Колебательный LC контур: принцип действия, расчет, определение
Сегодня нас интересует простейший колебательный контур, его принцип работы и применение.
За полезной информацией по другим темам переходите на наш телеграм-канал.
Колебания – процесс, повторяющийся во времени, характеризуется изменением параметров системы около точки равновесия.
Первое, что приходит на ум — это механические колебания математического или пружинного маятников. Но ведь колебания бывают и электромагнитными.
По определению колебательный контур (или LC-контур) – это электрическая цепь, в которой происходят свободные электромагнитные колебания.
Такой контур представляет собой электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивностью L и конденсатора емкостью C. Соединены эти два элемента могут быть лишь двумя способами — последовательно и параллельно. Покажем на рисунке ниже изображение и схему простейшего колебательного контура.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.
Принцип действия колебательного контура
Давайте рассмотрим пример, когда сначала мы заряжаем конденсатор и замыкаем цепь. После этого в цепи начинает течь синусоидальный электрический ток. Конденсатор разряжается через катушку. В катушке при протекании через нее тока возникает ЭДС самоиндукции, направленная в сторону, противоположную току конденсатора.
Разрядившись окончательно, конденсатор благодаря энергии ЭДС катушки, которая в этот момент будет максимальна, начнет заряжаться вновь, но только в обратной полярности.
Колебания, которые происходят в контуре – свободные затухающие колебания. То есть без дополнительной подачи энергии колебания в любом реальном колебательном контуре рано или поздно прекратятся, как и любые колебания в природе.
Это обусловлено тем, что контур состоит из реальных материалов (конденсатор, катушка, провода), обладающих таким свойством, как электрическое сопротивление, и потери энергии в реальном колебательном контуре неизбежны. В противном случае это нехитрое устройство могло бы стать вечным двигателем, существование которого, как известно, невозможно.
Еще одна важная характеристика LC-контура – добротность Q. Добротность определяет амплитуду резонанса и показывает, во сколько раз запасы энергии в контуре превышают потери энергии за один период колебаний. Чем выше добротность системы, тем медленнее будут затухать колебания.
Резонанс LC-контура
Электромагнитные колебания в LC-контуре происходят с определенной частотой, которая называется резонансной Подробнее про резонанс – в нашей отдельной статье. Частоту колебаний можно менять, варьируя такие параметры контура, как емкость конденсатора C, индуктивность катушки L, сопротивление резистора R (для LCR-контура).
Как рассчитать резонансную частоту колебательного контура? Очень просто! Приведем окончательную формулу:
Применение колебательного контура
Колебательный контур широко применяется на практике. На его основе строятся частотные фильтры, без него не обходится ни один радиоприемник или генератор сигналов определенной частоты.
Если вы не знаете, как подступиться к расчету LC-контура или на это совершенно нет времени, обратитесь в профессиональный студенческий сервис. Качественная и быстрая помощь в решении любых задач не заставит себя ждать!
Колебательный контур — что это такое и как он работает
Электрический колебательный контур является обязательным элементом любого радиоприемника, независимо от его сложности. Без колебательного контура прием сигналов радиостанции вообще невозможен.
Простейший электрический колебательный контур (рис. 20) представляет собой замкнутую цепь, состоящую из катушки индуктивности L и конденсатора С. При некоторых условиях в нем могут возникать и поддерживаться электрические колебания.
Чтобы понять сущность этого явления, проведи сначала несколько опытов с нитяным маятником (рис. 21). На нитке длиной 100 см подвесь шарик, слепленный из пластилина, или иной грузик массой в 20. 40 г.
Выведи маятник из положения равновесия и, пользуясь часами с секундной стрелкой, сосчитай, сколько полных колебаний он делает за минуту. Примерно 30. Следовательно, собственная частота колебаний этого маятника равна 0,5 Гц, а период (время одного полного колебания) — 2 с. За период потенциальная энергия маятника дважды переходит в кинетическую, а кинетическая в потенциальную.
Укороти нить маятника наполовину. Собственная частота колебаний маятника увеличится в полтора раза и во столько же уменьшится период колебаний. Вывод: с уменьшением длины маятника частота его собственных колебаний увеличивается, а период пропорционально уменьшается.
Изменяя длину подвески маятника, добейся, чтобы его собственная частота колебаний составляла 1 Гц (одно полное колебание в секунду). Это должно быть при длине нитки около 25 см. В этом случае период колебаний маятника будет равен 1 с.
Колебания нитяного маятника являются затухающими. Свободные колебания любого тела всегда затухающие. Они могут стать незатухающими только в том случае, если маятник в такт с его колебаниями слегка подталкивать, компенсируя таким образом ту энергию, которую он затрачивает на преодоление сопротивления, оказываемого ему воздухом и силой трения.
Частота собственных колебаний маятника зависит от его массы и длины подвески.
Теперь натяни горизонтально нетолстую веревку или шпагат. Привяжи к растяжке тот же маятник (рис. 22). Перекинь через веревку еще один такой же маятник, но с более длинной ниткой. Длину подвески этого маятника можно изменять, подтягивая рукой свободный конец нитки.
Приведи его в колебательное движение. При этом первой маятник тоже станет колебаться, но с меньшим размахом (амплитудой). Не останавливая колебаний второго маятника, постепенно уменьшай длину его подвески — амплитуда колебаний первого маятника будет увеличиваться.
В этом опыте, иллюстрирующем резонанс колебаний, первый маятник является приемником механических колебаний, возбуждаемых вторым маятником — передатчиком этих колебаний. Причиной, вынуждающей первый маятник колебаться, являются периодические колебания растяжки с частотой, равной частоте колебаний второго маятника. Вынужденные колебания первого маятника будут иметь максимальную амплитуду лишь тогда, когда его собственная частота совпадает с частотой колебаний второго маятника.
Собственная частота, вынужденные колебания и резонанс, которые ты наблюдал в этих опытах, — явления, свойственные и электрическому колебательному контуру.
