'n Ossillerende stroombaan is 'n toestel wat ontwerp is om elektromagnetiese ossillasies te genereer (skep). Van sy ontstaan tot vandag toe, is dit in baie gebiede van wetenskap en tegnologie gebruik: van die alledaagse lewe tot groot fabrieke wat 'n wye verskeidenheid produkte vervaardig.
Waarvan is dit gemaak?
Die ossillatoriese stroombaan bestaan uit 'n spoel en 'n kapasitor. Daarbenewens kan dit ook 'n weerstand (element met veranderlike weerstand) bevat. 'n Induktor (of solenoïde, soos dit soms genoem word) is 'n staaf waarop verskeie lae wikkeling gewikkel is, wat as 'n reël 'n koperdraad is. Dit is hierdie element wat ossillasies in die ossillatoriese stroombaan skep. Die staaf in die middel word dikwels 'n choke of kern genoem, en die spoel word soms 'n solenoïde genoem.
Die ossillerende kringspoel ossilleer net wanneer daar 'n gestoor lading is. Wanneer stroom daardeur gaan, versamel dit 'n lading, wat dit dan aan die stroombaan afgee as die spanning daal.
Die spoeldrade het gewoonlik baie min weerstand, wat altyd konstant bly. In die stroombaan van 'n ossillerende stroombaan vind 'n verandering in spanning en stroom baie dikwels plaas. Hierdie verandering is onderhewig aan sekere wiskundige wette:
-
U=U0cos(w(t-t0), waar
U die stroomspanning is punt in tyd t, U0 - spanning op tyd t0, w - frekwensie van elektromagnetiese ossillasies.
Nog 'n integrale komponent van die stroombaan is die elektriese kapasitor. Dit is 'n element wat uit twee plate bestaan, wat deur 'n diëlektrikum geskei word. In hierdie geval is die dikte van die laag tussen die plate minder as hul groottes. Hierdie ontwerp laat jou toe om 'n elektriese lading op die diëlektrikum op te bou, wat dan na die stroombaan oorgedra kan word.
Die verskil tussen 'n kapasitor en 'n battery is dat daar geen transformasie van stowwe onder die werking van 'n elektriese stroom is nie, maar 'n direkte ophoping van lading in 'n elektriese veld. Dus, met behulp van 'n kapasitor, is dit moontlik om 'n voldoende groot lading op te bou, wat op een slag weggegee kan word. In hierdie geval neem die stroomsterkte in die stroombaan baie toe.
Die ossillatoriese stroombaan bestaan ook uit nog een element: 'n weerstand. Hierdie element het weerstand en is ontwerp om die stroom en spanning in die stroombaan te beheer. As die weerstand van die weerstand teen 'n konstante spanning verhoog word, sal die stroomsterkte volgens die wet afneemOma:
-
I=U/R, waar
I stroom is, U spanning is, R weerstand is.
Induktor
Kom ons kyk noukeuriger na al die subtiliteite van die induktor en verstaan die funksie daarvan in 'n ossillatoriese stroombaan beter. Soos ons reeds gesê het, neig die weerstand van hierdie element na nul. Dus, wanneer dit aan 'n GS-stroombaan gekoppel word, sal 'n kortsluiting plaasvind. As jy egter die spoel aan 'n AC-stroombaan koppel, werk dit behoorlik. Dit laat jou toe om tot die gevolgtrekking te kom dat die element weerstand bied teen wisselstroom.
Maar hoekom gebeur dit en hoe ontstaan weerstand met wisselstroom? Om hierdie vraag te beantwoord, moet ons ons wend tot so 'n verskynsel soos selfinduksie. Wanneer stroom deur die spoel gaan, ontstaan 'n elektromotoriese krag (EMK) daarin, wat 'n hindernis skep om die stroom te verander. Die grootte van hierdie krag hang af van twee faktore: die induktansie van die spoel en die afgeleide van die stroomsterkte met betrekking tot tyd. Wiskundig word hierdie afhanklikheid uitgedruk deur die vergelyking:
-
E=-LI'(t), waar
E die EMF-waarde is, L is die waarde van die spoelinduktansie (vir elke spoel is dit anders en hang dit af op die aantal spoele van die wikkeling en hul diktes), I'(t) - afgeleide van die stroomsterkte met betrekking tot tyd (die tempo van verandering van die stroomsterkte).
Gelykstroomsterkte verander nie met verloop van tyd nie, so daar is geen weerstand wanneer dit daaraan blootgestel word nie.
