Oscilacijski tokokrog je ... Načelo delovanja

Oscilacijski tokokrog je naprava, namenjena ustvarjanju (ustvarjanju) elektromagnetnih nihanj. Od začetka do danes se uporablja na številnih področjih znanosti in tehnologije: od vsakdanjega do velikih tovarn, ki proizvajajo različne izdelke.

Kaj vsebuje?

Oscilacijski tokokrog je sestavljen iz tuljave in kondenzatorja. Poleg tega lahko vsebuje tudi upor (element z spremenljivim uporom). Tuljavo (ali elektromagnet, kot ga včasih imenujemo) je palica, na katerih navitja navita več plasti, ki na splošno je A bakrena žica. Ta element ustvarja oscilacije v oscilacijskem krogu. Palica v sredini se pogosto imenuje plin ali jedro, tuljava pa se včasih imenuje solenoid.

Tuljava nihajnega kroga ustvarja oscilacije le, če je shranjena polnitev. Ko poteka tok skozi to, se nabere polnjenje, ki se nato v napetost poveča, če napetost pade.

Žice žice ponavadi imajo zelo majhen upor, ki vedno ostane nespremenjen. V tokokrogu oscilacijskega tokokroga se intenzivnost napetosti in toka zelo pogosto spreminja. Ta sprememba je predmet nekaterih matematičnih zakonov:

• U = U₀* cos (w * (t-t₀), kjer
  U je napetost v določenem času t,
  U₀ - napetost v času t₀,
  w je frekvenca elektromagnetnih oscilacij.

Druga sestavni del vezja je električni kondenzator. To je element, sestavljen iz dveh plošč, ki sta ločeni z dielektrično. Debelina plasti med ploščami je manjša od njihovih dimenzij. Ta zasnova vam omogoča kopičenje na dielektrični električni naboj, ki ga lahko nato dobite v verigi.

Razlika med kondenzatorjem in akumulatorjem je, da ni pretvorbe snovi pod vplivom električnega toka, temveč pride do neposrednega kopičenja polnjenja v električnem polju. Tako je s pomočjo kondenzatorja mogoče kopičiti dovolj veliko polnjenje, ki ga je mogoče poslati naenkrat. Istočasno se trenutna moč v tokokrogu močno poveča.

Tudi oscilatorsko vezje sestoji iz enega dodatnega elementa: upora. Ta element ima odpornost in je zasnovan tako, da nadzoruje tok in napetost v tokokrogu. Če pri konstantni napetosti povečamo odpornost upora, potem se bo tok v Ohmovem zakonu zmanjšal:

• I = U / R, kjer
  Jaz sem amperaža,
  U je napetost,
  R je odpornost.

Induktorska tuljava

Poglejmo si vse tanke tuljave in bolje razumemo njegovo funkcijo v oscilacijskem krogu. Kot smo že povedali, upor tega elementa nima nič. Tako, ko je povezava DC povezana s tokokrogom, kratek stik. Če pa tuljavo povežete z izmeničnim tokom, deluje pravilno. To nam omogoča, da zaključimo, da element zagotavlja odpornost na izmenični tok.

Toda zakaj se to dogaja in kako nastane upor na izmenični tok? Da bi odgovorili na to vprašanje, se moramo obrniti na takšen pojav kot samoindustrijo. Ko tok poteka skozi tuljavo, elektromotorna sila (EMF), kar ustvarja oviro za spremembo toka. Velikost te sile je odvisna od dveh dejavnikov: induktivnosti tuljave in izpeljanega toka glede na čas. Matematično je ta odvisnost izražena z enačbo:

• E = -L * I `(t), kjer
  E je vrednost EMF,
  L je induktivna vrednost tuljave (za vsako tuljavo je drugačna in je odvisna od števila navitja tuljav in njihove debeline),
  I `(t) je derivat trenutne jakosti glede na čas (hitrost spremembe trenutne jakosti).

Moč neposrednega toka se s časom ne spreminja, zato se odpornost ne pojavi, ko deluje.

Toda z izmeničnim tokom se vsi njeni parametri nenehno spreminjajo v sinusoidnem ali kosinusnem zakonu, kar ima za posledico EMF, ki preprečuje te spremembe. Ta odpornost se imenuje indukcija in se izračuna po formuli:

• X_L = w * L, kjer
  w je frekvenca oscilacije tokokroga,
  L - tuljava induktivnost.

