מעגל תנודות הוא מכשיר שנועד ליצור (ליצור) תנודות אלקטרומגנטיות. מראשיתו ועד ימינו, נעשה בו שימוש בתחומים רבים של מדע וטכנולוגיה: מחיי היומיום ועד למפעלי ענק המייצרים מגוון רחב של מוצרים.
ממה הוא עשוי?
מעגל התנודה מורכב מסליל וקבל. בנוסף, הוא עשוי להכיל גם נגד (אלמנט בעל התנגדות משתנה). משרן (או סולנואיד, כפי שהוא נקרא לפעמים) הוא מוט שעליו מלופפים כמה שכבות של פיתול, אשר, ככלל, הוא חוט נחושת. אלמנט זה הוא שיוצר תנודות במעגל התנודה. המוט באמצע נקרא לעתים קרובות משנק או ליבה, ולפעמים הסליל נקרא סולנואיד.
סליל המעגל המתנודד מתנודד רק כאשר יש מטען מאוחסן. כאשר זרם עובר דרכו, הוא צובר מטען, שאותו הוא נותן למעגל אם המתח יורד.
לחוטי הסליל יש בדרך כלל התנגדות קטנה מאוד, שנשארת תמיד קבועה. במעגל של מעגל נדנוד מתרחש לעתים קרובות שינוי במתח ובזרם. שינוי זה כפוף לחוקים מתמטיים מסוימים:
-
U=U0cos(w(t-t0), כאשר
U הוא המתח הנוכחי נקודת זמן t, U0 - מתח בזמן t0, w - תדירות של תנודות אלקטרומגנטיות.
מרכיב אינטגרלי נוסף של המעגל הוא הקבל החשמלי. זהו אלמנט המורכב משתי לוחות, המופרדים על ידי דיאלקטרי. במקרה זה, עובי השכבה בין הצלחות קטן מהגדלים שלהן. עיצוב זה מאפשר לך לצבור מטען חשמלי על הדיאלקטרי, שאותו ניתן להעביר למעגל.
ההבדל בין קבל לסוללה הוא שאין טרנספורמציה של חומרים בפעולת זרם חשמלי, אלא הצטברות ישירה של מטען בשדה חשמלי. כך, בעזרת קבל, ניתן לצבור מטען גדול מספיק, אותו ניתן למסור בבת אחת. במקרה זה, עוצמת הזרם במעגל גדלה מאוד.
כמו כן, המעגל המתנודד מורכב מאלמנט אחד נוסף: נגד. לאלמנט זה יש התנגדות והוא נועד לשלוט בזרם ובמתח במעגל. אם ההתנגדות של הנגד מוגברת במתח קבוע, אזי עוצמת הזרם תקטן בהתאם לחוקאומה:
-
I=U/R, כאשר
I הוא זרם, U הוא מתח, R הוא התנגדות.
משרן
בואו נסתכל מקרוב על כל הדקויות של המשרן ונבין טוב יותר את תפקידו במעגל נדנוד. כפי שכבר אמרנו, ההתנגדות של אלמנט זה שואפת לאפס. לפיכך, כאשר מחוברים למעגל DC, יתרחש קצר חשמלי. עם זאת, אם אתה מחבר את הסליל למעגל AC, זה עובד כמו שצריך. זה מאפשר לך להסיק שהאלמנט מציע התנגדות לזרם חילופין.
אבל למה זה קורה ואיך נוצרת התנגדות עם זרם חילופין? כדי לענות על שאלה זו, עלינו לפנות לתופעה כמו אינדוקציה עצמית. כאשר זרם עובר דרך הסליל, נוצר בו כוח אלקטרו-מוטורי (EMF) אשר יוצר מכשול לשינוי הזרם. גודל כוח זה תלוי בשני גורמים: השראות הסליל והנגזרת של עוצמת הזרם ביחס לזמן. מבחינה מתמטית, תלות זו באה לידי ביטוי באמצעות המשוואה:
-
E=-LI'(t), כאשר
E הוא ערך EMF, L הוא הערך של השראות הסליל (עבור כל סליל הוא שונה ותלוי על מספר הסלילים של הפיתול ועובייהם), I'(t) - נגזרת של חוזק הזרם ביחס לזמן (קצב השינוי של חוזק הזרם).
חוזק הזרם הישיר אינו משתנה עם הזמן, ולכן אין התנגדות כאשר נחשפים אליו.
