مدار نوسانی وسیله ای است که برای تولید (ایجاد) نوسانات الکترومغناطیسی طراحی شده است. از زمان پیدایش تا به امروز، در بسیاری از زمینه‌های علم و فناوری مورد استفاده قرار گرفته است: از زندگی روزمره تا کارخانه‌های بزرگ که محصولات متنوعی تولید می‌کنند.
از چه ساخته شده است؟
مدار نوسانی از یک سیم پیچ و یک خازن تشکیل شده است. علاوه بر این، ممکن است حاوی یک مقاومت (عنصر با مقاومت متغیر) نیز باشد. سلف (یا سلونوئید، همانطور که گاهی اوقات نامیده می شود) میله ای است که چندین لایه سیم پیچ روی آن پیچیده شده است که به طور معمول یک سیم مسی است. این عنصر است که در مدار نوسانی نوسان ایجاد می کند. میله ای که در وسط قرار دارد اغلب چوک یا هسته نامیده می شود و سیم پیچ گاهی اوقات شیر برقی نامیده می شود.
سیم پیچ مدار نوسانی فقط زمانی نوسان می کند که بار ذخیره شده ای وجود داشته باشد. وقتی جریان از آن عبور می‌کند، باری جمع می‌کند که در صورت کاهش ولتاژ، آن را به مدار می‌دهد.
سیم های سیم پیچ معمولاً مقاومت بسیار کمی دارند که همیشه ثابت می ماند. در مدار یک مدار نوسانی، تغییر در ولتاژ و جریان اغلب اتفاق می افتد. این تغییر تابع قوانین ریاضی خاصی است:
-
U=U0cos(w(t-t0)، که در آن
U ولتاژ فعلی است نقطه در زمان t،
U0 - ولتاژ در زمان t0،
w - فرکانس نوسانات الکترومغناطیسی.
یکی دیگر از اجزای جدایی ناپذیر مدار، خازن الکتریکی است. این عنصری متشکل از دو صفحه است که توسط یک دی الکتریک از هم جدا شده اند. در این حالت ضخامت لایه بین صفحات کمتر از اندازه آنهاست. این طراحی به شما امکان می دهد بار الکتریکی را روی دی الکتریک جمع کنید، که سپس می تواند به مدار منتقل شود.
تفاوت خازن و باتری در این است که هیچ تغییر شکلی از مواد تحت اثر جریان الکتریکی وجود ندارد، بلکه انباشت مستقیم بار در یک میدان الکتریکی است. بنابراین، با کمک یک خازن، می توان یک بار به اندازه کافی بزرگ جمع کرد که می توان آن را به یکباره از بین برد. در این حالت، قدرت جریان در مدار بسیار افزایش می یابد.
همچنین، مدار نوسانی از یک عنصر دیگر تشکیل شده است: یک مقاومت. این عنصر دارای مقاومت بوده و برای کنترل جریان و ولتاژ در مدار طراحی شده است. اگر مقاومت مقاومت در یک ولتاژ ثابت افزایش یابد، طبق قانون قدرت جریان کاهش می یابد.اوما:
-
I=U/R، جایی که
I جریان است،
U ولتاژ است،
R مقاومت است.
سلف
بیایید نگاهی دقیق تر به تمام ظرافت های سلف بیندازیم و عملکرد آن را در مدار نوسانی بهتر درک کنیم. همانطور که قبلاً گفتیم مقاومت این عنصر به سمت صفر میل می کند. بنابراین، هنگامی که به یک مدار DC متصل می شود، یک اتصال کوتاه رخ می دهد. با این حال، اگر سیم پیچ را به مدار AC وصل کنید، به درستی کار می کند. این به شما امکان می دهد نتیجه بگیرید که عنصر در برابر جریان متناوب مقاومت می کند.
