Elektriksel salınım devresi. Salınım devresi ve çalışması

– elektrik devresi kapasitanslı seri bağlı bir kapasitörden, endüktanslı bir bobinden ve elektrik direnci.

İdeal salınım devresi- sadece bir indüktörden (kendi direnci olmayan) ve bir kondansatörden (-devre) oluşan bir devre. O zaman böyle bir sistem sönümsüz destekler elektromanyetik salınımlar devredeki akım, kondansatör üzerindeki voltaj ve kondansatörün yükü. Devreyi inceleyelim ve titreşimlerin nereden geldiğini düşünelim. Açıkladığımız devrede başlangıçta yüklü olan kondansatörün yerleştirilmesine izin verin.

Pirinç. 1. salınım devresi

İlk anda, tüm yük kapasitör üzerinde yoğunlaşmıştır, bobin üzerinde akım yoktur (Şekil 1.1). Çünkü kapasitörün plakalarında da dış alan yoktur, ardından plakalardan gelen elektronlar devreye "ayrılmaya" başlar (kapasitör üzerindeki yük azalmaya başlar). Bu durumda (serbest bırakılan elektronlar nedeniyle) devredeki akım artar. akımın yönü, içinde bu durum, artıdan eksiye (ancak her zaman olduğu gibi) ve kapasitör bir kaynaktır alternatif akım bu sistem için. Ancak bobin üzerindeki akımın artması nedeniyle, ters endüksiyon akımı () oluşur. Endüksiyon akımının yönü, Lenz kuralına göre, ana akımın büyümesini dengelemelidir (azaltmalıdır). Kapasitörün yükü sıfıra eşit olduğunda (tüm şarj boşalır), bobindeki endüksiyon akımının gücü maksimum olacaktır (Şekil 1.2).

Ancak devredeki mevcut yük ortadan kalkamaz (yükün korunumu yasası), o zaman devre boyunca bir plakayı terk eden bu yük diğer plakada son bulur. Böylece, kapasitör şarj edilir ters taraf(Şekil 1.3). Çünkü bobin üzerindeki endüktif akım sıfıra düşürülür. manyetik akıdaki değişiklik de sıfıra eğilimlidir.

-de Tam şarj kapasitör, elektronlar ters yönde hareket etmeye başlar, yani. kondansatör ters yönde boşalır ve bir akım ortaya çıkar ve maksimum noktasına ulaşır. tam deşarj kapasitör (Şekil 1.4).

Kondansatörün daha fazla ters yüklenmesi, sistemi Şekil 1.1'deki konuma getirir. Sistemin bu davranışı keyfi olarak uzun bir süre tekrarlanır. Böylece, sistemin çeşitli parametrelerinde dalgalanmalar elde ederiz: bobindeki akım, kapasitördeki yük, kapasitördeki voltaj. İdeal bir devre ve teller (öz direncin olmaması) durumunda, bu salınımlar .

İçin matematiksel açıklama bu sistemin bu parametrelerinin (her şeyden önce elektromanyetik salınımların periyodu), bizden önce hesaplanan Thomson'ın formülü:

kusurlu kontur hala, küçük bir ekleme dışında, düşündüğümüzle aynı ideal devredir: direncin (-devre) varlığı ile. Bu direnç, bobinin direnci (ideal değildir) veya iletken tellerin direnci olabilir. İdeal olmayan bir devrede salınımların ortaya çıkmasının genel mantığı, ideal devredekine benzer. Fark sadece titreşimlerin kendisindedir. Direnç varsa, enerjinin bir kısmı çevreye dağılacaktır - direnç ısınacak, ardından salınım devresinin enerjisi azalacak ve salınımların kendileri olacaktır. solma.

Okuldaki devrelerle çalışmak için sadece genel enerji mantığı kullanılır. Bu durumda, sistemin toplam enerjisinin başlangıçta ve/veya üzerinde yoğunlaştığını ve tanımlandığını kabul ederiz.

Yüksek frekanslı dalgalar üretmek için genellikle bir salınım devresine dayalı devreler kullanılır. Devre elemanlarının parametreleri seçilerek 500 MHz üzeri frekansların üretilmesi mümkündür. Devreler, RF jeneratörlerinde, yüksek frekanslı ısıtmada, televizyon ve radyo alıcılarında kullanılır.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/1-11.jpg 661w

salınım devresi

salınım devresi

Bir salınım devresi bir seri veya paralel bağlantı herhangi bir frekansta elektromanyetik salınımlar üreten endüktif ve kapasitör elemanları. Her iki devre bileşeni de enerji depolayabilir.

Kondansatör plakaları arasında bir potansiyel farkı olduğunda, elektrik alanın enerjisini depolar. Benzer şekilde, enerji bir endüktif bobinin manyetik alanında depolanır.

Salınım devresinin çalışması

Bir kapasitör başlangıçta bir DC kaynağına bağlandığında, üzerinde bir potansiyel fark gelişir. Bir levhada fazla elektron vardır ve negatif yüklüdür, diğerinde elektron eksikliği vardır ve pozitif yüklüdür.

Devreye bir endüktif bobin dahil edilirse ne olur:

1. Elektrik devresini bağlayan kontak kapatıldığında kondansatör indüktör üzerinden boşalmaya başlar. Onun tarafından biriken elektrik alanın enerjisi azalır;
2. Bobin L'den akan akım, elektronların akışına karşı çıkan bir EMF'yi indükler. Bu nedenle, mevcut artış hızı yavaştır. Bobinde enerjisini biriktirmeye başlayan bir manyetik alan yaratılır. Kondansatör tamamen boşaldıktan sonra, bobinden geçen elektron akışı sıfıra düşer. Kondansatörde depolanan elektrostatik enerji enerjiye dönüştürülür. manyetik alan bobinler;
3. Kapasitör boşaldığında, manyetik alan yavaş yavaş bozulmaya başlar, ancak Lenz yasasına göre bobinin endüktif akımı, zıt kutuplu kapasitörün yüklenmesine katkıda bulunur. Manyetik alanla ilişkili enerji, tekrar elektrostatik enerjiye dönüştürülür;

Önemli!İdeal durumda, L ve C'de kayıp olmadığında, kondansatör ters işaretle orijinal değerine yüklenecektir.

