الدائرة التذبذبية هي جهاز مصمم لتوليد (إنشاء) التذبذبات الكهرومغناطيسية. منذ نشأته وحتى يومنا هذا ، تم استخدامه في العديد من مجالات العلوم والتكنولوجيا: من الحياة اليومية إلى المصانع الضخمة التي تنتج مجموعة متنوعة من المنتجات.
ما هو مصنوع؟
تتكون الدائرة التذبذبية من ملف ومكثف. بالإضافة إلى ذلك ، قد يحتوي أيضًا على المقاوم (عنصر ذو مقاومة متغيرة). المحرِّض (أو الملف اللولبي ، كما يُطلق عليه أحيانًا) هو قضيب تُلف عليه عدة طبقات من اللف ، والتي ، كقاعدة عامة ، عبارة عن سلك نحاسي. هذا هو العنصر الذي يخلق التذبذبات في الدائرة التذبذبية. غالبًا ما يُطلق على القضيب الموجود في المنتصف خنق أو قلب ، ويطلق على الملف أحيانًا اسم الملف اللولبي.
لا يتأرجح ملف الدائرة التذبذبية إلا عند وجود شحنة مخزنة. عندما يمر التيار عبره ، فإنه يتراكم شحنة ، ثم ينبعث منها إلى الدائرة إذا انخفض الجهد.
عادةً ما تتمتع أسلاك الملف بمقاومة قليلة جدًا ، والتي تظل دائمًا ثابتة. غالبًا ما يحدث تغيير في الجهد والتيار في دائرة الدائرة المتذبذبة. يخضع هذا التغيير لقوانين رياضية معينة:
-
U=U0 cos (w(t-t0) ، حيث
U هو الجهد الحالي النقطة الزمنية t ،
U0- الجهد في الوقت t0،
w - تردد التذبذبات الكهرومغناطيسية
مكون آخر لا يتجزأ من الدائرة هو المكثف الكهربائي. هذا عنصر يتكون من لوحين مفصولتين بواسطة عازل. في هذه الحالة ، يكون سمك الطبقة بين الألواح أقل من أحجامها. يسمح لك هذا التصميم بتجميع شحنة كهربائية على العازل الكهربائي ، والتي يمكن بعد ذلك نقلها إلى الدائرة.
الفرق بين المكثف والبطارية هو أنه لا يوجد تحول للمواد تحت تأثير التيار الكهربائي ، ولكن هناك تراكم مباشر للشحنة في مجال كهربائي. وبالتالي ، بمساعدة مكثف ، من الممكن تجميع شحنة كبيرة بما فيه الكفاية ، والتي يمكن التخلص منها دفعة واحدة. في هذه الحالة ، تزداد قوة التيار في الدائرة بشكل كبير.
أيضًا ، تتكون الدائرة التذبذبية من عنصر آخر: المقاوم. يتمتع هذا العنصر بمقاومة وهو مصمم للتحكم في التيار والجهد في الدائرة. إذا زادت مقاومة المقاوم بجهد ثابت ، فإن القوة الحالية ستنخفض وفقًا للقانونأوما:
-
I=U / R ، حيث
أنا حالي ،
U هي الجهد ،
R هي المقاومة.
محث
دعونا نلقي نظرة فاحصة على جميع التفاصيل الدقيقة للمحث ونفهم بشكل أفضل وظيفتها في الدائرة التذبذبية. كما قلنا سابقًا ، تميل مقاومة هذا العنصر إلى الصفر. وبالتالي ، عند الاتصال بدائرة تيار مستمر ، قد تحدث دائرة كهربائية قصيرة. ومع ذلك ، إذا قمت بتوصيل الملف بدائرة تيار متردد ، فإنه يعمل بشكل صحيح. هذا يسمح لك باستنتاج أن العنصر يوفر مقاومة للتيار المتردد.