Maar met wisselstroom verander al sy parameters voortdurend volgens 'n sinusvormige of cosinus-wet,gevolglik ontstaan 'n EMK wat hierdie veranderinge voorkom. Sulke weerstand word induktief genoem en word bereken deur die formule:
- XL =wL
Die stroom in die solenoïde neem lineêr toe en verminder volgens verskeie wette. Dit beteken dat as jy die stroomtoevoer na die spoel stop, dit vir 'n geruime tyd aan die stroombaan sal aanhou laai. En as die stroomtoevoer terselfdertyd skielik onderbreek word, sal 'n skok plaasvind as gevolg van die feit dat die lading sal probeer versprei en die spoel verlaat. Dit is 'n ernstige probleem in industriële produksie. So 'n effek (hoewel dit nie heeltemal verband hou met die ossillatoriese stroombaan nie) kan byvoorbeeld waargeneem word wanneer die prop uit die sok getrek word. Terselfdertyd spring 'n vonk, wat op so 'n skaal nie 'n persoon kan benadeel nie. Dit is te wyte aan die feit dat die magnetiese veld nie onmiddellik verdwyn nie, maar geleidelik verdwyn, wat strome in ander geleiers veroorsaak. Op 'n industriële skaal is die stroomsterkte baie keer groter as die 220 volt waaraan ons gewoond is, so wanneer 'n stroombaan in produksie onderbreek word, kan vonke van so 'n sterkte voorkom wat baie skade aan beide die plant en die persoon veroorsaak.
'n Spoel is die basis waaruit 'n ossillatoriese stroombaan bestaan. Die induktansies van die solenoïede in serie tel bymekaar. Vervolgens gaan ons al die subtiliteite van die struktuur van hierdie element van nader bekyk.
Wat is induktansie?
Die induktansie van die spoel van 'n ossillatoriese stroombaan is 'n individuele aanwyser numeries gelyk aan die elektromotoriese krag (in volt) wat in die stroombaan voorkom wanneerverandering in stroom met 1 A in 1 sekonde. As die solenoïde aan 'n GS-stroombaan gekoppel is, beskryf sy induktansie die energie van die magnetiese veld wat deur hierdie stroom geskep word volgens die formule:
-
W=(LI2)/2, waar
W die magnetiese veldenergie is.
Die induktansiefaktor hang van baie faktore af: van die geometrie van die solenoïde, van die magnetiese eienskappe van die kern en van die aantal draadspoele. Nog 'n eienskap van hierdie aanwyser is dat dit altyd positief is, want die veranderlikes waarvan dit afhang, kan nie negatief wees nie.
Induktansie kan ook gedefinieer word as die eienskap van 'n stroomdraende geleier om energie in 'n magnetiese veld te stoor. Dit word gemeet in Henry (vernoem na die Amerikaanse wetenskaplike Joseph Henry).
Benewens die solenoïde, bestaan die ossillasiekring uit 'n kapasitor, wat later bespreek sal word.
Elektriese kapasitor
Die kapasitansie van die ossillatoriese stroombaan word bepaal deur die kapasitansie van die elektriese kapasitor. Oor sy voorkoms is hierbo geskryf. Kom ons ontleed nou die fisika van die prosesse wat daarin plaasvind.
Aangesien die kapasitorplate van 'n geleier gemaak is, kan 'n elektriese stroom daardeur vloei. Daar is egter 'n hindernis tussen die twee plate: 'n diëlektrikum (dit kan lug, hout of ander materiaal met hoë weerstand wees. As gevolg van die feit dat die lading nie van die een kant van die draad na die ander kan beweeg nie, versamel dit op die kapasitorplate Dit verhoog die krag van die magnetiese en elektriese velde rondom dit.die elektrisiteit wat op die plate opgehoop word, begin na die stroombaan oorgedra word.
Elke kapasitor het 'n spanninggradering wat optimaal is vir sy werking. As hierdie element vir 'n lang tyd teen 'n spanning bo die nominale spanning bedryf word, word sy lewensduur aansienlik verminder. Die ossillatoriese stroombaankapasitor word voortdurend deur strome beïnvloed, en daarom moet jy uiters versigtig wees wanneer jy dit kies.
Benewens die gewone kapasitors wat bespreek is, is daar ook ionistors. Dit is 'n meer komplekse element: dit kan beskryf word as 'n kruising tussen 'n battery en 'n kapasitor. As 'n reël dien organiese stowwe as 'n diëlektrikum in 'n ionistor, waartussen 'n elektroliet is. Saam skep hulle 'n dubbele elektriese laag, wat jou in staat stel om in hierdie ontwerp baie keer meer energie op te bou as in 'n tradisionele kapasitor.
Wat is die kapasitansie van 'n kapasitor?
