Värähtelypiiri on laite, joka on suunniteltu synnyttämään (luomaan) sähkömagneettisia värähtelyjä. Sen perustamisesta nykypäivään sitä on käytetty monilla tieteen ja teknologian aloilla: arjesta suuriin tehtaisiin, jotka tuottavat monenlaisia tuotteita.
Mistä se on tehty?
Värähtelevä piiri koostuu käämistä ja kondensaattorista. Lisäksi se voi sisältää myös vastuksen (elementti muuttuvalla resistanssilla). Induktori (tai solenoidi, kuten sitä joskus kutsutaan) on sauva, johon on kääritty useita käämikerroksia, joka on yleensä kuparilanka. Juuri tämä elementti luo värähtelyjä värähtelypiirissä. Keskellä olevaa tankoa kutsutaan usein kuristimeksi tai ytimeksi, ja kelaa kutsutaan joskus solenoidiksi.
Värähtelevän piirin kela värähtelee vain, kun on tallennettu varaus. Kun virta kulkee sen läpi, se kerää varauksen, jonka se sitten luovuttaa piirille, jos jännite laskee.
Käämin johtimissa on yleensä hyvin pieni vastus, joka pysyy aina vakiona. Värähtelevän piirin piirissä tapahtuu hyvin usein jännitteen ja virran muutosta. Tämä muutos on tiettyjen matemaattisten lakien alainen:
-
U=U0cos(w(t-t0), missä
U on nykyinen jännite ajankohta t, U0 - jännite hetkellä t0, w- - taajuus sähkömagneettiset värähtelyt.
Toinen piirin kiinteä osa on sähkökondensaattori. Tämä on elementti, joka koostuu kahdesta levystä, jotka on erotettu eristeellä. Tässä tapauksessa levyjen välisen kerroksen paksuus on pienempi kuin niiden koko. Tämä malli mahdollistaa sähkövarauksen keräämisen eristeeseen, joka voidaan sitten siirtää piiriin.
Kondensaattorin ja akun ero on siinä, että sähkövirran vaikutuksesta ei tapahdu aineiden muutosta, vaan varaus kertyy suoraan sähkökenttään. Näin kondensaattorin avulla on mahdollista kerätä riittävän suuri varaus, joka voidaan antaa pois kerralla. Tässä tapauksessa virran voimakkuus piirissä kasvaa suuresti.
Lisäksi värähtelypiiri koostuu vielä yhdestä elementistä: vastuksesta. Tällä elementillä on vastus ja se on suunniteltu ohjaamaan virtaa ja jännitettä piirissä. Jos vastuksen vastusta kasvatetaan vakiojännitteellä, virran voimakkuus pienenee lain mukaanOma:
-
I=U/R, missä
I on virta, U on jännite, R on vastus.
Induktori
Katsotaanpa lähemmin kaikkia kelan hienouksia ja ymmärretään paremmin sen toiminta värähtelevässä piirissä. Kuten olemme jo sanoneet, tämän elementin vastus on yleensä nolla. Siten, kun se on kytketty tasavirtapiiriin, tapahtuisi oikosulku. Jos kuitenkin kytket kelan vaihtovirtapiiriin, se toimii oikein. Tämän avulla voit päätellä, että elementti vastustaa vaihtovirtaa.
Mutta miksi näin tapahtuu ja miten vastus syntyy vaihtovirralla? Vastataksemme tähän kysymykseen meidän on käännyttävä sellaiseen ilmiöön kuin itseinduktio. Kun virta kulkee kelan läpi, siihen syntyy sähkömotorinen voima (EMF), joka muodostaa esteen virran muuttamiselle. Tämän voiman suuruus riippuu kahdesta tekijästä: käämin induktanssista ja virran voimakkuuden derivaatasta ajan suhteen. Matemaattisesti tämä riippuvuus ilmaistaan yhtälöllä:
-
E=-LI'(t), jossa
E on EMF-arvo, L on kelan induktanssin arvo (jokaisella kelalla se on erilainen ja riippuu käämien kelojen lukumäärästä ja niiden paksuudesta), I'(t) - virran voimakkuuden derivaatta ajan suhteen (virran voimakkuuden muutosnopeus).
Tasavirran voimakkuus ei muutu ajan myötä, joten sille ei aiheudu vastusta.