1. Azalan manyetik alan kondansatörü yeniden yükledikten sonra, ters akım akışıyla tekrar boşalmaya başlar ve manyetik alan tekrar artar.

Yükleme ve boşaltma dizisi devam eder, yani elektrostatik enerjiyi manyetik enerjiye dönüştürme işlemi ve bunun tersi, potansiyel enerjinin döngüsel olarak kinetik enerjiye dönüştürüldüğü bir sarkaç gibi periyodik olarak tekrarlanır ve bunun tersi de geçerlidir.

Sürekli yükleme ve boşaltma işlemi, elektronların ters hareketine veya salınımlı bir akıma neden olur.

L ve C arasındaki enerji alışverişi, herhangi bir kayıp olmazsa süresiz olarak devam edecektir. Enerjinin bir kısmı, kapasitörün kaçak akımı nedeniyle bobin tellerinde, bağlantı iletkenlerinde ısı olarak dağılarak kaybolur, Elektromanyetik radyasyon. Bu nedenle, salınımlar sönümlenecektir.

Png?.png 600w https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-3-768x463..png 900w

sönümlü titreşimler

Rezonans

Kapasitörlü, bobinli ve dirençli bir devre, zaman içinde belirli bir frekansta sürekli değişen bir voltajla uyarılırsa, reaktanslar da değişir: endüktif ve kapasitif. Çıkış sinyalinin genliği ve frekansı girişe göre değişecektir.

Endüktif reaktans, frekansla doğru orantılıdır:

X(L) = 2π x f x L,

A kapasitans bu gösterge ile ters orantılı:

X(C) = 1/(2π x f x C).

Önemli! Daha fazlası için düşük frekanslar Endüktif reaktans ihmal edilebilir ve kapasitif yüksek olacak ve neredeyse açık bir döngü oluşturabilecektir. Yüksek frekanslarda resim tersine çevrilir.

Belirli bir kondansatör ve bobin kombinasyonu ile devre, endüktif reaktansın kapasitif reaktans ile aynı olduğu bir salınım frekansına sahip olarak rezonans veya ayarlanmış hale gelir. Ve birbirlerini iptal ederler.

Bu nedenle, yalnızca aktif direnç akan akıma karşı. Oluşturulan koşullara salınım devresinin rezonansı denir. Akım ve gerilim arasında faz kayması yoktur.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/3-9-768x576..jpg 800w

LC devre rezonansı

Salınım devresinin rezonans frekansını hesaplamak için aşağıdaki koşul dikkate alınır:

Bu nedenle, 2πxfxL = 1/(2πxfxC).

Bu, rezonans frekansı formülünü verir:

f = 1/(2π x √(U x C)).

Rezonans frekansı, endüktans ve kapasitansın hesaplanması şu adreste yapılabilir: cevrimici hesap makinesi e, belirli değerleri ikame etmek.

LC devresinden enerjinin dağılma hızı, devreye sağlanan enerji ile aynı olmalıdır. Sabit veya sönümsüz salınımlar üretilir elektronik devreler jeneratörler.

LC devreleri, belirli bir frekansta sinyaller üretmek veya izole etmek için kullanılır. frekans sinyali daha karmaşık olandan. Birçoğunun temel bileşenleridir. elektronik aletler, özellikle osilatörlerde, filtrelerde, ayarlayıcılarda ve frekans karıştırıcılarda kullanılan radyo ekipmanı.

Video

Seri salınım devresi, seri olarak bağlanmış bir indüktör ve bir kapasitörden oluşan bir devredir. diyagramlarda ideal seri salınım devresi aşağıdaki gibi gösterilir:

Gerçek bir salınım devresinde bir bobin ve kapasitör kayıp direnci bulunur. Bu toplam toplam kayıp direnci, R harfi ile gösterilir. Sonuç olarak, gerçek seri salınım devresi şöyle görünecektir:

R, bobin ve kapasitörün toplam kayıp direncidir

L, bobin endüktansının kendisidir

C - kapasitörün gerçek kapasitansı

Salınım devresi ve frekans üreteci

Her elektronik ders kitabında bulunan klasik bir deney yapalım. Bunu yapmak için aşağıdaki şemayı toplayacağız:

Jeneratörümüz bir sinüs üretecektir.

Bir seri salınım devresinden osilogram almak için devreye 0,5 ohm gibi düşük dirençli bir şönt direnç bağlayacağız ve zaten ondan gerilimi çekeceğiz. Yani bu durumda devredeki akım gücünü gözlemlemek için bir şönt kullanıyoruz.

Ve işte gerçek diyagram:

Soldan sağa: şönt direnci, indüktör ve kondansatör. Zaten anladığınız gibi, direnç R, ideal radyo elemanları olmadığı için bobin ve kapasitörün toplam kayıp direncidir. Bobinin ve kapasitörün içinde "gizlenir", bu nedenle gerçek devrede onu ayrı bir radyo elemanı olarak görmeyeceğiz.

Şimdi bu devreyi bir frekans üretecine ve bir osiloskopa bağlamak ve şöntten bir osilogram alarak bazı frekanslardan geçirmek bize kalıyor. U w jeneratörün kendisinden bir osilogram almanın yanı sıra U GEN.

Şöntten, devredeki akım gücünün davranışını gösterdiğimiz voltajı ve jeneratör sinyalinin kendisini jeneratörden çıkaracağız. Devremizi bazı frekanslar üzerinden çalıştıralım ve neyin ne olduğunu görelim.

Salınımlı bir devrenin direncine frekansın etkisi

O zaman hadi gidelim. Devrede 1uF kapasitör ve 1mH indüktör aldım. Jeneratörde 4 voltluk bir sinüs dalgası kurdum. Kuralı hatırlıyoruz: Bir devrede radyo elemanlarının bağlantısı birbiri ardına seri hale gelirse, o zaman aynı akım içlerinden akar.