لكن لماذا يحدث هذا وكيف تنشأ المقاومة مع التيار المتردد؟ للإجابة على هذا السؤال ، نحتاج إلى اللجوء إلى ظاهرة مثل الاستقراء الذاتي. عندما يمر التيار عبر الملف ، تنشأ فيه قوة دافعة كهربائية (EMF) ، مما يخلق عقبة أمام تغيير التيار. يعتمد حجم هذه القوة على عاملين: تحريض الملف ومشتق القوة الحالية فيما يتعلق بالوقت. رياضيا ، يتم التعبير عن هذا الاعتماد من خلال المعادلة:
-
E=-LI '(t) ، حيث
E هي قيمة EMF ، L هي قيمة محاثة الملف (لكل ملف يختلف ويعتمد على عدد ملفات اللف وسمكها) ،
I '(t) - مشتق من القوة الحالية فيما يتعلق بالوقت (معدل تغير القوة الحالية).
لا تتغير قوة التيار المباشر بمرور الوقت ، لذلك لا توجد مقاومة عند التعرض لها.
لكن مع التيار المتردد ، تتغير جميع معلماته باستمرار وفقًا لقانون الجيب أو قانون جيب التمام ،ونتيجة لذلك ، يظهر عامل كهرومغناطيسي يمنع هذه التغييرات. تسمى هذه المقاومة الاستقرائية وتحسب بالصيغة:
- XL=wL.
التيار في الملف اللولبي يزيد وينقص بشكل خطي وفقًا للقوانين المختلفة. هذا يعني أنك إذا أوقفت الإمداد الحالي للملف ، فسيستمر في إعطاء الشحن للدائرة لبعض الوقت. وإذا انقطع العرض الحالي فجأة في نفس الوقت ، فستحدث صدمة بسبب حقيقة أن الشحنة ستحاول توزيعها والخروج من الملف. هذه مشكلة خطيرة في الإنتاج الصناعي. يمكن ملاحظة مثل هذا التأثير (على الرغم من عدم ارتباطه بالكامل بالدائرة التذبذبية) ، على سبيل المثال ، عند سحب القابس من المقبس. في الوقت نفسه ، تقفز شرارة ، والتي على هذا النطاق لا يمكن أن تؤذي أي شخص. يرجع ذلك إلى حقيقة أن المجال المغناطيسي لا يختفي على الفور ، ولكنه يتبدد تدريجياً ، مما يؤدي إلى تيارات في الموصلات الأخرى. على المستوى الصناعي ، تكون القوة الحالية أكبر بعدة مرات من 220 فولت التي اعتدنا عليها ، لذلك عندما تنقطع الدائرة في الإنتاج ، يمكن أن تحدث شرارات من هذه القوة تسبب الكثير من الضرر لكل من المصنع والشخص.
الملف هو أساس ما تتكون منه الدائرة التذبذبية. محاثات الملفات اللولبية في السلسلة تتراكم. بعد ذلك ، سوف نلقي نظرة فاحصة على كل التفاصيل الدقيقة لهيكل هذا العنصر.
ما هو المحاثة؟
تحريض ملف الدائرة التذبذبية هو مؤشر فردي يساوي عدديًا القوة الدافعة الكهربائية (بالفولت) التي تحدث في الدائرة عندماتغيير في التيار بمقدار 1 أ في 1 ثانية. إذا كان الملف اللولبي متصلاً بدائرة تيار مستمر ، فإن تحريضه يصف طاقة المجال المغناطيسي الذي تم إنشاؤه بواسطة هذا التيار وفقًا للصيغة:
-
W=(LI2) / 2 ، حيث
W هي طاقة المجال المغناطيسي.
يعتمد عامل الحث على العديد من العوامل: على هندسة الملف اللولبي ، وعلى الخصائص المغناطيسية لللب وعلى عدد ملفات الأسلاك. خاصية أخرى لهذا المؤشر هي أنه دائما موجب ، لأن المتغيرات التي يعتمد عليها لا يمكن أن تكون سالبة.
يمكن تعريف الحث أيضًا على أنه خاصية للموصل الحامل للتيار لتخزين الطاقة في مجال مغناطيسي. تم قياسه في هنري (سمي على اسم العالم الأمريكي جوزيف هنري).
