Տատանողական շղթան սարք է, որը նախատեսված է էլեկտրամագնիսական տատանումներ առաջացնելու (ստեղծելու) համար։ Իր ստեղծման օրվանից մինչև մեր օրերը այն օգտագործվել է գիտության և տեխնիկայի բազմաթիվ ոլորտներում՝ առօրյա կյանքից մինչև ապրանքների լայն տեսականի արտադրող հսկայական գործարաններ:
Ինչի՞ց է այն պատրաստված?
Տատանողական շղթան բաղկացած է կծիկից և կոնդենսատորից։ Բացի այդ, այն կարող է պարունակել նաև ռեզիստոր (փոփոխական դիմադրությամբ տարր): Ինդուկտորը (կամ սոլենոիդը, ինչպես երբեմն կոչվում է) ձող է, որի վրա փաթաթված են ոլորուն մի քանի շերտեր, որոնք, որպես կանոն, պղնձե մետաղալար են։ Հենց այս տարրը տատանումներ է ստեղծում տատանումների շղթայում։ Մեջտեղում գտնվող ձողը հաճախ կոչվում է խեղդուկ կամ միջուկ, իսկ կծիկը երբեմն կոչվում է էլեկտրամագնիս:
Տատանողական շղթայի կծիկը տատանվում է միայն այն ժամանակ, երբ կա կուտակված լիցք: Երբ հոսանքն անցնում է դրա միջով, այն կուտակում է լիցք, որն այնուհետև այն տալիս է միացում, եթե լարումը իջնի:
Կծիկի լարերը սովորաբար ունեն շատ փոքր դիմադրություն, որը միշտ մնում է անփոփոխ: Տատանվող շղթայի շղթայում շատ հաճախ տեղի է ունենում լարման և հոսանքի փոփոխություն։ Այս փոփոխությունը ենթակա է որոշակի մաթեմատիկական օրենքների՝
-
U=U0cos(w(t-t0), որտեղ
U-ն ընթացիկ լարումն է t ժամանակի կետ, U0 - լարում t0, w - հաճախականություն էլեկտրամագնիսական տատանումներ.
Շղթայի մեկ այլ անբաժանելի բաղադրիչ էլեկտրական կոնդենսատորն է: Սա երկու թիթեղներից բաղկացած տարր է, որոնք բաժանված են դիէլեկտրիկով։ Այս դեպքում թիթեղների միջեւ շերտի հաստությունը պակաս է դրանց չափերից: Այս դիզայնը թույլ է տալիս դիէլեկտրիկի վրա կուտակել էլեկտրական լիցք, որն այնուհետև կարող է տեղափոխվել շղթա:
Կոնդենսատորի և մարտկոցի տարբերությունն այն է, որ էլեկտրական հոսանքի ազդեցության տակ նյութերի փոխակերպում չկա, այլ էլեկտրական դաշտում լիցքի ուղղակի կուտակում: Այսպիսով, կոնդենսատորի օգնությամբ հնարավոր է բավականաչափ մեծ լիցք կուտակել, որը կարելի է միանգամից բաժանել։ Այս դեպքում շղթայում ընթացիկ ուժը մեծապես մեծանում է:
Նաև, տատանողական շղթան բաղկացած է ևս մեկ տարրից՝ ռեզիստորից: Այս տարրն ունի դիմադրություն և նախատեսված է շղթայում հոսանքն ու լարումը վերահսկելու համար: Եթե ռեզիստորի դիմադրությունը մեծանում է հաստատուն լարման ժամանակ, ապա ընթացիկ ուժը կնվազի օրենքի համաձայնՕմա:
-
I=U/R, որտեղ
I-ը հոսանքն է, U-ը լարումն է, R-ը դիմադրություն է:
Ինդուկտոր
Եկեք ավելի սերտ նայենք ինդուկտորի բոլոր նրբություններին և ավելի լավ հասկանանք նրա գործառույթը տատանողական միացումում: Ինչպես արդեն ասացինք, այս տարրի դիմադրությունը ձգտում է զրոյի: Այսպիսով, երբ միացված է DC միացմանը, տեղի կունենա կարճ միացում: Այնուամենայնիվ, եթե կծիկը միացնեք AC շղթային, այն ճիշտ է աշխատում: Սա թույլ է տալիս եզրակացնել, որ տարրը դիմադրություն է տալիս փոփոխական հոսանքին:
Բայց ինչու է դա տեղի ունենում և ինչպես է դիմադրություն առաջանում փոփոխական հոսանքի դեպքում: Այս հարցին պատասխանելու համար պետք է դիմել այնպիսի երեւույթի, ինչպիսին է ինքնադրսեւորումը: Երբ հոսանքն անցնում է կծիկի միջով, դրա մեջ առաջանում է էլեկտրաշարժիչ ուժ (EMF), որը խոչընդոտ է ստեղծում հոսանքը փոխելու համար։ Այս ուժի մեծությունը կախված է երկու գործոնից՝ կծիկի ինդուկտիվությունից և ժամանակի նկատմամբ ընթացիկ ուժի ածանցյալից։ Մաթեմատիկորեն այս կախվածությունն արտահայտվում է
հավասարման միջոցով.
