Ein Schwingkreis ist ein Gerät zur Erzeugung (Erzeugung) elektromagnetischer Schwingungen. Von seinen Anfängen bis heute wurde es in vielen Bereichen von Wissenschaft und Technologie eingesetzt: vom Alltag bis hin zu riesigen Fabriken, die eine Vielzahl von Produkten herstellen.
Woraus besteht es?
Der Schwingkreis besteht aus einer Spule und einem Kondensator. Zusätzlich kann es auch einen Widerstand (Element mit variablem Widerstand) enth alten. Ein Induktor (oder Solenoid, wie er manchmal genannt wird) ist ein Stab, auf den mehrere Wicklungsschichten gewickelt sind, die in der Regel ein Kupferdraht sind. Dieses Element erzeugt Schwingungen im Schwingkreis. Der Stab in der Mitte wird oft als Drossel oder Kern bezeichnet, und die Spule wird manchmal als Solenoid bezeichnet.
Die Schwingkreisspule schwingt nur bei gespeicherter Ladung. Wenn Strom durch ihn fließt, sammelt er eine Ladung, die er dann an die Sch altung abgibt, wenn die Spannung abfällt.
Die Spulendrähte haben normalerweise einen sehr geringen Widerstand, der immer konstant bleibt. Im Stromkreis eines Schwingkreises tritt sehr häufig eine Spannungs- und Stromänderung auf. Diese Änderung unterliegt bestimmten mathematischen Gesetzen:
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U=U0cos(w(t-t0), wobei
U die aktuelle Spannung ist Zeitpunkt t, U0 - Spannung zum Zeitpunkt t0, w – Frequenz von elektromagnetische Schwingungen.
Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Sch altung ist der elektrische Kondensator. Dies ist ein Element, das aus zwei Platten besteht, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. In diesem Fall ist die Dicke der Schicht zwischen den Platten geringer als ihre Größe. Mit diesem Design können Sie eine elektrische Ladung auf dem Dielektrikum ansammeln, die dann an die Sch altung übertragen werden kann.
Der Unterschied zwischen einem Kondensator und einer Batterie besteht darin, dass unter der Einwirkung eines elektrischen Stroms keine Stoffumwandlung stattfindet, sondern eine direkte Ansammlung von Ladung in einem elektrischen Feld. Mit Hilfe eines Kondensators ist es also möglich, eine ausreichend große Ladung zu akkumulieren, die auf einmal abgegeben werden kann. In diesem Fall steigt die Stromstärke im Stromkreis stark an.
Außerdem besteht der Schwingkreis aus einem weiteren Element: einem Widerstand. Dieses Element hat einen Widerstand und ist dafür ausgelegt, den Strom und die Spannung in der Sch altung zu steuern. Wenn der Widerstand des Widerstands bei konstanter Spannung erhöht wird, nimmt die Stromstärke gemäß dem Gesetz abOma:
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I=U/R, wobei
I der Strom ist, U die Spannung ist, R der Widerstand ist.
Induktor
Sehen wir uns alle Feinheiten des Induktors genauer an und verstehen seine Funktion in einem Schwingkreis besser. Wie wir bereits gesagt haben, tendiert der Widerstand dieses Elements gegen Null. Somit würde beim Anschluss an einen Gleichstromkreis ein Kurzschluss auftreten. Wenn Sie die Spule jedoch an einen Wechselstromkreis anschließen, funktioniert sie ordnungsgemäß. Daraus lässt sich schließen, dass das Element Wechselstrom widersteht.
Aber warum passiert das und wie entsteht Widerstand bei Wechselstrom? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns einem Phänomen wie der Selbstinduktion zuwenden. Wenn Strom durch die Spule fließt, entsteht darin eine elektromotorische Kraft (EMF), die ein Hindernis für die Änderung des Stroms darstellt. Die Größe dieser Kraft hängt von zwei Faktoren ab: der Induktivität der Spule und der zeitlichen Ableitung der Stromstärke. Mathematisch wird diese Abhängigkeit durch die Gleichung ausgedrückt:
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E=-LI'(t), wobei
E der EMF-Wert ist, L der Wert der Spuleninduktivität ist (für jede Spule ist es anders und hängt davon ab von der Anzahl der Windungen der Wicklung und ihrer Dicke), I'(t) - Ableitung der Stromstärke nach der Zeit (Änderungsrate der Stromstärke).
Die Gleichstromstärke ändert sich nicht mit der Zeit, daher gibt es keinen Widerstand, wenn sie ihr ausgesetzt wird.