Электрические колебания в контуре. Чтобы возбудить колебания в контуре, надо его конденсатор зарядить от источника постоянного напряжения, а затем отключить источник и замкнуть цепь контура (рис. 23).
С этого момента конденсатор начнёт разряжаться через катушку индуктивности, создавая в цепи контура нарастающий по силе ток; а вокруг катушки индуктивности — магнитное поле тока. Когда конденсатор полностью разрядится и ток в цепи станет равным нулю, магнитное поле вокруг катушки окажется наиболее сильным — электрический заряд конденсатора преобразовался в магнитное поле катушки.
Ток в контуре некоторое время булет идти в том же направлении, но уже за счет убывающей энергии магнитного поля, накопленной катушкой, а конденсатор начнет заряжаться. Как только магнитное поле катушки исчезнет, ток в контуре на мгновение прекратится.
Но к этому моменту конденса-fop окажется перезаряженным, поэтому в цепи контура вновь пойдет ток, но уже в противоположном направлении. В результате в контуре возникают колебания электрического тока, продолжающиеся до тех пор, пока энергия, запасенная конденсатором, не израсходуется на преодоление сопротивления проводников контура.
Электрические колебания, возбужденные в контуре зарядом конденсатора, свободные, а следовательно, за-тухающие. Зарядив снова конденсатор, в контуре мож-но возбудить новую серию затухающих колебаний.
Подключи к батарее 3336Л электромагнитные головные телефоны. В момент замыкания цепи в телефонах появится звук, напоминающий щелчок. Такой же щелчок слышен и в момент отключения телефонов от батареи.
Заряди от этой батарей бумажный конденсатор возможно большей емкости, а затем, отключив батарею, подключи к нему те же телефоны. В телефонах услышишь короткий звук низкого тона. Но в момент отключения телефонов от конденсатора такого звука не будет.
В первом из этих опытов щелчки в телефонах являются следствием одиночных колебаний их мембран при изменении силы магнитных полей катушек электромагнитных систем телефонов в моменты появления и исчезновения тока в них.
Во втором опыте звук в телефонах — это колебания их мембран под действием переменных магнитных полей катушек телефонов. Они создаются короткой очередью затухающих колебаний очень низкой частоты, возбужденных в. этом контуре после подключения заряженного конденсатора.
Собственная частота электрических колебаний в контуре зависит от индуктивности его катушки и емкости конденсатора. Чем они больше, тем ниже частота колебаний в контуре и, наоборот, чем они меньше, тем выше частота колебаний в контуре. Изменяя индуктивность (число витков) катушки и емкость конденсатора, можно в широких пределах изменять частоту собственных электрических колебаний в контуре.
Чтобы вынужденные колебания в контуре были незатухающими, контур в такт с колебаниями в нем надо пополнять дополнительной энергией. Для приемного контура источником этой энергии могут быть электрические колебания высокой частоты, индуцируемые радиоволнами в антенне радиоприемника.
Контур в радиоприемнинике. Если к колебательному контуру подключить антенну, заземление и цепь, составленную из диода, выполняющего роль детектора, и телефонов, то получится простейший радиоприемник — детекторный (рис. 24).
Для колебательного контура такого приемника используй катушку индуктивности, намотанную тобой еще при прохождении третьего практикума. Конденсатор переменной емкости (G2) для плавной и . точной настройки контура на частоту радиостанции сделай из двух жестяных пластин, припаяв к ним проводники. Между пластинами, чтобы они не замыкались, положи лист сухой писчей или газетной бумаги.
Емкость такого конденсатора будет тем больше, чем больше площадь взаимного перекрытия пластин и чем меньше расстояние между ними. При размерах пластин 150X250 мм и расстоянии между ними, равном толщине бумаги, наибольшая емкость та?-кого конденсатора может быть 400. 450 пФ, что тебя вполне устроит, а наименьшая несколько пикофарад.
Антенной-времянкой (W1) может служить хорошо изолированный от земли и от стен здания отрезок провода длиной 10. 15 м, подвешенный на высоте 10. 12 м. Для заземления можно использовать металлический штырь, вбитый в землю, трубы водопровода или центрального отопления, имеющие, как правило, хороший контакт с землей.
Роль детектора (VI) может выполнять точечный диод, например, серии Д9 или Д2 с любым буквенным индексом. В1 — головные телефоны электромагнитные, высоко-омные (с катушками электромагнитов сопротивлением постоянному току 1500. 2200 Ом), например, типа ТОН-1. Параллельно телефонам подключи конденсатор (C3) емкостью 3300. 6200 пФ.
Все соединения должны быть электрически надежными. Лучше, если они пропаяны. Из-за плохого контакта в любом из соединений приемник работать не будет. Приемник не будет работать и в том случае, если в его цепях будут короткие замыкания или неправильные соединения.
Настройка контура приемника на частоту радиостанции осуществляется: грубая — скачкообразным измене-нием числа витков катушки, включаемых в контур (на рис. 24 показано штриховой линией со стрелкой); плав-ная и точная — изменением емкости конденсатора путем смещения одной из его пластин относительно другой.
Если в городе, крае или области, где ты живешь, работает радиостанция длинноволнового диапазона (735,3. 2000 м, что соответствует частотам 408. 150 кГц), то в контур включай все витки катушки, а если станция средневолнового диапазона (186,9. 571,4 м, что собтвет-ствует частотам 1,608 МГц.„525 кГц), то только часть ее витков.
При одновременной слышимости передач двух радиостанций включи между антенной и контуром конденсатор емкостью 62. 82 пФ (на рис. 24 — конденсатор С1, показанный штриховыми линиями). От этого громкость звучания телефонов несколько снизится, но селективность (избирательность) приемника, то есть его спог собность отстраиваться от мешающих станций, улучшится.
Как работает такой приемник в целом? Модулированные колебания высокой частоты, индуцируемые-в проводе антенны радиоволнами многих станций, возбуждают в контуре приемника, в который входит и сама антенна, колебания разных частот и амплитуд.
