Oscilatorni krug je ... Načelo djelovanja

Oscilatorski krug je uređaj dizajniran za generiranje (stvaranje) elektromagnetskih oscilacija. Od svog početka i danas se koristi u mnogim područjima znanosti i tehnologije: od svakodnevnog života do ogromnih tvornica koje proizvode različite proizvode.

Od čega se sastoji?

Oscilatorski krug sastoji se od zavojnice i kondenzatora. Osim toga, može sadržavati i otpornik (element s promjenjivom otpornošću). Induktor (ili solenoid, kako se ponekad naziva) je štap na kojem su nabijeni nekoliko slojeva namota, što je u pravilu bakrena žica. Taj element stvara oscilacije u oscilatorskom krugu. Šipka u sredini često se zove gasa ili jezgra, a svitak se ponekad naziva solenoid.

Vijak oscilirajućeg kruga stvara oscilacije samo ako je pohranjena naboja. Prilikom strujanja struje preko njega, akumulira se naboj koji zatim daje krug ako padne napon.

Žice zavojnice obično imaju vrlo malu otpornost, koja uvijek ostaje konstantna. U krugu oscilatorskog kruga, intenzitet napona i struje se vrlo često mijenja. Ova promjena podliježe određenim matematičkim zakonima:

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

Drugi sastavni dio sklopa je električni kondenzator. To je element koji se sastoji od dvije ploče, koje su odvojene dielektričnim. Debljina sloja između ploča je manja od njihovih dimenzija. Ovaj dizajn omogućuje akumulaciju na dielektričnom električnom naboju, koji se tada može dati u lancu.

Razlika između kondenzatora i baterije je da nema transformacije tvari pod utjecajem električne struje, ali dolazi do izravne akumulacije naboja u električnom polju. Tako se uz pomoć kondenzatora može nakupiti dovoljno velika naboja koja se može poslati odjednom. Istodobno se trenutačna snaga u krugu jako povećava.

Također, oscilatorni sklop se sastoji od još jednog elementa: otpornika. Ovaj element ima otpor i dizajniran je za upravljanje strujom i naponom u krugu. Ako je kod konstantnog povećanja napona otpornost otpornika, tada će se struja smanjiti u omskom zakonu:

• I = U / R, gdje
  Ja je struja,
  U je napon,
  R je otpor.

Induktorski svitak

Pogledajmo sve suptilnosti induktora i bolje razumijemo njezinu funkciju u oscilatorskom krugu. Kao što smo već rekli, otpor ovog elementa nestaje. Dakle, kada je DC spoj spojen na krug, kratki spoj. Međutim, ako spojite zavojnicu na izmjenični strujni krug, to radi ispravno. To nam omogućuje zaključiti da element osigurava otpor na izmjeničnu struju.

Ali zašto se to događa i kako se otpor pojavljuje na izmjeničnoj struji? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, moramo se obratiti takvom fenomenu kao i samoindukciji. Kada struja prolazi kroz zavojnicu, elektromotorna sila (EMF), što stvara prepreku promjeni struje. Veličina ove sile ovisi o dva čimbenika: induktivitet svitka i derivata struje u odnosu na vrijeme. Matematički, ta se ovisnost izražava u smislu jednadžbe:

• E = -L * I `(t), gdje
  E je vrijednost EMF-a,
  L je induktivna vrijednost svitka (za svaku zavojnicu drugačija i ovisi o broju zavojnica i njihovoj debljini),
  I `(t) je derivat trenutne snage u odnosu na vrijeme (brzina promjene trenutne snage).

Snaga izravne struje se ne mijenja s vremenom, stoga otpor ne nastaje kada djeluje.

No, s izmjeničnom strujom, svi njegovi parametri se stalno mijenjaju u sinusoidalnom ili kosinskom zakonu, što rezultira EMF-om koji sprečava te promjene. Ta se otpornost naziva indukcija i izračunava se formulom:

• X_L = w * L gdje je
  w je frekvencija oscilacije kruga,
  Induktivnost L - zavojnice.

