Oscilatorni krug je uređaj dizajniran da generira (stvara) elektromagnetske oscilacije. Od svog nastanka do danas, koristi se u mnogim područjima znanosti i tehnologije: od svakodnevnog života do ogromnih tvornica koje proizvode široku paletu proizvoda.
Od čega je napravljen?
Oscilatorni krug se sastoji od zavojnice i kondenzatora. Osim toga, može sadržavati i otpornik (element s promjenjivim otporom). Induktor (ili solenoid, kako se ponekad naziva) je šipka na koju je namotano nekoliko slojeva namota, što je u pravilu bakrena žica. Upravo taj element stvara oscilacije u oscilatornom krugu. Šipka u sredini često se naziva prigušnica ili jezgra, a zavojnica se ponekad naziva solenoidom.
Zavojnica oscilatornog kruga oscilira samo kada postoji pohranjeni naboj. Kada struja prolazi kroz njega, akumulira naboj, koji zatim odaje u strujni krug ako napon padne.
Žice zavojnice obično imaju vrlo mali otpor, koji uvijek ostaje konstantan. U krugu titrajnog kruga vrlo često dolazi do promjene napona i struje. Ova promjena podliježe određenim matematičkim zakonima:
-
U=U0cos(w(t-t0), gdje je
U trenutni napon točka u vremenu t, U0 - napon u trenutku t0, w - frekvencija elektromagnetske oscilacije.
Druga sastavna komponenta kruga je električni kondenzator. Ovo je element koji se sastoji od dvije ploče, koje su odvojene dielektrikom. U ovom slučaju, debljina sloja između ploča je manja od njihove veličine. Ovaj dizajn omogućuje vam da akumulirate električni naboj na dielektriku, koji se zatim može prenijeti u krug.
Razlika između kondenzatora i baterije je u tome što ne dolazi do transformacije tvari pod djelovanjem električne struje, već do izravnog nakupljanja naboja u električnom polju. Dakle, uz pomoć kondenzatora moguće je akumulirati dovoljno velik naboj, koji se može odjednom dati. U ovom slučaju, jakost struje u krugu se jako povećava.
Također, oscilatorni krug se sastoji od još jednog elementa: otpornika. Ovaj element ima otpor i dizajniran je za kontrolu struje i napona u krugu. Ako se otpor otpornika poveća pri konstantnom naponu, tada će se jačina struje smanjiti prema zakonuOma:
-
I=U/R, gdje je
I struja, U je napon, R je otpor.
Induktor
Pogledajmo pobliže sve suptilnosti induktora i bolje razumimo njegovu funkciju u oscilatornom krugu. Kao što smo već rekli, otpor ovog elementa teži nuli. Dakle, kada bi se spojio na istosmjerni krug, došlo bi do kratkog spoja. Međutim, ako spojite zavojnicu na AC krug, radi ispravno. To vam omogućuje da zaključite da element nudi otpornost na izmjeničnu struju.
Ali zašto se to događa i kako nastaje otpor izmjenične struje? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, moramo se obratiti takvom fenomenu kao što je samoindukcija. Kada struja prolazi kroz zavojnicu, u njemu nastaje elektromotorna sila (EMS) koja stvara prepreku promjeni struje. Veličina ove sile ovisi o dva čimbenika: induktivnosti zavojnice i derivaciji jakosti struje s obzirom na vrijeme. Matematički se ova ovisnost izražava jednadžbom:
-
E=-LI'(t), gdje je
E vrijednost EMF-a, L je vrijednost induktiviteta zavojnice (za svaku zavojnicu je različita i ovisi o broju zavojnica namota i njihovoj debljini), I'(t) - derivacija jačine struje s obzirom na vrijeme (brzina promjene jakosti struje).
Jačina istosmjerne struje se ne mijenja tijekom vremena, tako da nema otpora kada je izložena.
