|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Коливальний контур. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Початківцю радіоаматору Пристрій та схема найпростішого коливального контуру показані на рис.1. Він, як бачиш, складається з котушки L і конденсатора С, що утворюють замкнутий електричний ланцюг. За певних умов у контурі можуть виникнути та існувати електричні коливання. Тому його і називають коливальним контуром. Чи доводилося тобі спостерігати таке явище: у момент вимкнення живлення електроосвітлювальної лампи між контактами вимикача, що розмикаються, з'являється іскра. Якщо випадково з'єднати смуги батареї електричного кишенькового ліхтарика (чого потрібно уникати), у момент їхнього роз'єднання між ними також проскакує маленька іскра. А на електростанціях, на заводах, де рубильниками розривають електричні ланцюги, якими течуть дуже великі струми, іскри можуть бути настільки значними, що доводиться вживати заходів, щоб вони не завдали шкоди людині, яка включає струм. Чому виникають ці іскри?
З першої розмови ти вже знаєш, що навколо провідника зі струмом існує магнітне поле, яке можна зобразити у вигляді замкнутих магнітних силових ліній, що пронизують навколишній простір (рис.2). Виявити це поле, якщо воно є постійним, можна за допомогою магнітної стрілки компаса. Якщо відключити провідник від джерела струму, його магнітне поле, що зникає, розсіюючись у просторі, буде індукувати струми в інших провідниках. Струм індукується в .тому провіднику, який створив це магнітне поле. А оскільки він знаходиться в самій гущі своїх магнітних силових ліній, в ньому індукуватиметься сильніший: струм, ніж у будь-якому іншому провіднику. Напрямок цього струму буде таким самим, яким воно було в момент розриву провідника. Інакше кажучи, зникаюче магнітне поле буде підтримувати струм, що його створив доти, доки воно саме не зникне, тобто повністю не витратиться енергія, що міститься в ньому. Отже, струм у провіднику тече і після того, як вимкнено джерело струму, але, зрозуміло, недовго - мізерну частку секунди.
Але ж у розімкнутому ланцюгу рух електронів неможливий, - заперечиш ти. Так це так. Але після розмикання ланцюга електричним струм може деякий час текти через повітряний проміжок між роз'єднаними кінцями провідника між контактами вимикача або рубильника. Ось цей струм через повітря утворює електричну іскру. Це явище називають самоіндукцією, а електричну силу (не плутай з індукцією, про яку ми говорили в першій бесіді), яка під дією зникаючого магнітного поля підтримує в ньому струм-електрорушійною силою самоіндукції або, скорочено, е.д.с. самоіндукції. Чим більше е.р.с. самоіндукції, тим більше може бути іскра в місці розриву електричного ланцюга. Явище самоіндукції спостерігається не тільки при вимкненні, але і при включенні струму. У просторі, що оточує провідник, магнітне поле виникає відразу при включенні струму. Спочатку воно слабше, але потім дуже швидко посилюється. Магнітне поле струму, що посилюється, теж збуджує струм самоіндукції, але цей струм спрямований назустріч основному струму. Струм самоіндукції заважає миттєвому збільшенню основного струму та зростанню магнітного поля. Однак через короткий проміжок часу основний струм і провідника долає зустрічний струм самоіндукції та досягає найбільшого значення, магнітне поле стає незмінним та дія самоіндукції припиняється. Явище самоіндукції можна порівнювати із явищем інерції. Санки, наприклад, важко зрушити з місця. Але коли вони наберуть швидкість, запасуться кінетичною енергією - енергією руху, їх неможливо зупинити миттєво. Після гальмування вони продовжують ковзати до того часу, поки запасена ними енергія руху витрачено подолання тертя сніг. Чи всі провідники мають однакову самоіндукцію? Ні! Що довше провідник, то значніша самоіндукція. У провіднику, згорнутому в котушку, явище самоіндукція позначається сильніше, ніж у прямолінійному провіднику, оскільки магнітне полі кожного витка котушки наводить струм у цьому витку, а й у сусідніх витках цієї котушки. Чим більша довжина дроту в котушці, тим довше існуватиме в ньому струм самоіндукції після вимкнення основного струму. І, навпаки, потрібно більше часу мок включення основного струму, щоб струм у ланцюзі зріс до певного значення і встановилося постійне за силою магнітне поле. Запам'ятай: властивість провідників впливати на струм у ланцюзі за зміни його величини називають індуктивністю, а котушки, у яких найбільше проявляється це властивість, - котушками самоіндукції чи індуктивності. Чим більше число витків і розміри котушки, тим більша її індуктивність, тим значніший вплив її на струм в електричній; ланцюги. Отже, котушка перешкоджає як наростанню, так і спадання струму в електричному ланцюзі. Якщо вона знаходиться в ланцюгу постійного струму, вплив її позначається тільки при включенні та вимкненні струму. У ланцюзі змінного струму, де безперервно змінюються струм і його магнітне поле, е.д.с. самоіндукція котушки діє весь час, поки тече струм. Це електричне явище і використовується в першому елементі коливального контуру приймача - котушці.
