Индуктивность — конденсатор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Индуктивность — конденсатор
Cтраница 1
Индуктивность конденсаторов и значение резонансной частоты определяются их конструкцией и емкостью. Поскольку на частотах, превышающих резонансную, реактивная составляющая полного сопротивления конденсатора приобретает чисто индуктивный характер, резонансная частота является верхней границей частот, при которых конденсатор способен выполнять свою прямую функцию. Поэтому выбор типа конденсатора следует прежде всего производить так, чтобы рабочая частота была ниже резонансной. [2]
Индуктивность конденсатора зависит от размеров его обкладок и конструкции выводов. Для уменьшения индуктивности бумажных конденсаторов малой емкости ( порядка нескольких сотен или тысяч пикофарад) выводы от обкладок образуются краями самих обкладок: одна фольговая лента выступает за края бумажных лент в одну сторону, а другая фольговая лента — в другую сторону. Все выступающие слои фольговых лент с каждой стороны спаивают вместе и припаивают к наружным выводам. При этом индуктивность конденсатора сушественно уменьшается потому, что ток входит в каждый слой обкладки. [3]
Индуктивность конденсатора Lc увеличивает действующую емкость с ростом частоты, так как ток в цепи конденсатора возрастает за счет компенсации емкостного сопротивления индуктивным сопротивлением. [4]
На индуктивность конденсаторов большое влияние оказывает индуктивность выводов. Для различных типов конденсаторов существуют собственные резонансные частоты, зависящие от длины выводов. [5]
Для снижения индуктивности конденсатора секции в пакетах необходимо соединять параллельно. Кроме того, применяемые в конденсаторах предохранители для отключения секций при их пробое затрудняют получение малой индуктивности конденсаторов. Для значительного снижения индуктивности конденсаторов служат малоиндуктивные выводы, которые выполняют в виде плоских шин, разделенных тонкой изоляционной перегородкой или коаксиально. [6]
Для уменьшения влияния индуктивности конденсаторов большой емкости на высоких частотах целесообразно применять шунтирование их конденсаторами меньшей емкости со значительно меньшей индуктивностью. [7]
Учет в формуле потерь индуктивности конденсатора ( 1 нГн) ничего не меняет, поскольку на частоте 400 кГц индуктивное сопротивление более чем на два порядка меньше, чем емкостное. [8]
Заметное влияние активного сопротивления и индуктивности конденсатора на величину его полного сопротивления z обычно наблюдается лишь при частотах не ниже 105 — 10е гц. Исключение представляют электролитические конденсаторы, в которых роль одной из обкладок играет электролит, что резко увеличивает г — гл. [10]
Заметное влияние активного сопротивления и индуктивности конденсатора на величину его полного сопротивления z обычно наблюдается лишь при частотах не ниже 105 — 106 гц ( исключение представляют электролитические конденсаторы, в которых одной из обкладок служит электролит, что резко увеличивает г — гл. [11]
На высоких частотах, где индуктивность конденсаторов имеет большое значение, целесообразно применять специальные типы конденсаторов. [13]
Применение в пьезокера-мическом фильтре катушек
Страницы: 1 2 3 4
Конденсатор и индуктивность
В.Н. Гололобов | Экскурсия по электронике | 22 |
Но прежде, чем расстаться с постоянным током, я хочу немного рассказать о конденсаторе. Любая схема (или почти любая) электронного устройства содержит хотя бы один конденсатор. Что он собой представляет?
Рис. 1.11. Конденсаторы
Возьмем две металлические пластины, положим между ними тонкую изолирующую пластину и получим конденсатор. На схеме конденсатор так, примерно, и изображают: две пластины (в профиль), к которым подходят два проводника.
Рис. 1.12. Конденсатор в цепи постоянного тока
В.Н. Гололобов | Экскурсия по электронике | 23 |
Поскольку между пластинами изолятор, не проводящий постоянный электрический ток, то зачем бы нам конденсатор в цепи постоянного тока?
Несколько предвосхищая события, я вместо источника напряжения на схеме использовал нечто вроде его комбинации с выключателем. Но, если вы, как люди воспитанные, сделаете вид, что не заметили этого и повторите эксперимент, используя обычную батарейку и выключатель, то результат должен быть таким, как показано на графике I1, то есть ток в цепи, как показывает амперметр, равен нулю. Цепь постоянного тока разрывается изолятором конденсатора и ток через конденсатор не протекает. Что и зачем я использовал в схеме вместо батарейки? Это генератор ступенчатого напряжения. В начальный момент времени напряжение на его выводах равно нулю, затем сразу становится равным 10 В, как если бы был включен выключатель между цепью из батарейки, конденсатора, амперметра и резистора 1 Ом. Я так и хотел сделать, но не нашел в программе выключателя. В некоторых программах он есть, здесь я не нашел. Но это не существенно.
Зачем мне понадобился выключатель? Если присмотреться к графику, то в самом его начале в момент времени близкий к начальному, на графике видна небольшая размытость. Увеличим ее, поскольку программа PSIM в окне просмотра результатов симуляции Simview позволяет манипулировать с изображением. Сразу хочу предупредить, что теоретический вид результата эксперимента должен отличаться от приведенного ниже, а реальный результат эксперимента будет зависеть от нескольких факторов, о которых, возможно, речь пойдет дальше, когда мы, и если, будем говорить о линиях, паразитных параметрах цепей и т.п.
Рис. 1.13. Цепь постоянного тока с конденсатором в начальный момент времени
Как видно, небольшая размытость – это некоторое изменение тока. То есть, хотя постоянный ток в цепи, вообще говоря, не течет, в небольшой промежуток времени при
В.Н. Гололобов | Экскурсия по электронике | 24 |
включении, он все таки умудряется протекать. Такие процессы в короткие промежутки времени при резком изменении параметров (скачком) называются переходными.