بالإضافة إلى الملف اللولبي ، تتكون الدائرة التذبذبية من مكثف ، والذي سيتم مناقشته لاحقًا.
مكثف كهربائي
يتم تحديد سعة الدائرة التذبذبية بواسطة سعة المكثف الكهربائي. حول ظهوره كتب أعلاه. الآن دعنا نحلل فيزياء العمليات التي تجري فيه
نظرًا لأن لوحات المكثف مصنوعة من موصل ، يمكن للتيار الكهربائي أن يتدفق من خلالها. ومع ذلك ، هناك عائق بين الصفيحتين: عازل (يمكن أن يكون الهواء أو الخشب أو مادة أخرى ذات مقاومة عالية. نظرًا لحقيقة أن الشحنة لا يمكن أن تنتقل من أحد طرفي السلك إلى الطرف الآخر ، فإنها تتراكم على مكثف: وهذا يزيد من قوة المجالات المغناطيسية والكهربائية حولها.تبدأ الكهرباء المتراكمة على الألواح بالانتقال إلى الدائرة
لكل مكثف تصنيف جهد مثالي لتشغيله. إذا تم تشغيل هذا العنصر لفترة طويلة بجهد أعلى من الجهد المقنن ، فإن مدة خدمته تقل بشكل كبير. يتأثر مكثف الدائرة التذبذبية باستمرار بالتيارات ، وبالتالي ، عند اختياره ، يجب أن تكون حذرًا للغاية.
بالإضافة إلى المكثفات المعتادة التي تمت مناقشتها ، هناك أيضًا مؤيونات. هذا عنصر أكثر تعقيدًا: يمكن وصفه بأنه تقاطع بين بطارية ومكثف. كقاعدة عامة ، تعمل المواد العضوية كعزل كهربائي في أيونستور ، يوجد بينها إلكتروليت. يعملان معًا على إنشاء طبقة كهربائية مزدوجة ، مما يسمح لك بتجميع طاقة في هذا التصميم عدة مرات أكثر من المكثف التقليدي.
ما هي سعة المكثف؟
سعة المكثف هي نسبة شحنة المكثف إلى الجهد الذي يقع تحته. يمكنك حساب هذه القيمة بكل بساطة باستخدام الصيغة الرياضية:
-
C=(e0 S) / d ، حيث
e0هي سماحية المادة العازلة (قيمة الجدول) ،
S - مساحة ألواح المكثف ،
د - المسافة بين الألواح.
تفسر ظاهرة الحث الكهروستاتيكي اعتماد سعة المكثف على المسافة بين الألواح: فكلما كانت المسافة بين الصفيحتين أصغر ، زادت قوة تأثيرها على بعضها البعض (وفقًا لقانون كولوم) ، كلما زادت شحنة الألواح وانخفض الجهد. وكلما انخفض الجهدتزداد قيمة السعة ، حيث يمكن أيضًا وصفها بالصيغة التالية:
-
C=q / U ، حيث
q هي الشحنة في كولوم.
يجدر الحديث عن وحدات هذه الكمية. يتم قياس السعة بالفاراد. 1 فاراد هي قيمة كبيرة بما يكفي لأن المكثفات الموجودة (ولكن ليس المؤين) لها سعة تقاس بالبيكوفاراد (تريليون فاراد).
المقاوم
يعتمد التيار في الدائرة التذبذبية أيضًا على مقاومة الدائرة. بالإضافة إلى العنصرين الموصوفين اللذين يشكلان الدائرة التذبذبية (لفائف ، مكثفات) ، هناك أيضًا عنصر ثالث - المقاوم. إنه مسؤول عن خلق المقاومة. يختلف المقاوم عن العناصر الأخرى في أنه يتمتع بمقاومة كبيرة يمكن تغييرها في بعض الطرز. في الدائرة التذبذبية ، تقوم بوظيفة منظم طاقة المجال المغناطيسي. يمكنك توصيل عدة مقاومات على التوالي أو على التوازي ، وبالتالي زيادة مقاومة الدائرة.
