Un circuit oscil·latori és un dispositiu dissenyat per generar (crear) oscil·lacions electromagnètiques. Des dels seus inicis fins a l'actualitat, s'ha utilitzat en moltes àrees de la ciència i la tecnologia: des de la vida quotidiana fins a grans fàbriques que produeixen una gran varietat de productes.
De què està fet?
El circuit oscil·latori consta d'una bobina i un condensador. A més, també pot contenir una resistència (element amb resistència variable). Un inductor (o solenoide, com de vegades s'anomena) és una vareta sobre la qual s'enrotllen diverses capes de bobinatge, que, per regla general, és un fil de coure. És aquest element el que crea oscil·lacions en el circuit oscil·latori. La vareta del mig sovint s'anomena estrany o nucli, i la bobina de vegades s'anomena solenoide.
La bobina del circuit oscil·latori només oscil·la quan hi ha una càrrega emmagatzemada. Quan el travessa el corrent, acumula una càrrega, que després lliura al circuit si la tensió baixa.
Els cables de la bobina solen tenir molt poca resistència, que sempre es manté constant. En el circuit d'un circuit oscil·lant, es produeix molt sovint un canvi de tensió i corrent. Aquest canvi està subjecte a determinades lleis matemàtiques:
-
U=U0cos(w(t-t0), on
U és la tensió actual moment t, U0 - tensió en el temps t0, w - freqüència de oscil·lacions electromagnètiques.
Un altre component integral del circuit és el condensador elèctric. Aquest és un element format per dues plaques, que estan separades per un dielèctric. En aquest cas, el gruix de la capa entre les plaques és inferior a les seves mides. Aquest disseny us permet acumular una càrrega elèctrica al dielèctric, que després es pot transferir al circuit.
La diferència entre un condensador i una bateria és que no hi ha transformació de substàncies sota l'acció d'un corrent elèctric, sinó una acumulació directa de càrrega en un camp elèctric. Així, amb l'ajuda d'un condensador, és possible acumular una càrrega prou gran, que es pot lliurar de cop. En aquest cas, la intensitat del corrent al circuit augmenta molt.
A més, el circuit oscil·latori consta d'un element més: una resistència. Aquest element té resistència i està dissenyat per controlar el corrent i la tensió del circuit. Si augmenta la resistència de la resistència a una tensió constant, la força del corrent disminuirà segons la lleiOma:
-
I=U/R, on
I és el corrent, U és la tensió, R és la resistència.
Inductor
Fem una ullada més de prop a totes les subtileses de l'inductor i entenem millor la seva funció en un circuit oscil·latori. Com ja hem dit, la resistència d'aquest element tendeix a zero. Així, quan es connecta a un circuit de corrent continu, es produiria un curtcircuit. Tanmateix, si connecteu la bobina a un circuit de CA, funciona correctament. Això us permet concloure que l'element ofereix resistència al corrent altern.
Però per què passa això i com sorgeix la resistència amb el corrent altern? Per respondre a aquesta pregunta, hem de recórrer a un fenomen com l'autoinducció. Quan el corrent travessa la bobina, sorgeix una força electromotriu (EMF) que crea un obstacle per canviar el corrent. La magnitud d'aquesta força depèn de dos factors: la inductància de la bobina i la derivada de la força del corrent respecte al temps. Matemàticament, aquesta dependència s'expressa mitjançant l'equació:
-
E=-LI'(t), on
E és el valor EMF, L és el valor de la inductància de la bobina (per a cada bobina és diferent i depèn sobre el nombre de bobines del bobinatge i els seus gruixos), I'(t) - derivada de la força actual respecte al temps (la velocitat de canvi de la força actual).
La força del corrent continu no canvia amb el temps, de manera que no hi ha resistència quan s'hi exposa.