Другим елементом коливального контуру приймача є накопичувач електричних зарядів - конденсатор. Найпростіший конденсатор є двома провідниками електричного струму, це можуть бути дві металеві пластинки, іменовані обкладками конденсатора, розділені непровідником електричного струму - діелектриком, наприклад повітрям або папером. Таким конденсатором ти вже користувався під час дослідів із найпростішим приймачем. Чим більша площа обкладок конденсатора і чим ближче вони розташовані один до одного, тим більша електрична ємність цього приладу. Якщо до обкладок конденсатора приєднати джерело постійного струму (рис.3, а), то в ланцюгу, що утворився, виникне короткочасний струм і конденсатор зарядиться до напруги, рівної напруги джерела струму. Ти можеш запитати: чому в ланцюзі, де є діелектрик, виникає струм? Коли ми приєднуємо до конденсатора джерело постійного струму, вільні електрони в провідниках ланцюга, що утворився, починають рухатися в бік позитивного полюса джерела струму, утворюючи короткочасний потік електронів, у всьому ланцюгу. В результаті обкладення конденсатора, яка з'єднана з позитивним полюсом джерела струму, збіднюється вільними електронами і заряджається позитивно, а інша збагачується вільними електронами, отже, заряджається негативно. Як тільки конденсатор зарядиться, короткочасний струм у ланцюгу, що називається струмом заряду конденсатора, припиниться. Якщо джерело струму відключити від конденсатора, конденсатор виявиться зарядженим (рис.3, б). Перехід надлишкових електронів з однієї обкладки на іншу перешкоджає діелектрик. Між обкладками конденсатора струму не буде, а накопичена ним. електрична енергія буде зосереджена в електричній частці діелектрика. Але варто обкладки зарядженого конденсатора з'єднати провідником (рис.3, в), зайві електрони негативно зарядженої обкладки перейдуть по цьому Провіднику на іншу обкладку, де їх бракує, і конденсатор розрядиться. У цьому випадку в ланцюгу, що утворився, також виникає короткочасний струм, званий струмом розряду конденсатора. Якщо ємність конденсатора велика, і він заряджений до значної напруги, момент розряду супроводжується появою значної іскри та тріску. Властивість конденсатора накопичувати електричні заряди і розряджатися через підключені до нього провідники використовується в коливальному контурі радіоприймача. А тепер, юний Друг, згадай про звичайну гойдалку. На них можна розгойдуватися так, що дух захоплює. Що для цього треба зробити? Спочатку підштовхнути, щоб вивести гойдалку зі становища спокою, а потім прикладати деяку силу, але обов'язково тільки в такт зі своїми коливаннями. Без особливих труднощів можна досягти сильних розмахів гойдалок - отримати великі амплітуди коливань. Навіть маленький хлопчик може розгойдати на гойдалках дорослу людину, якщо прикладатиме свою силу вміючи. Розкачавши гойдалку сильніше, щоб досягти великих амплітуд коливань, перестанемо підштовхувати їх. Що буде далі? За рахунок запасеної енергії вони деякий час вільно хитаються, амплітуда їх коливань поступово зменшується, як кажуть, коливання згасають, і, нарешті, гойдалки зупиняються. При вільних коливаннях гойдалок, як і вільно підвішеного маятника, запасена - потенційна - енергія перетворюється на кінетичну - енергію руху, що у крайній верхній точці знову перетворюється на потенційну, а ще через частку секунди - знову на кінетичну. І так доти, доки не витрачено весь запас енергії на подолання тертя мотузок у місцях підвісу гойдалок та опору повітря. При будь-якому великому запасі енергії вільні коливання завжди є загасаючими: з кожним коливанням їхня амплітуда зменшується і коливання поступово зовсім згасають-настає спокій. Але період (відрізок часу, протягом якого відбувається одне коливання), отже, і частота коливань залишаються незмінними. Однак, якщо гойдалки весь час підштовхувати