Тербелмелі контур – электромагниттік тербелістерді генерациялауға (жасауға) арналған құрылғы. Ол жаратылғаннан бастап бүгінгі күнге дейін ғылым мен техниканың көптеген салаларында қолданылды: күнделікті өмірден алуан түрлі өнімдер шығаратын алып зауыттарға дейін.
Ол неден жасалған?
Тербелмелі контур катушка мен конденсатордан тұрады. Сонымен қатар, ол сондай-ақ резисторды (айнымалы кедергісі бар элемент) қамтуы мүмкін. Индуктор (немесе соленоид, оны кейде деп атайды) - бұл әдетте мыс сым болып табылатын бірнеше орам қабаттары оралған өзек. Дәл осы элемент тербеліс контурында тербелістерді жасайды. Ортасындағы өзекше жиі дроссель немесе өзек деп аталады, ал катушка кейде электромагниттік деп аталады.
Тербелмелі контур катушкасы жинақталған заряд болған кезде ғана тербеледі. Ол арқылы ток өткенде, ол заряд жинайды, содан кейін кернеу төмендесе, ол тізбекке тарайды.
Сатушкалар әдетте тұрақты болып қалатын өте аз қарсылыққа ие. Тербелмелі контурдың тізбегінде кернеу мен токтың өзгеруі өте жиі орын алады. Бұл өзгеріс белгілі бір математикалық заңдарға бағынады:
-
U=U0cos(w(t-t0), мұндағы
U – ток кернеуі t уақыт нүктесі, U0 - t0 уақытындағы кернеу, w - жиілігі электромагниттік тербелістер.
Тізбектің тағы бір ажырамас құрамдас бөлігі - электрлік конденсатор. Бұл диэлектрикпен бөлінген екі пластинадан тұратын элемент. Бұл жағдайда плиталар арасындағы қабаттың қалыңдығы олардың өлшемдерінен аз болады. Бұл дизайн диэлектрикте электр зарядын жинақтауға мүмкіндік береді, содан кейін оны тізбекке беруге болады.
Конденсатордың аккумулятордан айырмашылығы электр тогының әсерінен заттардың түрленуі болмайды, электр өрісінде зарядтың тікелей жиналуы. Осылайша, конденсатордың көмегімен жеткілікті үлкен зарядты жинақтауға болады, оны бірден беруге болады. Бұл жағдайда тізбектегі ток күші айтарлықтай артады.
Сонымен қатар тербелмелі контур тағы бір элементтен тұрады: резистор. Бұл элементтің кедергісі бар және тізбектегі ток пен кернеуді басқаруға арналған. Егер тұрақты кернеуде резистордың кедергісі жоғарыласа, онда ток күші заң бойынша төмендейдіОма:
-
I=U/R, мұндағы
I – ток, U – кернеу, R – кедергі.
Индуктор
Индуктордың барлық нәзіктіктерін толығырақ қарастырайық және оның тербелмелі контурдағы қызметін жақсырақ түсінейік. Жоғарыда айтқанымыздай, бұл элементтің кедергісі нөлге ұмтылады. Осылайша, тұрақты ток тізбегіне қосылған кезде қысқа тұйықталу пайда болады. Дегенмен, катушканы айнымалы ток тізбегіне қоссаңыз, ол дұрыс жұмыс істейді. Бұл элементтің айнымалы токқа төзімділігі туралы қорытынды жасауға мүмкіндік береді.
Бірақ бұл неліктен орын алады және айнымалы токпен қарсылық қалай пайда болады? Бұл сұраққа жауап беру үшін біз өзіндік индукция сияқты құбылысқа жүгінуіміз керек. Ток катушкадан өткен кезде оның ішінде токты өзгертуге кедергі жасайтын электр қозғаушы күш (ЭМӨ) пайда болады. Бұл күштің шамасы екі факторға байланысты: орамның индуктивтілігіне және уақытқа қатысты ток күшінің туындысы. Математикалық тұрғыдан бұл тәуелділік мына теңдеу арқылы өрнектеледі:
-
E=-LI'(t), мұндағы
E – ЭҚК мәні, L – катушка индуктивтілігінің мәні (әр катушка үшін ол әртүрлі және тәуелді орамасының катушкаларының саны және олардың қалыңдығы бойынша), I'(t) - уақытқа қатысты ток күшінің туындысы (ток күшінің өзгеру жылдамдығы).
Тұрақты ток күші уақыт өте өзгермейді, сондықтан оған әсер еткенде қарсылық болмайды.