Kırmızı dalga formu, frekans üretecinden gelen voltajdır ve sarı dalga formu, şönt direnci boyunca voltaj aracılığıyla akımın bir görüntüsüdür.

Bir kuruşla Frekans 200 Hertz:

Gördüğümüz gibi böyle bir frekansta bu devrede bir akım var ama çok zayıf.

Sıklık ekleme. kuruşlarla 600 hertz

Burada zaten akım gücünün arttığını açıkça görüyoruz ve ayrıca akım gücünün dalga formunun voltajın önünde olduğunu görüyoruz. Kondansatör gibi kokuyor.

Sıklık ekleme. 2 kilohertz

Akımın gücü daha da arttı.

3 kilohertz

Akım arttı. Faz kaymasının azalmaya başladığına da dikkat edin.

4.25 Kilohertz

Osilogramlar neredeyse zaten birleşiyor. Gerilim ve akım arasındaki faz kayması neredeyse algılanamaz hale gelir.

Ve şimdi, belirli bir frekansta, akım gücü maksimum hale geldi ve faz kayması sıfıra eşit oldu. Bu anı hatırla. Bizim için çok önemli olacak.

Daha yakın zamanlarda, akım voltajın önündeydi, ancak şimdi fazda onunla aynı hizaya geldikten sonra gecikmeye başladı. Akım zaten voltajın gerisinde kaldığı için, burada zaten indüktörün reaktansı kokuyor.

Frekansı daha da artırmak

Mevcut güç düşmeye başlar ve faz kayması artar.

22 kilohertz

74 kilohertz

Gördüğünüz gibi frekans arttıkça kayma 90 dereceye yaklaşıyor ve akım küçüldükçe küçülüyor.

Rezonans

Faz kaymasının sıfır olduğu ve seri salınım devresinden geçen akımın maksimum olduğu ana daha yakından bakalım:

Bu fenomen denir rezonans.

Hatırlayacağınız gibi, direncimiz küçülürse ve bu durumda bobinin ve kapasitörün kayıp direnci çok küçükse, o zaman devrede Ohm yasasına göre büyük bir akım akmaya başlar: ben=U/R. Jeneratör güçlüyse, üzerindeki voltaj değişmez ve direnç ihmal edilebilir hale gelir ve işte! Akım, rezonansta sarı dalga formuna bakarak gördüğümüz, yağmurdan sonra mantar gibi büyür.

Thomson formülü

Rezonansta bobinin reaktansı kapasitörün reaktansına eşitse X L = XC, o zaman reaktanslarını eşitleyebilir ve buradan rezonansın meydana geldiği frekansı hesaplayabilirsiniz. Böylece, bobinin reaktansı aşağıdaki formülle ifade edilir:

Bir kapasitörün reaktansı aşağıdaki formülle hesaplanır:

Her iki parçayı eşitleyin ve buradan hesaplayın F:

Bu durumda formülü elde etmiş oluyoruz. rezonans frekansı. Bu formül denir Thomson'ın formülü, anladığınız gibi, onu ortaya çıkaran bilim adamının onuruna.

Seri salınım devremizin rezonans frekansını hesaplamak için Thomson formülünü kullanalım. Bunun için RLC transistör ölçerimi kullanacağım.

Bobinin endüktansını ölçüyoruz:

Ve kapasitemizi ölçüyoruz:

Rezonans frekansımızı aşağıdaki formülü kullanarak hesaplıyoruz:

5.09 Kilohertz aldım.

Frekans ayarı ve osiloskop yardımıyla 4.78 kilohertz frekansındaki rezonansı yakaladım (sol alt köşede yazıyor)

Aletlerin ölçüm hatası için 200 kopek Hertz hatasını yazalım. Gördüğünüz gibi, Thompson'ın formülü işe yarıyor.

Stres rezonansı

Bobinin ve kapasitörün diğer parametrelerini alalım ve radyoelementlerin kendilerinde ne olduğunu görelim. Sonuçta, her şeyi iyice öğrenmemiz gerekiyor ;-). Endüktansı 22 mikrohenri olan bir indüktör alıyorum:

ve 1000 pF kapasitör

Yani rezonansı yakalamak için devreye ekleme yapmayacağım. Daha akıllı olacağım.

Frekans üretecim Çinli ve düşük güçlü olduğundan, rezonansta devrede yalnızca aktif kayıp direncimiz R var.Toplamda hala küçük bir direnç değeri elde ediyoruz, bu nedenle rezonanstaki akım maksimum değerler. Bunun bir sonucu olarak, frekans üretecinin iç direnci boyunca makul bir voltaj düşer ve üretecin çıkış frekans genliği düşer. Bu genliğin minimum değerini yakalayacağım. Bu nedenle, bu salınım devresinin rezonansı olacaktır. Bir jeneratörü aşırı yüklemek iyi değil ama bilim adına ne yapabilirsiniz!

Peki, başlayalım ;-). Önce Thomson formülünü kullanarak rezonans frekansını hesaplayalım. Bunu yapmak için internette çevrimiçi bir hesap makinesi açıyorum ve bu frekansı hızlı bir şekilde hesaplıyorum. 1.073 megahertzim var.

Frekans üretecindeki rezonansı minimum genlik değerleri ile yakalarım. Bunun gibi bir şey çıktı:

Tepeden Tepeye 4 Volt

Frekans üretecinin salınımı 17 volttan fazla olmasına rağmen! İşte gerilim burada başladı. Ve görebileceğiniz gibi, rezonans frekansının hesaplanandan biraz farklı olduğu ortaya çıktı: 1.109 megahertz.

Şimdi biraz eğlence için ;-)

Bu, seri salınım devremize uyguladığımız sinyaldir:

Gördüğünüz gibi, jeneratörüm salınım devresine rezonans frekansında büyük bir akım iletemiyor, bu nedenle sinyal tepe noktalarında biraz bozuk çıktı.

Peki, şimdi en ilginç olanı. Rezonans frekansında kapasitör ve bobin üzerindeki voltaj düşüşünü ölçelim. Yani, şöyle görünecek:

Kondansatördeki voltaja bakıyoruz:

Genlik salınımı 20 volt (5x4)! Nerede? Sonuçta, salınım devresine 2 Volt frekansta bir sinüs uyguladık!

