Ang oscillatory circuit ay isang device na idinisenyo upang bumuo (lumikha) ng mga electromagnetic oscillations. Mula sa pagsisimula nito hanggang sa kasalukuyan, ginagamit na ito sa maraming larangan ng agham at teknolohiya: mula sa pang-araw-araw na buhay hanggang sa malalaking pabrika na gumagawa ng iba't ibang uri ng produkto.
Ano ang gawa nito?
Ang oscillatory circuit ay binubuo ng coil at capacitor. Bilang karagdagan, maaari rin itong maglaman ng isang risistor (elemento na may variable na pagtutol). Ang isang inductor (o solenoid, na kung minsan ay tinatawag) ay isang baras na kung saan ay nasugatan ng ilang mga patong ng paikot-ikot, na, bilang panuntunan, ay isang tansong kawad. Ito ang elementong ito na lumilikha ng mga oscillations sa oscillatory circuit. Ang baras sa gitna ay kadalasang tinatawag na choke o core, at ang coil ay tinatawag minsan na solenoid.
Ang oscillatory circuit coil ay nag-o-oscillate lamang kapag may naka-imbak na singil. Kapag dumaan dito ang kasalukuyang, nag-iipon ito ng singil, na ibibigay nito sa circuit kung bumaba ang boltahe.
Ang mga coil wire ay karaniwang may napakakaunting resistensya, na palaging nananatiling pare-pareho. Sa circuit ng isang oscillating circuit, madalas na nangyayari ang pagbabago sa boltahe at kasalukuyang. Ang pagbabagong ito ay napapailalim sa ilang partikular na batas sa matematika:
-
U=U0cos(w(t-t0), kung saan
U ang kasalukuyang boltahe punto sa oras t, U0 - boltahe sa oras t0, w - dalas ng electromagnetic oscillations.
Ang isa pang mahalagang bahagi ng circuit ay ang electrical capacitor. Ito ay isang elemento na binubuo ng dalawang plato, na pinaghihiwalay ng isang dielectric. Sa kasong ito, ang kapal ng layer sa pagitan ng mga plato ay mas mababa kaysa sa kanilang mga sukat. Binibigyang-daan ka ng disenyong ito na makaipon ng electric charge sa dielectric, na maaaring ilipat sa circuit.
Ang pagkakaiba sa pagitan ng isang capacitor at isang baterya ay walang pagbabago ng mga sangkap sa ilalim ng pagkilos ng isang electric current, ngunit isang direktang akumulasyon ng singil sa isang electric field. Kaya, sa tulong ng isang kapasitor, posible na makaipon ng isang sapat na malaking singil, na maaaring ibigay nang sabay-sabay. Sa kasong ito, ang kasalukuyang lakas sa circuit ay tumataas nang husto.
Gayundin, ang oscillatory circuit ay binubuo ng isa pang elemento: isang risistor. Ang elementong ito ay may resistensya at idinisenyo upang kontrolin ang kasalukuyang at boltahe sa circuit. Kung ang paglaban ng risistor ay nadagdagan sa isang pare-parehong boltahe, kung gayon ang kasalukuyang lakas ay bababa ayon sa batasOma:
-
I=U/R, kung saan
I ay kasalukuyang, U ay boltahe, R ay resistance.
Inductor
Tingnan natin ang lahat ng mga subtleties ng inductor at mas maunawaan ang function nito sa isang oscillatory circuit. Tulad ng nasabi na natin, ang paglaban ng elementong ito ay may posibilidad na zero. Kaya, kapag nakakonekta sa isang DC circuit, isang maikling circuit ang magaganap. Gayunpaman, kung ikinonekta mo ang coil sa isang AC circuit, ito ay gumagana nang maayos. Binibigyang-daan ka nitong isiping nag-aalok ang elemento ng paglaban sa alternating current.
