Võnkuv circuit - see on ... tööpõhimõte

Oscillatory circuit on seade, mis on loodud elektromagnetilise võnkumise tekitamiseks. Selle loomise hetkest kuni tänapäevani kasutatakse seda paljudes teaduse ja tehnoloogia valdkondades: alates igapäevaelust kuni tohutute tehaste juurde, mis toodavad erinevaid tooteid.

Mida see koosneb?

Oscillatsiooniring koosneb mähisest ja kondensaatorist. Lisaks võib see sisaldada ka takisti (muutuva takistusega element). Induktiiv (või solenoid, nagu seda mõnikord nimetatakse) on varras, mille küljes on mitu kihti mähist, mis üldjuhul on vasktraat. See on element, mis tekitab võnkeid ringluses. Keskmisest vardast nimetatakse tihtipeale gaasi või südamikku ning mähis nimetatakse mõnikord solenoidiks.

Ostsillaatoriringi mähis tekitab võnkumisi ainult siis, kui on salvestatud laeng. Kui voolu läbib, kogub see laengu, mis seejärel annab pingele langeva vooluahela.

Rullis juhtmestikel on tavaliselt väga väike takistus, mis jääb alati püsivaks. Pinge ja voolu intensiivsus muutub sagedamini võnkeahela vooluringil. Selle muudatuse suhtes kehtivad teatud matemaatilised seadused:

• U = U ₀ * cos (w * (tt ₀ ), kus
  U on pinge antud ajahetkel t
  U ₀ on pinge ajal t ₀ ,
  W on elektromagnetilise võnkumise sagedus.

Veel üks lahutamatu osa vooluahelast on elektriline kondensaator. See on element, mis koosneb kahest plaadist, mis on eraldatud dielektriga. Plaatide paksus plaatide vahel on nende mõõtmetega võrreldes väiksem. See disain võimaldab teil koguneda dielektrilise elektrilaenguga, mida saab seejärel ahelat anda.

Erinevus kondensaatori ja aku vahel seisneb selles, et see ei muuda aineid elektrivoolu mõjul, vaid tekib elektriväljas laengu otsene kogunemine. Seega saate kondensaatori abil koguda piisavalt suurt laengut, mida saab kohe kohe saata. Samal ajal suureneb praeguse voolu tugevus.

Samuti sisaldab võnkevooluringi veel üht elementi: takisti. Sellel elemendil on takistus ja see on kavandatud ahela voolu ja pinge reguleerimiseks. Kui konstantse pinge korral tõuseb resistori takistus, siis Ohmi seaduses väheneb vool.

• I = U / R, kus
  Ma olen jõud,
  U on pinge
  R on takistus.

Induktori mähis

Vaatame põhjalikumalt kõiki induktiivpooli nõtkusi ja mõistame paremini selle funktsiooni võnkevooluringis. Nagu juba öeldud, kipub selle elemendi vastupanu nullima. Seega, kui ühendatud DC link, tekib lühis. Kuid kui ühendate mähise vahelduvvooluahela, siis töötab see korralikult. See võimaldab meil järeldada, et element tagab takistuse vahelduvvoolule.

Kuid miks see nii juhtub ja kuidas on AC-il tekkinud takistus? Sellele küsimusele vastamiseks peame käsitlema sellist nähtust nagu enesekindlus. Kuna vool läbib spiraali, ilmub sellele elektromotoorjõud (EMF), mis takistab voolu muutust. Selle jõu suurus sõltub kahest tegurist: spiraali induktiivsus ja voolu tuletis aja suhtes. Matemaatiliselt on see sõltuvus väljendatud võrrandina:

• E = -L * I '(t), kus
  E on EMF väärtus
  L on mähise induktiivsus (iga mähis on erinev ja sõltub mähispoolade arvust ja nende paksusest)
  I '(t) on praeguse tugevuse tuletis aja suhtes (praeguse jõu muutuse kiirus).

Alalisvoolu tugevus ei muutu aja jooksul, seetõttu ei teki takistust, kui see toimib.

Kuid vahelduvvooluga muutuvad kõik selle parameetrid pidevalt sinusoidaalses või kooseinaalses seadusandluses, mille tulemuseks on EMF, mis takistab neid muutusi. Seda takistust nimetatakse induktsiooniks ja arvutatakse valemiga:

• X _L = w * L, kus
  W on ahela võnke sagedus
  L-rull-induktiivsus.

