Oscillerande krets - det är ... Principen för drift

Oscillerande krets - en anordning för att generera (skapa) av elektromagnetiska svängningar. Från starten fram till i dag används det i många vetenskapliga och tekniska områden som sträcker sig från det dagliga livet till stora fabriker som tillverkar mycket olika produkter.

Av vad det består?

Svängningskretsen innefattar en spole och en kondensator. Dessutom kan det också vara närvarande motstånd (variabelt motståndselement). En induktor (eller solenoid, som det ibland kallas) är en stång, på vilken lindningarna är lindade flera skikt, som i allmänhet är en koppartråd. Det är detta element skapar oscillationer i den oscillerande kretsen. En bar, som ligger i mitten, som ofta kallas drossel, eller kärnan, och spolen kallas ibland en solenoid.

oscillerande krets spole skapar svängningar endast om lagrad laddning. Vid passage av en ström genom det, ackumulerar den en laddning som ger sedan till kretsen när spänningen sjunker.

spiraltrådar har i allmänhet en mycket låg resistans, som alltid förblir konstant. Svängningskretsen kretsen sker ofta förändring i spänning och strömstyrka. Denna förändring är föremål för vissa matematiska lagar:

• U = U ₀ * cos (b * (tt _0), där
  U - spänning vid tidpunkten t,
  U ₀ - spänning vid tiden t _0,
  w - frekvens elektromagnetiska svängningar.

En annan väsentlig komponent hos kretsen är en elektrisk kondensator. Detta element består av två plattor som är åtskilda av ett dielektrikum. Tjockleken på skiktet mellan elektroderna är mindre än deras storlek. Denna konstruktion gör det möjligt att samla på isolator elektrisk laddning, som du sedan kan skicka till kretsen.

Till skillnad från kondensatorbatteri är att det inte finns någon omvandling av substanser med elektrisk ström, och det finns en direkt ackumulering av laddning i ett elektriskt fält. Således via kondensatorn kan vara tillräckligt stor för att samla avgiften, som kan ges på en gång. I detta fall är strömmen i kretsen kraftigt ökas.

Också, är svängningskretsen som består av en mer elementet: en resistor. Detta element har en resistans och för styrning av strömmen och spänningen i kretsen. Om det vid en konstant spänning för att öka resistansen hos motståndet kommer den nuvarande minska med Ohms lag:

• I = U / R, där
  I - ström,
  U - spänning,
  R - motstånd.

induktor

Låt oss ta en närmare titt på alla detaljer i induktorn och desto bättre kommer att förstå dess funktion i resonanskretsen. Som vi har sagt, resistans detta element går mot noll. Sålunda, när den ansluts till en likströmskrets skulle uppträda kortslutning. Om spolen är ansluten till AC-kretsen, det fungerar på rätt sätt. Detta leder till slutsatsen att elementet har en resistans till växelström.

Men varför händer detta och hur motstånd uppstår när en växelström? För att svara på den frågan måste vi vända sig till fenomenet själv induktans. Med passagen av spolströmmen i den finns en elektromotorisk kraft (EMF), som skapar ett hinder för den aktuella ändringen. Storleken på denna kraft beror på två faktorer: spolströmmen och derivatan med avseende på tiden. Matematiskt är detta beroende uttrycks av ekvationen:

• E = -L * I '(t), där
  E - EMF,
  L - induktansvärdet för spolen (för varje spole är olika och beror på antalet lindningar hos spolarna och deras tjocklek)
  I '(t) - tidsderivatan av strömmen (strömändringshastighet).

Likström över tiden ändras inte, så dess motstånd när den utsätts för uppstår.

Men AC samtliga parametrar förändras ständigt i en sinusformad eller cosinus lag, vilket elektromotorisk kraft, som förhindrar dessa förändringar. Sådant motstånd kallas induktion och beräknas enligt formeln:

• X _L = w * _L, där
  w - frekvenssvängningskrets,
  L - induktansen hos spolen.