אבל עם זרם חילופין, כל הפרמטרים שלו משתנים כל הזמן לפי חוק סינוס או קוסינוס,כתוצאה מכך, נוצר EMF שמונע שינויים אלה. התנגדות כזו נקראת אינדוקטיבית ומחושבת לפי הנוסחה:
- XL =wL
הזרם בסולנואיד גדל ויורד באופן ליניארי לפי חוקים שונים. זה אומר שאם תפסיק את אספקת הזרם לסליל, הוא ימשיך לתת טעינה למעגל למשך זמן מה. ואם באותו זמן אספקת הזרם נקטעת בפתאומיות, אז יתרחש הלם בשל העובדה שהמטען ינסה להתפזר ולצאת מהסליל. זו בעיה רצינית בייצור תעשייתי. ניתן להבחין באפקט כזה (אם כי אינו קשור לחלוטין למעגל המתנודד) למשל בעת הוצאת התקע מהשקע. במקביל, ניצוץ קופץ, אשר בקנה מידה כזה אינו מסוגל להזיק לאדם. זה נובע מהעובדה שהשדה המגנטי לא נעלם מיד, אלא מתפוגג בהדרגה, תוך גרימת זרמים במוליכים אחרים. בקנה מידה תעשייתי, עוצמת הזרם גדולה פי כמה מ-220 וולט שאנו רגילים אליהם, כך שכאשר מעגל מופסק בייצור, עלולים להיווצר ניצוצות בעוצמה כזו שגורמים נזק רב הן לצמח והן לאדם.
סליל הוא הבסיס למה מורכב מעגל תנודה. השראות של הסולנואידים בסדרה מסתכמות. לאחר מכן, נסקור מקרוב את כל הדקויות של המבנה של אלמנט זה.
מהי השראות?
ההשראות של סליל של מעגל מתנדנד היא מחוון אינדיבידואלי שווה מספרית לכוח האלקטרו-מוטורי (בוולטים) המתרחש במעגל כאשרשינוי בזרם ב-1 A בשנייה אחת. אם הסולנואיד מחובר למעגל DC, אז השראות שלו מתארת את האנרגיה של השדה המגנטי שנוצר על ידי זרם זה לפי הנוסחה:
-
W=(LI2)/2, כאשר
W היא אנרגיית השדה המגנטי.
גורם השראות תלוי בגורמים רבים: בגיאומטריה של הסולנואיד, במאפיינים המגנטיים של הליבה ובמספר סלילי החוט. מאפיין נוסף של מחוון זה הוא שהוא תמיד חיובי, מכיוון שהמשתנים שבהם הוא תלוי אינם יכולים להיות שליליים.
ניתן להגדיר השראות גם כמאפיין של מוליך נושא זרם לאגור אנרגיה בשדה מגנטי. הוא נמדד בהנרי (על שם המדען האמריקאי ג'וזף הנרי).
בנוסף לסולנואיד, המעגל המתנודד מורכב מקבל, עליו נדון בהמשך.
קבלים חשמליים
הקיבול של המעגל המתנודד נקבע לפי הקיבול של הקבל החשמלי. על הופעתו נכתב למעלה. עכשיו בואו ננתח את הפיזיקה של התהליכים המתרחשים בו.
מכיוון שלוחות הקבלים עשויים ממוליך, זרם חשמלי יכול לזרום דרכם. עם זאת, יש מכשול בין שני הלוחות: דיאלקטרי (זה יכול להיות אוויר, עץ או חומר אחר בעל התנגדות גבוהה. בשל העובדה שהמטען אינו יכול לנוע מקצה אחד של החוט לקצה השני, הוא מצטבר על לוחות קבלים. זה מגביר את העוצמה של השדות המגנטיים והחשמליים סביבו.החשמל שנצבר על הלוחות מתחיל להיות מועבר למעגל.
לכל קבל יש דירוג מתח אופטימלי לפעולתו. אם אלמנט זה מופעל במשך זמן רב במתח מעל המתח המדורג, חיי השירות שלו מצטמצמים באופן משמעותי. קבל המעגל המתנודד מושפע כל הזמן מזרמים, ולכן, בעת בחירתו, עליך להיות זהיר ביותר.
בנוסף לקבלים הרגילים שנדונו, יש גם יוניסטורים. זהו אלמנט מורכב יותר: ניתן לתאר אותו כהכלאה בין סוללה לקבל. ככלל, חומרים אורגניים משמשים כדיאלקטרי ביוניסטור, שביניהם יש אלקטרוליט. יחד הם יוצרים שכבה חשמלית כפולה, המאפשרת לצבור בתכנון זה פי כמה אנרגיה מאשר בקבל מסורתי.
מהו הקיבול של קבל?
