Virpesių grandinė yra įtaisas, skirtas generuoti (sukurti) elektromagnetinius virpesius. Nuo pat įkūrimo iki šių dienų jis buvo naudojamas daugelyje mokslo ir technologijų sričių: nuo kasdienio gyvenimo iki didžiulių gamyklų, gaminančių įvairiausius produktus.
Iš ko jis pagamintas?
Svyravimo grandinę sudaro ritė ir kondensatorius. Be to, jame taip pat gali būti rezistorius (elementas su kintamu pasipriešinimu). Induktorius (arba solenoidas, kaip kartais vadinamas) yra strypas, ant kurio suvynioti keli apvijos sluoksniai, kurie, kaip taisyklė, yra varinė viela. Būtent šis elementas sukuria svyravimus virpesių grandinėje. Viduryje esantis strypas dažnai vadinamas droseliu arba šerdimi, o ritė kartais vadinama solenoidu.
Svyravimo grandinės ritė svyruoja tik tada, kai yra išsaugotas krūvis. Kai srovė teka per ją, ji kaupia krūvį, kurį, nukritus įtampai, atiduoda į grandinę.
Ritės laidai paprastai turi labai mažą varžą, kuri visada išlieka pastovi. Svyruojančios grandinės grandinėje labai dažnai įvyksta įtampos ir srovės pokytis. Šiam pakeitimui taikomi tam tikri matematiniai dėsniai:
-
U=U0cos(w(t-t0), kur
U yra srovės įtampa laiko taškas t, U0 - įtampa momentu t0, w - dažnis elektromagnetiniai virpesiai.
Kitas neatskiriamas grandinės komponentas yra elektrinis kondensatorius. Tai elementas, sudarytas iš dviejų plokščių, kurios yra atskirtos dielektriku. Šiuo atveju sluoksnio storis tarp plokščių yra mažesnis nei jų dydžiai. Ši konstrukcija leidžia kaupti dielektriko elektros krūvį, kuris vėliau gali būti perkeltas į grandinę.
Skirtumas tarp kondensatoriaus ir akumuliatoriaus yra tas, kad veikiant elektros srovei nevyksta medžiagų transformacija, o tiesioginis krūvis kaupiasi elektriniame lauke. Taigi kondensatoriaus pagalba galima sukaupti pakankamai didelį krūvį, kurį galima atiduoti iš karto. Tokiu atveju srovės stipris grandinėje labai padidėja.
Be to, virpesių grandinę sudaro dar vienas elementas: rezistorius. Šis elementas turi atsparumą ir yra skirtas valdyti srovę ir įtampą grandinėje. Jei rezistoriaus varža padidinama esant pastoviai įtampai, tada srovės stipris sumažės pagal įstatymąOma:
-
I=U/R, kur
I yra srovė, U yra įtampa, R yra varža.
Induktorius
Pažvelkime į visas induktoriaus subtilybes ir geriau suprasime jo funkciją virpesių grandinėje. Kaip jau minėjome, šio elemento varža linkusi į nulį. Taigi, prijungus prie nuolatinės srovės grandinės, įvyktų trumpasis jungimas. Tačiau jei ritę prijungiate prie kintamosios srovės grandinės, ji veikia tinkamai. Tai leidžia daryti išvadą, kad elementas yra atsparus kintamajai srovei.
Bet kodėl taip atsitinka ir kaip atsiranda pasipriešinimas esant kintamajai srovei? Norėdami atsakyti į šį klausimą, turime kreiptis į tokį reiškinį kaip savęs indukcija. Srovei tekant per ritę, joje atsiranda elektrovaros jėga (EMF), kuri sukuria kliūtį keisti srovę. Šios jėgos dydis priklauso nuo dviejų veiksnių: ritės induktyvumo ir srovės stiprumo išvestinės laiko atžvilgiu. Matematiškai ši priklausomybė išreiškiama lygtimi:
-
E=-LI'(t), kur
E yra EML reikšmė, L yra ritės induktyvumo vertė (kiekvienai ritei ji skiriasi ir priklauso apie apvijų ritių skaičių ir jų storius), I'(t) - srovės stiprumo išvestinė laiko atžvilgiu (srovės stiprumo kitimo greitis).
Tiesiosios srovės stipris laikui bėgant nekinta, todėl jai veikiant nėra pasipriešinimo.
