Электрические колебания и колебательный контур

Электрический ток относится к числу наиболее интересных физических явлений. Он возникает при движении электронов - мельчайших частиц материи с отрицательным электрическим зарядом.

Электроны входят в состав атомов, из которых состоят все тела. Размеры атома ничтожно малы, увидеть его нельзя, но, несмотря на это, наука выяснила, как атомы устроены.

В центре атома находится невообразимо малое по размерам положительно заряженное ядро, а вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, безостановочно кружатся более легкие частицы с отрицательным зарядом. Это и есть электроны.

В некоторых веществах электроны не покидают своих атомов. Такие вещества не проводят электричества и называются изоляторами. В других веществах связь электронов с ядрами атомов гораздо слабее.

Это проводники электричества. В них имеются электроны, которые оторвались от атомов и блуждают между ними. В металлах таких путешествующих электронов несметное количество.

Они очень подвижны и перемещаются по самым различным направлениям. Но хаотическое движение электронов не создает электрического тока.

Если же составить электрическую Цепь, подключив, например, осветительную лампочку к полюсам гальванического элемента или динамомашины, то поведение этих электронов изменится.

Продолжая свое беспорядочное движение, они устремятся в одну сторону вдоль проводника, и в цепи возникнет электрический ток.

Направлением и силой тока управляет электродвижущая сила электрического генераторах. Если она не меняет своей величины и все время направлена в одну сторону, в электрической цепи будет протекать постоянный ток. Переменная электродвижущая сила вызовет переменный ток.

В отличие от постоянного переменный ток очень часто меняет направление. Электродвижущая сила гонит электроны то в одну, то в другую сторону. Возникает нечто, напоминающее колебания маятника.

В некоторый момент в цепи электрического тока нет. Затем ток появляется, и сила его начинает быстро нарастать. Достигнув наибольшей величины - амплитуды, - сила тока так же быстро убывает, и наконец ток пропадает совсем. Вслед за этим ток появляется снова, но теперь он течет уже в обратную сторону.

Постоянный ток течет в одну сторону и не меняет своей величины; переменный ток изменяется и по величине и по направлению

Рис. 1. Постоянный ток течет в одну сторону и не меняет своей величины; переменный ток изменяется и по величине и по направлению.

Величина его увеличивается до максимума, а затем опять падает до нуля. Так много раз в секунду ток меняет свое направление, и столько же раз повторяется изменение его величины. Происходят электрические колебания.

Частоту колебаний принято измерять герцами. Если в секунду совершается одно колебание, то частота равна одному герцу.

В радиотехнике применяются переменные токи высоких частот. Без высокочастотных колебаний радио невозможно. В то время как частота осветительного тока составляет 50 герц, в радиотехнике частоты измеряются тысячами, миллионами и даже миллиардами герц.

Как же удается получить столь высокую частоту?

Для этого служит очень простой электрический прибор - колебательный контур. Это своего рода «электрический маятник». Но в отличие от колебаний обычного маятника электрические колебания в контуре совершаются невероятно быстро.

На каждое колебание затрачивается ничтожно малая доля секунды, поэтому число колебаний в секунду очень велико.

Колебательный контур состоит всего из двух основных частей: катушки индуктивности и конденсатора. Катушка представляет собой свернутый в спираль с большим количеством витков изолированный металлический провод, а конденсатор (самый простой) две металлические пластинки, разделенные слоем изолятора.

Если присоединить концы катушки к пластинам конденсатора, получится колебательный контур. Но такой «мертвый» контур ничем не интересен. Чтобы в контуре возникли электрические колебания, его нужно «оживить».

Колебательный контур и его схема

Рис. 2. Колебательный контур и его схема.

Маятник мы отводим вбок или даем ему толчок, и он начинает мерно раскачиваться из стороны в сторону. Колебательный контур тоже можно «подтолкнуть».

К нему необходимо подвести некоторое количество электрической энергии, чтобы электроны пришли в колебательное движение. Для этого конденсатор следует зарядить от какого-либо источника тока, а затем подключить к катушке индуктивности.

Электрическое напряжение на пластинах конденсатора и сообщит электронам тот электрический «толчок», который необходим для возбуждения колебаний в контуре. Конденсатор станет разряжаться через катушку, и в цепи потечет ток.

С появлением тока скажется тормозящее влияние катушки - ее индуктивность, которая зависит от числа витков, размеров и формы катушки. Индуктивность - это свойство катушки, которое обусловливает «инерцию тока» в электрической цепи.

Она противодействует всякому изменению тока, подобно тому как инерция тела препятствует изменению его скорости. Вследствие противодействия катушки - электрической инерции - ток будет нарастать постепенно и достигнет наибольшей величины как раз в тот момент, когда конденсатор полностью израсходует свои электрический заряд, т. е. разрядится.

В этот момент вся энергия конденсатора превратится в энергию движущихся зарядов, и, казалось бы, ток должен исчезнуть. На самом же деле благодаря электрической инерции он не прекратится и будет протекать в ту же сторону.

Но сила тока начнет постепенно убывать. Разряженный конденсатор будет теперь заряжаться в обратном направлении: пластина, имевшая положительный заряд, будет заряжаться отрицательно, и наоборот.

Когда энергия полностью сосредоточится в конденсаторе, ток в контуре прекратится, но процесс на этом не остановится. Зарядившийся конденсатор опять начнет разряжаться: в контуре потечет ток, но уже в обратном направлении.

Сила тока возрастет до максимума, а затем снова упадет до нуля. В этот момент завершится полный цикл изменения тока в контуре, т. е. закончится одно электрическое колебание.

После этого все изменения тока станут повторяться, подобно тому как повторяются перемещения маятника. В контуре возникнут быстрые электрические колебания.

Частоту колебаний можно изменять

Рис. 3. Частоту колебаний можно изменять.

Частота этих колебаний определяется величинами индуктивности катушки и емкости конденсатора х. Чем больше индуктивность, тем сильнее скажется ее тормозящее действие на изменении электрического тока в контуре и тем медленнее будут совершаться колебания.

Так же влияет на частоту колебаний и емкость.

С увеличением емкости конденсатора возрастает время, необходимое для его заряда и разряда. Значит, период колебаний будет продолжительнее, а число колебаний в секунду меньше.

Следовательно, изменяя индуктивность и емкость контура, можно менять частоту происходящих в нем электрических колебаний, подобно тому как скрипач, перемещая пальцы по грифу скрипки и удлиняя или укорачивая струны, изменяет тон, т. е. меняет частоту звуковых колебаний.

Колебания в контуре, происходящие без какого-либо влияния со стороны, чрезвычайно кратковременны. Это объясняется тем, что электрический ток нагревает провода катушки.

Энергия электрических колебаний превращается в тепло, которое рассеивается. Потери эти неизбежны, поэтому колебания в контуре быстро затухают. Амплитуда их становится все меньше иі меньше, и наконец колебания практически прекращаются. Они длятся очень малую долю секунды.

Затухающими колебаниями пользовались в первые годы развития радиотехники. Но теперь они не применяются. Уже много лет назад разработаны способы получения незатухающих колебаний, на применении которых основывается современная радиотехника.

Незатухающие колебания - это колебания с неослабевающей силой. Амплитуда их не меняется.

Для получения таких колебаний, кроме контура, используется электронная лампа — один из самых замечательных приборов, применяемых в технике.

Источник: Ф. Честнов - "В мире радио", 1954г.

3
1264
Добавить комментарий