Tok v elektromagnetu se poveča linearno in se zmanjša glede na različne zakone. To pomeni, da če prekinete oskrbo toka s tuljavo, se bo še naprej polnila v tokokrogu. In če je ta nenadoma prekine tok, da bo streljal iz dejstva, da bo strošek poskusite priti ven in se razdeli tuljavo. To je resen problem v industrijski proizvodnji. Tak učinek (čeprav ni povsem povezan z oscilacijskim krogotokom), lahko opazite, na primer, ko vlečete vtič iz vtičnice. Hkrati pa iskra, ki v takem obsegu ne more škoditi osebi. To je posledica dejstva, da magnetno polje ne izgine takoj, temveč postopoma razprši, ki povzroča tokove v drugih vodnikih. V industrijskem merilu trenutna moč je veliko krat večja od naših običajnih 220 voltov, tako da lahko prekinitev v proizvodni verigi povzroči Sparks takšno silo, ki bo povzročilo veliko škode tako za rastline in človeka.

Tuljava je osnova za to, kaj sestavlja oscilatorno vezje. Dodajo se induktorji serijsko povezanih solenoidov. Nato bomo natančneje preučili vse podrobnosti strukture tega elementa.

Kaj je induktivnost?

Induktivnost tuljave nihajni krog - je posameznik parameter, ki je številčno enaka elektromotorne sile (v voltih), ki se pojavi v tokokrogu, ko tok variacija 1 A 1 sekundo. Če je solenoid priključen na enosmerni strani, njeno induktivnost opisuje energijo magnetnega polja, ki ga ustvarja ta tok s formulo:

• W = (L * I²) / 2, kjer
  W je energija magnetnega polja.

Koeficient induktivnosti je odvisen od številnih dejavnikov: od geometrije elektromagnetnega polja, od magnetnih značilnosti jedra in od števila tuljav žice. Druga lastnost tega kazalca je, da je vedno pozitivna, saj spremenljivke, na katere je odvisno, ne smejo biti negativne.

Induktivnost lahko opredelimo tudi kot lastnost prevodnika s tokom za shranjevanje energije v magnetnem polju. Izmeri se v Henryju (imenovan po ameriškem znanstveniku Josephu Henryju).

Poleg solenoida je oscilatorsko vezje sestavljeno iz kondenzatorja, o katerem bomo razpravljali kasneje.

Električni kondenzator

Kapaciteta oscilacijskega vezja je določena z zmogljivost električnega kondenzator. O svojem videzu je bilo napisano zgoraj. Zdaj pa analiziramo fiziko procesov, ki potekajo v njem.

Ker so kondenzatorske plošče izdelane iz prevodnika, lahko skozi njih teče električni tok. Vendar pa je med obema ploščama je ovira. Izolator (ki jih je lahko zrak, lesa ali drugega materiala z visoko odpornostjo Glede na to, da pristojbina ne more premakniti iz enega konca žice na drugi strani pa je kopičenje je na ploščah kondenzatorja tako povečuje magnetno in električno energijo. polja okoli njega. Tako je ob prenehanju dajatve nadaljuje vse električne energije, ki se nabira na ploščah, začne se pošljejo vezje.

Vsak kondenzator ima nazivno napetost, optimalno za njegovo delovanje. Če ta element deluje dlje časa pri napetosti, ki je višja od nazivne napetosti, se njegova življenjska doba znatno zmanjša. Kondenzatorja nihajnega kroga nenehno vplivajo tokovi, zato je treba pri izbiri to zelo izogibati.

Poleg konvencionalnih kondenzatorjev, o katerih smo razpravljali, obstajajo tudi ionizatorji. To je bolj zapleten element: ga je mogoče opisati kot križ med baterijo in kondenzatorjem. Organske snovi so praviloma dielektrični v ionizatorju, med katerimi je elektrolit. Skupaj ustvarjajo dvojni električni sloj, ki vam omogoča, da se v tem dizajnu včasih nabira več energije kot v tradicionalnem kondenzatorju.

Kakšna je kapacitivnost kondenzatorja?

