En oscillerande krets är en enhet designad för att generera (skapa) elektromagnetiska oscillationer. Från starten till idag har den använts inom många områden inom vetenskap och teknik: från vardagslivet till enorma fabriker som producerar en mängd olika produkter.
Vad är den gjord av?
Svingningskretsen består av en spole och en kondensator. Dessutom kan den också innehålla ett motstånd (element med variabelt motstånd). En induktor (eller solenoid, som den ibland kallas) är en stång på vilken är lindade flera lager av lindning, som i regel är en koppartråd. Det är detta element som skapar svängningar i oscillationskretsen. Stången i mitten kallas ofta en choke eller kärna, och spolen kallas ibland en solenoid.
Den oscillerande kretsspolen oscillerar endast när det finns en lagrad laddning. När ström passerar genom den ackumulerar den en laddning, som den sedan avger till kretsen om spänningen sjunker.
Spoltrådarna har vanligtvis väldigt lite motstånd, som alltid förblir konstant. I kretsen för en oscillerande krets inträffar mycket ofta en förändring i spänning och ström. Denna ändring är föremål för vissa matematiska lagar:
-
U=U0cos(w(t-t0), där
U är strömspänningen tidpunkt t, U0 - spänning vid tidpunkten t0, w - frekvens för elektromagnetiska oscillationer.
En annan integrerad komponent i kretsen är den elektriska kondensatorn. Detta är ett element som består av två plattor, som är åtskilda av ett dielektrikum. I detta fall är tjockleken på lagret mellan plattorna mindre än deras storlekar. Denna design gör att du kan ackumulera en elektrisk laddning på dielektrikumet, som sedan kan överföras till kretsen.
Skillnaden mellan en kondensator och ett batteri är att det inte sker någon omvandling av ämnen under inverkan av en elektrisk ström, utan en direkt ackumulering av laddning i ett elektriskt fält. Med hjälp av en kondensator är det alltså möjligt att ackumulera en tillräckligt stor laddning, som kan ges bort på en gång. I det här fallet ökar strömstyrkan i kretsen kraftigt.
Oscillationskretsen består också av ytterligare ett element: ett motstånd. Detta element har motstånd och är utformat för att styra strömmen och spänningen i kretsen. Om motståndet i motståndet ökas vid en konstant spänning, kommer strömstyrkan att minska enligt lagenOma:
-
I=U/R, där
I är ström, U är spänning, R är resistans.
Induktor
Låt oss ta en närmare titt på alla finesser i induktorn och bättre förstå dess funktion i en oscillerande krets. Som vi redan har sagt tenderar detta elements motstånd till noll. Sålunda, när den är ansluten till en DC-krets, uppstår en kortslutning. Men om du ansluter spolen till en AC-krets fungerar den som den ska. Detta låter dig dra slutsatsen att elementet ger motstånd mot växelström.
Men varför händer detta och hur uppstår motstånd med växelström? För att svara på denna fråga måste vi vända oss till ett sådant fenomen som självinduktion. När ström passerar genom spolen uppstår en elektromotorisk kraft (EMF) i den, vilket skapar ett hinder för att ändra strömmen. Storleken på denna kraft beror på två faktorer: spolens induktans och derivatan av strömstyrkan med avseende på tid. Matematiskt uttrycks detta beroende genom ekvationen:
-
E=-LI'(t), där
E är EMF-värdet, L är värdet på spolinduktansen (för varje spole är den olika och beror på på antalet spolar i lindningen och deras tjocklekar), I'(t) - derivat av strömstyrkan med avseende på tiden (hastigheten för förändring av strömstyrkan).
Directströmstyrkan ändras inte över tiden, så det finns inget motstånd när den utsätts för den.