В контуре же возникнут наиболее сильные колебания только той частоты, на которую он настроен в резонанс. Колебания всех других частот контур ослабляет. Чем лучше (добротнее) контур, тем четче он выделяет колебания, соответствующие колебаниям его собственной частоты, и больше их амплитуда.
Детектор также важный элемент приемника. Обладая односторонней проводимостью тока, он выпрямляет высокочастотные модулированные колебания, поступающие к нему от колебательного контура, преобразуя их в колебания низкой, то есть звуковой, частоты, которые телефоны преобразуют в звуковые колебания.
Конденсатор C3, подключенный параллельно телефонам, — вспомогательный элемент приемника: сглаживая пульсации тока, выпрямленного детектором, он улучшает условия работы телефонов.
Проведи несколько экспериментов.
1. Настроив приемник на радиостанцию, введи внутрь катушки толстый гвоздь, а затем конденсатором переменной емкости подстрой контур, чтобы восстановить прежнюю громкость звучания телефонов.
2. Сделай то же самое, но вместо гвоздя возьми медный или латунный стержень.
3. Подключи к контурной катушке вместо конденсатора переменной емкости такой конденсатор постоянной емкости (подбери опытным путем), чтобы приемник оказался настроенным на частоту местной станции.
Запомни конечные результаты этих экспериментов. Вводя внутрь катушки металлический сердечник, ты, конечно, заметил, что собственная частота контура при этом изменяется: стальной сердечник уменьшает собственную частоту колебаний в контуре, а медный или латунный, наоборот, увеличивает. Судить об этом можно по тому, что в первом случае для подстройки контура на сигналы той же станции емкость контурного конденсатора пришлось уменьшить, а во втором увеличить.
Контурная катушка с высокочастотным сердечником. Подавляющее большинство контурных катушек современных приемников имеет высокочастотные, обычно ферритовые, сердечники в виде стержней, чашек или колец.
Ферритовые стержни, кроме того, являются обязательными элементами вхрдных контуров всех транзисторных переносных и так называемых «карманных» приемников.
Высокочастотный сердечник как бы «сгущает» линии магнитного поля катушки, повышая ее индуктивность и добротность. Подвижный сердечник, кроме того, позволяет регулировать индуктивность катушки, что используют для подстройки контуров на заданную частоту, а иногда даже настраивать контуры на частоты радиостанций.
В порядке эксперимента сделай приемник с колебательным контуром, настраиваемым ферритовым стержнем марки 400НН или 600НН длиной 120. 150 мм (рис. 25). Такие стержни используют Для магнитных антенн транзисторных приемников.
Из полоски бумаги, обернув ею стержень 3. 4 раза, склей и хорошо просуши гильзу длиной 80. 90 мм. Внутрь гильзы стержень должен входить свободно. Вырежь из картона 9. 10 колец и приклей их к гильзе на расстоянии 6. 7 мм друг от друга.
На получившийся секционированный каркас -намотай 300. 350 витков лровода ПЭВ, ПЭЛ или ПЭЛШО 0,2. 0,25, укладывая его по 35. 40 витков в каждой секции. От 35. 40-го -и от 75. 80-го витков сделай два отвода в виде петель, чтобы иметь возможность изменять число витков катушки, включаемых в контур.
Подключи к катушке антенну, заземление и цепь детектор — телефоны. Чем больше витков катушки будет участвовать в работе контура и глубже внутрь катушки будет введен ферритовый стержень, тем на большую длину волны может быть настроен приемник.
Детекторный приемник работает исключительно благодаря электромагнитной энергии, излучаемой антенной передатчика радиостанции. Поэтому телефоны звучат негромко. Чтобы повысить громкость работы детекторного приемника, к нему надо добавить усилитель, например транзисторный.
Литература: Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. 1984.
О том что такое радиоволны, как работает колебательный контур
Бросьте на гладкую водяную поверхность камень, и на ней появятся волны, кругами расходящиеся во все стороны. Это — водяные волны, они создаются в воде и в ней же распространяются.
Звуковые волны в открытом пространстве создаются в воздухе и в нем же распространяются: удалите воздух, и звуки исчезнут. Из чего же созданы и в чем распространяются радиоволны?
В некоторых книгах дается такое пояснение по интересующему нас вопросу:
Радиоволны — это «распространяющиеся в пространстве переменные электромагнитные поля».
Попробуем воспользоваться этой формулировкой в качестве исходной в наших объяснениях природы радиоволн. Позвольте напомнить Вам из школьных уроков по физике, что вокруг всякого проводника с электрическим током существует магнитное поле, а вокруг тела с электрическим зарядом — электрическое поле.
Даже, если Вы забыли это, то, вероятно, замечали, что гребенка или расческа, которой Вы только что привели в порядок Ваши волосы, стремится притянуть к себе легкие предметы вроде кусочков папиросной бумаги, шерстинок и пр.
Эта же самая гребенка до использования ее по прямому назначению не обладала свойствами притягивать посторонние предметы.
Объяснение простое: от трения о волосы гребенка приобрела электрический заряд, отчего вокруг гребенки возникло электрическое поле. Оно-то и действует на легкие предметы, притягивая их.
Полем вообще называют форму материи, в которой обнаруживается действие каких-либо сил. Например, в поле земного тяготения обнаруживается притяжение к земле.
Форма материи, в пределах которой сказывается действие электрических сил, называется электрическим полем. Сильнее заряд — и поле сильнее. Нет заряда — нет поля.
У нас в руке медный провод, по которому течет ток, а на столе — обычный компас. Стрелка компаса ориентирует Вас в пространстве, указывая север.
Поднесите к компасу этот провод, расположите его вдоль стрелки, и стрелка отклонится в сторону (рис. 1). Увеличьте ток — стрелка отклонится еще больше. Уменьшите ток— отклонение стрелки уменьшится. Выключите ток — стрелка опять укажет север. Значит, не сам провод влияет на стрелку компаса, а ток, протекающий по нему.