تعتمد مقاومة هذا العنصر أيضًا على درجة الحرارة ، لذلك يجب أن تكون حريصًا بشأن تشغيله في الدائرة ، لأنه يسخن عند مرور التيار.
مقاومة المقاوم تقاس بالأوم ، ويمكن حساب قيمتها باستخدام الصيغة:
-
R=(pl) / S ، حيث
p هي مقاومة مادة المقاوم (تقاس بـ (أوممم2) / م) ؛
l - طول المقاوم (بالأمتار) ؛
S - مساحة المقطع (بالمليمتر المربع).
كيفية ربط معلمات المسار؟
الآن نقترب من الفيزياءتشغيل الدائرة التذبذبية. بمرور الوقت ، تتغير شحنة ألواح المكثف وفقًا لمعادلة تفاضلية من الدرجة الثانية.
إذا قمت بحل هذه المعادلة ، فستتبعها عدة صيغ مثيرة للاهتمام ، تصف العمليات التي تحدث في الدائرة. على سبيل المثال ، يمكن التعبير عن التردد الدوري من حيث السعة والحث.
ومع ذلك ، فإن أبسط صيغة تسمح لك بحساب العديد من الكميات غير المعروفة هي صيغة طومسون (التي سميت على اسم الفيزيائي الإنجليزي ويليام طومسون ، الذي اشتقها عام 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - فترة التذبذبات الكهرومغناطيسية ،
L و C - على التوالي ، محاثة ملف الدائرة التذبذبية وسعة عناصر الدائرة ،
p - الرقم pi.
عامل Q
هناك قيمة أخرى مهمة تميز تشغيل الدائرة - عامل الجودة. من أجل فهم ما هو عليه ، يجب على المرء أن يلجأ إلى عملية مثل الرنين. هذه ظاهرة يصبح فيها السعة القصوى مع قيمة ثابتة للقوة التي تدعم هذا التذبذب. يمكن تفسير الرنين بمثال بسيط: إذا بدأت في دفع التأرجح إلى إيقاع تردده ، فسوف يتسارع ، ويزداد "اتساعه". وإذا تجاوزت الوقت ، فسوف تتباطأ. عند الرنين ، غالبًا ما يتم تبديد قدر كبير من الطاقة. لكي يتمكنوا من حساب حجم الخسائر ، توصلوا إلى معلمة مثل عامل الجودة. إنها نسبة مساوية للنسبةالطاقة في النظام إلى الخسائر التي تحدث في الدائرة في دورة واحدة.
يتم حساب عامل جودة الدائرة بالصيغة:
-
Q=(w0 W) / P ، حيث
w0- تردد التذبذب الدوري الرنان ؛
W - الطاقة المخزنة في النظام التذبذب ؛
P - تبديد الطاقة.
هذه المعلمة هي قيمة بلا أبعاد ، لأنها تظهر في الواقع نسبة الطاقة: المخزنة إلى المستهلك.
ما هي الدائرة التذبذبية المثالية
لفهم العمليات في هذا النظام بشكل أفضل ، توصل الفيزيائيون إلى ما يسمى بالدائرة التذبذبية المثالية. هذا نموذج رياضي يمثل الدائرة كنظام بدون مقاومة. ينتج اهتزازات توافقية غير مخمدة. مثل هذا النموذج يجعل من الممكن الحصول على الصيغ لحساب تقريبي لمعلمات الكنتور. واحدة من هذه المعلمات هي إجمالي الطاقة:
W=(LI2) / 2.
مثل هذه التبسيط تعمل على تسريع العمليات الحسابية بشكل كبير وتمكن من تقييم خصائص الدائرة باستخدام مؤشرات معينة.
كيف يعمل؟
يمكن تقسيم الدورة الكاملة للدائرة التذبذبية إلى قسمين. الآن سوف نحلل بالتفصيل العمليات التي تحدث في كل جزء.