Aber bei Wechselstrom ändern sich alle seine Parameter ständig nach einem Sinus- oder Kosinusgesetz,dadurch entsteht eine EMF, die diese Veränderungen verhindert. Dieser Widerstand wird induktiv genannt und wird nach folgender Formel berechnet:
- XL =wL
Der Strom im Elektromagneten nimmt nach verschiedenen Gesetzen linear zu und ab. Dies bedeutet, dass, wenn Sie die Stromzufuhr zur Spule unterbrechen, diese den Stromkreis noch einige Zeit weiter auflädt. Und wenn gleichzeitig die Stromversorgung abrupt unterbrochen wird, tritt ein Schock auf, da die Ladung versucht, sich zu verteilen und die Spule zu verlassen. Dies ist ein ernsthaftes Problem in der industriellen Produktion. Ein solcher Effekt (wenn auch nicht ausschließlich mit dem Schwingkreis zusammenhängend) lässt sich beispielsweise beobachten, wenn man den Stecker aus der Steckdose zieht. Gleichzeitig springt ein Funke über, der in einem solchen Ausmaß einem Menschen keinen Schaden zufügen kann. Dies liegt daran, dass das Magnetfeld nicht sofort verschwindet, sondern sich allmählich auflöst und Ströme in anderen Leitern induziert. Da die Stromstärke im industriellen Maßstab um ein Vielfaches höher ist als die von uns gewohnten 220 Volt, können bei Unterbrechung eines Stromkreises in der Produktion so starke Funken entstehen, die sowohl der Anlage als auch dem Menschen großen Schaden zufügen.
Eine Spule ist die Grundlage dessen, woraus ein Schwingkreis besteht. Die Induktivitäten der in Reihe gesch alteten Magnete addieren sich. Als nächstes werden wir uns alle Feinheiten der Struktur dieses Elements genauer ansehen.
Was ist Induktivität?
Die Induktivität der Spule eines Schwingkreises ist ein individueller Indikator, der numerisch gleich der elektromotorischen Kraft (in Volt) ist, die im Stromkreis auftritt, wennStromänderung um 1 A in 1 Sekunde. Wird der Elektromagnet an einen Gleichstromkreis angeschlossen, so beschreibt seine Induktivität die Energie des durch diesen Strom erzeugten Magnetfeldes nach der Formel:
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W=(LI2)/2, wobei
W die Magnetfeldenergie ist.
Der Induktivitätsfaktor hängt von vielen Faktoren ab: von der Geometrie des Elektromagneten, von den magnetischen Eigenschaften des Kerns und von der Anzahl der Drahtwindungen. Eine weitere Eigenschaft dieses Indikators ist, dass er immer positiv ist, da die Variablen, von denen er abhängt, nicht negativ sein können.
Induktivität kann auch als die Eigenschaft eines stromdurchflossenen Leiters definiert werden, Energie in einem Magnetfeld zu speichern. Sie wird in Henry gemessen (benannt nach dem amerikanischen Wissenschaftler Joseph Henry).
Neben dem Elektromagneten besteht der Schwingkreis aus einem Kondensator, auf den später noch eingegangen wird.
Elektrischer Kondensator
Die Kapazität des Schwingkreises wird durch die Kapazität des elektrischen Kondensators bestimmt. Über sein Aussehen wurde oben geschrieben. Analysieren wir nun die Physik der darin ablaufenden Prozesse.
Da die Kondensatorplatten aus einem Leiter bestehen, kann ein elektrischer Strom durch sie fließen. Zwischen den beiden Platten befindet sich jedoch ein Hindernis: ein Dielektrikum (es kann Luft, Holz oder ein anderes Material mit hohem Widerstand sein. Da sich die Ladung nicht von einem Ende des Drahtes zum anderen bewegen kann, sammelt sie sich auf dem Kondensatorplatten Dies erhöht die Stärke der magnetischen und elektrischen Felder um sie herum. Die auf den Platten angesammelte Elektrizität beginnt, in den Stromkreis übertragen zu werden.
Jeder Kondensator hat eine Nennspannung, die für seinen Betrieb optimal ist. Wenn dieses Element längere Zeit mit einer Spannung oberhalb der Nennspannung betrieben wird, verringert sich seine Lebensdauer erheblich. Der Schwingkreiskondensator wird ständig von Strömen beeinflusst, daher sollten Sie bei seiner Auswahl äußerst vorsichtig sein.
Neben den üblichen Kondensatoren, die besprochen wurden, gibt es auch Ionistoren. Dies ist ein komplexeres Element: Es kann als Kreuzung zwischen einer Batterie und einem Kondensator beschrieben werden. In einem Ionistor dienen in der Regel organische Substanzen als Dielektrikum, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet. Zusammen bilden sie eine doppelte elektrische Schicht, die es Ihnen ermöglicht, in diesem Design viel mehr Energie zu akkumulieren als in einem herkömmlichen Kondensator.
Wie groß ist die Kapazität eines Kondensators?
