Oscilatorno vezje je naprava, zasnovana za ustvarjanje (ustvarjanje) elektromagnetnih nihanj. Od svojega začetka do danes se uporablja na številnih področjih znanosti in tehnologije: od vsakdanjega življenja do ogromnih tovarn, ki proizvajajo najrazličnejše izdelke.
Iz česa je narejen?
Nihalni krog je sestavljen iz tuljave in kondenzatorja. Poleg tega lahko vsebuje tudi upor (element s spremenljivo upornostjo). Induktor (ali solenoid, kot ga včasih imenujejo) je palica, na katero je navitih več plasti navitja, ki je praviloma bakrena žica. Prav ta element ustvarja nihanja v nihajnem krogu. Palica na sredini se pogosto imenuje dušilka ali jedro, tuljava pa se včasih imenuje solenoid.
Tuljava nihajnega kroga niha samo, ko je shranjen naboj. Ko tok teče skozi njo, nabere naboj, ki ga nato odda v vezje, če napetost pade.
Žice tuljave imajo običajno zelo majhen upor, ki vedno ostane konstanten. V vezju nihajnega kroga se zelo pogosto zgodi sprememba napetosti in toka. Za to spremembo veljajo nekateri matematični zakoni:
-
U=U0cos(w(t-t0), kjer je
U trenutna napetost točka v času t, U0 - napetost v času t0, w - frekvenca elektromagnetna nihanja.
Druga sestavni del vezja je električni kondenzator. To je element, sestavljen iz dveh plošč, ki sta ločeni z dielektrikom. V tem primeru je debelina plasti med ploščami manjša od njihove velikosti. Ta zasnova vam omogoča kopičenje električnega naboja na dielektriku, ki ga lahko nato prenesete v vezje.
Razlika med kondenzatorjem in baterijo je v tem, da pod delovanjem električnega toka ne pride do transformacije snovi, temveč do neposrednega kopičenja naboja v električnem polju. Tako je s pomočjo kondenzatorja mogoče nabrati dovolj velik naboj, ki ga lahko oddamo naenkrat. V tem primeru se jakost toka v vezju močno poveča.
Prav tako je nihajno vezje sestavljeno iz še enega elementa: upora. Ta element ima upor in je zasnovan za nadzor toka in napetosti v tokokrogu. Če se upor upora poveča pri konstantni napetosti, se bo moč toka zmanjšala v skladu z zakonomOma:
-
I=U/R, kjer je
I tok, U napetost, R upor.
induktor
Oglejmo si podrobneje vse tankosti induktorja in bolje razumemo njegovo funkcijo v nihalnem krogu. Kot smo že povedali, se upor tega elementa nagiba k nič. Tako bi pri priključitvi na enosmerni tokokrog prišlo do kratkega stika. Če pa tuljavo priključite na AC vezje, deluje pravilno. To vam omogoča sklepanje, da element nudi odpornost na izmenični tok.
Toda zakaj se to zgodi in kako nastane upor pri izmeničnem toku? Da bi odgovorili na to vprašanje, se moramo obrniti na takšen pojav, kot je samoindukcija. Ko tok teče skozi tuljavo, v njej nastane elektromotorna sila (EMF), ki ustvarja oviro pri spreminjanju toka. Velikost te sile je odvisna od dveh dejavnikov: induktivnosti tuljave in derivata tokovne jakosti glede na čas. Matematično je ta odvisnost izražena z enačbo:
-
E=-LI'(t), kjer je
E vrednost EMF, L je vrednost induktivnosti tuljave (za vsako tuljavo je drugačna in odvisna o številu tuljav navitja in njihovih debelinah), I'(t) - izvod tokovne jakosti glede na čas (stopnja spremembe jakosti toka).
Moč enosmernega toka se sčasoma ne spreminja, zato ni upora, ko je izpostavljen.