Как можно себе представить, что происходит, когда мы включаем выключатель (которого нет на рисунке)? Мы подключаем источник ЭДС к пластинам конденсатора. В металле, из которого эти пластины сделаны, электроны смещаются к поверхности пластины, удаленной от полюса источника, образуя электрическое поле, которое проходит через изолятор к другой металлической пластине, вызывая смещение ее электронов к другому полюсу источника питания. Вот эти-то перемещения (или смещения), как любое направленное движение зарядов, и образуют кратковременный ток, при этом конденсатор заряжается от источника питания.
Конденсатор не пропускает постоянный ток, но может реагировать на изменения напряжения. Оставим себе это на заметку. А так же вспомним, что мы говорили о переменном токе, как токе изменяющемся по величине, в отличие от постоянного. Именно такой ток, изменяющийся по величине (в самом начале) мы наблюдаем на рисунке 1.13. И это заставляет думать, что в цепи переменного тока конденсатор может себя вести иначе, чем в цепи постоянного тока. Чтобы закончить с конденсатором в цепи постоянного тока немного уточним, что я имел в виду, когда выше написал: конденсатор заряжается… Буквально то, что написал. Конденсатор накапливает (конденсирует) заряд. Если после его подключения к батарейке отключить батарейку и измерить напряжение на конденсаторе, то прибор покажет напряжение равное напряжению батарейки (в идеальном случае). Если конденсатор очень большой емкости, то к нему можно подключить лампочку, и лампочка будет какое-то время светиться. Пока конденсатор не разрядится. И, кстати, напомню, отчего светится лампочка — то самое рассеивание мощности на резисторе, в данном случае на спирали, от которого резистор может разогреться до «красного каления», а лампочка разогревается до «белого каления».
Емкость конденсатора измеряется в фарадах, но на практике применяют конденсаторы значительно меньшей емкости: мкФ (одна миллионная фарады, микрофарада), нФ (одна тысячная микрофарады, нанофарада), пФ (одна тысячная нанофарады, пикофарада). Емкость конденсатора зависит от площади пластин, чем она больше, тем больше емкость, и толщины изолятора (и материала изолятора), чем он тоньше, тем больше емкость конденсатора. Конденсаторы в виде пластин с изолятором применяют только при изготовлении конденсаторов переменной емкости. Постоянные конденсаторы изготавливают с использованием разных технологий, так в конденсаторах большой емкости, в десятки и тысячи микрофарад, применяют электролит, а такие конденсаторы называют электролитическими. Как правило они полярны, один из выводов помечен плюсом, и его следует подключать к плюсу постоянного напряжения. Вообще, допустимое напряжение очень важный для конденсатора параметр. Если напряжение на конденсаторе превышает это значение, то конденсатор может выйти из строя.
Самый простой способ получить полностью переменное напряжение – это подключить батарейку, скажем, как в схеме на рисунке 1.12, но через переключатель, чтобы в одном положении переключателя батарейка была подключена как на рисунке, а в другом полярность ее подключения менялась на противоположную. Мы получим изменяющееся по величине (в какой-то момент схема отключена от батарейки) и по направлению напряжение, а в цепи пропорционально меняющийся ток, то есть, переменный ток.
Под переменным током будем понимать такой ток, который меняется по величине или/и по направлению.
Если переключателем щелкать очень равномерно, то получится периодический переменный ток. А если описать его с помощью математического выражения, то можно
В.Н. Гололобов | Экскурсия по электронике | 25 |
говорить о законе, по которому меняется ток. На практике очень часто используется переменный ток, меняющийся по закону синуса – синусоидальный переменный ток. Математическое выражение для него выглядит просто: y=A*Sin(x). Конечно, получить из батарейки с помощью переключателя такой вид переменного тока слишком сложно, но такой вид имеет бытовое силовое напряжение, и такой вид переменного напряжения дают многие генераторы, используемые при работе с электронными приборами.
На рисунке ниже я использовал источник синусоидального переменного напряжения V1. Функция синуса периодическая, то есть, существует отрезок времени, через который график функции повторяет свою форму, вновь и вновь. В электротехнике период измеряют в секундах. Величина, обратная к периоду, показывающая количество колебаний в секунду, называется частотой и измеряется в герцах.
Рис. 1.14. Вид синусоидального переменного тока
Период переменного тока на рисунке чуть меньше двух миллисекунд, это соответствует частоте около 500 Гц.
Мы подозревали, что конденсатор ведет себя по отношению к переменному току иначе, чем к постоянному. И действительно, если постоянный ток конденсатор не пропускает, то переменный ток проходит через него. Этим свойством конденсатора часто пользуются для того, чтобы отделить, как говорят, постоянную составляющую от переменной, и вы можете встретить такое название конденсатора, как разделительный конденсатор, что относится к функции, выполняемой конденсатором.
Если в программе PSIM воспользоваться не амперметром, а осциллографом, прибором для
В.Н. Гололобов | Экскурсия по электронике | 26 |
наблюдения в первую очередь за переменным напряжением, который подключить параллельно резистору R1, то мы сможем наблюдать переменный ток и более высоких частот. Дело в том, что многие амперметры, измеряющие переменный ток, хорошо работают только с токами низких частот. А осциллограф отображает процессы и очень высоких частот. Современные осциллографы, доступные любителю, могут работать до частот в сотни мегагерц.