Die kapasitansie van 'n kapasitor is die verhouding van die lading van die kapasitor tot die spanning waaronder dit geleë is. Jy kan hierdie waarde baie eenvoudig bereken deur die wiskundige formule te gebruik:
-
C=(e0S)/d, waar
e0 die permittiwiteit van die diëlektriese materiaal is (tabelwaarde), S - die oppervlakte van die kapasitorplate, d - die afstand tussen die plate.
Die afhanklikheid van die kapasitansie van die kapasitor van die afstand tussen die plate word verklaar deur die verskynsel van elektrostatiese induksie: hoe kleiner die afstand tussen die plate, hoe sterker beïnvloed hulle mekaar (volgens Coulomb se wet), die groter die lading van die plate en hoe laer die spanning. En soos die spanning afneemdie kapasitansiewaarde neem toe, aangesien dit ook deur die volgende formule beskryf kan word:
-
C=q/U, waar
q die lading in coulombs is.
Dit is die moeite werd om oor die eenhede van hierdie hoeveelheid te praat. Kapasitansie word gemeet in farads. 1 farad is 'n groot genoeg waarde dat bestaande kapasitors (maar nie ionistors nie) 'n kapasitansie het gemeet in picofarads (een biljoen farad).
Weerstand
Die stroom in die ossillatoriese stroombaan hang ook af van die weerstand van die stroombaan. En bykomend tot die twee beskryfde elemente waaruit die ossillatoriese stroombaan (spoele, kapasitors) bestaan, is daar ook 'n derde een - 'n weerstand. Hy is verantwoordelik om weerstand te skep. Die weerstand verskil van ander elemente deurdat dit 'n groot weerstand het, wat in sommige modelle verander kan word. In die ossillatoriese kring voer dit die funksie van 'n magnetiese veld kragreguleerder uit. Jy kan verskeie resistors in serie of parallel koppel en sodoende die weerstand van die stroombaan verhoog.
Die weerstand van hierdie element hang ook van temperatuur af, dus moet jy versigtig wees oor die werking daarvan in die stroombaan, aangesien dit verhit word wanneer die stroom verbygaan.
Weerstandweerstand word in Ohms gemeet, en die waarde daarvan kan met die formule bereken word:
-
R=(pl)/S, waar
p die weerstand van die weerstandmateriaal is (gemeet in (Ohmmm2)/m);
l - weerstandlengte (in meter);
S - deursnee-oppervlakte (in vierkante millimeter).
Hoe om padparameters te koppel?
Nou kom ons naby fisikawerking van die ossillatoriese kring. Met verloop van tyd verander die lading op die kapasitorplate volgens 'n tweede-orde differensiaalvergelyking.
As jy hierdie vergelyking oplos, volg verskeie interessante formules daaruit, wat die prosesse wat in die stroombaan plaasvind, beskryf. Byvoorbeeld, die sikliese frekwensie kan uitgedruk word in terme van kapasitansie en induktansie.
Die eenvoudigste formule wat jou egter toelaat om baie onbekende hoeveelhede te bereken, is die Thomson-formule (genoem na die Engelse fisikus William Thomson, wat dit in 1853 afgelei het):
-
T=2p(LC)1/2.
T - die tydperk van elektromagnetiese ossillasies, L en C - onderskeidelik die induktansie van die spoel van die ossillatoriese stroombaan en die kapasitansie van die stroombaanelemente, p - die getal pi.
Q-faktor
Daar is nog 'n belangrike waarde wat die werking van die stroombaan kenmerk - die kwaliteitsfaktor. Om te verstaan wat dit is, moet 'n mens na so 'n proses soos resonansie wend. Dit is 'n verskynsel waarin die amplitude maksimum word met 'n konstante waarde van die krag wat hierdie ossillasie ondersteun. Die resonansie kan met 'n eenvoudige voorbeeld verduidelik word: as jy die swaai begin druk op die maat van sy frekwensie, dan sal dit versnel, en sy "amplitude" sal toeneem. En as jy uit die tyd druk, sal hulle stadiger word. By resonansie word baie energie dikwels verdryf. Om die omvang van die verliese te kan bereken, het hulle met so 'n parameter soos die kwaliteitsfaktor vorendag gekom. Dit is 'n verhouding gelykstaande aan die verhoudingenergie in die stelsel tot die verliese wat in die stroombaan in een siklus voorkom.
Die kwaliteitsfaktor van die stroombaan word bereken deur die formule:
-
Q=(w0W)/P, waar
w0 - resonante sikliese ossillasiefrekwensie;
W - energie gestoor in die ossillatoriese sisteem;
P - kragdissipasie.
Hierdie parameter is 'n dimensielose waarde, want dit wys eintlik die verhouding van energie: gestoor tot verbruik.