Struja u solenoidu raste linearno i smanjuje se prema različitim zakonima. To znači da ako prestanete opskrbiti struju na zavojnicu, nastavit će se puniti neko vrijeme u krugu. A ako istodobno naglo prekinuti opskrbu strujom, pojavit će se udarac zbog činjenice da će napajanje pokušati odvojiti i izaći iz zavojnice. Ovo je ozbiljan problem u industrijskoj proizvodnji. Takav učinak (iako ne u potpunosti vezan uz oscilatorski krug) može se opaziti, na primjer, kada povlačenjem utikača iz utičnice. Istodobno, skokovi iskra, koji na takvoj skali ne mogu štetiti osobi. To je zbog činjenice da magnetsko polje ne nestaje odmah, ali postupno raspršuje, potičući strujanja u drugim dirigentima. U industrijskom mjerilu, struja je mnogo puta veća od uobičajenih 220 volti, tako da kada je krug prekinut, u produkciji se mogu pojaviti iskre takvog intenziteta, što će učiniti mnogo štete i za biljku i za osobu.

Zavojnica je osnova onoga što se sastoji od oscilatorskog sklopa. Dodaju se induktivnosti serija povezanih solenoida. Zatim ćemo detaljnije pogledati sve detalje strukture ovog elementa.

Što je induktivnost?

Induktivnost svitka oscilatorskog kruga je indeks individualno indeksno brojčano jednaki elektromotornoj sili (u volti) koji nastaje u krugu kada se trenutna snaga mijenja za 1 A u sekundi. Ako je solenoid spojen na strujni krug strujanja, 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 mnogim čimbenicima: o geometriji solenoida, o magnetskim karakteristikama jezgre i broju zavojnica žice. Još jedna svojstva ovog pokazatelja je da je uvijek pozitivno, jer varijable na kojima ovisi ne mogu biti negativne.

Induktivnost se također može definirati kao svojstvo vodiča s strujom za pohranjivanje energije u magnetskom polju. To se mjeri u Henryju (nazvanoj po američkom znanstveniku Josephu Henryju).

Osim solenoida, oscilatorni sklop se sastoji od kondenzatora, koji će se kasnije raspravljati.

Električni kondenzator

Kapacitet oscilirajućeg kruga određuje se pomoću kapacitet električne energije kondenzator. O svom izgledu napisan je gore. Sada analiziramo fiziku procesa koji se odvijaju u njemu.

Budući da su kondenzatorske ploče izrađene od vodiča, električna struja može proći kroz njih. Međutim, između dvije ploče je prepreka. Izolacijsko (oni mogu biti zrak, drva ili drugih materijala visoke otpornosti s obzirom na činjenicu da je naboj ne može premjestiti s jednog kraja žice na drugu, tu je to akumulacija na kondenzatorskih ploča na taj način povećava magnetsku i električnu energiju. polja oko njega. Tako je na prestanak punjenja nastavlja sve električnu energiju akumuliranu na pločama, počinje da se prenose u krug.

Svaki kondenzator ima nazivni napon, optimalno za njegov rad. Ako se taj element dulje radi na naponu veći od nazivnog napona, njegov se vijek trajanja značajno smanjuje. Kondenzator oscilirajućeg kruga stalno je pod utjecajem struja, pa stoga, pri odabiru, mora biti izuzetno oprezan.

Pored konvencionalnih kondenzatora, o kojima se raspravljalo, tu su i ionizatori. To je složeniji element: može se opisati kao križ između baterije i kondenzatora. U pravilu, organske tvari su dielektrična u ionistoru, između kojih postoji elektrolit. Zajedno stvaraju dvostruki električni sloj koji vam omogućuje da se akumuliraju u ovom dizajnu s vremena na vrijeme više energije nego u tradicionalnom kondenzatoru.

Koji je kapacitiv kondenzatora?

Kapacitet kondenzatora je omjer napona kondenzatora na napon pod kojim se nalazi. Za izračunavanje ove vrijednosti može biti vrlo jednostavna uz pomoć matematičke formule:

• C = (npr₀* S) / d, gdje
  e₀ - dielektrična konstanta dielektričnog materijala (tablična vrijednost),
  S je područje kondenzatorskih ploča,
  d je udaljenost između ploča.

