Вагальны контур - гэта ... Прынцып дзеяння

Вагальны контур - гэта прылада, прызначанае для генерацыі (стварэння) электрамагнітных ваганняў. З моманту яго стварэння і па сённяшні дзень ён выкарыстоўваецца ў многіх галінах навукі і тэхнікі: ад паўсядзённым жыцці да велізарных заводаў, якія вырабляюць самую розную прадукцыю.

З чаго ён складаецца?

Вагальны контур складаецца з шпулькі і кандэнсатара. Акрамя таго, у ім таксама можа прысутнічаць рэзістар (элемент з пераменным супрацівам). Шпулька індуктыўнасці (або саленоід, як яе часам называюць) уяўляе сабой стрыжань, на які намотваюцца некалькі слаёў абмоткі, якая, як правіла, уяўляе сабой медную дрот. Менавіта гэты элемент стварае ваганні ў вагальным контуры. Стрыжань, які знаходзіцца ў сярэдзіне, часта называюць дроселем, або стрыжнем, а катушку часам называюць саленоідам.

Шпулька вагальнага контуру стварае ваганні толькі пры наяўнасці запасённого зарада. Пры праходжанні праз яе току яна назапашвае зарад, які затым аддае ў ланцуг, калі напружанне падае.

Провада шпулькі звычайна маюць вельмі маленькае супраціў, якое заўсёды застаецца пастаянным. У ланцугі вагальнага контуру вельмі часта адбываецца змена напругі і сілы току. Гэта змяненне падпарадкоўваецца пэўным матэматычным законам:

• U = U ₀ * cos (w * (tt _0), дзе
  U - напружанне ў дадзены момант часу t,
  U ₀ - напружанне падчас t _0,
  w - частата электрамагнітных ваганняў.

Іншым неад'емным кампанентам контуру з'яўляецца электрычны кандэнсатар. Гэта элемент, які складаецца з двух абкладак, якія падзеленыя паміж сабой дыэлектрыкам. Пры гэтым таўшчыня пласта паміж абкладкамі менш іх памераў. Такая канструкцыя дазваляе назапашваць на дыэлектрыку электрычны зарад, які потым можна аддаць у ланцуг.

Адрозненне кандэнсатара ад акумулятара ў тым, што ў ім не адбываецца ператварэння рэчываў пад дзеяннем электрычнага току, а адбываецца непасрэднае назапашванне зарада ў электрычным полі. Такім чынам, з дапамогай кандэнсатара можна назапасіць дастаткова вялікі зарад, аддаваць які можна ўвесь адразу. Пры гэтым сіла току ў ланцугі моцна ўзрастае.

Таксама вагальны контур складаецца з яшчэ аднаго элемента: рэзістара. Гэты элемент валодае супрацівам і прызначаны для кантралявання сілы току і напружання ў ланцугі. Калі пры пастаянным напружанні павялічваць супраціў рэзістара, то сіла току будзе змяншацца па законе Ома:

• I = U / R, дзе
  I - сіла току,
  U - напружанне,
  R - супраціў.

шпулька індуктыўнасці

Давайце больш падрабязна разгледзім усе тонкасці працы шпулькі індуктыўнасці і лепш зразумеем яе функцыю ў вагальным контуры. Як мы ўжо казалі, супраціў гэтага элемента імкнецца да нуля. Такім чынам, пры падключэнні да ланцуга пастаяннага току адбылося б кароткае замыканне. Аднак калі падключаць катушку ў ланцуг пераменнага току, яна працуе спраўна. Гэта дазваляе зрабіць выснову аб тым, што элемент аказвае супраціў пераменнаму току.

Але чаму гэта адбываецца і як узнікае супраціў пры пераменным току? Для адказу на гэтае пытанне нам трэба звярнуцца да такой з'явы, як самаіндукцыі. Пры праходжанні току па шпульцы ў ёй узнікае электрарухаючая сіла (ЭРС), якая стварае перашкода змене току. Велічыня гэтай сілы залежыць ад двух фактараў: індуктыўнасці шпулькі і вытворнай сілы току па часе. Матэматычна гэтая залежнасць выяўляецца праз раўнанне:

• E = -L * I '(t), дзе
  E - значэнне ЭРС,
  L - велічыня індуктыўнасці шпулькі (для кожнай шпулькі яна розная і залежыць ад колькасці маткоў абмоткі і іх таўшчыні),
  I '(t) - вытворная сілы току па часе (хуткасць змены сілы току).

Сіла пастаяннага току з часам не змяняецца, таму супраціву пры яго уздзеянні не ўзнікае.

Але пры пераменным току ўсе яго параметры пастаянна змяняюцца па сінусоіднага або косинусоидальному закону, з прычыны чаго ўзнікае ЭРС, якая перашкаджае гэтых змяненняў. Такі супраціў называюць індукцыйным і вылічаюць па формуле:

• X _L = w * L, дзе
  w - частата ваганняў контуру,
  L - індуктыўнасць шпулькі.