Men med växelström förändras alla dess parametrar ständigt enligt en sinusformad eller cosinus-lag,som ett resultat uppstår en EMF som förhindrar dessa förändringar. Sådant motstånd kallas induktivt och beräknas med formeln:
- XL =wL
Strömmen i solenoiden ökar och minskar linjärt enligt olika lagar. Detta betyder att om du stoppar strömtillförseln till spolen kommer den att fortsätta att ge laddning till kretsen under en tid. Och om samtidigt strömförsörjningen plötsligt avbryts, kommer en chock att uppstå på grund av att laddningen kommer att försöka distribueras och lämna spolen. Detta är ett allvarligt problem inom industriell produktion. En sådan effekt (även om den inte är helt relaterad till den oscillerande kretsen) kan observeras, till exempel när du drar ut kontakten ur uttaget. Samtidigt hoppar en gnista, som i en sådan skala inte kan skada en person. Det beror på det faktum att magnetfältet inte försvinner omedelbart, utan gradvis försvinner, vilket inducerar strömmar i andra ledare. I industriell skala är strömstyrkan många gånger större än de 220 volt vi är vana vid, så när en krets bryts i produktionen kan det uppstå gnistor av sådan styrka som orsakar mycket skada på både växten och personen.
En spole är grunden för vad en oscillerande krets består av. Induktanserna för solenoiderna i serie summeras. Därefter kommer vi att titta närmare på alla subtiliteter i strukturen för detta element.
Vad är induktans?
Induktansen för spolen i en oscillerande krets är en individuell indikator numeriskt lika med den elektromotoriska kraft (i volt) som uppstår i kretsen närförändring i ström med 1 A på 1 sekund. Om solenoiden är ansluten till en DC-krets, så beskriver dess induktans energin i det magnetiska fältet som skapas av denna ström enligt formeln:
-
W=(LI2)/2, där
W är magnetfältets energi.
Induktansfaktorn beror på många faktorer: på solenoidens geometri, på kärnans magnetiska egenskaper och på antalet trådspolar. En annan egenskap hos denna indikator är att den alltid är positiv, eftersom de variabler som den beror på inte kan vara negativa.
Induktans kan också definieras som egenskapen hos en strömförande ledare att lagra energi i ett magnetfält. Den mäts i Henry (uppkallad efter den amerikanske vetenskapsmannen Joseph Henry).
Förutom solenoiden består oscillerande krets av en kondensator, som kommer att diskuteras senare.
Elektrisk kondensator
Kapacitansen för den oscillerande kretsen bestäms av den elektriska kondensatorns kapacitans. Om hans utseende skrevs ovan. Låt oss nu analysera fysiken för de processer som äger rum i den.
Eftersom kondensatorplattorna är gjorda av en ledare kan en elektrisk ström flyta genom dem. Det finns dock ett hinder mellan de två plattorna: ett dielektrikum (det kan vara luft, trä eller annat material med högt motstånd. På grund av att laddningen inte kan röra sig från ena änden av tråden till den andra, ackumuleras den på kondensatorplattor. Detta ökar kraften hos de magnetiska och elektriska fälten runt den.elektriciteten som samlats på plattorna börjar överföras till kretsen.
Varje kondensator har en spänningsklass som är optimal för dess funktion. Om detta element drivs under lång tid vid en spänning över märkspänningen, reduceras dess livslängd avsevärt. Oscillerande kretskondensatorn påverkas ständigt av strömmar, och därför bör du vara extremt försiktig när du väljer den.
Förutom de vanliga kondensatorerna som diskuterades finns det även jonistorer. Detta är ett mer komplext element: det kan beskrivas som en korsning mellan ett batteri och en kondensator. Som regel fungerar organiska ämnen som ett dielektrikum i en jonist, mellan vilken det finns en elektrolyt. Tillsammans skapar de ett dubbelt elektriskt lager, vilket gör att du kan ackumulera i denna design många gånger mer energi än i en traditionell kondensator.
Vad är kapacitansen för en kondensator?