اما چرا این اتفاق می افتد و چگونه مقاومت با جریان متناوب ایجاد می شود؟ برای پاسخ به این سوال، باید به پدیده ای مانند خود القایی روی آوریم. هنگامی که جریان از سیم پیچ عبور می کند، یک نیروی الکتروموتور (EMF) در آن ایجاد می شود که مانعی برای تغییر جریان ایجاد می کند. بزرگی این نیرو به دو عامل بستگی دارد: اندوکتانس سیم پیچ و مشتق قدرت جریان نسبت به زمان. از نظر ریاضی، این وابستگی از طریق معادله بیان می شود:
-
E=-LI'(t)، که در آن
E مقدار EMF است،
L مقدار اندوکتانس سیم پیچ است (برای هر سیم پیچ متفاوت است و بستگی دارد بر روی تعداد سیم پیچ های سیم پیچ و ضخامت آنها)،
I'(t) - مشتق از قدرت جریان با توجه به زمان (نرخ تغییر قدرت جریان).
قدرت جریان مستقیم در طول زمان تغییر نمی کند، بنابراین در مواجهه با آن مقاومتی وجود ندارد.
اما با جریان متناوب، تمام پارامترهای آن بر اساس قانون سینوسی یا کسینوسی دائما در حال تغییر هستند.در نتیجه یک EMF بوجود می آید که از این تغییرات جلوگیری می کند. چنین مقاومتی القایی نامیده می شود و با فرمول محاسبه می شود:
- XL =wL
جریان در شیر برقی طبق قوانین مختلف به صورت خطی افزایش و کاهش می یابد. این بدان معنی است که اگر جریان جریان به سیم پیچ را متوقف کنید، برای مدتی به مدار شارژ ادامه می دهد. و اگر در همان زمان منبع فعلی به طور ناگهانی قطع شود، به دلیل اینکه شارژ سعی می کند توزیع شود و از سیم پیچ خارج شود، شوک رخ می دهد. این یک مشکل جدی در تولید صنعتی است. چنین تأثیری (اگرچه کاملاً مربوط به مدار نوسانی نیست) را می توان برای مثال هنگام بیرون کشیدن دوشاخه از پریز مشاهده کرد. در همان زمان، جرقه ای می پرد که در چنین مقیاسی نمی تواند به شخص آسیب برساند. این به این دلیل است که میدان مغناطیسی بلافاصله ناپدید نمی شود، بلکه به تدریج از بین می رود و جریان هایی را در رساناهای دیگر القا می کند. در مقیاس صنعتی، قدرت جریان چند برابر بیشتر از 220 ولتی است که ما به آن عادت کرده‌ایم، بنابراین وقتی مداری در تولید قطع می‌شود، جرقه‌هایی با چنین قدرتی رخ می‌دهد که آسیب زیادی هم به کارخانه و هم برای شخص وارد می‌کند.
یک سیم پیچ اساس چیزی است که یک مدار نوسانی از آن تشکیل شده است. اندوکتانس های سلونوئیدهای سری با هم جمع می شوند. در ادامه، نگاهی دقیق‌تر به تمام ظرافت‌های ساختار این عنصر خواهیم داشت.
اندوکتانس چیست؟
القایی سیم پیچ یک مدار نوسانی یک نشانگر منفرد است که از نظر عددی برابر با نیروی حرکتی الکتریکی (بر حسب ولت) است که در مدار ایجاد می شود.تغییر جریان 1 A در 1 ثانیه اگر شیر برقی به مدار DC متصل باشد، اندوکتانس آن انرژی میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط این جریان را مطابق فرمول:
توصیف می کند.
-
W=(LI2)/2، که در آن
W انرژی میدان مغناطیسی است.
ضریب اندوکتانس به عوامل زیادی بستگی دارد: به هندسه شیر برقی، به ویژگی های مغناطیسی هسته و تعداد سیم پیچ های سیم. یکی دیگر از ویژگی های این شاخص این است که همیشه مثبت است، زیرا متغیرهایی که به آن بستگی دارد نمی توانند منفی باشند.
القاء را می توان به عنوان خاصیت هادی حامل جریان برای ذخیره انرژی در میدان مغناطیسی نیز تعریف کرد. در هنری (به نام دانشمند آمریکایی جوزف هنری) اندازه گیری می شود.
علاوه بر شیر برقی، مدار نوسانی از یک خازن تشکیل شده است که بعداً در مورد آن صحبت خواهد شد.