Ovisnost kapacitet kondenzatora na razmaku elektroda, objašnjava fenomen elektrostatskog indukcije je manji od razmaka između ploča, više utječu jedna na drugu (kulon), veća je naboj elektrode i manje stresa. I dok se napon smanjuje, kapacitet se povećava, jer se također može opisati sljedećom formulom:

• C = q / U, gdje
  q - naplaćuje se u coulombs.

Vrijedno je razgovarati o jedinicama ove veličine. Kapacitet se mjeri u faradi. 1 farad - dovoljno velike vrijednosti, tako da postojeća kondenzatori (nije supercapacitors) imaju kapacitet mjeri u picofarads (jedan trilioniti farad).

otpornik

Struja u krugu oscilacije također ovisi o otporu kruga. I pored opisanih dvaju elemenata, od kojih se sastoji oscilatorni krug (svitak, kondenzator), postoji i treći - otpornik. On je odgovoran za stvaranje otpora. Otpornik se razlikuje od ostalih elemenata po tome što ima puno otpora, koji se u nekim modelima može mijenjati. U oscilatorskom krugu djeluje kao regulator snage magnetskog polja. Moguće je spojiti nekoliko otpornika u seriju ili paralelno, čime se povećava otpornost kruga.

Otpor ovog elementa također ovisi o temperaturi, stoga morate paziti na njegovo djelovanje u krugu, jer kada struja prolazi, zagrijava se.

Otpornost otpornika mjeri se u Ohmima, a njegova se vrijednost može izračunati pomoću formule:

• R = (p * l) / S, gdje
  p je otpornost otpornog materijala (mjereno u (Ohm * mm)²) / m) -
  l - dužina otpornika (u metrima) -
  S je područje poprečnog presjeka (u kvadratnom milimetru).

Kako povezati parametre konture?

Sada smo došli vrlo blizu fizike oscilatorskog kruga. Tijekom vremena, naboj na kondenzatorskim pločama mijenja se prema diferencijalnoj jednadžbi drugog reda.

Ako riješimo ovu jednadžbu, donosi nekoliko zanimljivih formula koje opisuju procese koji se odvijaju u krugu. Na primjer, ciklička frekvencija može se izraziti u smislu kapaciteta i induktiviteta.

Međutim, većina jednostavna formula koja omogućuje da izračunati mnoge nepoznanice - Thomson jednadžba (nazvana po britanskom fizičaru William Thomson, koji ju je doveo 1853. godine):

• T = 2 * n * (L * C)^1/2.
  T je razdoblje elektromagnetskih oscilacija,
  L i C su, odnosno, induktivnost svitka oscilirajućeg kruga i kapaciteta kontura elemenata,
  n je broj pi.

faktor kvaliteta

Postoji još jedna važnija količina koja karakterizira rad sklopa: Q-faktor. Da bismo razumjeli što je to, treba se obratiti takvom procesu kao rezonancije. Ova pojava, u kojoj amplituda postaje maksimalna s istom veličinom sile koju ova oscilacija održava. Rezonancija može objasniti jednostavnim primjerom: ako počnete gurati ljuljačka u ritmu njihove frekvencije, oni će se ubrzati, a njihova „amplituda” će se povećati. A ako ne gurneš u taktu, onda će usporiti. Kod rezonancije, puno energije je vrlo često razbacano. Da bismo mogli izračunati veličinu gubitaka, došli smo do parametra kao što je Q-faktor. To je koeficijent jednak je omjeru energije, koji se nalazi u sustavu, na gubitke koji se javljaju tijekom jednog ciklusa u krug.

Kvaliteta konture izračunava se formulom:

• Q = (w₀* W) / P, gdje
  w₀ - rezonantna ciklička frekvencija oscilacije-
  W je energija pohranjena u oscilirajućem sustavu -
  P je snaga koja se raspršuje.

Ovaj parametar je dimenzion bez dimenzije, jer zapravo pokazuje omjer energije pohranjenih u potrošenu energiju.

