Un circuito oscillatorio è un dispositivo progettato per generare (creare) oscillazioni elettromagnetiche. Dal suo inizio fino ai giorni nostri, è stato utilizzato in molte aree della scienza e della tecnologia: dalla vita di tutti i giorni alle enormi fabbriche che producono un'ampia varietà di prodotti.
Di cosa è fatto?
Il circuito oscillatorio è costituito da una bobina e da un condensatore. Inoltre può contenere anche un resistore (elemento a resistenza variabile). Un induttore (o solenoide, come viene talvolta chiamato) è un'asta su cui sono avvolti diversi strati di avvolgimento, che, di regola, è un filo di rame. È questo elemento che crea oscillazioni nel circuito oscillatorio. L'asta al centro è spesso chiamata bobina o nucleo e la bobina è talvolta chiamata solenoide.
La bobina del circuito oscillatorio oscilla solo quando c'è una carica immagazzinata. Quando la corrente lo attraversa, accumula una carica, che poi emette al circuito se la tensione scende.
I fili della bobina di solito hanno pochissima resistenza, che rimane sempre costante. Nel circuito di un circuito oscillante si verifica molto spesso una variazione di tensione e corrente. Questa modifica è soggetta ad alcune leggi matematiche:
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U=U0cos(w(t-t0), dove
U è la tensione attuale momento t, U0 - tensione al momento t0, w - frequenza di oscillazioni elettromagnetiche.
Un altro componente integrale del circuito è il condensatore elettrico. Questo è un elemento costituito da due piastre separate da un dielettrico. In questo caso, lo spessore dello strato tra le piastre è inferiore alle loro dimensioni. Questo design consente di accumulare una carica elettrica sul dielettrico, che può quindi essere trasferita al circuito.
La differenza tra un condensatore e una batteria è che non c'è trasformazione di sostanze sotto l'azione di una corrente elettrica, ma un accumulo diretto di carica in un campo elettrico. Pertanto, con l'aiuto di un condensatore, è possibile accumulare una carica sufficientemente grande, che può essere data via tutta in una volta. In questo caso, l'intensità della corrente nel circuito aumenta notevolmente.
Inoltre, il circuito oscillatorio è costituito da un altro elemento: un resistore. Questo elemento ha resistenza ed è progettato per controllare la corrente e la tensione nel circuito. Se la resistenza del resistore viene aumentata a una tensione costante, l'intensità della corrente diminuirà secondo la leggeOma:
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I=U/R, dove
I è la corrente, U è la tensione, R è la resistenza.
Induttore
Diamo un'occhiata più da vicino a tutte le sottigliezze dell'induttore e comprendiamo meglio la sua funzione in un circuito oscillatorio. Come abbiamo già detto, la resistenza di questo elemento tende a zero. Pertanto, se collegato a un circuito CC, si verificherebbe un cortocircuito. Tuttavia, se si collega la bobina a un circuito CA, funziona correttamente. Ciò consente di concludere che l'elemento offre resistenza alla corrente alternata.
Ma perché succede e come si forma la resistenza con la corrente alternata? Per rispondere a questa domanda, dobbiamo rivolgerci a un fenomeno come l'autoinduzione. Quando la corrente passa attraverso la bobina, in essa si genera una forza elettromotrice (EMF), che crea un ostacolo alla modifica della corrente. L'entità di questa forza dipende da due fattori: l'induttanza della bobina e la derivata dell'intensità della corrente rispetto al tempo. Matematicamente, questa dipendenza è espressa dall'equazione:
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E=-LI'(t), dove
E è il valore EMF, L è il valore dell'induttanza della bobina (per ogni bobina è diverso e dipende sul numero di spire dell'avvolgimento e sui loro spessori), I'(t) - derivata della forza della corrente rispetto al tempo (la velocità di variazione della forza della corrente).
La forza della corrente continua non cambia nel tempo, quindi non c'è resistenza quando viene esposta ad essa.