в такт зі своїми коливаннями, тим самим поповнювати втрати енергії, що витрачається на подолання різних сил, що гальмують, коливання стануть незагасаючими. Це вже не вільні, а вимушені вагання. Вони триватимуть доти, доки не перестане діяти зовнішня сила, що підштовхує. Я згадав тут про гойдалки тому, що фізичні явища, що відбуваються в такій механічній коливальній системі, дуже схожі на явища в електричному коливальному контурі. Щоб у контурі виникли електричні коливання, йому треба повідомити енергію, яка б "підштовхнула" електрони. Це можна зробити, зарядивши, наприклад, його конденсатор. Розірвемо вимикачем У коливальний контур і підключимо до обкладок його конденсатора джерело постійного струму, як показано на рис.4 зверху. Конденсатор зарядиться до напруги батареї Б. Потім відключимо батарею від конденсатора, а контур замкнемо вимикачем В. Явища, які будуть відбуватися в контурі, зображені графічно на рис.4 внизу.
При замиканні контуру вимикачем верхня обкладка конденсатора має позитивний заряд, а нижня - негативний (рис.4, а). У цей момент, позначений на графіку точкою О, струму в контурі немає, а вся енергія, накопичена конденсатором, зосереджена в електричному полі між обкладинками. Але конденсатор замкнутий на котушку, якою він почне розряджатися. У котушці з'являється струм, а навколо її витків – магнітне поле. На момент повного розряду конденсатора (рис.4,б), поміченому на графіку цифрою 1, коли напруга на його обкладках впаде до нуля, струм у котушці та енергія магнітного поля досягнуть найбільших значень. Здавалося б, що в цей момент струм у контурі мав припинитися. Цього, однак, не станеться, оскільки від дії е.р.с. самоіндукції, що прагне підтримати струм, рух електронів у контурі триватиме. Але тільки доти, доки не витрачена вся енергія магнітного поля. У котушці в цей час тектиме спадний за величиною, але початкового напрямку індукований струм. На момент часу, поміченому на графіці цифрою 2, коли енергія магнітного поля витратиться, конденсатор знову виявиться зарядженим, тільки тепер з його нижньої обкладці - позитивний заряд, але в верхній - негативний (рис.4,в). Тепер електрони почнуть зворотний рух у напрямку верхньої обкладки через котушку до нижньої обкладки конденсатора. На момент 3 (рис.4, г) конденсатор розрядиться, а магнітне волі котушки досягне найбільшого значення. І знову е.р.с. самоіндукції "пожене" по дроту котушки електрони, перезаряджаючи тим самим конденсатор. У момент часу 4 (рис.4, д) буде такий стан електронів у контурі, як у початковий момент 0. Закінчилося одне повне коливання. Природно, що заряджений конденсатор знову буде розряджатися на котушку, перезаряджатися і відбудуться друге, за ним третє, четверте і т.д. коливання. Інакше кажучи, у контурі виникне змінний електричний струм, електричні коливання. Але цей коливальний процес у контурі не нескінченний. Він триває до того часу, поки вся енергія, отримана конденсатором від батареї, не витрачається подолання опору проводу котушки контуру. Такі коливання в контурі є вільними, отже, загасаючими. Яка частота цих коливань електронів у контурі? Щоб повніше розібратися в цьому питанні, раджу провести такий досвід із найпростішим маятником. Підвісь на нитці, довжиною 100 см кулька, зліплена з пластиліну, або іншому вантаж масою (вагою) в 20-40 г (на рис.5 довжина маятника позначена латинською літерою l). Виведи маятник із положення рівноваги і, користуючись годинником із секундною стрілкою, порахуй, скільки повних коливань він робить за 1 хв. Приблизно 30. Отже, частота коливань цього маятника дорівнює 0,5 Гц, а період - 2 с. За період потенційна енергія маятника двічі переходить у кінетичну, а кінетична у потенційну. Укоротіть нитку наполовину. Частота маятника збільшиться приблизно в півтора рази і в стільки ж разів зменшиться період коливань.
