Një qark oscilues është një pajisje e krijuar për të gjeneruar (krijuar) lëkundje elektromagnetike. Që nga fillimi i tij deri në ditët e sotme, ai është përdorur në shumë fusha të shkencës dhe teknologjisë: nga jeta e përditshme deri te fabrikat e mëdha që prodhojnë një shumëllojshmëri të gjerë produktesh.
Nga çfarë përbëhet?
Qarku oscilues përbëhet nga një spirale dhe një kondensator. Përveç kësaj, ai mund të përmbajë gjithashtu një rezistencë (element me rezistencë të ndryshueshme). Një induktor (ose solenoid, siç quhet ndonjëherë) është një shufër mbi të cilën janë mbështjellë disa shtresa dredha-dredha, e cila, si rregull, është një tel bakri. Është ky element që krijon lëkundje në qarkun oscilues. Shufra në mes shpesh quhet mbytje ose bërthamë, dhe spiralja nganjëherë quhet solenoid.
Bobina e qarkut oscilues lëkundet vetëm kur ka një ngarkesë të ruajtur. Kur rryma kalon nëpër të, ajo grumbullon një ngarkesë, të cilën më pas e lëshon në qark nëse tensioni bie.
Telat e spirales zakonisht kanë shumë pak rezistencë, e cila mbetet gjithmonë konstante. Në qarkun e një qarku oscilues, shumë shpesh ndodh një ndryshim në tension dhe rrymë. Ky ndryshim i nënshtrohet disa ligjeve matematikore:
-
U=U0cos(w(t-t0), ku
U është voltazhi aktual pikë në kohën t, U0 - tension në kohën t0, w - frekuenca e lëkundjet elektromagnetike.
Një komponent tjetër integral i qarkut është kondensatori elektrik. Ky është një element i përbërë nga dy pllaka, të cilat janë të ndara nga një dielektrik. Në këtë rast, trashësia e shtresës midis pllakave është më e vogël se madhësia e tyre. Ky dizajn ju lejon të grumbulloni një ngarkesë elektrike në dielektrik, e cila më pas mund të transferohet në qark.
Dallimi midis një kondensatori dhe një baterie është se nuk ka transformim të substancave nën veprimin e një rryme elektrike, por një akumulim i drejtpërdrejtë i ngarkesës në një fushë elektrike. Kështu, me ndihmën e një kondensatori, është e mundur të grumbullohet një ngarkesë mjaft e madhe, e cila mund të jepet menjëherë. Në këtë rast, forca aktuale në qark rritet shumë.
Gjithashtu, qarku oscilues përbëhet nga një element tjetër: një rezistencë. Ky element ka rezistencë dhe është krijuar për të kontrolluar rrymën dhe tensionin në qark. Nëse rezistenca e rezistencës rritet me një tension konstant, atëherë forca aktuale do të ulet sipas ligjitOma:
-
I=U/R, ku
I është rrymë, U është tension, R është rezistencë.
Induktor
Le të hedhim një vështrim më të afërt në të gjitha hollësitë e induktorit dhe të kuptojmë më mirë funksionin e tij në një qark oscilues. Siç kemi thënë tashmë, rezistenca e këtij elementi tenton në zero. Kështu, kur lidhet me një qark DC, do të ndodhte një qark i shkurtër. Megjithatë, nëse e lidhni spiralen me një qark AC, ajo funksionon siç duhet. Kjo ju lejon të arrini në përfundimin se elementi ofron rezistencë ndaj rrymës alternative.
Por pse ndodh kjo dhe si lind rezistenca me rrymë alternative? Për t'iu përgjigjur kësaj pyetjeje, duhet t'i drejtohemi një fenomeni të tillë si vetë-induksioni. Kur rryma kalon përmes spirales, në të lind një forcë elektromotore (EMF), e cila krijon një pengesë për ndryshimin e rrymës. Madhësia e kësaj force varet nga dy faktorë: induktiviteti i spirales dhe derivati i forcës aktuale në lidhje me kohën. Matematikisht, kjo varësi shprehet përmes ekuacionit:
-
E=-LI'(t), ku
E është vlera EMF, L është vlera e induktancës së spirales (për çdo spirale është e ndryshme dhe varet në numrin e bobinave të mbështjelljes dhe trashësitë e tyre), I'(t) - derivat i forcës aktuale në lidhje me kohën (shkalla e ndryshimit të forcës aktuale).
Forca e rrymës direkte nuk ndryshon me kalimin e kohës, kështu që nuk ka rezistencë kur ekspozohet ndaj saj.