Ali s izmjeničnom strujom, svi njeni parametri se stalno mijenjaju prema sinusoidnom ili kosinusnom zakonu,kao rezultat nastaje EMF koji sprječava te promjene. Takav otpor naziva se induktivnim i izračunava se po formuli:
- XL =wL
Struja u solenoidu linearno raste i opada prema raznim zakonima. To znači da ako zaustavite dovod struje u zavojnicu, on će nastaviti davati naboj krugu neko vrijeme. A ako se u isto vrijeme napajanje strujom naglo prekine, tada će doći do šoka zbog činjenice da će se naboj pokušati distribuirati i izaći iz zavojnice. To je ozbiljan problem u industrijskoj proizvodnji. Takav učinak (iako nije u potpunosti povezan s oscilatornim krugom) može se primijetiti, na primjer, prilikom izvlačenja utikača iz utičnice. Istodobno skače iskra, koja u takvoj skali nije u stanju naštetiti osobi. To je zbog činjenice da magnetsko polje ne nestaje odmah, već se postupno raspršuje, izazivajući struje u drugim vodičima. U industrijskim razmjerima jačina struje je višestruko veća od 220 volti na koje smo navikli, pa kada se strujni krug prekine u proizvodnji, mogu nastati iskre takve jačine koje nanose veliku štetu i biljci i čovjeku.
Zavojnica je osnova od čega se sastoji oscilatorni krug. Induktivnosti solenoida u seriji se zbrajaju. Zatim ćemo pobliže pogledati sve suptilnosti strukture ovog elementa.
Što je induktivnost?
Induktivitet zavojnice oscilatornog kruga je pojedinačni pokazatelj brojčano jednak elektromotornoj sili (u voltima) koja se javlja u krugu kadapromjena struje za 1 A u 1 sekundi. Ako je solenoid spojen na istosmjerni krug, tada njegova induktivnost opisuje energiju magnetskog polja koje stvara ova struja prema formuli:
-
W=(LI2)/2, gdje je
W energija magnetskog polja.
Faktor induktivnosti ovisi o mnogim čimbenicima: o geometriji solenoida, o magnetskim karakteristikama jezgre i o broju zavojnica žice. Još jedno svojstvo ovog pokazatelja je da je uvijek pozitivan, jer varijable o kojima ovisi ne mogu biti negativne.
Induktivnost se također može definirati kao svojstvo vodiča koji nosi struju da pohranjuje energiju u magnetskom polju. Mjeri se u Henryju (nazvan po američkom znanstveniku Josephu Henryju).
Pored solenoida, oscilatorni krug se sastoji od kondenzatora, o čemu će biti riječi kasnije.
Električni kondenzator
Kapacitet oscilatornog kruga određen je kapacitetom električnog kondenzatora. O njegovom izgledu napisano je gore. Sada analizirajmo fiziku procesa koji se u njemu odvijaju.
Budući da su ploče kondenzatora napravljene od vodiča, kroz njih može teći električna struja. Međutim, postoji prepreka između dvije ploče: dielektrik (može biti zrak, drvo ili drugi materijal s velikim otporom. Zbog činjenice da se naboj ne može pomaknuti s jednog kraja žice na drugi, on se nakuplja na kondenzatorske ploče. To povećava snagu magnetskog i električnog polja oko njega.električna energija nakupljena na pločama počinje se prenositi u strujni krug.
Svaki kondenzator ima napon koji je optimalan za njegov rad. Ako ovaj element radi dulje vrijeme na naponu iznad nazivnog napona, njegov radni vijek se značajno smanjuje. Kondenzator oscilatornog kruga stalno je pod utjecajem struja, stoga pri odabiru trebate biti izuzetno oprezni.
Osim uobičajenih kondenzatora o kojima se raspravljalo, tu su i ionisti. Ovo je složeniji element: može se opisati kao križanac između baterije i kondenzatora. U pravilu, organske tvari služe kao dielektrik u ionstoru, između kojih se nalazi elektrolit. Zajedno stvaraju dvostruki električni sloj, koji vam omogućuje da akumulirate u ovom dizajnu mnogo puta više energije nego u tradicionalnom kondenzatoru.
Koji je kapacitet kondenzatora?