Бірақ айнымалы токпен оның барлық параметрлері синусоидалы немесе косинус заңына сәйкес үнемі өзгеріп отырады,нәтижесінде бұл өзгерістерді болдырмайтын ЭҚК пайда болады. Мұндай кедергі индуктивті деп аталады және мына формуламен есептеледі:
- XL =wL
Соленоидтағы ток әртүрлі заңдарға сәйкес сызықты түрде артады және азаяды. Бұл дегеніміз, егер сіз катушкаға ток беруді тоқтатсаңыз, ол тізбекке біраз уақыт заряд беруді жалғастырады. Ал егер бір уақытта ток беру кенеттен үзілсе, зарядтың таралуына және катушкадан шығуға тырысатынына байланысты соққы пайда болады. Бұл өнеркәсіп өндірісіндегі күрделі мәселе. Мұндай әсерді (тербелмелі контурға толығымен қатысы жоқ болса да), мысалы, ашаны розеткадан суырған кезде байқауға болады. Бұл кезде ұшқын секіреді, ол мұндай масштабта адамға зиян тигізе алмайды. Бұл магнит өрісінің бірден жоғалып кетпеуімен, бірте-бірте ыдырап, басқа өткізгіштерде ток индукциялауымен байланысты. Өнеркәсіптік масштабта ток күші біз үйреніп қалған 220 вольттан бірнеше есе көп, сондықтан өндірісте тізбек үзілгенде, зауытқа да, адамға да көп зиян келтіретін осындай күшті ұшқындар пайда болуы мүмкін.
Катушкалар тербелмелі контурдың неден тұратынының негізі болып табылады. Тізбектегі соленоидтардың индуктивтіліктері қосылады. Әрі қарай, біз бұл элементтің құрылымының барлық нәзіктіктерін егжей-тегжейлі қарастырамыз.
Индуктивтілік дегеніміз не?
Тербелмелі контур катушкасының индуктивтілігі - бұл тізбекте пайда болатын электр қозғаушы күшке (вольтпен) сандық тең жеке көрсеткіштоктың 1 секундта 1 А-ға өзгеруі. Егер соленоид тұрақты ток тізбегіне қосылған болса, онда оның индуктивтілігі мына формула бойынша осы токпен құрылған магнит өрісінің энергиясын сипаттайды:
-
W=(LI2)/2, мұндағы
W – магнит өрісінің энергиясы.
Индуктивтілік коэффициенті көптеген факторларға байланысты: соленоидтың геометриясына, ядроның магниттік сипаттамаларына және сым катушкаларының санына. Бұл көрсеткіштің тағы бір қасиеті - ол әрқашан оң болады, өйткені ол тәуелді айнымалылар теріс болуы мүмкін емес.
Индуктивтілікті магнит өрісінде энергияны сақтау үшін тогы бар өткізгіштің қасиеті ретінде де анықтауға болады. Ол Генримен өлшенеді (американдық ғалым Джозеф Генридің атымен аталған).
Соленоидтан басқа тербелмелі конденсатор конденсатордан тұрады, ол туралы кейінірек талқыланады.
Электрлік конденсатор
Тербелмелі контурдың сыйымдылығы электр конденсаторының сыйымдылығымен анықталады. Оның сыртқы түрі туралы жоғарыда жазылған. Енді онда өтетін процестердің физикасын талдап көрейік.
Конденсатор тақталары өткізгіштен жасалғандықтан, олар арқылы электр тогы өтуі мүмкін. Бірақ екі пластина арасында кедергі бар: диэлектрик (ол ауа, ағаш немесе кедергісі жоғары басқа материал болуы мүмкін. Заряд сымның бір ұшынан екінші ұшына жылжи алмайтындықтан, ол пластинаға жиналады. конденсатор пластиналары. Бұл оның айналасындағы магниттік және электрлік өрістердің қуатын арттырады.пластиналарда жинақталған электр энергиясы тізбекке беріле бастайды.
Әр конденсатордың жұмысы үшін оңтайлы кернеу рейтингі бар. Егер бұл элемент номиналды кернеуден жоғары кернеуде ұзақ уақыт жұмыс істесе, оның қызмет ету мерзімі айтарлықтай қысқарады. Тербелмелі конденсаторға токтар үнемі әсер етеді, сондықтан оны таңдағанда өте сақ болу керек.
Талқыланған кәдімгі конденсаторлардан басқа ионисторлар да бар. Бұл күрделірек элемент: оны аккумулятор мен конденсатор арасындағы крест ретінде сипаттауға болады. Әдетте, органикалық заттар ионисторда диэлектрик қызметін атқарады, олардың арасында электролит болады. Олар бірге қос электр қабатын жасайды, бұл осы дизайнда дәстүрлі конденсаторға қарағанда бірнеше есе көп энергия жинауға мүмкіндік береді.
