Oscilační obvod je zařízení určené ke generování (vytváření) elektromagnetických oscilací. Od svého vzniku až po současnost se používá v mnoha oblastech vědy a techniky: od každodenního života po obrovské továrny vyrábějící širokou škálu produktů.
Z čeho je vyroben?
Oscilační obvod se skládá z cívky a kondenzátoru. Navíc může obsahovat i rezistor (prvek s proměnným odporem). Induktor (nebo solenoid, jak se někdy nazývá) je tyč, na které je navinuto několik vrstev vinutí, což je zpravidla měděný drát. Právě tento prvek vytváří oscilace v oscilačním obvodu. Tyč uprostřed se často nazývá tlumivka nebo jádro a cívka se někdy nazývá solenoid.
Cívka oscilačního obvodu kmitá pouze v případě, že je v něm uložený náboj. Když jím prochází proud, akumuluje náboj, který pak odevzdá do obvodu, pokud napětí klesne.
Drátky cívky mají obvykle velmi malý odpor, který vždy zůstává konstantní. V obvodu oscilačního obvodu velmi často dochází ke změně napětí a proudu. Tato změna podléhá určitým matematickým zákonům:
-
U=U0cos(w(t-t0), kde
U je aktuální napětí bod v čase t, U0 - napětí v čase t0, w - frekvence elektromagnetické oscilace.
Další integrální součástí obvodu je elektrický kondenzátor. Jedná se o prvek sestávající ze dvou desek, které jsou odděleny dielektrikem. V tomto případě je tloušťka vrstvy mezi deskami menší než jejich velikosti. Tato konstrukce vám umožňuje akumulovat elektrický náboj na dielektriku, který pak může být přenesen do obvodu.
Rozdíl mezi kondenzátorem a baterií je v tom, že nedochází k přeměně látek působením elektrického proudu, ale k přímé akumulaci náboje v elektrickém poli. Pomocí kondenzátoru je tedy možné naakumulovat dostatečně velký náboj, který lze rozdat najednou. V tomto případě se síla proudu v obvodu výrazně zvýší.
Oscilační obvod se také skládá z dalšího prvku: rezistoru. Tento prvek má odpor a je určen k řízení proudu a napětí v obvodu. Pokud se odpor rezistoru zvýší při konstantním napětí, pak se síla proudu sníží podle zákonaOma:
-
I=U/R, kde
I je proud, U je napětí, R je odpor.
Induktor
Pojďme se blíže podívat na všechny jemnosti induktoru a lépe porozumět jeho funkci v oscilačním obvodu. Jak jsme již řekli, odpor tohoto prvku má tendenci k nule. Při připojení ke stejnosměrnému obvodu by tedy došlo ke zkratu. Pokud však cívku připojíte ke střídavému obvodu, funguje správně. To vám umožní dojít k závěru, že prvek klade odpor vůči střídavému proudu.
Proč se to ale děje a jak vzniká odpor se střídavým proudem? Abychom na tuto otázku odpověděli, musíme se obrátit na takový jev, jako je samoindukce. Při průchodu proudu cívkou v ní vzniká elektromotorická síla (EMF), která vytváří překážku pro změnu proudu. Velikost této síly závisí na dvou faktorech: indukčnosti cívky a derivaci síly proudu v závislosti na čase. Matematicky je tato závislost vyjádřena rovnicí:
-
E=-LI'(t), kde
E je hodnota EMF, L je hodnota indukčnosti cívky (pro každou cívku je jiná a závisí na počtu cívek vinutí a jejich tloušťce), I'(t) - derivace intenzity proudu v závislosti na čase (rychlost změny intenzity proudu).
Síla přímého proudu se v průběhu času nemění, takže při vystavení neklade žádný odpor.