Tamam, osiloskopa bir şey olmuş olabilir mi? Bobin üzerindeki voltajı ölçelim:

İnsanlar! Beleş!!! Jeneratörden 2 volt verdiler ve hem bobine hem de kapasitöre 20 volt aldılar! 10 kat enerji kazancı! Yalnızca kapasitörden veya bobinden enerjiyi çıkarmak için zamanınız olsun!

Pekala, madem böyle bir şey ... Bir mopedden 12 voltluk bir ampul alıp bir kondansatöre veya bobine bağlarım. Ne de olsa ampul, hangi frekansta çalışacağı ve hangi akımı yiyeceği konusunda bir davul gibi görünüyor. Genliği, bobin veya kondansatörün bir Volt 20'lik bir yere sahip olacağı şekilde ayarlıyorum, çünkü ortalama karekök voltajı Volt 14'lük bir yerde olacak ve sırayla onlara bir ampul bağlarım:

Gördüğünüz gibi - tam bir sıfır. Ampul yanmayacak, bu nedenle serbest enerji hayranları tıraş oluyor). Gücün, akım ve voltajın çarpımı tarafından belirlendiğini hatırladınız mı? Voltaj yeterli görünüyor, ancak mevcut güç - ne yazık ki! Bu nedenle, bir seri salınım devresi de denir dar bant (rezonans) gerilim yükseltici, güç değil!

Bu deneylerde neler elde ettiğimizi özetleyelim.

Rezonansta, bobin ve kapasitör üzerindeki voltajın, salınım devresine uyguladığımızdan çok daha büyük olduğu ortaya çıktı. Bu durumda, 10 kat daha fazlasını aldık. Rezonansta bobindeki voltaj neden kapasitördeki voltaja eşittir? Bu kolayca açıklanabilir. Seri salınımlı bir devrede bobin ve konder birbirini takip ettiğinden devrede aynı akım akar.

Rezonansta, bobinin reaktansı, kapasitörün reaktansına eşittir. Bobinde voltajın düştüğü şant kuralına göre elde ederiz. UL = IX L ve kapasitör üzerinde UC = IX C. Ve rezonanstan beri elimizde X L = X C, o zaman bunu anladık UL = UC, devredeki akım aynıdır ;-). Bu nedenle, bir seri salınım devresindeki rezonans da denir voltaj rezonansı, Çünkü rezonans frekansında bobin üzerindeki voltaj, kapasitör üzerindeki voltaja eşittir.

kalite faktörü

Salınım devreleri konusunu zorlamaya başladığımızdan beri, böyle bir parametreyi göz ardı edemeyiz. kalite faktörü salınım devresi. Halihazırda bazı deneyler yaptığımız için, gerilimlerin genliğine dayalı olarak kalite faktörünü belirlememiz daha kolay olacaktır. Kalite faktörü harfle belirtilir Q ve ilk basit formülle hesaplanır:

Bizim durumumuzda kalite faktörünü hesaplayalım.

Bir kareyi dikey olarak bölmenin bedeli 2 Volt olduğundan, frekans üretecinin sinyalinin genliği 2 Volt'tur.

Ve bu, bir kondansatörün veya bobinin terminallerinde sahip olduğumuz şey. Burada bir kareyi dikey olarak bölmenin bedeli 5 volttur. Kareleri sayar ve çarparız. 5x4 \u003d 20 Volt.

İyiliğin formülüne göre sayarsak:

S=20/2=10. Temelde biraz ve biraz değil. Yapacak. Pratikte iyilik bu şekilde bulunabilir.

Kalite faktörünü hesaplamak için ikinci bir formül de vardır.

Nerede

R - devrede kayıp direnci, Ohm

L - endüktans, Henry

C - kapasitans, Farad

Kalite faktörünü bilerek, kayıp direncini kolayca bulabilirsiniz. R seri salınım devresi.

Kalite faktörü hakkında da birkaç söz eklemek istiyorum. Devrenin kalite faktörü, salınım devresinin niteliksel bir göstergesidir. Temel olarak, her zaman çeşitli ile arttırmaya çalışırlar. mümkün olan her şekilde. Yukarıdaki formüle bakarsanız, kalite faktörünü artırmak için salınım devresinin kayıp direncini bir şekilde azaltmamız gerektiğini anlayabilirsiniz. Yapısal olarak zaten yüksek kayıplara sahip olduğundan, kayıplardaki aslan payı indüktöre aittir. Telden sarılır ve çoğu durumda bir çekirdeğe sahiptir. Yüksek frekanslarda, devreye daha fazla kayıp getiren cilt etkisi telde görünmeye başlar.

Özet

Bir seri salınım devresi, seri bağlı bir indüktör ve bir kondansatörden oluşur.

Belirli bir frekansta, bobinin reaktansı, kapasitörün reaktansına eşit olur ve seri salınım devresinin devresinde, böyle bir fenomen meydana gelir. rezonans.

Rezonansta, bobin ve kondansatörün reaktansları, büyüklük olarak eşit olmalarına rağmen zıt işaretlidir, bu nedenle bunlar çıkarılır ve sıfıra kadar eklenir. Devrede sadece aktif kayıp direnci R kalır.

Rezonansta, devredeki akım maksimum olur, çünkü bobinin kayıp direnci ve kapasitör R toplamda küçük bir değer verir.

Rezonansta, bobin üzerindeki voltaj, kapasitör üzerindeki voltaja eşittir ve jeneratör üzerindeki voltajdan daha yüksektir.

Bobin veya kapasitör üzerindeki voltajın jeneratör üzerindeki voltajı kaç kez aştığını gösteren katsayı, seri salınım devresinin kalite faktörü Q olarak adlandırılır ve salınım devresinin niteliksel bir değerlendirmesini gösterir. Temel olarak Q'yu olabildiğince büyük yapmaya çalışın.

Düşük frekanslarda, salınım devresi rezonanstan önce kapasitif bir akım bileşenine ve rezonanstan sonra bir endüktif akım bileşenine sahiptir.

