Bir salınım devresi, elektromanyetik salınımlar oluşturmak (yaratmak) için tasarlanmış bir cihazdır. Başlangıcından günümüze kadar bilim ve teknolojinin birçok alanında kullanılmaktadır: günlük yaşamdan çok çeşitli ürünler üreten dev fabrikalara kadar.
Neyden yapılmıştır?
Salınım devresi bir bobin ve bir kapasitörden oluşur. Ek olarak, bir direnç de içerebilir (değişken dirençli eleman). Bir indüktör (veya bazen çağrıldığı gibi solenoid), üzerine birkaç kat sargı sarılmış ve kural olarak bir bakır tel olan bir çubuktur. Salınım devresinde salınımlar yaratan bu elementtir. Ortadaki çubuğa genellikle bobin veya çekirdek denir ve bobine bazen solenoid denir.
Salınım devresi bobini yalnızca depolanmış bir şarj olduğunda salınır. Akım içinden geçtiğinde, bir yük biriktirir ve voltaj düşerse devreye verir.
Bobin telleri genellikle çok az dirence sahiptir ve bu her zaman sabit kalır. Salınım yapan bir devrenin devresinde, voltaj ve akımda çok sık bir değişiklik meydana gelir. Bu değişiklik belirli matematiksel yasalara tabidir:
-
U=U0cos(w(t-t0), burada
U mevcut voltajdır t zamanındaki nokta, U0 - t zamanındaki voltaj0, w - frekansı elektromanyetik salınımlar.
Devrenin diğer bir ayrılmaz bileşeni elektrik kondansatörüdür. Bu, bir dielektrik ile ayrılmış iki plakadan oluşan bir elemandır. Bu durumda, plakalar arasındaki tabakanın kalınlığı, boyutlarından daha azdır. Bu tasarım, dielektrik üzerinde daha sonra devreye aktarılabilecek bir elektrik yükü biriktirmenizi sağlar.
Kondansatör ve pil arasındaki fark, bir elektrik akımının etkisi altında maddelerin dönüşümü olmaması, ancak bir elektrik alanında doğrudan bir yük birikimi olmasıdır. Böylece, bir kapasitör yardımıyla, bir kerede dağıtılabilen yeterince büyük bir yük biriktirmek mümkündür. Bu durumda devredeki akım gücü büyük ölçüde artar.
Ayrıca, salınım devresi bir elemandan daha oluşur: bir direnç. Bu eleman dirence sahiptir ve devredeki akım ve voltajı kontrol etmek için tasarlanmıştır. Direncin direnci sabit bir voltajda arttırılırsa, akım gücü yasaya göre azalacaktır. Oma:
-
I=U/R, burada
I akım, U voltaj, R dirençtir.
İndüktör
İndüktörün tüm inceliklerine daha yakından bakalım ve bir salınım devresindeki işlevini daha iyi anlayalım. Daha önce de söylediğimiz gibi, bu elemanın direnci sıfır olma eğilimindedir. Böylece bir DC devresine bağlandığında kısa devre meydana gelir. Ancak bobini bir AC devresine bağlarsanız düzgün çalışır. Bu, elemanın alternatif akıma direnç gösterdiği sonucuna varmanızı sağlar.
Fakat bu neden oluyor ve alternatif akımla direnç nasıl ortaya çıkıyor? Bu soruyu cevaplamak için, kendi kendine tümevarım gibi bir fenomene dönmemiz gerekiyor. Akım bobinden geçtiğinde, içinde akımın değiştirilmesine engel oluşturan bir elektromotor kuvveti (EMF) ortaya çıkar. Bu kuvvetin büyüklüğü iki faktöre bağlıdır: bobinin endüktansı ve akım gücünün zamana göre türevi. Matematiksel olarak, bu bağımlılık şu denklemle ifade edilir:
-
E=-LI'(t), burada
E EMF değeridir, L bobin endüktansının değeridir (her bobin için farklıdır ve sarımın bobin sayısı ve kalınlıkları üzerinde), I'(t) - akım gücünün zamana göre türevi (akım gücünün değişim oranı).
Doğru akım gücü zamanla değişmez, bu nedenle ona maruz kaldığında direnç olmaz.