خازن الکتریکی
ظرفیت مدار نوسانی با ظرفیت خازن الکتریکی تعیین می شود. در مورد ظاهر او در بالا نوشته شده بود. حال بیایید فیزیک فرآیندهایی را که در آن اتفاق می‌افتد تحلیل کنیم.
از آنجایی که صفحات خازن از یک رسانا ساخته شده اند، جریان الکتریکی می تواند از آنها عبور کند. با این حال، یک مانع بین دو صفحه وجود دارد: یک دی الکتریک (می تواند هوا، چوب یا مواد دیگر با مقاومت بالا باشد. به دلیل اینکه شارژ نمی تواند از یک سر سیم به سر دیگر حرکت کند، روی سیم جمع می شود. صفحات خازن این باعث افزایش قدرت میدان های مغناطیسی و الکتریکی اطراف آن می شود.الکتریسیته انباشته شده روی صفحات شروع به انتقال به مدار می کند.
هر خازن دارای درجه ولتاژی است که برای عملکرد آن بهینه است. اگر این عنصر برای مدت طولانی در ولتاژ بالاتر از ولتاژ نامی کار کند، عمر مفید آن به طور قابل توجهی کاهش می یابد. خازن مدار نوسانی دائماً تحت تأثیر جریان قرار می گیرد و بنابراین هنگام انتخاب آن باید بسیار مراقب باشید.
علاوه بر خازن های معمولی که در مورد آنها صحبت شد، یونیستورها نیز وجود دارند. این عنصر پیچیده تری است: می توان آن را به عنوان تلاقی بین باتری و خازن توصیف کرد. به عنوان یک قاعده، مواد آلی به عنوان یک دی الکتریک در یک یونیستور عمل می کنند، که بین آن یک الکترولیت وجود دارد. آنها با هم یک لایه الکتریکی دوگانه ایجاد می کنند که به شما امکان می دهد در این طرح چندین برابر بیشتر از یک خازن سنتی انرژی جمع آوری کنید.
خازن خازن چقدر است؟
ظرفیت خازن نسبت بار خازن به ولتاژی است که در آن قرار دارد. شما می توانید این مقدار را خیلی ساده با استفاده از فرمول ریاضی محاسبه کنید:
-
C=(e0S)/d، که در آن
e0 گذردهی ماده دی الکتریک است (مقدار جدول)،
S - مساحت صفحات خازن،
d - فاصله بین صفحات.
وابستگی ظرفیت خازن به فاصله بین صفحات با پدیده القای الکترواستاتیک توضیح داده می شود: هر چه فاصله بین صفحات کوچکتر باشد، آنها قویتر بر یکدیگر تأثیر می گذارند (طبق قانون کولن)، بار صفحات بیشتر و ولتاژ کمتر می شود. و با کاهش ولتاژمقدار خازن افزایش می یابد، زیرا می توان آن را با فرمول زیر نیز توصیف کرد:
-
C=q/U، که در آن
q شارژ بر حسب کولن است.
ارزش دارد در مورد واحدهای این کمیت صحبت شود. ظرفیت خازنی بر حسب فاراد اندازه گیری می شود. 1 فاراد به اندازه کافی بزرگ است که خازن های موجود (اما نه یونیستورها) ظرفیتی دارند که بر حسب پیکو فاراد (یک تریلیون فاراد) اندازه گیری می شود.
مقاوم
جریان مدار نوسانی به مقاومت مدار نیز بستگی دارد. و علاوه بر دو عنصر شرح داده شده که مدار نوسانی را تشکیل می دهند (سیم پیچ ها، خازن ها)، عنصر سوم نیز وجود دارد - یک مقاومت. او مسئول ایجاد مقاومت است. تفاوت مقاومت با سایر عناصر این است که مقاومت زیادی دارد که در برخی مدل ها قابل تغییر است. در مدار نوسانی، عملکرد یک تنظیم کننده قدرت میدان مغناطیسی را انجام می دهد. شما می توانید چندین مقاومت را به صورت سری یا موازی وصل کنید و در نتیجه مقاومت مدار را افزایش دهید.