Цей досвід дозволяє зробити висновок: зі зменшенням довжини маятника частота власних коливань збільшується, а період пропорційно зменшується. Змінюючи довжину підвіски маятника, досягни, щоб його частота коливань була 1 Гц. Це має бути при довжині нитки близько 25 см. У цьому випадку період коливань маятника дорівнюватиме 1 с. Хоч би яким намагався створити початковий розмах маятника, частота його коливань буде незмінною. Але варто лише вкоротити чи подовжити нитку, як частота коливань одразу зміниться. При одній і тій же довжині нитки завжди буде та сама частота коливань. Це власна частота коливань маятника. Отримати задану частоту коливань можна шляхом добору довжини нитки. Коливання ниткового маятника є загасаючими. Вони можуть стати незатухаючими тільки в тому випадку, якщо маятник у такт з його коливаннями злегка підштовхувати, компенсуючи таким чином ту енергію, яку він витрачає на подолання опору повітря, що надається йому, енергію тертя, земного тяжіння. Електричний коливальний контур теж має власну частоту. Власна частота коливань залежить, по-перше, від індуктивності котушки. Чим більше число витків і діаметр котушки, тим більша її індуктивність, тим більша буде тривалість періоду кожного коливання. Власна частота коливань у контурі буде відповідно меншою. І, навпаки, із зменшенням індуктивності котушки скоротиться період коливань – зросте власна частота коливань у контурі. Частота коливань у контурі залежить, по-друге, від ємності конденсатора. Чим більше ємність, тим більший заряд може накопичити конденсатор, тим більше потрібно часу для його перезаряджання, а це зменшить частоту коливань у контурі. Зі зменшенням ємності конденсатора частота коливань та контурі зростає. Таким чином, власну частоту загасаючих коливань у контурі можна регулювати зміною індуктивності котушки або ємності конденсатора. Але в електричному контурі, як і в механічній коливальній системі, можна отримати і незатухаючі, тобто. вимушені коливання, якщо при кожному коливанні поповнювати контур додатковими порціями електричної енергії від джерела змінного струму. Яким чином у контурі приймача збуджуються і підтримуються незатухаючі електричні коливання? Струмом високої частоти, збудженим в антені. Цей струм повідомляє контуру початковий заряд, він і підтримує ритмічні коливання електронів у контурі. Однак найбільш сильні коливання в контурі приймача, що незатухають, виникають- тільки в момент резонансу власної частоти контуру з частотою струму в антені. Як це розуміти? Люди старшого покоління розповідають, ніби в Петербурзі від солдатів, що йшли в ногу, обвалився Єгипетський міст. А могло це статися, мабуть, за таких обставин. Усі солдати ритмічно крокували мостом. Міст від цього почав розгойдуватися - вагатися. За випадковим збігом обставин власна частота коливань мосту збіглася з частотою кроку солдатів, як кажуть, міст потрапив у резонанс. Ритм ладу повідомляв міст все нові і нові порції енергії. В результаті міст настільки розхитався, що обрушився: злагодженість військового ладу завдала шкоди мосту. Якби резонансу власної частоти коливань моста з частотою кроку солдатів не було, з мостом нічого не сталося б. Тому, між іншим, під час проходження солдатів слабкими мостами прийнято подавати команду "збити ногу". А ось досвід. Підійди до якогось струнного музичного інструменту і голосно крикни "а": якась із струн відгукнеться-зазвучить. Та з них, яка опиниться в резонансі з частотою цього звуку, коливатиметься сильніше за інші струни - вона й відгукнеться на звук. Ще один досвід – з маятниками. Натягни горизонтально тонку мотузку. Прив'яжи до неї той же маятник із нитки та пластиліну (рис.6). Перекинь через мотузку ще один такий же маятник, але з довшою ниткою. Довжину підвіски цього маятника можна змінювати, підтягуючи рукою вільний кінець нитки. Приведи цей маятник у коливальний рух. При цьому перший маятник теж вагатиметься, але з меншою амплітудою. Не зупиняючи коливань другого маятника, поступово зменшуй довжину його підвіски - амплітуда коливань першого маятника збільшуватиметься. У цьому досвіді, що ілюструє резонанс механічних коливань, перший маятник є приймачем коливань, що збуджуються другим маятником. Причиною, що змушує перший маятник коливатися, є періодичні коливання розтяжки з частотою, що дорівнює частоті коливань другого маятника. Вимушені коливання першого маятника матимуть максимальну амплітуду лише тоді, коли його власна частота збігається із частотою коливань другого маятника.
