En oscillerende krets er en enhet designet for å generere (skape) elektromagnetiske oscillasjoner. Fra starten til i dag har den blitt brukt på mange områder innen vitenskap og teknologi: fra hverdagslivet til enorme fabrikker som produserer et bredt utvalg av produkter.
Hva er den laget av?
Svingningskretsen består av en spole og en kondensator. I tillegg kan den også inneholde en motstand (element med variabel motstand). En induktor (eller solenoid, som det noen ganger kalles) er en stang som er viklet flere lag med vikling, som som regel er en kobbertråd. Det er dette elementet som skaper svingninger i svingekretsen. Stangen i midten kalles ofte en choke eller kjerne, og spolen kalles noen ganger en solenoid.
Svingningskretsspolen oscillerer bare når det er en lagret ladning. Når strøm går gjennom den, akkumulerer den en ladning, som den deretter avgir til kretsen hvis spenningen faller.
Spoletrådene har vanligvis svært liten motstand, som alltid forblir konstant. I kretsen til en oscillerende krets oppstår det svært ofte en endring i spenning og strøm. Denne endringen er underlagt visse matematiske lover:
-
U=U0cos(w(t-t0), hvor
U er gjeldende spenning tidspunkt t, U0 - spenning ved tidspunkt t0, w - frekvens på elektromagnetiske oscillasjoner.
En annen integrert komponent i kretsen er den elektriske kondensatoren. Dette er et element som består av to plater, som er atskilt med et dielektrikum. I dette tilfellet er tykkelsen på laget mellom platene mindre enn deres størrelser. Denne utformingen lar deg akkumulere en elektrisk ladning på dielektrikumet, som deretter kan overføres til kretsen.
Forskjellen mellom en kondensator og et batteri er at det ikke skjer noen transformasjon av stoffer under påvirkning av en elektrisk strøm, men en direkte akkumulering av ladning i et elektrisk felt. Dermed er det ved hjelp av en kondensator mulig å akkumulere en tilstrekkelig stor ladning, som kan gis bort på en gang. I dette tilfellet øker strømstyrken i kretsen kraftig.
Oscillasjonskretsen består også av ett element til: en motstand. Dette elementet har motstand og er designet for å kontrollere strømmen og spenningen i kretsen. Hvis motstanden til motstanden økes ved konstant spenning, vil strømstyrken reduseres i henhold til lovenOma:
-
I=U/R, hvor
I er strøm, U er spenning, R er motstand.
Induktor
La oss se nærmere på alle finessene til induktoren og bedre forstå dens funksjon i en oscillerende krets. Som vi allerede har sagt, har motstanden til dette elementet en tendens til null. Når den er koblet til en likestrømskrets, vil det således oppstå en kortslutning. Men hvis du kobler spolen til en AC-krets, fungerer den som den skal. Dette lar deg konkludere med at elementet gir motstand mot vekselstrøm.
Men hvorfor skjer dette og hvordan oppstår motstand med vekselstrøm? For å svare på dette spørsmålet må vi vende oss til et slikt fenomen som selvinduksjon. Når strøm går gjennom spolen, oppstår det en elektromotorisk kraft (EMF) i den, som skaper et hinder for å endre strømmen. Størrelsen på denne kraften avhenger av to faktorer: induktansen til spolen og den deriverte av strømstyrken med hensyn til tid. Matematisk uttrykkes denne avhengigheten gjennom ligningen:
-
E=-LI'(t), hvor
E er EMF-verdien, L er verdien av spoleinduktansen (for hver spole er den forskjellig og avhenger av på antall spoler i viklingen og deres tykkelser), I'(t) - avledet av strømstyrken med hensyn til tid (hastigheten for endring av strømstyrken).
Direktestrømstyrken endres ikke over tid, så det er ingen motstand når den utsettes for den.