Рис. 1.15. Наблюдение переменного напряжения в цепи конденсатор-резистор
Если посмотреть на осциллограмму напряжения и по виду осциллографа (по надписям) понять, что каждое вертикальное деление сетки на экране – это напряжение в 50 В, то амплитуда – наибольший «размах» напряжения от нуля или середины – получается около 100 В, тогда как амплитуда напряжения источника переменного тока V1 равна, как это показано на схеме, 110 В. Похоже, что как резистор оказывает сопротивление постоянному току, так и конденсатор оказывает сопротивление прохождению переменного тока, и на нем появляется падение напряжения. От чего зависит это сопротивление?
Проведем несколько экспериментов. Я использую программу PSIM для их описания, а макетную плату для проверки этого описания. Правда, в отличие от программы, мой низкочастотный генератор позволяет получить напряжение на выходе только 2 вольта, но мультиметр может измерять переменное напряжение такой величины. Если между компьютерным и «живым» экспериментом появятся различия, я о них скажу.
Попробуем изменить частоту (уменьшить) источника тока:
В.Н. Гололобов | Экскурсия по электронике | 27 |
Рис. 1.16. Изменение осциллограммы при уменьшении частоты в 10 раз
На рисунке видно, что амплитуда напряжения уменьшилась существенно, став менее 50 В. Значит, сопротивление зависит от частоты переменного тока. А увеличив значение конденсатора в 10 раз (до 10 мкФ, микрофарад) мы почти восстановим амплитуду. Значит, сопротивление конденсатора зависит от его величины.
И действительно, сопротивление конденсатора синусоидальному переменному току равно 1/2πfC, где f – частота в Гц, C – емкость в Ф (фарадах). Если сопротивление резистора называют активным сопротивлением, то сопротивление конденсатора переменному току называют реактивным (реакция на изменения тока).
В электронике, как правило, нельзя обойтись без источника постоянного тока – источника питания любой электрической схемы, будет ли это схема автоматики или радиоприемника. А переменный ток, чаще играет роль сигналов, несущих полезную информацию. Чаще переменный ток в схемах бывает током, изменяющимся по величине, чем током изменяющимся по направлению. Работа электронного устройства в целом связана с преобразованиями сигналов для придания им либо необходимой величины при заданной форме, либо необходимой формы и величины, например, для переноса информации. Когда вы отправляете с компьютера письмо своему приятелю (или подруге), то по электрической цепи (возможно, местами в виде радиоволны) вы отправляете сигнал очень сложной формы, который и переносит ваше письмо к компьютеру приятеля (или подруги), где сигнал преобразовывается в понятные им (приятелю или подруге) буквы и цифры, и даже рожицы в конце фраз. Когда вы разговариваете по мобильному телефону, ваша речь преобразуется телефоном в радиосигналы, долетающие до телефона подруги (или приятеля), где они вновь
В.Н. Гололобов | Экскурсия по электронике | 28 |
преобразуются в звук, несущий информацию о том, что вы скучаете, не зная, чем заняться. Если ваш приятель радиолюбитель, он посоветует вам заняться этим увлекательным делом.
Но о сигналах мы поговорим позже.
А сейчас вспомним, что закон Ома для цепи постоянного тока был весьма полезен. Нельзя ли использовать его для цепей переменного тока. В простейшем виде, напомню, закон Ома звучит так: напряжение на участке цепи равно произведению тока, протекающего по этому участку, на сопротивление этого участка постоянному току. Однако как быть с переменным током, если его величина все время меняется? Можно сказать, что закон Ома будет справедлив для каждого мгновения, но удобнее ввести понятие действующего значения переменного тока.
Под действующим значением переменного тока будем понимать такое его значение, которое оказывает такое же тепловое действие, что и постоянный ток той же величины за время равное периоду переменного тока.
Выше я упоминал о лампочке, доведенной до «белого каления». Довести ее до этого можно с помощью батарейки, дающей постоянный ток. Но если мы доведем ее до того же состояния с помощью переменного тока, то его величина будет иметь действующее значение, тоже измеряемое в амперах, численно равное величине постоянного тока. А напряжение (действующее), измеряемое тоже в вольтах, численно будет равно постоянному напряжению. И закон Ома будет звучать также, как для постоянного тока. И оба полезных закона Кирхгофа будут иметь место для переменного тока, с учетом, конечно, его переменного характера. Я не буду уверять вас, что я абсолютно прав, напротив, советую вам проверить это, используя либо программу PSIM (или аналогичную программу САПР), что удобнее и спокойнее всего на «первых порах», или проверьте это на макетной плате, используя мультиметр и генератор синусоидального напряжения в качестве источника переменного тока. Я не советую использовать силовое напряжение по причине опасности работы с ним, даже если вы примените понижающий трансформатор. Лучше собрать простейший генератор на цифровой микросхеме, взяв схему из этой книги дальше. Можно быстро собрать генератор прямоугольных импульсов. Он не будет генератором синусоидального напряжения, и мультиметр будет показывать не вполне правильные значения, но уверен, что проделанные эксперименты, каковы бы ни были результаты, доставят вам удовольствие. Используя генератор, мультиметр, несколько конденсаторов и резисторов вы можете придумать множество интересных экспериментов, помимо тех, о которых шла речь.