Por me rrymë alternative, të gjithë parametrat e saj ndryshojnë vazhdimisht sipas një ligji sinusoidal ose kosinus,si rezultat, lind një EMF që parandalon këto ndryshime. Një rezistencë e tillë quhet induktive dhe llogaritet me formulën:
- XL =wL
Rryma në solenoid rritet dhe zvogëlohet në mënyrë lineare sipas ligjeve të ndryshme. Kjo do të thotë që nëse ndaloni furnizimin aktual të spirales, ajo do të vazhdojë të ngarkojë qarkun për ca kohë. Dhe nëse në të njëjtën kohë furnizimi aktual ndërpritet papritmas, atëherë do të ndodhë një goditje për faktin se ngarkesa do të përpiqet të shpërndahet dhe të dalë nga spiralja. Ky është një problem serioz në prodhimin industrial. Një efekt i tillë (megjithëse jo plotësisht i lidhur me qarkun oscilues) mund të vërehet, për shembull, kur tërhiqni spinën nga priza. Në të njëjtën kohë, një shkëndijë kërcen, e cila në një shkallë të tillë nuk është në gjendje të dëmtojë një person. Kjo është për faktin se fusha magnetike nuk zhduket menjëherë, por gradualisht shpërndahet, duke shkaktuar rryma në përçuesit e tjerë. Në një shkallë industriale, forca aktuale është shumë herë më e madhe se 220 volt me të cilat jemi mësuar, kështu që kur një qark ndërpritet në prodhim, mund të shfaqen shkëndija të një fuqie të tillë që shkaktojnë shumë dëm si për bimën ashtu edhe për personin.
Një spirale është baza e asaj nga e cila përbëhet një qark oscilues. Induktancat e solenoideve në seri mblidhen. Më pas, ne do të hedhim një vështrim më të afërt në të gjitha hollësitë e strukturës së këtij elementi.
Çfarë është induktiviteti?
Induktiviteti i bobinës së një qarku oscilues është një tregues individual numerikisht i barabartë me forcën elektromotore (në volt) që ndodh në qark kurndryshimi i rrymës me 1 A në 1 sekondë. Nëse solenoidi është i lidhur me një qark DC, atëherë induktiviteti i tij përshkruan energjinë e fushës magnetike që krijohet nga kjo rrymë sipas formulës:
-
W=(LI2)/2, ku
W është energjia e fushës magnetike.
Faktori i induktivitetit varet nga shumë faktorë: nga gjeometria e solenoidit, nga karakteristikat magnetike të bërthamës dhe nga numri i mbështjelljeve të telit. Një veçori tjetër e këtij treguesi është se ai është gjithmonë pozitiv, sepse variablat nga të cilët varet nuk mund të jenë negative.
Induktiviteti mund të përkufizohet gjithashtu si veti e një përcjellësi me rrymë për të ruajtur energjinë në një fushë magnetike. Ajo matet në Henry (e quajtur sipas shkencëtarit amerikan Joseph Henry).
Përveç solenoidit, qarku oscilues përbëhet nga një kondensator, i cili do të diskutohet më vonë.
kondensator elektrik
Kapaciteti i qarkut oscilues përcaktohet nga kapaciteti i kondensatorit elektrik. Për pamjen e tij u shkrua më lart. Tani le të analizojmë fizikën e proceseve që ndodhin në të.
Meqenëse pllakat e kondensatorit janë bërë nga një përcjellës, një rrymë elektrike mund të rrjedhë nëpër to. Megjithatë, ekziston një pengesë midis dy pllakave: një dielektrik (mund të jetë ajri, druri ose material tjetër me rezistencë të lartë. Për shkak të faktit se ngarkesa nuk mund të lëvizë nga njëri skaj i telit në tjetrin, ai grumbullohet në pllaka kondensator. Kjo rrit fuqinë e fushave magnetike dhe elektrike rreth tij.energjia elektrike e grumbulluar në pllaka fillon të transferohet në qark.
Çdo kondensator ka një vlerësim të tensionit që është optimale për funksionimin e tij. Nëse ky element funksionon për një kohë të gjatë në një tension mbi tensionin nominal, jeta e tij e shërbimit zvogëlohet ndjeshëm. Kondensatori i qarkut oscilues ndikohet vazhdimisht nga rrymat, dhe për këtë arsye, kur e zgjidhni atë, duhet të jeni jashtëzakonisht të kujdesshëm.
Përveç kondensatorëve të zakonshëm që u diskutuan, ka edhe jonistorë. Ky është një element më kompleks: mund të përshkruhet si një kryqëzim midis një baterie dhe një kondensatori. Si rregull, substancat organike shërbejnë si një dielektrik në një jonistor, midis të cilit ka një elektrolit. Së bashku ata krijojnë një shtresë elektrike të dyfishtë, e cila ju lejon të grumbulloni në këtë dizajn shumë herë më shumë energji sesa në një kondensator tradicional.
