Хэлбэлзлийн хэлхээ нь цахилгаан соронзон хэлбэлзлийг үүсгэх (бүтээх) зориулалттай төхөөрөмж юм. Үүссэн цагаасаа өнөөг хүртэл өдөр тутмын амьдралаас эхлээд олон төрлийн бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэдэг асар том үйлдвэр хүртэл шинжлэх ухаан, технологийн олон салбарт ашиглагдаж ирсэн.
Юунаас бүтсэн бэ?
Тусгалтын хэлхээ нь ороомог ба конденсатораас бүрдэнэ. Үүнээс гадна эсэргүүцэл (хувьсах эсэргүүцэлтэй элемент) агуулж болно. Индуктор (эсвэл соленоид гэж нэрлэдэг) нь хэд хэдэн давхар ороомог ороосон саваа бөгөөд энэ нь дүрмээр бол зэс утас юм. Энэ элемент нь хэлбэлзлийн хэлхээнд хэлбэлзлийг үүсгэдэг. Дунд хэсэгт байгаа савааг багалзуур эсвэл гол гэж нэрлэдэг ба ороомогыг заримдаа соленоид гэж нэрлэдэг.
Хэлцлийн хэлхээний ороомог зөвхөн хуримтлагдсан цэнэгтэй үед хэлбэлздэг. Түүгээр гүйдэл дамжих үед цэнэг хуримтлуулж, хүчдэл унавал энэ нь хэлхээнд өгдөг.
Ороомог утаснууд нь ихэвчлэн маш бага эсэргүүцэлтэй байдаг бөгөөд энэ нь үргэлж тогтмол байдаг. Хэлбэлзэх хэлхээний хэлхээнд хүчдэл ба гүйдлийн өөрчлөлт ихэвчлэн тохиолддог. Энэ өөрчлөлт нь математикийн тодорхой хуулиудад хамаарна:
-
U=U0cos(w(t-t0), энд
U нь одоогийн хүчдэл юм t хугацааны цэг, U0 - t0 үеийн хүчдэл, w - давтамж цахилгаан соронзон хэлбэлзэл.
Хэлхээний өөр нэг салшгүй бүрэлдэхүүн хэсэг бол цахилгаан конденсатор юм. Энэ нь диэлектрикээр тусгаарлагдсан хоёр хавтангаас бүрдэх элемент юм. Энэ тохиолдолд ялтсуудын хоорондох давхаргын зузаан нь тэдгээрийн хэмжээнээс бага байна. Энэ загвар нь диэлектрик дээр цахилгаан цэнэгийг хуримтлуулах боломжийг олгодог бөгөөд дараа нь түүнийг хэлхээнд шилжүүлэх боломжтой.
Конденсатор ба батерейны ялгаа нь цахилгаан гүйдлийн нөлөөгөөр бодисын хувирал явагдахгүй, харин цахилгаан талбайд шууд цэнэг хуримтлагддагт оршино. Тиймээс конденсаторын тусламжтайгаар хангалттай их хэмжээний цэнэгийг хуримтлуулах боломжтой бөгөөд үүнийг нэг дор өгөх боломжтой. Энэ тохиолдолд хэлхээний гүйдлийн хүч ихээхэн нэмэгддэг.
Мөн хэлбэлзлийн хэлхээ нь резистор гэсэн өөр нэг элементээс бүрдэнэ. Энэ элемент нь эсэргүүцэлтэй бөгөөд хэлхээний гүйдэл ба хүчдэлийг хянах зориулалттай. Хэрэв резисторын эсэргүүцэл тогтмол хүчдэлд нэмэгдвэл одоогийн хүч нь хуулийн дагуу буурнаОма:
-
I=U/R, энд
I гүйдэл, U хүчдэл, R эсэргүүцэл.