Strömstyrkan i solenoiden ökar linjärt och minskar enligt olika lagar. Detta innebär att om du stoppa flödet av ström i spolen, kommer den att fortsätta under en tid för att ge laddning i kretsen. Och om detta abrupt avbryta strömflödet, kommer det att skjutas från det faktum att avgiften kommer att försöka komma ut och distribueras spole. Detta är - ett allvarligt problem i industriell produktion. Denna effekt (även om inte helt relaterade till svängningskretsen) kan observeras, till exempel, när du tar bort stickproppen från uttaget. I detta fall hoppar gnistan som i en sådan skala inte kan skada en person. Det beror på det faktum att magnetfältet inte försvinner omedelbart, men så småningom skingras, att inducera ström i andra ledare. I industriell skala strömstyrkan är många gånger större än våra vanliga 220 volt, så avbrott i produktionskedjan kan orsaka gnistor sådan kraft som kommer att orsaka en hel del skada både anläggningen och mannen.

Coil - är grunden för den från vilken oscilleringskretsen är. Induktor ingår solenoider sekventiellt. Sedan tar vi en närmare titt på alla detaljer i konstruktionen av detta element.

Vad är induktansen?

Induktansspole oscillerande krets - är en enskild parameter som är numeriskt lika med den elektromotoriska kraften (i volt), som uppträder i en krets när ström variation av 1 A under en sekund. Om solenoiden är ansluten till en likströmskrets, beskriver dess induktans energin hos ett magnetiskt fält, som skapas av denna ström av formeln:

• W = (L * I ²⁾ / 2, där
  W - magnetfältet energi.

induktans koefficient beror på många faktorer: geometrin hos solenoiden, de magnetiska egenskaperna hos kärnan och av antalet spolar av tråd. Ett annat inslag i denna indikator är att det alltid är positivt, eftersom variablerna som den beror inte kan vara negativ.

Induktansen kan även definieras som en egenskap hos en ledare med en ström lagra energi i ett magnetfält. Den mäts i Henry (uppkallad efter den amerikanske vetenskapsmannen Dzhozefa Genri).

Dessutom solenoid oscillationskrets består av en kondensator, som kommer att diskuteras i det följande.

elektrisk kondensator

Kapacitans bestämmes av oscillatorkretsen kapacitans elektrisk kondensator. Dess utseende har skrivits ovan. Låt oss nu undersöka fysiken i de processer som sker i den.

Eftersom kondensatorplattorna är tillverkade av en ledare, då det kan strömma elektrisk ström. Emellertid mellan de två plattorna är hinder. Insulator (de kan vara luft, trä eller annat material med hög motståndskraft På grund av det faktum att laddningen inte kan röra sig från den ena änden av kabeln till den andra, sker en ackumulering det till kondensatorplattorna ökar således det magnetiska och elkraft. fält runt den. Således vid slutet av laddningen fortsätter all el samlats på plattorna börjar att sändas till kretsen.

Varje kondensator har en nominell spänning, optimal för dess drift. Om du längtar efter att utnyttja elementet vid en spänning högre än den nominella, är livslängden kraftigt reducerad. Kondensatorn hos den oscillerande kretsen påverkas ständigt av strömmar och därför när de väljs bör vara mycket försiktig.

Förutom konventionella kondensatorer, som diskuterades, det finns också elektriska dubbellagerkondensatorer. Detta är en mer komplexa elementet: den kan beskrivas som en korsning mellan ett batteri och en kondensator. Typiskt, det dielektriska i elektriska dubbellagerkondensatorer är organiska ämnen, mellan vilka är en elektrolyt. Tillsammans skapar de ett elektriskt dubbelskikt, vilket gör det möjligt att ackumulera i denna design vid gånger mer energi än en konventionell kondensator.

Vad är kapaciteten hos en kondensator?