Sa është kapaciteti i një kondensatori?
Kapaciteti i një kondensatori është raporti i ngarkesës së kondensatorit me tensionin nën të cilin ndodhet. Ju mund ta llogaritni këtë vlerë shumë thjesht duke përdorur formulën matematikore:
-
C=(e0S)/d, ku
e0 është lejueshmëria e materialit dielektrik (vlera e tabelës), S - sipërfaqja e pllakave të kondensatorit, d - distanca midis pllakave.
Varësia e kapacitetit të kondensatorit nga distanca midis pllakave shpjegohet me fenomenin e induksionit elektrostatik: sa më e vogël të jetë distanca midis pllakave, aq më të forta ato ndikojnë në njëra-tjetrën (sipas ligjit të Kulombit), më e madhe ngarkesa e pllakave dhe aq më e ulët tensioni. Dhe me uljen e tensionitvlera e kapacitetit rritet, pasi mund të përshkruhet edhe me formulën e mëposhtme:
-
C=q/U, ku
q është ngarkesa në kulonë.
Ia vlen të flasim për njësitë e kësaj sasie. Kapaciteti matet në farad. 1 farad është një vlerë mjaft e madhe që kondensatorët ekzistues (por jo jonistorët) të kenë një kapacitet të matur në pikofarad (një trilion farad).
Rezistor
Rryma në qarkun oscilues varet gjithashtu nga rezistenca e qarkut. Dhe përveç dy elementëve të përshkruar që përbëjnë qarkun oshilator (mbështjellje, kondensatorë), ekziston edhe një i tretë - një rezistencë. Ai është përgjegjës për krijimin e rezistencës. Rezistenca ndryshon nga elementët e tjerë në atë që ka një rezistencë të madhe, e cila mund të ndryshohet në disa modele. Në qarkun oscilues, ai kryen funksionin e një rregullatori të fuqisë së fushës magnetike. Ju mund të lidhni disa rezistorë në seri ose paralelisht, duke rritur kështu rezistencën e qarkut.
Rezistenca e këtij elementi varet edhe nga temperatura, ndaj duhet të keni kujdes për funksionimin e tij në qark, pasi nxehet kur kalon rryma.
Rezistenca e rezistencës matet në Ohms dhe vlera e saj mund të llogaritet duke përdorur formulën:
-
R=(pl)/S, ku
p është rezistenca e materialit të rezistencës (e matur në (Ohmmm2)/m);
l - gjatësia e rezistencës (në metra);
S - zona seksionale (në milimetra katrorë).
Si të lidhni parametrat e rrugës?
Tani i afrohemi fizikësfunksionimi i qarkut oscilues. Me kalimin e kohës, ngarkesa në pllakat e kondensatorit ndryshon sipas një ekuacioni diferencial të rendit të dytë.
Nëse e zgjidhni këtë ekuacion, prej tij rrjedhin disa formula interesante, që përshkruajnë proceset që ndodhin në qark. Për shembull, frekuenca ciklike mund të shprehet në terma të kapacitetit dhe induktivitetit.
Megjithatë, formula më e thjeshtë që ju lejon të llogaritni shumë sasi të panjohura është formula Thomson (e emërtuar sipas fizikanit anglez William Thomson, i cili e nxori atë në 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - periudha e lëkundjeve elektromagnetike, L dhe C - respektivisht, induktiviteti i bobinës së qarkut oscilues dhe kapaciteti i elementeve të qarkut, p - numri pi.
Faktor Q
Ekziston një vlerë tjetër e rëndësishme që karakterizon funksionimin e qarkut - faktori i cilësisë. Për të kuptuar se çfarë është, duhet t'i drejtoheni një procesi të tillë si rezonanca. Ky është një fenomen në të cilin amplituda bëhet maksimale me një vlerë konstante të forcës që mbështet këtë lëkundje. Rezonanca mund të shpjegohet me një shembull të thjeshtë: nëse filloni të shtyni lëkundjen në ritmin e frekuencës së saj, atëherë ajo do të përshpejtohet dhe "amplituda" e saj do të rritet. Dhe nëse shtyni jashtë kohës, ata do të ngadalësohen. Në rezonancë, shpesh shpërndahet shumë energji. Për të qenë në gjendje të llogarisin madhësinë e humbjeve, ata dolën me një parametër të tillë si faktori i cilësisë. Është një raport i barabartë me raportinenergji në sistem ndaj humbjeve që ndodhin në qark në një cikël.
Faktori i cilësisë së qarkut llogaritet me formulën:
-
Q=(w0W)/P, ku
w0 - frekuenca e lëkundjeve ciklike rezonante;
W - energjia e ruajtur në sistemin oscilues;
P - shpërndarja e fuqisë.