Сіла току ў саленоід лінейна нарастае і меншае па розных законах. Гэта значыць, што калі спыніць падачу току ў катушку, яна будзе працягваць некаторы час аддаваць зарад у ланцуг. А калі пры гэтым рэзка перапыніць падачу току, то будзе адбывацца ўдар з-за таго, што зарад будзе спрабаваць размеркавацца і выйсці з шпулькі. Гэта - сур'ёзная праблема ў прамысловай вытворчасці. Такі эфект (хоць і не зусім звязаны з вагальным контурам) можна назіраць, напрыклад, пры выцягванні відэльцы з разеткі. Пры гэтым праскоквае іскра, якая ў такіх маштабах не ў сілах нанесці шкоду чалавеку. Яна абумоўлена тым, што магнітнае поле не знікае адразу, а паступова рассейваецца, индуцируя токі ў іншых правадырах. У прамысловых маштабах сіла току ў шмат разоў больш звыклых нам 220 вольт, таму пры перапыненні ланцуга на вытворчасці могуць узнікнуць іскры такой сілы, што прычыняць нямала шкоды як заводу, так і чалавеку.

Шпулька - гэта аснова таго, з чаго вагальны контур складаецца. Індуктыўнасці паслядоўна уключаных саленоідам складаюцца. Далей мы падрабязней разгледзім усе тонкасці будовы гэтага элемента.

Што такое індуктыўнасць?

Індуктыўнасць шпулькі вагальнага контуру - гэта індывідуальны паказчык, лікава роўны электрарухаючая сіле (у вольтах), якая ўзнікае ў ланцугі пры змене сілы току на 1 А за 1 секунду. Калі саленоід падлучаны да ланцуга пастаяннага току, то яе індуктыўнасць апісвае энергію магнітнага поля, якое ствараецца гэтым токам па формуле:

• W = (L * I ²⁾ / 2, дзе
  W - энергія магнітнага поля.

Каэфіцыент індуктыўнасці залежыць ад шматлікіх фактараў: ад геаметрыі саленоіда, ад магнітных характарыстык стрыжня і ад колькасці маткоў дроту. Яшчэ адна ўласцівасць гэтага паказчыка ў тым, што ён заўсёды дадатны, таму што зменныя, ад якіх яна залежыць, не могуць быць адмоўнымі.

Індуктыўнасць таксама можна вызначыць як ўласцівасць правадніка з токам назапашваць энергію ў магнітным полі. Яна вымяраецца ў Генры (названая ў гонар амерыканскага навукоўца Джозэфа Генры).

Акрамя саленоіда вагальны контур складаецца з кандэнсатара, пра які пойдзе гаворка далей.

электрычны кандэнсатар

Ёмістасць вагальнага контуру вызначаецца ёмістасцю электрычнага кандэнсатара. Пра яго знешнім выглядзе было напісана вышэй. Зараз разбярэм фізіку працэсаў, якія працякаюць у ім.

Бо абкладкі кандэнсатара зробленыя з правадыра, то па іх можа цечу электрычны ток. Аднак паміж двума пласцінамі ёсць перашкода: дыэлектрык (ім можа быць паветра, дрэва або іншы матэрыял з высокім супрацівам. Дзякуючы таму што зарад не можа перайсці ад аднаго канца провада да іншага, адбываецца назапашванне яго на абкладках кандэнсатара. Тым самым узрастае магутнасць магнітнага і электрычнага палёў вакол яго. Такім чынам, пры спыненні паступлення зарада ўся электраэнергія, назапашаная на абкладках, пачынае перадавацца ў ланцуг.

Кожны кандэнсатар мае намінальнае напружанне, аптымальнае для яго працы. Калі доўга эксплуатаваць гэты элемент пры напрузе вышэй намінальнага, тэрмін яго службы значна скарачаецца. Кандэнсатар вагальнага контуру пастаянна схільны ўплыву токаў, і таму пры яго выбары трэба быць вельмі ўважлівым.

Акрамя звычайных кандэнсатараў, аб якіх ішла гаворка, ёсць таксама ионисторы. Гэта больш складаны элемент: яго можна апісаць як нешта сярэдняе паміж акумулятарам і кандэнсатарам. Як правіла, дыэлектрыкам ў ионисторе служаць арганічныя рэчывы, паміж якімі знаходзіцца электраліт. Разам яны ствараюць двайны электрычны пласт, які і дазваляе назапашваць у гэтай канструкцыі ў разы больш энергіі, чым у традыцыйным кандэнсатары.

Што такое ёмістасць кандэнсатара?