Fakat alternatif akımla, tüm parametreleri sinüzoidal veya kosinüs yasasına göre sürekli değişiyor,sonuç olarak, bu değişiklikleri önleyen bir EMF ortaya çıkar. Böyle bir dirence endüktif denir ve şu formülle hesaplanır:
- XL =wL
Solenoiddeki akım, çeşitli yasalara göre doğrusal olarak artar ve azalır. Bu, bobine giden akımı keserseniz, bir süre daha devreye şarj vermeye devam edeceği anlamına gelir. Aynı zamanda, mevcut besleme aniden kesilirse, yükün dağıtılmaya ve bobinden çıkmaya çalışacağı için bir şok meydana gelir. Bu endüstriyel üretimde ciddi bir sorundur. Böyle bir etki (tamamen salınım devresi ile ilgili olmasa da), örneğin fişi prizden çekerken gözlemlenebilir. Aynı zamanda, böyle bir ölçekte bir kişiye zarar veremeyen bir kıvılcım atlar. Bunun nedeni, manyetik alanın hemen kaybolmaması, ancak yavaş yavaş dağılması ve diğer iletkenlerde akımların indüklenmesidir. Endüstriyel ölçekte, akım gücü alıştığımız 220 volttan çok daha fazladır, bu nedenle üretimde bir devre kesildiğinde, hem bitkiye hem de kişiye çok fazla zarar veren bu tür güçte kıvılcımlar oluşabilir.
Bir bobin, bir salınım devresinin nelerden oluştuğunun temelidir. Seri bağlı solenoidlerin endüktansları toplanır. Ardından, bu elementin yapısının tüm inceliklerine daha yakından bakacağız.
Endüktans nedir?
Bir salınım devresinin bobininin endüktansı, devrede meydana gelen elektromotor kuvvetine (volt cinsinden) sayısal olarak eşit olan ayrı bir göstergedir.1 saniyede 1 A akım değişikliği. Solenoid bir DC devresine bağlıysa, endüktansı, bu akım tarafından oluşturulan manyetik alanın enerjisini aşağıdaki formüle göre tanımlar:
-
W=(LI2)/2, burada
W manyetik alan enerjisidir.
Endüktans faktörü birçok faktöre bağlıdır: solenoidin geometrisine, çekirdeğin manyetik özelliklerine ve tel bobinlerinin sayısına. Bu göstergenin bir başka özelliği de her zaman pozitif olmasıdır, çünkü bağlı olduğu değişkenler negatif olamaz.
Endüktans, akım taşıyan bir iletkenin manyetik alanda enerji depolama özelliği olarak da tanımlanabilir. Henry'de ölçülür (adını Amerikalı bilim adamı Joseph Henry'den almıştır).
Solenoide ek olarak, salınım devresi daha sonra tartışılacak olan bir kapasitörden oluşur.
Elektrik Kondansatörü
Salınım devresinin kapasitansı, elektrik kondansatörünün kapasitansı ile belirlenir. Görünüşü hakkında yukarıda yazılmıştır. Şimdi içinde gerçekleşen süreçlerin fiziğini analiz edelim.
Kondansatör plakaları bir iletkenden yapıldığından, içlerinden bir elektrik akımı akabilir. Ancak iki plaka arasında bir engel vardır: bir dielektrik (hava, ahşap veya yüksek dirençli başka bir malzeme olabilir. Yük, telin bir ucundan diğerine hareket edemediğinden, telin üzerinde birikir. kapasitör plakaları Bu, etrafındaki manyetik ve elektrik alanların gücünü arttırır.plakalarda biriken elektrik devreye aktarılmaya başlar.
Her kapasitör, çalışması için en uygun voltaj derecesine sahiptir. Bu eleman, nominal voltajın üzerindeki bir voltajda uzun süre çalıştırılırsa, hizmet ömrü önemli ölçüde azalır. Salınım devresi kondansatörü akımlardan sürekli etkilenir ve bu nedenle onu seçerken son derece dikkatli olmalısınız.
Tartışılan olağan kapasitörlere ek olarak iyonlaştırıcılar da vardır. Bu daha karmaşık bir öğedir: pil ile kapasitör arasındaki geçiş olarak tanımlanabilir. Kural olarak, organik maddeler, aralarında bir elektrolit bulunan bir iyonlaştırıcıda bir dielektrik görevi görür. Birlikte, bu tasarımda geleneksel bir kapasitörden çok daha fazla enerji biriktirmenize izin veren bir çift elektrik katmanı oluştururlar.
Bir kapasitörün kapasitansı nedir?