Koji je idealan oscilatorni sklop?

Da bismo bolje razumjeli procese u ovom sustavu, fizičari su došli do tzv idealni oscilatorni krug. Ovo je matematički model koji predstavlja krug kao sustav s nultom otpornosti. U njemu se pojavljuju nedostatne harmonijske oscilacije. Takav model omogućuje nam da dobijemo formule za približnu izračunavanje parametara konture. Jedan takav parametar je ukupna energija:

• W = (L * I²) / 2.

Takva pojednostavljenja značajno ubrzavaju izračune i omogućuju nam da ocijenimo karakteristike lanca s danim parametrima.

Kako to radi?

Cijeli ciklus oscilatorskog kruga može se podijeliti na dva dijela. Sad ćemo detaljno opisati procese koji se odvijaju u svakom dijelu.

• Prva faza: Ploča kondenzatora, pozitivno nabijen, počinje iscrpljivati, dajući struju na krug. U ovom trenutku, struja teče od pozitivnog naboja do negativnog, prolazeći kroz zavojnicu. Zbog toga se elektromagnetske oscilacije pojavljuju u krugu. Tekući, koji prolazi kroz spiralu, prolazi na drugu ploču i naplaćuje ga pozitivno (dok je prva ploča s kojom je struja putovala negativno nabijena).
• Druga faza: dolazi do obrnutog procesa. Struja prolazi iz pozitivne ploče (koja je bila negativa na samom početku) do negativnog, ponovno prolazila kroz spiralu. I sve optužbe pada na svoje mjesto.

Ciklus se ponavlja dok se ne napuni kondenzator. U idealnom oscilatorskom krugu ovaj proces se događa beskrajno, au stvarnom životu gubici energije su neizbježni zbog različitih čimbenika: grijanja, što je posljedica postojanja otpora u krugu (Jouleova vrućina) i slično.

Opcije oblikovanja kontura

Uz jednostavne sklopove „coil-kondenzator” i „zavojnica-otpornik-kondenzator”, postoje i druge opcije, koriste se kao osnova oscilacije krug. To je, na primjer, paralelni krug koji je naznačen time da postoji element kruga (jer kao što postoji na miru, to će biti iz serije krug i od kojih je objašnjeno u članku).

Postoje i druge vrste konstrukcije, uključujući različite električne komponente. Na primjer, možete spojiti tranzistor na mrežu, koji će otvoriti i zatvoriti krug frekvencijom jednakom frekvenciji oscilacija u krugu. Tako se u sustavu uspostavljaju neotkrivene oscilacije.

Gdje se primjenjuje oscilatorski krug?

Najpoznatija primjena komponenata konture su elektromagneti. Oni, zauzvrat, koriste se kod vrata, električnih motora, senzora i na mnogim drugim manje uobičajenim područjima. Druga aplikacija je oscilator. Zapravo, ova upotreba kruga nam je vrlo poznata: u ovom se obliku koristi u mikrovalnoj pećnici za stvaranje valova te u mobilnoj i radijskoj komunikaciji za prijenos informacija na daljinu. Sve je to zbog činjenice da se oscilacije elektromagnetskih valova mogu kodirati na takav način da će biti moguće prenositi informacije na velike udaljenosti.

Induktor se može upotrijebiti kao element transformatora: dvije zavojnice s različitim brojem namota mogu prenijeti njihov naboj elektromagnetskim poljem. Ali budući da su karakteristike solenoida različite, trenutne vrijednosti u dva kruga na koja su povezana ta dva induktora razlikovat će se. Dakle, moguće je pretvoriti struju s naponom, recimo, 220 volti u struju od 12 volti.

zaključak

Detaljno smo rastavili načelo rada oscilatorskog kruga i svaka od njegovih dijelova zasebno. Naučili smo da je oscilatorski krug uređaj dizajniran za stvaranje elektromagnetskih valova. Međutim, to su samo osnove složene mehanike tih, naizgled jednostavnih elemenata. Više o suptilnosti kruga i njegovih komponenti možete saznati iz specijalizirane literature.