Toda pri izmeničnem toku se vsi njegovi parametri nenehno spreminjajo v skladu s sinusoidnim ali kosinusnim zakonom,posledično nastane EMF, ki te spremembe prepreči. Takšen upor se imenuje induktivna in se izračuna po formuli:
- XL =wL
Tok v solenoidu linearno narašča in pada v skladu z različnimi zakoni. To pomeni, da če prekinete dovod toka do tuljave, bo ta še nekaj časa napolnila vezje. In če se hkrati nenadoma prekine dovod toka, bo prišlo do šoka zaradi dejstva, da se bo naboj poskušal porazdeliti in izstopiti iz tuljave. To je resen problem v industrijski proizvodnji. Tak učinek (čeprav ni v celoti povezan z nihajnim krogom) je mogoče opaziti, na primer, ko izvlečete vtič iz vtičnice. Hkrati pa preskoči iskrica, ki v takšnem obsegu človeku ne more škodovati. To je posledica dejstva, da magnetno polje ne izgine takoj, ampak se postopoma razprši in povzroči tokove v drugih prevodnikih. V industrijskem obsegu je moč toka večkrat večja od 220 voltov, ki smo jih vajeni, zato lahko ob prekinitvi tokokroga v proizvodnji nastanejo iskre takšne moči, ki povzročijo veliko škode tako rastlini kot človeku.
Tuljava je osnova, iz česar je sestavljen nihajni krog. Induktivnosti solenoidov v seriji se seštevajo. Nato si bomo podrobneje ogledali vse tankosti strukture tega elementa.
Kaj je induktivnost?
Induktivnost tuljave nihajnega kroga je posamezen indikator, številčno enak elektromotorni sili (v voltih), ki se pojavi v vezju, kosprememba toka za 1 A v 1 sekundi. Če je solenoid priključen na DC vezje, potem njegova induktivnost opisuje energijo magnetnega polja, ki ga ustvari ta tok po formuli:
-
W=(LI2)/2, kjer je
W energija magnetnega polja.
Faktor induktivnosti je odvisen od številnih dejavnikov: od geometrije solenoida, od magnetnih značilnosti jedra in od števila tuljav žice. Druga lastnost tega kazalnika je, da je vedno pozitiven, ker spremenljivke, od katerih je odvisen, ne morejo biti negativne.
Induktivnost lahko definiramo tudi kot lastnost prevodnika s tokom, da hrani energijo v magnetnem polju. Meri se v Henry (imenovan po ameriškem znanstveniku Josephu Henryju).
Poleg solenoida je nihajno vezje sestavljeno iz kondenzatorja, o katerem bomo govorili kasneje.
električni kondenzator
Kapacitivnost nihajnega kroga je določena s kapacitivnostjo električnega kondenzatorja. O njegovem videzu je bilo napisano zgoraj. Zdaj pa analizirajmo fiziko procesov, ki se v njem odvijajo.
Ker so plošče kondenzatorja izdelane iz prevodnika, lahko skoznje teče električni tok. Vendar je med ploščama ovira: dielektrik (lahko je zrak, les ali drug material z visokim uporom. Ker se naboj ne more premakniti z enega konca žice na drugega, se nabira na kondenzatorske plošče. To poveča moč magnetnega in električnega polj okoli nje.elektrika, nakopičena na ploščah, se začne prenašati v vezje.
Vsak kondenzator ima napetost, ki je optimalna za njegovo delovanje. Če ta element dlje časa deluje pri napetosti nad nazivno napetostjo, se njegova življenjska doba znatno zmanjša. Kondenzator nihajnega kroga je nenehno pod vplivom tokov, zato morate biti pri izbiri izjemno previdni.
Poleg običajnih kondenzatorjev, o katerih smo razpravljali, obstajajo tudi ionistorji. To je bolj zapleten element: lahko ga opišemo kot križanec med baterijo in kondenzatorjem. Organske snovi praviloma služijo kot dielektrik v ionstorju, med katerim je elektrolit. Skupaj ustvarita dvojno električno plast, ki vam omogoča, da v tej zasnovi akumulirate večkrat več energije kot v tradicionalnem kondenzatorju.
Kakšna je kapacitivnost kondenzatorja?