Ky parametër është një vlerë pa dimension, pasi në fakt tregon raportin e energjisë: të ruajtur ndaj shpenzuar.
Çfarë është një qark ideal oscilues
Për një kuptim më të mirë të proceseve në këtë sistem, fizikanët dolën me të ashtuquajturin qark oscilues ideal. Ky është një model matematik që paraqet një qark si një sistem me rezistencë zero. Ai prodhon lëkundje harmonike të pamposhtura. Një model i tillë bën të mundur marrjen e formulave për llogaritjen e përafërt të parametrave të konturit. Një nga këta parametra është energjia totale:
W=(LI2)/2.
Të tilla thjeshtëzime përshpejtojnë ndjeshëm llogaritjet dhe bëjnë të mundur vlerësimin e karakteristikave të një qarku me tregues të dhënë.
Si funksionon?
I gjithë cikli i qarkut oscilues mund të ndahet në dy pjesë. Tani do të analizojmë në detaje proceset që ndodhin në secilën pjesë.
- Faza e parë: Pllaka e kondensatorit të ngarkuar pozitivisht fillon të shkarkohet, duke i dhënë rrymë qarkut. Në këtë moment, rryma kalon nga një ngarkesë pozitive në një negative, duke kaluar përmes spirales. Si rezultat, lëkundjet elektromagnetike ndodhin në qark. rryma që kalonspiralja, shkon në pllakën e dytë dhe e ngarkon atë pozitivisht (ndërsa pllaka e parë, nga e cila rrjedh rryma, është e ngarkuar negativisht).
- Faza e dytë: zhvillohet procesi i kundërt. Rryma kalon nga pllaka pozitive (e cila ishte negative në fillim) në negative, duke kaluar përsëri përmes spirales. Dhe të gjitha akuzat bien në vend.
Cikli përsëritet për sa kohë që ka një ngarkesë në kondensator. Në një qark oscilues ideal, ky proces vazhdon pafundësisht, por në atë real, humbjet e energjisë janë të pashmangshme për shkak të faktorëve të ndryshëm: ngrohja, e cila ndodh për shkak të ekzistencës së rezistencës në qark (nxehtësia xhaul) dhe të ngjashme.
Opsionet e dizajnit të kontureve
Përveç qarqeve të thjeshta "spiral-kondensator" dhe "spiral-rezistencë-kondensator", ka opsione të tjera që përdorin një qark oshilator si bazë. Ky, për shembull, është një qark paralel, i cili ndryshon në atë që ekziston si një element i një qarku elektrik (sepse, nëse do të ekzistonte veçmas, do të ishte një qark seri, i cili u diskutua në artikull).
Ka edhe lloje të tjera dizajnesh që përfshijnë komponentë të ndryshëm elektrikë. Për shembull, mund të lidhni një transistor në rrjet, i cili do të hapë dhe mbyllë qarkun me një frekuencë të barabartë me frekuencën e lëkundjes në qark. Kështu, lëkundjet e pamposhtura do të vendosen në sistem.
Ku përdoret një qark oscilues?
Zbatimi më i njohur i komponentëve të qarkut është elektromagneti. Ato, nga ana tjetër, përdoren në intercom, motorë elektrikë,sensorë dhe në shumë zona të tjera jo aq të zakonshme. Një aplikim tjetër është një gjenerator lëkundjeje. Në fakt, ky përdorim i qarkut është shumë i njohur për ne: në këtë formë përdoret në mikrovalë për të krijuar valë dhe në komunikimet celulare dhe radio për të transmetuar informacion në distancë. E gjithë kjo për faktin se lëkundjet e valëve elektromagnetike mund të kodohen në atë mënyrë që të bëhet i mundur transmetimi i informacionit në distanca të gjata.
Vetë induktori mund të përdoret si një element i një transformatori: dy mbështjellje me një numër të ndryshëm mbështjelljesh mund të transferojnë ngarkesën e tyre duke përdorur një fushë elektromagnetike. Por meqenëse karakteristikat e solenoideve janë të ndryshme, treguesit e rrymës në dy qarqet me të cilat janë lidhur këta dy induktorë do të ndryshojnë. Kështu, është e mundur të konvertohet një rrymë me një tension prej, të themi, 220 volt në një rrymë me një tension prej 12 volt.
Përfundim
Kemi analizuar në detaje parimin e funksionimit të qarkut oscilues dhe secilës pjesë të tij veç e veç. Mësuam se një qark oscilues është një pajisje e krijuar për të krijuar valë elektromagnetike. Megjithatë, këto janë vetëm bazat e mekanikës komplekse të këtyre elementeve në dukje të thjeshtë. Mund të mësoni më shumë rreth ndërlikimeve të qarkut dhe përbërësve të tij nga literatura e specializuar.