Ale se střídavým proudem se všechny jeho parametry neustále mění podle sinusového nebo kosinusového zákona,v důsledku toho vzniká EMF, které těmto změnám brání. Takový odpor se nazývá indukční a vypočítá se podle vzorce:
- XL =wL
Proud v elektromagnetu lineárně roste a klesá podle různých zákonů. To znamená, že pokud zastavíte přívod proudu do cívky, bude po určitou dobu pokračovat v nabíjení obvodu. A pokud současně dojde k náhlému přerušení dodávky proudu, dojde k šoku v důsledku skutečnosti, že se náboj pokusí rozdělit a opustit cívku. To je vážný problém v průmyslové výrobě. Takový efekt (i když ne zcela související s oscilačním obvodem) lze pozorovat například při vytahování zástrčky ze zásuvky. Přitom přeskočí jiskra, která v takovém měřítku není schopna člověku ublížit. Je to způsobeno tím, že magnetické pole nezmizí okamžitě, ale postupně se rozptýlí a indukuje proudy v jiných vodičích. V průmyslovém měřítku je proudová síla mnohonásobně větší než 220 voltů, na které jsme zvyklí, takže když je obvod přerušen ve výrobě, mohou se objevit jiskry takové síly, které způsobí mnoho škody jak rostlině, tak osobě.
Cívka je základem toho, z čeho se skládá oscilační obvod. Indukčnost solenoidů v sérii se sčítá. Dále se blíže podíváme na všechny jemnosti struktury tohoto prvku.
Co je indukčnost?
Indukčnost cívky oscilačního obvodu je individuální indikátor, který se číselně rovná elektromotorické síle (ve voltech), která se vyskytuje v obvodu, kdyžzměna proudu o 1 A za 1 sekundu. Pokud je solenoid připojen ke stejnosměrnému obvodu, pak jeho indukčnost popisuje energii magnetického pole, které je tímto proudem vytvořeno podle vzorce:
-
W=(LI2)/2, kde
W je energie magnetického pole.
Činitel indukčnosti závisí na mnoha faktorech: na geometrii solenoidu, na magnetických charakteristikách jádra a na počtu cívek drátu. Další vlastností tohoto indikátoru je, že je vždy kladný, protože proměnné, na kterých závisí, nemohou být záporné.
Indukčnost lze také definovat jako vlastnost vodiče s proudem ukládat energii v magnetickém poli. Měří se v Henry (pojmenovaný po americkém vědci Josephu Henrym).
Kromě solenoidu se oscilační obvod skládá z kondenzátoru, o kterém bude řeč později.
Elektrický kondenzátor
Kapacita oscilačního obvodu je určena kapacitou elektrického kondenzátoru. O jeho vzhledu bylo napsáno výše. Nyní pojďme analyzovat fyziku procesů, které v něm probíhají.
Vzhledem k tomu, že desky kondenzátoru jsou vyrobeny z vodiče, může jimi protékat elektrický proud. Mezi oběma deskami je však překážka: dielektrikum (může to být vzduch, dřevo nebo jiný materiál s vysokým odporem. Vzhledem k tomu, že se náboj nemůže přesunout z jednoho konce drátu na druhý, hromadí se na kondenzátorové desky. To zvyšuje sílu magnetického a elektrického pole kolem něj.elektřina nahromaděná na deskách se začne přenášet do okruhu.
Každý kondenzátor má jmenovité napětí, které je optimální pro jeho provoz. Pokud je tento prvek dlouhodobě provozován při napětí nad jmenovitým napětím, výrazně se snižuje jeho životnost. Kondenzátor oscilačního obvodu je neustále ovlivňován proudy, a proto byste při jeho výběru měli být velmi opatrní.
Kromě běžných kondenzátorů, o kterých byla řeč, existují také ionistory. Jedná se o složitější prvek: lze jej popsat jako kříženec mezi baterií a kondenzátorem. Organické látky slouží zpravidla jako dielektrikum v ionistoru, mezi kterým je elektrolyt. Společně vytvářejí dvojitou elektrickou vrstvu, která umožňuje akumulovat v tomto provedení mnohonásobně více energie než v tradičním kondenzátoru.
Jaká je kapacita kondenzátoru?