Kondensatorns kapacitans är förhållandet mellan kondensatorns laddning till en spänning, vid vilken den är belägen. Beräkna detta värde kan vara mycket enkel med hjälp av en matematisk formel:

• C = (e ₀ * S) / d, där
  e ₀ - dielektrisk konstant för det dielektriska materialet (tabellvärde)
  S - område på kondensatorplattorna,
  d - avståndet mellan plattorna.

Beroendet av kapacitansen hos kondensatorn på avståndet mellan elektroderna förklaras av fenomenet elektrostatisk induktion är mindre än avståndet mellan plattorna, desto mer de påverkar varandra (coulomb), den större laddningselektroderna och mindre stress. Och när spänningsvärdet av de kapacitetsökningarna, eftersom det också kan beskrivas med följande formel:

• C = q / U, där
  q - laddningen i Coulomb.

Det är att tala om måttenheter av denna kvantitet. Kapacitans mäts i fårad. 1 farad - tillräckligt stort värde, så befintliga kondensatorer (ej superkondensatorer) har en kapacitans mäts i pikofarad (en triljondels farad).

resistor

Strömmen i resonanskretsen beror också på motståndet av kretsen. Och förutom de två beskrivna elementen som utgör en svängningskrets (spole, kondensator), finns det tredjedel - en resistor. Han är ansvarig för att skapa drag. Motståndet skiljer sig från de andra elementen i att den har en hög motståndskraft, som kan varieras i vissa modeller. Resonanskretsen den utför effektstyrning funktion av det magnetiska fältet. Är det möjligt att ansluta flera resistorer i serie eller parallellt, vilket ökar resistansen hos kretsen.

Resistansen hos detta element beror också på temperaturen, så försiktighet bör vidtas för att dess arbete i kretsen, eftersom den värms under passagen av ström.

Resistansen mäts i ohm, och dess värde kan beräknas med användning av formeln:

• R = (p * l) / S, där
  p - material resistivitet motstånd (uppmätt i (ohm * mm ²⁾ / m);
  l - längd av motstånden (i meter);
  S - sektionsarea (i kvadratmillimeter).

Hur man knyter en loop parametrar?

Nu har vi kommit nära fysik drift av oscillerande kretsen. Över tiden laddningen på kondensatorplattorna ändras beroende på den differentiella andra ordningens ekvation.

Om du lösa denna ekvation innebär det en del intressanta formler som beskriver de processer som sker i kretsen. Till exempel kan en cyklisk frekvens uttryckas i termer av kapacitans och induktans.

Men den enklaste formel som gör det möjligt att beräkna de många okända - Thomson ekvation (uppkallad efter den brittiske fysikern William Thomson, som förde henne 1853):

• T = 2 * f * (L * C) ^1/2.
  T - mellan de elektromagnetiska svängningar,
  L och C - i enlighet därmed, induktansen hos den oscillerande kretsen spole och en kapacitans kretselement,
  n - antalet pi.

kvalitetsfaktor

Det finns en annan viktig kvantitet som karakteriserar konturen av arbete - kvalitetsfaktor. För att förstå vad det är, bör du hänvisa till denna process som en resonans. Detta fenomen, i vilken amplituden blir den maximala effekten vid ett konstant värde, som är en gunga stöd. Resonans kan förklara med ett enkelt exempel: om du börjar driva svingen i takt med deras frekvens, kommer de att påskyndas, och deras "amplitud" kommer att öka. Men om du inte trycker takten, kommer de att sakta ner. Vid resonans försvinner ofta en hel del energi. För att kunna beräkna värdet av förlust, vi uppfunnit en parameter som kvalitetsfaktorn. Det är en koefficient som är lika med förhållandet mellan energi, som ligger i systemet, till förluster som uppträder under en cykel i kretsen.

kretskvalitetsfaktorn beräknas enligt formeln:

• Q = (w ₀ * W) / P, där
  w ₀ - resonansvinkelfrekvens svängningar;
  W - den energi som lagras i den vibrerande systemet;
  P - effektförbrukning.