Ngunit bakit ito nangyayari at paano lumalabas ang paglaban sa alternating current? Upang masagot ang tanong na ito, kailangan nating bumaling sa isang kababalaghan bilang self-induction. Kapag ang kasalukuyang dumadaan sa likid, isang electromotive force (EMF) ang lumitaw dito, na lumilikha ng isang balakid sa pagbabago ng kasalukuyang. Ang magnitude ng puwersang ito ay nakasalalay sa dalawang kadahilanan: ang inductance ng coil at ang derivative ng kasalukuyang lakas na may paggalang sa oras. Sa matematika, ang pag-asa na ito ay ipinahayag sa pamamagitan ng equation:
-
E=-LI'(t), kung saan
E ang EMF value, L ang value ng coil inductance (para sa bawat coil ito ay iba at depende sa bilang ng mga coils ng winding at ang kanilang mga kapal), I'(t) - hinango ng kasalukuyang lakas na may paggalang sa oras (ang rate ng pagbabago ng kasalukuyang lakas).
Ang direktang kasalukuyang lakas ay hindi nagbabago sa paglipas ng panahon, kaya walang panlaban kapag nalantad dito.
Ngunit sa alternating current, ang lahat ng mga parameter nito ay patuloy na nagbabago ayon sa sinusoidal o cosine na batas,bilang resulta, lumilitaw ang isang EMF na pumipigil sa mga pagbabagong ito. Ang ganitong pagtutol ay tinatawag na inductive at kinakalkula ng formula:
- XL =wL
Ang kasalukuyang sa solenoid ay linear na tumataas at bumababa ayon sa iba't ibang batas. Nangangahulugan ito na kung ihihinto mo ang kasalukuyang supply sa coil, ito ay patuloy na magbibigay ng singil sa circuit sa loob ng ilang panahon. At kung sa parehong oras ang kasalukuyang supply ay biglang nagambala, kung gayon ang isang pagkabigla ay magaganap dahil sa ang katunayan na ang singil ay susubukan na ipamahagi at lumabas sa likid. Ito ay isang seryosong problema sa industriyal na produksyon. Ang ganitong epekto (bagaman hindi ganap na nauugnay sa oscillatory circuit) ay maaaring maobserbahan, halimbawa, kapag hinila ang plug mula sa socket. Kasabay nito, ang isang spark ay tumalon, na sa gayong sukat ay hindi makapinsala sa isang tao. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang magnetic field ay hindi agad nawawala, ngunit unti-unting nawawala, na nag-uudyok sa mga alon sa iba pang mga konduktor. Sa isang pang-industriya na sukat, ang kasalukuyang lakas ay maraming beses na mas malaki kaysa sa 220 volts na nakasanayan natin, kaya kapag ang isang circuit ay naantala sa produksyon, ang mga spark ng ganoong lakas ay maaaring mangyari na nagdudulot ng malaking pinsala sa halaman at sa tao.
Ang coil ay ang batayan ng kung ano ang binubuo ng isang oscillatory circuit. Ang mga inductance ng mga solenoid sa serye ay nagdaragdag. Susunod, titingnan natin ang lahat ng mga subtlety ng istruktura ng elementong ito.
Ano ang inductance?
Ang inductance ng coil ng isang oscillatory circuit ay isang indibidwal na indicator na katumbas ng bilang ng electromotive force (sa volts) na nangyayari sa circuit kapagpagbabago sa kasalukuyang ng 1 A sa 1 segundo. Kung ang solenoid ay konektado sa isang DC circuit, ang inductance nito ay naglalarawan ng enerhiya ng magnetic field na nilikha ng kasalukuyang ito ayon sa formula:
-
W=(LI2)/2, kung saan
W ang magnetic field energy.
Ang inductance factor ay nakasalalay sa maraming mga kadahilanan: sa geometry ng solenoid, sa magnetic na katangian ng core at sa bilang ng mga coils ng wire. Ang isa pang katangian ng indicator na ito ay palaging positibo, dahil hindi maaaring negatibo ang mga variable kung saan ito nakasalalay.
Ang
Inductance ay maaari ding tukuyin bilang pag-aari ng isang kasalukuyang nagdadala ng conductor upang mag-imbak ng enerhiya sa isang magnetic field. Sinusukat ito sa Henry (pinangalanan sa American scientist na si Joseph Henry).
Bilang karagdagan sa solenoid, ang oscillatory circuit ay binubuo ng isang capacitor, na tatalakayin sa ibang pagkakataon.