Però amb el corrent altern, tots els seus paràmetres canvien constantment segons una llei sinusoïdal o cosinus,com a resultat, sorgeix un EMF que impedeix aquests canvis. Aquesta resistència s'anomena inductiva i es calcula amb la fórmula:
- XL =wL
El corrent al solenoide augmenta i disminueix linealment segons diverses lleis. Això vol dir que si atureu el subministrament de corrent a la bobina, aquesta continuarà donant càrrega al circuit durant un temps. I si al mateix temps el subministrament actual s'interromp bruscament, es produirà un xoc a causa del fet que la càrrega intentarà distribuir-se i sortir de la bobina. Aquest és un greu problema en la producció industrial. Aquest efecte (encara que no està totalment relacionat amb el circuit oscil·latori) es pot observar, per exemple, en treure l'endoll de la presa. Al mateix temps, s alta una espurna, que a tal escala no pot fer mal a una persona. Es deu al fet que el camp magnètic no desapareix immediatament, sinó que es dissipa gradualment, induint corrents en altres conductors. A escala industrial, la intensitat de corrent és moltes vegades més gran que els 220 volts als quals estem acostumats, de manera que quan un circuit s'interromp en la producció, es poden produir espurnes d'aquesta força que causen molt mal tant a la planta com a la persona.
Una bobina és la base del que consisteix un circuit oscil·latori. Les inductàncies dels solenoides en sèrie es sumen. A continuació, analitzarem de prop totes les subtileses de l'estructura d'aquest element.
Què és la inductància?
La inductància de la bobina d'un circuit oscil·latori és un indicador individual numèricament igual a la força electromotriu (en volts) que es produeix al circuit quancanvi de corrent en 1 A en 1 segon. Si el solenoide està connectat a un circuit de corrent continu, la seva inductància descriu l'energia del camp magnètic que es crea per aquest corrent segons la fórmula:
-
W=(LI2)/2, on
W és l'energia del camp magnètic.
El factor d'inductància depèn de molts factors: de la geometria del solenoide, de les característiques magnètiques del nucli i del nombre de bobines de fil. Una altra propietat d'aquest indicador és que sempre és positiu, perquè les variables de les quals depèn no poden ser negatives.
La inductància també es pot definir com la propietat d'un conductor de corrent per emmagatzemar energia en un camp magnètic. Es mesura en Henry (anomenat així pel científic nord-americà Joseph Henry).
A més del solenoide, el circuit oscil·latori consta d'un condensador, que es comentarà més endavant.
Condensador elèctric
La capacitat del circuit oscil·latori està determinada per la capacitat del condensador elèctric. Sobre la seva aparició es va escriure més amunt. Ara analitzem la física dels processos que hi tenen lloc.
Com que les plaques del condensador estan fetes d'un conductor, pot passar un corrent elèctric a través d'elles. No obstant això, hi ha un obstacle entre les dues plaques: un dielèctric (pot ser aire, fusta o un altre material amb alta resistència. Com que la càrrega no es pot moure d'un extrem a l' altre del cable, s'acumula a la plaques de condensadors. Això augmenta la potència dels camps magnètics i elèctrics que l'envolten.l'electricitat acumulada a les plaques comença a transferir-se al circuit.
Cada condensador té una tensió nominal òptima per al seu funcionament. Si aquest element funciona durant molt de temps a una tensió superior a la tensió nominal, la seva vida útil es redueix significativament. El condensador del circuit oscil·latori es veu afectat constantment pels corrents i, per tant, a l'hora de triar-lo, heu de tenir molta cura.
A més dels condensadors habituals que es van comentar, també hi ha ionistors. Aquest és un element més complex: es pot descriure com un encreuament entre una bateria i un condensador. Per regla general, les substàncies orgàniques serveixen com a dielèctric en un ionistor, entre els quals hi ha un electròlit. Junts creen una doble capa elèctrica, que permet acumular en aquest disseny moltes vegades més energia que en un condensador tradicional.
Quina és la capacitat d'un condensador?