Denna parameter - dimensions sedan faktiskt visar energiförhållandet: Lagrad för använt.

Vad är den idealiska svängningskretsen

För en bättre förståelse för de processer i systemet i fysik kom upp med den så kallade ideal svängningskrets. Detta är en matematisk modell som representerar kretsen som ett system med noll resistans. I det finns odämpade harmoniska svängningar. Denna modell gör det möjligt att erhålla en ungefärlig formel beräkningskretsparametrar. En av dessa parametrar - den totala energiförbrukningen:

• W = (L * I ²⁾ / 2.

En sådan förenkling kraftigt påskynda beräkningar och låt utvärdera krets egenskaper med förinställda egenskaper.

Hur fungerar det?

Alla oscillerande kretsdriftcykel kan delas upp i två delar. Nu kommer vi att se exakt processer som äger rum i varje del.

• Den första fasen plattkondensator, positivt laddad, börjar att urladda, vilket gör att strömmen i kretsen. Vid denna punkt går ström från en positiv till en negativ laddning, samtidigt som passerar genom spolen. Följaktligen elektromagnetiska vibrationer uppträder i kretsen. Ström som passerar genom spolen, flyttar den till en andra platta och laddar den positivt (medan den första elektroden, vilken ström promenerade, negativt laddad).
• Den andra fasen äger rum direkt motsatta processen. Strömmen passerar från den positiva plattan (som i början var negativ) till negativ, passerar återigen genom slingan. Och alla avgifter falla på plats.

Cykeln upprepas så länge kondensatorn laddas. I en idealisk resonanskrets denna process är oändlig, och den verkliga effektförlusten är oundviklig på grund av olika faktorer: uppvärmning som uppstår på grund av förekomsten av resistansen i kretsen (Joule värme), och liknande.

Utföranden kretsdesign

Förutom enkla kretsar "spolen-kondensator" och "spole-resistor-kondensator", det finns andra alternativ, genom att som grund svängningskrets. Detta, till exempel, en parallellkrets, som kännetecknas av att det finns ett element krets (var för som den existerar ensam, skulle det vara en seriekrets och av vilka diskuteras i artikeln).

Det finns även andra typer av konstruktion, inklusive de olika elektriska komponenterna. Till exempel, är det möjligt att ansluta till nätverket transistor, som kommer att öppna och stänga kretsen med en frekvens lika med svängningsfrekvensen hos kretsen. Således kommer systemet att installera odämpade svängningar.

När svängningskretsen används?

Den mest bekant för oss att använda komponenterna i kretsen - det elektromagneter. De i sin tur används i intercom-system, motorer, sensorer och många andra mindre vanliga områden. En annan tillämpning - oscillator. I själva verket är det användningen av kretsen är mycket bekant för oss: i denna form, används det i mikrovågsugn för att skapa vågor i mobil och trådlös kommunikation för att överföra information över ett avstånd. Allt detta beror på det faktum att svängningar de elektromagnetiska vågorna kan kodas på ett sådant sätt att det blir möjligt att överföra information över långa avstånd.

Induktor självt kan användas som ett element för transformatorn, kan två spolar med olika antal lindningar passerar genom det elektromagnetiska fältet deras laddning. Men såsom solenoider egenskaper skiljer och aktuella siffrorna i de två kretsarna, vilka är anslutna till de två induktans varierar. Sålunda kan man omvandla spänning till ström, säg 220 volt i ström med en spänning av 12 volt.

slutsats

Vi detaljerad principen om oscillerande kretsen och varje del för sig. Vi lärde oss att det oscillerande krets - en anordning för att generera elektromagnetiska vågor. Detta är dock bara grunderna av de komplexa mekaniken i dessa, till synes enkla element. Läs mer om den invecklade kretsen och dess komponenter kan vara från facklitteratur.