Bir kapasitörün kapasitansı, kapasitörün yükünün bulunduğu voltaja oranıdır. Bu değeri matematiksel formülü kullanarak çok basit bir şekilde hesaplayabilirsiniz:
-
C=(e0S)/d, burada
e0 dielektrik malzemenin geçirgenliğidir (tablo değeri), S - kapasitör plakalarının alanı, d - plakalar arasındaki mesafe.
Kondansatörün kapasitansının plakalar arasındaki mesafeye bağımlılığı, elektrostatik indüksiyon fenomeni ile açıklanır: plakalar arasındaki mesafe ne kadar küçükse, birbirlerini o kadar güçlü etkilerler (Coulomb yasasına göre), plakaların yükü ne kadar büyükse ve voltaj o kadar düşük olur. Ve voltaj azaldıkçakapasitans değeri artar, çünkü aşağıdaki formülle de tanımlanabilir:
-
C=q/U, burada
q, coulomb cinsinden yüktür.
Bu miktarın birimlerinden bahsetmeye değer. Kapasitans farad cinsinden ölçülür. 1 farad, mevcut kapasitörlerin (ancak iyonistörlerin değil) pikofarad (bir trilyon farad) cinsinden ölçülen bir kapasitansa sahip olması için yeterince büyük bir değerdir.
Direnç
Salınım devresindeki akım, devrenin direncine de bağlıdır. Ve salınım devresini (bobinler, kapasitörler) oluşturan açıklanan iki öğeye ek olarak, üçüncü bir tane daha var - bir direnç. Direnç yaratmaktan sorumludur. Direnç, bazı modellerde değiştirilebilen büyük bir dirence sahip olması nedeniyle diğer elemanlardan farklıdır. Salınım devresinde, bir manyetik alan güç regülatörü işlevini yerine getirir. Birkaç direnci seri veya paralel bağlayarak devrenin direncini artırabilirsiniz.
Bu elemanın direnci de sıcaklığa bağlıdır, bu yüzden akım geçtiğinde ısınacağı için devrede çalışmasına dikkat etmelisiniz.
Direnç direnci Ohm cinsinden ölçülür ve değeri şu formül kullanılarak hesaplanabilir:
-
R=(pl)/S, burada
p direnç malzemesinin direncidir ((Ohmmm2)/m cinsinden ölçülür);
l - direnç uzunluğu (metre olarak);
S - kesit alanı (milimetre kare olarak).
Yol parametreleri nasıl bağlanır?
Şimdi fiziğe yaklaştıksalınım devresinin çalışması. Zamanla, kapasitör plakalarındaki yük, ikinci dereceden bir diferansiyel denkleme göre değişir.
Bu denklemi çözerseniz, devrede meydana gelen süreçleri açıklayan birkaç ilginç formül takip eder. Örneğin, döngüsel frekans kapasitans ve endüktans cinsinden ifade edilebilir.
Ancak, birçok bilinmeyen niceliği hesaplamanıza izin veren en basit formül Thomson formülüdür (adını 1853'te türetilen İngiliz fizikçi William Thomson'dan almıştır):
-
T=2p(LC)1/2.
T - elektromanyetik salınımların periyodu, L ve C - sırasıyla, salınım devresinin bobininin endüktansı ve devre elemanlarının kapasitansı, p - pi sayısı.
Q faktörü
Devrenin çalışmasını karakterize eden başka bir önemli değer daha vardır - kalite faktörü. Ne olduğunu anlamak için rezonans gibi bir sürece dönülmelidir. Bu, bu salınımı destekleyen kuvvetin sabit bir değeri ile genliğin maksimum olduğu bir olgudur. Rezonans basit bir örnekle açıklanabilir: Salınımı frekansının ritmine göre itmeye başlarsanız, hızlanacak ve "genliği" artacaktır. Ve zamanın dışına itersen, yavaşlarlar. Rezonansta, genellikle çok fazla enerji harcanır. Kayıpların büyüklüğünü hesaplayabilmek için kalite faktörü gibi bir parametre ile geldiler. orana eşit bir orandırbir çevrimde devrede meydana gelen kayıplara sistemdeki enerji.
Devrenin kalite faktörü şu formülle hesaplanır:
-
Q=(w0W)/P, burada
w0 - rezonans döngüsel salınım frekansı;
W - salınım sisteminde depolanan enerji;
P - güç kaybı.
Bu parametre boyutsuz bir değerdir, çünkü aslında enerjinin: depolanan ve harcanan oranını gösterir.