La capacitat d'un condensador és la relació entre la càrrega del condensador i la tensió sota la qual es troba. Podeu calcular aquest valor de manera molt senzilla mitjançant la fórmula matemàtica:
-
C=(e0S)/d, on
e0 és la permitivitat del material dielèctric (valor de la taula), S - l'àrea de les plaques del condensador, d - la distància entre les plaques.
La dependència de la capacitat del condensador de la distància entre les plaques s'explica pel fenomen de la inducció electrostàtica: com més petita és la distància entre les plaques, més fortes s'afecten entre elles (segons la llei de Coulomb), més més gran és la càrrega de les plaques i menor és la tensió. I a mesura que disminueix la tensióel valor de la capacitat augmenta, ja que també es pot descriure amb la fórmula següent:
-
C=q/U, on
q és la càrrega en coulombs.
Val la pena parlar de les unitats d'aquesta quantitat. La capacitat es mesura en farads. 1 farad és un valor prou gran perquè els condensadors existents (però no els ionistors) tinguin una capacitat mesurada en picofarads (un bilió de farads).
Resistència
El corrent al circuit oscil·latori també depèn de la resistència del circuit. I a més dels dos elements descrits que formen el circuit oscil·latori (bobines, condensadors), també n'hi ha un tercer: una resistència. Ell és el responsable de crear resistència. La resistència es diferencia d' altres elements perquè té una gran resistència, que es pot canviar en alguns models. En el circuit oscil·latori, fa la funció d'un regulador de potència de camp magnètic. Podeu connectar diverses resistències en sèrie o en paral·lel, augmentant així la resistència del circuit.
La resistència d'aquest element també depèn de la temperatura, per la qual cosa cal anar amb compte amb el seu funcionament al circuit, ja que s'escalfa quan passa el corrent.
La resistència de la resistència es mesura en ohms i el seu valor es pot calcular mitjançant la fórmula:
-
R=(pl)/S, on
p és la resistivitat del material de la resistència (mesurada en (Ohmmm2)/m);
l - longitud de la resistència (en metres);
S - àrea de la secció (en mil·límetres quadrats).
Com enllaçar els paràmetres del camí?
Ara ens apropem a la físicafuncionament del circuit oscil·latori. Amb el temps, la càrrega de les plaques del condensador canvia segons una equació diferencial de segon ordre.
Si resol aquesta equació, se'n deriven diverses fórmules interessants, que descriuen els processos que tenen lloc al circuit. Per exemple, la freqüència cíclica es pot expressar en termes de capacitat i inductància.
No obstant això, la fórmula més senzilla que permet calcular moltes quantitats desconegudes és la fórmula de Thomson (anomenada així pel físic anglès William Thomson, que la va derivar el 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - el període d'oscil·lacions electromagnètiques, L i C - respectivament, la inductància de la bobina del circuit oscil·latori i la capacitat dels elements del circuit, p - el nombre pi.
Factor Q
Hi ha un altre valor important que caracteritza el funcionament del circuit: el factor qualitat. Per entendre què és, cal recórrer a un procés com la ressonància. Aquest és un fenomen en què l'amplitud esdevé màxima amb un valor constant de la força que suporta aquesta oscil·lació. La ressonància es pot explicar amb un exemple senzill: si comenceu a empènyer el swing al ritme de la seva freqüència, s'accelerarà i la seva "amplitud" augmentarà. I si s'apaga el temps, s'alentiran. A la ressonància, sovint es dissipa molta energia. Per poder calcular la magnitud de les pèrdues, van plantejar un paràmetre com el factor de qualitat. És una proporció igual a la proporcióenergia del sistema a les pèrdues que es produeixen al circuit en un cicle.
El factor de qualitat del circuit es calcula amb la fórmula:
-
Q=(w0W)/P, on
w0 - freqüència d'oscil·lació cíclica ressonant;
W - energia emmagatzemada al sistema oscil·latori;
P - dissipació de potència.
Aquest paràmetre és un valor adimensional, ja que en realitat mostra la proporció d'energia: emmagatzemada i gastada.