Когда я заговорил о законе Ома для переменного тока, я упоминал мгновенные значения переменного тока. Можно сказать, что в каждое мгновение переменный ток находится в определенной фазе своего изменения: вот он равен нулю, затем растет, достигает наибольшей величины, начинает уменьшаться и т.д. И одним из отличий активного сопротивления от реактивного будет то, как изменяются напряжение на них и ток через них. Я немного изменю схему, применив двухканальный осциллограф, есть такая возможность в программе PSIM, возможно у вас есть «физический» двухканальный осциллограф, для наблюдения за напряжением на конденсаторе и напряжением на резисторе (пропорциональном току через конденсатор), что заменит мне наблюдение за током через конденсатор. На рисунке ниже канал A показывает напряжение, а канал B ток через конденсатор. Кстати, на схеме осциллограф подключен только одним проводом, что удобно при работе с программой. При этом подразумевается, но не отображается, что общий провод осциллографа соединяется с общим проводом схемы. Кроме того, на схеме я уменьшил величину резистора R1 до 10 Ом, с тем чтобы получить наиболее яркую иллюстрацию того, что хочу отметить по поводу фаз.
В.Н. Гололобов | Экскурсия по электронике | 29 |
Рис. 1.17. Наблюдение напряжения и тока через конденсатор
Два сигнала в центре экрана осциллографа, как видно на рисунке, находятся в разных фазах изменения: напряжение на конденсаторе и ток через него находятся в разных состояниях в любой момент времени. Говорят, что они не совпадают по фазе. Если вы замените конденсатор обычным резистором того же сопротивления, то оба сигнала совпадут по фазе. Напряжение и ток в случае активного сопротивления совпадают по фазе. Для проведения эксперимента на макетной плате мне приходится включать осциллограф, да еще придумать, как на одноканальном осциллографе увидеть сдвиг фаз. Это не так наглядно, как на двухканальном. Когда мы будем разговаривать о схемах, сигналах, обратной связи, я постараюсь не забыть и расскажу, как это сделать. Или приведу схему, которую сам некогда собрал, чтобы превратить одноканальный осциллограф в двухканальный.
Еще одним представителем реактивного сопротивления является индуктивность. Хотя индуктивностью, впрочем как и емкостью, обладают многие элементы схем, обычно индуктивность – это катушка с проводом. Если такая катушка имеет сердечник из специального материала, например, феррита или стали, то ее индуктивность больше. Как и конденсатор, индуктивность обладает сопротивлением переменному току, но в отличие от конденсатора это сопротивление растет с ростом частоты, то есть, индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте и индуктивности. Раньше для получения индуктивности на цилиндрический каркас наматывали провод, сегодня появились новые технологии изготовления индуктивностей, в основном из-за того, что частоты устройств стали очень высокими. Технология намотки провода на каркас сохранилась там, где индуктивность применяется на низких частотах, да при изготовлении трансформаторов. Трансформатор – устройство, использующее тот факт, что две катушки на одном каркасе
В.Н. Гололобов | Экскурсия по электронике | 30 |
оказываются связаны индуктивно, и если на одну, их называют обмотками, если на одну обмотку трансформатора подать переменный ток, то вторая обмотка ведет себя как источник переменного тока. Если количество витков обоих обмоток трансформатора одинаково, то и напряжение на второй обмотке будет равно напряжению на первой. Если количество витков второй обмотки меньше, чем первой, то напряжение на ней будет меньше. Таким образом, мы получим понижающий трансформатор. Его обмотки принято называть первичными и вторичными.
В сегодняшних бытовых устройствах все чаще используют импульсные блоки питания. Они много легче старых трансформаторных, отчего меньше весит телевизор или DVDпроигрыватель, но и они, зачастую, имеют в своем составе трансформатор. Суть перемен в преобразовании частоты питающей сети, 50 Гц в нашей стране, в более высокую частоту. Поскольку индуктивное сопротивление зависит от частоты, трансформатор, работающий на более высокой частоте, имеет меньшие габариты и вес, чем пятидесятигерцовый. Так используется зависимость индуктивного сопротивления от частоты. Но не только так.
И конденсатор, и индуктивность реагируют на изменение частоты. Изменяется их сопротивление переменному току. Но у конденсатора сопротивление уменьшается с ростом частоты, а у индуктивности сопротивление увеличивается. А что, если включить их вместе, конденсатор и индуктивность? Вместе их можно включить либо последовательно, либо параллельно. В любом случае возникает некая особая ситуация, когда на какой-то частоте их сопротивления переменному току будут равны. Проведем такой эксперимент:
Рис. 1.18. Параллельное включение конденсатора и индуктивности
В.Н. Гололобов | Экскурсия по электронике | 31 |
Поскольку меня в данный момент интересует сопротивление параллельно включенных конденсатора и индуктивности, на схеме они включены последовательно с резистором 10 кОм. Их сопротивление я отслеживаю по падению напряжения на них с помощью вольтметра. Источник переменного тока (или, точнее, напряжения) V1 позволяет мне менять частоту, которая в данный момент равна 100 Гц. Напряжение источника 10 В. При емкости конденсатора 1 мкФ и индуктивности катушки 100 мГн (генри – единица индуктивности) напряжение на паре конденсатор-индуктивность, как видно из графика, порядка 0.1 В.
Изменив частоту источника переменного напряжения, кстати, синусоидального, до 1000 Гц, я получу новый график:
Рис. 1.19. График напряжения на контуре при частоте 1000 Гц А повторив эту операцию для частоты 500 Гц, получу такой вид графика:
Рис. 1.20. График напряжения на частое 500 Гц
Опыты с конденсаторами. Окончание. — Молодежный научно-технический центр — ЖЖ
Наконец, последняя часть статьи про конденсаторы. (Начало тут).
Способность конденсатора изменять свое состояние со временем позволила создать такое замечательного устройство как колебательный контур, генерирующее переменное напряжение или импульсы другой формы заданной частоты. Такие контуры стоят в радиопередатчиках, да и много где. Так вот, ученые построили колебательный контур из наноразмерных конденсатора и катушки. И передают – только не радиоволну а свет, потому что такая высокая частота у этого контура. А поскольку контур настраивается точно, на резонансную частоту, то и получился не фонарик, а лазер.
