Электрическими колебаниями называются любые периодически повторяющиеся изменения электрических величин в цепи: напряжения, силы тока или напряженностей электрического и магнитного полей и т. п. В данном, частном случае рассматриваются электрические колебания (их часто называют также и электромагнитными колебаниями), происходящие в колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности и конденсатора (рис.).
Что такое электрические колебания
При свободных колебаниях в контуре происходит периодически повторяющийся процесс перехода электрического поля конденсатора в магнитное поле катушки и обратно через посредство образующегося при этом в контуре переменного тока.
Рассмотрим явления, происходящие в идеальном колебательном контуре (т. е. в контуре, не имеющем активного сопротивления) с момента, когда конденсатор контура заряжен от постороннего источника напряжения (затем этот источник удален).
В начальный момент времени конденсатор заряжен, в нем образовалось электрическое поле, напряжение на нем Uк максимально, ток Iк в контуре равен нулю (рис., а = 1). В следующий момент конденсатор начинает разряжаться, напряжение UK на его зажимах падает, в контуре появляется ток, постепенно возрастающий по величине.
Проходя по виткам, ток образует магнитное поле, и в катушке появляется электродвижущая сила самоиндукции El, замедляющая нарастание тока (рис., а = 2). По мере приближения мгновенных значений тока Iк к максимальной величине Iт электродвижущая сила самоиндукции EL уменьшается и при Iк = Im, т. е- в момент, когда нарастание тока прекращается, она обращается в нуль (рис., а = 3). Конденсатор к этому моменту разряжается и напряжение UK снижается до нуля.
При этом ток Iк начинает убывать, что вызывает появление в катушке э. д. с. самоиндукции обратного знака, которая поддерживает ток в контуре за счет энергии постепенно ослабляющегося магнитного поля (рис., а = 4). Под действием тока конденсатор вновь заряжается, но с обратным знаком полярности пластин. К моменту, когда ток постепенно снизится до нуля, конденсатор полностью заряжен, но с обратной исходному положению полярностью пластин (рис., а-5).
Затем процесс повторяется, но ток Iк протекает в контуре в обратном направлении (рис., б), так проходит один период колебательного процесса.
Как показывает теория этого вопроса, изменение во времени величин, обусловливающих колебательный процесс: UK, Iк и El, происходит по законам гармонического колебания, т. е. имеет синусоидальный характер. Это относится также и к колебаниям напряженностей Е электрического поля конденсатора и Н магнитного поля катушки. При этом как колебания тока Iк в контуре по отношению к напряжению UK на зажимах конденсатора, так и колебания напряженности Н магнитного поля в катушке по отношению к напряженности Е электрического поля в конденсаторе запаздывают по фазе на угол 90°.
Свободные электрические колебания
Свободные электрические колебания в идеальном контуре являются незатухающими. В реальном контуре, где, кроме индуктивности и емкости, имеется активное сопротивление, происходит потеря энергии. В связи с этим амплитуды напряжения на зажимах конденсатора и соответственно тока в контуре с каждым последующим колебанием уменьшаются и колебания являются затухающими.
На рис. 2, а показан опыт (на рис. 2, б — принципиальная схема) возбуждения в контуре затухающих электрических колебаний.
Колебательный контур состоит из катушки L и конденсатора С с достаточно большими индуктивностью и емкостью. В контур последовательно включен гальванометр с нулем посредине шкалы. С помощью двойного ключа К конденсатор С контура сначала подключается к батарее Б (при этом конденсатор заряжается), а затем к катушке L, вместе с которой он образует колебательный контур. При этом в контуре возникает серия затухающих колебаний, наблюдаемых по отклонениям стрелки призора.
Период электрических колебаний зависит от емкости и индуктивности контура. Чем больше индуктивность катушки, тем медленнее происходит нарастание и снижение тока в ней, и чем больше емкость конденсатора, тем медленнее происходят его заряд и разряд при прочих равных условиях.
Определение частоты колебаний
Частоту колебаний в контуре можно определить из условия, численного равенства напряжения UK на зажимах конденсатора и падения напряжения Ikxl на катушке:
Uk=Ikxl.
Напряжение UK можно представить как произведение тока в контуре на емкостное сопротивление конденсатора: UK = Iк хс . Тогда наше условие сводится к равенству между собой индуктивного и емкостного сопротивления контура xL — хс или ωL = 1/ωC. Отсюда ω2 = 1/LC или ω = 1/√(LC) .
Так как ω = 2 π v, можно написать: ω = ω/2π. Тогда период колебаний будет равен: 7 = 2π √(LC) (формула Томсона).
Генератор электрических колебаний
Для того чтобы обеспечить незатухающие колебания, особенно в тех случаях, когда мощность их используется для каких-либо полезных целей, необходимо пополнять энергию, расходуемую в контуре с помощью соответствующего источника питания.
Простейший генератор незатухающих электрических колебаний (рис. 3) состоит из колебательного контура (катушка индуктивности L и конденсатор С), который включен в анодную цепь трехэлектродной лампы Л последовательно с источником Б постоянного напряжения. С катушкой L контура индуктивно связывается катушка К, концы которой подключены к сетке и катоду лампы. Она связывает работу лампы Л с колебательным процессом в контуре и называется катушкой обратной связи, а весь генератор — генератором с трансформаторной обратной связью. Генератор представляет собой автоколебательную систему, в которой поддерживается незатухающие колебания и обеспечивается их самовозбуждение.