Die Kapazität eines Kondensators ist das Verhältnis der Ladung des Kondensators zur Spannung, unter der er liegt. Diesen Wert können Sie ganz einfach mit der mathematischen Formel berechnen:
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C=(e0S)/d, wobei
e0 die Permittivität des dielektrischen Materials ist (Tabellenwert), S - die Fläche der Kondensatorplatten, d - der Abstand zwischen den Platten.
Die Abhängigkeit der Kapazität des Kondensators vom Plattenabstand erklärt sich durch das Phänomen der elektrostatischen Induktion: Je kleiner der Plattenabstand ist, desto stärker beeinflussen sie sich (nach dem Coulombschen Gesetz), die Je größer die Ladung der Platten und desto niedriger die Spannung. Und wenn die Spannung abnimmtder Kapazitätswert steigt, da er auch durch folgende Formel beschrieben werden kann:
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C=q/U, wobei
q die Ladung in Coulomb ist.
Es lohnt sich, über die Einheiten dieser Größe zu sprechen. Die Kapazität wird in Farad gemessen. 1 Farad ist ein Wert, der groß genug ist, dass vorhandene Kondensatoren (aber keine Ionistoren) eine in Picofarad (eine Billion Farad) gemessene Kapazität haben.
Widerstand
Der Strom im Schwingkreis hängt auch vom Widerstand des Kreises ab. Und neben den beiden beschriebenen Elementen, aus denen der Schwingkreis besteht (Spulen, Kondensatoren), gibt es noch ein drittes - einen Widerstand. Er ist dafür verantwortlich, Widerstand zu schaffen. Der Widerstand unterscheidet sich von anderen Elementen dadurch, dass er einen großen Widerstand hat, der bei einigen Modellen geändert werden kann. Im Schwingkreis übernimmt es die Funktion eines Magnetfeldleistungsreglers. Sie können mehrere Widerstände in Reihe oder parallel sch alten und so den Widerstand der Sch altung erhöhen.
Der Widerstand dieses Elements hängt auch von der Temperatur ab, daher sollten Sie beim Betrieb in der Sch altung vorsichtig sein, da es sich erwärmt, wenn Strom fließt.
Widerstand wird in Ohm gemessen und sein Wert kann mit folgender Formel berechnet werden:
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R=(pl)/S, wobei
p der spezifische Widerstand des Widerstandsmaterials ist (gemessen in (Ohmmm2)/m);
l - Widerstandslänge (in Metern);
S - Querschnittsfläche (in Quadratmillimetern).
Wie verknüpft man Pfadparameter?
Jetzt nähern wir uns der PhysikBetrieb des Schwingkreises. Mit der Zeit ändert sich die Ladung auf den Kondensatorplatten gemäß einer Differentialgleichung zweiter Ordnung.
Löst man diese Gleichung, so ergeben sich daraus mehrere interessante Formeln, die die in der Sch altung ablaufenden Vorgänge beschreiben. Beispielsweise kann die zyklische Frequenz durch Kapazität und Induktivität ausgedrückt werden.
Die einfachste Formel, mit der Sie viele unbekannte Größen berechnen können, ist jedoch die Thomson-Formel (benannt nach dem englischen Physiker William Thomson, der sie 1853 herleitete):
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T=2p(LC)1/2.
T - die Periode der elektromagnetischen Schwingungen, L und C - jeweils die Induktivität der Spule des Schwingkreises und die Kapazität der Sch altungselemente, p - die Zahl pi.
Q-Faktor
Es gibt noch einen weiteren wichtigen Wert, der die Funktionsweise der Sch altung charakterisiert - die Güte. Um zu verstehen, was es ist, sollte man sich einem Prozess wie Resonanz zuwenden. Dies ist ein Phänomen, bei dem die Amplitude bei einem konstanten Wert der Kraft, die diese Schwingung unterstützt, maximal wird. Die Resonanz kann mit einem einfachen Beispiel erklärt werden: Wenn Sie anfangen, die Schaukel im Takt ihrer Frequenz zu drücken, beschleunigt sie sich und ihre "Amplitude" nimmt zu. Und wenn Sie die Zeit überschreiten, werden sie langsamer. Bei Resonanz wird oft viel Energie dissipiert. Um das Ausmaß der Verluste berechnen zu können, haben sie sich einen Parameter wie den Qualitätsfaktor ausgedacht. Es ist ein Verhältnis gleich dem VerhältnisEnergie im System zu den im Stromkreis auftretenden Verlusten in einem Zyklus.
Der Qualitätsfaktor der Sch altung wird nach folgender Formel berechnet:
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Q=(w0W)/P, wobei
w0 - resonante zyklische Schwingungsfrequenz;
W - im Schwingungssystem gespeicherte Energie, P - Verlustleistung.
Dieser Parameter ist ein dimensionsloser Wert, da er tatsächlich das Verhältnis von gespeicherter zu verbrauchter Energie darstellt.
