Võnkeahel on seade, mis on loodud elektromagnetiliste võnkumiste tekitamiseks (tekitamiseks). Alates selle loomisest kuni tänapäevani on seda kasutatud paljudes teaduse ja tehnoloogia valdkondades: igapäevaelust kuni tohutute tehasteni, mis toodavad väga erinevaid tooteid.
Millest see tehtud on?
Võnkeahel koosneb mähist ja kondensaatorist. Lisaks võib see sisaldada ka takistit (muutuva takistusega elementi). Induktor (või solenoid, nagu seda mõnikord nimetatakse) on varras, millele on keritud mitu kihti mähist, mis reeglina on vasktraat. Just see element tekitab võnkeahelas võnkeid. Keskel olevat varda nimetatakse sageli drosseliks või südamikuks ja mähist nimetatakse mõnikord solenoidiks.
Võnkuahela mähis võngub ainult siis, kui on salvestatud laeng. Kui vool seda läbib, koguneb see laeng, mille pinge langedes seejärel vooluringile välja annab.
Pooljuhtmetel on tavaliselt väga väike takistus, mis jääb alati konstantseks. Võnkeahela ahelas toimub väga sageli pinge ja voolu muutus. Selle muudatuse suhtes kehtivad teatud matemaatilised seadused:
-
U=U0cos(w(t-t0), kus
U on praegune pinge ajahetk t, U0 - pinge ajahetkel t0, w - sagedus elektromagnetilised võnkumised.
Teine vooluahela lahutamatu komponent on elektrikondensaator. See on element, mis koosneb kahest plaadist, mis on eraldatud dielektrikuga. Sel juhul on plaatide vahelise kihi paksus väiksem kui nende suurused. See konstruktsioon võimaldab teil koguda dielektrikule elektrilaengu, mille saab seejärel ahelasse üle kanda.
Kondensaatori ja aku erinevus seisneb selles, et elektrivoolu toimel ei toimu ainete muundumist, vaid laeng toimub otse elektriväljas. Seega on kondensaatori abil võimalik koguda piisav alt suur laeng, mille saab korraga ära anda. Sel juhul suureneb voolutugevus ahelas oluliselt.
Samuti koosneb võnkeahel veel ühest elemendist: takistist. Sellel elemendil on takistus ja see on mõeldud voolu ja pinge juhtimiseks vooluringis. Kui takisti takistust konstantsel pingel suurendada, siis voolutugevus seaduse järgi vähenebOma:
-
I=U/R, kus
I on vool, U on pinge, R on takistus.
Induktor
Vaatame lähem alt kõiki induktiivpooli peensusi ja mõistame paremini selle funktsiooni võnkeahelas. Nagu me juba ütlesime, kipub selle elemendi takistus nulli. Seega tekiks alalisvooluahelaga ühendamisel lühis. Kui aga ühendate mähise vahelduvvooluahelaga, töötab see korralikult. See võimaldab järeldada, et element pakub vastupidavust vahelduvvoolule.
Aga miks see juhtub ja kuidas tekib takistus vahelduvvoolu korral? Sellele küsimusele vastamiseks peame pöörduma sellise nähtuse poole nagu eneseinduktsioon. Kui vool läbib mähist, tekib selles elektromotoorjõud (EMF), mis takistab voolu muutmist. Selle jõu suurus sõltub kahest tegurist: pooli induktiivsusest ja voolutugevuse tuletisest aja suhtes. Matemaatiliselt väljendatakse seda sõltuvust võrrandiga:
-
E=-LI'(t), kus
E on EMF väärtus, L on pooli induktiivsuse väärtus (iga mähise puhul on see erinev ja sõltub mähise mähiste arvu ja nende paksuste kohta), I'(t) - voolutugevuse tuletis aja suhtes (voolutugevuse muutumise kiirus).
Alalisvoolu tugevus aja jooksul ei muutu, seega pole sellega kokkupuutel takistust.
Kuid vahelduvvoolu korral muutuvad kõik selle parameetrid pidev alt vastav alt sinusoidaalsele või koosinusseadusele,selle tulemusena tekib EMF, mis takistab neid muutusi. Sellist takistust nimetatakse induktiivseks ja see arvutatakse järgmise valemiga:
- XL =wL
Solenoidi vool suureneb ja väheneb lineaarselt vastav alt erinevatele seadustele. See tähendab, et kui peatate mähise voolu andmise, jätkab see vooluahelale mõnda aega laengu andmist. Ja kui samal ajal vooluvarustus järsult katkeb, tekib šokk, kuna laeng proovib jaotada ja mähist väljuda. See on tööstuslikus tootmises tõsine probleem. Sellist efekti (ehkki mitte täielikult võnkeahelaga seotud) võib täheldada näiteks pistiku pistikupesast välja tõmbamisel. Samal ajal hüppab säde, mis sellisel skaalal ei suuda inimest kahjustada. See on tingitud asjaolust, et magnetväli ei kao kohe, vaid hajub järk-järgult, kutsudes esile voolud teistes juhtides. Tööstuslikus mastaabis on voolutugevus kordades suurem kui meile harjumuspärane 220 volti, nii et vooluahela katkemisel tootmises võivad tekkida sellise tugevusega sädemed, mis teevad palju kahju nii taimele kui inimesele.
Pool on aluseks sellele, millest võnkeahel koosneb. Jadas olevate solenoidide induktiivsused liidetakse. Järgmisena vaatleme lähem alt kõiki selle elemendi struktuuri peensusi.
Mis on induktiivsus?
Võnkuahela mähise induktiivsus on individuaalne näitaja, mis on arvuliselt võrdne elektromotoorjõuga (voltides), mis tekib ahelas, kuivoolu muutus 1 A võrra 1 sekundi jooksul. Kui solenoid on ühendatud alalisvooluahelaga, siis selle induktiivsus kirjeldab selle voolu poolt tekitatava magnetvälja energiat vastav alt valemile:
-
W=(LI2)/2, kus
W on magnetvälja energia.
Induktiivsustegur sõltub paljudest teguritest: solenoidi geomeetriast, südamiku magnetilistest omadustest ja traadi mähiste arvust. Selle indikaatori teine omadus on see, et see on alati positiivne, kuna muutujad, millest see sõltub, ei saa olla negatiivsed.
Induktiivsust võib määratleda ka kui voolu juhtiva juhtme omadust salvestada energiat magnetvälja. Seda mõõdetakse Henry järgi (nimetatud Ameerika teadlase Joseph Henry järgi).
Võnkeahel koosneb lisaks solenoidile kondensaatorist, millest tuleb juttu hiljem.
Elektriline kondensaator
Võnkuahela mahtuvus määratakse elektrikondensaatori mahtuvuse järgi. Tema välimuse kohta kirjutati eespool. Nüüd analüüsime selles toimuvate protsesside füüsikat.
Kuna kondensaatoriplaadid on valmistatud juhist, võib neist läbi voolata elektrivool. Kahe plaadi vahel on aga takistus: dielektrik (see võib olla õhk, puit või muu suure takistusega materjal. Kuna laeng ei saa liikuda traadi ühest otsast teise, koguneb see juhtmele. kondensaatorplaadid. See suurendab seda ümbritsevate magnet- ja elektriväljade võimsust.plaatidele kogunenud elekter hakkab ahelasse kanduma.
Igal kondensaatoril on selle tööks optimaalne nimipinge. Kui seda elementi kasutatakse pikka aega nimipingest kõrgemal pingel, väheneb selle kasutusiga oluliselt. Võnkuahela kondensaatorit mõjutavad pidev alt voolud ja seetõttu peaksite selle valimisel olema äärmiselt ettevaatlik.
Lisaks tavalistele kondensaatoritele, millest räägiti, on olemas ka ionistorid. See on keerulisem element: seda võib kirjeldada kui aku ja kondensaatori ristumist. Reeglina toimivad orgaanilised ained dielektrikuna ionistoris, mille vahel on elektrolüüt. Koos loovad need kahekordse elektrikihi, mis võimaldab teil selles konstruktsioonis koguda mitu korda rohkem energiat kui traditsioonilises kondensaatoris.
Mis on kondensaatori mahtuvus?
