (ali ne ionistori) imaju kapacitet izmjeren u pikofaradima (jedan trilijun farads).

otpornik

Struja u oscilatornom krugu također ovisi okrug otpora. Osim opisanih dvaju elemenata koji čine oscilatorni krug (svitak, kondenzator), postoji i treći - otpornik. On je odgovoran za stvaranje otpora. Otpornik se razlikuje od ostalih elemenata po tome što ima visoku otpornost, što se kod nekih modela može mijenjati. U oscilatornom krugu on obavlja funkciju regulatora snage magnetskog polja. Možete spojiti nekoliko otpornika u seriji ili paralelno, čime se povećava otpor kruga.

Otpor ovog elementa također ovisi o temperaturi, stoga treba paziti na njegov rad u krugu, jer se zagrijava kad struja prolazi.

Otpor otpornika mjeri se u omama, a njegova se vrijednost može izračunati pomoću formule:

• R = (p * l) / S, gdje
  p je otpor materijala otpornika (izmjeren u (ohm * mm)²) / m);
  l je duljina otpornika (u metrima);
  S je površina poprečnog presjeka (u kvadratnim milimetrima).

Kako spojiti parametre kruga?

Sada smo se približili fizici oscilacijskog kruga. Tijekom vremena naboja na pločama kondenzatora mijenja se prema diferencijalnoj jednadžbi drugog reda.

Ako je ova jednadžba riješena, slijedi nekoliko zanimljivih formula koje opisuju procese koji se odvijaju u krugu. Primjerice, ciklička frekvencija može se izraziti u smislu kapacitivnosti i induktivnosti.

Međutim, najjednostavnija formula koja vam omogućuje da izračunate mnogo nepoznatih količina je Thomsonova formula (nazvana po engleskom fizičaru Williamu Thomsonu, koji ga je 1853. godine izveo):

• T = 2 * n * (L * C)^1/2.
  T je razdoblje elektromagnetskih oscilacija,
  L i C - induktivnost zavojnice oscilirajućeg kruga i kapacitivnosti elemenata kruga,
  n je pi.

Faktor kvalitete

Postoji još jedna značajna količinakonturni rad - dobra kvaliteta. Da bismo razumjeli što je to, treba se pozvati na takav proces kao rezonanciju. To je fenomen u kojem amplituda postaje maksimalna s konstantnom vrijednošću sile koja podržava ovo osciliranje. Rezonanca se može objasniti jednostavnim primjerom: ako počnete gurati ljuljanje u vremenu s njihovom frekvencijom, ubrzat će se i njihova će se “amplituda” povećati. A ako odgurnete od takta, oni će usporiti. Kada je rezonancija vrlo često rasipana mnogo energije. Da bi mogli izračunati veličinu gubitaka, izmislili su parametar kao što je faktor kvalitete. To je koeficijent jednak omjeru energije u sustavu s gubicima koji se pojavljuju u krugu u jednom ciklusu.

Faktor kvalitete konture izračunava se po formuli:

• Q = (w₀* W) / P, gdje
  w₀ - frekvenciju rezonantne cikličke oscilacije;
  W je energija pohranjena u oscilatornom sustavu;
  P - rasipanje snage.

Ovaj parametar je bezdimenzionalna količina, jer zapravo pokazuje omjer energije: pohranjeni na potrošeno.

Što je idealan oscilirajući krug

Za bolje razumijevanje procesa u ovom sustavu, fizičari su došli do tzv savršen oscilatorni krug, To je matematički model koji predstavlja krug.kao sustav s nultim otporom. U njemu postoje neumanjene harmonijske oscilacije. Takav model omogućuje dobivanje formula za približni izračun konturnih parametara. Jedan od tih parametara je ukupna energija:

• W = (L * I²) / 2.

Takva pojednostavljenja značajno ubrzavaju izračune i omogućuju procjenu karakteristika kruga s danim pokazateljima.

Kako to radi?

Cijeli ciklus oscilirajućeg kruga može se podijeliti na dva dijela. Sada ćemo detaljno ispitati procese koji se odvijaju u svakom dijelu.

• Prva faza: pozitivna ploča kondenzatorapočinje ispuštati struju, dajući joj struju. U tom trenutku struja ide od pozitivnog na negativni, prolazeći kroz zavojnicu. Kao rezultat toga, u krugu se javljaju elektromagnetska osciliranja. Struja, koja je prošla kroz zavojnicu, prenosi se na drugu ploču i puni je pozitivno (dok je prva obloga s kojom struja teče negativno nabijena).
• Druga faza: postoji izravan obrnuti proces. Struja prolazi od pozitivne ploče (koja je na samom početku bila negativna) do negativnog, opet prolazi kroz svitak. I sve optužbe padaju na svoje mjesto.

Ciklus se ponavlja sve do kondenzatoranaplaćuje. U idealnom oscilatornom krugu taj je proces beskonačan, a stvarni gubici energije neizbježni su zbog različitih faktora: zagrijavanja, koje nastaje zbog postojanja otpora u krugu (džulska toplina) i slično.

Mogućnosti oblikovanja kontura

Osim jednostavnog "coil-kondenzatora" i"Coil-otpornik-kondenzator", postoje i druge opcije koje se koriste kao osnova oscilirajućeg kruga. To je, na primjer, paralelni krug, koji se razlikuje po činjenici da postoji kao element električnog kruga (jer, ako je postojao odvojeno, to bi bio sekvencijalni krug, o kojem je bilo riječi u članku).

Postoje i druge vrste dizajnauključujući različite električne komponente. Na primjer, možete spojiti tranzistor na mrežu, koja će otvoriti i zatvoriti krug s frekvencijom koja je jednaka frekvenciji oscilacija u krugu. Tako su u sustavu uspostavljene nedopuštene oscilacije.

Gdje se koristi oscilacijski krug?

Najpoznatija uporaba komponentikrugovi su elektromagneti. Oni se, pak, koriste u interfonima, elektromotorima, senzorima iu mnogim drugim, ne tako običnim područjima. Druga aplikacija je oscilator. Zapravo, ova nam uporaba kruga je vrlo poznata: u ovom obliku, ona se koristi u mikrovalnoj pećnici za stvaranje valova, te u mobilnim i radio komunikacijama za prijenos informacija na daljinu. Sve je to zbog činjenice da se oscilacije elektromagnetskih valova mogu kodirati na takav način da je moguće prenijeti informacije na velike udaljenosti.

Sama induktivnost možekoristi se kao element transformatora: dva svitka različitog broja namota mogu prenijeti svoj naboj elektromagnetskim poljem. Ali budući da su karakteristike solenoida različite, pokazatelji struje u dva kruga na koja su ta dva induktiviteta spojena razlikuju se. Tako je moguće pretvoriti struju s naponom od, recimo, 220 volti, do struje s naponom od 12 volti.

zaključak

Načelo rada detaljno smo analizirali.oscilatorni krug i svaki njegov dio odvojeno. Naučili smo da je oscilirajući krug uređaj dizajniran za stvaranje elektromagnetskih valova. Međutim, to su samo osnove složene mehanike ovih naizgled jednostavnih elemenata. Saznajte više o zamršenosti konture i njezinih komponenti iz specijalizirane literature.

</ p>>