-
E=-LI'(t), որտեղ
E-ը EMF արժեքն է, L-ը կծիկի ինդուկտիվության արժեքն է (յուրաքանչյուր կծիկի համար այն տարբեր է և կախված է ոլորման պարույրների քանակի և դրանց հաստությունների վրա), I'(t) - ընթացիկ ուժի ածանցյալը ժամանակի նկատմամբ (հոսանքի ուժի փոփոխության արագությունը):
Ուղիղ հոսանքի ուժը ժամանակի ընթացքում չի փոխվում, ուստի դրա ազդեցության դեպքում դիմադրություն չկա:
Բայց փոփոխական հոսանքի դեպքում նրա բոլոր պարամետրերը անընդհատ փոխվում են՝ համաձայն սինուսոիդային կամ կոսինուսի օրենքի,արդյունքում առաջանում է EMF, որը կանխում է այս փոփոխությունները: Նման դիմադրությունը կոչվում է ինդուկտիվ և հաշվարկվում է բանաձևով՝
- XL =wL
Հոսանքը էլեկտրամագնիսում գծայինորեն մեծանում և նվազում է տարբեր օրենքների համաձայն: Սա նշանակում է, որ եթե դուք դադարեցնեք կծիկի ընթացիկ մատակարարումը, այն որոշ ժամանակ կշարունակի լիցքավորել շղթան: Եվ եթե միևնույն ժամանակ ընթացիկ մատակարարումը կտրուկ ընդհատվի, ապա ցնցում կառաջանա այն պատճառով, որ լիցքը կփորձի բաշխվել և դուրս գալ կծիկից։ Սա լուրջ խնդիր է արդյունաբերական արտադրության մեջ։ Նման էֆեկտը (թեև ամբողջովին կապված չէ տատանողական սխեմայի հետ) կարելի է նկատել, օրինակ, վարդակից վարդակից հանելիս: Միաժամանակ ցատկում է կայծ, որը նման մասշտաբով ի վիճակի չէ վնասել մարդուն։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ մագնիսական դաշտը անմիջապես չի անհետանում, այլ աստիճանաբար ցրվում է՝ հոսանքներ առաջացնելով այլ հաղորդիչների մեջ։ Արդյունաբերական մասշտաբով ընթացիկ ուժը շատ անգամ ավելի մեծ է, քան 220 վոլտը, որին մենք սովոր ենք, ուստի, երբ արտադրական միացումն ընդհատվում է, կարող են առաջանալ այնպիսի հզորության կայծեր, որոնք մեծ վնաս են հասցնում և՛ գործարանին, և՛ մարդուն:
Կծիկը հիմքն է այն բանի, թե ինչից է բաղկացած տատանողական շղթան: Սոլենոիդների ինդուկտիվությունները հաջորդաբար գումարվում են: Հաջորդիվ մենք ավելի մանրամասն կանդրադառնանք այս տարրի կառուցվածքի բոլոր նրբություններին:
Ի՞նչ է ինդուկտիվությունը:
Տատանողական շղթայի կծիկի ինդուկտիվությունը անհատական ցուցիչ է, որը թվայինորեն հավասար է էլեկտրաշարժիչ ուժին (վոլտներով), որն առաջանում է շղթայում, երբհոսանքի փոփոխություն 1 Ա-ով 1 վայրկյանում: Եթե էլեկտրամագնիսը միացված է մշտական հոսանքի միացմանը, ապա դրա ինդուկտիվությունը նկարագրում է մագնիսական դաշտի էներգիան, որն առաջանում է այս հոսանքի միջոցով՝ համաձայն
բանաձևի.