Ёмістасць кандэнсатара ўяўляе сабой стаўленне зарада кандэнсатара да напругі, пад якім ён знаходзіцца. Палічыць гэтую велічыню можна вельмі проста з дапамогай матэматычнай формулы:

• C = (e ₀ * S) / d, дзе
  e ₀ - дыэлектрычная пранікальнасць матэрыялу дыэлектрыка (Таблічная велічыня),
  S - плошча абкладак кандэнсатара,
  d - адлегласць паміж пласцінамі.

Залежнасць ёмістасці кандэнсатара ад адлегласці паміж абкладкамі тлумачыцца з'явай электрастатычнай індукцыі: чым менш адлегласць паміж пласцінамі, тым мацней яны ўплываюць адзін на аднаго (па законе Кулона), тым больш зарад абкладак і менш напружанне. А пры памяншэнні напругі павялічваецца значэнне ёмістасці, бо яе таксама можна апісаць наступнай формулай:

• C = q / U, дзе
  q - зарад у кулонах.

Варта пагаварыць аб адзінках вымярэння гэтай велічыні. Ёмістасць вымяраецца ў Фарада. 1 фарад - досыць вялікая велічыня, таму існуючыя кандэнсатары (але не ионисторы) маюць ёмістасць, вымяраную ў пикофарадах (адна трыльённая Фарада).

рэзістар

Ток у вагальным контуры залежыць таксама ад супраціву ланцуга. І акрамя апісаных двух элементаў, з якіх складаецца вагальны контур (шпулькі, кандэнсатара), маецца яшчэ і трэці - рэзістар. Ён адказвае за стварэнне супраціву. Рэзістар адрозніваецца ад іншых элементаў тым, што мае вялікі супраціў, якое ў некаторых мадэлях можна змяняць. У вагальным контуры ён выконвае функцыю рэгулятара магутнасці магнітнага поля. Можна злучыць некалькі рэзістараў паслядоўна або паралельна, тым самым павялічыўшы супраціў ланцуга.

Супраціў гэтага элемента залежыць таксама ад тэмпературы, таму варта быць уважлівым да яго працы ў ланцугі, так як пры праходжанні току ён награваецца.

Супраціў рэзістара вымяраецца ў омах, а яго значэнне можна вылічыць па формуле:

• R = (p * l) / S, дзе
  p - ўдзельнае супраціў матэрыялу рэзістара (вымяраецца ў (Ом * мм ²⁾ / м);
  l - даўжыня рэзістара (у метрах);
  S - плошча перасеку (у квадратных міліметрах).

Як звязаць параметры контуру?

Цяпер мы ўшчыльную падышлі да фізікі працы вагальнага контуру. З часам зарад на абкладках кандэнсатара змяняецца згодна дыфэрэнцыйным раўнанні другога парадку.

Калі вырашыць гэтае раўнанне, з яго варта некалькі цікавых формул, якія апісваюць працэсы, якія праходзяць у контуры. Напрыклад, цыклічную частату можна выказаць праз ёмістасць і індуктыўнасць.

Аднак найбольш простая формула, якая дазваляе вылічыць многія невядомыя велічыні, - формула Томсана (названая ў гонар ангельскага фізіка Уільяма Томсана, які вывеў яе ў 1853 годзе):

• T = 2 * п * (L * C) ^1/2.
  T - перыяд электрамагнітных ваганняў,
  L і C - адпаведна, індуктыўнасць шпулькі вагальнага контуру і ёмістасць элементаў контуру,
  п - колькасць пі.

дыхтоўнасць

Ёсць яшчэ адна важная велічыня, якая характарызуе працу контуру, - дыхтоўнасць. Для таго каб зразумець, што гэта такое, трэба звярнуцца да такога працэсу, як рэзананс. Гэта з'ява, пры якім амплітуда становіцца максімальнай пры нязменнай велічыні сілы, якая гэта ваганне падтрымлівае. Растлумачыць рэзананс можна на простым прыкладзе: калі вы пачняце падштурхоўваць арэлі ў такт іх частаце, то яны будуць паскарацца, а іх "амплітуда" будзе ўзрастаць. А калі будзеце штурхаць не ў такт, то яны будуць запавольвацца. Пры рэзанансе вельмі часта рассейваецца шмат энергіі. Для таго каб можна было вылічыць велічыні страт, прыдумалі такі параметр, як дыхтоўнасць. Яна ўяўляе сабой каэфіцыент, роўны адносінам энергіі, якая знаходзіцца ў сістэме, да страт, тым, што адбываецца ў ланцугі за адзін цыкл.

Дыхтоўнасць контуру вылічаецца па формуле:

• Q = (w ₀ * W) / P, дзе
  w ₀ - рэзанансная цыклічная частата ваганняў;
  W - энергія, запасённая ў вагальнай сістэме;
  P - рассейваная магутнасць.