Bir elektrik salınım devresi, karmaşıklığına bakılmaksızın herhangi bir radyo alıcısının vazgeçilmez bir unsurudur. Bir salınım devresi olmadan, radyo istasyonu sinyallerinin alınması genellikle imkansızdır.

En basit elektriksel salınım devresi (Şekil 20) kapalı devre bir indüktörden oluşan L ve kapasitör C. Belirli koşullar altında, içinde elektriksel salınımlar meydana gelebilir ve korunabilir.

Bu fenomenin özünü anlamak için önce bir iplik sarkacı ile birkaç deney yapın (Şekil 21). 100 cm uzunluğundaki bir ipliğe, hamuru kalıplanmış bir top veya 20 ... 40 g ağırlığındaki başka bir ağırlık asın Sarkacı dengeden çıkarın ve saniye ibreli bir saat kullanarak, bir saniyede kaç tam salınım yaptığını sayın. dakika. Yaklaşık 30. Bu nedenle, bu sarkacın doğal salınım frekansı 0,5 Hz ve periyodu (bir tam salınımın süresi) 2 s'dir. Periyot boyunca, sarkacın potansiyel enerjisi iki kez kinetik enerjiye ve kinetik potansiyel enerjiye geçer.

Sarkaç ipliğini ikiye bölün. Sarkaç salınımlarının doğal frekansı bir buçuk kat artacak ve salınım periyodu aynı miktarda azalacaktır. Sonuç: sarkacın uzunluğundaki azalma ile doğal salınımlarının sıklığı artar ve süre orantılı olarak azalır.

Sarkaç süspansiyonunun uzunluğunu değiştirerek, doğal salınım frekansının 1 Hz (saniyede bir tam salınım) olduğundan emin olun. Bu, yaklaşık 25 cm'lik bir iplik uzunluğunda olmalıdır, bu durumda sarkacın salınım süresi 1 s olacaktır.

İplik sarkacının salınımları sönümlenir. Herhangi bir cismin serbest titreşimleri her zaman sönümlenir. Ancak sarkaç salınımlarıyla zamanda hafifçe itilirse, böylece hava ve sürtünme tarafından uygulanan direncin üstesinden gelmek için harcadığı enerjiyi telafi ederse, sönümsüz hale gelebilirler.

Sarkacın doğal frekansı, kütlesine ve süspansiyonun uzunluğuna bağlıdır.

Şimdi ince bir ipi gerin veya yatay olarak sicim yapın. Aynı sarkacı sedyeye bağlayın (Şek. 22). İpin üzerine, ancak daha uzun bir iplikle benzer başka bir sarkaç atın. Bu sarkacın askı uzunluğu ipin serbest ucu elle çekilerek değiştirilebilir. Salınım hareketine getirin. Bu durumda, birinci sarkaç da daha küçük bir ölçekte (genlik) salınmaya başlayacaktır. İkinci sarkacın salınımlarını durdurmadan, süspansiyonunun uzunluğunu kademeli olarak azaltın - birinci sarkacın salınımlarının genliği artacaktır.

Salınımların rezonansını gösteren bu deneyde, birinci sarkaç, bu salınımların vericisi olan ikinci sarkaç tarafından uyarılan mekanik salınımların alıcısıdır. Birinci sarkacın salınıma zorlanmasının nedeni, uzantının ikinci sarkacın salınım frekansına eşit frekansta periyodik salınımlarıdır. Birinci sarkacın zorunlu salınımları, yalnızca doğal frekansı ikinci sarkacın salınım frekansıyla çakıştığında maksimum genliğe sahip olacaktır.

Bu deneylerde gözlemlediğiniz doğal frekans, zorunlu salınımlar ve rezonans, aynı zamanda bir elektrik salınım devresinin karakteristik özelliği olan olgulardır.

Devredeki elektriksel salınımlar. Devredeki salınımları uyarmak için kapasitörünü bir kaynaktan şarj etmek gerekir. sabit voltaj ve ardından kaynağı kapatın ve döngü devresini kapatın (Şek. 23). Bu andan itibaren, kapasitör, devre devresinde gücü artan bir akım yaratarak indüktör aracılığıyla boşalmaya başlayacaktır; ve indüktörün etrafında - akımın manyetik alanı. Kondansatör tamamen boşaldığında ve devredeki akım sıfır olduğunda, bobin etrafındaki manyetik alan en güçlü olacaktır - elektrik şarjı kondansatör bobinin manyetik alanına dönüştürülür. Devredeki akım bir süre aynı yönde gidecek, ancak zaten bobin tarafından biriken manyetik alanın azalan enerjisi nedeniyle ve kapasitör şarj olmaya başlayacak. Bobinin manyetik alanı kaybolur kaybolmaz devredeki akım bir an için duracaktır. Ancak bu anda, kondens-fop yeniden şarj edilecek, böylece akım tekrar devrenin devresinde, ancak ters yönde akacaktır. Sonuç olarak devrede, kondansatörün depoladığı enerji devre iletkenlerinin direncini aşmak için harcanana kadar devam eden elektrik akımı dalgalanmaları meydana gelir.

Kondansatörün yüklenmesiyle devrede uyarılan elektriksel salınımlar serbesttir ve bu nedenle sönümlenir. Kondansatörü tekrar şarj ederek, devrede yeni bir dizi sönümlü salınım uyarılabilir.

Elektromanyetik kulaklıkları 3336L pile bağlayın. Devre kapandığı anda telefonlarda klik sesini andıran bir ses çıkacaktır. Telefonların akü bağlantısı kesildiğinde de aynı tık sesi duyulur. Bu pil ile şarj edin kağıt kondansatör olabildiğince büyük ve ardından pili çıkararak aynı telefonları ona bağlayın. Telefonlarda kısa, alçak bir ton duyacaksınız. Ancak telefonların kondansatörden ayrıldığı anda böyle bir ses çıkmayacaktır.