Men med vekselstrøm endres alle parameterne konstant i henhold til en sinusformet eller cosinus-lov,som et resultat oppstår en EMF som forhindrer disse endringene. Slik motstand kalles induktiv og beregnes med formelen:
- XL =wL
Strømmen i solenoiden øker og avtar lineært i henhold til ulike lover. Dette betyr at hvis du stopper strømforsyningen til spolen, vil den fortsette å gi ladning til kretsen en stund. Og hvis strømforsyningen samtidig blir brått avbrutt, vil det oppstå et sjokk på grunn av at ladningen vil prøve å bli distribuert og gå ut av spolen. Dette er et alvorlig problem i industriell produksjon. En slik effekt (selv om den ikke er helt relatert til oscillerende krets) kan observeres, for eksempel når du trekker støpselet ut av stikkontakten. Samtidig hopper en gnist, som i en slik skala ikke er i stand til å skade en person. Det er på grunn av det faktum at magnetfeltet ikke forsvinner umiddelbart, men gradvis forsvinner, og induserer strømmer i andre ledere. I industriell skala er strømstyrken mange ganger større enn de 220 voltene vi er vant til, så når en krets avbrytes i produksjonen kan det oppstå gnister av en slik styrke som gjør mye skade på både anlegget og personen.
En spole er grunnlaget for hva en oscillerende krets består av. Induktansene til solenoidene i serie summerer seg. Deretter skal vi se nærmere på alle subtilitetene i strukturen til dette elementet.
Hva er induktans?
Induktansen til spolen til en oscillerende krets er en individuell indikator numerisk lik den elektromotoriske kraften (i volt) som oppstår i kretsen nårendring i strøm med 1 A på 1 sekund. Hvis solenoiden er koblet til en likestrømskrets, beskriver dens induktans energien til magnetfeltet som skapes av denne strømmen i henhold til formelen:
-
W=(LI2)/2, hvor
W er magnetfeltenergien.
Induktansfaktoren avhenger av mange faktorer: av geometrien til solenoiden, av de magnetiske egenskapene til kjernen og av antall spoler med ledning. En annen egenskap ved denne indikatoren er at den alltid er positiv, fordi variablene den avhenger av ikke kan være negative.
Induktans kan også defineres som egenskapen til en strømførende leder for å lagre energi i et magnetfelt. Det måles i Henry (oppk alt etter den amerikanske vitenskapsmannen Joseph Henry).
I tillegg til solenoiden består oscillerende krets av en kondensator, som vil bli diskutert senere.
Elektrisk kondensator
Kapasitansen til oscillasjonskretsen bestemmes av kapasitansen til den elektriske kondensatoren. Om utseendet hans ble skrevet ovenfor. La oss nå analysere fysikken til prosessene som finner sted i den.
Siden kondensatorplatene er laget av en leder, kan en elektrisk strøm flyte gjennom dem. Imidlertid er det en hindring mellom de to platene: et dielektrikum (det kan være luft, tre eller annet materiale med høy motstand. På grunn av det faktum at ladningen ikke kan bevege seg fra den ene enden av ledningen til den andre, samler den seg på kondensatorplater. Dette øker kraften til de magnetiske og elektriske feltene rundt den.elektrisiteten som er samlet på platene begynner å bli overført til kretsen.
Hver kondensator har en spenningsklassifisering som er optimal for driften. Hvis dette elementet drives i lang tid ved en spenning over nominell spenning, reduseres levetiden betydelig. Oscillerende kretskondensatoren påvirkes konstant av strømmer, og derfor bør du være ekstremt forsiktig når du velger den.
I tillegg til de vanlige kondensatorene som ble diskutert, er det også ionistorer. Dette er et mer komplekst element: det kan beskrives som en krysning mellom et batteri og en kondensator. Som regel tjener organiske stoffer som et dielektrikum i en ionistor, mellom hvilke det er en elektrolytt. Sammen skaper de et dobbelt elektrisk lag, som lar deg akkumulere i denne designen mange ganger mer energi enn i en tradisjonell kondensator.
Hva er kapasitansen til en kondensator?