Конденсатордың сыйымдылығы қандай?
Конденсатордың сыйымдылығы – конденсатор зарядының оның орналасқан кернеуге қатынасы. Сіз бұл мәнді математикалық формула арқылы өте оңай есептей аласыз:
-
C=(e0S)/d, мұндағы
e0 диэлектрлік материалдың өткізгіштігі (кесте мәні), S - конденсатор тақталарының ауданы, d - пластиналар арасындағы қашықтық.
Конденсатор сыйымдылығының пластиналар арасындағы қашықтыққа тәуелділігі электростатикалық индукция құбылысымен түсіндіріледі: пластиналар арасындағы қашықтық неғұрлым аз болса, олар бір-біріне соғұрлым күшті әсер етеді (Кулон заңы бойынша), пластиналардың заряды көп және кернеу төмен болады. Және кернеу төмендеген сайынсыйымдылық мәні артады, өйткені оны келесі формуламен де сипаттауға болады:
-
C=q/U, мұндағы
q - кулондағы заряд.
Бұл шаманың бірліктері туралы айтқан жөн. Сыйымдылық фарадпен өлшенеді. 1 фарад - бар конденсаторлардың (бірақ ионисторлардың емес) сыйымдылығы пикофарадалармен (бір триллион фарад) өлшенетін жеткілікті үлкен мән.
Резистор
Тербелмелі контурдағы ток контурдың кедергісіне де байланысты. Тербелмелі контурды (катушкалар, конденсаторлар) құрайтын сипатталған екі элементтен басқа, үшінші - резистор да бар. Ол қарсылықты тудыруға жауапты. Резистор басқа элементтерден ерекшеленеді, ол үлкен қарсылыққа ие, оны кейбір үлгілерде өзгертуге болады. Тербелмелі контурда ол магнит өрісінің қуат реттегішінің қызметін атқарады. Бірнеше резисторларды тізбектей немесе параллель қосуға болады, осылайша тізбектің кедергісін арттырады.
Бұл элементтің кедергісі де температураға байланысты, сондықтан оның тізбектегі жұмысына абай болу керек, себебі ол ток өткен кезде қызып кетеді.
Резистор кедергісі Оммен өлшенеді және оның мәнін мына формула арқылы есептеуге болады:
-
R=(pl)/S, мұндағы
p – резистор материалының кедергісі (өлшенген (Оммм2)/м);
l - резистор ұзындығы (метрмен);
S - қима ауданы (шаршы миллиметрде).
Жол параметрлерін қалай байланыстыруға болады?
Енді біз физикаға жақындадықтербелмелі контурдың жұмысы. Уақыт өте келе конденсатор пластиналарының заряды екінші ретті дифференциалдық теңдеуге сәйкес өзгереді.
Егер сіз бұл теңдеуді шешсеңіз, одан тізбекте болып жатқан процестерді сипаттайтын бірнеше қызықты формулалар шығады. Мысалы, циклдік жиілікті сыйымдылық пен индуктивтілік арқылы көрсетуге болады.
Алайда көптеген белгісіз шамаларды есептеуге мүмкіндік беретін қарапайым формула Томсон формуласы болып табылады (оны 1853 жылы шығарған ағылшын физигі Уильям Томсонның атымен аталған):
-
T=2p(LC)1/2.
T - электромагниттік тербеліс периоды, L және C - сәйкесінше тербелмелі контур катушкасының индуктивтілігі және тізбек элементтерінің сыйымдылығы, p - pi саны.
Q фактор
Тізбек жұмысын сипаттайтын тағы бір маңызды мән бар – сапа факторы. Мұның не екенін түсіну үшін резонанс сияқты процеске жүгіну керек. Бұл тербелісті қолдайтын күштің тұрақты мәнімен амплитудасы максимумға айналатын құбылыс. Резонансты қарапайым мысалмен түсіндіруге болады: егер сіз тербелісті оның жиілігінің ырғағына қарай итере бастасаңыз, онда ол тездейді, ал оның «амплитудасы» артады. Ал егер сіз уақытты итерсеңіз, олар баяулайды. Резонанста көп энергия жиі бөлінеді. Шығындардың шамасын есептей алу үшін олар сапа факторы сияқты параметрді ойлап тапты. Бұл қатынасқа тең қатынасжүйедегі энергияны бір циклде тізбекте пайда болатын шығындарға.
Тізбектің сапа коэффициенті мына формуламен есептеледі:
-
Q=(w0W)/P, мұнда
w0 - резонанстық циклдік тербеліс жиілігі;
W - тербелмелі жүйеде жинақталған энергия;
P - қуаттың шығыны.