Объяснение простое: ток создает вокруг провода магнитное поле, и это поле действует на стрелку компаса.
Рис. 1. Ток, идущий по проводу, отклоняет стрелку компаса.
Форма материи вокруг магнита или проводника с током, где обнаруживается действие магнитных сил, называется магнитным полем. Сильнее ток — сильнее магнитное поле. Нет тока — нет поля.
Если электрический ток периодически через равные промежутки времени меняет не только свою величину, но й направление, то такой ток называется переменным. Переменный ток создает и переменное магнитное поле.
То же самое можно сказать и о переменном электрическом поле. Если вызвавший его заряд периодически меняет не только свою величину, но и полярность, то к такое поле называется переменным электрическим полем.
Переменные электрическое и магнитное ПОЛЯ неотделимы друг от друга. Если возникло переменное электрическое поле, то оно всегда создает вокруг себя переменное магнитное поле и, наоборот, переменное магнитное поле обязательно создаст переменное электрическое поле.
Электромагнитные волны, т. е. взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля, распространяются в воздухе или в безвоздушном пространстве, а также во многих других веществах со скоростью света, равной 300 000 км/сек.
Электрическая искра. Достаточно где-либо проскочить электрической искре, как сейчас же вокруг нее возникнут радиоволны. Вы случайно замкнули провода — короткая вспышка, и в пространство выброшен поток радиоволн.
Искрят щетки электродвигателя, работает электросварочный агрегат, искрит дуга трамвая или ролик троллейбуса, работает автомобильный мотор с системой электрического зажигания — безразлично: все это наводняет пространство радиоволнами.
Именно из-за этих волн от искровых разрядов, будь то разряды атмосферного электричества или же искрение электроустановок, происходят все те трески, которые Вы, вероятно, не один раз проклинали, слушая интересную радиопередачу.
Только удалившись с радиоприемником куда-либо далеко за город, где нет помех радиоприемнику от трамваев, электрических лифтов, электромедицинских кабинетов и подобных им устройств, можно вести прием в относительной «электрической тишине».
Вот почему приемные радиоцентры выносятся из городов в уединенные места.
Но и здесь не всегда можно укрыться от помех. Гигантский искровой разряд, каким является молния, создает настолько сильный ураган радиоволн, что в грозу из громкоговорителя вырывается оглушительная «артиллерийская канонада».
Радиоволны от молний сигнализируют о приближении грозы. Первым человеком, сумевшим принимать радиосигналы молнии, был русский ученый, изобретатель радио Александр Степанович Попов. Один из своих приборов, названный им «грозоотметчиком», он использовал для того, чтобы следить за далекими грозами и предсказывать их приближение.
Люди взяли у природы ее рецепт «изготовления» радиоволн.
Все первые радиопередатчики создавали мощные потоки сильно трещащих искр. Радиоволны, порождаемые искрами, переносили в пространство различные сообщения без всяких соединительных проводов.
Эти первые радиостанции так и назывались — «станции искрового телеграфа». Известно, что радиотелеграфисты мощной московской искровой радиостанции (на Ходынке), идя на дежурство, еще километра за полтора-два до здания на слух, по треску искр — этих маленьких молний, могли читать сообщения, передаваемые знаками телеграфной азбуки.
Название «радиостанция» появилось значительно позже. Современная радиотехника почти полностью отказалась от весьма несовершенных искровых станций. Но пучок искр до сих пор остается в эмблеме на погонах связистов.
Как создаются радиоволны. Нам предстоит ознакомиться с тем, как создаются радиоволны современными радиопередающими станциями.
Краткое определение сущности создания радиоволны таково: Проводник с переменным током высокой частоты при некоторых условиях способен излучать в окружающее пространство радиоволны.
Это определение станет понятным, когда будет раскрыт внутренний смысл каждого слова. «Проводник»— но какой, всякий ли? Дальше мы увидим, что нет, далеко не всякий. «Переменный ток высокой частоты» — как это понимать? Что значит «при некоторых условиях?» При каких именно? «Излучать— как?
Начнем с выяснения, что такое переменный ток.
Рис. 2. Затухающие колебания маятника.
Рис. 3. Незатухающие колебания маятника.
Знакомясь с электромагнитным полем, мы получили краткую справку о том, что переменным называется ток, периодически меняющий не только свою величину, но и направление.
Следует еще раз подчеркнуть что слово «переменный» относится именно к направлению. Как бы ни менял свою величину электрический ток, его нельзя назвать переменным, если он не меняет направления.
Переменный ток течет попеременно то в одну сторону, то в обратную, как бы повторяя колебательные движения качелей или часового маятника. Недаром существует технический термин «электрические колебания».
Чему учит маятник. К концу маятника часов я прикрепляю легкое перышко или волосок, смоченный жидкой краской, затем толкаю маятник и подношу к перышку листок бумаги. Перышко начинает вычерчивать на листке прямую линию — след колебаний маятника; чем больше размахи маятника, тем больше ее длина.
Теперь я начинаю равномерно передвигать листок бумаги в направлении, перпендикулярном плоскости колебаний маятника. Прочерчиваемая линия растянется, развернется в волнообразный график (рис. 2). Колебания маятника зарегистрированы — получился график колебаний или, как его называют, осциллограмма.
Осциллограмма свидетельствует о том, что размахи маятника быстро уменьшались, и вскоре маятник остановился. Трение в точке подвеса маятника и в точке касания перышка с бумагой, а также сопротивление воздуха сделали свое дело. Колебания быстро затухли. Перед нами график затухающих колебаний.
Иную картину представляет график, показанный на рис. 3. Сила тяжести гирь преодолевала действие на маятник всех тормозящих усилий. Поэтому маятник отщелкивал удар за ударом, не уменьшая размахов.
Можно было бы целый день вытягивать из-под такого маятника бумажную ленту, и все время вычерчивалась бы на ней волнообразная кривая незатухающих колебаний.
