Een oscillerend circuit is een apparaat dat is ontworpen om elektromagnetische oscillaties te genereren (creëren). Vanaf het begin tot op de dag van vandaag is het in veel gebieden van wetenschap en technologie gebruikt: van het dagelijks leven tot enorme fabrieken die een breed scala aan producten produceren.
Waar is het van gemaakt?
Het oscillerende circuit bestaat uit een spoel en een condensator. Daarnaast kan het ook een weerstand bevatten (element met variabele weerstand). Een inductor (of solenoïde, zoals het soms wordt genoemd) is een staaf waarop meerdere lagen wikkeling zijn gewikkeld, die in de regel een koperdraad is. Het is dit element dat oscillaties veroorzaakt in het oscillerende circuit. De staaf in het midden wordt vaak een smoorspoel of kern genoemd en de spoel wordt soms een solenoïde genoemd.
De spoel van het oscillerende circuit oscilleert alleen als er een opgeslagen lading is. Wanneer er stroom doorheen gaat, verzamelt het een lading, die het vervolgens afgeeft aan het circuit als de spanning da alt.
De spoeldraden hebben meestal heel weinig weerstand, die altijd constant blijft. In het circuit van een oscillerend circuit treedt heel vaak een verandering in spanning en stroom op. Deze wijziging is onderhevig aan bepaalde wiskundige wetten:
-
U=U0cos(w(t-t0), waarbij
U de huidige spanning is tijdstip t, U0 - spanning op tijdstip t0, w - frequentie van elektromagnetische oscillaties.
Een ander integraal onderdeel van het circuit is de elektrische condensator. Dit is een element dat bestaat uit twee platen, die worden gescheiden door een diëlektricum. In dit geval is de dikte van de laag tussen de platen kleiner dan hun afmetingen. Met dit ontwerp kunt u een elektrische lading op het diëlektricum accumuleren, die vervolgens naar het circuit kan worden overgebracht.
Het verschil tussen een condensator en een batterij is dat er geen transformatie van stoffen plaatsvindt onder invloed van een elektrische stroom, maar een directe accumulatie van lading in een elektrisch veld. Met behulp van een condensator is het dus mogelijk om een voldoende grote lading te accumuleren, die in één keer kan worden weggegeven. In dit geval neemt de stroomsterkte in het circuit enorm toe.
Het oscillerende circuit bestaat ook uit nog een element: een weerstand. Dit element heeft weerstand en is ontworpen om de stroom en spanning in het circuit te regelen. Als de weerstand van de weerstand wordt verhoogd bij een constante spanning, dan zal de stroomsterkte afnemen volgens de wetOma:
-
I=U/R, waarbij
I de stroom is, U de spanning, R de weerstand.
Inductor
Laten we alle subtiliteiten van de inductor eens nader bekijken en zijn functie in een oscillerend circuit beter begrijpen. Zoals we al zeiden, neigt de weerstand van dit element naar nul. Dus, wanneer aangesloten op een DC-circuit, zou er een kortsluiting optreden. Als u de spoel echter op een wisselstroomcircuit aansluit, werkt deze naar behoren. Hieruit kun je concluderen dat het element weerstand biedt tegen wisselstroom.
Maar waarom gebeurt dit en hoe ontstaat weerstand bij wisselstroom? Om deze vraag te beantwoorden, moeten we ons wenden tot een fenomeen als zelfinductie. Wanneer stroom door de spoel gaat, ontstaat er een elektromotorische kracht (EMF) in, die een obstakel vormt voor het veranderen van de stroom. De grootte van deze kracht hangt af van twee factoren: de inductantie van de spoel en de afgeleide van de stroomsterkte naar de tijd. Wiskundig wordt deze afhankelijkheid uitgedrukt door de vergelijking:
-
E=-LI'(t), waarbij
E de EMF-waarde is, L de waarde van de spoelinductantie (voor elke spoel is deze anders en hangt op het aantal spoelen van de wikkeling en hun diktes), I'(t) - afgeleide van de stroomsterkte ten opzichte van de tijd (de snelheid van verandering van de stroomsterkte).
De gelijkstroomsterkte verandert niet in de loop van de tijd, dus er is geen weerstand bij blootstelling eraan.