הקיבול של קבל הוא היחס בין המטען של הקבל למתח שמתחתיו הוא נמצא. אתה יכול לחשב ערך זה פשוט מאוד באמצעות הנוסחה המתמטית:
-
C=(e0S)/d, כאשר
e0 היא הפריטטיביות של החומר הדיאלקטרי (ערך טבלה), S - השטח של לוחות הקבלים, d - המרחק בין הלוחות.
התלות של הקיבול של הקבל במרחק בין הלוחות מוסברת על ידי תופעת האינדוקציה האלקטרוסטטית: ככל שהמרחק בין הלוחות קטן יותר, כך הם משפיעים זה על זה חזק יותר (לפי חוק קולומב), מטען הלוחות גדול יותר והמתח נמוך יותר. וככל שהמתח יורדערך הקיבול גדל, מכיוון שניתן לתאר אותו גם בנוסחה הבאה:
-
C=q/U, כאשר
q הוא המטען בקולומבים.
כדאי לדבר על היחידות של כמות זו. הקיבול נמדד בפאראדות. 1 פארד הוא ערך מספיק גדול לכך שלקבלים קיימים (אך לא יוניסטורים) יש קיבול הנמדד בפיקופראד (טריליון פארד).
נגד
הזרם במעגל המתנודד תלוי גם בהתנגדות המעגל. ובנוסף לשני האלמנטים המתוארים המרכיבים את המעגל המתנודד (סלילים, קבלים), יש גם אחד שלישי - נגד. הוא אחראי ליצירת התנגדות. הנגד שונה מאלמנטים אחרים בכך שיש לו התנגדות גדולה, הניתנת לשינוי בדגמים מסוימים. במעגל המתנודד, הוא מבצע את הפונקציה של וסת כוח שדה מגנטי. ניתן לחבר מספר נגדים בסדרה או במקביל, ובכך להגדיל את ההתנגדות של המעגל.
ההתנגדות של אלמנט זה תלויה גם בטמפרטורה, לכן כדאי להקפיד על פעולתו במעגל, שכן הוא מתחמם כאשר הזרם עובר.
התנגדות הנגד נמדדת באוהם, וניתן לחשב את ערכו באמצעות הנוסחה:
-
R=(pl)/S, כאשר
p היא ההתנגדות של חומר הנגד (נמדדת ב-(Ohmmm2)/m);
l - אורך הנגד (במטרים);
S - שטח חתך (במילימטרים רבועים).
איך לקשר פרמטרים של נתיב?
עכשיו אנחנו מתקרבים לפיזיקהפעולת המעגל המתנודד. עם הזמן, המטען על לוחות הקבלים משתנה בהתאם למשוואה דיפרנציאלית מסדר שני.
אם אתה פותר את המשוואה הזו, עוקבות ממנה כמה נוסחאות מעניינות, המתארות את התהליכים המתרחשים במעגל. לדוגמה, התדר המחזורי יכול לבוא לידי ביטוי במונחים של קיבול ושראות.
עם זאת, הנוסחה הפשוטה ביותר המאפשרת לך לחשב כמויות לא ידועות רבות היא נוסחת תומסון (על שם הפיזיקאי האנגלי ויליאם תומסון, שגזר אותה ב-1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - התקופה של תנודות אלקטרומגנטיות, L ו C - בהתאמה, השראות של סליל המעגל המתנודד והקיבול של רכיבי המעגל, p - המספר pi.
Q factor
ישנו ערך חשוב נוסף המאפיין את פעולת המעגל - גורם האיכות. כדי להבין מה זה, צריך לפנות לתהליך כמו תהודה. זוהי תופעה שבה המשרעת הופכת למקסימלית עם ערך קבוע של הכוח התומך בתנודה זו. ניתן להסביר את התהודה בדוגמה פשוטה: אם תתחילו לדחוף את הנדנדה בקצב התדר שלה, אז היא תאיץ, וה"משרעת" שלה תגדל. ואם תדחף את הזמן, הם יאטו. בעת תהודה, הרבה אנרגיה מתפזרת לעתים קרובות. כדי שיוכלו לחשב את גודל ההפסדים, הם הגיעו עם פרמטר כמו גורם האיכות. זה יחס שווה ליחסאנרגיה במערכת להפסדים המתרחשים במעגל במחזור אחד.
מקדם האיכות של המעגל מחושב לפי הנוסחה:
-
Q=(w0W)/P, שבו
w0 - תדר תנודה מחזורית תהודה;
W - אנרגיה מאוחסנת במערכת התנודות;
P - פיזור הספק.
פרמטר זה הוא ערך חסר מימד, שכן הוא מציג למעשה את היחס בין אנרגיה: מאוחסנת לבוזבזת.