Бұл параметр өлшемсіз мән болып табылады, өйткені ол шын мәнінде сақталған энергияның: жұмсалғанға дейінгі арақатынасын көрсетеді.
Идеал тербелмелі контур дегеніміз не
Осы жүйедегі процестерді жақсырақ түсіну үшін физиктер идеалды тербелмелі контурды ойлап тапты. Бұл тізбекті кедергісі нөлдік жүйе ретінде көрсететін математикалық модель. Ол сөндірілмеген гармоникалық тербелістерді тудырады. Мұндай модель контур параметрлерін жуықтап есептеуге арналған формулаларды алуға мүмкіндік береді. Бұл параметрлердің бірі жалпы энергия:
W=(LI2)/2.
Мұндай оңайлатулар есептеулерді айтарлықтай жылдамдатады және берілген индикаторлармен тізбектің сипаттамаларын бағалауға мүмкіндік береді.
Бұл қалай жұмыс істейді?
Тербелмелі контурдың бүкіл циклін екі бөлікке бөлуге болады. Енді біз әр бөлікте болып жатқан процестерді егжей-тегжейлі талдаймыз.
- Бірінші фаза: оң зарядталған конденсатор тақтасы тізбекке ток беріп, зарядсыздана бастайды. Осы сәтте ток катушка арқылы өтіп, оң зарядтан теріс зарядқа өтеді. Нәтижесінде контурда электромагниттік тербелістер пайда болады. арқылы өтетін токкатушка, екінші пластинаға өтіп, оны оң зарядтайды (ал ток шыққан бірінші пластина теріс зарядталады).
- Екінші кезең: кері процесс орын алады. Ток оң пластинадан (бастапқыда теріс болған) теріске өтіп, қайтадан катушка арқылы өтеді. Және барлық төлемдер орнына түседі.
Цикл конденсаторда заряд болғанша қайталанады. Идеал тербелмелі контурда бұл процесс шексіз жүреді, бірақ нақты жағдайда әртүрлі факторлардың әсерінен энергия жоғалуы сөзсіз: контурда кедергінің болуына байланысты пайда болатын қыздыру (Джоуль жылуы) және т.б.
Контур дизайн опциялары
Қарапайым "катушкалар-конденсатор" және "катушкалар-резистор-конденсатор" тізбектерінен басқа, тербелмелі контурды негіз ретінде пайдаланатын басқа нұсқалар бар. Бұл, мысалы, электр тізбегінің элементі ретінде бар болуымен ерекшеленетін параллельді тізбек (өйткені, егер ол бөлек болса, ол мақалада талқыланған тізбекті тізбек болар еді).
Әртүрлі электрлік құрамдас бөліктерді қамтитын дизайнның басқа түрлері де бар. Мысалы, транзисторды желіге қосуға болады, ол тізбектегі тербеліс жиілігіне тең жиілікпен тізбекті ашады және жабады. Осылайша, жүйеде сөндірілмеген тербелістер орнатылады.
Тербелмелі контур қайда қолданылады?
Сұлба құрамдастарының ең танымал қолданбасы - электромагниттер. Олар, өз кезегінде, домофондарда, электр қозғалтқыштарында,сенсорлар және басқа да қарапайым емес салаларда. Басқа қолданба - тербеліс генераторы. Шындығында, схеманы қолдану бізге өте таныс: бұл пішінде ол толқындар жасау үшін микротолқынды пеште және қашықтыққа ақпаратты беру үшін ұялы және радио байланыста қолданылады. Мұның бәрі электромагниттік толқындардың тербелістерін ақпаратты алыс қашықтыққа жіберуге болатындай етіп кодтауға болатындығына байланысты.
Индуктордың өзін трансформатордың элементі ретінде пайдалануға болады: орамдарының саны әртүрлі екі катушкалар электромагниттік өрістің көмегімен зарядтарын тасымалдай алады. Бірақ соленоидтардың сипаттамалары әртүрлі болғандықтан, осы екі индуктор қосылған екі тізбектегі ток көрсеткіштері әртүрлі болады. Осылайша, кернеуі 220 вольт токты 12 вольт токқа түрлендіруге болады.
Қорытынды
Біз тербелмелі контурдың жұмыс істеу принципін және оның әрбір бөлігін жеке-жеке талдадық. Тербелмелі контур электромагниттік толқындарды жасауға арналған құрылғы екенін білдік. Дегенмен, бұл қарапайым болып көрінетін осы элементтердің күрделі механикасының негіздері ғана. Схема мен оның құрамдас бөліктерінің қыр-сырлары туралы арнайы әдебиеттерден көбірек біле аласыз.