Незатухающие колебания получаются благодаря периодической подзарядке конденсатора анодным током лампы, проходящим через контур.
При этом амплитудные значения напряжения на зажимах конденсатора поддерживаются на постоянном уровне, а энергия, расходуемая в контуре, пополняется за счет источника питания в анодной цепи лампы.
Для того чтобы осуществлять периодическую подзарядку конденсатора контура в необходимые моменты, анодный ток должен иметь пульсирующий характер. Это обеспечивается путем соответствующего изменения потенциала на сетке лампы, который создается через посредство катушки К связи самим колебательным процессом.
Как работает самовозбуждение в генераторе
Рассмотрим самовозбуждение колебаний в генераторе (рис. 3, а). При замыкании ключа В (потенциалы на сетке и на катоде в этот момент равны) в цепи проходит ток покоя лампы, который в контуре разветвляется между катушкой L и конденсатором С. Конденсатор при этом начинает заряжаться, а в катушке возбуждается э. д. с. самоиндукции, замедляющая нарастание тока.
При этом в катушке связи наводится э. д. с. индукции, которая образует на сетке лампы положительный потенциал (для этого катушка К подключается к сетке и катоду определенными концами; в противном случае на сетке будет отрицательный потенциал и самовозбуждения колебаний не произойдет). В связи с образованием положительного потенциала на сетке анодный ток лампы, проходящий через контур, продолжает нарастать до наибольшей величины — тока насыщения. Конденсатор контура при этом заряжается до максимального напряжения.
В момент достижения током максимальной величины индукция в катушке связи прекращается и потенциал на сетке лампы снижается до нуля, что вызывает уменьшение тока, проходящего через контур. В катушке связи при этом наводится э. д. с. индукции обратного знака, сообщающая сетке отрицательный потенциал, и ток в цепи снижается еще больше, вплоть до некоторого минимального значения. Тогда конденсатор начинает разряжаться через катушку и в контуре возникают электрические колебания, частота которых обусловливается емкостью и индуктивностью контура.
При установившемся колебательном процессе ток Iк, проходящий по катушке контура, индуктирует через катушку связи на сетке лампы переменный, потенциал Uc (см. график на рис. 3, б), который вызывает соответствующие колебания анодного тока. Анодный ток Iа имеет пульсирующий характер и рассматривается как состоящий из двух токов: постоянного Iа0 и накладывающегося на него переменного I~ частота которого соответствует частоте колебательного процесса (рис 3, б). Постоянная составляющая анодного тока проходит через катушку контура и на колебательный процесс влияния не оказывает. Переменная составляющая анодного тока проходит преимущественно через конденсатор, представляющий для нее значительно меньшее сопротивление, чем катушка, и, складываясь с током колебательного процесса, подзаряжает конденсатор.
Подзарядка конденсатора, при которой происходит передача энергии от источника питания в колебательный контур, имеет место только в положительные полупериоды колебаний анодного тока, когда мгновенные значения его превышают величину постоянной составляющей, т. е. один раз за период колебательного процесса. В связи с этим генератор называется простым или однотактным.
В рассмотренном генераторе источник питания включается последовательно в цепь лампы (генератор с последовательным питанием). На практике-чаще применяется параллельное питание. В этом генераторе, принцип работы которого полностью аналогичен предыдущему, постоянная и переменная составляющие анодного тока разделяются благодаря наличию в схеме фильтровых элементов: дросселя Lp и конденсатора Ср. Постоянная составляющая проходит через дроссель и источник питания, переменная — через разделительный конденсатор и колебательный контур.
Имеются генераторы с автотрансформаторной обратной связью. При этом потенциал на сетку лампы подается непосредственно от части витков катушки контура, начальная точка которых включена к катоду, конечная — к сетке лампы (этим обеспечивается необходимый для самовозбуждения генератора знак потенциала на сетке).
Применение генераторов электрических колебаний
Применяются также генераторы электрических колебаний с независимым возбуждением. В этом случае колебания от независимого источника Г, называемого возбудителем, подаются на сетку лампы Л, в анодную цепь которой включен основной колебательный контур LC генератора. Колебания потенциала на сетке вызывают соответствующие колебания анодного тока лампы, который, проходя через колебательный контур, вызывает и поддерживает в нем колебания с частотой, равной или кратной частоте возбудителя.
Для точной настройки контура на необходимую частоту в него включается регулировочный конденсатор (что на схемах обозначается пересекающей его стрелкой). Генератор с независимым возбуждением можно рассматривать как усилитель колебаний, поданных на сетку, с настроенным контуром в цепи анода.
В генераторах электрических колебаний, кроме триодов, используются также лампы с двумя и тремя сетками (тетроды и пентоды), что улучшает рабочие характеристики генератора и повышает его мощность. В генераторах также применяется подача на сетку лампы напряжения смешения. Эти вопросы в какой-то мере были затронуты выше применительно к усилителю колебаний. В настоящее время все элементы схемы заменены на новую схему (микросхема генератор и полевые транзисторы).
Статья на тему Электрические колебания