Индуктор
Индукторын бүх нарийн ширийн зүйлийг нарийвчлан авч үзээд түүний хэлбэлзлийн хэлхээн дэх үүргийг илүү сайн ойлгоцгооё. Өмнө дурьдсанчлан, энэ элементийн эсэргүүцэл нь тэг байх хандлагатай байдаг. Тиймээс тогтмол гүйдлийн хэлхээнд холбогдсон үед богино холболт үүснэ. Гэсэн хэдий ч, хэрэв та ороомогыг хувьсах гүйдлийн хэлхээнд холбовол энэ нь зөв ажилладаг. Энэ нь тухайн элемент нь хувьсах гүйдлийг эсэргүүцдэг гэж дүгнэх боломжийг олгоно.
Гэхдээ яагаад ийм зүйл тохиолддог вэ, хувьсах гүйдлийн үед эсэргүүцэл хэрхэн үүсдэг вэ? Энэ асуултад хариулахын тулд бид өөрийгөө индукц гэх мэт үзэгдэл рүү хандах хэрэгтэй. Ороомогоор гүйдэл дамжих үед түүний дотор цахилгаан хөдөлгөгч хүч (EMF) үүсдэг бөгөөд энэ нь гүйдлийг өөрчлөхөд саад болдог. Энэ хүчний хэмжээ нь хоёр хүчин зүйлээс хамаарна: ороомгийн индукц ба цаг хугацааны одоогийн хүч чадлын дериватив. Математикийн хувьд энэ хамаарлыг тэгшитгэлээр илэрхийлнэ:
-
E=-LI'(t), энд
E нь EMF утга, L нь ороомгийн индукцийн утга (ороомог бүрийн хувьд энэ нь өөр бөгөөд үүнээс хамаарна) ороомгийн ороомгийн тоо ба тэдгээрийн зузаан дээр), I'(t) - цаг хугацааны хувьд одоогийн хүч чадлын дериватив (гүйдлийн хүч чадлын өөрчлөлтийн хурд).
Шууд гүйдлийн хүч цаг хугацааны явцад өөрчлөгддөггүй тул гүйдэлд өртөхөд эсэргүүцэл байхгүй болно.
Гэхдээ хувьсах гүйдлийн үед түүний бүх параметрүүд нь синусоид эсвэл косинусын хуулийн дагуу байнга өөрчлөгдөж байдаг. Үүний үр дүнд эдгээр өөрчлөлтөөс урьдчилан сэргийлэх EMF үүсдэг. Ийм эсэргүүцлийг индуктив гэж нэрлэдэг бөгөөд дараах томъёогоор тооцоолно:
- XL =wL
Соленоид дахь гүйдэл янз бүрийн хуулийн дагуу шугаман нэмэгдэж, буурч байна. Энэ нь хэрэв та ороомог руу гүйдэл өгөхийг зогсоовол энэ нь хэсэг хугацаанд хэлхээнд цэнэгээ өгсөөр байх болно гэсэн үг юм. Хэрэв тэр үед одоогийн хангамж гэнэт тасалдвал цэнэгийг тарааж, ороомогоос гарахыг оролдох тул цочрол үүсэх болно. Энэ нь аж үйлдвэрийн үйлдвэрлэлийн ноцтой асуудал юм. Ийм нөлөө (хэдийгээр хэлбэлзлийн хэлхээнд бүрэн хамааралгүй боловч) жишээ нь залгуурыг залгуураас татах үед ажиглагдаж болно. Үүний зэрэгцээ оч үсэрч, ийм хэмжээгээр хүнд хор хөнөөл учруулахгүй. Энэ нь соронзон орон шууд алга болдоггүй, харин аажмаар сарниж, бусад дамжуулагчийн гүйдлийг өдөөдөгтэй холбоотой юм. Аж үйлдвэрийн хэмжээнд одоогийн хүч нь бидний хэрэглэж заншсан 220 вольтоос хэд дахин их байдаг тул үйлдвэрлэлд хэлхээ тасалдсан үед ийм хүч чадлын оч гарч, үйлдвэр болон хүнд маш их хор хөнөөл учруулдаг.
