Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
Залежнасць індуктыўнага супраціўлення ад частаты няцяжка выявіць, калі для жыўлення ланцуга, паказанага на рысунку 42, узяць генератар пераменнага току частаты, якая рэгулюецца. Пры гэтым трэба таксама прадугледзець магчымасць змяняць індуктыўнасць шпулі (напрыклад, шляхам уключэння рознага ліку віткоў). Пры павелічэнні частаты або індуктыўнасці сіла току ў ланцугу памяншаецца і свячэнне лямпы слабее. Гэта сведчыць аб павелічэнні супраціўлення ланцуга з ростам L і ы.
Шпуля індуктыўнасці аказвае супраціўленне пераменнаму току. Гэта супраціўленне, названае індуктыўным, роўна здабытку частаты на індуктыўнасць. Ваганні сілы току ў ланцугу з індуктыўнасцю адстаюць па фазе ад ваганняў напружання па у.
1. Як звязаны паміж сабой дзеючыя значэнні сілы току і напружання на шпулі індуктыўнасці, актыўнае супраціўленне якой можна не ўлічваць? 2. Чаму ЭРС самаіндукцыі і напружанне на шпулі маюць процілеглыя знакі?
§ 21. РЭЗАНАНС У ЭЛЕКТРЫЧНЫМ ЛАНЦУГУ
Ііры вывучэнні вымушаных механічных ваганняў мы пазнаёміліся з важнай з’явай — рэзанансам. Рэзананс назіраецца ў тым выпадку, калі ўласная частата ваганняў сістэмы супадае з ча
52
статой змянення знешняй сілы. Калі трэнне малое, то амплітуда вымушаных ваганняў, што ўстанавіліся, рэзка павялічваецца. Супадзенне законаў механічных і электрамагнітных ваганняў адразу ж дазваляе зрабіць заключэнне аб магчымасці рэзанансу ў электрычным ланцугу, калі гэты ланцуг з’яўляецца вагальным контурам, які валодае пэўнай уласнай частатой ваганняў.
Пры механічных ваганнях рэзананс паказаны выразна пры малых значэннях каэфіцыента трэння ц. У электрычным ланцугу ролю каэфіцыента трэння адыгрывае актыўнае супраціўленне /?. Менавіта ж наяўнасць гэтага супраціўлення ў ланцугу прыводзіць да ператварэння энергіі току ва ўнутраную энергію правадніка (праваднік награваецца). Таму рэзананс у электрычным вагальным контуры павінен быць выражаны выразна пры малым актыўным супраціўленні R.
Калі актыўнае супраціўленне малое, то ўласная частата ваганняў у контуры вызначаецца формулай
1 W0 = —
Сіла току пры вымушаных ваганнях павінна дасягаць максімальных значэнняў, калі частата пераменнага напружання, прыкладзенага да контуру, роўна ўласнай частаце вагальнага контуру:
(о = о)о = —=. (2.44)
\LC
Рэзанансам у электрычным вагальным контуры называецца з’ява рэзкага ўзрастання амплітуды вымушаных ваганняў сілы току пры супадзенні частаты знешняга пераменнага напружання з уласнай частатой вагальнага контуру.
Амплітуда сілы току пры рэзанансе. Як і ў выпадку механічнага рэзанансу, пры рэзанансе ў вагальным контуры ствараюцца аптымальныя ўмовы для паступлення энергіі ад знешняй крыніцы ў контур. Магутнасць у контуры максімальная ў выпадку, калі сіла току супадае па фазе з напружаннем.
He адразу пасля ўключэння знешняга пераменнага напружання ў ланцугу ўстанаўліваецца рэзананснае значэнне сілы току. Устанаўленне ваганняў адбываецца паступова. Амплітуда ваганняў сілы току нарастае да той пары, пакуль энергія, што вылучаецца за перыяд на рэзістары, не стане роўнай энергіі, якая паступае ў контур за гэты ж час:
InR Umlm
2 — 2 •
Гэта ўраўненне пасля спрашчэння прыводзіцца да выгляду
ImR = Um. (2.45)
53
Рыс. 45
Адсюль амплітуда ваганняў сілы току, што ўстанавіліся, пры рэзанансе вызначаецца ўраўненнем
1т = ^. (2.46)
Пры R+0 рэзананснае значэнне сілы току неабмежавана ўзрастае: Um)f33>~ оо. Наадварот, з павелічэннем R максімальнае значэнне сілы току памяншаецца, і пры вялікіх R гаварыць аб рэзанансе ўжо не мае сэнсу. Залежнасць амплітуды сілы току ад частаты пры розных супраціўленнях (RiCRsCRa) паказана на рысунку 45.