Bet naudojant kintamąją srovę visi jos parametrai nuolat kinta pagal sinusoidinį arba kosinusinį dėsnį,dėl to atsiranda EML, kuris neleidžia šiems pokyčiams. Tokia varža vadinama indukcine ir apskaičiuojama pagal formulę:
- XL =wL
Srovė solenoide tiesiškai didėja ir mažėja pagal įvairius dėsnius. Tai reiškia, kad jei nutrauksite srovės tiekimą į ritę, ji tam tikrą laiką ir toliau duos įkrovą grandinei. Ir jei tuo pačiu metu staiga nutrūksta srovės tiekimas, įvyks šokas dėl to, kad įkrova bandys paskirstyti ir išeiti iš ritės. Tai rimta problema pramoninėje gamyboje. Tokį efektą (nors ir ne visiškai susijusį su svyravimo grandine) galima pastebėti, pavyzdžiui, ištraukiant kištuką iš lizdo. Tuo pačiu metu šokinėja kibirkštis, kuri tokiu mastu negali pakenkti žmogui. Taip yra dėl to, kad magnetinis laukas neišnyksta iš karto, o palaipsniui išsisklaido, sukeldamas sroves kituose laidininkuose. Pramoniniu mastu srovės stipris yra daug kartų didesnis nei mums įprastos 220 voltų, todėl gamyboje nutrūkus grandinei gali atsirasti tokio stiprumo kibirkštys, kurios pridaro daug žalos tiek augalui, tiek žmogui.
Ritė yra virpesių grandinės pagrindas. Nuosekliųjų solenoidų induktyvumas sumuojasi. Toliau atidžiau pažvelgsime į visas šio elemento struktūros subtilybes.
Kas yra induktyvumas?
Svyruojančios grandinės ritės induktyvumas yra individualus rodiklis, skaitinis lygus elektrovaros jėgai (voltais), kuri atsiranda grandinėje, kaisrovės pokytis 1 A per 1 sekundę. Jei solenoidas yra prijungtas prie nuolatinės srovės grandinės, jo induktyvumas apibūdina magnetinio lauko, kurį sukuria ši srovė, energiją pagal formulę:
-
W=(LI2)/2, kur
W yra magnetinio lauko energija.
Induktyvumo koeficientas priklauso nuo daugelio veiksnių: nuo solenoido geometrijos, nuo šerdies magnetinių charakteristikų ir nuo vielos ritių skaičiaus. Kita šio rodiklio savybė yra ta, kad jis visada yra teigiamas, nes kintamieji, nuo kurių jis priklauso, negali būti neigiami.
Induktyvumas taip pat gali būti apibrėžtas kaip srovės laidininko savybė kaupti energiją magnetiniame lauke. Jis matuojamas Henriu (pavadintas amerikiečių mokslininko Džozefo Henrio vardu).
Be solenoido, svyravimo grandinę sudaro kondensatorius, kuris bus aptartas vėliau.
Elektrinis kondensatorius
Virpesių grandinės talpa nustatoma pagal elektrinio kondensatoriaus talpą. Apie jo išvaizdą buvo parašyta aukščiau. Dabar paanalizuokime joje vykstančių procesų fiziką.
Kadangi kondensatoriaus plokštės pagamintos iš laidininko, jomis gali tekėti elektros srovė. Tačiau tarp dviejų plokščių yra kliūtis: dielektrikas (tai gali būti oras, mediena ar kita didelio pasipriešinimo medžiaga. Dėl to, kad krūvis negali judėti iš vieno laido galo į kitą, jis kaupiasi ant kondensatorių plokštės. Tai padidina aplink jį esančių magnetinių ir elektrinių laukų galią.elektra, susikaupusi ant plokštelių, pradedama perduoti į grandinę.
Kiekvieno kondensatoriaus įtampa yra optimali jo veikimui. Jei šis elementas ilgą laiką eksploatuojamas esant didesnei nei vardinei įtampai, jo tarnavimo laikas žymiai sumažėja. Virpesių grandinės kondensatorių nuolat veikia srovės, todėl jį rinkdamiesi turėtumėte būti ypač atidūs.
Be įprastų kondensatorių, kurie buvo aptarti, taip pat yra jonistorių. Tai sudėtingesnis elementas: jį galima apibūdinti kaip akumuliatoriaus ir kondensatoriaus kryžminimą. Paprastai organinės medžiagos tarnauja kaip dielektrikas jonistoriuje, tarp kurių yra elektrolitas. Kartu jie sukuria dvigubą elektrinį sluoksnį, kuris leidžia sukaupti daug kartų daugiau energijos, nei naudojant tradicinį kondensatorių.
Kokia yra kondensatoriaus talpa?