Ороомог нь тербеллийн хэлхээ юунаас бүрдэх үндэс суурь болдог. Цуврал дахь соленоидын индукцууд нийлдэг. Дараа нь бид энэ элементийн бүтцийн бүх нарийн ширийн зүйлийг нарийвчлан авч үзэх болно.
Индукц гэж юу вэ?
Хүчтэй хэлхээний ороомгийн индукц нь хэлхээнд үүсэх цахилгаан хөдөлгөх хүчинтэй (вольтоор) тоогоор тэнцүү хувь хүний үзүүлэлт юм.гүйдлийг 1 секундэд 1 А-аар өөрчлөх. Хэрэв соленоид нь тогтмол гүйдлийн хэлхээнд холбогдсон бол түүний индукц нь энэ гүйдлийн улмаас үүссэн соронзон орны энергийг томъёогоор тодорхойлно:
-
W=(LI2)/2, энд
W нь соронзон орны энерги.
Индукцийн коэффициент нь олон хүчин зүйлээс хамаардаг: соленоидын геометр, цөмийн соронзон шинж чанар, утасны ороомгийн тоо зэргээс хамаарна. Энэ үзүүлэлтийн өөр нэг шинж чанар нь үргэлж эерэг байдаг, учир нь түүний хамаарах хувьсагч сөрөг байж болохгүй.
Индукцийг соронзон орон дахь энергийг хадгалах гүйдэл дамжуулагчийн шинж чанар гэж бас тодорхойлж болно. Үүнийг Генри (Америкийн эрдэмтэн Жозеф Хенригийн нэрээр нэрлэсэн) хэмждэг.
Соленоидоос гадна осцилляторын хэлхээ нь конденсатораас бүрдэх бөгөөд үүнийг дараа авч үзэх болно.
Цахилгаан конденсатор
Тербеллийн хэлхээний багтаамжийг цахилгаан конденсаторын багтаамжаар тодорхойлно. Түүний гадаад төрх байдлын талаар дээр бичсэн. Одоо түүнд явагдаж буй үйл явцын физикт дүн шинжилгээ хийцгээе.
Конденсаторын ялтсууд нь дамжуулагчаар хийгдсэн тул тэдгээрийн дундуур цахилгаан гүйдэл урсаж болно. Гэсэн хэдий ч хоёр хавтангийн хооронд саад тотгор байдаг: диэлектрик (энэ нь агаар, мод болон бусад өндөр эсэргүүцэлтэй материал байж болно. Цэнэг нь утасны нэг үзүүрээс нөгөөд шилжиж чадахгүй тул утас дээр хуримтлагддаг. конденсаторын хавтан. Энэ нь түүний эргэн тойрон дахь соронзон ба цахилгаан орны хүчийг нэмэгдүүлдэг.хавтан дээр хуримтлагдсан цахилгаан хэлхээнд шилжиж эхэлнэ.
Конденсатор бүр өөрийн ажиллахад хамгийн тохиромжтой хүчдэлийн үзүүлэлттэй байдаг. Хэрэв энэ элемент нь нэрлэсэн хүчдэлээс дээш хүчдэлд удаан хугацаагаар ажиллавал түүний ашиглалтын хугацаа мэдэгдэхүйц буурдаг. Осцилляторын хэлхээний конденсатор нь гүйдлийн нөлөөнд байнга өртдөг тул та үүнийг сонгохдоо маш болгоомжтой байх хэрэгтэй.
Хэлэгдэж байсан ердийн конденсаторуудаас гадна ионисторууд бас байдаг. Энэ бол илүү төвөгтэй элемент юм: үүнийг зай ба конденсаторын хоорондох хөндлөн огтлол гэж тодорхойлж болно. Дүрмээр бол органик бодисууд нь ионистор дахь диэлектрик үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд тэдгээрийн хооронд электролит байдаг. Тэд хамтдаа давхар цахилгаан давхаргыг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь уламжлалт конденсатороос хэд дахин илүү эрчим хүч хуримтлуулах боломжийг танд олгоно.
