Как сделать открытый колебательный контур

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 04.10.2024

Электрический колебательный L-C контур был открыт трижды. Первый раз это произошло, когда Дж. Генри обнаружил, что при коротком замыкании заряженного конденсатора (по терминологии тех лет, лейденской банки) возникает ток, многократно изменяющий свою полярность.
На самом деле, Джозеф Генри разряжал заряженный конденсатор через амперметр, который представлял собой катушку индуктивности, внутри которой находилась магнитная стрелка. Провод этой катушки был достаточно толстым, что послужило основанием считать, что разряд шел накоротко.
Статью об этом Генри разместил в Американском Натурфилософском журнале в 1848 году, и этот год считается моментом открытия контура. Ученые того времени объяснили многократное изменение направления тока интерференционными процессами, возникающими в результате короткого замыкания лейденской банки, заполненной электрической жидкостью (в терминологии тех лет).
Обнаружив, спустя 20 с лишним лет, что этот знакопеременный процесс имеет форму затухающей синусоиды, лорд Кельвин заявил категорически и однозначно об открытии новой, ранее неизвестной колебательной системы. Это было второе открытие контура. Но при этом всё ещё была неизвестной роль индуктивности, и лорд Кельвин считал, что колебательной системой является конденсатор сам по себе.
Спустя еще 10 лет, Фергюссен осознал роль индуктивности, и контур был открыт окончательно.
Для нас здесь самое главное заключается в том, что уже в середине XIX века наличие реакции на ударное воздействие в виде затухающей синусоиды однозначно воспринималось грамотными людьми как свидетельство того, что объект, на который оказывается ударное воздействие, является колебательной системой.
В начале ХХ века эта история была еще весьма свежей, и как ученые того времени не истолковали явно гармонический характер сейсмосигналов как свидетельство того, что земная толща является совокупностью колебательных систем - мне непонятно.
Считаю свои долгом воздать должное гениальности лорда Кельвина, который смог написать уравнение контура, не зная о роли индуктивности. Уравнение это имело следующий вид:

где, по понятиям Кельвина, С - статическая, а А - динамическая ёмкость лейденской банки.

Первым, кто экспериментально получил электромагнитную волну, был немецкий ученый Генрих Герц. Так же он смог передать ее на небольшое расстояние и принять. В 1886 году Герц заметил крошечные искры, проскакивающие в зазоре медного кольца, когда рядом разряжалась индукционная катушка. Это свидетельствовало о присутствии электромагнитных волн. Герц принялся изучать это явление. Он сконструировал аппарат, который состоял из передатчика и устройства, которое бы создало колебание необходимой частоты и приемника. Для того чтобы понять, в чем заключалась идея Герца в создании передатчика, необходимо вспомнить теоритические выводы Максвелла об электромагнитных волнах: электромагнитные волны создаются ускоренно движущимися зарядами. Создать такие заряды можно только в колебательном контуре. Колебательный контур – это цепь, которая состоит, в идеале, из последовательно соединенной катушки и конденсатора. В таком контуре возникают электромагнитные колебания, то есть периодические изменения со временем электрического и магнитного поля и, соответственно, величин, их характеризующих.
Рассмотрим, как происходят эти колебания. Отсчет времени начинается с того момента, как в цепь подключили заряженный конденсатор. Напряжение на обкладках конденсатора максимально, линии напряженности электрического поля направлены сверху вниз. В следующий промежуток времени, конденсатор начинает разряжаться (то есть электрическое поле ослабевает) и в цепи начинает течь ток. Одновременно с этим в катушке возникнет магнитное поле, препятствующее возрастанию тока в цепи. Здесь мы наблюдаем превращение электрического поля в магнитное. Когда конденсатор полностью разряжен, энергия контура заключена в магнитном поле. Так как конденсатор разрядился, ток начинает в контуре убывать, и в катушке в результате явления самоиндукции возникает индукционный ток, который направлен так же, как и убывающий ток (согласно правилу Ленца). В результате этого конденсатор начинает перезаряжаться, теперь нижняя обкладка конденсатора заряжена положительно, а верхняя отрицательно. Магнитное поле опять превращается в электрическое. С уменьшением магнитного поля до нулевого значения конденсатор полностью заряжается. Энергия контура заключена в электрическом поле. Полностью заряженный конденсатор начинает разряжаться, но так как полярность обкладок конденсатора изменилась, ток потечет в противоположном направлении. Процесс повторится, но в зеркальном отражении. Таким образом, создаются свободные электромагнитные колебания, то есть колебания, которые возникли благодаря первоначальному запасу энергии (по аналогии с механическими колебаниями). Электромагнитное поле в контуре создано. Однако такой контур очень слабо излучает эту энергию в окружающую среду. Если раскрывать обкладки конденсатора все больше и больше, то все электромагнитные волны будут излучаться в пространстве более свободно.
В своем опыте Герц использовал катушку Румкорфа. Она состоит из первичной обмотки толстой проволоки и вторичной, большого количества витков тонкой проволоки. Эта катушка позволяет получить на концах вторичной обмотки огромное напряжение, благодаря чему сферы заряжаются противоположными зарядами. Через некоторое время в промежутке между сферами проскакивает искра. В этот момент в открытом контуре получаем высокочастотные колебания, которые будут распространяться в виде волны в окружающее пространство. Электромагнитная волна невидима. Поэтому для ее регистрации или приема Герц использовал кольцо с разрывом. Экспериментируя с размером кольца и расстоянием до контура, Герц получил искровой разряд. Искры были результатом электромагнитных колебаний, которые распространялись в пространстве как волны и заряжали приемник.