Гэты параметр - беспамерныя велічыня, бо фактычна паказвае стаўленне энергій: запасённой да выдаткаванай.

Што такое ідэальны вагальны контур

Для лепшага разумення працэсаў у гэтай сістэме фізікі прыдумалі так званы ідэальны вагальны контур. Гэта матэматычная мадэль, якая прадстаўляе ланцуг як сістэму з нулявым супрацівам. У ёй узнікаюць незатухающие гарманічныя ваганні. Такая мадэль дазваляе атрымаць формулы набліжанага вылічэнні параметраў контуру. Адзін з такіх параметраў - поўная энергія:

• W = (L * I ²⁾ / 2.

Такія спрашчэння істотна паскараюць разлікі і дазваляюць ацаніць характарыстыкі ланцуга з зададзенымі паказчыкамі.

Як гэта працуе?

Увесь цыкл працы вагальнага контуру можна падзяліць на дзве часткі. Зараз мы падрабязна разбяром працэсы, якія адбываюцца ў кожнай часткі.

• Першая фаза: пласціна кандэнсатара, зараджаная станоўча, пачынае разряжаться, аддаючы ток у ланцуг. У гэты момант ток ідзе ад станоўчага зарада да адмоўнага, праходзячы пры гэтым праз катушку. З прычыны гэтага ў контуры ўзнікаюць электрамагнітныя ваганні. Ток, прайшоўшы праз катушку, пераходзіць на другую пласціну і зараджае яе станоўча (тады як першая абкладка, з якой ішоў ток, зараджаецца адмоўна).
• Другая фаза: адбываецца прама зваротны працэс. Ток пераходзіць з станоўчай пласціны (якая ў самым пачатку была адмоўнай) на адмоўную, праходзячы зноў праз катушку. І ўсё зарады ўстаюць на свае месцы.

Цыкл паўтараецца да таго часу, пакуль на кандэнсатары будзе зарад. У ідэальным вагальным контуры гэты працэс адбываецца бясконца, а ў рэальным непазбежныя страты энергіі з-за розных фактараў: нагрэву, які адбываецца з-за існавання супраціву ў ланцугі (джоулевое цяпло), і да таго падобнае.

Варыянты канструкцыі контуру

Акрамя простых ланцугоў «шпулька-кандэнсатар» і «шпулька-рэзістар-кандэнсатар», існуюць і іншыя варыянты, якія выкарыстоўваюць у якасці асновы вагальны контур. Гэта, напрыклад, паралельны контур, які адрозніваецца тым, што існуе як элемент электрычнага ланцуга (таму як, існуй ён асобна, то з'яўляўся б паслядоўнай ланцугом, пра якую і ішла гаворка ў артыкуле).

Таксама існуюць і іншыя віды канструкцыі, якія ўключаюць розныя электратэхнічныя кампаненты. Напрыклад, можна падлучаць у сетку транзістар, які будзе размыкать і замыкаць ланцуг з частатой, роўнай частатой ваганняў у контуры. Такім чынам, у сістэме ўсталююцца незатухающие ваганні.

Дзе ўжываецца вагальны контур?

Самае знаёмае нам прымяненне складнікаў контуру - гэта электрамагніты. Яны, у сваю чаргу, выкарыстоўваюцца ў дамафон, электрарухавіках, датчыках і ў многіх іншых не гэтак звычайных абласцях. Іншае прымяненне - генератар ваганняў. На самай справе гэта выкарыстанне контуру нам вельмі знаёма: у гэтым выглядзе ён ужываецца ў мікрахвалеўцы для стварэння хваль і ў мабільнай і радыёсувязі для перадачы інфармацыі на адлегласць. Усё гэта адбываецца дзякуючы таму, што ваганні электрамагнітных хваль можна закадаваць такім чынам, што стане магчымым перадаваць інфармацыю на вялікія адлегласці.

Шпулька індуктыўнасці сама па сабе можа выкарыстоўвацца як элемент трасформатора: дзве шпулькі з розным лікам абмотак могуць перадаваць з дапамогай электрамагнітнага поля свой зарад. Але так як характарыстыкі саленоідам адрозніваюцца, то і паказчыкі току ў двух ланцугах, да якіх падлучаныя гэтыя дзве індуктыўнасці, будуць адрознівацца. Такім чынам, можна пераўтвараць ток з напругай, скажам, у 220 вольт у ток з напругай у 12 вольт.

заключэнне

Мы падрабязна разабралі прынцып працы вагальнага контуру і кожнай яго часткі паасобку. Мы даведаліся, што вагальны контур - гэта прылада, прызначанае для стварэння электрамагнітных хваль. Аднак гэта толькі асновы складанай механікі гэтых, з выгляду простых, элементаў. Даведацца больш пра тонкасці працы контуру і яго складнікаў можна з спецыялізаванай літаратуры.