Конденсаторын багтаамж гэж юу вэ?
Конденсаторын багтаамж нь конденсаторын цэнэгийг түүний байрлах хүчдэлд харьцуулсан харьцаа юм. Та энэ утгыг математикийн томьёог ашиглан маш энгийнээр тооцоолж болно:
-
C=(e0S)/d, энд
e0 нь диэлектрик материалын нэвтрүүлэх чадвар (хүснэгтийн утга), S - конденсаторын хавтангийн талбай, d - ялтсуудын хоорондох зай.
Конденсаторын багтаамж нь ялтсуудын хоорондох зайнаас хамаарахыг цахилгаан статик индукцийн үзэгдлээр тайлбарладаг: ялтсуудын хоорондох зай бага байх тусам бие биендээ хүчтэй нөлөөлнө (Куломын хуулийн дагуу) ялтсуудын цэнэг ихсэх ба хүчдэл бага байх болно. Мөн хүчдэл буурах тусамбагтаамжийн утга өснө, учир нь үүнийг дараах томъёогоор тодорхойлж болно:
-
C=q/U, энд
q нь кулон дахь цэнэг юм.
Энэ хэмжигдэхүүний нэгжийн талаар ярих нь зүйтэй. Багтаамжийг фарадаар хэмждэг. 1 фарад нь одоо байгаа конденсаторуудын (гэхдээ ионистор биш) багтаамжийг пикофарадаар (нэг триллион фарад) хэмждэг хангалттай том утга юм.
Resistor
Тусмал хэлхээний гүйдэл нь хэлхээний эсэргүүцэлээс мөн хамаарна. Осцилляторын хэлхээг (ороомог, конденсатор) бүрдүүлдэг хоёр элементээс гадна гурав дахь нь - резистор байдаг. Тэрээр эсэргүүцэл үүсгэх үүрэгтэй. Эсэргүүцэл нь бусад элементүүдээс ялгаатай нь том эсэргүүцэлтэй тул зарим загварт үүнийг өөрчлөх боломжтой. Тербеллийн хэлхээнд энэ нь соронзон орны цахилгаан зохицуулагчийн үүргийг гүйцэтгэдэг. Та хэд хэдэн резисторыг цуваа эсвэл зэрэгцээ холбож, ингэснээр хэлхээний эсэргүүцлийг нэмэгдүүлэх боломжтой.
Энэ элементийн эсэргүүцэл нь мөн температураас хамаардаг тул гүйдэл өнгөрөх үед халдаг тул хэлхээнд ажиллахдаа болгоомжтой хандах хэрэгтэй.
Эсэргүүцлийн эсэргүүцлийг Ом-оор хэмждэг бөгөөд түүний утгыг томъёогоор тооцоолж болно:
-
R=(pl)/S, энд
p нь эсэргүүцлийн материалын эсэргүүцэл (Оммм2)/м-ээр хэмжигддэг.);
l - эсэргүүцлийн урт (метрээр);
S - огтлолын талбай (миллиметр квадратаар).
Замын параметрүүдийг хэрхэн холбох вэ?
Одоо бид физикт ойртож байнахэлбэлзлийн хэлхээний ажиллагаа. Цаг хугацаа өнгөрөхөд конденсаторын хавтан дээрх цэнэг хоёр дахь эрэмбийн дифференциал тэгшитгэлийн дагуу өөрчлөгдөнө.
Хэрэв та энэ тэгшитгэлийг шийдвэл хэлхээнд болж буй үйл явцыг дүрсэлсэн хэд хэдэн сонирхолтой томъёо гарч ирнэ. Жишээлбэл, цикл давтамжийг багтаамж ба индукцаар илэрхийлж болно.