مقاومت این عنصر به دما نیز بستگی دارد، بنابراین باید مراقب عملکرد آن در مدار باشید، زیرا با عبور جریان گرم می شود.
مقاومت مقاومت با اهم اندازه گیری می شود و مقدار آن را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:
-
R=(pl)/S، که در آن
p مقاومت ماده مقاومت است (اندازه‌گیری شده در (اهمmm2)/m ؛
l - طول مقاومت (بر حسب متر)؛
S - سطح مقطع (به میلی متر مربع).
چگونه پارامترهای مسیر را پیوند دهیم؟
اکنون به فیزیک نزدیک شده ایمعملکرد مدار نوسانی با گذشت زمان، بار روی صفحات خازن بر اساس یک معادله دیفرانسیل مرتبه دوم تغییر می کند.
اگر این معادله را حل کنید، چندین فرمول جالب از آن به دست می آید که فرآیندهای رخ داده در مدار را توصیف می کند. به عنوان مثال، فرکانس چرخه ای را می توان بر حسب ظرفیت و اندوکتانس بیان کرد.
با این حال، ساده ترین فرمولی که به شما امکان می دهد بسیاری از کمیت های ناشناخته را محاسبه کنید، فرمول تامسون است (به نام فیزیکدان انگلیسی ویلیام تامسون، که آن را در سال 1853 مشتق کرد):
-
T=2p(LC)1/2.
T - دوره نوسانات الکترومغناطیسی،
L و ج - به ترتیب، اندوکتانس سیم پیچ مدار نوسانی و ظرفیت عناصر مدار،
p - عدد پی.
ضریب Q
مقدار مهم دیگری وجود دارد که عملکرد مدار را مشخص می کند - فاکتور کیفیت. برای درک چیستی آن، باید به فرآیندی مانند رزونانس روی آورد. این پدیده ای است که در آن دامنه با مقدار ثابت نیرویی که این نوسان را پشتیبانی می کند به حداکثر می رسد. تشدید را می توان با یک مثال ساده توضیح داد: اگر شروع به فشار دادن نوسان به ضربان فرکانس آن کنید، آنگاه شتاب می گیرد و "دامنه" آن افزایش می یابد. و اگر به موقع فشار بیاورید، سرعت آنها کاهش می یابد. در رزونانس، انرژی زیادی اغلب تلف می شود. برای اینکه بتوانند میزان تلفات را محاسبه کنند، پارامتری به عنوان ضریب کیفیت را ارائه کردند. نسبتی است برابر با نسبتانرژی در سیستم به تلفات رخ داده در مدار در یک چرخه.
ضریب کیفیت مدار با فرمول:
محاسبه می شود
-
Q=(w0W)/P، که در آن
w0 - فرکانس نوسان چرخه‌ای تشدید;
W - انرژی ذخیره شده در سیستم نوسانی؛
P - اتلاف توان.
این پارامتر یک مقدار بدون بعد است، زیرا در واقع نسبت انرژی ذخیره شده به مصرف شده را نشان می دهد.
مدار نوسانی ایده آل چیست
برای درک بهتر فرآیندهای این سیستم، فیزیکدانان به مدار نوسانی ایده آل دست یافتند. این یک مدل ریاضی است که مدار را به عنوان یک سیستم با مقاومت صفر نشان می دهد. نوسانات هارمونیک بدون میرایی ایجاد می کند. چنین مدلی به دست آوردن فرمول هایی برای محاسبه تقریبی پارامترهای کانتور را امکان پذیر می کند. یکی از این پارامترها انرژی کل است:
W=(LI2)/2.
چنین ساده‌سازی‌ها محاسبات را به طور قابل توجهی سرعت می‌بخشد و ارزیابی ویژگی‌های مدار را با شاخص‌های داده شده ممکن می‌سازد.
چگونه کار می کند؟
کل چرخه مدار نوسانی را می توان به دو بخش تقسیم کرد. اکنون ما به تفصیل فرآیندهای رخ داده در هر بخش را تجزیه و تحلیل خواهیم کرد.
