Obwód oscylacyjny to urządzenie zaprojektowane do generowania (tworzenia) oscylacji elektromagnetycznych. Od momentu powstania do dnia dzisiejszego jest używany w wielu dziedzinach nauki i technologii: od życia codziennego po ogromne fabryki produkujące szeroką gamę produktów.
Z czego jest zrobione?
Obwód oscylacyjny składa się z cewki i kondensatora. Dodatkowo może zawierać również rezystor (element o zmiennej rezystancji). Cewka indukcyjna (lub solenoid, jak to się czasem nazywa) to pręt, na który nawinięto kilka warstw uzwojenia, które z reguły jest drutem miedzianym. To właśnie ten element tworzy oscylacje w obwodzie oscylacyjnym. Pręt w środku jest często nazywany dławikiem lub rdzeniem, a cewka jest czasami nazywana solenoidem.
Cewka obwodu oscylacyjnego oscyluje tylko wtedy, gdy jest zmagazynowany ładunek. Kiedy przepływa przez niego prąd, gromadzi ładunek, który następnie oddaje do obwodu, jeśli napięcie spadnie.
Przewody cewki mają zwykle bardzo małą rezystancję, która zawsze pozostaje stała. W obwodzie obwodu oscylacyjnego bardzo często występuje zmiana napięcia i prądu. Ta zmiana podlega pewnym prawom matematycznym:
-
U=U0cos(w(t-t0), gdzie
U to obecne napięcie punkt w czasie t, U0 - napięcie w czasie t0, w - częstotliwość oscylacje elektromagnetyczne.
Innym integralnym elementem obwodu jest kondensator elektryczny. To element składający się z dwóch płytek, które są oddzielone dielektrykiem. W takim przypadku grubość warstwy między płytami jest mniejsza niż ich rozmiary. Taka konstrukcja pozwala na akumulację ładunku elektrycznego na dielektryku, który może być następnie przeniesiony do obwodu.
Różnica między kondensatorem a baterią polega na tym, że nie zachodzi przemiana substancji pod wpływem prądu elektrycznego, ale bezpośrednie gromadzenie ładunku w polu elektrycznym. W ten sposób za pomocą kondensatora można zgromadzić wystarczająco duży ładunek, który można oddać w całości. W takim przypadku natężenie prądu w obwodzie znacznie wzrasta.
Ponadto obwód oscylacyjny składa się z jeszcze jednego elementu: rezystora. Ten element ma rezystancję i jest przeznaczony do kontrolowania prądu i napięcia w obwodzie. Jeśli rezystancja rezystora zostanie zwiększona przy stałym napięciu, siła prądu zmniejszy się zgodnie z prawemOma:
-
I=U/R, gdzie
I to prąd, U to napięcie, R to rezystancja.
Induktor
Przyjrzyjmy się bliżej wszystkim subtelnościom cewki indukcyjnej i lepiej zrozummy jej funkcję w obwodzie oscylacyjnym. Jak już powiedzieliśmy, opór tego elementu dąży do zera. Tak więc po podłączeniu do obwodu prądu stałego mogłoby wystąpić zwarcie. Jeśli jednak podłączysz cewkę do obwodu prądu przemiennego, działa poprawnie. Pozwala to stwierdzić, że element jest odporny na prąd przemienny.
Ale dlaczego tak się dzieje i jak powstaje opór przy prądzie przemiennym? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy zwrócić się do takiego zjawiska, jak samoindukcja. Kiedy prąd przepływa przez cewkę, powstaje w niej siła elektromotoryczna (EMF), która tworzy przeszkodę w zmianie prądu. Wielkość tej siły zależy od dwóch czynników: indukcyjności cewki oraz pochodnej natężenia prądu względem czasu. Matematycznie zależność tę wyraża się równaniem:
-
E=-LI'(t), gdzie
E jest wartością EMF, L jest wartością indukcyjności cewki (dla każdej cewki jest inna i zależy na liczbę zwojów uzwojenia i ich grubości), I'(t) - pochodna natężenia prądu w funkcji czasu (tempo zmiany natężenia prądu).
Natężenie prądu stałego nie zmienia się w czasie, więc nie ma oporu, gdy jest na niego narażony.