В момент включения тока конденсатор не заряжен. Но вот ток включен и гонит заряды на одну обкладку и откачивает их с другой. Раз в цепи началось движение зарядов, значит в ней протекает ток, и будет течь пока конденсатор не зарядится. Ток течет столько времени, сколько нужно для заряда конденсатора. Это время зависит от емкости конденсатора и сопротивления цепи. Если между конденсатором и батареей не включено большое сопротивление, то время заряда конденсатора очень мало и ток в проводах протекает кратковременно. При заряде конденсатора энергия, сообщаемая батареей, переходит в энергию электрического поля, возникающего между пластинами конденсатора.
После окончания процесса заряда конденсатора проходящий через него ток не совсем равен нулю, а принимает некоторое конечное значение, называемое током утечки Iут. Разделив напряжение на конденсаторе на этот ток, можно узнать сопротивление изоляции конденсатора. В идеале оно должно быть бесконечным, а на практике просто большое и может составлять гига- и даже тераомы.
Ток утечки это не всегда зло. Собственно электронная лампа и транзистор – своего рода конденсаторы с регулиуремым током утечки. Иногда ток утечки конденсатора находит самые неожиданные применения. Например, наличие радиации обычно увеличивает этот ток (ионизирующее излучение ионизирует диэлектрик и образовавшиеся заряженные частицы текут к обкладкам, создавая ток), и на этом принципе основан знаменитый счетчик Гейгера. А еще иногда специально намазывают одну из обкладок конденсатора радиоактивным веществом (не делайте так дома) и поскольку под действием радиации разные газы ионизируются в межобкладочном пространстве по разному, получается датчик химического состава газов.
Это еще что: на токе утечки конденсатора энтузиасты даже планируют летать в космос! Речь идет о загадочном эффекте Бифельда-Брауна: высоковольтный воздушный конденсатор с обкладками разной площади создает подъемную силу. Не ахти какую, но увиденные мною на выставке парящие матрицы асииметричных конденсаторов смотрятся очень эффектно. Пока, насколько мне известно, ко всем моделям таких электролетов высоковольтное питание подается с земли по тоненьким проводам – ионный ветер расходует довольно большой ток, и конструкторам пока не удалось разместить источники питания на борту аппарата. Хотя, полагаю, что если использовать тонкие и легкие литий-ионные аккумуляторы от современной цифровой техники в сочетании с электронным преобразователем напряжения, то он продержится в воздухе сколько-то секунд, и кто-нибудь из вас, дорогие читатели войдет в историю авиации как создатель первого автономного летательного аппарата такого типа. В историю космонавтики же вряд ли, потому что откуда возьмется ионный ветер в вакууме… но тут надеюсь, последнее слово останется не за мной, а за экспериментаторами. В конце концов, ионы можно в космос и с собой привезти.
Динамическое поведение конденсатора во времени позволяет его использовать и для сглаживания напряжений: в источниках питания, преобразующих переменный ток в постоянный, практически всегда используются конденсаторы, помогающие сглаживать пульсации напряжения и, таким образом, получать стабильный постоянный потенциал. Одним из первых включил конденсатор в цепь переменного (по русской терминологии того времени — перемежающегося) тока опять же Яблочков. Это имело важнейшее значение для становления и развития электро-, а в последствии и радиотехники.В цепи переменного тока заряды перекачиваются то в одну, то в другую сторону. Едва создав на одной обкладке конденсатора повышенный по сравнению с другой обкладкой заряд, ток начинает их перекачивать в обратном направлении. Заряды будут циркулировать в цепи непрерывно, значит в ней, несмотря на то что она разорвана конденсатором будет существовать ток – ток заряда и разряда конденсатора. Чем больше емкость конденсатора, тем больше зарядов потребуется ему для «заполнения» и тем сильнее будет ток в цепи. Величина тока зависит также от частоты. Если один и тот же конденсатор заряжать-разряжать чаще, то и электронов через сечение проводников цепи за секунду будет проходить больше.
На этом явлении основано излучение радиоволн. Для этого мы возбуждаем в передающей антенне высокочастотный переменный ток. Но почему же ток течет в антенне, ведь она не представляет собой замкнутую цепь? Он течет потому, что между проводами антенны и противовеса или землей существует ёмкость. Ток в антенне представляет собой ток заряда и разряда этой емкости, этого конденсатора.
Конденсатор как индуктивность
Часто применяют конденсатор и для ограничения постоянного тока: при последовательном соединении конденсатора и источника сигнала, например, микрофона, конденсатор блокирует постоянный ток, но пропускает переменный. Данное свойство конденсатора основывается на том, что он представляет собой сопротивление, обратно пропорционально зависимое от частоты. Чем выше частота проходящего сигнала, тем меньше сопротивление конденсатора и наоборот; для постоянного тока частота изменения сигнала равна 0, потому сопротивление приближается к бесконечности. Эта функция используется почти во всех усилителях. И наоброт — чтобы защитить цепь от высокочастотного сигнала, обычно ВЧ сигнал через конденсатор отправляют на «нуль», а дальше идет низкочастотная составляющая сигнала. Изменяя величину емкости конденсатора, можно изменить предельную частоту фильтра. Но на частотах свыше 10 МГц эффективность фильтрации пульсаций ими резко падает. Связано это с паразитной индуктивнсотью конденсаторов. Она имеет мало значения в низкочастотных устрйоствах, но на высоких частотах уже не дает себя игнорировать. Дело в том, что каждый конденсатор имеет резонансную частоту, на которой его сопротивление переменному току минимально.