-
W=(LI2)/2, որտեղ
W-ը մագնիսական դաշտի էներգիան է:
Ինդուկտիվության գործակիցը կախված է բազմաթիվ գործոններից՝ էլեկտրամագնիսականի երկրաչափությունից, միջուկի մագնիսական բնութագրերից և մետաղալարերի պարույրների քանակից: Այս ցուցանիշի մեկ այլ հատկություն այն է, որ այն միշտ դրական է, քանի որ այն փոփոխականները, որոնցից այն կախված է, չեն կարող բացասական լինել:
Ինդուկցիան կարող է սահմանվել նաև որպես հոսանք կրող հաղորդիչի հատկություն՝ էներգիա պահելու մագնիսական դաշտում: Այն չափվում է Հենրիում (անվանվել է ամերիկացի գիտնական Ջոզեֆ Հենրիի պատվին):
Սոլենոիդից բացի, տատանողական շղթան բաղկացած է կոնդենսատորից, որի մասին կքննարկվի ավելի ուշ:
Էլեկտրական կոնդենսատոր
Տատանողական շղթայի հզորությունը որոշվում է էլեկտրական կոնդենսատորի հզորությամբ: Նրա արտաքինի մասին վերևում գրված էր. Այժմ վերլուծենք դրանում տեղի ունեցող գործընթացների ֆիզիկան։
Քանի որ կոնդենսատորի թիթեղները պատրաստված են հաղորդիչից, դրանց միջով կարող է հոսել էլեկտրական հոսանք: Այնուամենայնիվ, երկու թիթեղների միջև կա մի խոչընդոտ՝ դիէլեկտրիկ (դա կարող է լինել օդ, փայտ կամ բարձր դիմադրությամբ այլ նյութ։ Քանի որ լիցքը չի կարող տեղափոխվել լարերի մի ծայրից մյուսը, այն կուտակվում է լարերի վրա։ կոնդենսատորի թիթեղներ Սա մեծացնում է դրա շուրջ մագնիսական և էլեկտրական դաշտերի հզորությունը:թիթեղների վրա կուտակված էլեկտրաէներգիան սկսում է փոխանցվել շղթա։
Յուրաքանչյուր կոնդենսատոր ունի լարման վարկանիշ, որն օպտիմալ է իր աշխատանքի համար: Եթե այս տարրը երկար ժամանակ շահագործվում է անվանական լարումից բարձր լարման դեպքում, նրա ծառայության ժամկետը զգալիորեն կրճատվում է: Տատանվող շղթայի կոնդենսատորը մշտապես ենթարկվում է հոսանքների ազդեցությանը, և, հետևաբար, այն ընտրելիս պետք է չափազանց զգույշ լինել:
Բացի սովորական կոնդենսատորներից, որոնք քննարկվեցին, կան նաև իոնիստներ: Սա ավելի բարդ տարր է. այն կարելի է բնութագրել որպես մարտկոցի և կոնդենսատորի խաչմերուկ: Որպես կանոն, օրգանական նյութերը ծառայում են որպես դիէլեկտրիկ իոնիստորում, որի միջև կա էլեկտրոլիտ։ Նրանք միասին ստեղծում են կրկնակի էլեկտրական շերտ, որը թույլ է տալիս այս դիզայնում կուտակել շատ անգամ ավելի շատ էներգիա, քան ավանդական կոնդենսատորում:
Որքա՞ն է կոնդենսատորի հզորությունը:
Կոնդենսատորի հզորությունը կոնդենսատորի լիցքի հարաբերակցությունն է այն լարման, որի տակ այն գտնվում է: Դուք կարող եք շատ պարզ հաշվարկել այս արժեքը՝ օգտագործելով մաթեմատիկական բանաձևը՝
-
C=(e0S)/d, որտեղ