Ma con la corrente alternata, tutti i suoi parametri cambiano continuamente secondo una legge sinusoidale o coseno,di conseguenza, si verifica un EMF che impedisce questi cambiamenti. Tale resistenza è detta induttiva e si calcola con la formula:
- XL =wL
La corrente nel solenoide aumenta e diminuisce linearmente secondo varie leggi. Ciò significa che se si interrompe l'alimentazione di corrente alla bobina, questa continuerà a caricare il circuito per un po' di tempo. E se allo stesso tempo l'alimentazione di corrente viene interrotta bruscamente, si verificherà uno shock dovuto al fatto che la carica cercherà di essere distribuita ed uscire dalla bobina. Questo è un problema serio nella produzione industriale. Un tale effetto (sebbene non interamente correlato al circuito oscillatorio) si può osservare, ad esempio, estraendo la spina dalla presa. Allo stesso tempo, s alta una scintilla, che su una tale scala non è in grado di danneggiare una persona. È dovuto al fatto che il campo magnetico non scompare immediatamente, ma si dissipa gradualmente, inducendo correnti in altri conduttori. Su scala industriale, l'intensità della corrente è molte volte maggiore dei 220 volt a cui siamo abituati, quindi quando un circuito viene interrotto in produzione, possono verificarsi scintille di tale intensità che causano molti danni sia all'impianto che alla persona.
Una bobina è la base di cosa consiste un circuito oscillatorio. Le induttanze dei solenoidi in serie si sommano. Successivamente, daremo un'occhiata più da vicino a tutte le sottigliezze della struttura di questo elemento.
Cos'è l'induttanza?
L'induttanza della bobina di un circuito oscillatorio è un indicatore individuale numericamente uguale alla forza elettromotrice (in volt) che si verifica nel circuito quandovariazione di corrente di 1 A in 1 secondo. Se il solenoide è collegato a un circuito CC, la sua induttanza descrive l'energia del campo magnetico creato da questa corrente secondo la formula:
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W=(LI2)/2, dove
W è l'energia del campo magnetico.
Il fattore di induttanza dipende da molti fattori: dalla geometria del solenoide, dalle caratteristiche magnetiche del nucleo e dal numero di spire del filo. Un' altra proprietà di questo indicatore è che è sempre positivo, perché le variabili da cui dipende non possono essere negative.
L'induttanza può anche essere definita come la proprietà di un conduttore di corrente di immagazzinare energia in un campo magnetico. Si misura in Henry (dal nome dello scienziato americano Joseph Henry).
Oltre al solenoide, il circuito oscillatorio è costituito da un condensatore, di cui parleremo più avanti.
Condensatore elettrico
La capacità del circuito oscillatorio è determinata dalla capacità del condensatore elettrico. Sul suo aspetto è stato scritto sopra. Analizziamo ora la fisica dei processi che vi avvengono.
Poiché le piastre dei condensatori sono costituite da un conduttore, una corrente elettrica può attraversarle. C'è però un ostacolo tra le due piastre: un dielettrico (può essere aria, legno o altro materiale ad alta resistenza. Poiché la carica non può spostarsi da un capo all' altro del filo, si accumula sul piastre del condensatore Questo aumenta la potenza dei campi magnetici ed elettrici che lo circondano.l'elettricità accumulata sulle piastre inizia a essere trasferita al circuito.
Ogni condensatore ha una tensione nominale ottimale per il suo funzionamento. Se questo elemento viene utilizzato per lungo tempo a una tensione superiore alla tensione nominale, la sua durata si riduce notevolmente. Il condensatore del circuito oscillatorio è costantemente influenzato dalle correnti, quindi, quando lo scegli, dovresti prestare molta attenzione.
Oltre ai soliti condensatori di cui si è parlato, ci sono anche gli ionisti. Questo è un elemento più complesso: può essere descritto come un incrocio tra una batteria e un condensatore. Di norma, le sostanze organiche fungono da dielettrico in uno ionistor, tra il quale è presente un elettrolita. Insieme creano un doppio strato elettrico, che consente di accumulare in questo progetto molte volte più energia rispetto a un condensatore tradizionale.
Qual è la capacità di un condensatore?