Kapacitansen för en kondensator är förhållandet mellan kondensatorns laddning och spänningen under vilken den är belägen. Du kan beräkna detta värde mycket enkelt med den matematiska formeln:
-
C=(e0S)/d, där
e0 är permittiviteten för det dielektriska materialet (tabellvärde), S - arean av kondensatorplattorna, d - avståndet mellan plattorna.
Beroendet av kondensatorns kapacitans av avståndet mellan plattorna förklaras av fenomenet elektrostatisk induktion: ju mindre avståndet är mellan plattorna, desto starkare påverkar de varandra (enligt Coulombs lag), högre laddning av plattorna och desto lägre spänning. Och när spänningen minskarkapacitansvärdet ökar, eftersom det också kan beskrivas med följande formel:
-
C=q/U, där
q är laddningen i coulombs.
Det är värt att prata om enheterna för denna kvantitet. Kapacitansen mäts i farad. 1 farad är ett tillräckligt stort värde för att befintliga kondensatorer (men inte jonistorer) har en kapacitans mätt i picofarads (en biljon farad).
Resistor
Strömmen i oscillerande krets beror också på kretsens resistans. Och förutom de två beskrivna elementen som utgör den oscillerande kretsen (spolar, kondensatorer), finns det också en tredje - ett motstånd. Han är ansvarig för att skapa motstånd. Motståndet skiljer sig från andra element genom att det har ett stort motstånd, vilket kan ändras i vissa modeller. I den oscillerande kretsen utför den funktionen av en magnetfältseffektregulator. Du kan koppla flera motstånd i serie eller parallellt och därigenom öka kretsens motstånd.
Motståndet hos detta element beror också på temperaturen, så du bör vara försiktig med dess funktion i kretsen, eftersom den värms upp när ström passerar.
Motståndsresistans mäts i ohm, och dess värde kan beräknas med formeln:
-
R=(pl)/S, där
p är resistiviteten hos motståndsmaterialet (mätt i (Ohmmm2)/m);
l - motståndslängd (i meter);
S - tvärsnittsarea (i kvadratmillimeter).
Hur länkar man sökvägsparametrar?
Nu kommer vi nära fysikenoscillationskretsens funktion. Med tiden ändras laddningen på kondensatorplattorna enligt en andra ordningens differentialekvation.
Om du löser denna ekvation följer flera intressanta formler från den, som beskriver processerna som sker i kretsen. Till exempel kan den cykliska frekvensen uttryckas i termer av kapacitans och induktans.
Den enklaste formeln som låter dig beräkna många okända storheter är dock Thomson-formeln (uppkallad efter den engelske fysikern William Thomson, som härledde den 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - perioden för elektromagnetiska svängningar, L och C - respektive induktansen för svängningskretsens spole och kapacitansen för kretselementen, p - talet pi.
Q-faktor
Det finns ett annat viktigt värde som kännetecknar driften av kretsen - kvalitetsfaktorn. För att förstå vad det är, bör man vända sig till en sådan process som resonans. Detta är ett fenomen där amplituden blir maximal med ett konstant värde på kraften som stöder denna svängning. Resonansen kan förklaras med ett enkelt exempel: om du börjar trycka på svingen i takt med dess frekvens, kommer den att accelerera och dess "amplitud" kommer att öka. Och om du trycker ut tiden kommer de att sakta ner. Vid resonans försvinner ofta mycket energi. För att kunna beräkna storleken på förlusterna kom man på en sådan parameter som kvalitetsfaktorn. Det är ett förhållande som är lika med förhållandetenergi i systemet till de förluster som uppstår i kretsen i en cykel.
Kvalitetsfaktorn för kretsen beräknas med formeln:
-
Q=(w0W)/P, där
w0 - resonans cyklisk oscillationsfrekvens;
W - energi lagrad i det oscillerande systemet;
P - effektförlust.
Den här parametern är ett dimensionslöst värde, eftersom den faktiskt visar förhållandet mellan energi: lagrad till förbrukad.