У всякой профессии свой язык. Электрик или радист не скажет «размах» там, где речь идет о колебаниях: не размах, а амплитуда. Уважая профессиональные привычки, мы должны сказать так: у затухающих колебаний амплитуды убывают, у незатухающих — остаются неизменными.
Колебательный контур. Не только маятник или качели, но и электрический ток можно заставить совершать затухающие или незатухающие колебания.
Для этого служит очень простое электрическое устройство — колебательный контур. Это своего рода «электрический маятник». Но в отличие от колебаний обычного маятника электрические колебания в контуре совершаются невероятно быстро.
На каждое колебание затрачивается ничтожно малая доля секунды, поэтому число колебаний в секунду очень велико.
Колебательный контур состоит всего из двух основных частей: катушки индуктивности и конденсатора. Катушка представляет собой некоторое число витков медной проволоки, а конденсатор (самый простои) — две металлические пластинки, разделенные слоем диэлектрика.
Рис. 4. Чем больше площадь пластин конденсатора и чем ближе одна к другой, тем больше емкость.
Чем больше площадь пластин и чем ближе они расположены одна к другой, тем при прочих равных условиях большей электрической емкостью обладает конденсатор (рис. 4). На величину емкости влияет и вещество диэлектрика.
Конденсатор с бумагой в качестве диэлектрика «впитает» в себя в 2 раза больше электричества, чем такой же конденсатор, но с воздухом вместо бумаги.
Слюдяной конденсатор «сгустил» бы в себе («конденсатор» по-русски означает «сгуститель») в 6 раз больший заряд, чем такой же воздушный конденсатор.
Если присоединить концы катушки к пластинам конденсатора, получится колебательный контур (рис. 5). Но такой «мертвый» контур ничем не интересен. Чтобы в контуре возникли электрические колебания, его нужно «оживить».
Маятник мы отводим вбок или даем ему толчок, и он начинает мерно раскачиваться из стороны в сторону. Колебательный контур тоже можно «подтолкнуть».
К нему необходимо подвести некоторое количество электрической энергии, чтобы электроны пришли в колебательное движение. Для этого конденсатор следует зарядить от какого-либо источника тока (рис. 6,а), а затем подключить к нему катушку индуктивности.
Электрическое напряжение U на пластинах конденсатора и сообщит электронам тот электрический «толчок», который необходим для возбуждения колебаний в контуре. Конденсатор станет разряжаться через катушку, и в цепи потечет ток (рис. 6,6).
С появлением тока скажется тормозящее влияние катушки — ее индуктивность, которая зависит от числа витков, размеров и формы катушки. Индуктивность — это электрическая инерция.
Рис. 5. Колебательный контур состоит из конденсатора С, катушки L и соединительных проводов.
Рис. 6. Получение переменного тока в контуре.
Она противодействует всякому изменению тока, подобно тому как инерция тела препятствует изменению его скорости. Вследствие противодействия катушки электрической инерции ток будет нарастать постепенно и достигнет наибольшей величины Iмакс, как раз в тот момент, когда конденсатор полностью израсходует свой электрический заряд, т. е. разрядится.
Теперь, казалось бы, ток должен исчезнуть. На самом же деле благодаря электрической инерции он не прекратится и будет протекать в ту же сторону за счет энергии, которая сосредоточилась в катушке.
Но ток станет постепенно убывать. Разряженный конденсатор будет теперь заряжаться в обратном направлении: пластина, имевшая положительный заряд, будет заряжаться отрицательно, а пластина, имевшая отрицательный заряд,— положительно.
Когда энергия полностью сосредоточится в конденсаторе, ток в контуре прекратится (рис. 6,в), но процесс на этом не остановится. Зарядившийся конденсатор опять начнет разряжаться: в контуре потечет ток, но уже в обратном направлении (рис. 6,г).
Он возрастет до максимальной величины, а затем снова упадет до нуля.
В этот момент завершится полный цикл изменения тока в контуре, т. е. закончится одно электрическое колебание (рис. 6,д). После этого все изменения тока станут повторяться, подобно тому как повторяются перемещения маятника. В контуре возникнут электрические колебания.
Колебания в контуре, происходящие без какого-либо влияния со стороны, чрезвычайно кратковременны. Это объясняется тем, что электрический ток нагревает провода катушки. Энергия электрических колебаний превращается в тепло, которое рассеивается. Потери
эти неизбежны, поэтому колебания в контуре быстро затухают. Амплитуда их становится все меньше и меньше, и, наконец, колебания практически прекращаются. Они длятся очень малую долю секунды.
Затухающими колебаниями пользовались в первые годы развития радиотехники. Но теперь они не применяются. Уже много лет назад были разработаны способы получения незатухающих колебаний, на применении которых и основывается современная радиотехника. Незатухающие колебания — это колебания с неослабевающей силой. Амплитуда их не меняется.
Для того чтобы получить незатухающие колебания, нужно особое устройство, которое «подбрасывает» колебательному контуру все новые и новые порции энергии. В часах роль этого устройства выполняет гиря или пружина. Как это делается в колебательном контуре, мы узнаем дальше.
Период и частота. В здании Исаакиевского собора в Ленинграде под куполом подвешен длинный маятник, служащий для доказательства вращения Земли вокруг своей оси. Длина маятника 98 м.
На одно полное колебание, т. е. на движение маятника от отвеса в одну сторону, переход в противоположную сторону и возвращение к отвесу, затрачивается 20 сек.
Маятник же часов-ходиков в течение секунды успеет сделать два колебания. Словом, чем длиннее маятник, тем медленнее совершает он колебания, тем больше период его колебаний.
Период — это время одного полного колебания.
От десятков секунд до десятых долей секунды— таковы пределы (диапазон) изменений периодов колебаний маятников.
Колебания в электрическом контуре могут совершаться тоже с разными периодами, но диапазон их гораздо более широкий. Никакой маятник не сможет в 1 сек совершить несколько тысяч колебаний, тогда как для электрического тока такие колебания считаются медленными.