Ale przy prądzie zmiennym wszystkie jego parametry stale się zmieniają zgodnie z prawem sinusoidalnym lub cosinusoidalnym,w rezultacie powstaje pole elektromagnetyczne, które zapobiega tym zmianom. Taka rezystancja nazywana jest indukcyjną i jest obliczana ze wzoru:
- XL =wL
Prąd w elektromagnesie liniowo wzrasta i maleje zgodnie z różnymi prawami. Oznacza to, że jeśli zatrzymasz dopływ prądu do cewki, przez pewien czas będzie ona nadal ładować obwód. A jeśli w tym samym czasie dopływ prądu zostanie nagle przerwany, nastąpi szok, ponieważ ładunek spróbuje się rozłożyć i wyjść z cewki. To poważny problem w produkcji przemysłowej. Taki efekt (choć nie do końca związany z obwodem oscylacyjnym) można zaobserwować np. podczas wyciągania wtyczki z gniazdka. W tym samym czasie skacze iskra, która w takiej skali nie jest w stanie skrzywdzić człowieka. Wynika to z faktu, że pole magnetyczne nie zanika natychmiast, ale stopniowo się rozprasza, indukując prądy w innych przewodnikach. Na skalę przemysłową natężenie prądu jest wielokrotnie większe niż 220 woltów, do których jesteśmy przyzwyczajeni, więc gdy obwód zostanie przerwany w produkcji, mogą pojawić się iskry o takiej sile, które powodują wiele szkód zarówno dla zakładu, jak i dla człowieka.
Cewka jest podstawą tego, z czego składa się obwód oscylacyjny. Indukcyjności elektrozaworów w szeregu sumują się. Następnie przyjrzymy się bliżej wszystkim subtelnościom struktury tego elementu.
Co to jest indukcyjność?
Indukcyjność cewki obwodu oscylacyjnego jest indywidualnym wskaźnikiem liczbowo równym sile elektromotorycznej (w woltach), która występuje w obwodzie, gdyzmiana prądu o 1 A w ciągu 1 sekundy. Jeżeli elektrozawór jest podłączony do obwodu prądu stałego, to jego indukcyjność opisuje energię pola magnetycznego wytworzonego przez ten prąd zgodnie ze wzorem:
-
W=(LI2)/2, gdzie
W to energia pola magnetycznego.
Współczynnik indukcyjności zależy od wielu czynników: geometrii elektromagnesu, właściwości magnetycznych rdzenia i liczby zwojów drutu. Inną właściwością tego wskaźnika jest to, że jest on zawsze dodatni, ponieważ zmienne, od których zależy, nie mogą być ujemne.
Indukcyjność można również zdefiniować jako właściwość przewodnika przewodzącego prąd do przechowywania energii w polu magnetycznym. Jest mierzony w Henrym (nazwanym na cześć amerykańskiego naukowca Josepha Henry).
Oprócz elektromagnesu, obwód oscylacyjny składa się z kondensatora, który zostanie omówiony później.
Kondensator elektryczny
Pojemność obwodu oscylacyjnego jest określona przez pojemność kondensatora elektrycznego. O jego wyglądzie napisano powyżej. Przeanalizujmy teraz fizykę procesów w nim zachodzących.
Ponieważ płytki kondensatora są wykonane z przewodnika, może przez nie przepływać prąd elektryczny. Jednak pomiędzy dwoma płytkami znajduje się przeszkoda: dielektryk (może to być powietrze, drewno lub inny materiał o dużej rezystancji. Ponieważ ładunek nie może się przemieszczać z jednego końca drutu na drugi, gromadzi się na płytki kondensatora, co zwiększa moc otaczających go pól magnetycznych i elektrycznych.energia elektryczna zgromadzona na płytach zaczyna być przekazywana do obwodu.
Każdy kondensator ma napięcie znamionowe, które jest optymalne dla jego działania. Jeżeli element ten będzie pracował przez dłuższy czas przy napięciu powyżej napięcia znamionowego, jego żywotność znacznie się skróci. Kondensator obwodu oscylacyjnego jest stale pod wpływem prądów, dlatego przy jego wyborze należy zachować szczególną ostrożność.
Oprócz zwykłych kondensatorów, które zostały omówione, istnieją również jonizatory. To bardziej złożony element: można go opisać jako skrzyżowanie baterii i kondensatora. Z reguły substancje organiczne służą jako dielektryk w jonizatorze, pomiędzy którymi znajduje się elektrolit. Razem tworzą podwójną warstwę elektryczną, co pozwala zgromadzić w tym projekcie wielokrotnie więcej energii niż w tradycyjnym kondensatorze.