Kapasitansen til en kondensator er forholdet mellom ladningen til kondensatoren og spenningen den er plassert under. Du kan beregne denne verdien veldig enkelt ved å bruke den matematiske formelen:
-
C=(e0S)/d, hvor
e0 er permittiviteten til det dielektriske materialet (tabellverdi), S - arealet til kondensatorplatene, d - avstanden mellom platene.
Avhengigheten av kapasitansen til kondensatoren av avstanden mellom platene forklares av fenomenet elektrostatisk induksjon: jo mindre avstanden er mellom platene, jo sterkere påvirker de hverandre (i henhold til Coulombs lov). større ladning av platene og jo lavere spenning. Og ettersom spenningen synkerkapasitansverdien øker, siden den også kan beskrives med følgende formel:
-
C=q/U, der
q er ladningen i coulombs.
Det er verdt å snakke om enhetene for dette kvantumet. Kapasitans måles i farad. 1 farad er en stor nok verdi til at eksisterende kondensatorer (men ikke ionistorer) har en kapasitans målt i picofarads (en trillion farad).
Resistor
Strømmen i svingekretsen avhenger også av motstanden til kretsen. Og i tillegg til de to beskrevne elementene som utgjør den oscillerende kretsen (spoler, kondensatorer), er det også en tredje - en motstand. Han er ansvarlig for å skape motstand. Motstanden skiller seg fra andre elementer ved at den har stor motstand, som kan endres i enkelte modeller. I den oscillerende kretsen utfører den funksjonen til en magnetfeltkraftregulator. Du kan koble flere motstander i serie eller parallelt, og dermed øke motstanden i kretsen.
Motstanden til dette elementet avhenger også av temperaturen, så du bør være forsiktig med driften i kretsen, siden den varmes opp når strømmen går.
Motstandsmotstand måles i ohm, og verdien kan beregnes ved hjelp av formelen:
-
R=(pl)/S, hvor
p er resistiviteten til motstandsmaterialet (målt i (Ohmmm2)/m);
l - motstandslengde (i meter);
S - snittareal (i kvadratmillimeter).
Hvordan kobler jeg baneparametere?
Nå kommer vi nær fysikkdrift av oscillerende krets. Over tid endres ladningen på kondensatorplatene i henhold til en andreordens differensialligning.
Hvis du løser denne ligningen, følger flere interessante formler fra den, som beskriver prosessene som skjer i kretsen. For eksempel kan den sykliske frekvensen uttrykkes i form av kapasitans og induktans.
Den enkleste formelen som lar deg beregne mange ukjente størrelser er imidlertid Thomson-formelen (oppk alt etter den engelske fysikeren William Thomson, som avledet den i 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - perioden for elektromagnetiske oscillasjoner, L og C - henholdsvis induktansen til spolen til oscillerende krets og kapasitansen til kretselementene, p - tallet pi.
Q-faktor
Det er en annen viktig verdi som kjennetegner driften av kretsen - kvalitetsfaktoren. For å forstå hva det er, bør man vende seg til en slik prosess som resonans. Dette er et fenomen hvor amplituden blir maksimal med en konstant verdi av kraften som støtter denne oscillasjonen. Resonansen kan forklares med et enkelt eksempel: Hvis du begynner å skyve svingen i takt med frekvensen, vil den akselerere, og dens "amplitude" vil øke. Og hvis du presser ut tid, vil de bremse ned. Ved resonans forsvinner ofte mye energi. For å kunne beregne størrelsen på tapene kom de med en slik parameter som kvalitetsfaktoren. Det er et forhold lik forholdetenergi i systemet til tapene som oppstår i kretsen i én syklus.
Kvalitetsfaktoren til kretsen beregnes ved hjelp av formelen:
-
Q=(w0W)/P, hvor
w0 - resonant syklisk oscillasjonsfrekvens;
W - energi lagret i oscillerende systemet;
P - effekttap.