מהו מעגל תנודות אידיאלי
כדי להבין טוב יותר את התהליכים במערכת זו, הפיזיקאים המציאו את מה שנקרא מעגל נדנדה אידיאלי. זהו מודל מתמטי המייצג מעגל כמערכת בעלת התנגדות אפסית. הוא מייצר תנודות הרמוניות לא משוקעות. מודל כזה מאפשר לקבל נוסחאות לחישוב משוער של פרמטרי קווי מתאר. אחד מהפרמטרים האלה הוא אנרגיה כוללת:
W=(LI2)/2.
הפשטות כאלה מאיצות משמעותית את החישובים ומאפשרות להעריך את המאפיינים של מעגל עם אינדיקטורים נתונים.
איך זה עובד?
ניתן לחלק את כל המחזור של המעגל המתנודד לשני חלקים. כעת ננתח בפירוט את התהליכים המתרחשים בכל חלק.
- שלב ראשון: לוחית הקבל הטעונה חיובית מתחילה להתרוקן, ונותנת זרם למעגל. ברגע זה, הזרם עובר ממטען חיובי לשלילי, עובר דרך הסליל. כתוצאה מכך מתרחשות תנודות אלקטרומגנטיות במעגל. זרם שעובר דרכוסליל, הולך ללוח השני ומטעין אותה בצורה חיובית (ואילו הלוח הראשון, שממנו זרם הזרם, טעון שלילי).
- שלב שני: התהליך ההפוך מתרחש. הזרם עובר מהלוח החיובי (שהיה שלילי ממש בהתחלה) לשלילית, עובר שוב דרך הסליל. וכל ההאשמות נכנסות למקומן.
המחזור חוזר כל עוד יש טעינה על הקבל. במעגל נדנדה אידיאלי תהליך זה נמשך בלי סוף, אך במעגל אמיתי הפסדי אנרגיה הם בלתי נמנעים עקב גורמים שונים: חימום המתרחש עקב קיומה של התנגדות במעגל (חום ג'ול) וכדומה.
אפשרויות עיצוב מתאר
מלבד המעגלים הפשוטים "קבלים-סליל" ו"קבלים-נגד-סליל", ישנן אפשרויות נוספות המשתמשות במעגל נדנדה כבסיס. זהו, למשל, מעגל מקביל, השונה בכך שהוא קיים כאלמנט של מעגל חשמלי (מכיוון שאם הוא היה קיים בנפרד, זה היה מעגל סדרתי, עליו נדון במאמר).
ישנם גם סוגים אחרים של עיצובים הכוללים רכיבים חשמליים שונים. לדוגמה, ניתן לחבר טרנזיסטור לרשת, שיפתח ויסגור את המעגל בתדר השווה לתדר התנודות במעגל. לפיכך, ייווצרו תנודות לא משוככות במערכת.
היכן נעשה שימוש במעגל תנודה?
היישום המוכר ביותר של רכיבי מעגל הוא אלקטרומגנטים. הם, בתורם, משמשים באינטרקום, מנועים חשמליים,חיישנים ובאזורים רבים אחרים לא כל כך רגילים. יישום נוסף הוא מחולל תנודות. למעשה, השימוש הזה במעגל מוכר לנו מאוד: בצורה זו הוא משמש במיקרוגל ליצירת גלים ובתקשורת ניידת ורדיו להעברת מידע למרחקים. כל זה נובע מהעובדה שניתן לקודד את התנודות של גלים אלקטרומגנטיים באופן שיהיה אפשרי להעביר מידע למרחקים ארוכים.
המשרן עצמו יכול לשמש כאלמנט של שנאי: שני סלילים עם מספר שונה של פיתולים יכולים להעביר את המטען שלהם באמצעות שדה אלקטרומגנטי. אך מכיוון שהמאפיינים של הסולנואידים שונים, מחווני הזרם בשני המעגלים אליהם מחוברים שני המשרנים הללו יהיו שונים. כך, ניתן להמיר זרם במתח של, נניח, 220 וולט לזרם במתח של 12 וולט.
מסקנה
ניתחנו בפירוט את עקרון הפעולה של המעגל המתנודד וכל אחד מחלקיו בנפרד. למדנו שמעגל תנודה הוא מכשיר שנועד ליצור גלים אלקטרומגנטיים. עם זאת, אלו הם רק היסודות של המכניקה המורכבת של האלמנטים הפשוטים לכאורה הללו. אתה יכול ללמוד עוד על המורכבויות של המעגל ומרכיביו מהספרות המיוחדת.