Такі або подібні до них явища, тільки, зрозуміло, електричного "походження", спостерігаються і в коливальному контурі приймача. Від дії хвиль багатьох радіостанцій у приймальній антені збуджуються струми різних частот. Нам з усіх цих частот треба вибрати тільки частоту тієї радіостанції, передачі якої ми хочемо слухати. Для цього слід так підібрати число витків котушки і ємність конденсатора коливального контуру, щоб його власна частота збігалася з частотою струму, створюваного в антені хвилями станції, що цікавить нас. В цьому випадку в контурі збудуться найбільш сильні коливання з частотою тієї радіостанції, що несе, на хвилю якої він налаштований. Це і є налаштування контуру приймача в резонанс із частотою станції, що передає. При цьому сигнали інших станцій зовсім не чутні або прослуховуються дуже слабо, оскільки коливання, що збуджуються, в контурі будуть дуже слабкими. Таким чином, налаштовуючи контур свого першого приймача в резонанс із частотою радіостанції, ти за його допомогою ніби відбирав, виділяв коливання частоти тільки цієї станції. Чим краще контур виділятиме потрібні коливання з антени, тим вище селективність приймача, тим слабшими будуть перешкоди з боку інших радіостанцій. Досі я розповідав тобі про замкнутий коливальний контур, тобто. контурі, власна частота якого визначається лише індуктивністю котушки та ємністю конденсатора, що утворюють його. Однак у вхідний контур будь-якого приймача входять ще антена та заземлення. Це вже не замкнутий, а відкритий коливальний контур. Справа в тому, що провід антени та Земля є "обкладками" конденсатора (рис.7), що володіє деякою електричною ємністю. Залежно від довжини дроту та висоти антени над землею ця ємність може бути до кількох сотень пікофарад. Такий конденсатор на схемі рис. був показаний штриховими лініями. Але ж антену та землю можна ще розглядати і як неповний виток великої котушки. Отже, антена і заземлення, взяті разом, мають ще й індуктивність. А ємність разом із індуктивністю утворюють коливальний контур.
Такий контур, що є відкритим коливальним контуром, теж має власну частоту коливань. Включаючи між антеною та землею котушки індуктивності та конденсатори, ми можемо змінювати його власну частоту, налаштовувати його в резонанс із частотами різних радіостанцій. Як це робиться на практиці, ти знаєш. Я не помилюся, якщо скажу, що коливальний контур є "серцем" радіоприймача. І не лише радіоприймача. У цьому ти ще переконаєшся. Тому йому я й приділив багато уваги. Публікація: Н. Большаков, rf.atnn.ru
Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами
05.05.2024 Приміальна клавіатура Seneca
05.05.2024 Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія
04.05.2024
▪ Собаки відчувають неправильну фізику ▪ Вирішено проблему квантових комп'ютерів ▪ Мікророботи швейцарських годинникарів
▪ розділ сайту Інструкції з експлуатації. Добірка статей ▪ стаття Джованні ді Фіданця (Бонавентура). Знамениті афоризми ▪ стаття Що таке обеліск? Детальна відповідь ▪ стаття Розетка з індикатором. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Доопрацювання Сі-Бі трансівера MAYCOM EM-27D. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page