e0-ը դիէլեկտրական նյութի թույլատրելիությունն է (աղյուսակի արժեքը), S - կոնդենսատորի թիթեղների մակերեսը, d - թիթեղների միջև հեռավորությունը:
Կոնդենսատորի հզորության կախվածությունը թիթեղների միջև եղած հեռավորությունից բացատրվում է էլեկտրաստատիկ ինդուկցիայի երևույթով. ավելի մեծ է թիթեղների լիցքը և այնքան ցածր է լարումը: Եվ քանի որ լարումը նվազում էհզորության արժեքը մեծանում է, քանի որ այն կարելի է նկարագրել նաև հետևյալ բանաձևով՝
-
C=q/U, որտեղ
q-ը լիցքն է կուլոններով:
Այս քանակի միավորների մասին արժե խոսել։ Հզորությունը չափվում է ֆարադներով: 1 ֆարադը բավականաչափ մեծ արժեք է, որ գոյություն ունեցող կոնդենսատորները (բայց ոչ իոնիստները) ունեն հզորություն՝ չափված պիկոֆարադներով (մեկ տրիլիոն ֆարադ):
Ռեզիստոր
Հոսանքը տատանողական շղթայում կախված է նաև շղթայի դիմադրությունից: Եվ բացի նկարագրված երկու տարրերից, որոնք կազմում են տատանողական սխեման (կծիկներ, կոնդենսատորներ), կա նաև երրորդը՝ ռեզիստորը։ Նա պատասխանատու է դիմադրություն ստեղծելու համար։ Ռեզիստորը տարբերվում է այլ տարրերից նրանով, որ ունի մեծ դիմադրություն, որը կարող է փոփոխվել որոշ մոդելներում։ Տատանողական շղթայում այն կատարում է մագնիսական դաշտի հզորության կարգավորիչի ֆունկցիա։ Դուք կարող եք մի քանի ռեզիստորներ միացնել հաջորդաբար կամ զուգահեռաբար՝ դրանով իսկ մեծացնելով շղթայի դիմադրությունը:
Այս տարրի դիմադրությունը նույնպես կախված է ջերմաստիճանից, այնպես որ դուք պետք է զգույշ լինեք դրա աշխատանքին միացումում, քանի որ այն տաքանում է, երբ հոսանքն անցնում է:
Ռեզիստորի դիմադրությունը չափվում է Օմ-ով, և դրա արժեքը կարելի է հաշվարկել՝ օգտագործելով բանաձևը՝
-
R=(pl)/S, որտեղ
p դիմադրողական նյութի դիմադրողականությունն է (չափված (Օմմմ2)/մ
l - ռեզիստորի երկարությունը (մետրերով);
S - հատվածի մակերեսը (քառակուսի միլիմետրերով):
Ինչպե՞ս կապել ուղու պարամետրերը:
Այժմ մենք մոտենում ենք ֆիզիկայինտատանողական շղթայի շահագործումը. Ժամանակի ընթացքում կոնդենսատորի թիթեղների լիցքը փոխվում է երկրորդ կարգի դիֆերենցիալ հավասարման համաձայն:
Եթե լուծեք այս հավասարումը, դրանից բխում են մի քանի հետաքրքիր բանաձևեր, որոնք նկարագրում են շղթայում տեղի ունեցող գործընթացները: Օրինակ, ցիկլային հաճախականությունը կարող է արտահայտվել հզորությամբ և ինդուկտիվությամբ:
Սակայն ամենապարզ բանաձևը, որը թույլ է տալիս հաշվարկել բազմաթիվ անհայտ մեծություններ, Թոմսոնի բանաձևն է (անունը ստացել է անգլիացի ֆիզիկոս Ուիլյամ Թոմսոնի պատվին, ով ստացել է այն 1853 թվականին).