Период электрических колебаний определяется тем, насколько быстро конденсатор может заряжаться и разряжаться, а катушка— управляться со своим магнитным полем.
Число колебаний в секунду называется частотой колебаний. Единица измерения частоты называется «герц». Один герц (сокращенно 1 гц) — это одно полное колебание в секунду, т. е. один период в секунду.
Частота электрических колебаний в контуре определяется величинами индуктивности катушки и емкости конденсатора. Чем больше индуктивность, тем сильнее скажется ее тормозящее действие на изменении электрического тока в контуре и тем медленнее будут совершаться колебания. Так же влияет на частоту колебаний и емкость.
С увеличением емкости конденсатора возрастает время, необходимое для его заряда и разряда. Значит, период колебаний будет продолжительнее, а число колебаний в секунду меньше.
Следовательно, изменяя индуктивность и емкость контура, можно менять частоту происходящих в нем электрических колебаний, подобно тому как скрипач, перемещая пальцы по грифу скрипки и удлиняя или укорачивая струны, изменяет тон, т. е. меняет частоту звуковых колебаний.
В радиотехнике приходится иметь дело с электрическими колебаниями, частота которых достигает многих тысяч и миллионов герц. Оперировать всякий раз с такими большими числами так же неудобно, как неудобно выражать путь от Москвы до Ленинграда в миллиметрах или вес поклажи грузового автомобиля в граммах. Общепринято пользоваться более крупными кратными единицами: килогерц (кгц) — тысяча герц и мегагерц (Мгц) — миллион герц.
Излучение радиоволн становится практически возможным лишь в том случае, если частота колебаний не ниже нескольких десятков тысяч герц. Вот почему для излучения радиоволн нужен не просто переменный ток, а переменный ток высокой частоты.
При помощи колебательного контура можно получить электрические колебания практически любой частоты — от долей герца до многих сотен и тысяч мегагерц. Для этого надо только подобрать соответствующие емкости и индуктивности колебательного контура.
Открытый колебательный контур. Не следует думать, что достаточно создать в колебательном контуре высокочастотные колебания, для того чтобы он стал излучать в окружающее пространство радиоволны. Вот тут-то и приходится вспомнить «некоторые условия», о которых мы в свое время лишь упомянули.
Эффект излучения радиоволн тем ощутительнее, чем большее пространство охватывается электрическим и магнитным полями контура. Конденсатор же по размерам очень невелик и поле его, хотя и сильное, очень собрано, сжато.
Оно занимает небольшой объем пространства. То же следует сказать и о магнитном поле: оно собрано, сжато вокруг витков катушки.
Рис. 7. Раздвигая пластины конденсатора, получим открытый колебательный контур.
Такой колебательный контур, у которого емкость и индуктивность сосредоточены, вследствие чего поля ограничены небольшим объемом, называется замкнутым колебательным контуром.
Применяя его в качестве излучателя радиоволн, можно ожидать не большего успеха, чем от попытки нагреть большую комнату раскаленным добела гвоздем.
Итак, чтобы усилить эффект излучения радиоволн, надо увеличить размеры электромагнитного поля.
Сразу же напрашивается решение раздвигать пластины конденсатора, и тогда в электрическое поле будут включаться все новые и новые части пространства. Но при раздвижении пластин уменьшается емкость конденсатора.
Контур начнет создавать колебания иной частоты. Есть выход:одновременно с раздвижением пластин увеличивать их размеры, и тогда емкость конденсатора остается неизменной
На рис. 7 показано, как постепенное раз-движение пластин приводит к созданию открытого колебательного контура. Емкость у него образована двумя большими пластинами, удаленными одна от другой на значительное расстояние.
Опыт показал, что вместо сплошной пластины лучше применять две длинные проволоки, так как они создают конденсатор вполне достаточной емкости.
Для большего охвата пространства электрическим полем одну проволоку на мачтах поднимают высоко вверх, а другую располагают у самой земли. Если по такому открытому колебательному контуру начнет протекать ток высокой частоты, излучение радиоволн обеспечено.
Когда А. С. Попов»начал применять радиоволны для целей связи без проводов, он нашел необходимым увеличить размеры открытого колебательного контура. Одну проволоку он поднял на высокой мачте вверх, а другую зарыл в землю.
Земля — достаточно хороший проводник и по своему действию вполне заменяет одну из пластин конденсатора. Емкость открытого колебательного контура была образована поднятой вверх проволокой и землей, разделенными слоем воздуха.
Провод, поднятый кверху, получил название «антенна». В переводе на русский язык с греческого это слово означает усики (насекомого). Это название дано было по внешнему сходству.
Честь изобретения первой в мире антенны принадлежит также А. С. Попову.
Мы уже знаем, что не могут раздельно существовать переменные магнитное и электрическое поля. Поэтому при циркулировании в открытом колебательном контуре токов высокой частоты в окружающем пространстве будет возникать электромагнитное поле.
Сила или, лучше сказать, напряженность этого поля будет тем большей, чем сильнее вызвавший его ток, чем. больше амплитуда колебаний тока в контуре.
Колебательный ток с небольшой амплитудой создаст вокруг антенны электромагнитное поле небольшой напряженности. Наоборот, ток с большой амплитудой создаст сильное электромагнитное поле. Чем больше напряженность поля, тем на более далеком расстоянии оно способно действовать.
Излучение радиоволн. Мы вплотную подошли едва ли не к самому сложному явлению, с которым имеет дело радиотехника,— к возникновению излучения радиоволн. Нам нужно «заставить» перемещаться переменное электромагнитное поле антенны.
Опираясь на формулировку, приведенную в начале статьи, мы можем поставить знак равенства между перемещающимися электромагнитными полями и радиоволнами. Останется пояснить, в силу каких причин электромагнитное поле «покидает» антенну и «отправляется» в самостоятельное путешествие.