Maar met wisselstroom veranderen al zijn parameters voortdurend volgens een sinusoïdale of cosinuswet,hierdoor ontstaat een EMF die deze veranderingen verhindert. Een dergelijke weerstand wordt inductief genoemd en wordt berekend met de formule:
- XL =wL
De stroom in de solenoïde neemt lineair toe en af volgens verschillende wetten. Dit betekent dat als u de stroomtoevoer naar de spoel stopt, deze enige tijd het circuit zal blijven opladen. En als tegelijkertijd de stroomtoevoer abrupt wordt onderbroken, zal er een schok optreden omdat de lading zal proberen te worden verdeeld en de spoel zal verlaten. Dit is een serieus probleem in de industriële productie. Een dergelijk effect (hoewel niet volledig gerelateerd aan het oscillerende circuit) kan bijvoorbeeld worden waargenomen wanneer de stekker uit het stopcontact wordt getrokken. Tegelijkertijd springt een vonk, die op zo'n schaal een persoon niet kan schaden. Het is te wijten aan het feit dat het magnetische veld niet onmiddellijk verdwijnt, maar geleidelijk verdwijnt, waardoor stromen in andere geleiders worden geïnduceerd. Op industriële schaal is de stroomsterkte vele malen groter dan de 220 volt die we gewend zijn, dus wanneer een circuit wordt onderbroken in de productie, kunnen vonken van een dergelijke sterkte ontstaan die veel schade aan zowel de plant als de persoon veroorzaken.
Een spoel is de basis van waaruit een oscillerend circuit bestaat. De inductanties van de solenoïden in serie tellen op. Vervolgens zullen we alle subtiliteiten van de structuur van dit element nader bekijken.
Wat is inductie?
De inductantie van de spoel van een oscillerend circuit is een individuele indicator die numeriek gelijk is aan de elektromotorische kracht (in volt) die in het circuit optreedt wanneerverandering in stroom met 1 A in 1 seconde. Als de solenoïde is aangesloten op een gelijkstroomcircuit, dan beschrijft zijn inductantie de energie van het magnetische veld dat door deze stroom wordt gecreëerd volgens de formule:
-
W=(LI2)/2, waarbij
W de magnetische veldenergie is.
De inductiefactor hangt van veel factoren af: van de geometrie van de solenoïde, van de magnetische eigenschappen van de kern en van het aantal draadspoelen. Een andere eigenschap van deze indicator is dat hij altijd positief is, omdat de variabelen waarvan hij afhangt niet negatief kunnen zijn.
Inductantie kan ook worden gedefinieerd als de eigenschap van een stroomvoerende geleider om energie op te slaan in een magnetisch veld. Het wordt gemeten in Henry (genoemd naar de Amerikaanse wetenschapper Joseph Henry).
Naast de solenoïde bestaat het oscillerende circuit uit een condensator, die later zal worden besproken.
Elektrische condensator
De capaciteit van het oscillerende circuit wordt bepaald door de capaciteit van de elektrische condensator. Over zijn uiterlijk stond hierboven geschreven. Laten we nu eens kijken naar de fysica van de processen die erin plaatsvinden.
Omdat de condensatorplaten zijn gemaakt van een geleider, kan er een elektrische stroom doorheen vloeien. Er is echter een obstakel tussen de twee platen: een diëlektricum (het kan lucht, hout of een ander materiaal met hoge weerstand zijn. Omdat de lading niet van het ene uiteinde van de draad naar het andere kan bewegen, hoopt het zich op op de condensatorplaten Dit vergroot de kracht van de magnetische en elektrische velden eromheen.de elektriciteit die zich op de platen heeft verzameld, wordt naar het circuit overgebracht.
Elke condensator heeft een nominale spanning die optimaal is voor zijn werking. Als dit element gedurende lange tijd wordt gebruikt bij een spanning boven de nominale spanning, wordt de levensduur aanzienlijk verkort. De condensator van het oscillerende circuit wordt voortdurend beïnvloed door stromen, en daarom moet u bij het kiezen uiterst voorzichtig zijn.
Naast de gebruikelijke condensatoren die werden besproken, zijn er ook ionistoren. Dit is een complexer element: het kan worden omschreven als een kruising tussen een batterij en een condensator. In de regel dienen organische stoffen als diëlektricum in een ionistor, waartussen zich een elektrolyt bevindt. Samen vormen ze een dubbele elektrische laag, waardoor je in dit ontwerp vele malen meer energie kunt verzamelen dan in een traditionele condensator.
Wat is de capaciteit van een condensator?