Kapacita kondenzátoru je poměr náboje kondenzátoru k napětí, pod kterým se nachází. Tuto hodnotu můžete vypočítat velmi jednoduše pomocí matematického vzorce:
-
C=(e0S)/d, kde
e0 je permitivita dielektrického materiálu (tabulková hodnota), S - plocha desek kondenzátoru, d - vzdálenost mezi deskami.
Závislost kapacity kondenzátoru na vzdálenosti mezi deskami je vysvětlena jevem elektrostatické indukce: čím menší je vzdálenost mezi deskami, tím silněji se navzájem ovlivňují (podle Coulombova zákona). větší nabití desek a nižší napětí. A jak napětí klesáhodnota kapacity se zvyšuje, protože ji lze také popsat následujícím vzorcem:
-
C=q/U, kde
q je náboj v coulombech.
Stojí za to mluvit o jednotkách tohoto množství. Kapacita se měří ve faradech. 1 farad je dostatečně velká hodnota, aby stávající kondenzátory (ale ne ionistory) měly kapacitu měřenou v pikofaradech (jeden bilion farad).
Rezistor
Proud v oscilačním obvodu také závisí na odporu obvodu. A kromě dvou popsaných prvků, které tvoří oscilační obvod (cívky, kondenzátory), existuje ještě třetí - rezistor. Je zodpovědný za vytváření odporu. Odpor se od ostatních prvků liší tím, že má velký odpor, který lze u některých modelů měnit. V oscilačním obvodu plní funkci regulátoru výkonu magnetického pole. Můžete zapojit několik rezistorů do série nebo paralelně, čímž zvýšíte odpor obvodu.
Odpor tohoto prvku závisí také na teplotě, takže byste měli být opatrní na jeho činnost v obvodu, protože se zahřívá při průchodu proudu.
Odpor rezistoru se měří v ohmech a jeho hodnotu lze vypočítat pomocí vzorce:
-
R=(pl)/S, kde
p je měrný odpor materiálu rezistoru (měřený v (Ohmmm2)/m);
l - délka odporu (v metrech);
S - plocha průřezu (v milimetrech čtverečních).
Jak propojit parametry cesty?
Nyní se blížíme k fyziceprovoz oscilačního obvodu. Postupem času se náboj na deskách kondenzátoru mění podle diferenciální rovnice druhého řádu.
Pokud vyřešíte tuto rovnici, plyne z ní několik zajímavých vzorců popisujících procesy probíhající v obvodu. Například cyklickou frekvenci lze vyjádřit pomocí kapacity a indukčnosti.
Nejjednodušší vzorec, který vám umožňuje vypočítat mnoho neznámých veličin, je Thomsonův vzorec (pojmenovaný po anglickém fyzikovi Williamu Thomsonovi, který jej odvodil v roce 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - perioda elektromagnetických oscilací, L a C - respektive indukčnost cívky oscilačního obvodu a kapacita prvků obvodu, p - číslo pi.
faktor Q
Je zde ještě jedna důležitá hodnota, která charakterizuje činnost obvodu – faktor kvality. Abychom pochopili, co to je, měli bychom se obrátit na takový proces, jako je rezonance. Jedná se o jev, při kterém se amplituda stává maximální s konstantní hodnotou síly, která toto kmitání podporuje. Rezonanci lze vysvětlit na jednoduchém příkladu: pokud začnete swing tlačit do rytmu jeho frekvence, pak se zrychlí a jeho „amplituda“se zvýší. A pokud vytlačíte čas, zpomalí se. Při rezonanci se často rozptýlí velké množství energie. Aby bylo možné vypočítat velikost ztrát, přišli s takovým parametrem, jako je faktor kvality. Je to poměr rovný poměruenergie v systému ke ztrátám v okruhu v jednom cyklu.
Faktor kvality okruhu se vypočítá podle vzorce:
-
Q=(w0W)/P, kde
w0 - rezonanční frekvence cyklických oscilací;
W - energie uložená v oscilačním systému;
P - ztrátový výkon.