Jaka jest pojemność kondensatora?
Pojemność kondensatora to stosunek ładunku kondensatora do napięcia, pod którym się znajduje. Możesz obliczyć tę wartość w bardzo prosty sposób za pomocą wzoru matematycznego:
-
C=(e0S)/d, gdzie
e0 jest przenikalnością materiału dielektrycznego (wartość tabeli), S - powierzchnia płyt kondensatora, d - odległość między płytami.
Zależność pojemności kondensatora od odległości między płytkami tłumaczy się zjawiskiem indukcji elektrostatycznej: im mniejsza odległość między płytkami, tym silniej oddziałują na siebie (zgodnie z prawem Coulomba), większy ładunek płytek i niższe napięcie. A gdy napięcie spadawartość pojemności wzrasta, ponieważ można ją również opisać wzorem:
-
C=q/U, gdzie
q jest ładunkiem w kulombach.
Warto mówić o jednostkach tej wielkości. Pojemność mierzona jest w faradach. 1 farad to wystarczająco duża wartość, aby istniejące kondensatory (ale nie jonizatory) miały pojemność mierzoną w pikofaradach (jeden bilion faradów).
Rezystor
Prąd w obwodzie oscylacyjnym zależy również od rezystancji obwodu. A oprócz dwóch opisanych elementów, które składają się na obwód oscylacyjny (cewki, kondensatory), jest jeszcze trzeci - rezystor. Jest odpowiedzialny za tworzenie oporu. Rezystor różni się od innych elementów tym, że ma dużą rezystancję, którą w niektórych modelach można zmienić. W obwodzie oscylacyjnym pełni funkcję regulatora mocy pola magnetycznego. Możesz podłączyć kilka rezystorów szeregowo lub równolegle, zwiększając w ten sposób rezystancję obwodu.
Rezystancja tego elementu zależy również od temperatury, dlatego należy uważać na jego działanie w obwodzie, ponieważ nagrzewa się podczas przepływu prądu.
Rezystancja rezystora jest mierzona w omach, a jej wartość można obliczyć ze wzoru:
-
R=(pl)/S, gdzie
p to rezystywność materiału rezystora (mierzona w (Ohmmm2)/m);
l - długość rezystora (w metrach);
S - powierzchnia przekroju (w milimetrach kwadratowych).
Jak połączyć parametry ścieżki?
Teraz zbliżamy się do fizykidziałanie obwodu oscylacyjnego. Z biegiem czasu ładunek na płytach kondensatora zmienia się zgodnie z równaniem różniczkowym drugiego rzędu.
Jeśli rozwiążesz to równanie, wynika z niego kilka interesujących wzorów opisujących procesy zachodzące w obwodzie. Na przykład częstotliwość cykliczną można wyrazić w postaci pojemności i indukcyjności.
Jednak najprostszym wzorem, który pozwala obliczyć wiele nieznanych wielkości, jest wzór Thomsona (od nazwiska angielskiego fizyka Williama Thomsona, który wyprowadził go w 1853 roku):
-
T=2p(LC)1/2.
T - okres oscylacji elektromagnetycznych, L i C - odpowiednio indukcyjność cewki obwodu oscylacyjnego i pojemność elementów obwodu, p - liczba pi.
Współczynnik Q
Istnieje inna ważna wartość, która charakteryzuje działanie obwodu - współczynnik jakości. Aby zrozumieć, co to jest, należy zwrócić się do takiego procesu, jak rezonans. Jest to zjawisko, w którym amplituda osiąga maksimum przy stałej wartości siły podtrzymującej tę oscylację. Rezonans można wytłumaczyć prostym przykładem: jeśli zaczniesz pchać huśtawkę do rytmu jego częstotliwości, to przyspieszy, a jego „amplituda” wzrośnie. A jeśli przekroczysz czas, zwolnią. W rezonansie często rozpraszana jest duża ilość energii. Aby móc obliczyć wielkość strat, wymyślili taki parametr, jak współczynnik jakości. Jest to stosunek równy stosunkowienergia w układzie do strat występujących w obwodzie w jednym cyklu.
Współczynnik jakości obwodu jest obliczany według wzoru:
-
Q=(w0W)/P, gdzie
w0 - rezonansowa częstotliwość oscylacji cyklicznych;
W - energia zmagazynowana w układzie oscylacyjnym;
P - rozpraszanie mocy.
Ten parametr jest wartością bezwymiarową, ponieważ w rzeczywistości pokazuje stosunek energii: zmagazynowanej do zużytej.