Denne parameteren er en dimensjonsløs verdi, siden den faktisk viser forholdet mellom energi: lagret og brukt.
Hva er en ideell oscillerende krets
For en bedre forståelse av prosessene i dette systemet, kom fysikere opp med den såk alte ideelle oscillerende kretsen. Dette er en matematisk modell som representerer en krets som et system med null motstand. Den produserer udempede harmoniske svingninger. En slik modell gjør det mulig å få formler for omtrentlig beregning av konturparametere. En av disse parameterne er total energi:
W=(LI2)/2.
Slike forenklinger fremskynder beregningene betydelig og gjør det mulig å evaluere egenskapene til en krets med gitte indikatorer.
Hvordan fungerer det?
Hele syklusen til oscillerende krets kan deles inn i to deler. Nå skal vi analysere i detalj prosessene som skjer i hver del.
- Første fase: Den positivt ladede kondensatorplaten begynner å utlades, og gir strøm til kretsen. I dette øyeblikket går strømmen fra en positiv ladning til en negativ, og går gjennom spolen. Som et resultat oppstår elektromagnetiske oscillasjoner i kretsen. strøm som går gjennomspole, går til den andre platen og lader den positivt (mens den første platen, som strømmen gikk fra, lades negativt).
- Andre fase: den omvendte prosessen finner sted. Strømmen går fra den positive platen (som var negativ helt i begynnelsen) til den negative, og går igjen gjennom spolen. Og alle anklagene faller på plass.
Syklusen gjentas så lenge det er en ladning på kondensatoren. I en ideell oscillerende krets fortsetter denne prosessen uendelig, men i en ekte er energitap uunngåelige på grunn av ulike faktorer: oppvarming, som oppstår på grunn av eksistensen av motstand i kretsen (Joule-varme) og lignende.
Konturdesign alternativer
Foruten de enkle "coil-capacitor" og "coil-resistor-capacitor"-kretsene, er det andre alternativer som bruker en oscillerende krets som grunnlag. Dette er for eksempel en parallellkrets, som er forskjellig ved at den eksisterer som et element i en elektrisk krets (fordi, hvis den eksisterte separat, ville den vært en seriekrets, som ble diskutert i artikkelen).
Det finnes også andre typer design som inkluderer forskjellige elektriske komponenter. For eksempel kan du koble en transistor til nettverket, som vil åpne og lukke kretsen med en frekvens lik oscillasjonsfrekvensen i kretsen. Dermed vil udempede svingninger etableres i systemet.
Hvor brukes en oscillerende krets?
Den mest kjente bruken av kretskomponenter er elektromagneter. De brukes på sin side i intercoms, elektriske motorer,sensorer og i mange andre ikke så vanlige områder. En annen applikasjon er en oscillasjonsgenerator. Faktisk er denne bruken av kretsen veldig kjent for oss: i denne formen brukes den i mikrobølgeovnen for å lage bølger og i mobil- og radiokommunikasjon for å overføre informasjon over en avstand. Alt dette skyldes at svingningene til elektromagnetiske bølger kan kodes på en slik måte at det blir mulig å overføre informasjon over lange avstander.
Selve induktoren kan brukes som et element i en transformator: to spoler med forskjellig antall viklinger kan overføre ladningen ved hjelp av et elektromagnetisk felt. Men siden egenskapene til solenoidene er forskjellige, vil strømindikatorene i de to kretsene som disse to induktorene er koblet til, være forskjellige. Dermed er det mulig å konvertere en strøm med en spenning på for eksempel 220 volt til en strøm med en spenning på 12 volt.
Konklusjon
Vi har analysert i detalj prinsippet for drift av oscillerende krets og hver av dens deler separat. Vi lærte at en oscillerende krets er en enhet designet for å lage elektromagnetiske bølger. Dette er imidlertid bare det grunnleggende om den komplekse mekanikken til disse tilsynelatende enkle elementene. Du kan lære mer om vanskelighetene ved kretsen og dens komponenter fra den spesialiserte litteraturen.