Электромагнитное поле антенны «дышит» с частотой вызвавшего его тока. Следуя за всеми изменениями тока в антенне, поле как бы втягивается в антенну, когда ток в ней уменьшается до нуля, и как бы разбухает, когда ток достигает максимального значения.
Ток в антенне не ждет. Счет идет на микросекунды. Электромагнитное поле должно поспевать вслед за током «втягиваться» и «разбухать». Тем участкам электромагнитного поля, которые находятся у самой поверхности провода антенны, не потребуется много времени на то, чтобы быстро «всосаться» обратно в антенну при «втягивании», т. е. в моменты прекращения в ней тока.
Но участкам, находящимся на периферии огромного электромагнитного поля, придется поспешить. Может получиться, в действительности так и получается, что периферийные участки поля еще не успевают «втянуться» в антенну, как навстречу им начнет двигаться, «разбухая», новое поле. Оно не пропустит к антенне остатки уже «втянутого» поля (рис. 8).
Рис. 8. Антенна излучает радиоволны толчками, отгоняя.
«Запоздавшее» поле будет отброшено антенной. С каждым «вздохом» электромагнитного поля антенна будет толчками отбрасывать в пространство «опоздавшую» его часть.
Оттесняя друг от друга в стороны, отброшенные части электромагнитного поля будут вынуждены отходить все дальше от антенны, перемещаясь в пространстве. Так происходит излучение радиоволн.
Будь электромагнитное поле более «аккуратным», успевай оно своевременно «втянуться» в антенну, никакого излучения не получилось бы. У замкнутого колебательного контура поле очень небольшое.
Почти все оно успевает аккуратно следовать за всеми изменениями тока. Не происходит почти никаких запозданий! Но зато практически не получается излучения радиоволн.
Длина волны. Скорость, с какой волны увеличивают расстояние между собой и антенной, нам уже известна: 300 000 км в секунду. Такую огромную скорость -как нельзя лучше характеризует слово «излучение».
Неслучайно все отрасли техники, использующие «перемещающиеся электромагнитные поля», получили приставку «радио»: радиосвязь, радиопеленгация, радионавигация, радиолокация и пр. Слово «радио» происходит от латинского слова «радиус», означающего «луч».
С каждым новым колебанием электрического тока в антенне в пространство излучается очередная волна. Сколько колебаний тока, столько волн. Но сколько%бы волн ни излучалось, скорость их распространения строго постоянна. Через секунду после начала излучения «голова» первой волны окажется на расстоянии 300 000 км от антенны.
Все остальные волны займут промежуточное положение между «головной» волной и антенной радиостанции. На долю каждой волны придется тем меньшее расстояние, чем больше волн излучает за секунду антенна, т. е. чем выше частота колебаний тока в антенне.
Если частота тока равна 1 Мгц то это значит, что за секунду антенна излучает 1 000 000 волн. Все они занимают в пространстве, считая по прямой линии в сторону от излучающей антенны, 300 000 км. На долю каждой волны придется 300 000 : 1 000 000 = 0,3 км = 300 м.
Это расстояние есть путь, который успеет пройти волна, излучаемая радиостанцией за время одного колебания тока в антенне, т. е. за один период колебаний (рис. 9) Оно называется длиной волны, которая обозначается греческой буквой (ламбда).
При понижении частоты колебаний каждая волна займет больше места в пространстве. Если к примеру частота колебаний тока в антенне равна 100 кгц и, следовательно, антенна излучает в секунду 100 000 волн, то каждая волна «растянется» в пространстве на 300 000 : 100 000 = 3 кж = 3 000 м.
Наоборот, при повышении частоты колебаний тока в антенне волны должны будут «сжаться». При частоте 100 Мгц длина волны составит лишь 300 000 : 100 000 000 = 0,003 км = 3 м.
Таким образом, чем меньше частота, тем больше длина волны (ламбда2 на рис. 9). И, наоборот, чем больше частота, тем короче волна (ламбда1 на рис. 9).
Рис. 9. Путь, который успевает пройти излучаемая радиостанцией волна за время одного периода колебаний тока в антенне, называется длиной волны.
Длина волны ламбда и частота f обратно пропорциональны друг другу. Поэтому длину электромагнитной волны ламбда всегда можно вычислить, если разделить скорость распространения этой волны, равную 300 000 км в секунду, на частоту f.
Для того чтобы длина волны получилась в метрах, как ее обычно принято выражать, скорость распространения также следует брать в метрах (300 000 000 м). Следовательно, можно написать:
Если же частоту выражать в килогерцах, то в этих формулах для получения длины волны в метрах скорость распространения надо брать в километрах (300000 км), т. е.
Колебательный контур, настроечный или резонансный контур в беспроводных радиоприемниках
Колебательный контур — это электрическая цепь, в которой происходит обмен энергии, накопленной в индукционной катушке в виде магнитного поля и конденсатора в виде электрического поля . Колебательный контур состоит из индукционной катушки с очень малым сопротивлением , конденсатора , батареи и они соединены друг с другом через переключатели a и b.
Как работает колебательный контур
Когда переключатель (a) включен: мгновенный ток проходит от батареи, чтобы зарядить конденсатор , так что пластина, подключенная к положительному полюсу, становится положительно заряженной, а пластина, подключенная к отрицательному полюсу, становится отрицательно заряженной.
Ток перестает течь, когда разность потенциалов между двумя пластинами конденсатора равна разности потенциалов батареи. Между пластинами конденсатора создается электрическое поле, в котором энергия сохраняется в виде электрического поля.
Когда переключатель (a) выключен, а переключатель (b) включен: конденсатор разряжает свой заряд через индуктивную катушку, и поэтому мгновенный ток проходит от положительной пластины к отрицательной пластине, что снижает напряжение на конденсаторе до тех пор, пока он схлопывается, и электрическое поле между его пластинами исчезает.
Протекающий через катушку ток создает магнитное поле, которое накапливает энергию, которая была сохранена в конденсаторе до того, как электрическая энергия. Первоначально через катушку протекает сильный ток из-за высокого напряжения на пластинах конденсатора.