Electric Capacitor
Ang capacitance ng oscillatory circuit ay tinutukoy ng capacitance ng electric capacitor. Tungkol sa kanyang hitsura ay nakasulat sa itaas. Ngayon, suriin natin ang pisika ng mga prosesong nagaganap dito.
Dahil ang mga capacitor plate ay gawa sa isang konduktor, maaaring dumaloy ang isang electric current sa kanila. Gayunpaman, mayroong isang balakid sa pagitan ng dalawang plato: isang dielectric (maaari itong hangin, kahoy o iba pang materyal na may mataas na pagtutol. Dahil sa ang katunayan na ang singil ay hindi maaaring lumipat mula sa isang dulo ng wire patungo sa isa pa, ito ay naipon sa capacitor plates. Pinapataas nito ang kapangyarihan ng magnetic at electric field sa paligid nito.ang kuryenteng naipon sa mga plato ay nagsisimula nang ilipat sa circuit.
Ang bawat capacitor ay may rating ng boltahe na pinakamainam para sa operasyon nito. Kung ang elementong ito ay pinapatakbo nang mahabang panahon sa isang boltahe sa itaas ng na-rate na boltahe, ang buhay ng serbisyo nito ay makabuluhang nabawasan. Ang oscillatory circuit capacitor ay patuloy na naaapektuhan ng mga agos, at samakatuwid, sa pagpili nito, dapat kang maging lubhang maingat.
Bilang karagdagan sa mga karaniwang capacitor na tinalakay, mayroon ding mga ionistor. Ito ay isang mas kumplikadong elemento: maaari itong ilarawan bilang isang krus sa pagitan ng isang baterya at isang kapasitor. Bilang isang patakaran, ang mga organikong sangkap ay nagsisilbing isang dielectric sa isang ionistor, sa pagitan ng kung saan mayroong isang electrolyte. Magkasama silang lumikha ng double electrical layer, na nagbibigay-daan sa iyong makaipon sa disenyong ito nang maraming beses na mas maraming enerhiya kaysa sa tradisyonal na capacitor.
Ano ang capacitance ng capacitor?
Ang kapasidad ng isang kapasitor ay ang ratio ng singil ng kapasitor sa boltahe kung saan ito matatagpuan. Maaari mong kalkulahin ang halagang ito nang napakasimple gamit ang mathematical formula:
-
C=(e0S)/d, kung saan
e0 ang permittivity ng dielectric material (table value), S - ang lugar ng mga capacitor plate, d - ang distansya sa pagitan ng mga plate.
Ang pag-asa ng kapasidad ng kapasitor sa distansya sa pagitan ng mga plato ay ipinaliwanag ng kababalaghan ng electrostatic induction: mas maliit ang distansya sa pagitan ng mga plato, mas malakas ang epekto nito sa isa't isa (ayon sa batas ng Coulomb), ang mas malaki ang singil ng mga plato at mas mababa ang boltahe. At habang bumababa ang boltahetumataas ang halaga ng kapasidad, dahil maaari rin itong ilarawan ng sumusunod na formula:
-
C=q/U, kung saan
q ang singil sa coulomb.
Nararapat na pag-usapan ang tungkol sa mga yunit ng dami na ito. Ang kapasidad ay sinusukat sa farads. Ang 1 farad ay isang malaking halaga na ang mga kasalukuyang capacitor (ngunit hindi mga ionistor) ay may kapasidad na sinusukat sa picofarads (isang trilyong farad).
Resistor
Ang kasalukuyang nasa oscillatory circuit ay nakadepende din sa resistensya ng circuit. At bilang karagdagan sa dalawang elemento na inilarawan na bumubuo sa oscillatory circuit (coils, capacitors), mayroon ding pangatlo - isang risistor. Siya ang may pananagutan sa paglikha ng paglaban. Ang risistor ay naiiba sa iba pang mga elemento dahil mayroon itong malaking pagtutol, na maaaring mabago sa ilang mga modelo. Sa oscillatory circuit, ito ay gumaganap ng function ng isang magnetic field power regulator. Maaari mong ikonekta ang ilang mga resistor sa serye o kahanay, sa gayon ay tumataas ang resistensya ng circuit.
