Коливальний контур

Найважливішими частинами радіопередавачів і радіоприймачів є коливальні контури, в яких порушуються електричні коливання, тобто змінні струми високої частоти.
Перейдемо тепер до вивчення електричних коливань. Коливальний контур являє собою замкнуту ланцюг, що складається з котушки L і конденсатора С. На схемі (рис.2), такий контур утворюється при положенні 2 перемикача П. Кожен контур має ще й активним опором, вплив якого поки не будемо розглядати.

Рис.2 - Схема для порушення вільних коливань у контурі

Призначення коливального контуру - створення електричних коливань.

Якщо приєднати до котушки заряджений конденсатор, то його розряд матиме коливальний характер. Для заряду конденсатора треба в схемі (рис.2) поставити перемикач П в положення 1. Якщо потім його перевести на контакт 2, то конденсатор почне розряджатися на котушку.

Процес коливань зручно простежити за допомогою графіка, що показує зміни напруги і та струму i (рис.3).

Рис.3 - Процес вільних електричних коливань в контурі

На початку конденсатор заряджений до найбільшої різниці потенціалів Um, а струм I дорівнює нулю. Як тільки конденсатор починає розряджатися, виникає струм, який поступово збільшується На (рис.3) показано стрілками напрямок руху ечектронов цього струму. Швидкого зміни струму перешкоджає ерс самоіндукції котушки. В міру зростання струму напруга на конденсаторі зменшується, в деякий момент (момент 1 на рис.3) конденсатор повністю розрядиться. Струм призупинити первісний стан контуру (момент 4 на рис.3).

Електрони в коливальному контурі скоїли одне повне коливання, період якого показаний на (рис.3) буквою Т. За цим коливанням слід друге, третє і т. д.

У контурі відбуваються вільні електричні коливання. Вони відбуваються самостійно без впливу будь-яких зовнішніх едс, тільки завдяки початкового заряду конденсатора.

Ці коливання є гармонічними, тобто являють собою синусоїдальний змінний струм.
У процесі коливань електрони не переходять з однієї обкладки конденсатора на іншу. Хоча швидкість поширення струму дуже велика (близька до 300 000 км / сек), електрони переміщаються в провідниках з дуже малою швидкістю - частки сантиметра в секунду. За час одного напівперіоду електрони можуть пройти тільки невелику ділянку дроти. Вони йдуть з обкладки, що має негативний заряд, до найближчого відділку з'єднувального проводу, а на іншу обкладку приходять в такій же кількості електрони з ділянки дроти, найближчого до цієї обкладки. Таким чином, в проводах контуру відбувається лише зсув електронів на невелику відстань.

Заряджений конденсатор володіє запасом потенційної електричної енергії, зосередженої в електричному полі між обкладками. Рух електронів супроводжується виникненням магнітного поля. Тому кінетична енергія рухомих електронів є енергія магнітного поля.

Електричне коливання в контурі являє собою періодичний перехід потенційної енергії електричного поля в кінетичну енергію магнітного поля і назад.

У початковий момент вся енергія зосереджена в електричному полі зарядженого конденсатора. Коли конденсатор розряджається, його енергія зменшується і зростає енергія магнітного поля котушки. При максимальному струмі вся енергія контура зосереджена в магнітному полі.

Далі процес йде зворотним порядком: магнітна енергія зменшується і виникає енергія електричного поля. Через півперіода після початку коливань вся енергія знову зосередиться в конденсаторі, а потім знову почнеться перехід енергії електричного поля в енергію магнітного поля і т. д.

Максимум струму (або магнітної енергії) відповідає нулю напруги (або нулю електричної енергії) і навпаки, тобто зсув фаз між напругою і струмом дорівнює чверті періоду, або 90 °. В першу та третю чверті періоду конденсатор грає роль генератора, а котушка є приймачем енергії. У другу і четверту чверті, навпаки, котушка працює як генератор, віддаючи енергію назад в конденсатор.

Особливістю контуру є рівність індуктивного опору котушки і ємнісного опору конденсатора для струму вільних коливань. Це випливає з наступного.

Конденсатор і котушка з'єднані своїми затискачами один з одним і тому напруги на них рівні. Струм I в котушці і конденсаторі один і той же, так як контур являє собою послідовний ланцюг. Тому можна написати

де - Індуктивний опір котушки, а - Ємнісний опір конденсатора.
Розділивши обидві частини цієї рівності на I, отримаємо

Значення індуктивного або ємнісного опору елементів контуру на частоті власних коливань називають характеристичним (іноді хвильовим, що невдало) опором контура і позначають грецькою буквою р (ро)

Величина ρ зазвичай буває близько декількох сотень ом.

Амплітуди напруги та струму вільних електричних коливань в даному контурі залежать від початкового запасу енергії. Чим більше напруга первинного заряду конденсатора контуру, тим більше амплітуда коливань.

Кожен контур має певну частоту відбуваються в ньому вільних коливань. Вона називається власною частотою контура або, просто, частотою контура Fo і залежить від ємності та індуктивності контуру. Чим більше індуктивність і ємність, тим більше період вільних коливань і тим менше їх частота.

Якщо ємність збільшити, то час заряду і розряду конденсатора стане більше, так як при колишньому напрузі кількість електрики в конденсаторі буде більше. Збільшення індуктивності, в свою чергу, викличе більш повільне наростання і спадання струму при розряді і заряді конденсатора, так як велика індуктивність сильніше перешкоджає змінам струму. Значить, коливання будуть відбуватися повільніше, тобто частота зменшиться. При зменшенні L і С коливання, навпаки, відбуваються швидше і, отже, частота збільшується.

Щоб зменшити частоту контуру в 2 рази, потрібно збільшити в 4 рази ємність або індуктивність контуру. Можна, однак, збільшити ємність в 2 рази,, але одночасно збільшити і. індуктивність також в 2 рази. Щоб змінити частоту в 3 рази, потрібно змінити L або С, або їх добуток в 9 разів і т.д.

Дата добавления: 2015-08-21