Kapacitivnost kondenzatorja je razmerje med napolnjenostjo kondenzatorja in napetostjo, pod katero se nahaja. To vrednost lahko izračunate zelo preprosto z uporabo matematične formule:
-
C=(e0S)/d, kjer je
e0 prepustnost dielektričnega materiala (vrednost tabele), S - površina kondenzatorskih plošč, d - razdalja med ploščama.
Odvisnost kapacitivnosti kondenzatorja od razdalje med ploščama je razložena s pojavom elektrostatične indukcije: manjša kot je razdalja med ploščama, močneje vplivata druga na drugo (po Coulombovem zakonu), večji je naboj plošč in nižja je napetost. In ko se napetost zmanjšavrednost kapacitivnosti se poveča, saj jo lahko opišemo tudi z naslednjo formulo:
-
C=q/U, kjer je
q naboj v kulonih.
Vredno je govoriti o enotah te količine. Kapacitivnost se meri v faradih. 1 farad je dovolj velika vrednost, da imajo obstoječi kondenzatorji (vendar ne ionistorji) kapacitivnost, merjeno v pikofaradih (en trilijon farad).
Upor
Tok v nihajnem krogu je odvisen tudi od upora vezja. In poleg dveh opisanih elementov, ki sestavljata nihajno vezje (tuljave, kondenzatorji), obstaja še tretji - upor. Odgovoren je za ustvarjanje odpora. Upor se od drugih elementov razlikuje po tem, da ima velik upor, ki ga je pri nekaterih modelih mogoče spremeniti. V oscilatornem krogu opravlja funkcijo regulatorja moči magnetnega polja. Več uporov lahko povežete zaporedno ali vzporedno, s čimer povečate upor vezja.
Upornost tega elementa je odvisna tudi od temperature, zato bodite previdni pri njegovem delovanju v tokokrogu, saj se ob prehajanju toka segreje.
Upornost se meri v ohmih, njeno vrednost pa lahko izračunamo s formulo:
-
R=(pl)/S, kjer je
p upornost materiala upora (merjena v (Ohmmm2)/m);
l - dolžina upora (v metrih);
S - površina preseka (v kvadratnih milimetrih).
Kako povezati parametre poti?
Zdaj smo blizu fizikedelovanje nihajnega kroga. Sčasoma se naboj na ploščah kondenzatorja spremeni v skladu z diferencialno enačbo drugega reda.
Če rešite to enačbo, iz nje sledi več zanimivih formul, ki opisujejo procese, ki se dogajajo v vezju. Na primer, ciklično frekvenco je mogoče izraziti v smislu kapacitivnosti in induktivnosti.
Vendar je najenostavnejša formula, ki vam omogoča izračun številnih neznanih količin, Thomsonova formula (poimenovana po angleškem fiziku Williamu Thomsonu, ki jo je izpeljal leta 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - obdobje elektromagnetnih nihanj, L in C - oziroma induktivnost tuljave nihajnega kroga in kapacitivnost elementov vezja, p - število pi.
Q faktor
Obstaja še ena pomembna vrednost, ki označuje delovanje vezja - faktor kakovosti. Da bi razumeli, kaj je, se je treba obrniti na tak proces, kot je resonanca. To je pojav, pri katerem amplituda postane največja s konstantno vrednostjo sile, ki podpira to nihanje. Resonanco je mogoče razložiti s preprostim primerom: če začnete potiskati zamah na utrip njegove frekvence, se bo ta pospešil in njegova "amplituda" se bo povečala. In če potisnete iz časa, se bodo upočasnili. Pri resonanci se pogosto razprši veliko energije. Da bi lahko izračunali obseg izgub, so pripravili tak parameter, kot je faktor kakovosti. To je razmerje, ki je enako razmerjuenergije v sistemu do izgub, ki nastanejo v vezju v enem ciklu.
Faktor kakovosti vezja se izračuna po formuli:
-
Q=(w0W)/P, kjer je
w0 - resonančna frekvenca cikličnega nihanja;
W - energija, shranjena v oscilatornem sistemu;
P - disipacija moči.
Ta parameter je brezdimenzionalna vrednost, saj dejansko prikazuje razmerje med shranjeno in porabljeno energijo.