Mutta vaihtovirralla kaikki sen parametrit muuttuvat jatkuvasti sini- tai kosinilain mukaan,seurauksena syntyy EMF, joka estää nämä muutokset. Tällaista vastusta kutsutaan induktiiviseksi ja se lasketaan kaavalla:
- XL =wL
Solenoidin virta kasvaa ja pienenee lineaarisesti eri lakien mukaan. Tämä tarkoittaa, että jos katkaiset virran syöttämisen kelaan, se jatkaa virtauksen antamista piirille jonkin aikaa. Ja jos samaan aikaan virransyöttö katkeaa äkillisesti, tapahtuu shokki, joka johtuu siitä, että varaus yrittää jakaa ja poistua kelasta. Tämä on vakava ongelma teollisessa tuotannossa. Tällainen vaikutus (vaikka ei täysin liity värähtelypiiriin) voidaan havaita esimerkiksi vedettäessä pistoke irti pistorasiasta. Samanaikaisesti kipinä hyppää, mikä sellaisessa mittakaavassa ei voi vahingoittaa henkilöä. Se johtuu siitä, että magneettikenttä ei katoa välittömästi, vaan haihtuu vähitellen, indusoimalla virtoja muissa johtimissa. Teollisessa mittakaavassa virranvoimakkuus on monta kertaa suurempi kuin meille totuttu 220 volttia, joten kun virta katkeaa tuotannossa, voi syntyä sellaisia voimakkaita kipinöitä, jotka aiheuttavat paljon haittaa sekä laitokselle että ihmiselle.
Kela on perusta sille, mistä värähtelypiiri koostuu. Sarjassa olevien solenoidien induktanssit laskevat yhteen. Seuraavaksi tarkastelemme tarkemmin tämän elementin rakenteen kaikkia hienouksia.
Mikä on induktanssi?
Värähtelevän piirin käämin induktanssi on yksittäinen indikaattori, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin sähkömoottorivoima (voltteina), joka syntyy piirissä, kunvirran muutos 1 A 1 sekunnissa. Jos solenoidi on kytketty tasavirtapiiriin, sen induktanssi kuvaa tämän virran muodostaman magneettikentän energiaa kaavan mukaan:
-
W=(LI2)/2, missä
W on magneettikentän energia.
Induktanssitekijä riippuu monista tekijöistä: solenoidin geometriasta, sydämen magneettisista ominaisuuksista ja lankakelojen lukumäärästä. Toinen tämän indikaattorin ominaisuus on, että se on aina positiivinen, koska muuttujat, joista se riippuu, eivät voi olla negatiivisia.
Induktanssi voidaan määritellä myös virtaa kuljettavan johtimen ominaisuudeksi varastoida energiaa magneettikenttään. Se mitataan Henryssä (nimetty amerikkalaisen tiedemiehen Joseph Henryn mukaan).
Voskillointipiiri koostuu solenoidin lisäksi kondensaattorista, josta keskustellaan myöhemmin.
Sähkökondensaattori
Värähtelypiirin kapasitanssi määräytyy sähkökondensaattorin kapasitanssin mukaan. Hänen ulkonäöstään kirjoitettiin yllä. Analysoidaan nyt siinä tapahtuvien prosessien fysiikkaa.
Koska kondensaattorilevyt on valmistettu johtimesta, niiden läpi voi virrata sähkövirtaa. Näiden kahden levyn välissä on kuitenkin este: eriste (voi olla ilmaa, puuta tai muuta materiaalia, jolla on suuri vastus. Koska varaus ei voi liikkua johdon päästä toiseen, se kerääntyy langan päälle. kondensaattorilevyt, mikä lisää ympärillä olevien magneetti- ja sähkökenttien tehoa.levyille kertynyt sähkö alkaa siirtyä piiriin.
Jokaisella kondensaattorilla on sen toiminnalle optimaalinen jännite. Jos tätä elementtiä käytetään pitkään nimellisjännitteen yläpuolella, sen käyttöikä lyhenee huomattavasti. Virrat vaikuttavat jatkuvasti värähtelypiirin kondensaattoriin, joten sen valinnassa tulee olla erittäin varovainen.
Tavallisten keskusteltujen kondensaattoreiden lisäksi on olemassa myös ionistoreita. Tämä on monimutkaisempi elementti: sitä voidaan kuvata akun ja kondensaattorin risteytyksenä. Orgaaniset aineet toimivat pääsääntöisesti dielektrisenä ionistorissa, jonka välissä on elektrolyytti. Yhdessä ne luovat kaksinkertaisen sähkökerroksen, jonka avulla voit kerätä tähän malliin monta kertaa enemmän energiaa kuin perinteisessä kondensaattorissa.
Mikä on kondensaattorin kapasitanssi?
Kondensaattorin kapasitanssi on kondensaattorin varauksen suhde jännitteeseen, jossa se sijaitsee. Voit laskea tämän arvon hyvin yksinkertaisesti käyttämällä matemaattista kaavaa:
-
C=(e0S)/d, missä
e0 on dielektrisen materiaalin permittiivisyys (taulukon arvo), S - kondensaattorilevyjen pinta-ala, d - levyjen välinen etäisyys.