Solenoidi vool suureneb lineaarselt ja väheneb vastavalt erinevatele seadustele. See tähendab, et kui te lõpetate voolu sisestamise mähisesse, siis jätkab see ahela mõnda aega laadimist. Ja kui samal ajal on vooluhulk järsult katkestatud, tekib löök tingituna asjaolust, et tasu proovib katkestada ja väljuda spiraalist. See on tõsine probleem tööstustootmises. Sellist mõju (kuigi see pole täielikult seotud võnkeahelaga) võib täheldada, näiteks tõmmates pistikut pistikupesast välja. Samal ajal hüppab säde, mis sellisel skaalal ei suuda inimesele kahjustada. See on tingitud asjaolust, et magnetväli ei kao kohe, vaid järk-järgult hajub, tekitades teiste juhtide voolu. Tööstuslike kaalude puhul on vool mitu korda suurem kui tavapärane 220 volti, nii et kui vool on katkestatud, võib sellisel intensiivsusel tekkida sädemeid tootmisliinil, mis põhjustab nii taimele kui ka inimesele märkimisväärset kahju.

Rull on aluseks sellest, mis moodustab võnkeahela ring. Lisatakse seeriaga ühendatud solenoidide induktiivsused. Järgnevalt vaatame põhjalikumalt selle elemendi struktuuri üksikasju.

Mis on induktiivsus?

Oscillatsiooniringi spiraali induktiivsus on individuaalne indeks, mis on võrdselt elektromotoorjõuga (voltides), mis tekib ahels, kui voolutugevust muudetakse 1 A sekundis. Kui solenoid on ühendatud otsevooluga, siis selle induktiivsus kirjeldab magnetvälja energiat, mis tekib selle voolu abil vastavalt järgmisele valemile:

• W = (L * I ² ) / 2, kus
  W on magnetvälja energia.

Induktiivsuse koefitsient sõltub paljudest teguritest: solenoidi geomeetria, südamiku magnetilistest omadustest ja traadi spiraalide arvust. Selle näitaja muu omadus on see, et see on alati positiivne, sest muutujad, millel see sõltub, ei saa olla negatiivsed.

Induktiivsust saab määratleda ka elektrijuhtme omadustega magnetvälja energia salvestamiseks. Seda mõõdetakse Henry'is (nime saanud Ameerika teadlane Joseph Henry).

Lisaks solenoidile koosneb võnkeahel kondensaatorist, mida arutatakse hiljem.

Elektriline kondensaator

Ostsillaatori ahela mahtuvus määratakse elektrilise kondensaatori mahtude järgi . Selle välimus oli kirjutatud ülalpool. Nüüd analüüsime selles toimuvate protsesside füüsikat.

Kuna kondensaatorplaadid on valmistatud juhtmeist, võib nende kaudu voolata elektrivool. Kuid kahe plaadi vahel on takistus: dielektriline (see võib olla õhk, puit või muu kõrge vastupidavusega materjal). Tulenevalt asjaolust, et laadimine ei saa juhtmest teise otsa üle kanda, koguneb see kondensaatorplaatidele, suurendades seeläbi magnetilisi ja elektrilisi Selle väljad ümbritsevad. Seega, kui laadimine lõpeb, hakkab plaatidele kogunenud elektrienergia ahelaga üle minema.

Igal kondensaatoril on nominaalne pinge, mis on optimaalne selle tööks. Kui see element töötab pikka aega pingele kõrgemal kui pinge, on selle kasutusiga oluliselt vähenenud. Vooluringi kondensaatorit mõjutavad pidevalt voolud, mistõttu tuleb selle valimisel väga ettevaatlik olla.

Lisaks tavalistele kondensaatoritele, mida arutati, on ka ionistoreid. See on keerukam element: seda võib kirjeldada aku ja kondensaatori ristumisena. Orgaanilised ained on reeglina ionistoris dielektriline, mille vahel on elektrolüüt. Üheskoos loovad nad kahekordse elektrikaare, mis võimaldab teil selle disaini ajal koguneda rohkem energiat kui tavapärases kondensaatoris.

Mis on kondensaatori mahtuvus?