De capaciteit van een condensator is de verhouding van de lading van de condensator tot de spanning waaronder deze zich bevindt. U kunt deze waarde heel eenvoudig berekenen met de wiskundige formule:
-
C=(e0S)/d, waarbij
e0 de permittiviteit is van het diëlektrische materiaal (tabelwaarde), S - het gebied van de condensatorplaten, d - de afstand tussen de platen.
De afhankelijkheid van de capaciteit van de condensator van de afstand tussen de platen wordt verklaard door het fenomeen van elektrostatische inductie: hoe kleiner de afstand tussen de platen, hoe sterker ze elkaar beïnvloeden (volgens de wet van Coulomb), hoe hoe groter de lading van de platen en hoe lager de spanning. En als de spanning afneemtde capaciteitswaarde neemt toe, omdat deze ook kan worden beschreven met de volgende formule:
-
C=q/U, waarbij
q de lading in coulombs is.
Het is de moeite waard om te praten over de eenheden van deze hoeveelheid. Capaciteit wordt gemeten in farads. 1 farad is een waarde die groot genoeg is dat bestaande condensatoren (maar geen ionistors) een capaciteit hebben gemeten in picofarads (een biljoen farad).
Weerstand
De stroom in het oscillerende circuit hangt ook af van de weerstand van het circuit. En naast de twee beschreven elementen waaruit het oscillerende circuit bestaat (spoelen, condensatoren), is er ook een derde - een weerstand. Hij is verantwoordelijk voor het creëren van weerstand. De weerstand verschilt van andere elementen doordat deze een grote weerstand heeft, die in sommige modellen kan worden gewijzigd. In het oscillerende circuit vervult het de functie van een vermogensregelaar voor een magnetisch veld. U kunt meerdere weerstanden in serie of parallel aansluiten, waardoor de weerstand van het circuit toeneemt.
De weerstand van dit element hangt ook af van de temperatuur, dus je moet voorzichtig zijn met de werking ervan in het circuit, omdat het opwarmt wanneer de stroom passeert.
Weerstandsweerstand wordt gemeten in Ohm en de waarde ervan kan worden berekend met behulp van de formule:
-
R=(pl)/S, waarbij
p de soortelijke weerstand van het weerstandsmateriaal is (gemeten in (Ohmmm2)/m);
l - weerstandslengte (in meters);
S - doorsnede (in vierkante millimeters).
Hoe padparameters koppelen?
Nu komen we dicht bij natuurkundewerking van het oscillerende circuit. Na verloop van tijd verandert de lading op de condensatorplaten volgens een tweede-orde differentiaalvergelijking.
Als je deze vergelijking oplost, volgen er verschillende interessante formules uit, die de processen beschrijven die in het circuit plaatsvinden. De cyclische frequentie kan bijvoorbeeld worden uitgedrukt in termen van capaciteit en inductantie.
De eenvoudigste formule waarmee u veel onbekende grootheden kunt berekenen, is echter de Thomson-formule (vernoemd naar de Engelse natuurkundige William Thomson, die deze in 1853 heeft afgeleid):
-
T=2p(LC)1/2.
T - de periode van elektromagnetische oscillaties, L en C - respectievelijk de inductantie van de spoel van het oscillerende circuit en de capaciteit van de circuitelementen, p - het getal pi.
Q-factor
Er is nog een belangrijke waarde die de werking van het circuit kenmerkt - de kwaliteitsfactor. Om te begrijpen wat het is, moet men zich wenden tot een proces als resonantie. Dit is een fenomeen waarbij de amplitude maximaal wordt met een constante waarde van de kracht die deze oscillatie ondersteunt. De resonantie kan worden uitgelegd met een eenvoudig voorbeeld: als je de swing op het ritme van zijn frequentie begint te duwen, zal deze versnellen en zal zijn "amplitude" toenemen. En als je uit de tijd duwt, zullen ze vertragen. Bij resonantie gaat er vaak veel energie verloren. Om de omvang van de verliezen te kunnen berekenen, bedachten ze een parameter als de kwaliteitsfactor. Het is een verhouding gelijk aan de verhoudingenergie in het systeem tot de verliezen die optreden in het circuit in één cyclus.
De kwaliteitsfactor van het circuit wordt berekend met de formule:
-
Q=(w0W)/P, waarbij
w0 - resonante cyclische oscillatiefrequentie;
W - energie opgeslagen in het oscillerende systeem;
P - vermogensdissipatie.
Deze parameter is een dimensieloze waarde, omdat het de verhouding van energie: opgeslagen tot verbruikt toont.