- فاز اول: صفحه خازن با بار مثبت شروع به تخلیه می کند و به مدار جریان می دهد. در این لحظه، جریان از یک بار مثبت به یک بار منفی می رود و از سیم پیچ عبور می کند. در نتیجه نوسانات الکترومغناطیسی در مدار رخ می دهد. جریان عبوریسیم پیچ، به صفحه دوم می رود و آن را به طور مثبت شارژ می کند (در حالی که صفحه اول که جریان از آن جاری شده، بار منفی دارد).
- مرحله دوم: فرآیند معکوس انجام می شود. جریان از صفحه مثبت (که در همان ابتدا منفی بود) به منفی می رود و دوباره از سیم پیچ عبور می کند. و همه اتهامات در جای خود قرار می گیرند.
تا زمانی که خازن شارژ باشد، چرخه تکرار می شود. در یک مدار نوسانی ایده آل، این فرآیند بی انتها ادامه می یابد، اما در یک مدار واقعی، اتلاف انرژی به دلیل عوامل مختلف اجتناب ناپذیر است: گرمایش که به دلیل وجود مقاومت در مدار (حرارت ژول) رخ می دهد و مواردی از این دست.
گزینه های طراحی کانتور
علاوه بر مدارهای ساده «سیم پیچ-خازن» و «سیم پیچ-مقاومت-خازن»، گزینه های دیگری نیز وجود دارند که از مدار نوسانی به عنوان پایه استفاده می کنند. به عنوان مثال، این یک مدار موازی است، که تفاوت آن در وجود آن به عنوان عنصری از یک مدار الکتریکی است (زیرا اگر به طور جداگانه وجود داشت، یک مدار سری بود که در مقاله مورد بحث قرار گرفت).
انواع دیگری از طرح ها نیز وجود دارد که شامل اجزای مختلف الکتریکی می شود. برای مثال می توانید یک ترانزیستور را به شبکه وصل کنید که مدار را با فرکانس برابر فرکانس نوسان در مدار باز و بسته می کند. بنابراین، نوسانات بدون میرا در سیستم ایجاد خواهد شد.
مدار نوسانی کجا استفاده می شود؟
آشناترین کاربرد اجزای مدار، آهنرباهای الکتریکی است. آنها، به نوبه خود، در تلفن های داخلی، موتورهای الکتریکی،حسگرها و در بسیاری از مناطق نه چندان معمولی دیگر. کاربرد دیگر مولد نوسان است. در واقع، این استفاده از مدار برای ما بسیار آشنا است: در این شکل در مایکروویو برای ایجاد امواج و در ارتباطات سیار و رادیویی برای انتقال اطلاعات از راه دور استفاده می شود. همه اینها به این دلیل است که نوسانات امواج الکترومغناطیسی را می توان به گونه ای رمزگذاری کرد که امکان انتقال اطلاعات در فواصل طولانی فراهم شود.
خود سلف می تواند به عنوان عنصری از ترانسفورماتور استفاده شود: دو سیم پیچ با تعداد سیم پیچ های متفاوت می توانند بار خود را با استفاده از یک میدان الکترومغناطیسی منتقل کنند. اما از آنجایی که ویژگی های شیر برقی متفاوت است، نشانگرهای جریان در دو مداری که این دو سلف به آنها متصل می شوند، متفاوت خواهد بود. بنابراین، می توان جریانی با ولتاژ مثلاً 220 ولت را به جریانی با ولتاژ 12 ولت تبدیل کرد.
نتیجه گیری
ما اصل عملکرد مدار نوسانی و هر یک از قطعات آن را به طور جداگانه به تفصیل تجزیه و تحلیل کرده ایم. ما آموختیم که مدار نوسانی وسیله ای است که برای ایجاد امواج الکترومغناطیسی طراحی شده است. با این حال، اینها تنها اصول اولیه مکانیک پیچیده این عناصر به ظاهر ساده هستند. شما می توانید در مورد پیچیدگی های مدار و اجزای آن از ادبیات تخصصی بیشتر بیاموزید.