Адначасова з ростам сілы току пры рэзанансе рэзка ўзрастаюць напружанні на кандэнсатары і шпулі індуктыўнасці. Гэтыя напружанні пры малым актыўным супраціўленні ў многа разоў перавышаюць знешняе напружанне. У гэтым можна пераканацца
на наступным доследзе.
Для назірання рэзанансу ў электрычным ланцугу збіраюць устаноўку, паказаную на рысунку 46. У ёй выкарыстоўваецца знешняя крыніца пераменнага напружання рэгулюемай частаты. Павялічваючы паступова частату ваганняў знешняга напружання, можна назіраць, як змяняецца сіла току ў ланцугу, вымяраемая амперметрам, і напружанне на кандэнсатары або шпулі індуктыўнасці, якое вымяраецца вальтметрам. Гэтыя велічыні ўзрастаюць пры рэзанансе ў дзесяткі або нават сотні разоў.
Выкарыстанне рэзанансу ў радыёсувязі. З’ява электрычнага рэзанансу выкарыстоўваецца пры ажыццяўленні радыёсувязі. Радыёхвалі ад розных перадаючых станцый узбуджаюць у антэне радыёпрыёмніка пераменныя токі розных частот, паколькі кожная перадаючая радыёстанцыя працуе на сваёй частаце. 3 антэ
54
най індуктыўна звязаны вагальны контур \ I/ (рыс. 47). У выніку электрамагнітнай v
індукцыі ў контурнай шпулі ўзнікаюць пераменныя ЭРС адпаведных частот і вымушаныя ваганні сілы току гэтых жа j
частот. Але толькі пры рэзанансе ваганні К
сілы току ў контуры і напружанні на <
контуры будуць значнымі. Маючы гэта J
на ўвазе, кажуць, што з ваганняў усіх J
частот, якія ўзбужданы ў антэне, контур вылучае толькі ваганні, частата якіх роўна ўласнай частаце контуру. Настрой
ка контуру на патрэбную частату шо звы рЫс. 47 чайна ажыццяўляецца шляхам змянення
ёмістасці кандэнсатара. У гэтым заключаецца настройка радыёпрыёмніка на пэўную радыёстанцыю.
Неабходнасць уліку магчымасці рэзанансу ў электрычным
ланцугу. У некаторых выпадках рэзананс у электрычным ланцугу можа прынесці вялікую шкоду. Калі ланцуг не разлічаны на работу ва ўмовах рэзанансу, то ўзнікненне рэзанансу прывядзе да аварыі. Празмерна вялікія токі могуць перагрэць правады. Большыя напружанні прывядуць да прабівання ізаляцыі. Аварыі такога характару нярэдка здараліся ў мінулым стагоддзі, калі дрэнна ўяўлялі сабе законы электрычных ваганняў і не ўмелі правільна разлічваць электрычныя ланцугі.
Пры вьшушаных электрамагнітных ваганнях магчымы рэзананс — рэзкае ўзрастанне амплітуды ваганняў сілы току і напружання пры супадзенні частаты знешняга пераменнага напружання з уласнай частатой вагання. На з’яве рэзанансу заснавана ўся радыёсувязь.
; 1. Ці можа амплітуда сілы току пры рэзанансе ў вагальным контуры з актыўным супраціўленнем R перавысіць сілу пастаяннага току ў ланцугу з такім жа актыўным супраціўленнем і пастаянным напружаннем, роўным амплітудзе пераменнага напружання? 2. Чаму роўна рознасць фаз паміж ваганнямі сілы току і напружання пры рэзанансе? 3. Пры якой умове рэзанансныя ўласцівасці контуру паказаны выразна?
§ 22. ГЕНЕРАТАР НА ТРАНЗІСТАРЫ. АЎТАВАГАННІ
Вымушаныя ваганні, якія мы разглядалі да гэтай пары, узнікаюць пад дзеяннем пераменнага напружання, якое выпрацоўваецца генератарамі на электрастанцыях. Такія генератары не могуць ствараць ваганні высокай частаты, неабходныя для радыёсувязі. Спатрэбілася б незвычайна вялікая скорасць вярчэння ротара. Ваганні высокай частаты атрымліваюць з дапамогай
55
іншых прыстасаванняў, напрыклад з дапамогай генератара на транзістары. Ен названы так таму, што адной з асноўных яго частак з’яўляецца паўправадніковы прыбор — транзістар. Генератар — складаны прыбор і ўсведаміць для сябе прынцыпы яго работы нялёгка.