Kondensaattorin kapasitanssin riippuvuus levyjen välisestä etäisyydestä selittyy sähköstaattisen induktion ilmiöllä: mitä pienempi levyjen välinen etäisyys on, sitä voimakkaammin ne vaikuttavat toisiinsa (Coulombin lain mukaan), suurempi levyjen varaus ja pienempi jännite. Ja kun jännite laskeekapasitanssiarvo kasvaa, koska se voidaan kuvata myös seuraavalla kaavalla:
-
C=q/U, missä
q on varaus coulombeina.
Tämän määrän yksiköistä kannattaa puhua. Kapasitanssi mitataan faradeina. 1 farad on tarpeeksi suuri arvo, jotta olemassa olevilla kondensaattoreilla (mutta ei ionistoreilla) on kapasitanssi mitattuna pikofaradeina (yksi biljoona faradi).
Vastus
Värivirtapiirissä oleva virta riippuu myös piirin resistanssista. Ja kahden kuvatun elementin lisäksi, jotka muodostavat värähtelevän piirin (käämit, kondensaattorit), on myös kolmas - vastus. Hän on vastuussa vastustuksen luomisesta. Vastus eroaa muista elementeistä siinä, että sillä on suuri vastus, jota voidaan muuttaa joissakin malleissa. Värähtelypiirissä se suorittaa magneettikentän tehonsäätimen tehtävää. Voit kytkeä useita vastuksia sarjaan tai rinnan, mikä lisää piirin vastusta.
Tämän elementin vastus riippuu myös lämpötilasta, joten sinun tulee olla varovainen sen toiminnan suhteen piirissä, koska se kuumenee virran kulkiessa.
Vastusvastuksen resistanssi mitataan ohmeina ja sen arvo voidaan laskea kaavalla:
-
R=(pl)/S, missä
p on vastusmateriaalin ominaisvastus (mitattuna (Ohmmm2)/m);
l - vastuksen pituus (metreinä);
S - poikkipinta-ala (neliömillimetreinä).
Miten polkuparametrit linkitetään?
Nyt olemme lähellä fysiikkaavärähtelevän piirin toiminta. Ajan myötä kondensaattorilevyjen varaus muuttuu toisen kertaluvun differentiaaliyhtälön mukaan.
Jos ratkaiset tämän yhtälön, siitä seuraa useita mielenkiintoisia kaavoja, jotka kuvaavat piirissä tapahtuvia prosesseja. Esimerkiksi syklinen taajuus voidaan ilmaista kapasitanssina ja induktanssina.
Yksinkertaisin kaava, jonka avulla voit laskea monia tuntemattomia määriä, on kuitenkin Thomsonin kaava (nimetty englantilaisen fyysikon William Thomsonin mukaan, joka johti sen vuonna 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - sähkömagneettisten värähtelyjen jakso, L ja C - vastaavasti värähtelypiirin käämin induktanssi ja piirielementtien kapasitanssi, p - luku pi.
Q-tekijä
On toinen tärkeä arvo, joka luonnehtii piirin toimintaa - laatutekijä. Ymmärtääkseen, mikä se on, on käännyttävä sellaiseen prosessiin kuin resonanssi. Tämä on ilmiö, jossa amplitudista tulee maksimi tätä värähtelyä tukevan voiman vakioarvolla. Resonanssi voidaan selittää yksinkertaisella esimerkillä: jos aloitat työntämään swingiä sen taajuuden tahtiin, se kiihtyy ja sen "amplitudi" kasvaa. Ja jos työnnät aikaa, ne hidastuvat. Resonanssissa paljon energiaa haihtuu usein. Häviöiden suuruuden laskemiseksi he keksivät sellaisen parametrin kuin laatutekijä. Se on suhde, joka on yhtä suuri kuin suhdejärjestelmän energiahäviöille, jotka tapahtuvat piirissä yhden syklin aikana.
Piirin laatutekijä lasketaan kaavalla:
-
Q=(w0W)/P, missä
w0 - resonoiva syklinen värähtelytaajuus;
W - värähtelyjärjestelmään varastoitunut energia;
P - tehohäviö.
Tämä parametri on dimensioton arvo, koska se itse asiassa näyttää energian suhteen: varastoitu ja käytetty.
