Svārstību ķēde ir ierīce, kas paredzēta elektromagnētisko svārstību ģenerēšanai (radīšanai). No tās pirmsākumiem līdz mūsdienām tas ir izmantots daudzās zinātnes un tehnoloģiju jomās: no ikdienas dzīves līdz milzīgām rūpnīcām, kas ražo dažādus produktus.
No kā tas ir izgatavots?
Svārstību ķēde sastāv no spoles un kondensatora. Turklāt tajā var būt arī rezistors (elements ar mainīgu pretestību). Induktors (vai solenoīds, kā to dažreiz sauc) ir stienis, uz kura ir uztīti vairāki tinumu slāņi, kas, kā likums, ir vara stieple. Tas ir šis elements, kas rada svārstības svārstību ķēdē. Vidū esošo stieni bieži sauc par droseli vai serdi, un spoli dažreiz sauc par solenoīdu.
Svārstību ķēdes spole svārstās tikai tad, ja ir saglabāts lādiņš. Kad strāva iet caur to, tas uzkrāj lādiņu, ko tas pēc tam atdod ķēdei, ja spriegums samazinās.
Spoles vadiem parasti ir ļoti maza pretestība, kas vienmēr paliek nemainīga. Svārstīgas ķēdes ķēdē ļoti bieži notiek sprieguma un strāvas maiņa. Uz šīm izmaiņām attiecas noteikti matemātiskie likumi:
-
U=U0cos(w(t-t0), kur
U ir strāvas spriegums laika punkts t, U0 - spriegums laikā t0, w - frekvence elektromagnētiskās svārstības.
Vēl viena ķēdes neatņemama sastāvdaļa ir elektriskais kondensators. Šis ir elements, kas sastāv no divām plāksnēm, kuras atdala dielektrisks. Šajā gadījumā slāņa biezums starp plāksnēm ir mazāks par to izmēriem. Šis dizains ļauj uzkrāt elektrisko lādiņu uz dielektriķa, ko pēc tam var pārnest uz ķēdi.
Atšķirība starp kondensatoru un akumulatoru ir tāda, ka elektriskās strāvas iedarbībā nenotiek vielu pārveide, bet gan tieša lādiņa uzkrāšanās elektriskā laukā. Tādējādi ar kondensatora palīdzību iespējams uzkrāt pietiekami lielu lādiņu, kuru var atdot visu uzreiz. Šajā gadījumā strāvas stiprums ķēdē ievērojami palielinās.
Arī oscilācijas ķēde sastāv no vēl viena elementa: rezistora. Šim elementam ir pretestība, un tas ir paredzēts strāvas un sprieguma kontrolei ķēdē. Ja rezistora pretestība tiek palielināta pie nemainīga sprieguma, tad strāvas stiprums samazināsies saskaņā ar likumuOma:
-
I=U/R, kur
I ir strāva, U ir spriegums, R ir pretestība.
Induktors
Sīkāk apskatīsim visus induktora smalkumus un labāk izpratīsim tā darbību svārstību ķēdē. Kā jau teicām, šī elementa pretestībai ir tendence uz nulli. Tādējādi, pievienojot līdzstrāvas ķēdei, notiktu īssavienojums. Tomēr, ja pievienojat spoli maiņstrāvas ķēdei, tā darbojas pareizi. Tas ļauj secināt, ka elements piedāvā pretestību maiņstrāvai.
Bet kāpēc tas notiek un kā pretestība rodas ar maiņstrāvu? Lai atbildētu uz šo jautājumu, mums ir jāvēršas pie tādas parādības kā pašindukcija. Kad strāva iet caur spoli, tajā rodas elektromotora spēks (EMF), kas rada šķērsli strāvas maiņai. Šī spēka lielums ir atkarīgs no diviem faktoriem: spoles induktivitātes un strāvas stipruma atvasinājuma attiecībā pret laiku. Matemātiski šī atkarība tiek izteikta ar vienādojumu:
-
E=-LI'(t), kur
E ir EML vērtība, L ir spoles induktivitātes vērtība (katrai spolei tā ir atšķirīga un atkarīga uz tinumu spoļu skaitu un to biezumiem), I'(t) - strāvas stipruma atvasinājums attiecībā pret laiku (strāvas stipruma izmaiņu ātrums).
Līdzstrāvas stiprums laika gaitā nemainās, tāpēc, pakļaujoties tai, nav pretestības.