Kondensaatori mahtuvus on kondensaatori laengu suhe pinge all, mille all see asub. Selle väärtuse arvutamiseks võib matemaatilise valemi abil olla väga lihtne:

• C = (e ₀ * S) / d, kus
  E ₀ on dielektrilise materjali läbilaskevõime (tabeli väärtus),
  S on kondensaatorplaatide pindala,
  D on plaatide vaheline kaugus.

Kondensaatori mahtuvuse sõltuvus plaatide vahelisest kaugusest on selgitatud elektrostaatilise induktsiooni nähtusega: mida väiksem on plaatide vaheline kaugus, seda rohkem nad üksteist mõjutavad (vastavalt Coulombi seadusele), seda suurem on plaatide laeng ja madalam pinge. Ja kui pinge väheneb, suureneb mahtuvus, sest seda saab kirjeldada ka järgmise valemi abil:

• C = q / U, kus
  Q - laadimine kullas.

Väärib rääkima selle suurusega ühikutest. Võimsust mõõdetakse faradides. 1 farad on piisavalt suur kogus, seetõttu on olemasolevatel kondensaatoritel (kuid mitte ionistoritel) mahtuvus, mõõdetuna pikofarades (üks triljandik Faraday).

Takisti

Ka vibreeriva voolu vool sõltub ka vooluahela takistusest. Ja lisaks kahele elemendile, millest koosneb võnkeahel (mähis, kondensaator), on ka kolmas - takisti. Ta vastutab vastupanuliikumise eest. Takisti erineb teistest elementidest selle poolest, et tal on suur vastupanu, mida mõnedes mudelites saab muuta. Oscillatsiooniringis toimib see magnetvälja võimsuse regulaatorina. On võimalik ühendada mitu takisti jadas või paralleelselt, suurendades seeläbi ahela takistust.

Selle elemendi takistus sõltub ka temperatuurist, nii et pead olema ettevaatlik selle töö kohta ringis, sest kui see praegune läbib, soojeneb.

Takisti takistus mõõdetakse Ohmides ja selle väärtust saab arvutada järgmise valemi abil:

• R = (p * l) / S, kus
  P on takisti materjali takistus (mõõdetud (Ohm * mm2) / m);
  L on takisti pikkus (meetrites);
  S on ristlõikepindala (ruutkilomeetrites).

Kuidas kontuurparameetreid siduda?

Nüüd oleme jõudnud väga lähedale võnkeahela füüsikale. Aja jooksul muutub kondensaatorplaatide laadimine vastavalt teise astme diferentsiaalvõrrandile.

Kui me lahendame selle võrrandi, annab see mitmeid huvitavaid valemeid, mis kirjeldavad ringluses olevaid protsesse. Näiteks võib tsüklilist sagedust väljendada mahtuvuse ja induktiivsuse mõttes.

Kuid kõige lihtsam valem, mis võimaldab meil arvutada palju tundmatuid koguseid, on Thomsoni valem (nime saanud inglise füüsik William Thomson, kes selle järeldas 1853. Aastal):

• T = 2 * n * (L * C) ^1/2 .
  T on elektromagnetilise võnkumise periood,
  L ja C on vastavalt võnkeahela mähise induktiivsus ja kontuurielementide maht,
  N on number pi.

Kvaliteet

Teine oluline väärtus, mis iseloomustab ahela tööd, - Q-tegur. Selleks, et mõista, mis see on, peaks pöörduma sellisele protsessile nagu resonants. See nähtus, kus amplituud muutub maksimaalseks, kui sama suur jõud, mida see võnkumine püsib. Selgitage, et resonants võib olla lihtne näide: kui hakkate oma sagedusega aja jooksul kihistama, siis kiirendavad nad ja nende amplituud suureneb. Ja kui sa lükkad tahtmata, siis nad aeglustavad. Resonantsil on väga palju energiat sageli hajutatud. Kahjude suuruse arvutamiseks võis leida parameeter, näiteks Q-tegur. See on koefitsient, mis võrdub süsteemi energiataseme ja tsükli ajal tekkivate kahjudega.

Kontuuri kvaliteet arvutatakse järgmise valemi abil:

• Q = (w ₀ * W) / P, kus
  W ₀ on võnkumiste resonantsne tsükliline sagedus;
  W on võnkesüsteemis salvestatud energia;
  P on võimsus hajutatud.