Was ist ein idealer Schwingkreis
Um die Vorgänge in diesem System besser zu verstehen, haben sich Physiker den sogenannten idealen Schwingkreis ausgedacht. Dies ist ein mathematisches Modell, das eine Sch altung als System ohne Widerstand darstellt. Es erzeugt ungedämpfte harmonische Schwingungen. Ein solches Modell ermöglicht es, Formeln zur ungefähren Berechnung von Konturparametern zu erh alten. Einer dieser Parameter ist die Gesamtenergie:
W=(LI2)/2.
Solche Vereinfachungen beschleunigen Berechnungen erheblich und ermöglichen es, die Eigenschaften einer Sch altung mit gegebenen Indikatoren zu bewerten.
Wie funktioniert es?
Der gesamte Zyklus des Schwingkreises kann in zwei Teile geteilt werden. Jetzt werden wir die in jedem Teil ablaufenden Prozesse im Detail analysieren.
- Erste Phase: Die positiv geladene Kondensatorplatte beginnt sich zu entladen und gibt Strom an die Sch altung ab. In diesem Moment geht der Strom von einer positiven Ladung zu einer negativen über und fließt durch die Spule. Dadurch treten im Stromkreis elektromagnetische Schwingungen auf. Strom durchSpule, geht zur zweiten Platte und lädt diese positiv auf (während die erste Platte, von der der Strom geflossen ist, negativ geladen ist).
- Zweite Phase: Der umgekehrte Prozess findet statt. Der Strom fließt von der positiven Platte (die ganz am Anfang negativ war) zur negativen Platte und fließt erneut durch die Spule. Und alle Gebühren fallen zusammen.
Der Zyklus wiederholt sich solange der Kondensator geladen ist. In einem idealen Schwingkreis geht dieser Prozess endlos weiter, aber in einem realen sind Energieverluste aufgrund verschiedener Faktoren unvermeidlich: Erwärmung, die aufgrund des Vorhandenseins von Widerständen im Kreis (Joulesche Wärme) auftritt, und dergleichen.
Konturgest altungsoptionen
Neben den einfachen „Spule-Kondensator“- und „Spule-Widerstand-Kondensator“-Sch altungen gibt es noch weitere Möglichkeiten, die einen Schwingkreis als Basis verwenden. Dies ist zum Beispiel eine Parallelsch altung, die sich dadurch unterscheidet, dass sie als Element eines Stromkreises existiert (denn wenn sie separat existieren würde, wäre es eine Reihensch altung, die im Artikel besprochen wurde).
Es gibt auch andere Arten von Designs, die verschiedene elektrische Komponenten enth alten. Sie können beispielsweise einen Transistor an das Netzwerk anschließen, der den Stromkreis mit einer Frequenz öffnet und schließt, die der Schwingungsfrequenz im Stromkreis entspricht. Dadurch werden im System ungedämpfte Schwingungen aufgebaut.
Wo kommt ein Schwingkreis zum Einsatz?
Die bekannteste Anwendung von Sch altungskomponenten sind Elektromagnete. Sie wiederum werden in Gegensprechanlagen, Elektromotoren,Sensoren und in vielen anderen nicht so alltäglichen Bereichen. Eine weitere Anwendung ist ein Schwingungsgenerator. Tatsächlich ist uns diese Verwendung der Sch altung sehr vertraut: In dieser Form wird sie in der Mikrowelle verwendet, um Wellen zu erzeugen, und in der Mobil- und Funkkommunikation, um Informationen über eine Entfernung zu übertragen. All dies liegt daran, dass die Schwingungen elektromagnetischer Wellen so codiert werden können, dass es möglich wird, Informationen über große Entfernungen zu übertragen.
Die Induktivität selbst kann als Element eines Transformators verwendet werden: Zwei Spulen mit unterschiedlicher Windungszahl können ihre Ladung durch ein elektromagnetisches Feld übertragen. Da die Eigenschaften der Solenoide jedoch unterschiedlich sind, unterscheiden sich die Stromanzeigen in den beiden Stromkreisen, an die diese beiden Induktoren angeschlossen sind. So ist es möglich, einen Strom mit einer Spannung von beispielsweise 220 Volt in einen Strom mit einer Spannung von 12 Volt umzuwandeln.
Schlussfolgerung
Wir haben das Funktionsprinzip des Schwingkreises und jedes seiner Teile separat analysiert. Wir haben gelernt, dass ein Schwingkreis ein Gerät ist, das entwickelt wurde, um elektromagnetische Wellen zu erzeugen. Dies sind jedoch nur die Grundlagen der komplexen Mechanik dieser scheinbar einfachen Elemente. Mehr über die Feinheiten der Sch altung und ihrer Komponenten erfahren Sie in der Fachliteratur.