Bet ar maiņstrāvu visi tās parametri pastāvīgi mainās saskaņā ar sinusoidālu vai kosinusu likumu,kā rezultātā rodas EML, kas novērš šīs izmaiņas. Šādu pretestību sauc par induktīvu un aprēķina pēc formulas:
- XL =wL
Strāva solenoīdā lineāri palielinās un samazinās atbilstoši dažādiem likumiem. Tas nozīmē, ka, pārtraucot strāvas padevi spolei, tā kādu laiku turpinās uzlādēt ķēdi. Un, ja tajā pašā laikā strāvas padeve tiek pēkšņi pārtraukta, radīsies šoks, jo lādiņš mēģinās sadalīties un iziet no spoles. Tā ir nopietna problēma rūpnieciskajā ražošanā. Šāds efekts (lai gan ne pilnībā saistīts ar svārstību ķēdi) novērojams, piemēram, izvelkot kontaktdakšu no kontaktligzdas. Tajā pašā laikā lec dzirkstele, kas tādā mērogā nespēj kaitēt cilvēkam. Tas ir saistīts ar faktu, ka magnētiskais lauks nepazūd uzreiz, bet pakāpeniski izkliedējas, inducējot strāvu citos vadītājos. Rūpnieciskā mērogā strāvas stiprums ir daudzkārt lielāks par mums ierastajiem 220 voltiem, tāpēc, kad tiek pārtraukta ķēde ražošanā, var rasties tāda stipruma dzirksteles, kas nodara lielu ļaunumu gan augam, gan cilvēkam.
Spole ir pamatā tam, no kā sastāv svārstību ķēde. Sērijveida solenoīdu induktivitātes summējas. Tālāk mēs sīkāk aplūkosim visus šī elementa struktūras smalkumus.
Kas ir induktivitāte?
Svārstību ķēdes spoles induktivitāte ir individuāls rādītājs, kas skaitliski vienāds ar elektromotora spēku (voltos), kas rodas ķēdē, kadstrāvas izmaiņas par 1 A 1 sekundē. Ja solenoīds ir pievienots līdzstrāvas ķēdei, tad tā induktivitāte apraksta magnētiskā lauka enerģiju, ko rada šī strāva saskaņā ar formulu:
-
W=(LI2)/2, kur
W ir magnētiskā lauka enerģija.
Induktivitātes koeficients ir atkarīgs no daudziem faktoriem: no solenoīda ģeometrijas, no serdes magnētiskajiem raksturlielumiem un no stieples spoļu skaita. Vēl viena šī rādītāja īpašība ir tā, ka tas vienmēr ir pozitīvs, jo mainīgie, no kuriem tas ir atkarīgs, nevar būt negatīvi.
Induktivitāti var definēt arī kā strāvu nesoša vadītāja īpašību uzglabāt enerģiju magnētiskajā laukā. To mēra Henrijā (nosaukts amerikāņu zinātnieka Džozefa Henrija vārdā).
Papildus solenoīdam svārstību ķēde sastāv no kondensatora, kas tiks apspriests vēlāk.
Elektriskais kondensators
Svārstību ķēdes kapacitāti nosaka elektriskā kondensatora kapacitāte. Par viņa izskatu tika rakstīts iepriekš. Tagad analizēsim tajā notiekošo procesu fiziku.
Tā kā kondensatora plāksnes ir izgatavotas no vadītāja, caur tām var plūst elektriskā strāva. Tomēr starp abām plāksnēm ir šķērslis: dielektriķis (tas var būt gaiss, koks vai cits materiāls ar augstu pretestību. Tā kā lādiņš nevar pārvietoties no viena stieples gala uz otru, tas uzkrājas uz kondensatora plāksnes. Tas palielina ap to esošo magnētisko un elektrisko lauku jaudu.uz plāksnēm uzkrātā elektrība sāk pāriet ķēdē.
Katra kondensatora nominālais spriegums ir optimāls tā darbībai. Ja šis elements ilgstoši tiek darbināts ar spriegumu virs nominālā sprieguma, tā kalpošanas laiks ievērojami samazinās. Svārstību ķēdes kondensatoru pastāvīgi ietekmē strāvas, tāpēc, izvēloties to, jums jābūt īpaši uzmanīgiem.
Papildus parastajiem kondensatoriem, par kuriem tika runāts, ir arī jonistori. Tas ir sarežģītāks elements: to var raksturot kā akumulatora un kondensatora krustojumu. Kā likums, organiskās vielas kalpo kā dielektriķis jonistorā, starp kuriem atrodas elektrolīts. Kopā tie veido dubultu elektrisko slāni, kas ļauj šajā dizainā uzkrāt daudzkārt vairāk enerģijas nekā tradicionālajā kondensatorā.
Kāda ir kondensatora kapacitāte?