f=1/2π√(LC)
При частотах выше резонансной конденсатор уже ведет себя не столько как конденсатор, сколько как индуктивность. Поэтому, эффективно использовать его можно только на частотах ниже резонансной. Как видим, чем меньше индуктивность, тем выше допустимая частота. При параллельном включении конденсаторов паразитная индуктивность уменьшается, поэтому в высокочастотных схемах можно видеть группы параллельных конденсаторов (иногда, впрочем, это делается по другой причине – купить упаковку одинаковых конденсаторов и набирать другие соединением стандартных порой дешевле чем купить разных конденсаторов понемногу)
Поэтому инженеры начали обвешивать высокочастотные микросхемы и узлы гирляндами множеством соединенных параллельно керамических чип-конденсаторов (а). Об использовании выводных конденсаторов здесь и речи быть не может из-за дополнительной индуктивности выводов. Большинство производителей конденсаторов для решения этой проблемы выпускают специальные серии конденсаторов со сниженной эквивалентной последовательной индуктивностью. Для этих целей выводы конденсаторов располагают по длинной стороне, что снижает конструктивную индуктивность примерно вдвое (б). Еще больше удается снизить индуктивность в конструкции трехвыводного конденсатора (в), имеющего устройство цилиндра со стержнем внутри. Индуктивности трудно паразитировать в такой конструкции и потому один трехвыводной конденсатор заменяет гирлянду из десятка обычных. По законам жанра, следующим ходом производителей может стать пропускание множества тонких проводников через массив отверстий в монолитном третьем выводе (г) что позволит далее снизить индуктивность системы за счет распараллеливания одного большого трехвыводного конденсатора на много маленьких, но расположенных в едином корпусе.
И правда — уже кто-то изобрел конденсатор из параллельно соединенных волоконных конденсаторных элементов, соединенных в одну объемную конструкцию изоляционным связующим веществом. Каждый конденсаторный элемент состоит из волоконного сердечника (внутреннего электрода), диэлектрического покрытия и внешнего электрода. Теоретический анализ такого многоволоконного конденсатора показал, что при согласовании диаметра волоконного сердечника и толщины диэлектрического покрытия он имеет оптимальную и более высокую емкость, чем известный многослойный конденсатор.
Конденсатор как светодиод
Пропускать переменный ток через конденсатор интересно еще и потому, что у некоторых диэлектриков от этого начинается электролюминесценция, т.е. свечение, принцип котрого точно такой же как в светодиодах. Электроны, рекомбинируя с дырками отдают свою энергию в виде фотонов — только в светодиодах до рекомбинации они разделяются в силу p-n перехода, а у нас — путем возбуждения высокоэнергетическими электронами (ускоряемых сильным электрическим полем). Электролюминесцентные панели широко используются в дисплеях и декоративной подсветке. Именно коаксиальным конденсатором с емкостью около 3 нФ на метр является электролюминесцентный провод (иногда называемый холодным или гибким неоном), который в отличие от гирлянд светится весь, по всей своей длине и на все 360о вокруг себя, и настолько тонок и гибок, что позволяет использовать его даже в декорации одежды. Энергетическая эффективность электролюминесцентного провода очень высока: например, электролюминесцентный провод длиной 2—3 м может работать от пальчиковой батарейки несколько часов.
Конденсатор как транзистор
Допустим, конденсатор может заменить датчики, моторы, резисторы, светодиоды и прочую мелочь. Но транзистор-то как?
Во-первых, центральной деталью любого полевого транзистора является.. что бы вы думали? Конечно же опять конденсатор.. Не является исключением и недавно созданный нанотехнологами «одноэлектронный транзистор» на нанотрубке. Его затвор и есть конденсатор, хранящий один-единственный электрон.
Но главная деталь транзистора не конденсатор, а все же полупроводниковй p-n переход, скажете вы. Именно им обусловлены замечательные свойства транзистора – усиление, управление, генерация сигналов. Но, с p-n переходом, усиливать сигналы, как говорится «и дурак сможет». А наш конденсатор может работать усилителем (а значит, генератором, основой логических схем и т.п.) безо всяких полупроводников!
Правда, не любой, а с диэлектриком, способным менять ε под действием приложенного к конденсатору напряжения, т.е. сегнетоэлектриком (например, титанатом бария). Небольшое изменение напряжения, приложенного к такому конденсатору резко меняет его емкость (такой конденсатор называется по-научному вариконд). А мы ведь недавно выяснили, что чем больше емкость конденсатора, тем меньше его сопротивление переменному току. А раз напряжение управляет сопротивлением (а стало быть, током), то чем это хуже транзистора? Эта конструкция называется диэлектрический усилитель, и действительно, в нем небольшое изменение напряжения входного сигнала сопровождается значительным изменениям емкости конденсатора и приводит к большим изменениям величины текущего через него тока. В результате на нагрузке получается переменное напряжение, величина которого пропорциональна подводимому сигналу. Есть и другие конструкции диэлектрических усилителей, и вообще много замечательных схем с варикондами. Я искал вариконд чтобы построить такой усилитель, но на Митинском рынке продавцам это слово было в диковинку.
Правда в обычных применениях конденсатора, нелинейность вредна – она создает искажения, которые люди с музыкальным слухом чувствуют. Поэтому чем меньше похож диэлектрик конденсатора на сегнетоэлектрик тем лучше. Поэтому там, где искажения особенно не нужны, используют диэлектрики с преимущественно электронной поляризацией, такие как воздух или фторопласт.
