Oscilatorno kolo je uređaj dizajniran da generiše (stvara) elektromagnetne oscilacije. Od svog nastanka do danas, koristi se u mnogim oblastima nauke i tehnologije: od svakodnevnog života do ogromnih fabrika koje proizvode širok izbor proizvoda.
Od čega je napravljen?
Oscilatorno kolo se sastoji od zavojnice i kondenzatora. Osim toga, može sadržavati i otpornik (element promjenjivog otpora). Induktor (ili solenoid, kako se ponekad naziva) je šipka na koju je namotano nekoliko slojeva namota, što je u pravilu bakrena žica. Upravo ovaj element stvara oscilacije u oscilatornom krugu. Štap u sredini se često naziva prigušnica ili jezgro, a zavojnica se ponekad naziva solenoidom.
Zavojnica oscilatornog kruga oscilira samo kada postoji pohranjeno punjenje. Kada struja prođe kroz njega, on akumulira naelektrisanje, koje onda odaje kolu ako napon padne.
Žice zavojnice obično imaju vrlo mali otpor, koji uvijek ostaje konstantan. U krugu oscilirajućeg kola vrlo često dolazi do promjene napona i struje. Ova promjena podliježe određenim matematičkim zakonima:
-
U=U0cos(w(t-t0), gdje je
U trenutni napon tačka u vremenu t, U0 - napon u trenutku t0, w - frekvencija elektromagnetne oscilacije.
Još jedna sastavna komponenta kola 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 vam omogućava da akumulirate električni naboj na dielektriku, koji se zatim može prenijeti u kolo.
Razlika između kondenzatora i baterije je u tome što ne dolazi do transformacije tvari pod djelovanjem električne struje, već do direktnog nakupljanja naboja u električnom polju. Dakle, uz pomoć kondenzatora, moguće je akumulirati dovoljno veliki naboj, koji se može odati odjednom. U ovom slučaju, jačina struje u kolu se jako povećava.
Takođe, oscilatorno kolo 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 izbliza sve suptilnosti induktora i bolje razumimo njegovu funkciju u oscilatornom kolu. Kao što smo već rekli, otpor ovog elementa teži nuli. Dakle, kada se spoji na jednosmjerno kolo, došlo bi do kratkog spoja. Međutim, ako spojite zavojnicu na AC krug, on radi ispravno. Ovo vam omogućava da zaključite da element nudi otpornost na izmjeničnu struju.
Ali zašto se to događa i kako nastaje otpor naizmjenične 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 za promjenu struje. Veličina ove sile zavisi od dva faktora: induktivnosti zavojnice i derivata jačine struje u odnosu na vreme. Matematički, ova zavisnost se izražava kroz jednačinu:
-
E=-LI'(t), gdje je
E vrijednost EMF-a, L je vrijednost induktivnosti zavojnice (za svaki kalem je različita i zavisi o broju zavojnica namotaja i njihovoj debljini), I'(t) - derivacija jačine struje u odnosu na vrijeme (brzina promjene jačine struje).
Jačina jednosmjerne struje se ne mijenja tokom vremena, tako da nema otpora kada je izložena.
Ali kod naizmjenične struje, svi njeni parametri se stalno mijenjaju prema sinusoidalnom ili kosinusnom zakonu,kao rezultat, javlja se EMF koji sprečava ove promjene. Takav otpor se naziva 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 da daje 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. Ovo je ozbiljan problem u industrijskoj proizvodnji. Takav učinak (iako nije u potpunosti povezan s oscilatornim krugom) može se primijetiti, na primjer, kada se utikač izvuče iz utičnice. Istovremeno, 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 strujno kolo prekine u proizvodnji, mogu nastati iskre takve jačine koje nanose mnogo štete i biljci i čovjeku.
Zavojnica je osnova od čega se sastoji oscilatorno kolo. Induktivnosti solenoida u seriji se zbrajaju. Zatim ćemo pobliže pogledati sve suptilnosti strukture ovog elementa.
Šta je induktivnost?
Induktivnost zavojnice oscilatornog kola je pojedinačni indikator numerički jednak elektromotornoj sili (u voltima) koja se javlja u kolu kadapromjena struje za 1 A u 1 sekundi. Ako je solenoid spojen na jednosmjerni krug, tada njegova induktivnost opisuje energiju magnetskog polja koje stvara ova struja prema formuli:
-
W=(LI2)/2, gdje je
W energija magnetnog polja.
Faktor induktivnosti zavisi od mnogih faktora: od geometrije solenoida, od magnetnih karakteristika jezgra i od broja namotaja žice. Još jedno svojstvo ovog indikatora je da je uvijek pozitivan, jer varijable od kojih ovisi ne mogu biti negativne.