Kondensatoriaus talpa yra kondensatoriaus įkrovos ir įtampos, kuriai esant jis yra, santykis. Šią reikšmę galite labai paprastai apskaičiuoti naudodami matematinę formulę:
-
C=(e0S)/d, kur
e0 yra dielektrinės medžiagos laidumas (lentelės reikšmė), S - kondensatoriaus plokščių plotas, d - atstumas tarp plokščių.
Kondensatoriaus talpos priklausomybė nuo atstumo tarp plokščių paaiškinama elektrostatinės indukcijos reiškiniu: kuo mažesnis atstumas tarp plokščių, tuo stipriau jos veikia viena kitą (pagal Kulono dėsnį), didesnis plokščių krūvis ir mažesnė įtampa. O įtampai mažėjanttalpos vertė didėja, nes ją taip pat galima apibūdinti tokia formule:
-
C=q/U, kur
q yra krūvis kulonais.
Verta kalbėti apie šio kiekio vienetus. Talpa matuojama faradais. 1 faradas yra pakankamai didelė vertė, kad esamų kondensatorių (bet ne jonistorių) talpa matuojama pikofaradais (vienas trilijonas faradų).
Rezistorius
Srovės srovė svyravimo grandinėje taip pat priklauso nuo grandinės varžos. Be dviejų aprašytų elementų, sudarančių virpesių grandinę (ritės, kondensatoriai), yra ir trečiasis - rezistorius. Jis atsakingas už pasipriešinimo kūrimą. Rezistorius nuo kitų elementų skiriasi tuo, kad turi didelę varžą, kurią kai kuriuose modeliuose galima keisti. Virpesių grandinėje jis atlieka magnetinio lauko galios reguliatoriaus funkciją. Galite sujungti kelis rezistorius nuosekliai arba lygiagrečiai, taip padidindami grandinės varžą.
Šio elemento varža taip pat priklauso nuo temperatūros, todėl turėtumėte būti atsargūs dėl jo veikimo grandinėje, nes praeinant srovei jis įkaista.
Rezistoriaus varža matuojama savomis, o jos vertę galima apskaičiuoti naudojant formulę:
-
R=(pl)/S, kur
p yra rezistoriaus medžiagos savitoji varža (matuojama (Ohmmm2)/m);
l – rezistoriaus ilgis (metrais);
S – pjūvio plotas (kvadratiniais milimetrais).
Kaip susieti kelio parametrus?
Dabar priartėjome prie fizikosvirpesių grandinės veikimas. Laikui bėgant kondensatoriaus plokščių įkrova kinta pagal antros eilės diferencialinę lygtį.
Jei išspręsite šią lygtį, iš jos išplauks kelios įdomios formulės, apibūdinančios grandinėje vykstančius procesus. Pavyzdžiui, ciklinis dažnis gali būti išreikštas talpa ir induktyvumu.
Tačiau paprasčiausia formulė, leidžianti apskaičiuoti daug nežinomų dydžių, yra Thomsono formulė (pavadinta anglų fiziko Williamo Thomsono, kuris ją išvedė 1853 m., vardu):
-
T=2p(LC)1/2.
T – elektromagnetinių virpesių periodas, L ir C - atitinkamai virpesių grandinės ritės induktyvumas ir grandinės elementų talpa, p - skaičius pi.
Q faktorius
Yra dar viena svarbi reikšmė, apibūdinanti grandinės veikimą – kokybės faktorius. Norint suprasti, kas tai yra, reikėtų kreiptis į tokį procesą kaip rezonansas. Tai reiškinys, kai amplitudė tampa didžiausia esant pastoviai jėgos, kuri palaiko šį virpesį, verte. Rezonansą galima paaiškinti paprastu pavyzdžiu: jei pradėsite stumti sūpynes jo dažnio ritmu, tada jis pagreitės, padidės jo „amplitudė“. O jei nustumsite laiką, jie sulėtės. Rezonanso metu daug energijos dažnai išsisklaido. Kad būtų galima apskaičiuoti nuostolių dydį, jie sugalvojo tokį parametrą kaip kokybės koeficientas. Tai santykis, lygus santykiuienergijos sistemoje iki nuostolių, atsirandančių grandinėje per vieną ciklą.
Grandinės kokybės koeficientas apskaičiuojamas pagal formulę:
-
Q=(w0W)/P, kur
w0 - rezonansinis ciklinis virpesių dažnis;
W – virpesių sistemoje sukaupta energija;
P – galios išsklaidymas.
Šis parametras yra bedimensinė vertė, nes jis iš tikrųjų parodo energijos santykį: sukauptos ir išeikvotos.