Bu deneylerin ilkinde, telefonlardaki tıklamalar, telefonların elektromanyetik sistemlerinin bobinlerinin manyetik alanlarının gücü, içlerinde akımın ortaya çıktığı ve kaybolduğu anlarda değiştiğinde, zarlarının tekli salınımlarının sonucudur. İkinci deneyde, telefonlardaki ses, telefon bobinlerinin değişken manyetik alanlarının etkisi altındaki zarlarının titreşimidir. Uyarılan çok düşük frekanslı kısa süreli sönümlü salınımlar tarafından yaratılırlar. şarjlı bir kondansatör bağladıktan sonra bu devre.

Devredeki elektriksel salınımların doğal frekansı, bobininin endüktansına ve kapasitörün kapasitansına bağlıdır. Ne kadar büyük olurlarsa devredeki osilasyon frekansı o kadar düşük olur ve tersine ne kadar küçüklerse devredeki osilasyon frekansı o kadar yüksek olur. Bobinin endüktansını (dönüş sayısını) ve kondansatörün kapasitansını değiştirerek, devredeki doğal elektriksel salınımların frekansını geniş bir aralıkta değiştirmek mümkündür.

Devredeki zorlanmış salınımların sönümlenmemesi için devrenin içindeki salınımlarla birlikte zamanla ek enerji ile doldurulması gerekir. Alıcı devre için, bu enerjinin kaynağı, radyo alıcısının antenindeki radyo dalgalarının neden olduğu yüksek frekanslı elektriksel salınımlar olabilir.

Radyo alıcısındaki devre. Salınım devresine anten, topraklama ve dedektör görevi yapan diyot ile telefonlardan oluşan bir devre bağlarsanız, basit radyo alıcısı- dedektör (Şek. 24).

Böyle bir alıcının salınım devresi için üçüncü atölyede sardığınız indüktör bobinini kullanın. değişken kondansatör (G2) için pürüzsüz ve Devreye radyo istasyonunun frekansına ince ayar yapmak için, iletkenleri onlara lehimleyerek iki teneke levhadan yapın. Plakaların arasına kapanmamaları için bir sayfa kuru yazı veya gazete kağıdı koyun. Böyle bir kapasitörün kapasitansı, plakaların karşılıklı örtüşme alanı ne kadar büyük ve aralarındaki mesafe o kadar küçük olacaktır. 150X250 mm plaka ölçülerinde ve aralarında kağıt kalınlığı kadar mesafe bulunan, en büyük kapasite-hangi kapasitör 400 ... 450 pF olabilir ki bu size tam olarak uyacaktır ve en küçüğü birkaç pikofaraddır. geçici anten (W1) 10 ... 12 m yükseklikte asılı 10 ... 15 m uzunluğunda bir tel parçası, yerden ve binanın duvarlarından iyi yalıtılmış olarak hizmet edebilir. iyi temas toprak ile.

Dedektörün rolü (VI) herhangi bir harf indeksi ile örneğin D9 veya D2 serisi bir nokta diyodu gerçekleştirebilir. 1'DE- elektromanyetik kulaklıklar, yüksek ohm (DC direnci 1500 ... 2200 Ohm olan elektromıknatıs bobinleriyle), örneğin TON-1 tipi. Telefonlara paralel olarak bir kondansatör bağlayın (KB) 3300 ... 6200 pF kapasiteli.

Tüm bağlantılar elektriksel olarak güvenilir olmalıdır. Lehimlenirlerse daha iyi. Herhangi bir bağlantıdaki zayıf temas nedeniyle alıcı çalışmayacaktır. olsa bile alıcı çalışmayacaktır. kısa devreler veya yanlış bağlantılar.

Alıcı devresinin radyo istasyonunun frekansına ayarlanması gerçekleştirilir: kaba - devreye dahil olan bobinin dönüş sayısında ani bir değişiklikle (Şekil 24'te oklu kesikli bir çizgi ile gösterilmiştir); pürüzsüz ve doğru - plakalarından birini diğerine göre kaydırarak kapasitörün kapasitansını değiştirerek. Yaşadığınız şehirde, bölgede veya bölgede uzun dalga radyo istasyonu (735,3 ... 2000 m, 408 ... (186,9 ... 571,4 m, 1,608 MHz frekanslara karşılık gelir) „525 kHz), o zaman dönüşlerinin sadece bir kısmı.

İki radyo istasyonunun yayınlarının eşzamanlı işitilmesiyle, anten ve devre arasında 62 ... 82 pF kapasitanslı bir kapasitör açın (Şekil 24'te - kesikli çizgilerle gösterilen kapasitör C1). Bundan, telefonların ses seviyesi bir miktar azalacak, ancak alıcının seçiciliği (seçiciliği), yani parazit yapan istasyonlardan ayrılma yeteneği artacaktır.

Böyle bir alıcı genel olarak nasıl çalışır? Birçok istasyondan gelen radyo dalgaları tarafından anten telinde indüklenen modüle edilmiş yüksek frekanslı salınımlar, antenin kendisini de içeren alıcı devresinde farklı frekans ve genliklerdeki salınımları uyarır. Devrede, en güçlü salınımlar yalnızca rezonansa ayarlandığı frekansta meydana gelecektir. Devre, diğer tüm frekansların salınımlarını zayıflatır. Kontur ne kadar iyi (daha nitel) olursa, kendi frekansının salınımlarına karşılık gelen salınımları o kadar net bir şekilde vurgular ve genlikleri o kadar büyük olur.

dedektör ayrıca önemli unsur alıcı. Tek yönlü akım iletimine sahip olarak, salınım devresinden kendisine gelen yüksek frekanslı modüle edilmiş salınımları düzelterek bunları düşük frekansa, yani telefonların ses salınımlarına dönüştürdüğü ses, frekans salınımlarına dönüştürür.

kapasitör kuzeybatı, telefonlara paralel bağlı - alıcının yardımcı bir elemanı: dedektör tarafından düzeltilen akımın dalgalanmalarını yumuşatarak telefonların çalışma koşullarını iyileştirir.

Bazı deneyler yapın.