Аўтавагальныя сістэмы. Незатухаючыя вымушаныя ваганні падтрымліваюцца ў ланцугу дзеяннем знешняга перыядычнага напружання. Але магчымы іншыя спосабы атрымання незатухаючых ваганняў.
Няхай у сістэме, у якой могуць існаваць свабодныя электрамагнітныя ваганні, ёсць крыніца энергіі. Калі сама сістэма будзе рэгуляваць паступленне энергіі ў вагальны контур для кампенсацыі затрат энергіі на рэзістары,’то ў ёй могуць узнікаць незатухаючыя ваганні.
Сістэмы, у якіх генерыруюцца незатухаючыя ваганні за кошт паступлення энергіі ад крыніцы ўнутры сістэмы, называюцца аўтавагальнымі. Незатухаючыя ваганні, якія існуюць у сістэме без уздзеяння на яе знешніх перыядычных сіл, называюцца аўтаваганнямі.
Генератар на транзістары — прыклад аўтавагальнай сістэмы. Ен змяшчае вагальны контур з кандэнсатарам ёмістасцю С і шпулю з індуктыўнасцю L, крыніцу энергіі і транзістар.
Як стварыць незатухаючыя ваганні ў контуры? Вядома, што калі кандэнсатар вагальнага контуру зараджаны, то ў контуры ўзнікнуць затухаючыя ваганні. У канцы кожнага перыяду ваганняў зарад на пласцінах кандэнсатара мае меншае значэнне, чым у пачатку перыяду. Сумарны зарад, вядома, захоўваецца, але адбываецца памяншэнне дадатнага зараду адной пласціны ’ адмоўнага — другой на роўныя па модулю значэнні. У выніку энергія ваганняў памяншаецца, паколькі яна згодна з формулай (2.1) прапарцыянальная квадрату зараду адной з пласцін кандэнсатара. Каб ваганні не затухалі, трэба кампенсаваць страты энергіі за кожны перыяд.
Папаўняць энергію ў контуры можна, падзараджваючы кандэнсатар. Для гэтага трэба перыядычна падключаць контур да крыніцы пастаяннага напружання. Кандэнсатар павінен падключацца да крыніцы толькі ў тыя інтэрвалы часу, калі далучаная да дадатнага полюса крыніцы пласціна зараджана дадатна, а далучаная да адмоўнага полюса — адмоўна (рыс. 48). Іолькі ў гэтым выпадку крыніца падзараджвае кандэнсатар і папаўняе яго энергію.
Калі ж ключ замкнуць у момант, калі далучаная да дадатнага полюса крыніцы пласціна мае адмоўны зарад, а далучаная да адмоўнага полюса — дадатны, то кандэнсатар будзе разраджацца праз крыніцу (рыс. 49). Энергія кандэнсатара пры гэтым убывае.
Значыць, крыніца пастаяннага напружання, увесь час падключаная да кандэнсатара контуру, не можа падтрымліваць 56
Рыс. 48
Рыс. 49
у ім незатухаючыя ваганні. Палавіну перыяду энергія паступае ў контур, а ў наступную палавіну перыяду вяртаецца ў крьініцу. У контуры незатухаючыя ваганні ўстановяцца толькі пры ўмове, што крыніца будзе падключацца да контуру ў тыя інтэрвалы часу, калі магчыма перадача энергіі кандэнсатару. Для гэтага неабходна забяспечыць аўтаматычную работу ключа (або клапана, як яго часта называюць). Пры высокай частаце ваганняў ключ павінен валодаць вялікім хуткадзеяннем. У якасці такога практычна безінерцыйнага ключа і выкарыстоўваецца транзістар.
Транзістар, напомнім, складаецца з трох розных паўправаднікоў: эмітэра, базы і калектара. Эмітэр і калектар маюць аднолькавыя асноўныя носьбіты зараду, напрыклад дзіркі (гэта паўправаднікі ртыпу), а база мае асноўныя носьбіты процілеглага знака, напрыклад электроны (паўправаднік nтыпу). Схематычная будова транзістара паказана на рысунку 50.
КНІГІ ОНЛАЙН