Kas yra ideali virpesių grandinė
Norėdami geriau suprasti šios sistemos procesus, fizikai sugalvojo vadinamąją idealiąją virpesių grandinę. Tai matematinis modelis, vaizduojantis grandinę kaip nulinės varžos sistemą. Jis sukuria neslopintus harmoninius virpesius. Toks modelis leidžia gauti apytikslio kontūro parametrų skaičiavimo formules. Vienas iš šių parametrų yra bendra energija:
W=(LI2)/2.
Tokie supaprastinimai žymiai pagreitina skaičiavimus ir leidžia įvertinti grandinės charakteristikas su nurodytais rodikliais.
Kaip tai veikia?
Visą virpesių grandinės ciklą galima padalyti į dvi dalis. Dabar mes išsamiai išanalizuosime kiekvienoje dalyje vykstančius procesus.
- Pirmoji fazė: teigiamai įkrauta kondensatoriaus plokštė pradeda išsikrauti, suteikdama srovę grandinei. Šiuo metu srovė pereina iš teigiamo krūvio į neigiamą, eidama per ritę. Dėl to grandinėje atsiranda elektromagnetiniai virpesiai. praeinanti srovėritė, pereina prie antrosios plokštės ir ją įkrauna teigiamai (tuo tarpu pirmoji plokštė, iš kurios tekėjo srovė, įkraunama neigiamai).
- Antra fazė: vyksta atvirkštinis procesas. Srovė pereina iš teigiamos plokštės (kuri pačioje pradžioje buvo neigiama) į neigiamą, vėl eidama per ritę. Ir visi k altinimai patenka į savo vietas.
Ciklas kartojasi tol, kol yra kondensatoriaus įkrova. Idealioje virpesių grandinėje šis procesas tęsiasi be galo, tačiau tikroje energijos nuostoliai yra neišvengiami dėl įvairių veiksnių: įkaitimo, kuris atsiranda dėl pasipriešinimo grandinėje egzistavimo (Joule heat) ir panašiai.
Kontūrų dizaino parinktys
Be paprastų "ritės-kondensatoriaus" ir "ritės-rezistoriaus-kondensatoriaus" grandinių, yra ir kitų variantų, kurių pagrindu naudojama virpesių grandinė. Tai, pavyzdžiui, lygiagreti grandinė, kuri skiriasi tuo, kad ji egzistuoja kaip elektros grandinės elementas (nes jei egzistuotų atskirai, tai būtų nuoseklioji grandinė, apie kurią buvo kalbama straipsnyje).
Yra ir kitų tipų konstrukcijų, kuriose yra įvairių elektrinių komponentų. Pavyzdžiui, prie tinklo galite prijungti tranzistorių, kuris atidarys ir uždarys grandinę, kurios dažnis lygus virpesių dažniui grandinėje. Taigi sistemoje bus nustatyti neslopinami svyravimai.
Kur naudojama virpesių grandinė?
Labiausiai žinomas grandinės komponentų pritaikymas yra elektromagnetai. Jie, savo ruožtu, naudojami domofonuose, elektros varikliuose,jutikliai ir daugelyje kitų ne tokių įprastų sričių. Kita programa yra virpesių generatorius. Tiesą sakant, toks grandinės panaudojimas mums yra labai pažįstamas: tokia forma ji naudojama mikrobangų krosnelėje bangoms kurti, o mobiliuosiuose ir radijo ryšiuose informacijai perduoti per atstumą. Visa tai dėl to, kad elektromagnetinių bangų svyravimai gali būti užkoduoti taip, kad tampa įmanoma perduoti informaciją dideliais atstumais.
Pats induktorius gali būti naudojamas kaip transformatoriaus elementas: dvi ritės su skirtingu apvijų skaičiumi gali perduoti savo krūvį naudodamos elektromagnetinį lauką. Bet kadangi solenoidų charakteristikos skiriasi, srovės indikatoriai dviejose grandinėse, prie kurių yra prijungti šie du induktoriai, skirsis. Taigi galima paversti srovę, kurios įtampa, tarkime, 220 voltų, į srovę, kurios įtampa yra 12 voltų.
Išvada
Išsamiai išanalizavome virpesių grandinės ir kiekvienos jos dalies veikimo principą atskirai. Sužinojome, kad virpesių grandinė yra įrenginys, skirtas elektromagnetinėms bangoms kurti. Tačiau tai tik šių, atrodytų, paprastų elementų sudėtingos mechanikos pagrindai. Daugiau apie grandinės ir jos komponentų sudėtingumą galite sužinoti iš specializuotos literatūros.