La capacità di un condensatore è il rapporto tra la carica del condensatore e la tensione sotto la quale si trova. Puoi calcolare questo valore molto semplicemente usando la formula matematica:
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C=(e0S)/d, dove
e0 è la permittività del materiale dielettrico (valore della tabella), S - l'area delle piastre del condensatore, d - la distanza tra le piastre.
La dipendenza della capacità del condensatore dalla distanza tra le piastre è spiegata dal fenomeno dell'induzione elettrostatica: minore è la distanza tra le piastre, tanto più si influenzano a vicenda (secondo la legge di Coulomb), il maggiore è la carica delle piastre e minore è la tensione. E quando la tensione diminuisceil valore della capacità aumenta, poiché può essere descritto anche dalla seguente formula:
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C=q/U, dove
q è la carica in coulomb.
Vale la pena parlare delle unità di questa quantità. La capacità è misurata in farad. 1 farad è un valore abbastanza grande che i condensatori esistenti (ma non gli ionisti) hanno una capacità misurata in picofarad (un trilione di farad).
Resistore
La corrente nel circuito oscillatorio dipende anche dalla resistenza del circuito. E oltre ai due elementi descritti che compongono il circuito oscillatorio (bobine, condensatori), ce n'è anche un terzo: un resistore. È responsabile della creazione di resistenza. Il resistore differisce dagli altri elementi in quanto ha una grande resistenza, che può essere modificata in alcuni modelli. Nel circuito oscillatorio svolge la funzione di regolatore di potenza del campo magnetico. È possibile collegare più resistori in serie o in parallelo, aumentando così la resistenza del circuito.
La resistenza di questo elemento dipende anche dalla temperatura, quindi dovresti prestare attenzione al suo funzionamento nel circuito, poiché si riscalda al passaggio della corrente.
La resistenza del resistore è misurata in Ohm e il suo valore può essere calcolato utilizzando la formula:
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R=(pl)/S, dove
p è la resistività del materiale del resistore (misurata in (Ohmmm2)/m);
l - lunghezza del resistore (in metri);
S - area della sezione (in millimetri quadrati).
Come collegare i parametri del percorso?
Ora ci avviciniamo alla fisicafunzionamento del circuito oscillatorio. Nel tempo, la carica sulle piastre del condensatore cambia secondo un'equazione differenziale del secondo ordine.
Se risolvi questa equazione, ne derivano diverse formule interessanti, che descrivono i processi che si verificano nel circuito. Ad esempio, la frequenza ciclica può essere espressa in termini di capacità e induttanza.
Tuttavia, la formula più semplice che ti permette di calcolare molte incognite è la formula di Thomson (dal nome del fisico inglese William Thomson, che la derivò nel 1853):
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T=2p(LC)1/2.
T - il periodo delle oscillazioni elettromagnetiche, L e C - rispettivamente l'induttanza della bobina del circuito oscillatorio e la capacità degli elementi del circuito, p - il numero pi.
Fattore Q
C'è un altro valore importante che caratterizza il funzionamento del circuito: il fattore qualità. Per capire di cosa si tratta, ci si dovrebbe rivolgere a un processo come la risonanza. Questo è un fenomeno in cui l'ampiezza diventa massima con un valore costante della forza che supporta questa oscillazione. La risonanza può essere spiegata con un semplice esempio: se inizi a spingere l'oscillazione al ritmo della sua frequenza, allora accelererà e la sua "ampiezza" aumenterà. E se spingi fuori dal tempo, rallenteranno. Alla risonanza, molta energia viene spesso dissipata. Per poter calcolare l'entità delle perdite, hanno escogitato un parametro come il fattore di qualità. È un rapporto uguale al rapportoenergia nel sistema alle perdite che si verificano nel circuito in un ciclo.
Il fattore di qualità del circuito è calcolato dalla formula:
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Q=(w0W)/P, dove
w0 - frequenza di oscillazione ciclica risonante;
W - energia immagazzinata nel sistema oscillatorio;
P - dissipazione di potenza.
Questo parametro è un valore adimensionale, poiché mostra effettivamente il rapporto tra energia: immagazzinata e spesa.