-
T=2p(LC)1/2.
T - էլեկտրամագնիսական տատանումների ժամանակաշրջան, L և C - համապատասխանաբար, տատանողական շղթայի կծիկի ինդուկտիվությունը և շղթայի տարրերի հզորությունը, p - թիվ pi.
Q գործոն
Կա ևս մեկ կարևոր արժեք, որը բնութագրում է շղթայի աշխատանքը՝ որակի գործոնը: Հասկանալու համար, թե դա ինչ է, պետք է դիմել այնպիսի գործընթացի, ինչպիսին ռեզոնանսն է։ Սա մի երևույթ է, որի դեպքում ամպլիտուդան դառնում է առավելագույն՝ այս տատանումն ապահովող ուժի հաստատուն արժեքով: Ռեզոնանսը կարելի է բացատրել մի պարզ օրինակով. եթե դուք սկսեք ճոճանակը հրել իր հաճախականության ռիթմով, ապա այն կաճի, և նրա «ամպլիտուդությունը» կմեծանա։ Իսկ եթե ժամանակից դուրս մղես, դրանք կդանդաղեն։ Ռեզոնանսի ժամանակ շատ էներգիա հաճախ ցրվում է: Որպեսզի կարողանան հաշվարկել կորուստների մեծությունը, նրանք եկան այնպիսի պարամետր, ինչպիսին է որակի գործոնը։ Դա հարաբերակցության հավասար հարաբերակցություն էէներգիան համակարգում մեկ ցիկլում շղթայում տեղի ունեցող կորուստներին:
Շղթայի որակի գործակիցը հաշվարկվում է բանաձևով.
-
Q=(w0W)/P, որտեղ
w0 - ռեզոնանսային ցիկլային տատանումների հաճախականություն;
W - տատանողական համակարգում պահվող էներգիա;
P - էներգիայի ցրում:
Այս պարամետրը չափազուրկ արժեք է, քանի որ այն իրականում ցույց է տալիս էներգիայի հարաբերակցությունը՝ պահպանված և ծախսված:
Ինչ է իդեալական տատանողական շղթան
Այս համակարգում տեղի ունեցող գործընթացները ավելի լավ հասկանալու համար ֆիզիկոսները ստեղծեցին այսպես կոչված իդեալական տատանողական միացում: Սա մաթեմատիկական մոդել է, որը ներկայացնում է սխեման որպես զրոյական դիմադրություն ունեցող համակարգ: Այն առաջացնում է անխոնջ ներդաշնակ տատանումներ: Նման մոդելը հնարավորություն է տալիս ստանալ ուրվագծային պարամետրերի մոտավոր հաշվարկման բանաձևեր։ Այս պարամետրերից մեկը ընդհանուր էներգիան է՝
W=(LI2)/2.
Նման պարզեցումները զգալիորեն արագացնում են հաշվարկները և հնարավորություն են տալիս գնահատել շղթայի բնութագրերը տվյալ ցուցանիշներով։
Ինչպե՞ս է այն աշխատում:
Տատանողական շղթայի ամբողջ ցիկլը կարելի է բաժանել երկու մասի. Այժմ մենք մանրամասն կվերլուծենք յուրաքանչյուր մասում տեղի ունեցող գործընթացները։
- Առաջին փուլ. դրական լիցքավորված կոնդենսատորի թիթեղը սկսում է լիցքաթափվել՝ հոսանք տալով միացումին: Այս պահին հոսանքը դրական լիցքից անցնում է բացասականի՝ անցնելով կծիկի միջով։ Արդյունքում շղթայում տեղի են ունենում էլեկտրամագնիսական տատանումներ։ միջով անցնող հոսանքըկծիկ, գնում է դեպի երկրորդ թիթեղը և դրական լիցքավորում է այն (մինչդեռ առաջին թիթեղը, որտեղից հոսում էր հոսանքը, լիցքավորված է բացասական):
- Երկրորդ փուլ. տեղի է ունենում հակառակ գործընթացը: Դրական ափսեից (որը սկզբում բացասական էր) հոսանքն անցնում է դեպի բացասական՝ նորից անցնելով կծիկի միջով։ Եվ բոլոր մեղադրանքները տեղն են ընկնում։