Capacitor capacitance je razmerje med kondenzatorskim napajanjem in napetostjo, pod katero se nahaja. Za izračun te vrednosti je lahko zelo enostavno s pomočjo matematične formule:

• C = (npr₀* S) / d, kjer
  e₀ - dielektrična konstanta dielektričnega materiala (tabularna vrednost),
  S je površina kondenzatorskih plošč,
  d je razdalja med ploščami.

Odvisnost kapacitivnosti kondenzatorja na razdaljo med elektrodama je mogoče razložiti s pojavom elektrostatičnega indukcije je manjši od razdalje med ploščama, bolj vplivajo drug proti drugemu (Coulombov), večja elektrode polnjenja in manj stresa. Ker se napetost zmanjšuje, se kapacitivnost poveča, ker jo lahko opišemo tudi z naslednjo formulo:

• C = q / U, kjer
  q - polnjenje v kulonih.

Treba je govoriti o enotah tega obsega. Kapaciteta se meri v faradah. 1 farad - dovolj veliko vrednost, da obstoječi kondenzatorji (ne Supercapacitors) imajo kapacitivnost izmerjena v pikofaradih (en trillionth Farad).

Upor

Tok v nihajnem krogotoku je odvisen tudi od odpornosti vezja. Poleg opisanih dveh elementov, od katerih sestavlja oscilatorsko vezje (tuljava, kondenzator), je tudi tretji - upor. Odgovoren je za ustvarjanje upora. Upor se od drugih elementov razlikuje po tem, da ima veliko upornost, kar se lahko pri nekaterih modelih spremeni. V oscilacijskem tokokrogu deluje kot regulator moči magnetnega polja. Možno je povezati več uporov v seriji ali vzporedno, s čimer se poveča odpornost vezja.

Odpornost tega elementa je odvisna tudi od temperature, zato morate paziti na njegovo delovanje v tokokrogu, saj se ob trenutnem toku segreje.

Odpornost uporov merimo v Ohmih, njegova vrednost pa se lahko izračuna po formuli:

• R = (p * l) / S, kjer
  p je upornost uporovnega materiala (izmerjena v (Ohm * mm)²) / m) -
  l - dolžina upora (v metrih) -
  S je prečni prerez (v kvadratnih milimetrih).

Kako povezati konturne parametre?

Zdaj smo zelo blizu fiziki oscilacijskega kroga. Sčasoma se polnjenje na kondenzatorskih ploščah spreminja glede na diferencialno enačbo drugega reda.

Če rešimo to enačbo, dobimo nekaj zanimivih formul, ki opisujejo procese, ki potekajo v vezju. Na primer, ciklična frekvenca se lahko izrazi v smislu kapacitivnosti in induktivnosti.

Vendar je najpreprostejša formula, ki nam omogoča izračun številnih neznanih količin, formula Thomsona (poimenovana po angleškem fiziku Williamu Thomsonu, ki jo je izpeljal leta 1853):

• T = 2 * n * (L * C)^1/2.
  T je obdobje elektromagnetnih nihanj,
  L in C sta induktivnost tuljave oscilacijskega vezja in kapaciteta konturnih elementov,
  n je število pi.

Kakovost

Obstaja še ena pomembna količina, ki je značilna za delo vezja: Q-faktor. Da bi razumeli, kaj je to, se moramo obrniti na takšen proces kot resonanca. Ta pojav, v katerem postane amplituda največja z enako velikostjo sile, ki jo vzdržuje to nihanje. Pojasnite, da je resonanca lahko preprost primer: če začnete potisniti gugalnico v čas s svojo frekvenco, potem se bodo pospešili in njihova "amplituda" se bo povečala. In če ne potisnete v takt, se bodo upočasnili. Na resonanco je veliko energije zelo pogosto razpršeno. Da bi lahko izračunali velikost izgub, je prišlo do parametra, kot je Q-faktor. To je koeficient, ki je enak razmerju energije v sistemu in izgubam, ki se pojavijo v vezju v enem ciklu.

Kvaliteta konture izračunamo po formuli:

• Q = (w₀* W) / P, kje
  w₀ - resonančna ciklična frekvenca oscilacijsko-
  W je energija, shranjena v nihajnem sistemu,
  P je moč razpršena.