Электромагнитные колебания всегда должны создавать электромагнитные волны, но на практике эти волны не всегда легко обнаружить и использовать.

В колебательном контуре происходит лишь обмен энергией между емкостью и индуктивностью, а потери энергии на создание электромагнитных волн в окружающем пространстве очень малы. Поэтому такой колебательный контур называют закрытым. Действительно, закрытый колебательный контур создает настолько слабые волны, что их можно обнаружить только с помощью специальных высокочувствительных устройств. Что же нужно сделать, чтобы увеличить интенсивность электромагнитных волн?

Первые опыты в этой области были сделаны Г. Герцем, но окончательное решение указанного вопроса было найдено только после работ А. С. Попова.

Закрытый колебательный контур почти не создает в окружающем пространстве электромагнитных волн, потому что изменения электрического и магнитного полей этого контура происходят, в весьма ограниченной области пространства (внутри конденсатора и катушки). Для создания интенсивных волн необходимо производить эти колебания в открытом пространстве так, чтобы изменяющиеся поля охватывали контур со всех сторон.

Электромагнитные волны, создаваемые колебательным контуром, называют электромагнитным излучением. Для увеличения излучения контура можно раздвинуть обкладки конденсатора (рис. 27.5, а). Такой колебательный контур называют открытым. Однако и в этом случае интенсивность излучения оказывается недостаточной для практических целей.

Попов нашел значительно более эффективный способ увеличения мощности излучения, создаваемого контуром. Он оставил контур неизменным, но один конец катушки заземлил, а к другому концу присоединил вертикальный провод со свободным верхним концом. Этот вертикальный провод A (рис. 27.5, б) теперь принято называть снижением. Все устройство, которое присоединяют к колебательному контуру для увеличения мощности электромагнитного излучения и для приема электромагнитных волн, называют антенной (изобретена А. С. Поповым в 1895 г.).

Сегодня нас интересует простейший колебательный контур, его принцип работы и применение.

За полезной информацией по другим темам переходите на наш телеграм-канал.

Колебания – процесс, повторяющийся во времени, характеризуется изменением параметров системы около точки равновесия.

Первое, что приходит на ум - это механические колебания математического или пружинного маятников. Но ведь колебания бывают и электромагнитными.

По определению колебательный контур (или LC-контур) – это электрическая цепь, в которой происходят свободные электромагнитные колебания.

Такой контур представляет собой электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивностью L и конденсатора емкостью C. Соединены эти два элемента могут быть лишь двумя способами - последовательно и параллельно. Покажем на рисунке ниже изображение и схему простейшего колебательного контура.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.

Принцип действия колебательного контура

Давайте рассмотрим пример, когда сначала мы заряжаем конденсатор и замыкаем цепь. После этого в цепи начинает течь синусоидальный электрический ток. Конденсатор разряжается через катушку. В катушке при протекании через нее тока возникает ЭДС самоиндукции, направленная в сторону, противоположную току конденсатора.

Разрядившись окончательно, конденсатор благодаря энергии ЭДС катушки, которая в этот момент будет максимальна, начнет заряжаться вновь, но только в обратной полярности.

Колебания, которые происходят в контуре – свободные затухающие колебания. То есть без дополнительной подачи энергии колебания в любом реальном колебательном контуре рано или поздно прекратятся, как и любые колебания в природе.

Это обусловлено тем, что контур состоит из реальных материалов (конденсатор, катушка, провода), обладающих таким свойством, как электрическое сопротивление, и потери энергии в реальном колебательном контуре неизбежны. В противном случае это нехитрое устройство могло бы стать вечным двигателем, существование которого, как известно, невозможно.

Еще одна важная характеристика LC-контура – добротность Q. Добротность определяет амплитуду резонанса и показывает, во сколько раз запасы энергии в контуре превышают потери энергии за один период колебаний. Чем выше добротность системы, тем медленнее будут затухать колебания.

Резонанс LC-контура

Электромагнитные колебания в LC-контуре происходят с определенной частотой, которая называется резонансной Подробнее про резонанс – в нашей отдельной статье. Частоту колебаний можно менять, варьируя такие параметры контура, как емкость конденсатора C, индуктивность катушки L, сопротивление резистора R (для LCR-контура).

Как рассчитать резонансную частоту колебательного контура? Очень просто! Приведем окончательную формулу:

Применение колебательного контура

Колебательный контур широко применяется на практике. На его основе строятся частотные фильтры, без него не обходится ни один радиоприемник или генератор сигналов определенной частоты.

Если вы не знаете, как подступиться к расчету LC-контура или на это совершенно нет времени, обратитесь в профессиональный студенческий сервис. Качественная и быстрая помощь в решении любых задач не заставит себя ждать!

Читайте также: