простейший колебательный контур можно изготовить если соединить между собой
Простейший колебательный контур можно изготовить если соединить между собой
Устройство и схема простейшего колебательного контура показаны на рис.1. Он, как видишь, состоит из катушки Ь и конденсатора С, образующих замкнутую электрическую цепь. При некоторых условиях в контуре могут возникнуть и существовать электрические колебания. Поэтому его и называют колебательным контуром.
Приходилось ли тебе наблюдать такое явление: в момент выключения питания электроосветительной лампы между размыкающимися контактами выключателя появляется искра. Если случайно соединить полосы батареи электрического карманного фонарика (чего нужно избегать), в момент их разъединения между ними также проскакивает маленькая искра. А на электростанциях, на заводах, где рубильниками разрывают электрические цепи, по которым текут очень большие токи, искры могут быть столь значительными, что приходится принимать меры, чтобы они не причинили вреда человеку, включающему ток. Почему возникают эти искры?
Рис.1. Простейший электрический колебательный контур.
Рис.2. Магнитные силовые линии вокруг проводника с током.
Это явление называют самоиндукцией, а электрическую силу (не путай с индукцией, о которой мы говорили в первой беседе), которая под действием исчезающего магнитного поля поддерживает в нем ток,-электродвижущей силой самоиндукции или, сокращенно, э.д.с. самоиндукции.
Чем больше э.д.с. самоиндукции, тем значительнее может быть искра в месте разрыва электрической цепи.
Явление самоиндукции можно сравнивать с явлением инерции. Санки, например, трудно сдвинуть с места. Но когда они наберут скорость, запасутся кинетической энергией.- энергией движения, их невозможно остановить мгновенно. После торможения они продолжают скользить до тех пор, пока запасенная ими энергия движения не израсходуется на преодоление трения о снег.
Все ли проводники обладают одинаковой самоиндукцией? Нет! Чем длиннее проводник, тем значительнее самоиндукция. В проводнике, свернутом в катушку, явление самоиндукция сказывается сильнее, чем в прямолинейном проводнике, так как магнитное поле каждого витка катушки наводит ток не только в этом витке, но и в соседних витках этой катушки. Чем больше длина провода в катушке, тем дольше будет существовать в нем ток самоиндукции после выключения основного тока. И, наоборот, потребуется больше времена мок включения основного тока, чтобы ток в цепи возрос до определенного значения и установилось постоянное по силе магнитное поле.
Рис.3. Заряд и разряд конденсатора.
Если к обкладкам конденсатора присоединить источник постоянного тока (рис.3, а), то в образовавшейся цепи возникнет кратковременный ток и конденсатор зарядится до напряжения, равного напряжению источника тока.
Ты можешь спросить: почему в цепи, где есть диэлектрик, возникает ток? Когда мы присоединяем к конденсатору источник постоянного тока, свободные электроны в проводниках образовавшейся цепи начинают двигаться в сторону положительного полюса источника тока, образуя кратковременный поток электронов, во всей цепи. В результате обкладка конденсатора, которая соединена с положительным полюсом источника тока, обедняется свободными электронами и заряжается положительно, а другая обогащается свободными электронами, и, следовательно, заряжается отрицательно. Как только конденсатор зарядится, кратковременный ток в цепи, именуемый током заряда конденсатора, прекратится.
Если источник тока отключить от конденсатора, то конденсатор окажется заряженным (рис.3, б). Переходу избыточных электронов с одной обкладки на другую препятствует диэлектрик. Между обкладками конденсатора тока не будет, а накопленная им. электрическая энергия будет сосредоточена в электрическом доле диэлектрик а. Но стоит обкладки заряженного конденсатора соединить проводником (рис.3, в), «излишние» электроны отрицательно заряженной обкладки перейдут по этому Проводнику на другую обкладку, где их недостает, и конденсатор разрядится. В этом случае в образовавшейся цепи также возникает кратковременный ток, называемый током разряда конденсатора. Если емкость конденсатора большая, и он заряжен до значительного напряжения, момент разряда сопровождается появлением значительной искры и треска.
Свойство конденсатора накапливать электрические заряды и разряжаться через подключенные к нему проводники как раз и используется в колебательном контуре радиоприемника.
Я вспомнил здесь о качелях потому, что физические явления, происходящие в такой механической колебательной системе, очень схожи с явлениями в электрическом колебательном контуре. Чтобы в контуре возникли электрические колебания, ему надо сообщить энергию, которая «подтолкнула» бы электроны. Это можно сделать, зарядив, например, его конденсатор.
Разорвем выключателем В колебательный контур и подключим к обкладкам его конденсатора источник постоянного тока, как показано на рис.4 вверху. Конденсатор зарядится до напряжения батареи Б. Затем отключим батарею от конденсатора, а контур замкнем выключателем В. Явления, которые теперь будут происходить в контуре, изображены графически на рис.4 внизу.
Рис.4. Электрические колебания в контуре.
в катушке и энергия магнитного поля достигнут наибольших значений. Казалось бы, что в этот момент ток в контуре должен был прекратиться. Этого, однако, не произойдет, так как от действия э.д.с. самоиндукции, стремящейся поддержать ток, движение электронов в контуре будет продолжаться. Но только до тех пор, пока не израсходуется вся энергия магнитного поля. В катушке в это время будет течь убывающий по величине, но первоначального направления индуцированный ток.
В момент времени 4 (рис.4,д) будет такое же состояние электронов в контуре, как в первоначальный момент 0. Закончилось одно полное колебание. Естественно, что заряженный конденсатор вновь будет разряжаться ва катушку, перезаряжаться и произойдут второе, за ним третье, четвертое в т. д. колебания. Другими словами, в контуре возникнет переменный электрический ток, электрические колебания. Но этот колебательный процесс в контуре не бесконечен. Он продолжается до тех пор, пока вся энергия, полученная конденсатором от батареи, не израсходуется ва преодоление сопротивления провода катушки контура. Такие колебания в контуре являются свободными В, следовательно, затухающими.
Рис.5. Графики колебаний простейшего маятника.
Этот опыт позволяет сделать вывод: с уменьшением длины маятника частота его собственных колебаний увеличивается, а период пропорционально уменьшается.
Изменяя длину подвески маятника, добейся, чтобы его частота колебаний была 1 Гц. Это должно быть при длине нити около 25 см. В этом случае период колебаний маятника будет равен 1 с. Каким бы ты ни пытался создать первоначальный размах маятника, частота его колебаний будет неизменной. Но стоит только укоротить или удлинить нитку, как частота колебаний сразу изменится. При одной и той же длине нитки всегда будет одна и та же частота колебаний. Это собственная частота колебаний маятника. Получить заданную частоту колебаний можно путем подбора длины нити.
Колебания нитяного маятника являются затухающими. Они могут стать незатухающими только в том случае, если маятник в такт с его колебаниями слегка подталкивать, компенсируя таким образом ту энергию, которую он затрачивает на преодоление сопротивления, оказываемого ему воздухом, энергию трения, земного притяжения.
Частота колебаний в контуре зависит, во-вторых, от емкости конденсатора. Чем больше емкость, тем больший заряд может накопить конденсатор, тем больше потребуется времени для его перезарядки, а это уменьшит частоту колебаний в контуре. С уменьшением емкости конденсатора частота колебаний и контуре возрастает. Таким образом, собственную частоту затухающих колебаний в контуре можно регулировать изменением индуктивности катушки или емкости конденсатора.
Но в электрическом контуре, как и в механической колебательной системе, можно получить и незатухающие, т.е. вынужденные колебания, если при каждом колебании пополнять контур дополнительными порциями электрической энергии от какого-либо источника переменного тока.
Каким же образом в контуре приемника возбуждаются и поддерживаются незатухающие электрические колебания? Током высокой частоты, возбужденным в антенне. Этот ток сообщает контуру первоначальный заряд, он же и поддерживает ритмичные колебания электронов в контуре.
Однако наиболее сильные незатухающие колебания в контуре приемника возникают- только в момент резонанса собственной частоты контура с частотой тока в антенне. Как это понимать?
Рис.6. Опыт, иллюстрирующий явление резонанса.
Такие или подобные им явления, только, разумеется, электрического «происхождения», наблюдаются и в колебательном контуре приемника. От действия волн многих радиостанций в приемной антенне возбуждаются токи самых различных частот. Нам же из всех этих частот надо выбрать только частоту той радиостанции, передачи которой мы хотим слушать. Для этого следует так подобрать число витков катушки и емкость конденсатора колебательного контура, чтобы его собственная частота совпадала с частотой тока, создаваемого в антенне волнами интересующей нас станции. В этом случае в контуре возбудятся наиболее сильные колебания с несущей частотой той радиостанции, на волну которой он настроен. Это и есть настройка контура приемника в резонанс с частотой передающей станции. При этом сигналы других станций совсем не слышны или прослушиваются очень слабо, так как возбуждаемые ими колебания в контуре будут очень слабыми.
Таким образом, настраивая контур своего первого приемника в резонанс с частотой радиостанции, ты с его помощью как бы отбирал, выделял колебания частоты только этой станции. Чем лучше контур будет выделять нужные колебания из антенны, тем выше селективность приемника, тем слабее будут помехи со стороны других радиостанций.
До сих пор я рассказывал тебе о замкнутом колебательном контуре, т.е. контуре, собственная частота которого определяется только индуктивностью катушки и емкостью конденсатора, образующих его. Однако во входной контур любого приемника входят еще антенна и заземление. Это уже не замкнутый, а открытый колебательный контур. Дело в том, что провод антенны и Земля являются «обкладками» конденсатора (рис.7), обладающего некоторой электрической емкостью. В зависимости от длины провода и высоты антенны над землей эта емкость может быть до нескольких сотен пикофарад. Такой конденсатор на схеме рис. был показан штриховыми линиями. Но ведь антенну и землю можно еще рассматривать и как неполный виток большой катушки. Стало быть, антенна и заземление, взятые вместе, обладают еще и индуктивностью. А емкость совместно с индуктивностью образуют колебательный контур.
Такой контур, являющийся открытым колебательным контуром, тоже обладает собственной частотой колебаний. Включая между антенной и землей катушки индуктивности и конденсаторы, мы можем изменять его собственную частоту, настраивать его в резонанс с частотами разных радиостанций. Как это делается на практике, ты уже знаешь.
Я не ошибусь, если скажу, что колебательный контур является «сердцем» радиоприемника. И не только радиоприемника. В этом ты еще убедишься. Поэтому ему я и уделил много внимания.