Ta parameter je brezmejna količina, saj dejansko kaže razmerje med energijo, shranjeno v izrabljeno energijo.

Kaj je idealno oscilatorno vezje

Za boljše razumevanje procesov v tem sistemu so fiziki prišli do tako imenovanega idealno oscilatorsko vezje. To je matematični model, ki predstavlja vezje kot sistem z ničelnim uporom. V njej se pojavijo nezaščitene harmonične nihanja. Tak model omogoča pridobitev formul za približno izračun parametrov konture. En tak parameter je skupna energija:

• W = (L * I²) / 2.

Takšne poenostavitve občutno pospešijo izračune in omogočajo, da z lastnostmi parametrov ovrednotimo značilnosti verige.

Kako deluje?

Celoten cikel oscilacijskega vezja lahko razdelimo na dva dela. Zdaj bomo podrobno opisali procese, ki potekajo v vsakem delu.

• Prva faza: Tableta kondenzatorja, ki je napolnjena pozitivno, se začne s praznjenjem, ki daje tok vezju. V tem trenutku tok teče od pozitivnega nabora do negativnega, ki poteka skozi tuljavo. Zaradi tega se pojavijo elektromagnetna nihanja v vezju. Tok, ki poteka skozi tuljavo, preide na drugo ploščo in jo napolni pozitivno (medtem ko je prva plošča, s katero je bil potujoči tok, zaračunan negativno).
• Druga faza: se zgodi povratni proces. Tok prehaja iz pozitivne plošče (ki je bila na začetku že negativna) do negativnega, ponovno pa skozi tuljavo. In vse dajatve padejo na svoje mesto.

Cikel se ponovi, dokler se kondenzator ne napolni. V idealnem oscilacijskem tokokrogu se ta proces dogaja neskončno in v resničnem življenju so izgube energije neizogibne zaradi različnih dejavnikov: ogrevanja, ki je posledica obstoja odpornosti v tokokrogu (toplota Joule) in podobno.

Možnosti oblikovanja konture

Poleg enostavnih vezij "kondenzatorja" in "katalizatorja-kondenzatorja" obstajajo tudi druge različice, ki kot osnovo uporabljajo oscilacijski tokokrog. To je na primer vzporedno vezje, ki se razlikuje po tem, da obstaja kot element električnega vezja (ker, če obstaja ločeno, bi bila zaporedna veriga, ki je bila obravnavana v članku).

Obstajajo tudi druge vrste gradnje, vključno z različnimi električnimi komponentami. Na primer, lahko priključite tranzistor v omrežje, ki bo odprlo in zaprlo vezje s frekvenco, enako frekvenci oscilacij v vezju. Tako se v sistemu določijo nezaželene oscilacije.

Kje je uporabljeno oscilacijsko vezje?

Najbolj znana uporaba konturnih komponent je elektromagnet. V zameno se uporabljajo v vratih, električnih motorjih, senzorjih in na mnogih drugih manj pogostih področjih. Druga aplikacija je oscilator. Dejansko je ta uporaba vezja zelo dobro poznana: v tej obliki se uporablja v mikrovalovni pečici za ustvarjanje valov ter v mobilni in radijski komunikaciji za prenos informacij na daljavo. Vse to je posledica dejstva, da se lahko nihanja elektromagnetnih valov kodirajo tako, da je mogoče posredovati informacije na dolge razdalje.

Induktor se lahko uporablja kot element transformatorja: dve tuljavi z drugačnim številom navitij lahko oddajajo svoje polnjenje s pomočjo elektromagnetnega polja. Ampak, ker so značilnosti elektromagnetov drugačne, bodo sedanje vrednosti v obeh krogih, na katera sta povezana ta dva induktorja, različna. Tako je mogoče pretvoriti tok z napetostjo, recimo 220 voltov v tok 12 voltov.

Zaključek

Podrobno smo razstavili načelo delovanja oscilacijskega tokokroga in vsakega njenega dela posebej. Spoznali smo, da je oscilatorsko vezje naprava, ki je zasnovana za ustvarjanje elektromagnetnih valov. Vendar so to le osnove zapletene mehanike teh, navidezno preprostih elementov. Več o tančinah vezja in njegovih komponent lahko izveste iz specializirane literature.