İdeal bir salınım devresi nedir
Bu sistemdeki süreçleri daha iyi anlamak için fizikçiler sözde ideal salınım devresini geliştirdiler. Bu, bir devreyi sıfır dirençli bir sistem olarak temsil eden matematiksel bir modeldir. Sönümsüz harmonik salınımlar üretir. Böyle bir model, kontur parametrelerinin yaklaşık hesaplanması için formüller elde etmeyi mümkün kılar. Bu parametrelerden biri toplam enerjidir:
W=(LI2)/2.
Bu tür basitleştirmeler, hesaplamaları önemli ölçüde hızlandırır ve verilen göstergelerle bir devrenin özelliklerini değerlendirmeyi mümkün kılar.
Nasıl çalışır?
Salınım devresinin tüm döngüsü iki kısma ayrılabilir. Şimdi her bölümde meydana gelen süreçleri detaylı olarak analiz edeceğiz.
- Birinci aşama: Pozitif yüklü kapasitör plakası devreye akım vererek deşarj olmaya başlar. Bu anda akım, bobinden geçerek pozitif bir yükten negatif bir yüke geçer. Sonuç olarak, devrede elektromanyetik salınımlar meydana gelir. geçen akımbobin, ikinci plakaya gider ve onu pozitif olarak yükler (oysa akımın aktığı ilk plaka negatif olarak yüklenir).
- İkinci aşama: ters işlem gerçekleşir. Akım, pozitif plakadan (en başta negatif olan) negatife geçerek tekrar bobinden geçer. Ve tüm suçlamalar yerine oturuyor.
Kondansatörde şarj olduğu sürece döngü tekrarlanır. İdeal bir salınım devresinde, bu süreç sonsuz olarak devam eder, ancak gerçek bir devrede, çeşitli faktörler nedeniyle enerji kayıpları kaçınılmazdır: devrede direncin varlığı nedeniyle oluşan ısıtma (Joule ısısı) ve benzerleri.
Kontur tasarım seçenekleri
Basit "bobin-kapasitör" ve "bobin-direnç-kapasitör" devrelerinin yanı sıra, temel olarak bir salınım devresi kullanan başka seçenekler de vardır. Bu, örneğin, bir elektrik devresinin bir elemanı olarak var olması bakımından farklılık gösteren bir paralel devredir (çünkü ayrı olarak mevcut olsaydı, makalede tartışılan bir seri devre olurdu).
Farklı elektrik bileşenleri içeren başka tasarım türleri de vardır. Örneğin, devredeki salınım frekansına eşit bir frekansta devreyi açıp kapatacak olan ağa bir transistör bağlayabilirsiniz. Böylece sistemde sönümsüz salınımlar oluşacaktır.
Salınım devresi nerede kullanılır?
Devre bileşenlerinin en bilinen uygulaması elektromıknatıslardır. Sırayla interkomlarda, elektrik motorlarında kullanılırlar,sensörler ve diğer pek çok sıradan olmayan alanlarda. Başka bir uygulama bir salınım üretecidir. Aslında, devrenin bu kullanımı bize çok tanıdık geliyor: Bu formda mikrodalgada dalgalar oluşturmak için ve mobil ve radyo iletişiminde belli bir mesafeden bilgi iletmek için kullanılıyor. Bütün bunlar, elektromanyetik dalgaların salınımlarının, uzun mesafelerde bilgi iletmeyi mümkün kılacak şekilde kodlanabilmesinden kaynaklanmaktadır.
İndüktörün kendisi bir transformatörün elemanı olarak kullanılabilir: farklı sayıda sargıya sahip iki bobin, elektromanyetik bir alan kullanarak yüklerini aktarabilir. Ancak solenoidlerin özellikleri farklı olduğu için bu iki indüktörün bağlı olduğu iki devredeki akım göstergeleri farklı olacaktır. Böylece, örneğin 220 voltluk bir akımı 12 voltluk bir akıma dönüştürmek mümkündür.
Sonuç
Salınım devresinin çalışma prensibini ve her bir parçasını ayrı ayrı detaylı olarak inceledik. Salınım devresinin elektromanyetik dalgalar oluşturmak için tasarlanmış bir cihaz olduğunu öğrendik. Ancak bunlar, görünüşte basit olan bu unsurların karmaşık mekaniğinin yalnızca temelleridir. Devrenin incelikleri ve bileşenleri hakkında özel literatürden daha fazla bilgi edinebilirsiniz.