По мере того, как этот ток постепенно спадает, в катушке индуцируется прямой ток за счет самоиндукции, который тянет больше зарядов с положительной пластины конденсатора к отрицательной пластине.
Следовательно, пластина, которая была заряжена отрицательно, становится положительной за счет заряда, в то время как другая пластина становится отрицательно заряженной, меняя полярность конденсатора на противоположную и создавая между ними электрическое поле.
Ток через катушку прекращается, как и магнитное поле, пока они не исчезнут. Соответственно, энергия, запасенная в катушке в виде магнитного поля , преобразуется в электрическую энергию, запасенную в конденсаторе .
После этого конденсатор заряжается еще раз через катушку в направлении, противоположном первоначальному заряду. Таким образом, зарядка и разрядка конденсатора циклически повторяются, и в цепи возникают электрические колебания высокой частоты, попеременно меняя энергию между два поля.
Процесс зарядки и разрядки в колебательном контуре останавливается через некоторое время, из-за омического сопротивления катушки и других проводов цепи часть энергии рассеивается в виде тепловой энергии, что приводит к постепенному уменьшению переменного тока. в цепи, а также напряжение на пластинах конденсатора. Это препятствует процессу зарядки и разрядки, в результате чего ток в конечном итоге падает до нуля.
Однако, если эти потери компенсируются дополнительными зарядами, подаваемыми на конденсатор , колебательное действие передачи энергии назад и вперед между конденсатором и катушкой индуктивности будет продолжаться бесконечно.
Соотношение между частотой, X L , X C , R и Z
Омическое сопротивление не изменяется как текущие изменения частоты, индуктивным возрастают реактивную как частота переменного тока возрастает (X L & alpha ; F), емкостное сопротивление уменьшается по мере частоты переменного тока возрастает (Х С α 1 / ж), импеданс Z из цепь уменьшается до тех пор, пока не станет минимальным значением, когда X L = X C, что называется состоянием резонанса. После этого импеданс Z цепи увеличивается по мере увеличения частоты переменного тока.
Подстройка или резонансный контур
Подстройка или резонансный контур используется в Тюнинге радиоприемников для улавливания сигнала конкретной станции на определенной частоте. Подстройка или резонансный контур состоит из:
- Конденсатор переменной емкости.
- Индукционная катушка, индуктивность которой можно изменять.
- Электропитание переменного тока переменной частоты.
- Амперметр с горячей проволокой .
Как это работает
При изменении частоты источника переменного тока поток силы тока изменяется так, что значение тока уменьшается по мере увеличения разницы между частотой источника питания и резонансной частотой. Значение тока увеличивается с увеличением частоты источника питания. подача приближается к резонансной частоте.
Значение тока достигает своего максимума, когда частота источника питания равна резонансной частоте цепи (когда индуктивное реактивное сопротивление равно емкостному реактивному сопротивлению) и цепь называется резонансной.
Уменьшение резонансной частоты
В колебательном контуре, когда емкостное реактивное сопротивление и индуктивное реактивное сопротивление равны, они компенсируют друг друга, оставляя только сопротивление цепи, чтобы противостоять потоку тока, таким образом, ток достигает своего максимума в этой цепи.
Частоту цепи (f) можно вычислить следующим образом:
Извлечение квадратного корня из двух сторон
Где: (C) — емкость конденсатора, (L) — коэффициент самоиндукции катушки.
Факторы, влияющие на резонансную частоту
- Корень квадратный из коэффициента самоиндукции катушки (обратно пропорционален).
- Корень квадратный из емкости конденсатора (обратно пропорционален).
Резонанс частоты цепи с частотой источника может быть достигнут либо путем настройки (изменения) частоты источника, емкости или индуктивности катушки, резонанс в настроенной цепи и в звуках одинаковы, интенсивность звука усиливается, когда два камертона вибрируют на одинаковая частота и ослабевает, когда их частоты заметно различаются.
Вывод: Если несколько частот различных источников электрического тока воздействуют на колебательный контур одновременно, цепь не пропускает ток, за исключением частоты, равной или близкой к частоте цепи.
Настраивающий (резонансный) контур представляет собой колебательный контур, содержащий резистор , индукционную катушку, конденсатор и источник переменного тока, и не позволяет протекать току, за исключением того, который имеет ту же частоту, что и его, или очень близко к нему.
Когда контур резонансный:
- Частота питания равна частоте цепи.
- В цепи проходит максимальное значение действующего тока.
- Напряжение на катушке (V L) = напряжение на конденсаторе (V C ) и, следовательно, напряжение на резисторе = ЭДС источника переменного тока.
- Индуктивное реактивное сопротивление (X L) = емкостное реактивное сопротивление (X C ), и они компенсируют друг друга.
- Схема имеет минимальный импеданс, который равен омическому сопротивлению Z = R.
- Ток находится в фазе с полной разностью потенциалов , поэтому фазовый угол (θ) = ноль.
В случае сравнения частот двух колебательных контуров:
Когда одна и та же катушка находится в двух цепях, что означает (L = L 1 = L 2 ), тогда:
Когда один и тот же конденсатор находится в двух цепях, то есть (C = C 1 = C 2 ), тогда:
Настройка резонансного контура в беспроводных радиоприемниках
В радиоприемнике схема настройки подключена к антенне, на которую воздействуют электромагнитные волны разной частоты, передаваемые разными станциями. Эти разные частоты генерируются в токах антенны, имеющих одинаковые частоты своих станций. Таким образом, схема настройки в Радиоприемник пропускает только ток, частота которого равна частоте цепи.
Когда вам нравится слушать определенную радиостанцию, вы настраиваете частоту цепи, либо изменяя емкость конденсатора, либо количество витков в катушке, чтобы пропускать только ток, частота которого резонирует с частотой цепи.
Затем этот ток подвергается процессам усиления, выпрямления и, наконец, ток, который выражает звук, отделяется и проходит через громкоговоритель.