Wat is een ideaal oscillerend circuit
Voor een beter begrip van de processen in dit systeem bedachten natuurkundigen het zogenaamde ideale oscillerende circuit. Dit is een wiskundig model dat een circuit weergeeft als een systeem zonder weerstand. Het produceert ongedempte harmonische oscillaties. Een dergelijk model maakt het mogelijk om formules te verkrijgen voor de benaderende berekening van contourparameters. Een van deze parameters is totale energie:
W=(LI2)/2.
Dergelijke vereenvoudigingen versnellen de berekeningen aanzienlijk en maken het mogelijk om de kenmerken van een circuit te evalueren met bepaalde indicatoren.
Hoe werkt het?
De hele cyclus van het oscillerende circuit kan in twee delen worden verdeeld. Nu zullen we in detail de processen analyseren die in elk deel voorkomen.
- Eerste fase: de positief geladen condensatorplaat begint te ontladen en geeft stroom aan het circuit. Op dit moment gaat de stroom van een positieve lading naar een negatieve, die door de spoel gaat. Als gevolg hiervan treden elektromagnetische trillingen op in het circuit. stroom die er doorheen gaatspoel, gaat naar de tweede plaat en laadt deze positief op (terwijl de eerste plaat, waaruit de stroom stroomde, negatief wordt geladen).
- Tweede fase: het omgekeerde proces vindt plaats. De stroom gaat van de positieve plaat (die in het begin negatief was) naar de negatieve en gaat weer door de spoel. En alle beschuldigingen vallen op hun plaats.
De cyclus herha alt zich zolang er een lading op de condensator zit. In een ideaal oscillerend circuit gaat dit proces eindeloos door, maar in een echt circuit zijn energieverliezen onvermijdelijk vanwege verschillende factoren: verwarming, die optreedt als gevolg van het bestaan van weerstand in het circuit (Joule-warmte), en dergelijke.
Contour ontwerpopties
Naast de eenvoudige "spoel-condensator"- en "spoel-weerstand-condensator"-circuits, zijn er andere opties die een oscillerend circuit als basis gebruiken. Dit is bijvoorbeeld een parallelle schakeling, die verschilt doordat het bestaat als een element van een elektrisch circuit (omdat, als het afzonderlijk zou bestaan, het een serieschakeling zou zijn, wat in het artikel werd besproken).
Er zijn ook andere soorten ontwerpen die verschillende elektrische componenten bevatten. U kunt bijvoorbeeld een transistor op het netwerk aansluiten, die het circuit opent en sluit met een frequentie die gelijk is aan de oscillatiefrequentie in het circuit. Er zullen dus ongedempte trillingen in het systeem tot stand worden gebracht.
Waar wordt een oscillerend circuit gebruikt?
De meest bekende toepassing van circuitcomponenten zijn elektromagneten. Ze worden op hun beurt gebruikt in intercoms, elektromotoren,sensoren en in veel andere niet zo gewone gebieden. Een andere toepassing is een oscillatiegenerator. In feite is dit gebruik van het circuit ons zeer bekend: in deze vorm wordt het gebruikt in de magnetron om golven te creëren en in mobiele en radiocommunicatie om informatie over een afstand te verzenden. Dit alles is te danken aan het feit dat de oscillaties van elektromagnetische golven zo kunnen worden gecodeerd dat het mogelijk wordt om informatie over lange afstanden te verzenden.
De inductor zelf kan worden gebruikt als een element van een transformator: twee spoelen met een verschillend aantal windingen kunnen hun lading overdragen met behulp van een elektromagnetisch veld. Maar aangezien de kenmerken van de solenoïdes verschillend zijn, zullen de stroomindicatoren in de twee circuits waarop deze twee inductoren zijn aangesloten, verschillen. Zo is het mogelijk om een stroom met een spanning van bijvoorbeeld 220 volt om te zetten in een stroom met een spanning van 12 volt.
Conclusie
We hebben het werkingsprincipe van het oscillerende circuit en elk van zijn onderdelen afzonderlijk geanalyseerd. We hebben geleerd dat een oscillerend circuit een apparaat is dat is ontworpen om elektromagnetische golven te creëren. Dit zijn echter slechts de basisprincipes van de complexe mechanica van deze schijnbaar eenvoudige elementen. U kunt meer te weten komen over de fijne kneepjes van het circuit en zijn componenten in de gespecialiseerde literatuur.