Конденсатор как диод
Кстати, обычный полупроводниковый диод при включении в обратной полярности ведет себя в точности как конденсатор – ведь его p-n переход имеет толщину порядка 0,1-10 мкм и является прекрасным случаем тонкого «диэлектрика». Благодаря этому, несмотря на малую площадь перехода (квадратные миллиметры) его емкость может быть измерена мультиметром (для этого включайте диод в обратной полярности!) и составила 20 пф у диода, рассчитанного на ток 1А и 100 пф у диода на 10А (очевидно имеющего большую площадь p-n перехода). То есть диод ведет себя как вариконд. В современной технике вариконды практически полностью вытеснены варикапами – специальными диодами с особенно сильной зависимостью емкости от напряжения. На фото – принявшие участие в опыте диоды и варикап (самый маленький).
Кстати, не только диод может быть конденсатором, но и конденсатор диодом. Электролитический конденсатор во времена, когда диоды были дорогими и дефицитными, зачастую использовали в качестве выпрямителя.
Конденсатор как ячейка памяти
Конденсатор может хранить не только энергию, но и информацию. В системе оперативной памяти DRAM для хранения одного бита используется схема из одного конденсатора и одного транзистора. В показанном ниже ее макете конденсатор дает фиксированное напряжение на затвор полевого транзистора, который в зависимости от этого напряжения открыт «1», или закрыт «0». Кнопки S1 и S2 служат для записи этих значений, а светодиод отображает состояние ячейки.
Это очень дешево и компактно. Минусы DRAM во-первых, в том что заряд-разряд конденсатора занимает время. Во-вторых – хранится заряд в конденсаторе не вечно. Всегда на практике существует ток утечки, представленный электронами, умудряющимися тем или иным путем пробраться от отрицательно заряженной обкладки к положительной. Поэтому, чтобы не потерять содержимое памяти, заряд конденсаторов приходится «регенерировать» через определённый интервал времени. Данные считывают, а потом записывают в те же ячейки, подзаряжая конденсаторы. Эта процедура то и дело занимает память, снижая в итоге ее быстродействие.
Тут спешат на помощь сегнетоэлектрики, поляризация которых отнюдь не пропадает при выключении питания. Поляризация в одном направлении может означать хранение в памяти единицы, а поляризация в другом направлении — нуля. Это называется FeRAM или FRAM, а в качестве конденсаторов используются наноостровки сегнетокерамики.
В последнее время для этих целей активно изучается органический сегнетоэлектрик – поливинилиденфторид. Его сегнетоэлектрические свойства не то чтобы рекордны, но поскольку это полимер, его легко наносить тонкими слоями. Молекулы его могут быть уложены по разному, но в сильном поле атомы углерода к которым присоединены фторы (несущие отрицательный заряд), переворачиваются поближе к положительной обкладке, а атомы углерода, к которым присоединены водороды – к положительной, выравниваясь как показано на рисунке. Так изначально хаотичный и неполярный полимер становится полярным, и диэлектрическая проницаемость полимерного слоя от этого растет.
Однако мы видели что при каждом перезаряде конденсатора рассеивается половина его энергии. Поэтому, возможно со временем это ограничит возможности миниатюризации конденсаторной памяти из-за проблем с теплоотводом.
Информация в конденсаторе может быть не только дискретной но и аналоговой. Благодаря свой способности запоминать уровень напряжения источника питания, конденсаторы используются в АЦП и устройствах выборки-хранения.
Конденсатор как магнит
Конденсаторы не обошли вниманием и такой казалось бы далекий от электростатики и традиционно «магнитный» прибор хранения данных как жесткий диск. Недавно испанские ученые разработали совершенно новый метод записи магнитных данных на специальный носитель.. без использования магнитных полей. Новая система записи представляет собой конденсатор, с обкладками из платины и оксида алюминия расположенными снизу и сверху магнитного материала (пленки из кобальта, толщиной менее 1 нм). Благодаря тонким эффектам релятивисткой механики, под действием электрического поля конденсатор электроны, находящиеся в слое кобальта, меняют вектор намагниченности магнитного материала. Обычно квантовые устройства боятся тепловых шумов и хорошо работают только в криогенных условиях, новый метод устойчиво работает и при комнатной температуре. Развитие этой технологии позволило бы компьютерам будущего не тратить время на загрузку операционной системы и потреблять меньшее количество энергии
Конденсатор как термометр
Если у варикондов емкость зависит от напряжения на обкладках, то у термоконденсаторов — от температуры. Коэффициент изменения ёмкости в зависимости от температуры (ТКЕ) очень интересен. Он зависит от структуры молекул и от фазовых переходов.
Существенное влияние температура оказывает и на сегнетоэлектрики. Как отмечалось ранее, при достижении некоторой температуры (температура Кюри) тепловые колебания разориентируют диполи и диэлектрическая проницаемость снижается.
Конденсатор как инновация
Конденсаторы есть и внутри микросхем. Чтобы их там создать, диэлектрик конденсатора формируют методами термического напыления, ионно-плазменного и реактивного распыления. Для изготовления диэлектрических тонких пленок применяют монооксиды кремния и германия, оксиды алюминия, тантала, титана и редкоземельных металлов. Высокие удельные емкости имеют титанаты бария и кальция. При изготовлении диэлектрических слоев толстопленочных конденсаторов используют пасты, которые содержат титанат бария или диоксид титана, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость. Материал обкладок конденсатора должен также иметь низкое электрическое сопротивление обкладок, хорошую адгезию, обладать низкой миграционной подвижностью атомов, высокой коррозионной стойкостью.
Иногда возникает необходимость конструирования пленочных конденсаторов с повышенной точностью воспроизведения емкости, превосходящей технологические возможности способа их изготовления. Тогда используют так называемые подгоняемые конденсаторы, у которые есть запсные секции, которые можно отсечь лазерным лучом.