Гэсэн хэдий ч үл мэдэгдэх олон хэмжигдэхүүнийг тооцоолох боломжийг олгодог хамгийн энгийн томьёо бол Томсоны томьёо (1853 онд үүнийг гаргаж авсан Английн физикч Уильям Томсоны нэрээр нэрлэсэн):
-
T=2p(LC)1/2.
T - цахилгаан соронзон хэлбэлзлийн үе, L ба C - тус тус хэлбэлзлийн хэлхээний ороомгийн индукц ба хэлхээний элементүүдийн багтаамж, p - pi тоо.
Q хүчин зүйл
Хэлхээний ажиллагааг тодорхойлдог өөр нэг чухал утга байдаг - чанарын хүчин зүйл. Энэ нь юу болохыг ойлгохын тулд резонанс гэх мэт үйл явц руу хандах хэрэгтэй. Энэ хэлбэлзлийг дэмжих хүчний тогтмол утгад далайц нь хамгийн их болдог үзэгдэл юм. Резонансыг энгийн жишээгээр тайлбарлаж болно: хэрвээ та савлуурыг давтамжийн цохилтоор нь түлхэж эхэлбэл энэ нь хурдасч, түүний "далайц" нэмэгдэх болно. Хэрэв та цаг хугацаагаа шахвал тэд удаашрах болно. Резонансын үед их хэмжээний энерги ихэвчлэн гадагшилдаг. Алдагдлын хэмжээг тооцоолохын тулд тэд чанарын хүчин зүйл гэх мэт параметрийг гаргаж ирэв. Энэ нь харьцаатай тэнцүү харьцаа юмсистем дэх энерги нь нэг мөчлөгт хэлхээнд гарч буй алдагдалд.
Хэлхээний чанарын коэффициентийг томъёогоор тооцоолно:
-
Q=(w0W)/P, энд
w0 - резонансын мөчлөгийн хэлбэлзлийн давтамж;
W - хэлбэлзлийн системд хуримтлагдсан энерги;
P - эрчим хүчний алдагдал.
Энэ параметр нь хэмжигдэхүүнгүй утга учир нь хадгалсан болон зарцуулсан энергийн харьцааг харуулдаг.
Хамгийн тохиромжтой хэлбэлзлийн хэлхээ гэж юу вэ
Энэ систем дэх үйл явцыг илүү сайн ойлгохын тулд физикчид хамгийн тохиромжтой хэлбэлзлийн хэлхээг зохион бүтээжээ. Энэ бол хэлхээг тэг эсэргүүцэлтэй систем болгон харуулсан математик загвар юм. Энэ нь унтрахгүй гармоник хэлбэлзлийг үүсгэдэг. Ийм загвар нь контурын параметрүүдийг ойролцоогоор тооцоолох томъёог авах боломжтой болгодог. Эдгээр параметрүүдийн нэг нь нийт эрчим хүч:
W=(LI2)/2.
Ийм хялбарчилал нь тооцооллыг ихээхэн хурдасгаж, өгөгдсөн үзүүлэлт бүхий хэлхээний шинж чанарыг үнэлэх боломжтой болгодог.
Энэ яаж ажилладаг вэ?
Оцилляторын хэлхээний бүхэл бүтэн циклийг хоёр хэсэгт хувааж болно. Одоо бид хэсэг тус бүрт болж буй үйл явцыг нарийвчлан шинжлэх болно.
- Эхний үе шат: Эерэг цэнэглэгдсэн конденсаторын хавтан цэнэггүй болж, хэлхээнд гүйдэл өгнө. Энэ мөчид гүйдэл нь эерэг цэнэгээс сөрөг цэнэг рүү шилжиж, ороомогоор дамждаг. Үүний үр дүнд хэлхээнд цахилгаан соронзон хэлбэлзэл үүсдэг. дамжин өнгөрөх гүйдэлороомог, хоёр дахь хавтан руу очиж, түүнийг эерэгээр цэнэглэнэ (харин гүйдэл урсаж байсан эхний хавтан сөрөг цэнэглэгддэг).