Jaki jest idealny obwód oscylacyjny
Aby lepiej zrozumieć procesy zachodzące w tym systemie, fizycy opracowali tak zwany idealny obwód oscylacyjny. Jest to model matematyczny, który przedstawia obwód jako system o zerowej rezystancji. Wytwarza nietłumione oscylacje harmoniczne. Taki model umożliwia uzyskanie wzorów do przybliżonego obliczenia parametrów konturu. Jednym z tych parametrów jest energia całkowita:
W=(LI2)/2.
Takie uproszczenia znacznie przyspieszają obliczenia i umożliwiają ocenę charakterystyki obwodu za pomocą zadanych wskaźników.
Jak to działa?
Cały cykl obwodu oscylacyjnego można podzielić na dwie części. Teraz szczegółowo przeanalizujemy procesy zachodzące w każdej części.
- Pierwsza faza: dodatnio naładowana płyta kondensatora zaczyna się rozładowywać, przekazując prąd do obwodu. W tym momencie prąd przechodzi od ładunku dodatniego do ujemnego, przechodząc przez cewkę. W rezultacie w obwodzie pojawiają się oscylacje elektromagnetyczne. przepływ prąducewki przechodzi do drugiej płytki i ładuje ją dodatnio (podczas gdy pierwsza płytka, z której płynął prąd, jest naładowana ujemnie).
- Druga faza: ma miejsce proces odwrotny. Prąd przepływa z płyty dodatniej (która na samym początku była ujemna) do ujemnej, ponownie przechodząc przez cewkę. I wszystkie opłaty się układają.
Cykl powtarza się, dopóki kondensator jest naładowany. W idealnym obwodzie oscylacyjnym proces ten trwa w nieskończoność, ale w prawdziwym, straty energii są nieuniknione z powodu różnych czynników: nagrzewania, które występuje na skutek istnienia w obwodzie oporności (ciepło Joule'a) i tym podobnych.
Opcje projektowania konturów
Oprócz prostych obwodów "cewka-kondensator" i "cewka-rezystor-kondensator", istnieją inne opcje, które wykorzystują obwód oscylacyjny jako podstawę. Jest to na przykład obwód równoległy, który różni się tym, że istnieje jako element obwodu elektrycznego (bo gdyby istniał oddzielnie, byłby to obwód szeregowy, o czym była mowa w artykule).
Istnieją również inne rodzaje projektów, które zawierają różne komponenty elektryczne. Na przykład możesz podłączyć tranzystor do sieci, który otworzy i zamknie obwód z częstotliwością równą częstotliwości drgań w obwodzie. W ten sposób w systemie powstaną nietłumione oscylacje.
Gdzie jest używany obwód oscylacyjny?
Najbardziej znanym zastosowaniem elementów obwodów są elektromagnesy. Te z kolei znajdują zastosowanie w domofonach, silnikach elektrycznych,czujniki i w wielu innych nie tak zwyczajnych obszarach. Innym zastosowaniem jest generator oscylacji. W rzeczywistości takie zastosowanie obwodu jest nam bardzo dobrze znane: w tej formie jest on używany w kuchence mikrofalowej do tworzenia fal oraz w komunikacji mobilnej i radiowej do przesyłania informacji na odległość. Wszystko to dzięki temu, że oscylacje fal elektromagnetycznych można zakodować w taki sposób, że możliwe staje się przesyłanie informacji na duże odległości.
Sam cewka indukcyjna może być wykorzystana jako element transformatora: dwie cewki o różnej liczbie uzwojeń mogą przenosić swój ładunek za pomocą pola elektromagnetycznego. Ale ponieważ charakterystyki elektrozaworów są różne, wskaźniki prądu w dwóch obwodach, do których podłączone są te dwie cewki, będą się różnić. W ten sposób można przekształcić prąd o napięciu powiedzmy 220 woltów w prąd o napięciu 12 woltów.
Wniosek
Przeanalizowaliśmy szczegółowo zasadę działania obwodu oscylacyjnego i każdej z jego części z osobna. Dowiedzieliśmy się, że obwód oscylacyjny to urządzenie przeznaczone do wytwarzania fal elektromagnetycznych. To jednak tylko podstawy złożonej mechaniki tych pozornie prostych elementów. Możesz dowiedzieć się więcej o zawiłościach obwodu i jego elementach z literatury specjalistycznej.