Mikä on ihanteellinen värähtelevä piiri
Ymmärtääkseen paremmin tämän järjestelmän prosesseja fyysikot keksivät niin sanotun ihanteellisen värähtelypiirin. Tämä on matemaattinen malli, joka edustaa piiriä järjestelmänä, jolla on nollaresistanssi. Se tuottaa vaimentamattomia harmonisia värähtelyjä. Tällaisen mallin avulla on mahdollista saada kaavoja ääriviivaparametrien likimääräiseen laskemiseen. Yksi näistä parametreista on kokonaisenergia:
W=(LI2)/2.
Tällaiset yksinkertaistukset nopeuttavat merkittävästi laskelmia ja mahdollistavat piirin ominaisuuksien arvioinnin annetuilla indikaattoreilla.
Kuinka se toimii?
Oskilloivan piirin koko sykli voidaan jakaa kahteen osaan. Nyt analysoimme yksityiskohtaisesti jokaisessa osassa tapahtuvia prosesseja.
- Ensimmäinen vaihe: Positiivisesti varautunut kondensaattorilevy alkaa purkautua ja antaa virtaa piiriin. Tällä hetkellä virta siirtyy positiivisesta varauksesta negatiiviseen, joka kulkee kelan läpi. Tämän seurauksena piirissä tapahtuu sähkömagneettisia värähtelyjä. läpi kulkeva virtakela, menee toiseen levyyn ja varaa sen positiivisesti (kun taas ensimmäinen levy, josta virta kulki, varautuu negatiivisesti).
- Toinen vaihe: tapahtuu käänteinen prosessi. Virta kulkee positiivisesta levystä (joka oli negatiivinen heti alussa) negatiiviseen, kulkeen jälleen kelan läpi. Ja kaikki syytteet asettuvat paikoilleen.
Jakso toistuu niin kauan kuin kondensaattorissa on varausta. Ihanteellisessa värähtelevässä piirissä tämä prosessi jatkuu loputtomasti, mutta todellisessa energiahäviöt ovat väistämättömiä eri tekijöiden vuoksi: kuumeneminen, joka johtuu vastuksen olemassaolosta piirissä (joule lämpö) ja vastaavat.
Määriviivojen suunnitteluvaihtoehdot
Yksinkertaisten "kela-kondensaattori"- ja "kela-vastus-kondensaattori"-piirien lisäksi on muitakin vaihtoehtoja, jotka käyttävät värähtelevää piiriä perustana. Tämä on esimerkiksi rinnakkaispiiri, joka eroaa siinä, että se on olemassa sähköpiirin elementtinä (koska jos se olisi olemassa erikseen, se olisi sarjapiiri, josta käsiteltiin artikkelissa).
On myös muita malleja, jotka sisältävät erilaisia sähkökomponentteja. Voit esimerkiksi kytkeä verkkoon transistorin, joka avaa ja sulkee piirin taajuudella, joka on yhtä suuri kuin piirin värähtelytaajuus. Siten järjestelmään muodostuu vaimentamattomia värähtelyjä.
Missä värähtelypiiriä käytetään?
Piirikomponenttien tutuin sovellus on sähkömagneetit. Niitä puolestaan käytetään sisäpuhelimissa, sähkömoottoreissa,anturit ja monilla muilla ei niin tavallisilla alueilla. Toinen sovellus on värähtelygeneraattori. Itse asiassa tämä piirin käyttö on meille hyvin tuttua: tässä muodossa sitä käytetään mikroa altouunissa a altojen luomiseen ja matkaviestin- ja radioviestinnässä tiedon välittämiseen kaukaa. Kaikki tämä johtuu siitä, että sähkömagneettisten a altojen värähtelyt voidaan koodata siten, että on mahdollista siirtää tietoa pitkiä matkoja.
Induktoria voidaan käyttää muuntajan elementtinä: kaksi kelaa, joilla on eri määrä käämiä, voivat siirtää varauksensa sähkömagneettisen kentän avulla. Mutta koska solenoidien ominaisuudet ovat erilaiset, virran ilmaisimet kahdessa piirissä, joihin nämä kaksi induktoria on kytketty, eroavat. Näin ollen on mahdollista muuntaa virta, jonka jännite on esimerkiksi 220 volttia, virraksi, jonka jännite on 12 volttia.
Johtopäätös
Olemme analysoineet yksityiskohtaisesti värähtelypiirin ja sen kunkin osan toimintaperiaatetta erikseen. Opimme, että värähtelevä piiri on laite, joka on suunniteltu luomaan sähkömagneettisia a altoja. Nämä ovat kuitenkin vain näiden näennäisesti yksinkertaisten elementtien monimutkaisen mekaniikan perusteita. Voit oppia lisää piirin ja sen komponenttien monimutkaisuudesta erikoiskirjallisuudesta.