Kapacitivnost kondenzatora je omjer naboja kondenzatora i napona pod kojim se nalazi. Ovu vrijednost možete izračunati vrlo jednostavno koristeći matematičku formulu:
-
C=(e0S)/d, gdje je
e0 permitivnost dielektričnog materijala (tablična vrijednost), S - površina ploča kondenzatora, d - udaljenost između ploča.
Ovisnost kapacitivnosti kondenzatora o udaljenosti između ploča objašnjava se fenomenom elektrostatičke indukcije: što je razmak između ploča manji, to jače utječu jedna na drugu (prema Coulombovom zakonu), veći je naboj ploča i manji je napon. A kako se napon smanjujevrijednost kapacitivnosti raste, jer se također može opisati sljedećom formulom:
-
C=q/U, gdje je
q naboj u kulonima.
Vrijedi govoriti o jedinicama ove količine. Kapacitet se mjeri u faradima. 1 farad je dovoljno velika vrijednost da postojeći kondenzatori (ali ne i ionisti) imaju kapacitet mjeren u pikofaradima (jedan trilijun farada).
Otpornik
Struja u oscilatornom krugu također ovisi o otporu kruga. A uz dva opisana elementa koji čine oscilatorni krug (zavojnice, kondenzatori), postoji i treći - otpornik. On je odgovoran za stvaranje otpora. Otpornik se od ostalih elemenata razlikuje po tome što ima veliki otpor, koji se kod nekih modela može mijenjati. U oscilatornom krugu obavlja funkciju regulatora snage magnetskog polja. Možete spojiti nekoliko otpornika u seriji ili paralelno, čime se povećava otpor kruga.
Otpor ovog elementa također ovisi o temperaturi, stoga treba biti oprezan u njegovom radu u krugu, jer se zagrijava kada struja prođe.
Otpor otpornika se mjeri u Ohmima, a njegova vrijednost se može izračunati pomoću formule:
-
R=(pl)/S, gdje je
p otpornost materijala otpornika (mjereno u (Ohmmm2)/m);
l - duljina otpornika (u metrima);
S - površina presjeka (u kvadratnim milimetrima).
Kako povezati parametre puta?
Sada smo se približili fizicirad oscilatornog kruga. Tijekom vremena, naboj na pločama kondenzatora mijenja se prema diferencijalnoj jednadžbi drugog reda.
Ako riješite ovu jednadžbu, iz nje slijedi nekoliko zanimljivih formula koje opisuju procese koji se odvijaju u krugu. Na primjer, ciklička frekvencija može se izraziti u terminima kapacitivnosti i induktivnosti.
Međutim, najjednostavnija formula koja vam omogućuje izračunavanje mnogih nepoznatih veličina je Thomsonova formula (nazvana po engleskom fizičaru Williamu Thomsonu, koji ju je izveo 1853.):
-
T=2p(LC)1/2.
T - period elektromagnetskih oscilacija, L i C - odnosno, induktivitet zavojnice titrajnog kruga i kapacitet elemenata kruga, p - broj pi.
Q faktor
Postoji još jedna važna vrijednost koja karakterizira rad kruga - faktor kvalitete. Da bismo razumjeli što je to, treba se obratiti takvom procesu kao što je rezonancija. Ovo je pojava u kojoj amplituda postaje maksimalna uz konstantnu vrijednost sile koja podržava ovu oscilaciju. Rezonancija se može objasniti jednostavnim primjerom: ako počnete gurati zamah u ritmu njegove frekvencije, tada će se ubrzati, a njegova "amplituda" će se povećati. A ako izgurate iz vremena, oni će usporiti. Kod rezonancije se često raspršuje mnogo energije. Kako bi mogli izračunati veličinu gubitaka, došli su do parametra kao što je faktor kvalitete. To je omjer jednak omjeruenergije u sustavu do gubitaka koji se javljaju u krugu u jednom ciklusu.
Faktor kvalitete kruga izračunava se po formuli:
-
Q=(w0W)/P, gdje je
w0 - frekvencija rezonantne cikličke oscilacije;
W - energija pohranjena u oscilatornom sustavu;
P - disipacija snage.