Vad är en idealisk oscillerande krets
För en bättre förståelse av processerna i detta system kom fysiker på den så kallade ideala oscillerande kretsen. Detta är en matematisk modell som representerar en krets som ett system med noll resistans. Den producerar odämpade harmoniska svängningar. En sådan modell gör det möjligt att erhålla formler för ungefärlig beräkning av konturparametrar. En av dessa parametrar är total energi:
W=(LI2)/2.
Sådana förenklingar påskyndar beräkningarna avsevärt och gör det möjligt att utvärdera egenskaperna hos en krets med givna indikatorer.
Hur fungerar det?
Hela cykeln för den oscillerande kretsen kan delas upp i två delar. Nu kommer vi att analysera i detalj de processer som sker i varje del.
- Första fasen: Den positivt laddade kondensatorplattan börjar laddas ur, vilket ger ström till kretsen. I detta ögonblick går strömmen från en positiv laddning till en negativ och passerar genom spolen. Som ett resultat uppstår elektromagnetiska oscillationer i kretsen. ström som går igenomspole, går till den andra plattan och laddar den positivt (medan den första plattan, från vilken strömmen gick, laddas negativt).
- Andra fasen: den omvända processen äger rum. Strömmen går från den positiva plattan (som var negativ i början) till den negativa och passerar igen genom spolen. Och alla avgifter faller på plats.
Cykeln upprepas så länge det finns en laddning på kondensatorn. I en ideal oscillerande krets pågår denna process oändligt, men i en verklig är energiförluster oundvikliga på grund av olika faktorer: uppvärmning, som uppstår på grund av att det finns motstånd i kretsen (Joule-värme) och liknande.
Konturdesign alternativ
Förutom de enkla kretsarna "spole-kondensator" och "spole-motstånd-kondensator", finns det andra alternativ som använder en oscillerande krets som bas. Detta är till exempel en parallellkrets, som skiljer sig genom att den existerar som ett element i en elektrisk krets (eftersom, om den existerade separat, skulle det vara en seriekrets, vilket diskuterades i artikeln).
Det finns också andra typer av design som inkluderar olika elektriska komponenter. Till exempel kan du ansluta en transistor till nätverket, som kommer att öppna och stänga kretsen med en frekvens som är lika med oscillationsfrekvensen i kretsen. Således kommer odämpade svängningar att etableras i systemet.
Var används en oscillerande krets?
Den mest välbekanta tillämpningen av kretskomponenter är elektromagneter. De används i sin tur i porttelefoner, elmotorer,sensorer och i många andra inte så vanliga områden. En annan applikation är en oscillationsgenerator. Faktum är att denna användning av kretsen är mycket bekant för oss: i denna form används den i mikrovågsugnen för att skapa vågor och i mobil- och radiokommunikation för att överföra information över ett avstånd. Allt detta beror på att svängningarna av elektromagnetiska vågor kan kodas på ett sådant sätt att det blir möjligt att överföra information över långa avstånd.
Själva induktorn kan användas som ett element i en transformator: två spolar med olika antal lindningar kan överföra sin laddning med hjälp av ett elektromagnetiskt fält. Men eftersom egenskaperna hos solenoiderna är olika, kommer strömindikatorerna i de två kretsarna som dessa två induktorer är anslutna att skilja sig åt. Således är det möjligt att omvandla en ström med en spänning på säg 220 volt till en ström med en spänning på 12 volt.
Slutsats
Vi har analyserat i detalj funktionsprincipen för den oscillerande kretsen och var och en av dess delar separat. Vi lärde oss att en oscillerande krets är en anordning utformad för att skapa elektromagnetiska vågor. Detta är dock bara grunderna i den komplexa mekaniken hos dessa till synes enkla element. Du kan lära dig mer om kretsens krångligheter och dess komponenter från den specialiserade litteraturen.