Induktivnost se također može definirati kao svojstvo provodnika sa strujom da skladišti energiju u magnetskom polju. Meri se u Henriju (nazvan po američkom naučniku Džozefu Henriju).
Pored solenoida, oscilatorno kolo se sastoji od kondenzatora, o čemu će biti riječi kasnije.
Električni kondenzator
Kapacitet oscilatornog kola je određen kapacitivnošću električnog kondenzatora. O njegovom izgledu pisalo je gore. Sada analizirajmo fiziku procesa koji se u njemu odvijaju.
Pošto su ploče kondenzatora napravljene od provodnika, električna struja može teći kroz njih. Međutim, postoji prepreka između dvije ploče: dielektrik (može biti zrak, drvo ili drugi materijal velikog otpora. Zbog činjenice da se naelektrisanje ne može pomaknuti s jednog kraja žice na drugi, akumulira se na kondenzatorske ploče Ovo povećava snagu magnetnog i električnog polja oko njega.električna energija akumulirana na pločama počinje da se prenosi u strujno kolo.
Svaki kondenzator ima napon koji je optimalan za njegov rad. Ako ovaj element radi duže vrijeme na naponu iznad nazivnog napona, njegov vijek trajanja se značajno smanjuje. Kondenzator oscilatornog kruga je stalno pod utjecajem struja, te stoga, prilikom odabira, trebate biti izuzetno oprezni.
Pored uobičajenih kondenzatora o kojima je bilo riječi, tu su i jonistori. Ovo je složeniji element: može se opisati kao križ između baterije i kondenzatora. U pravilu, organske tvari služe kao dielektrik u jonistoru, između kojih se nalazi elektrolit. Zajedno stvaraju dvostruki električni sloj, koji vam omogućava 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 (tabelarna vrijednost), S - površina ploča kondenzatora, d - udaljenost između ploča.
Zavisnost kapacitivnosti kondenzatora od udaljenosti između ploča objašnjava se fenomenom elektrostatičke indukcije: što je razmak između ploča manji, to one jače utiču jedna na drugu (prema Coulombovom zakonu), veći je naboj ploča i manji je napon. I kako napon opadavrijednost kapacitivnosti se povećava, jer se može opisati i 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 ionistori) imaju kapacitivnost mjerenu u pikofaradima (jedan trilion farada).
Otpornik
Struja u oscilatornom kolu takođe zavisi od otpora kola. A pored dva opisana elementa koji čine oscilatorni krug (zavojnice, kondenzatori), postoji i treći - otpornik. On je odgovoran za stvaranje otpora. Otpornik se razlikuje od ostalih elemenata po tome što ima veliki otpor, koji se kod nekih modela može mijenjati. U oscilatornom krugu obavlja funkciju regulatora snage magnetskog polja. Možete povezati nekoliko otpornika u seriji ili paralelno, čime se povećava otpor kola.
Otpor ovog elementa takođe zavisi od temperature, tako da treba da vodite računa o njegovom radu u kolu, jer se zagreva kada struja prođe.
Otpor otpornika se mjeri u omima, a njegova vrijednost se može izračunati pomoću formule:
-
R=(pl)/S, gdje je
p otpornost materijala otpornika (mjereno u (Ohmmm2)/m);
l - dužina otpornika (u metrima);
S - površina presjeka (u kvadratnim milimetrima).
Kako povezati parametre putanje?
Sada smo se približili fizicirad oscilatornog kola. Vremenom se naelektrisanje na pločama kondenzatora menja prema diferencijalnoj jednačini drugog reda.
Ako riješite ovu jednačinu, iz nje slijedi nekoliko zanimljivih formula koje opisuju procese koji se odvijaju u kolu. Na primjer, ciklička frekvencija se može izraziti u terminima kapacitivnosti i induktivnosti.
Međutim, najjednostavnija formula koja vam omogućava da izračunate mnoge nepoznate količine je Thomsonova formula (nazvana po engleskom fizičaru Williamu Thomsonu, koji ju je izveo 1853.):
-
T=2p(LC)1/2.
T - period elektromagnetnih oscilacija, L i C - respektivno, induktivnost zavojnice oscilatornog kola i kapacitivnost elemenata kola, p - broj pi.
Q faktor
Postoji još jedna važna vrijednost koja karakterizira rad kola - faktor kvalitete. Da bismo razumjeli šta je to, treba se obratiti takvom procesu kao što je rezonancija. Ovo je fenomen u kojem 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 gurnete van vremena, oni će usporiti. U rezonanciji se često raspršuje mnogo energije. Da bi mogli izračunati veličinu gubitaka, došli su do parametra kao što je faktor kvaliteta. To je omjer jednak omjeruenergije u sistemu do gubitaka koji se javljaju u kolu u jednom ciklusu.