Kondensatora kapacitāte ir kondensatora lādiņa attiecība pret spriegumu, zem kura tas atrodas. Šo vērtību var aprēķināt ļoti vienkārši, izmantojot matemātisko formulu:
-
C=(e0S)/d, kur
e0 ir dielektriskā materiāla caurlaidība (tabulas vērtība), S - kondensatora plākšņu laukums, d - attālums starp plāksnēm.
Kondensatora kapacitātes atkarība no attāluma starp plāksnēm ir izskaidrojama ar elektrostatiskās indukcijas fenomenu: jo mazāks attālums starp plāksnēm, jo spēcīgāk tās ietekmē viena otru (saskaņā ar Kulona likumu), lielāks plākšņu lādiņš un mazāks spriegums. Un tā kā spriegums samazināskapacitātes vērtība palielinās, jo to var aprakstīt arī ar šādu formulu:
-
C=q/U, kur
q ir lādiņš kulonos.
Ir vērts runāt par šī daudzuma vienībām. Kapacitāti mēra farados. 1 farads ir pietiekami liela vērtība, lai esošo kondensatoru (bet ne jonistoru) kapacitāte būtu pikofarados (viens triljons faradu).
Rezistors
Strāva svārstību ķēdē ir atkarīga arī no ķēdes pretestības. Un papildus diviem aprakstītajiem elementiem, kas veido svārstību ķēdi (spoles, kondensatori), ir arī trešais - rezistors. Viņš ir atbildīgs par pretestības radīšanu. Rezistors atšķiras no citiem elementiem ar to, ka tam ir liela pretestība, ko dažos modeļos var mainīt. Svārstību ķēdē tas veic magnētiskā lauka jaudas regulatora funkciju. Varat savienot vairākus rezistorus virknē vai paralēli, tādējādi palielinot ķēdes pretestību.
Šī elementa pretestība ir atkarīga arī no temperatūras, tāpēc jums jābūt uzmanīgiem attiecībā uz tā darbību ķēdē, jo tas uzsilst, kad plūst strāva.
Rezistora pretestība tiek mērīta omos, un tās vērtību var aprēķināt, izmantojot formulu:
-
R=(pl)/S, kur
p ir rezistora materiāla pretestība (mērīta (Ohmmm2)/m);
l - rezistora garums (metros);
S - šķērsgriezuma laukums (kvadrātmilimetros).
Kā saistīt ceļa parametrus?
Tagad mēs esam tuvu fizikaioscilācijas ķēdes darbība. Laika gaitā lādiņš uz kondensatora plāksnēm mainās atbilstoši otrās kārtas diferenciālvienādojumam.
Ja atrisināsiet šo vienādojumu, no tā izriet vairākas interesantas formulas, kas apraksta ķēdē notiekošos procesus. Piemēram, ciklisko frekvenci var izteikt kā kapacitāti un induktivitāti.
Tomēr vienkāršākā formula, kas ļauj aprēķināt daudzus nezināmus lielumus, ir Tomsona formula (nosaukta angļu fiziķa Viljama Tomsona vārdā, kurš to atvasināja 1853. gadā):
-
T=2p(LC)1/2.
T - elektromagnētisko svārstību periods, L un C - attiecīgi oscilācijas ķēdes spoles induktivitāte un ķēdes elementu kapacitāte, p - skaitlis pi.
Q faktors
Ir vēl viena svarīga vērtība, kas raksturo ķēdes darbību - kvalitātes faktors. Lai saprastu, kas tas ir, vajadzētu pievērsties tādam procesam kā rezonanse. Šī ir parādība, kurā amplitūda kļūst maksimāla ar nemainīgu spēka vērtību, kas atbalsta šīs svārstības. Rezonansi var izskaidrot ar vienkāršu piemēru: ja jūs sākat spiest šūpoles tās frekvences ritmā, tad tas paātrinās, un palielināsies to "amplitūda". Un, ja jūs izspiedīsit no laika, tie palēnināsies. Rezonansē bieži tiek izkliedēta liela daļa enerģijas. Lai varētu aprēķināt zaudējumu lielumu, viņi izdomāja tādu parametru kā kvalitātes faktors. Tā ir attiecība, kas vienāda ar attiecībuenerģijas sistēmā pret zudumiem, kas rodas ķēdē vienā ciklā.
Ķēdes kvalitātes koeficientu aprēķina pēc formulas:
-
Q=(w0W)/P, kur
w0 - rezonanses ciklisko svārstību frekvence;
W - svārstību sistēmā uzkrātā enerģija;
P - jaudas izkliede.
Šis parametrs ir bezdimensiju vērtība, jo tas faktiski parāda enerģijas attiecību: uzkrātā un iztērētā.