Tento parametr je bezrozměrná hodnota, protože ve skutečnosti ukazuje poměr energie: uložená a spotřebovaná.
Co je ideální oscilační obvod
Pro lepší pochopení procesů v tomto systému přišli fyzici s takzvaným ideálním oscilačním obvodem. Jedná se o matematický model, který představuje obvod jako systém s nulovým odporem. Vytváří netlumené harmonické oscilace. Takový model umožňuje získat vzorce pro přibližný výpočet obrysových parametrů. Jedním z těchto parametrů je celková energie:
W=(LI2)/2.
Takováto zjednodušení výrazně urychlují výpočty a umožňují vyhodnotit charakteristiky obvodu s danými indikátory.
Jak to funguje?
Celý cyklus oscilačního obvodu lze rozdělit na dvě části. Nyní podrobně analyzujeme procesy probíhající v každé části.
- První fáze: Kladně nabitá deska kondenzátoru se začne vybíjet a dodává proud do obvodu. V tomto okamžiku proud prochází cívkou z kladného náboje na záporný. V důsledku toho dochází v obvodu k elektromagnetickým oscilacím. procházející proudcívka, jde na druhou desku a nabíjí ji kladně (zatímco první deska, ze které tekl proud, je nabitá záporně).
- Druhá fáze: probíhá opačný proces. Proud prochází z kladné desky (která byla na samém začátku záporná) na zápornou a prochází opět cívkou. A všechna obvinění padnou na své místo.
Cyklus se opakuje, dokud je kondenzátor nabitý. V ideálním oscilačním obvodu tento proces probíhá donekonečna, ale ve skutečném jsou energetické ztráty nevyhnutelné v důsledku různých faktorů: zahřívání, ke kterému dochází v důsledku existence odporu v obvodu (Joulovo teplo) a podobně.
Možnosti návrhu obrysu
Kromě jednoduchých obvodů „cívka-kondenzátor“a „cívka-rezistor-kondenzátor“existují další možnosti, které využívají jako základ oscilační obvod. Jedná se například o paralelní obvod, který se liší tím, že existuje jako prvek elektrického obvodu (protože pokud by existoval samostatně, jednalo by se o sériový obvod, o kterém byla řeč v článku).
Existují také další typy provedení, které zahrnují různé elektrické součásti. Například můžete do sítě zapojit tranzistor, který bude obvod otevírat a uzavírat s frekvencí rovnou frekvenci kmitů v obvodu. V systému se tak vytvoří netlumené oscilace.
Kde se používá oscilační obvod?
Nejznámější aplikací součástek obvodů jsou elektromagnety. Ty se zase používají v interkomech, elektromotorech,senzorů a v mnoha dalších ne tak běžných oblastech. Další aplikací je generátor oscilací. Ve skutečnosti je nám toto použití obvodu velmi známé: v této podobě se používá v mikrovlnné troubě k vytváření vln a v mobilních a rádiových komunikacích k přenosu informací na dálku. To vše je způsobeno skutečností, že oscilace elektromagnetických vln mohou být zakódovány takovým způsobem, že je možné přenášet informace na velké vzdálenosti.
Samotnou tlumivku lze použít jako prvek transformátoru: dvě cívky s různým počtem vinutí mohou přenášet svůj náboj pomocí elektromagnetického pole. Protože se však charakteristiky elektromagnetů liší, budou se lišit indikátory proudu ve dvou obvodech, ke kterým jsou tyto dva induktory připojeny. Je tedy možné převést proud o napětí řekněme 220 voltů na proud o napětí 12 voltů.
Závěr
Podrobně jsme analyzovali princip činnosti oscilačního obvodu a každé jeho části samostatně. Dozvěděli jsme se, že oscilační obvod je zařízení určené k vytváření elektromagnetických vln. To jsou však pouze základy složité mechaniky těchto zdánlivě jednoduchých prvků. Více o složitosti obvodu a jeho součástech se můžete dozvědět z odborné literatury.