Faktor kvaliteta kola se izračunava po formuli:
-
Q=(w0W)/P, gdje je
w0 - frekvencija rezonantne ciklične oscilacije;
W - energija pohranjena u oscilatornom sistemu;
P - disipacija snage.
Ovaj parametar je bezdimenzionalna vrijednost, jer zapravo pokazuje omjer energije: pohranjene i potrošene.
Šta je idealno oscilatorno kolo
Za bolje razumijevanje procesa u ovom sistemu, fizičari su osmislili takozvano idealno oscilatorno kolo. Ovo je matematički model koji predstavlja kolo kao sistem sa nultim otporom. Proizvodi neprigušene harmonijske oscilacije. Takav model omogućava dobivanje formula za približni proračun parametara konture. Jedan od ovih parametara je ukupna energija:
W=(LI2)/2.
Ovakva pojednostavljenja značajno ubrzavaju proračune i omogućavaju procjenu karakteristika kola sa datim indikatorima.
Kako to funkcionira?
Cijeli ciklus oscilatornog kola može se podijeliti na dva dijela. Sada ćemo detaljno analizirati procese koji se dešavaju u svakom dijelu.
- Prva faza: Pozitivno nabijena kondenzatorska ploča počinje da se prazni, dajući struju u kolo. U ovom trenutku struja prelazi iz pozitivnog na negativan naboj, prolazeći kroz zavojnicu. Kao rezultat, u kolu se javljaju elektromagnetne oscilacije. struja koja prolazizavojnica, ide do druge ploče i puni je pozitivno (dok je prva ploča, iz koje je tekla struja, naelektrisana negativno).
- Druga faza: odvija se obrnuti proces. Struja prelazi sa pozitivne ploče (koja je na samom početku bila negativna) na negativnu, prolazeći ponovo kroz zavojnicu. I sve optužbe padaju na svoje mjesto.
Ciklus se ponavlja sve dok je kondenzator napunjen. U idealnom oscilatornom krugu ovaj proces se odvija beskonačno, ali u realnom su gubici energije neizbježni zbog raznih faktora: zagrijavanja do kojeg dolazi zbog postojanja otpora u kolu (džulova toplina) i sl..
Opcije dizajna konture
Pored jednostavnih kola "coil-capacitor" i "coil-resistor-capacitor", postoje i druge opcije koje koriste oscilatorno kolo kao osnovu. Ovo je, na primjer, paralelno kolo, koje se razlikuje po tome što postoji kao element električnog kola (jer, da postoji odvojeno, bilo bi to serijsko kolo, o čemu je bilo riječi u članku).
Postoje i drugi tipovi dizajna koji uključuju različite električne komponente. Na primjer, možete spojiti tranzistor na mrežu, koji će otvoriti i zatvoriti krug s frekvencijom jednakom frekvenciji oscilacija u krugu. Tako će se u sistemu uspostaviti neprigušene oscilacije.
Gdje se koristi oscilatorno kolo?
Najpoznatija primjena komponenti kola su elektromagneti. Oni se pak koriste u interfonima, elektromotorima,senzorima i u mnogim drugim ne tako uobičajenim područjima. Druga primjena je generator oscilacija. Zapravo, ova upotreba kola nam je vrlo poznata: u ovom obliku koristi se u mikrovalnoj pećnici za stvaranje valova i u mobilnim i radio komunikacijama za prijenos informacija na daljinu. Sve je to zbog činjenice da se oscilacije elektromagnetnih valova mogu kodirati na takav način da postaje moguće prenijeti informacije na velike udaljenosti.
Sam induktor se može koristiti kao element transformatora: dva namotaja sa različitim brojem namotaja mogu prenijeti svoj naboj pomoću elektromagnetnog polja. Ali budući da su karakteristike solenoida različite, indikatori struje u dva kruga na koja su spojena ova dva induktora će se razlikovati. Tako je moguće pretvoriti struju napona od, recimo, 220 volti u struju napona od 12 volti.
Zaključak
Detaljno smo analizirali princip rada oscilatornog kola i svakog njegovog dela posebno. Saznali smo da je oscilatorno kolo uređaj dizajniran za stvaranje elektromagnetnih valova. Međutim, ovo su samo osnove složene mehanike ovih naizgled jednostavnih elemenata. Možete saznati više o zamršenosti kola i njegovim komponentama iz specijalizirane literature.