Kas ir ideāla svārstību ķēde
Lai labāk izprastu šajā sistēmā notiekošos procesus, fiziķi nāca klajā ar tā saukto ideālo svārstību ķēdi. Šis ir matemātisks modelis, kas attēlo ķēdi kā sistēmu ar nulles pretestību. Tas rada neslāpētas harmoniskas svārstības. Šāds modelis dod iespēju iegūt formulas kontūru parametru aptuvenai aprēķināšanai. Viens no šiem parametriem ir kopējā enerģija:
W=(LI2)/2.
Šādi vienkāršojumi ievērojami paātrina aprēķinus un ļauj novērtēt ķēdes raksturlielumus ar dotajiem rādītājiem.
Kā tas darbojas?
Visu svārstību ķēdes ciklu var iedalīt divās daļās. Tagad mēs detalizēti analizēsim procesus, kas notiek katrā daļā.
- Pirmā fāze: pozitīvi uzlādētā kondensatora plāksne sāk izlādēties, nodrošinot ķēdei strāvu. Šajā brīdī strāva pāriet no pozitīva lādiņa uz negatīvu, ejot caur spoli. Tā rezultātā ķēdē rodas elektromagnētiskās svārstības. cauri ejoša strāvaspole, dodas uz otro plāksni un uzlādē to pozitīvi (turpretī pirmā plāksne, no kuras plūda strāva, tiek uzlādēta negatīvi).
- Otrā fāze: notiek apgrieztais process. Strāva pāriet no pozitīvās plāksnes (kas pašā sākumā bija negatīva) uz negatīvo, atkal iet caur spoli. Un visas maksas nostājas vietā.
Cikls atkārtojas tik ilgi, kamēr ir uzlādēts kondensators. Ideālā svārstību ķēdē šis process turpinās bezgalīgi, bet reālā enerģijas zudumi ir neizbēgami dažādu faktoru dēļ: karsēšana, kas rodas, jo ķēdē pastāv pretestība (Džoula siltums) un tamlīdzīgi.
Kontūru dizaina iespējas
Papildus vienkāršajām shēmām "spole-kondensators" un "spole-rezistors-kondensators" ir arī citas iespējas, kuru pamatā ir svārstību ķēde. Tā, piemēram, ir paralēlā ķēde, kas atšķiras ar to, ka tā pastāv kā elektriskās ķēdes elements (jo, ja tā pastāvētu atsevišķi, tā būtu virknes ķēde, par ko tika runāts rakstā).
Ir arī cita veida dizaini, kas ietver dažādas elektriskās sastāvdaļas. Piemēram, tīklam var pieslēgt tranzistoru, kas atvērs un aizvērs ķēdi ar frekvenci, kas vienāda ar svārstību frekvenci ķēdē. Tādējādi sistēmā tiks izveidotas neslāpētas svārstības.
Kur tiek izmantota svārstību ķēde?
Vispazīstamākais ķēdes komponentu lietojums ir elektromagnēti. Tos savukārt izmanto domofonos, elektromotoros,sensori un daudzās citās ne tik ierastās jomās. Vēl viena lietojumprogramma ir svārstību ģenerators. Faktiski šī shēmas izmantošana mums ir ļoti pazīstama: šādā veidā to izmanto mikroviļņu krāsnī, lai radītu viļņus, un mobilajos un radio sakaros, lai pārraidītu informāciju no attāluma. Tas viss ir saistīts ar to, ka elektromagnētisko viļņu svārstības var kodēt tā, ka kļūst iespējams pārraidīt informāciju lielos attālumos.
Pašu induktors var tikt izmantots kā transformatora elements: divas spoles ar atšķirīgu tinumu skaitu var pārnest savu lādiņu, izmantojot elektromagnētisko lauku. Bet, tā kā solenoīdu raksturlielumi ir atšķirīgi, strāvas indikatori abās ķēdēs, kurām ir pievienoti šie divi induktori, atšķirsies. Tādējādi ir iespējams pārveidot strāvu, kuras spriegums ir, piemēram, 220 volti, strāvā ar spriegumu 12 volti.
Secinājums
Mēs esam sīki izanalizējuši svārstību ķēdes un katras tās daļas darbības principu. Mēs uzzinājām, ka svārstību ķēde ir ierīce, kas paredzēta elektromagnētisko viļņu radīšanai. Tomēr tie ir tikai šo šķietami vienkāršo elementu sarežģītās mehānikas pamati. Jūs varat uzzināt vairāk par ķēdes un tās sastāvdaļu sarežģītību no specializētās literatūras.