- المرحلة الأولى: تبدأ لوحة المكثف موجبة الشحنة في التفريغ ، مما يعطي التيار للدائرة. في هذه اللحظة ، ينتقل التيار من شحنة موجبة إلى شحنة سالبة ، يمر عبر الملف. نتيجة لذلك ، تحدث التذبذبات الكهرومغناطيسية في الدائرة. يمر الحاليملف ، يذهب إلى اللوحة الثانية ويشحنها بشكل إيجابي (في حين أن اللوحة الأولى ، التي يتدفق منها التيار ، يتم شحنها سلبًا).
- المرحلة الثانية: تحدث العملية العكسية. يمر التيار من الصفيحة الموجبة (التي كانت سالبة في البداية) إلى السالبة ، ويمر مرة أخرى عبر الملف. وكل التهم في مكانها
تتكرر الدورة طالما أن هناك شحنة على المكثف. في الدائرة التذبذبية المثالية ، تستمر هذه العملية إلى ما لا نهاية ، ولكن في الدائرة الحقيقية ، فإن فقد الطاقة أمر لا مفر منه بسبب عوامل مختلفة: التسخين ، والذي يحدث بسبب وجود مقاومة في الدائرة (حرارة جول) ، وما شابه.
خيارات تصميم الكنتور
إلى جانب دارات "ملف مكثف" و "مكثف لفائف" ، هناك خيارات أخرى تستخدم دائرة متذبذبة كأساس. هذه ، على سبيل المثال ، هي دائرة متوازية ، والتي تختلف من حيث أنها موجودة كعنصر من عناصر الدائرة الكهربائية (لأنها ، إذا كانت موجودة بشكل منفصل ، ستكون دائرة متسلسلة ، وهو ما تمت مناقشته في المقالة).
هناك أيضًا أنواع أخرى من التصميمات التي تتضمن مكونات كهربائية مختلفة. على سبيل المثال ، يمكنك توصيل ترانزستور بالشبكة ، والذي سيفتح ويغلق الدائرة بتردد يساوي تردد التذبذب في الدائرة. وبالتالي ، سيتم إنشاء التذبذبات غير المخمد في النظام.
أين تستخدم الدائرة التذبذبية؟
التطبيق الأكثر شيوعًا لمكونات الدائرة هو المغناطيسات الكهربائية. يتم استخدامها بدورها في أجهزة الاتصال الداخلي والمحركات الكهربائية ،أجهزة الاستشعار وفي العديد من المناطق الأخرى غير العادية. تطبيق آخر هو مولد التذبذب. في الواقع ، هذا الاستخدام للدائرة مألوف جدًا بالنسبة لنا: في هذا الشكل يتم استخدامه في الميكروويف لإنشاء موجات وفي الاتصالات المتنقلة والراديو لنقل المعلومات عبر مسافة. كل هذا يرجع إلى حقيقة أن اهتزازات الموجات الكهرومغناطيسية يمكن تشفيرها بطريقة تجعل من الممكن نقل المعلومات عبر مسافات طويلة.
يمكن استخدام المحرِّض نفسه كعنصر من عناصر المحولات: يمكن لملفين بعدد مختلف من الملفات نقل شحنتهما باستخدام مجال كهرومغناطيسي. ولكن نظرًا لاختلاف خصائص الملفات اللولبية ، فإن المؤشرات الحالية في الدائرتين اللتين يتصل بهما هذين المحرِّضين ستختلف. وبالتالي ، من الممكن تحويل تيار بجهد ، على سبيل المثال ، 220 فولت إلى تيار بجهد 12 فولت.
الخلاصة
حللنا بالتفصيل مبدأ تشغيل الدائرة التذبذبية وكل جزء من أجزائها على حدة. علمنا أن الدائرة التذبذبية عبارة عن جهاز مصمم لإنشاء موجات كهرومغناطيسية. ومع ذلك ، فهذه ليست سوى أساسيات الآليات المعقدة لهذه العناصر التي تبدو بسيطة. يمكنك معرفة المزيد عن تعقيدات الدائرة ومكوناتها من الأدبيات المتخصصة.