- Хоёр дахь үе шат: урвуу үйл явц явагдана. Гүйдэл нь эерэг хавтангаас (эхэндээ сөрөг байсан) сөрөг тал руу дамжиж, ороомогоор дахин дамждаг. Мөн бүх төлбөр нь байрандаа орно.
Конденсатор дээр цэнэг байгаа үед энэ мөчлөг давтагдана. Тохиромжтой хэлбэлзлийн хэлхээнд энэ процесс эцэс төгсгөлгүй үргэлжилдэг боловч бодит байдалд янз бүрийн хүчин зүйлээс шалтгаалан эрчим хүчний алдагдал зайлшгүй гардаг: хэлхээнд эсэргүүцэл (жоуль дулаан) байдгаас үүсдэг халаалт гэх мэт.
Контурын дизайны сонголтууд
Энгийн "ороомог-конденсатор" болон "ороомог-резистор-конденсатор" хэлхээнүүдээс гадна осцилляторын хэлхээг үндэс болгон ашигладаг өөр сонголтууд байдаг. Жишээлбэл, энэ нь параллель хэлхээ бөгөөд цахилгаан хэлхээний элемент болгон оршдогоороо ялгаатай (учир нь хэрэв энэ нь тусад нь байсан бол энэ нь цуврал хэлхээ байх болно, энэ тухай өгүүллээр хэлэлцсэн).
Өөр өөр цахилгаан эд ангиудыг багтаасан өөр төрлийн загварууд бас бий. Жишээлбэл, та транзисторыг сүлжээнд холбож болох бөгөөд энэ нь хэлхээний хэлбэлзлийн давтамжтай тэнцүү давтамжтайгаар хэлхээг нээж, хаах болно. Тиймээс системд саармаггүй хэлбэлзэл бий болно.
Оцилляторын хэлхээг хаана ашигладаг вэ?
Хэлхээний эд ангиудын хамгийн танил хэрэглээ бол цахилгаан соронзон юм. Тэд эргээд дотоод холбоо, цахилгаан мотор,мэдрэгч болон бусад тийм ч энгийн бус газруудад. Өөр нэг програм бол хэлбэлзэл үүсгэгч юм. Үнэн хэрэгтээ энэ хэлхээний хэрэглээ нь бидэнд маш сайн танил юм: энэ хэлбэрээр үүнийг богино долгионы зууханд долгион үүсгэх, хөдөлгөөнт болон радио холбоонд зайнаас мэдээлэл дамжуулахад ашигладаг. Энэ бүхэн нь цахилгаан соронзон долгионы хэлбэлзлийг кодчилсноор хол зайд мэдээлэл дамжуулах боломжтой болсонтой холбоотой юм.
Индукторыг өөрөө трансформаторын элемент болгон ашиглаж болно: өөр тооны ороомогтой хоёр ороомог нь цахилгаан соронзон орны тусламжтайгаар цэнэгээ шилжүүлж чаддаг. Гэхдээ соленоидын шинж чанар өөр өөр байдаг тул эдгээр хоёр индукторыг холбосон хоёр хэлхээний одоогийн үзүүлэлтүүд өөр өөр байх болно. Тиймээс 220 вольтын хүчдэлтэй гүйдлийг 12 вольтын хүчдэлтэй гүйдэл болгон хувиргах боломжтой.
Дүгнэлт
Бид осцилляторын хэлхээ ба түүний хэсэг тус бүрийг тусад нь ажиллуулах зарчмыг нарийвчлан шинжилсэн. Осцилляторын хэлхээ нь цахилгаан соронзон долгион үүсгэх зориулалттай төхөөрөмж гэдгийг бид олж мэдсэн. Гэсэн хэдий ч эдгээр нь энгийн мэт санагдах эдгээр элементүүдийн нарийн төвөгтэй механикийн үндэс суурь юм. Та тусгай ном зохиолоос хэлхээ ба түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нарийн төвөгтэй байдлын талаар илүү ихийг мэдэж болно.