1. Alıcıyı radyo istasyonuna ayarladıktan sonra, bobine kalın bir çivi sokun ve ardından telefonların önceki ses seviyesini geri yüklemek için devreyi değişken bir kapasitörle ayarlayın.

2. Aynısını yapın, ancak çivi yerine bakır veya pirinç bir çubuk alın.

3. Kondansatör gibi değişken bir kondansatör yerine döngü bobinine bağlayın. sabit kapasite(ampirik olarak seçin), böylece alıcı yerel istasyonun frekansına ayarlanır.

Bu deneylerin nihai sonuçlarını hatırlayın. Bobine metal bir çekirdek sokarken, elbette, devrenin doğal frekansının değiştiğini fark ettiniz: çelik çekirdek, devredeki doğal salınım frekansını azaltırken, bakır veya pirinç olan ise tam tersine onu artırır. . Bu, ilk durumda, döngüyü aynı istasyonun sinyallerine göre ayarlamak için döngü kapasitörünün kapasitansının düşürülmesi ve ikinci durumda artırılması gerektiği gerçeğiyle değerlendirilebilir.

Yüksek frekans çekirdekli döngü bobini. Modern alıcıların kontur bobinlerinin büyük çoğunluğu, çubuklar, çanaklar veya halkalar şeklinde yüksek frekanslı, genellikle ferrit çekirdeklere sahiptir. Ek olarak, ferrit çubuklar, tüm transistörlü taşınabilir ve sözde "cep" alıcıların giriş devrelerinin temel unsurlarıdır.

Yüksek frekanslı çekirdek, bobinin manyetik alan çizgilerini olduğu gibi "kalınlaştırarak" endüktansını ve kalite faktörünü artırır. Ek olarak hareketli çekirdek, devreleri belirli bir frekansa ayarlamak için kullanılan bobinin endüktansını ayarlamanıza ve hatta bazen devreleri radyo istasyonlarının frekanslarına ayarlamanıza olanak tanır. Bir deney olarak, salınım devresine sahip bir alıcı, 400NN veya 600NN marka ayarlanabilir bir ferrit çubuk, 120 ... 150 mm uzunluğunda yapın (Şek. 25). Bu tür çubuklar, transistör alıcılarının manyetik antenleri için kullanılır. Bir kağıt şeridinden, çubuğun etrafına 3 ... 4 kez sarın, 80 ... 90 mm uzunluğundaki manşonu yapıştırın ve iyice kurutun. Çubuk, manşonun içine serbestçe girmelidir. Kartondan 9 ... 10 halka kesin ve bunları birbirinden 6 ... 7 mm mesafede manşona yapıştırın. Ortaya çıkan kesitli çerçevede, PEV, PEL veya PELSHO 0,2 ... 0,25 telini 300 ... 350 tur sarın ve her bölümde 35 ... 40 tur döşeyin. 35. ... 40. - ve 75. ... 80. dönüşlerden itibaren, devreye dahil olan bobinin dönüş sayısını değiştirebilmek için ilmek şeklinde iki musluk yapın.

Anteni bobine, topraklamaya ve dedektör-telefon devresine bağlayın. Bobinin dönüşü devrenin çalışmasına ne kadar çok katılırsa ve ferrit çubuk bobine ne kadar derine sokulursa, alıcı bir dalga boyuna o kadar uzun süre ayarlanabilir.

Dedektör alıcısı, yalnızca radyo istasyonunun verici anteni tarafından yayılan elektromanyetik enerji nedeniyle çalışır. Bu yüzden telefonların sesi yüksek değildir. Çalışma hacmini yükseltmek için dedektör alıcısı, ona bir amplifikatör, örneğin bir transistör eklemeniz gerekir.

Literatür: Yeni başlayan bir radyo amatör için Borisov V. G. Practicum 2. baskı, Gözden geçirilmiş. ve ek — M.: DOSAAF, 1984. 144 s., hasta. 55k.

Son makalede, buna katılan tüm radyo elemanları seri olarak bağlandığından, bir seri salınım devresini ele aldık. Aynı yazıda, bobin ve kapasitörün paralel bağlandığı paralel bir salınım devresini ele alacağız.

Diyagramdaki paralel salınım devresi

Diyagramda ideal salınım devresi buna benzer:

Gerçekte, bobinimiz bir telden sarıldığı için iyi bir kayıp direncine sahiptir ve kapasitör de bir miktar kayıp direncine sahiptir. Kapasitans kayıpları çok küçüktür ve genellikle ihmal edilir. Bu nedenle, sadece bir bobin kaybı direnci R bırakıyoruz. Ardından devre gerçek salınım devresi bu formu alacak:

Nerede

R döngü kaybı direncidir, Ohm

L endüktansın kendisidir, Henry

C - kapasitansın kendisi, Farad

Paralel salınım devresinin çalışması

Frekans üretecine gerçek bir paralel salınım devresi bağlayalım.

Devreye sıfır Hertz frekansında, yani bir akım uygularsak ne olur? DC? Sakin bir şekilde bobinin içinden geçecek ve yalnızca bobinin kendi kayıpları R ile sınırlı olacaktır. Kondansatör doğru akımın geçmesine izin vermediği için kondansatörden akım geçmez. Bunu DC ve AC devrelerindeki kondansatör makalesinde yazdım.

O zaman sıklık ekleyelim. Böylece, frekanstaki bir artışla, bir kapasitörümüz var ve bir bobin reaktans sağlamaya başlayacak elektrik akımı.

Bobinin reaktansı formül ile ifade edilir.

ve formüle göre kapasitör

Frekansı sorunsuz bir şekilde artırırsanız, formüllerden en başta, frekansta yumuşak bir artışla kapasitörün indüktörden daha fazla direnç sağlayacağını anlayabilirsiniz. Bazı frekanslarda, X L bobininin ve X C kondansatörünün reaktansları eşitlenecektir. Frekansı daha da artırırsanız, bobin zaten kapasitörden daha fazla dirence sahip olacaktır.