Wat is 'n ideale ossillatoriese stroombaan
Vir 'n beter begrip van die prosesse in hierdie stelsel, het fisici vorendag gekom met die sogenaamde ideale ossillatoriese stroombaan. Dit is 'n wiskundige model wat 'n stroombaan voorstel as 'n stelsel met nul weerstand. Dit produseer ongedempte harmoniese ossillasies. So 'n model maak dit moontlik om formules vir die benaderde berekening van kontoerparameters te verkry. Een van hierdie parameters is totale energie:
W=(LI2)/2.
Sulke vereenvoudigings versnel berekeninge aansienlik en maak dit moontlik om die eienskappe van 'n stroombaan met gegewe aanwysers te evalueer.
Hoe werk dit?
Die hele siklus van die ossillatoriese stroombaan kan in twee dele verdeel word. Nou sal ons die prosesse wat in elke deel voorkom in detail ontleed.
- Eerste fase: Die positief gelaaide kapasitorplaat begin ontlaai, wat stroom aan die stroombaan gee. Op hierdie oomblik gaan die stroom van 'n positiewe lading na 'n negatiewe een, wat deur die spoel gaan. As gevolg hiervan vind elektromagnetiese ossillasies in die stroombaan plaas. stroom wat deurgaanspoel, gaan na die tweede plaat en laai dit positief (terwyl die eerste plaat, waaruit die stroom gevloei het, negatief gelaai is).
- Tweede fase: die omgekeerde proses vind plaas. Die stroom gaan van die positiewe plaat (wat heel aan die begin negatief was) na die negatiewe en gaan weer deur die spoel. En al die aanklagte val in plek.
Die siklus herhaal solank daar 'n lading op die kapasitor is. In 'n ideale ossillatoriese stroombaan gaan hierdie proses eindeloos aan, maar in 'n werklike een is energieverliese onvermydelik as gevolg van verskeie faktore: verhitting, wat plaasvind as gevolg van die bestaan van weerstand in die stroombaan (Joule-hitte), en dies meer.
Kontoerontwerpopsies
Behalwe die eenvoudige "spoel-kapasitor" en "spoel-weerstand-kapasitor" stroombane, is daar ander opsies wat 'n ossillatoriese stroombaan as basis gebruik. Dit is byvoorbeeld 'n parallelle stroombaan, wat verskil deurdat dit as 'n element van 'n elektriese stroombaan bestaan (want, as dit afsonderlik bestaan het, sou dit 'n seriestroombaan wees, wat in die artikel bespreek is).
Daar is ook ander soorte ontwerpe wat verskillende elektriese komponente insluit. Byvoorbeeld, jy kan 'n transistor aan die netwerk koppel, wat die stroombaan sal oopmaak en toemaak met 'n frekwensie gelykstaande aan die ossillasiefrekwensie in die stroombaan. Dus sal ongedempte ossillasies in die stelsel gevestig word.
Waar word 'n ossillatoriese stroombaan gebruik?
Die mees bekende toepassing van stroombaankomponente is elektromagnete. Hulle word op hul beurt in interkoms, elektriese motors,sensors en in baie ander nie so gewone gebiede nie. Nog 'n toepassing is 'n ossillasiegenerator. Trouens, hierdie gebruik van die stroombaan is vir ons baie bekend: in hierdie vorm word dit in die mikrogolf gebruik om golwe te skep en in mobiele en radiokommunikasie om inligting oor 'n afstand oor te dra. Dit alles is te wyte aan die feit dat die ossillasies van elektromagnetiese golwe so geënkodeer kan word dat dit moontlik word om inligting oor lang afstande oor te dra.
Die induktor self kan as 'n element van 'n transformator gebruik word: twee spoele met 'n verskillende aantal windings kan hul lading oordra deur 'n elektromagnetiese veld te gebruik. Maar aangesien die eienskappe van die solenoïede verskil, sal die stroomaanwysers in die twee stroombane waaraan hierdie twee induktore gekoppel is verskil. Dit is dus moontlik om 'n stroom met 'n spanning van byvoorbeeld 220 volt om te skakel na 'n stroom met 'n spanning van 12 volt.
Gevolgtrekking
Ons het die beginsel van werking van die ossillatoriese stroombaan en elkeen van sy dele afsonderlik ontleed. Ons het geleer dat 'n ossillatoriese stroombaan 'n toestel is wat ontwerp is om elektromagnetiese golwe te skep. Dit is egter slegs die basiese beginsels van die komplekse meganika van hierdie oënskynlik eenvoudige elemente. Jy kan meer oor die ingewikkeldhede van die stroombaan en sy komponente uit die gespesialiseerde literatuur leer.