Kaj je idealno nihajno vezje
Za boljše razumevanje procesov v tem sistemu so fiziki prišli do tako imenovanega idealnega nihajnega kroga. To je matematični model, ki predstavlja vezje kot sistem z ničelnim uporom. Proizvaja neublaženo harmonično nihanje. Tak model omogoča pridobivanje formul za približen izračun konturnih parametrov. Eden od teh parametrov je skupna energija:
W=(LI2)/2.
Takšne poenostavitve bistveno pospešijo izračune in omogočajo vrednotenje značilnosti vezja z danimi kazalniki.
Kako deluje?
Celoten cikel nihajnega kroga lahko razdelimo na dva dela. Zdaj bomo podrobno analizirali procese, ki se pojavljajo v vsakem delu.
- Prva faza: Pozitivno nabita kondenzatorska plošča se začne prazniti, kar daje tok v vezje. V tem trenutku tok preide iz pozitivnega na negativni naboj, ki teče skozi tuljavo. Posledično se v vezju pojavijo elektromagnetna nihanja. tok, ki teče skozituljavo, gre na drugo ploščo in jo pozitivno napolni (medtem ko je prva plošča, iz katere je tekel tok, nabita negativno).
- Druga faza: poteka obratni proces. Tok prehaja s pozitivne plošče (ki je bila na samem začetku negativna) na negativno in ponovno teče skozi tuljavo. In vsi obtožbe pridejo na svoje mesto.
Cikel se ponavlja, dokler je kondenzator napolnjen. V idealnem nihajnem krogu ta proces poteka neskončno, v realnem pa so izgube energije neizogibne zaradi različnih dejavnikov: segrevanja, ki nastane zaradi obstoja upora v tokokrogu (Joulova toplota) in podobno.
Možnosti oblikovanja konture
Poleg preprostih vezij "tuljava-kondenzator" in "tuljava-upor-kondenzator" obstajajo tudi druge možnosti, ki uporabljajo nihajno vezje kot osnovo. To je na primer vzporedno vezje, ki se razlikuje po tem, da obstaja kot element električnega vezja (ker če bi obstajalo ločeno, bi bilo to serijsko vezje, o čemer smo govorili v članku).
Obstajajo tudi druge vrste modelov, ki vključujejo različne električne komponente. V omrežje lahko na primer priključite tranzistor, ki bo odpiral in zapiral vezje s frekvenco, ki je enaka frekvenci nihanja v vezju. Tako bodo v sistemu vzpostavljena nezadušena nihanja.
Kje se uporablja nihajno vezje?
Najbolj poznana uporaba komponent vezja so elektromagneti. Po drugi strani se uporabljajo v domofonih, elektromotorjih,senzorjev in na mnogih drugih ne tako običajnih področjih. Druga aplikacija je generator nihanja. Pravzaprav nam je ta uporaba vezja zelo znana: v tej obliki se uporablja v mikrovalovni pečici za ustvarjanje valov ter v mobilnih in radijskih komunikacijah za prenos informacij na daljavo. Vse to je posledica dejstva, da je nihanje elektromagnetnih valov mogoče kodirati tako, da je možno prenašati informacije na velike razdalje.
Induktor se lahko uporablja kot element transformatorja: dve tuljavi z različnim številom navitij lahko preneseta svoj naboj z uporabo elektromagnetnega polja. Ker pa so značilnosti solenoidov različne, se bodo indikatorji toka v dveh vezjih, na katera sta ta dva induktorja priključena, razlikovali. Tako je mogoče pretvoriti tok z napetostjo recimo 220 voltov v tok z napetostjo 12 voltov.
Sklep
Podrobno smo analizirali princip delovanja nihajnega kroga in vsakega njegovega dela posebej. Izvedeli smo, da je nihajno vezje naprava, zasnovana za ustvarjanje elektromagnetnih valov. Vendar so to le osnove kompleksne mehanike teh na videz preprostih elementov. Več o zapletenosti vezja in njegovih sestavnih delih lahko izveste iz specializirane literature.