Ցիկլը կրկնվում է այնքան ժամանակ, քանի դեռ կոնդենսատորի վրա լիցք կա: Իդեալական տատանողական շղթայում այս գործընթացը շարունակվում է անվերջ, իսկ իրականում էներգիայի կորուստներն անխուսափելի են տարբեր գործոնների պատճառով՝ ջեռուցում, որն առաջանում է շղթայում դիմադրության առկայության պատճառով (Ջուլի ջերմություն) և այլն։
Եզրագծային դիզայնի ընտրանքներ
Բացի պարզ «կծիկ-կոնդենսատոր» և «կծիկ-ռեզիստոր-կոնդենսատոր» սխեմաներից, կան նաև այլ տարբերակներ, որոնք օգտագործում են տատանողական միացում որպես հիմք: Սա, օրինակ, զուգահեռ միացում է, որը տարբերվում է նրանով, որ այն գոյություն ունի որպես էլեկտրական շղթայի տարր (քանի որ, եթե այն գոյություն ունենար առանձին, կլիներ մի շարք շղթա, որը քննարկվեց հոդվածում):
Կան նաև այլ տեսակի նախագծեր, որոնք ներառում են տարբեր էլեկտրական բաղադրիչներ: Օրինակ, դուք կարող եք միացնել տրանզիստորը ցանցին, որը կբացի և կփակի շղթան շղթայում տատանումների հաճախականությանը հավասար հաճախականությամբ: Այսպիսով, համակարգում կստեղծվեն չամրացված տատանումներ։
Որտե՞ղ է օգտագործվում տատանողական շղթան:
Շղթայի բաղադրիչների առավել ծանոթ կիրառությունը էլեկտրամագնիսներն են: Դրանք, իրենց հերթին, օգտագործվում են ինտերկոմների, էլեկտրական շարժիչների,սենսորներ և շատ այլ ոչ այնքան սովորական տարածքներում: Մեկ այլ կիրառություն տատանումների գեներատորն է: Իրականում, շղթայի այս օգտագործումը մեզ շատ ծանոթ է. այս ձևով այն օգտագործվում է միկրոալիքային վառարանում՝ ալիքներ ստեղծելու համար, իսկ բջջային և ռադիոկապի մեջ՝ տեղեկատվություն հեռավորության վրա փոխանցելու համար: Այս ամենը պայմանավորված է նրանով, որ էլեկտրամագնիսական ալիքների տատանումները կարող են կոդավորվել այնպես, որ հնարավոր դառնա տեղեկատվություն փոխանցել մեծ հեռավորությունների վրա։
Ինդուկտորն ինքնին կարող է օգտագործվել որպես տրանսֆորմատորի տարր. տարբեր քանակությամբ ոլորուններով երկու կծիկ կարող են իրենց լիցքը փոխանցել էլեկտրամագնիսական դաշտի միջոցով: Բայց քանի որ սոլենոիդների բնութագրերը տարբեր են, երկու սխեմաների ընթացիկ ցուցիչները, որոնց միացված են այս երկու ինդուկտորները, կտարբերվեն: Այսպիսով, հնարավոր է, ասենք, 220 վոլտ լարմամբ հոսանքը վերածել 12 վոլտ լարման հոսանքի։
Եզրակացություն
Մանրամասն վերլուծել ենք տատանողական շղթայի և նրա յուրաքանչյուր մասի աշխատանքի սկզբունքը առանձին։ Մենք իմացանք, որ տատանողական շղթան էլեկտրամագնիսական ալիքներ ստեղծելու համար նախատեսված սարք է։ Այնուամենայնիվ, սրանք միայն այս թվացյալ պարզ տարրերի բարդ մեխանիկայի հիմունքներն են: Շղթայի և դրա բաղադրիչների բարդությունների մասին ավելին կարող եք իմանալ մասնագիտացված գրականությունից:
