Litar berayun ialah peranti yang direka untuk menjana (mencipta) ayunan elektromagnet. Dari penubuhannya hingga ke hari ini, ia telah digunakan dalam banyak bidang sains dan teknologi: daripada kehidupan seharian kepada kilang besar yang menghasilkan pelbagai jenis produk.
Ia diperbuat daripada apa?
Litar berayun terdiri daripada gegelung dan kapasitor. Selain itu, ia juga mungkin mengandungi perintang (elemen dengan rintangan berubah-ubah). Induktor (atau solenoid, seperti yang kadang-kadang dipanggil) adalah rod yang dililit beberapa lapisan penggulungan, yang, sebagai peraturan, adalah dawai tembaga. Unsur inilah yang mencipta ayunan dalam litar berayun. Batang di tengah sering dipanggil pencekik atau teras, dan gegelung kadangkala dipanggil solenoid.
Gegelung litar berayun hanya berayun apabila terdapat cas yang disimpan. Apabila arus melaluinya, ia mengumpul cas, yang kemudiannya memancar ke litar jika voltan menurun.
Wayar gegelung biasanya mempunyai rintangan yang sangat sedikit, yang sentiasa kekal malar. Dalam litar litar berayun, perubahan voltan dan arus sangat kerap berlaku. Perubahan ini tertakluk kepada undang-undang matematik tertentu:
-
U=U0cos(w(t-t0), dengan
U ialah voltan semasa titik dalam masa t, U0 - voltan pada masa t0, w - kekerapan ayunan elektromagnet.
Satu lagi komponen penting litar ialah kapasitor elektrik. Ini adalah unsur yang terdiri daripada dua plat, yang dipisahkan oleh dielektrik. Dalam kes ini, ketebalan lapisan antara plat adalah kurang daripada saiznya. Reka bentuk ini membolehkan anda mengumpul cas elektrik pada dielektrik, yang kemudiannya boleh dipindahkan ke litar.
Perbezaan antara kapasitor dan bateri ialah tiada perubahan bahan di bawah tindakan arus elektrik, tetapi pengumpulan langsung cas dalam medan elektrik. Oleh itu, dengan bantuan kapasitor, adalah mungkin untuk mengumpul cas yang cukup besar, yang boleh diberikan sekaligus. Dalam kes ini, kekuatan semasa dalam litar meningkat dengan banyaknya.
Selain itu, litar berayun terdiri daripada satu lagi elemen: perintang. Elemen ini mempunyai rintangan dan direka untuk mengawal arus dan voltan dalam litar. Jika rintangan perintang dinaikkan pada voltan malar, maka kekuatan arus akan berkurangan mengikut undang-undangOma:
-
I=U/R, dengan
I ialah arus, U ialah voltan, R ialah rintangan.
Induktor
Mari kita lihat dengan lebih dekat semua kehalusan induktor dan lebih memahami fungsinya dalam litar berayun. Seperti yang telah kita katakan, rintangan unsur ini cenderung kepada sifar. Oleh itu, apabila disambungkan kepada litar DC, litar pintas akan berlaku. Walau bagaimanapun, jika anda menyambungkan gegelung ke litar AC, ia berfungsi dengan betul. Ini membolehkan anda membuat kesimpulan bahawa elemen itu menawarkan rintangan kepada arus ulang alik.
Tetapi mengapa ini berlaku dan bagaimana rintangan timbul dengan arus ulang alik? Untuk menjawab soalan ini, kita perlu beralih kepada fenomena seperti induksi diri. Apabila arus melalui gegelung, daya gerak elektrik (EMF) timbul di dalamnya, yang mewujudkan halangan untuk menukar arus. Magnitud daya ini bergantung kepada dua faktor: induktansi gegelung dan terbitan kekuatan semasa berkenaan dengan masa. Secara matematik, pergantungan ini dinyatakan melalui persamaan:
-
E=-LI'(t), dengan
E ialah nilai EMF, L ialah nilai kearuhan gegelung (untuk setiap gegelung ia berbeza dan bergantung pada bilangan gegelung belitan dan ketebalannya), I'(t) - terbitan kekuatan semasa berkenaan dengan masa (kadar perubahan kekuatan semasa).
Kekuatan arus terus tidak berubah dari semasa ke semasa, jadi tiada rintangan apabila terdedah kepadanya.
Tetapi dengan arus ulang alik, semua parameternya sentiasa berubah mengikut hukum sinusoidal atau kosinus,akibatnya, timbul EMF yang menghalang perubahan ini. Rintangan sedemikian dipanggil induktif dan dikira dengan formula:
- XL =wL
Arus dalam solenoid secara linear meningkat dan menurun mengikut pelbagai undang-undang. Ini bermakna jika anda menghentikan bekalan semasa ke gegelung, ia akan terus memberi cas kepada litar untuk beberapa lama. Dan jika pada masa yang sama bekalan semasa tiba-tiba terganggu, maka kejutan akan berlaku kerana fakta bahawa caj akan cuba diedarkan dan keluar dari gegelung. Ini adalah masalah serius dalam pengeluaran perindustrian. Kesan sedemikian (walaupun tidak sepenuhnya berkaitan dengan litar berayun) boleh diperhatikan, sebagai contoh, apabila menarik palam keluar dari soket. Pada masa yang sama, percikan api melompat, yang pada skala sedemikian tidak dapat membahayakan seseorang. Ia disebabkan oleh fakta bahawa medan magnet tidak hilang serta-merta, tetapi secara beransur-ansur hilang, mendorong arus dalam konduktor lain. Pada skala perindustrian, kekuatan semasa adalah berkali ganda lebih besar daripada 220 volt yang biasa kita gunakan, jadi apabila litar terganggu dalam pengeluaran, percikan api kekuatan sedemikian boleh berlaku yang menyebabkan banyak kemudaratan kepada kedua-dua loji dan orang itu.
Gegelung ialah asas kepada litar berayun. Kearuhan solenoid dalam siri menambah. Seterusnya, kita akan melihat dengan lebih dekat semua kehalusan struktur elemen ini.
Apakah itu kearuhan?
Kearuhan gegelung litar berayun ialah penunjuk individu secara berangka sama dengan daya gerak elektrik (dalam volt) yang berlaku dalam litar apabilaperubahan arus sebanyak 1 A dalam 1 saat. Jika solenoid disambungkan kepada litar DC, maka kearuhannya menerangkan tenaga medan magnet yang dicipta oleh arus ini mengikut formula:
-
W=(LI2)/2, dengan
W ialah tenaga medan magnet.
Faktor kearuhan bergantung kepada banyak faktor: pada geometri solenoid, pada ciri magnet teras dan pada bilangan gegelung wayar. Satu lagi sifat penunjuk ini ialah ia sentiasa positif, kerana pembolehubah yang bergantung padanya tidak boleh negatif.
Kearuhan juga boleh ditakrifkan sebagai sifat konduktor pembawa arus untuk menyimpan tenaga dalam medan magnet. Ia diukur dalam Henry (dinamakan sempena saintis Amerika Joseph Henry).
Selain solenoid, litar berayun terdiri daripada kapasitor, yang akan dibincangkan kemudian.
Kapasitor Elektrik
Kemuatan litar berayun ditentukan oleh kemuatan kapasitor elektrik. Mengenai penampilannya ditulis di atas. Sekarang mari kita analisa fizik proses yang berlaku di dalamnya.
Oleh kerana plat kapasitor diperbuat daripada konduktor, arus elektrik boleh mengalir melaluinya. Walau bagaimanapun, terdapat halangan antara kedua-dua plat: dielektrik (ia boleh menjadi udara, kayu atau bahan lain dengan rintangan yang tinggi. Disebabkan oleh fakta bahawa cas tidak boleh bergerak dari satu hujung wayar ke hujung yang lain, ia terkumpul pada plat kapasitor. Ini meningkatkan kuasa medan magnet dan elektrik di sekelilingnya.elektrik yang terkumpul pada plat mula dipindahkan ke litar.
Setiap kapasitor mempunyai penarafan voltan yang optimum untuk operasinya. Jika elemen ini dikendalikan untuk masa yang lama pada voltan di atas voltan undian, hayat perkhidmatannya berkurangan dengan ketara. Kapasitor litar berayun sentiasa dipengaruhi oleh arus, oleh itu, apabila memilihnya, anda harus berhati-hati.
Selain kapasitor biasa yang dibincangkan, terdapat juga ionistor. Ini adalah elemen yang lebih kompleks: ia boleh digambarkan sebagai persilangan antara bateri dan kapasitor. Sebagai peraturan, bahan organik berfungsi sebagai dielektrik dalam ionistor, di antaranya terdapat elektrolit. Bersama-sama mereka mencipta lapisan elektrik berganda, yang membolehkan anda terkumpul dalam reka bentuk ini berkali ganda lebih banyak tenaga daripada dalam kapasitor tradisional.
Apakah kapasitansi pemuat?
Kapasitansi pemuat ialah nisbah cas pemuat kepada voltan di mana ia terletak. Anda boleh mengira nilai ini dengan mudah menggunakan formula matematik:
-
C=(e0S)/d, dengan
e0 ialah kebolehtepatan bahan dielektrik (nilai jadual), S - luas plat kapasitor, d - jarak antara plat.
Pergantungan kapasitansi kapasitor pada jarak antara plat dijelaskan oleh fenomena aruhan elektrostatik: semakin kecil jarak antara plat, semakin kuat ia mempengaruhi satu sama lain (mengikut hukum Coulomb), lebih besar cas plat dan lebih rendah voltan. Dan apabila voltan berkurangannilai kemuatan meningkat, kerana ia juga boleh diterangkan dengan formula berikut:
-
C=q/U, dengan
q ialah cas dalam coulomb.
Adalah berbaloi untuk bercakap tentang unit kuantiti ini. Kapasitansi diukur dalam farad. 1 farad ialah nilai yang cukup besar sehinggakan kapasitor sedia ada (tetapi bukan ionistor) mempunyai kapasitansi yang diukur dalam picofarad (satu trilion farad).
Perintang
Arus dalam litar berayun juga bergantung pada rintangan litar. Dan sebagai tambahan kepada dua elemen yang diterangkan yang membentuk litar berayun (gegelung, kapasitor), terdapat juga yang ketiga - perintang. Dia bertanggungjawab untuk mencipta tentangan. Perintang berbeza daripada elemen lain kerana ia mempunyai rintangan yang besar, yang boleh diubah dalam beberapa model. Dalam litar berayun, ia melaksanakan fungsi pengatur kuasa medan magnet. Anda boleh menyambung beberapa perintang secara bersiri atau selari, dengan itu meningkatkan rintangan litar.
Rintangan unsur ini juga bergantung pada suhu, jadi anda harus berhati-hati tentang operasinya dalam litar, kerana ia menjadi panas apabila arus mengalir.
Rintangan perintang diukur dalam Ohm, dan nilainya boleh dikira menggunakan formula:
-
R=(pl)/S, dengan
p ialah kerintangan bahan perintang (diukur dalam (Ohmmm2)/m);
l - panjang perintang (dalam meter);
S - luas keratan (dalam milimeter persegi).
Bagaimana untuk memautkan parameter laluan?
Sekarang kita mendekati fizikpengendalian litar berayun. Dari masa ke masa, cas pada plat kapasitor berubah mengikut persamaan pembezaan tertib kedua.
Jika anda menyelesaikan persamaan ini, beberapa formula menarik mengikuti daripadanya, menerangkan proses yang berlaku dalam litar. Sebagai contoh, kekerapan kitaran boleh dinyatakan dari segi kemuatan dan kearuhan.
Namun, formula paling mudah yang membolehkan anda mengira banyak kuantiti yang tidak diketahui ialah formula Thomson (dinamakan sempena ahli fizik Inggeris William Thomson, yang memperolehnya pada tahun 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - tempoh ayunan elektromagnet, L dan C - masing-masing, kearuhan gegelung litar berayun dan kemuatan elemen litar, p - nombor pi.
faktor Q
Terdapat satu lagi nilai penting yang mencirikan pengendalian litar - faktor kualiti. Untuk memahami apa itu, seseorang harus beralih kepada proses seperti resonans. Ini adalah fenomena di mana amplitud menjadi maksimum dengan nilai malar daya yang menyokong ayunan ini. Resonans boleh dijelaskan dengan contoh mudah: jika anda mula menolak ayunan mengikut rentak frekuensinya, maka ia akan mempercepatkan, dan "amplitud"nya akan meningkat. Dan jika anda menolak masa, mereka akan perlahan. Pada resonans, banyak tenaga sering hilang. Untuk dapat mengira magnitud kerugian, mereka menghasilkan parameter seperti faktor kualiti. Ia adalah nisbah yang sama dengan nisbahtenaga dalam sistem kepada kerugian yang berlaku dalam litar dalam satu kitaran.
Faktor kualiti litar dikira dengan formula:
-
Q=(w0W)/P, di mana
w0 - frekuensi ayunan kitaran resonans;
W - tenaga yang disimpan dalam sistem ayunan;
P - pelesapan kuasa.
Parameter ini ialah nilai tanpa dimensi, kerana ia sebenarnya menunjukkan nisbah tenaga: disimpan kepada dibelanjakan.
Apakah litar berayun yang ideal
Untuk pemahaman yang lebih baik tentang proses dalam sistem ini, ahli fizik menghasilkan apa yang dipanggil litar berayun ideal. Ini adalah model matematik yang mewakili litar sebagai sistem dengan rintangan sifar. Ia menghasilkan ayunan harmonik yang tidak terendam. Model sedemikian memungkinkan untuk mendapatkan formula untuk pengiraan anggaran parameter kontur. Salah satu parameter ini ialah jumlah tenaga:
W=(LI2)/2.
Pemudahan sedemikian mempercepatkan pengiraan dengan ketara dan membolehkan anda menilai ciri litar dengan penunjuk yang diberikan.
Bagaimana ia berfungsi?
Keseluruhan kitaran litar berayun boleh dibahagikan kepada dua bahagian. Sekarang kami akan menganalisis secara terperinci proses yang berlaku dalam setiap bahagian.
- Fasa pertama: Plat kapasitor bercas positif mula dinyahcas, memberikan arus kepada litar. Pada masa ini, arus pergi dari cas positif ke negatif, melalui gegelung. Akibatnya, ayunan elektromagnet berlaku dalam litar. arus yang melaluigegelung, pergi ke plat kedua dan mengecasnya secara positif (manakala plat pertama, dari mana arus mengalir, dicas secara negatif).
- Fasa kedua: proses sebaliknya berlaku. Arus mengalir dari plat positif (yang negatif pada awalnya) ke negatif, melalui semula gegelung. Dan semua pertuduhan berlaku.
Kitaran berulang selagi terdapat cas pada kapasitor. Dalam litar berayun yang ideal, proses ini berterusan tanpa henti, tetapi dalam keadaan sebenar, kehilangan tenaga tidak dapat dielakkan disebabkan oleh pelbagai faktor: pemanasan, yang berlaku disebabkan kewujudan rintangan dalam litar (haba Joule), dan seumpamanya.
Pilihan reka bentuk kontur
Selain litar "kapasitor-gegelung" dan "kapasitor-gegelung-perintang" ringkas, terdapat pilihan lain yang menggunakan litar berayun sebagai asas. Ini, sebagai contoh, ialah litar selari, yang berbeza kerana ia wujud sebagai elemen litar elektrik (kerana, jika ia wujud secara berasingan, ia akan menjadi litar bersiri, yang telah dibincangkan dalam artikel).
Terdapat juga jenis reka bentuk lain yang merangkumi komponen elektrik yang berbeza. Sebagai contoh, anda boleh menyambungkan transistor ke rangkaian, yang akan membuka dan menutup litar dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi ayunan dalam litar. Oleh itu, ayunan tidak lembap akan diwujudkan dalam sistem.
Di manakah litar berayun digunakan?
Aplikasi komponen litar yang paling biasa ialah elektromagnet. Mereka, sebaliknya, digunakan dalam interkom, motor elektrik,penderia dan dalam banyak kawasan lain yang tidak begitu biasa. Aplikasi lain ialah penjana ayunan. Sebenarnya, penggunaan litar ini sangat biasa kepada kami: dalam bentuk ini ia digunakan dalam gelombang mikro untuk mencipta gelombang dan dalam komunikasi mudah alih dan radio untuk menghantar maklumat dari jauh. Semua ini disebabkan oleh fakta bahawa ayunan gelombang elektromagnet boleh dikodkan sedemikian rupa sehingga ia menjadi mungkin untuk menghantar maklumat pada jarak yang jauh.
Aruh itu sendiri boleh digunakan sebagai elemen pengubah: dua gegelung dengan bilangan belitan yang berbeza boleh memindahkan casnya menggunakan medan elektromagnet. Tetapi oleh kerana ciri-ciri solenoid adalah berbeza, penunjuk semasa dalam dua litar yang kedua-dua induktor ini disambungkan akan berbeza. Oleh itu, adalah mungkin untuk menukar arus dengan voltan, katakan, 220 volt kepada arus dengan voltan 12 volt.
Kesimpulan
Kami telah menganalisis secara terperinci prinsip pengendalian litar berayun dan setiap bahagiannya secara berasingan. Kami mengetahui bahawa litar berayun ialah peranti yang direka untuk mencipta gelombang elektromagnet. Walau bagaimanapun, ini hanyalah asas mekanik kompleks unsur-unsur yang kelihatan mudah ini. Anda boleh mengetahui lebih lanjut tentang kerumitan litar dan komponennya daripada kesusasteraan khusus.