Kondensaatori mahtuvus on kondensaatori laengu suhe pingesse, mille all see asub. Selle väärtuse saate arvutada väga lihts alt, kasutades matemaatilist valemit:
-
C=(e0S)/d, kus
e0 on dielektrilise materjali läbitavus (tabeli väärtus), S - kondensaatoriplaatide pindala, d - plaatide vaheline kaugus.
Kondensaatori mahtuvuse sõltuvust plaatide vahelisest kaugusest seletatakse elektrostaatilise induktsiooni nähtusega: mida väiksem on plaatide vaheline kaugus, seda tugevam alt need üksteist mõjutavad (Coulombi seaduse järgi), suurem plaatide laeng ja madalam pinge. Ja kui pinge vähenebmahtuvuse väärtus suureneb, kuna seda saab kirjeldada ka järgmise valemiga:
-
C=q/U, kus
q on laeng kulonides.
Selle koguse ühikutest tasub rääkida. Mahtuvust mõõdetakse faraadides. 1 farad on piisav alt suur väärtus, et olemasolevate kondensaatorite (kuid mitte ionistorite) mahtuvus mõõdetakse pikofaradides (üks triljon farad).
Takisti
Võnkuahela vool sõltub ka vooluahela takistusest. Ja lisaks kahele kirjeldatud elemendile, mis moodustavad võnkeahela (mähised, kondensaatorid), on olemas ka kolmas - takisti. Ta vastutab vastupanu tekitamise eest. Takisti erineb teistest elementidest selle poolest, et sellel on suur takistus, mida saab mõnel mudelil muuta. Võnkuahelas täidab see magnetvälja võimsusregulaatori funktsiooni. Saate ühendada mitu takistit järjest või paralleelselt, suurendades seeläbi vooluahela takistust.
Selle elemendi takistus sõltub ka temperatuurist, seega peaksite olema ettevaatlik selle töö suhtes vooluringis, kuna see kuumeneb voolu läbimisel.
Takisti takistust mõõdetakse oomides ja selle väärtuse saab arvutada järgmise valemi abil:
-
R=(pl)/S, kus
p on takisti materjali eritakistus (mõõdetuna (Ohmmm2)/m);
l – takisti pikkus (meetrites);
S – ristlõike pindala (ruutmillimeetrites).
Kuidas linkida tee parameetreid?
Nüüd jõuame füüsikale lähedalevõnkeahela töö. Aja jooksul muutub kondensaatoriplaatide laeng vastav alt teist järku diferentsiaalvõrrandile.
Kui selle võrrandi lahendada, järgneb sellest mitu huvitavat valemit, mis kirjeldavad ahelas toimuvaid protsesse. Näiteks võib tsüklilist sagedust väljendada mahtuvuse ja induktiivsusena.
Lihtsaim valem, mis võimaldab arvutada palju tundmatuid suurusi, on Thomsoni valem (nimetatud inglise füüsiku William Thomsoni järgi, kes tuletas selle 1853. aastal):
-
T=2p(LC)1/2.
T – elektromagnetiliste võnkumiste periood, L ja C - vastav alt võnkeahela mähise induktiivsus ja vooluahela elementide mahtuvus, p - arv pi.
Q tegur
On veel üks oluline väärtus, mis iseloomustab ahela tööd – kvaliteeditegur. Selleks, et mõista, mis see on, tuleks pöörduda sellise protsessi poole nagu resonants. See on nähtus, mille puhul amplituud muutub maksimaalseks seda võnkumist toetava jõu konstantse väärtusega. Resonantsi saab seletada lihtsa näitega: kui hakkate kiike selle sageduse taktis suruma, siis see kiireneb ja selle "amplituud" suureneb. Ja kui aja maha surute, siis need aeglustuvad. Resonantsi ajal hajub sageli palju energiat. Kadude suuruse arvutamiseks pakkusid nad välja sellise parameetri nagu kvaliteeditegur. See on suhe, mis on võrdne suhtegaenergia süsteemis ühe tsükli jooksul ahelas tekkivatele kadudele.
Ahela kvaliteeditegur arvutatakse järgmise valemiga:
-
Q=(w0W)/P, kus
w0 - resonantstsükliline võnkesagedus;
W - võnkesüsteemi salvestatud energia;
P - võimsuse hajumine.