Ang paglaban ng elementong ito ay nakadepende rin sa temperatura, kaya dapat kang mag-ingat sa pagpapatakbo nito sa circuit, dahil umiinit ito kapag dumaan ang kasalukuyang.
Ang resistor resistance ay sinusukat sa Ohms, at ang halaga nito ay maaaring kalkulahin gamit ang formula:
-
R=(pl)/S, kung saan
p ay ang resistivity ng resistor material (sinusukat sa (Ohmmm2)/m);
l - haba ng resistor (sa metro);
S - sectional area (sa square millimeters).
Paano i-link ang mga parameter ng path?
Ngayon malapit na tayo sa physicspagpapatakbo ng oscillatory circuit. Sa paglipas ng panahon, nagbabago ang singil sa mga capacitor plate ayon sa isang second-order differential equation.
Kung lutasin mo ang equation na ito, maraming kawili-wiling mga formula ang susunod dito, na naglalarawan sa mga prosesong nagaganap sa circuit. Halimbawa, ang cyclic frequency ay maaaring ipahayag sa mga tuntunin ng capacitance at inductance.
Gayunpaman, ang pinakasimpleng formula na nagbibigay-daan sa iyong kalkulahin ang maraming hindi kilalang dami ay ang Thomson formula (pinangalanan sa English physicist na si William Thomson, na nagmula nito noong 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - ang panahon ng electromagnetic oscillations, L at C - ayon sa pagkakabanggit, ang inductance ng coil ng oscillatory circuit at ang kapasidad ng mga elemento ng circuit, p - ang numerong pi.
Q factor
May isa pang mahalagang halaga na nagpapakilala sa pagpapatakbo ng circuit - ang kadahilanan ng kalidad. Upang maunawaan kung ano ito, dapat isa ay bumaling sa isang proseso bilang resonance. Ito ay isang phenomenon kung saan ang amplitude ay nagiging maximum na may pare-parehong halaga ng puwersa na sumusuporta sa oscillation na ito. Ang resonance ay maaaring ipaliwanag sa isang simpleng halimbawa: kung sinimulan mong itulak ang swing sa beat ng dalas nito, pagkatapos ay mapabilis ito, at tataas ang "amplitude" nito. At kung itulak mo nang wala sa oras, babagal sila. Sa resonance, maraming enerhiya ang madalas na nawawala. Upang makalkula ang magnitude ng mga pagkalugi, nakabuo sila ng isang parameter bilang ang kadahilanan ng kalidad. Ito ay isang ratio na katumbas ng ratioenerhiya sa system sa mga pagkalugi na nagaganap sa circuit sa isang cycle.
Ang quality factor ng circuit ay kinakalkula ng formula:
-
Q=(w0W)/P, kung saan
w0 - resonant cyclic oscillation frequency;
W - enerhiya na nakaimbak sa oscillatory system;
P - power dissipation.
Ang parameter na ito ay isang walang sukat na halaga, dahil talagang ipinapakita nito ang ratio ng enerhiya: nakaimbak sa ginastos.
Ano ang perpektong oscillatory circuit
Para sa isang mas mahusay na pag-unawa sa mga proseso sa sistemang ito, ang mga physicist ay gumawa ng tinatawag na ideal oscillatory circuit. Ito ay isang mathematical model na kumakatawan sa isang circuit bilang isang sistema na may zero resistance. Ito ay gumagawa ng undamped harmonic oscillations. Ang ganitong modelo ay ginagawang posible na makakuha ng mga formula para sa tinatayang pagkalkula ng mga parameter ng contour. Ang isa sa mga parameter na ito ay kabuuang enerhiya:
W=(LI2)/2.
Ang ganitong mga pagpapasimple ay makabuluhang nagpapabilis ng mga kalkulasyon at ginagawang posible na suriin ang mga katangian ng isang circuit na may mga ibinigay na indicator.
Paano ito gumagana?
Ang buong cycle ng oscillatory circuit ay maaaring hatiin sa dalawang bahagi. Ngayon ay susuriin namin nang detalyado ang mga prosesong nagaganap sa bawat bahagi.