Què és un circuit oscil·latori ideal
Per a una millor comprensió dels processos d'aquest sistema, els físics van idear l'anomenat circuit oscil·latori ideal. Aquest és un model matemàtic que representa un circuit com un sistema amb resistència zero. Produeix oscil·lacions harmòniques no amortides. Aquest model permet obtenir fórmules per al càlcul aproximat dels paràmetres de contorn. Un d'aquests paràmetres és l'energia total:
W=(LI2)/2.
Aquestes simplificacions acceleren significativament els càlculs i permeten avaluar les característiques d'un circuit amb indicadors determinats.
Com funciona?
Tot el cicle del circuit oscil·latori es pot dividir en dues parts. Ara analitzarem amb detall els processos que es produeixen en cada part.
- Primera fase: la placa del condensador carregat positivament comença a descarregar-se, donant corrent al circuit. En aquest moment, el corrent passa d'una càrrega positiva a una de negativa, passant per la bobina. Com a resultat, es produeixen oscil·lacions electromagnètiques al circuit. corrent que passabobina, va a la segona placa i la carrega positivament (mentre que la primera placa, de la qual circulava el corrent, es carrega negativament).
- Segona fase: té lloc el procés invers. El corrent passa de la placa positiva (que era negativa al principi) a la negativa, passant de nou per la bobina. I tots els càrrecs cauen al seu lloc.
El cicle es repeteix sempre que hi hagi una càrrega al condensador. En un circuit oscil·latori ideal, aquest procés continua sense parar, però en un de real, les pèrdues d'energia són inevitables a causa de diversos factors: l'escalfament, que es produeix per l'existència de resistència en el circuit (calor Joule), i similars.
Opcions de disseny de contorns
A més dels senzills circuits "condensador-bobina" i "condensador-bobina-resistència", hi ha altres opcions que utilitzen un circuit oscil·latori com a base. Aquest, per exemple, és un circuit paral·lel, que es diferencia en què existeix com a element d'un circuit elèctric (perquè, si existís per separat, seria un circuit en sèrie, que es va comentar a l'article).
També hi ha altres tipus de dissenys que inclouen diferents components elèctrics. Per exemple, podeu connectar un transistor a la xarxa, que obrirà i tancarà el circuit amb una freqüència igual a la freqüència d'oscil·lació del circuit. Així, s'establiran oscil·lacions no amortides al sistema.
On s'utilitza un circuit oscil·latori?
L'aplicació més familiar dels components del circuit són els electroimants. Al seu torn, s'utilitzen en intercomunicadors, motors elèctrics,sensors i en moltes altres àrees no tan habituals. Una altra aplicació és un generador d'oscil·lacions. De fet, aquest ús del circuit ens és molt familiar: d'aquesta forma s'utilitza en el microones per crear ones i en comunicacions mòbils i radiofòniques per transmetre informació a distància. Tot això es deu al fet que les oscil·lacions de les ones electromagnètiques es poden codificar de manera que sigui possible transmetre informació a llargues distàncies.
El propi inductor es pot utilitzar com a element d'un transformador: dues bobines amb un nombre diferent de bobinatges poden transferir la seva càrrega mitjançant un camp electromagnètic. Però com que les característiques dels solenoides són diferents, els indicadors de corrent dels dos circuits als quals estan connectats aquests dos inductors diferiran. Així, és possible convertir un corrent amb una tensió de, per exemple, 220 volts en un corrent amb una tensió de 12 volts.
Conclusió
Hem analitzat amb detall el principi de funcionament del circuit oscil·latori i cadascuna de les seves parts per separat. Hem après que un circuit oscil·latori és un dispositiu dissenyat per crear ones electromagnètiques. Tanmateix, aquests són només els fonaments bàsics de la mecànica complexa d'aquests elements aparentment simples. Podeu obtenir més informació sobre les complexitats del circuit i els seus components a la literatura especialitzada.