See parameeter on mõõtmeteta väärtus, kuna see näitab tegelikult energia suhet: salvestatud ja kulutatud.
Mis on ideaalne võnkeahel
Selles süsteemis toimuvate protsesside paremaks mõistmiseks tulid füüsikud välja nn ideaalse võnkeahelaga. See on matemaatiline mudel, mis kujutab vooluahelat nulltakistusega süsteemina. See tekitab summutamata harmoonilisi võnkumisi. Selline mudel võimaldab saada valemeid kontuuriparameetrite ligikaudseks arvutamiseks. Üks neist parameetritest on koguenergia:
W=(LI2)/2.
Sellised lihtsustused kiirendavad oluliselt arvutusi ja võimaldavad hinnata vooluringi omadusi etteantud näitajatega.
Kuidas see töötab?
Kogu võnkeahela tsükli võib jagada kaheks osaks. Nüüd analüüsime üksikasjalikult igas osas toimuvaid protsesse.
- Esimene faas: positiivselt laetud kondensaatoriplaat hakkab tühjenema, andes vooluahelale voolu. Sel hetkel läheb vool positiivselt laengult negatiivseks, läbides pooli. Selle tulemusena tekivad ahelas elektromagnetilised võnked. läbiv voolmähis, läheb teisele plaadile ja laeb seda positiivselt (samas kui esimene plaat, millelt vool voolas, laetakse negatiivselt).
- Teine faas: toimub vastupidine protsess. Vool läheb positiivselt plaadilt (mis oli alguses negatiivne) negatiivsesse, läbides uuesti mähise. Ja kõik süüdistused langevad paika.
Tsükkel kordub seni, kuni kondensaator on laetud. Ideaalses võnkeahelas kestab see protsess lõputult, kuid reaalses on energiakaod vältimatud erinevate tegurite mõjul: kuumenemine, mis tekib ahelas takistuse olemasolust (Joule heat) jms.
Kontuuride kujundamise võimalused
Lihtsate "mähis-kondensaatori" ja "mähise-takisti-kondensaatori" ahelate kõrval on ka teisi võimalusi, mis kasutavad võnkeahelat. See on näiteks paralleelahel, mis erineb selle poolest, et see eksisteerib elektriahela elemendina (sest kui see eksisteeriks eraldi, oleks see jadaahel, millest oli artiklis juttu).
On ka teist tüüpi konstruktsioone, mis sisaldavad erinevaid elektrikomponente. Näiteks saate võrku ühendada transistori, mis avab ja sulgeb ahela sagedusega, mis on võrdne ahela võnkesagedusega. Seega tekivad süsteemis summutamata võnkumised.
Kus kasutatakse võnkeahelat?
Skeemikomponentide tuntuim rakendus on elektromagnetid. Neid kasutatakse omakorda sisetelefonides, elektrimootorites,andurid ja paljudes teistes mitte nii tavalistes piirkondades. Teine rakendus on võnkegeneraator. Tegelikult on see vooluringi kasutamine meile väga tuttav: sellisel kujul kasutatakse seda mikrolaineahjus lainete tekitamiseks ning mobiil- ja raadiosides teabe edastamiseks vahemaa tagant. Kõik see on tingitud asjaolust, et elektromagnetlainete võnkumisi saab kodeerida nii, et muutub võimalikuks teabe edastamine pikkade vahemaade taha.
Induktorit ennast saab kasutada trafo elemendina: kaks erineva mähiste arvuga mähist saavad oma laengu elektromagnetvälja abil üle kanda. Kuid kuna solenoidide omadused on erinevad, erinevad voolunäidikud kahes ahelas, millega need kaks induktiivpooli on ühendatud. Seega on võimalik näiteks 220-voldise pingega voolu muundada 12-voldise pingega vooluks.
Järeldus
Oleme üksikasjalikult analüüsinud võnkeahela ja iga selle osa tööpõhimõtet eraldi. Saime teada, et võnkeahel on seade, mis on loodud elektromagnetlainete tekitamiseks. Need on aga vaid nende näiliselt lihtsate elementide keeruka mehaanika põhitõed. Ahela ja selle komponentide keerukuse kohta saate lisateavet erialakirjandusest.