- Unang yugto: Nagsisimulang magdischarge ang positively charged capacitor plate, na nagbibigay ng current sa circuit. Sa sandaling ito, ang kasalukuyang ay napupunta mula sa isang positibong singil patungo sa isang negatibo, na dumadaan sa likid. Bilang resulta, nangyayari ang mga electromagnetic oscillations sa circuit. kasalukuyang dumadaancoil, pumunta sa pangalawang plato at sinisingil ito nang positibo (samantalang ang unang plato, kung saan dumaloy ang kasalukuyang, ay negatibong sinisingil).
- Ikalawang yugto: nagaganap ang baligtad na proseso. Ang kasalukuyang pumasa mula sa positibong plato (na negatibo sa pinakadulo simula) patungo sa negatibo, na dumadaan muli sa likid. At lahat ng mga singil ay napapatupad.
Uulit ang cycle hangga't may charge sa capacitor. Sa isang perpektong oscillatory circuit, ang prosesong ito ay nagpapatuloy nang walang hanggan, ngunit sa isang tunay, ang pagkawala ng enerhiya ay hindi maiiwasan dahil sa iba't ibang mga kadahilanan: pag-init, na nangyayari dahil sa pagkakaroon ng resistensya sa circuit (Joule heat), at mga katulad nito.
Mga opsyon sa disenyo ng contour
Bukod sa simpleng "coil-capacitor" at "coil-resistor-capacitor" na mga circuit, may iba pang mga opsyon na gumagamit ng oscillatory circuit bilang batayan. Ito, halimbawa, ay isang parallel circuit, na naiiba sa pagkakaroon nito bilang isang elemento ng isang de-koryenteng circuit (dahil, kung ito ay umiiral nang hiwalay, ito ay magiging isang serye ng circuit, na tinalakay sa artikulo).
Mayroon ding iba pang mga uri ng disenyo na may kasamang iba't ibang bahagi ng kuryente. Halimbawa, maaari mong ikonekta ang isang transistor sa network, na magbubukas at magsasara ng circuit na may dalas na katumbas ng dalas ng oscillation sa circuit. Kaya, ang mga undamped oscillations ay itatatag sa system.
Saan ginagamit ang oscillatory circuit?
Ang pinakapamilyar na paggamit ng mga bahagi ng circuit ay mga electromagnet. Ang mga ito, naman, ay ginagamit sa mga intercom, mga de-koryenteng motor,mga sensor at sa maraming iba pang hindi pangkaraniwang mga lugar. Ang isa pang application ay isang oscillation generator. Sa katunayan, ang paggamit ng circuit na ito ay pamilyar sa amin: sa form na ito ginagamit ito sa microwave upang lumikha ng mga alon at sa mga komunikasyon sa mobile at radyo upang magpadala ng impormasyon sa isang distansya. Ang lahat ng ito ay dahil sa ang katunayan na ang mga oscillations ng electromagnetic waves ay maaaring ma-encode sa paraang nagiging posible na magpadala ng impormasyon sa malalayong distansya.
Ang inductor mismo ay maaaring gamitin bilang isang elemento ng isang transpormer: dalawang coils na may magkaibang bilang ng mga windings ay maaaring ilipat ang kanilang singil gamit ang isang electromagnetic field. Ngunit dahil ang mga katangian ng mga solenoid ay naiiba, ang kasalukuyang mga tagapagpahiwatig sa dalawang circuits kung saan ang dalawang inductor ay konektado ay magkakaiba. Kaya, posibleng i-convert ang isang kasalukuyang may boltahe na, halimbawa, 220 volts sa isang kasalukuyang may boltahe na 12 volts.
Konklusyon
Nasuri namin nang detalyado ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng oscillatory circuit at ang bawat bahagi nito nang hiwalay. Nalaman namin na ang isang oscillatory circuit ay isang aparato na idinisenyo upang lumikha ng mga electromagnetic wave. Gayunpaman, ang mga ito ay mga pangunahing kaalaman lamang ng kumplikadong mekanika ng mga tila simpleng elementong ito. Maaari kang matuto nang higit pa tungkol sa mga intricacies ng circuit at mga bahagi nito mula sa espesyal na literatura.