Ovaj parametar je bezdimenzijska vrijednost, jer zapravo pokazuje omjer energije: pohranjene i potrošene.
Što je idealni oscilatorni krug
Za bolje razumijevanje procesa u ovom sustavu, fizičari su osmislili takozvani idealni oscilatorni krug. Ovo je matematički model koji predstavlja strujni krug kao sustav s nultim otporom. Proizvodi neprigušene harmonijske oscilacije. Takav model omogućuje dobivanje formula za približni izračun parametara konture. Jedan od ovih parametara je ukupna energija:
W=(LI2)/2.
Takva pojednostavljenja značajno ubrzavaju izračune i omogućuju procjenu karakteristika kruga s danim pokazateljima.
Kako funkcionira?
Cijeli ciklus oscilatornog kruga može se podijeliti na dva dijela. Sada ćemo detaljno analizirati procese koji se odvijaju u svakom dijelu.
- Prva faza: Pozitivno nabijena kondenzatorska ploča počinje se prazniti, dajući struju u krug. U ovom trenutku struja prelazi iz pozitivnog na negativan naboj, prolazeći kroz zavojnicu. Kao rezultat toga, u krugu se javljaju elektromagnetske oscilacije. struja koja prolazizavojnica, ide do druge ploče i puni je pozitivno (dok je prva ploča, iz koje je tekla struja, nabijena negativno).
- Druga faza: odvija se obrnuti proces. Struja prelazi s pozitivne ploče (koja je na samom početku bila negativna) na negativnu, prolazeći ponovno kroz zavojnicu. I sve optužbe dolaze na svoje mjesto.
Ciklus se ponavlja sve dok je kondenzator napunjen. U idealnom titrajnom krugu taj proces traje beskonačno, ali u stvarnom su gubici energije neizbježni zbog raznih čimbenika: zagrijavanja do kojeg dolazi zbog postojanja otpora u krugu (Joule topline) i slično.
Opcije dizajna konture
Osim jednostavnih krugova "zavojnica-kondenzator" i "zavojnica-otpornik-kondenzator", postoje i druge opcije koje koriste oscilatorni krug kao osnovu. Ovo je, na primjer, paralelni krug, koji se razlikuje po tome što postoji kao element električnog kruga (jer, da postoji odvojeno, bio bi serijski krug, o čemu je bilo riječi u članku).
Postoje i druge vrste dizajna koji uključuju različite električne komponente. Na primjer, možete spojiti tranzistor na mrežu, koji će otvarati i zatvarati krug s frekvencijom jednakom frekvenciji titranja u krugu. Tako će se u sustavu uspostaviti neprigušene oscilacije.
Gdje se koristi oscilatorni krug?
Najpoznatija primjena komponenti kola su elektromagneti. Oni se pak koriste u interfonima, elektromotorima,senzorima i u mnogim drugim ne tako običnim područjima. Druga primjena je generator oscilacija. Zapravo, ova nam je uporaba sklopa vrlo poznata: u ovom obliku koristi se u mikrovalnoj pećnici za stvaranje valova te u mobilnim i radio komunikacijama za prijenos informacija na daljinu. Sve je to zbog činjenice da se oscilacije elektromagnetskih valova mogu kodirati na takav način da postaje moguće prenijeti informacije na velike udaljenosti.
Sama induktorica se može koristiti kao element transformatora: dvije zavojnice s različitim brojem namota mogu prenijeti svoj naboj pomoću elektromagnetskog polja. No, budući da su karakteristike solenoida različite, indikatori struje u dva kruga na koje su spojena ova dva induktora će se razlikovati. Dakle, moguće je pretvoriti struju napona od, recimo, 220 volti u struju napona od 12 volti.
Zaključak
Detaljno smo analizirali princip rada oscilatornog kruga i svaki njegov dio posebno. Naučili smo da je oscilatorni krug uređaj dizajniran za stvaranje elektromagnetskih valova. Međutim, ovo su samo osnove složene mehanike ovih naizgled jednostavnih elemenata. Možete saznati više o zamršenosti sklopa i njegovih komponenti iz specijalizirane literature.