Paralel bir salınım devresinin rezonansı

Paralel bir salınım devresinin çok ilginç bir özelliği, X L \u003d X C olduğunda salınım devremizin gireceğidir. rezonans. Rezonansta, salınım devresi alternatif elektrik akımına daha fazla direnç sağlamaya başlayacaktır. Bu direnç genellikle şu şekilde adlandırılır: rezonans direnci kontur ve aşağıdaki formülle ifade edilir:

Nerede

Rres, devrenin rezonans frekansındaki direncidir

L, bobin endüktansının kendisidir

C - kapasitörün gerçek kapasitansı

R, bobin kaybı direncidir

rezonans formülü

Paralel bir salınım devresi için, rezonans frekansı için Thomson formülü aynı zamanda bir seri salınım devresi için olduğu gibi çalışır:

Nerede

F, devrenin rezonans frekansıdır, Hertz

L, bobinin endüktansıdır, Henry

C, kapasitörün kapasitansıdır, faradlar

Pratikte rezonans nasıl bulunur?

Tamam, konuya daha yakın. Elimize bir havya alıp bobin ve kondansatörü paralel olarak lehimliyoruz. Bobin 22uH ve kapasitör 1000pF'dir.

Yani, bu devrenin gerçek şeması şöyle olacaktır:

Her şeyi açık ve anlaşılır bir şekilde gösterebilmek için devreye seri olarak 1 KΩ'luk bir direnç ekleyelim ve aşağıdaki devreyi oluşturalım:

Jeneratörde frekansı değiştireceğiz ve X1 ve X2 terminallerinden voltajı kaldırıp osiloskopta izleyeceğiz.

Paralel salınım devresindeki direncimizin jeneratörün frekansına bağlı olacağını tahmin etmek kolaydır, çünkü bu salınım devresinde reaktansları doğrudan frekansa bağlı olan iki radyo elemanı görüyoruz, bu nedenle salınım devresini aşağıdakilerle değiştireceğiz: devrenin eşdeğer direnci R con.

Basitleştirilmiş bir diyagram şöyle görünür:

Acaba bu devre neye benziyor? Voltaj bölücü mü? Kesinlikle! Bu nedenle, voltaj bölücü kuralını hatırlıyoruz: düşük dirençte daha az voltaj düşüşü, daha yüksek dirençte daha fazla voltaj düşüşü. Salınım devremizle ilgili olarak hangi sonuç çıkarılabilir? Evet, her şey basit: rezonans frekansında, Rcon direnci maksimum olacak ve bunun sonucunda bu direnç üzerinde daha büyük bir voltaj "düşecektir".

Deneyimimize başlayalım. Jeneratördeki frekansı en küçük frekanslardan başlayarak yükseltiyoruz.

200 hertz.

Gördüğünüz gibi, salınım devresinde küçük bir voltaj "düşür", yani voltaj bölücü kuralına göre devrenin artık küçük bir direnci olduğunu söyleyebiliriz R con

Sıklık ekleme. 11,4 kilohertz

Gördüğünüz gibi devredeki voltaj yükseldi. Bu, salınım devresinin direncinin arttığı anlamına gelir.

Daha fazla sıklık ekleyin. 50 kilohertz

Devredeki voltajın daha da arttığına dikkat edin. Böylece direnci daha da arttı.

723 Kilohertz

Geçmiş deneyimlere kıyasla bir kareyi dikey olarak bölmenin bedeline dikkat edin. Kare başına 20mV vardı ve şimdi kare başına 500mV. Salınım devresinin direnci daha da büyüdükçe voltaj arttı.

Ve böylece ortaya çıktığı bir frekans yakaladım maksimum voltaj salınım devresinde. Dikey bölme değerine dikkat edin. İki volta eşittir.

Frekansta daha fazla bir artış, voltajın düşmeye başlamasına neden olur:

Frekansı tekrar ekliyoruz ve voltajın daha da azaldığını görüyoruz:

Rezonans frekansını anlama

Devreden maksimum voltajı aldığımızda bu dalga formuna daha yakından bakalım.

Burada ne oldu?

Bu frekansta bir voltaj dalgalanması olduğundan, dolayısıyla bu frekansta paralel salınım devresi en yüksek dirence sahipti R con. Bu frekansta X L \u003d X C. Ardından artan frekansla devrenin direnci tekrar düştü. Bu, aşağıdaki formülle ifade edilen devrenin çok rezonans direncidir:

mevcut rezonans

Öyleyse, salınım devremizi rezonansa soktuğumuzu varsayalım:

rezonans akımı ne olacak kestim? Ohm yasasına göre hesaplıyoruz:

I res = U geni /R res, burada R res = L/CR.

Ama en komik şey, devredeki rezonansta kendi devre akımımıza sahip olmamızdır. dolandırıcıyım, konturun dışına çıkmayan ve sadece konturun kendisinde kalan! Matematikte zorlandığım için türevler ve karmaşık sayılarla çeşitli matematiksel hesaplamalar yapmayacağım ve rezonansta döngü akımının nereden geldiğini açıklamayacağım. Bu nedenle paralel bir salınım devresinin rezonansına akımların rezonansı denir.

kalite faktörü

Bu arada, bu döngü akımı geçen akımdan çok daha büyük olacaktır. başından sonuna kadar devre. Ve kaç kez biliyor musun? Bu doğru, Q kere. S - bu kalite faktörüdür! Paralel salınımlı bir devrede, Icon devresindeki akım kuvvetinin I res ortak devresindeki akım kuvvetinden kaç kat daha büyük olduğunu gösterir.

Veya formül:

Kayıp direncini de buraya yapıştırırsak, formül aşağıdaki formu alacaktır:

Nerede

Q - kalite faktörü

R, bobindeki kayıpların direncidir, Ohm

C - kapasite, F

L - endüktans, H

Çözüm

Sonuç olarak, bir istasyonun frekansını seçmenin gerekli olduğu radyo alıcı ekipmanında paralel bir salınım devresinin kullanıldığını eklemek istiyorum. Ayrıca, bir salınım devresinin yardımıyla, ihtiyacımız olan frekansı vurgulayacak ve prensipte deneyimlerimizde yaptığımız diğer frekansları kendi içlerinden geçirecek çeşitli devreler oluşturmak mümkündür.