Cos'è un circuito oscillatorio ideale
Per una migliore comprensione dei processi in questo sistema, i fisici hanno escogitato il cosiddetto circuito oscillatorio ideale. Questo è un modello matematico che rappresenta un circuito come un sistema con resistenza zero. Produce oscillazioni armoniche non smorzate. Tale modello consente di ottenere formule per il calcolo approssimativo dei parametri del profilo. Uno di questi parametri è l'energia totale:
W=(LI2)/2.
Tali semplificazioni velocizzano notevolmente i calcoli e consentono di valutare le caratteristiche di un circuito con determinati indicatori.
Come funziona?
L'intero ciclo del circuito oscillatorio può essere diviso in due parti. Ora analizzeremo in dettaglio i processi che si verificano in ciascuna parte.
- Prima fase: la piastra del condensatore caricata positivamente inizia a scaricarsi, fornendo corrente al circuito. In questo momento, la corrente passa da una carica positiva a una negativa, passando attraverso la bobina. Di conseguenza, nel circuito si verificano oscillazioni elettromagnetiche. corrente che passabobina, va alla seconda piastra e la carica positivamente (mentre la prima piastra, da cui scorre la corrente, viene caricata negativamente).
- Seconda fase: avviene il processo inverso. La corrente passa dalla piastra positiva (che all'inizio era negativa) al negativo, passando di nuovo attraverso la bobina. E tutte le accuse vanno a posto.
Il ciclo si ripete finché c'è una carica sul condensatore. In un circuito oscillatorio ideale, questo processo va avanti all'infinito, ma in un circuito reale le perdite di energia sono inevitabili a causa di vari fattori: il riscaldamento, che si verifica per l'esistenza di una resistenza nel circuito (calore Joule), e simili.
Opzioni di progettazione del contorno
Oltre ai semplici circuiti "coil-capacitor" e "coil-resistor-capacitor", ci sono altre opzioni che usano un circuito oscillatorio come base. Questo, ad esempio, è un circuito parallelo, che differisce in quanto esiste come elemento di un circuito elettrico (perché, se esistesse separatamente, sarebbe un circuito in serie, di cui si è discusso nell'articolo).
Ci sono anche altri tipi di design che includono diversi componenti elettrici. Ad esempio, puoi collegare un transistor alla rete, che aprirà e chiuderà il circuito con una frequenza uguale alla frequenza di oscillazione nel circuito. Pertanto, nel sistema verranno stabilite oscillazioni non smorzate.
Dove viene utilizzato un circuito oscillatorio?
L'applicazione più familiare dei componenti dei circuiti sono gli elettromagneti. Essi, a loro volta, sono utilizzati in citofoni, motori elettrici,sensori e in molte altre aree non così ordinarie. Un' altra applicazione è un generatore di oscillazioni. In effetti, questo uso del circuito ci è molto familiare: in questa forma viene utilizzato nel microonde per creare onde e nelle comunicazioni mobili e radio per trasmettere informazioni a distanza. Tutto ciò è dovuto al fatto che le oscillazioni delle onde elettromagnetiche possono essere codificate in modo tale da rendere possibile la trasmissione di informazioni su lunghe distanze.
L'induttore stesso può essere utilizzato come elemento di un trasformatore: due bobine con un diverso numero di avvolgimenti possono trasferire la loro carica utilizzando un campo elettromagnetico. Ma poiché le caratteristiche dei solenoidi sono diverse, gli indicatori di corrente nei due circuiti a cui sono collegati questi due induttori saranno diversi. Pertanto, è possibile convertire una corrente con una tensione di, diciamo, 220 volt in una corrente con una tensione di 12 volt.
Conclusione
Abbiamo analizzato in dettaglio il principio di funzionamento del circuito oscillatorio e ciascuna delle sue parti separatamente. Abbiamo imparato che un circuito oscillatorio è un dispositivo progettato per creare onde elettromagnetiche. Tuttavia, queste sono solo le basi della complessa meccanica di questi elementi apparentemente semplici. Puoi saperne di più sulla complessità del circuito e dei suoi componenti dalla letteratura specializzata.