See parameeter on dimensionless kogus, sest see näitab tegelikult kasutatud energiakoguste suhet kasutatud energia hulka.

Mis on ideaalne võnkevooluring

Selle süsteemi protsesside paremaks mõistmiseks on füüsikud leidnud nn ideaalse võnkeahela . See on matemaatiline mudel, mis kujutab ringkonnakohtu nulltakistuse süsteemina. Selles tekivad harmoonilised harmoonilised võnkumised. Selline mudel võimaldab saada valemeid kontuuri parameetrite ligikaudse arvutamiseks. Üks selline parameeter on koguenergia:

• W = (L * I ² ) / 2.

Sellised lihtsustused kiirendavad oluliselt arvutusi ja võimaldavad meil hinnata antud parameetrite abil ahela omadusi.

Kuidas see töötab?

Kogu tsükkel võnkeahela võib jagada kahte ossa. Nüüd vaatame põhjalikumalt iga osa protsessi.

• Esimene faas: kondensaatorplaat, laetud positiivselt, hakkab tühjenema, andes ahela voolu. Praegu voolab praegune positiivne laeng negatiivse, läbides spiraali. Selle tagajärjel tekivad ahelates elektromagnetilised võnked. Vool, mis läbib spiraali, läheb teisele plaadile ja laadib selle positiivselt (samal ajal kui esimene plaat, millega vool liigub, laetakse negatiivselt).
• Teine etapp: on otsene pöördprotsess. Praegu läbib positiivne plaat (mis algselt oli negatiivne) negatiivseks, läbides rulliga uuesti. Ja kõik tasud langevad kohale.

Tsüklit korratakse kuni kondensaatori laenguni. Ideaalses võnkevooluringis toimub see protsess lõputult, ja reaalses elus on energiakadu vältimatu erinevate tegurite tõttu: küte, mis on tingitud kontuuri vastupanuvõime olemasolust (Joule soojus) jms.

Kontuurikujunduse võimalused

Lisaks lihtsatele "mähis kondensaatoritele" ja "spiraal-takistite-kondensaatorite" ahelatele on ka teisi variante, mis tuginevad võnkeahelale. Näiteks on see paralleelne vooluahel, mis erineb selle poolest, et see on elektrilise lülituse element (sest kui see on eraldi olemas, siis oleks see järjestikune kett, mida artiklis käsitleti).

Samuti on olemas muud liiki konstruktsioonid, sealhulgas erinevad elektrilised komponendid. Näiteks võite ühendada transistori võrku, mis avab ja sulgeb vooluahela sagedusega, mis on võrdne vooluahela sagedusega. Seega on süsteemis loodud häiritud võnked.

Kus on rakendatav võnkeahel?

Kontuuride komponentide kõige tuntum rakendus on elektromagnetid. Neid kasutatakse omakorda uksetelefonides, elektrimootorites, sensorites ja paljudes teistes vähem levinud piirkondades. Teine rakendus on ostsillaator. Tegelikult on see vooluahela kasutamine meie jaoks väga tuttav: sellisel kujul kasutatakse seda mikrolaines lainete tekitamiseks ning mobiil- ja raadiosidetehnoloogiat, et edastada teavet kauguse kohta. Kõik see on tingitud asjaolust, et elektromagnetlainete võnkumisi saab kodeerida nii, et oleks võimalik edastada teavet pikkade vahemaade puhul.

Induktiivpool ise saab kasutada osana trafo kaks rullid erinevate keerdude arvu saab läbida elektromagnetvälja nende eest. Aga nagu solenoidid omadused erinevad, ja praegune arvud kahe ahelad, mis on ühendatud kahe induktiivsuse erinevad. Seega, üks saab teisendada pinge praegustele öelda 220 volti praegustes pingega 12 volti.

järeldus

Me üksikasjalikult põhimõtet võnkuv ringi ja iga osa eraldi. Õppisime, et võnkuv circuit - seade, mille eesmärk on tekitada elektromagnetilisi laineid. Kuid see on ainult põhitõdesid keerukaid mehhanisme nende pealtnäha lihtne elemente. Lisateave Hienoudet ringi ja selle komponendid võivad olla erialakirjanduse.