Не стоят на месте и технологи
Собственная индуктивность — конденсатор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Собственная индуктивность — конденсатор
Cтраница 1
Собственная индуктивность конденсаторов обусловливается магнитным потоком, который создается током, проходящим через конденсатор. Величина собственной индуктивности зависит от длины внешних и: внутренних соединительных проводников, от размеров обкладок и способа их соединения с выводами. [1]
Собственная индуктивность конденсатора слагается из индуктивности его рабочего элемента и индуктивности внешних и внутренних его проводников. [2]
Собственная индуктивность конденсатора обусловлена индуктивностью выводов, обкладок. На высоких частотах эта индуктивность вместе с емкостью конденсатора может вызвать резонанс. Резонансная частота конденсатора должна быть выше рабочей частоты схемы, в которой он используется. [4]
Собственная индуктивность конденсатора зависит от размеров обкладок и способа их соединения с выводами. Индуктивность приводит к появлению резонанса. Для устойчивой работы необходимо, чтобы максимальная рабочая частота была в 2 — 3 раза ниже резонансной частоты конденсатора. В табл. 42 приведены индуктивности стандартных конденсаторов и максимальные рабочие частоты. [5]
Собственная индуктивность конденсатора слагается из индуктивности его рабочего элемента и индуктивности внешних и внутренних проводников. [6]
Собственная индуктивность конденсатора зависит от его выводов и обкладок. [7]
Собственная индуктивность конденсатора слагается из индуктивности его рабочего элемента и индуктивности внешних и внутренних его проводников. [8]
Собственная индуктивность конденсатора LC складывается из индуктивности рабочей части конденсатора и индуктивности соединительных проводников. [9]
Собственную индуктивность конденсатора можно значительно уменьшить путем соответствующего, например одностороннего, устройства выводов. [11]
Собственной индуктивностью конденсаторов ограничивается верхний предел частоты, на которой они могут применяться. Значение максимальной рабочей частоты определяется резонансной частотой колебательного контура, образованного емкостью и собственной индуктивностью конденс атора. Для большинства конденсаторов небольшой емкости резонансная частота превышает 1 — 10 Мгц. [12]
Собственной индуктивностью конденсатора ограничивается верхний предел частоты, на которой их можно применять. Значение максимальной рабочей частоты определяется резонансной частотой колебательного контура, образованного емкостью и собственной индуктивностью конденсатора. [13]
Собственной индуктивностью конденсатора ограничивается верхний предел частоты, на которой их можно применять. [14]
На высоких частотах собственная индуктивность конденсатора приводит к появлению резонанса, который может приводить к нежелательному влиянию на электрические цепи. Собственная индуктивность образуется выводами конденсатора и зависит от того, как выполнены диэлектрические обкладки и их металлизация. Для снижения собственной индуктивности токовые проводники конденсатора должны быть выполнены бифилярно, а контакты внутри конденсатора, выполняемые металлической фольгой, должны иметь достаточную поверхность. Зависимость резонансной частоты пленочного конденсатора ( с реальным допуском) от его емкости показана на рис. 7.9. На частотах выше резонансной конденсатор становится индуктивным элементом, теряя свои основные свойства. [15]
Страницы: 1 2
5. Разрядка конденсатора на индуктивность
Рассмотрим явления в 
– цепи, представленной рис. , когда
конденсатор, заряженный до напряжения
замыкается на идеальную катушку (
.
В начальный момент времени напряжение на конденсаторе имеет наибольшее значение, и в электрическом поле конденсатора запасена энергия
(11-21)
При замыкании рубильника конденсатор начнет разряжаться, и в цепи возникает электрический ток. Вместе с током создается магнитное поле, а следовательно, и эдс самоиндукции, которая в каждый момент равна и противоположна напряжению на конденсаторе, так как для этой цепи по второму закону Кирхгофа справедливо соотношение
(11-22)
Так как 
то
и следовательно, ток в цепи нарастает со скоростью
По мере того как конденсатор разряжается
и 
падает, уменьшается и скорость нарастания
тока пока, наконец, при
она не упадет до нуля.
Но, с другой стороны, при 
равна нулю и энергия электрического
поля конденсатора. Так как в рассматриваемой
цепи энергия не превращается в тепло,
то первоначальный запас энергии
переходит в энергию магнитного поля
катушки. Отсюда следует. Что при
ток в цепи имеет наибольшее значение;
его можно найти, приравняв первоначальный
запас энергии тому значению магнитной
энергии, которое имеет место при
наибольшем токе:
откуда
(11-23)
Величина 
имеет размерность сопротивления и
называетсяволновым сопротивлением.
Рис.139
Разрядный ток (рис.139)
Следовательно эдс самоиндукции
подставив это выражение в ( ), получаем дифференциальное уравнение LC- цепи
(11-24)
Решением этого уравнения является выражение следующего вида:
(11-15)
Ток в цепи
(11-26)
Таким образом, в цепи протекает синусоидальный ток, и напряжение на конденсаторе изменяется периодически, хотя источник переменного тока в цепи отсутствует.
Процесс уменьшения напряжения конденсатора от первоначального значения до нуля соответствует переносу электронов с отрицательной обкладки на положительную. Разрядкой конденсатора этот процесс не заканчивается, так как ток в катушке не может меняться скачком. В цепи продолжает протекать ток прежнего направления, но уменьшающийся по величине. Наличие этого тока означает перенос электронов с электрода, бывшего ранее отрицательным, на электрод, бывший ранее положительным, благодаря чему первый начнет заряжаться положительно, а второй – отрицательно.
При отсутствии в цепи сопротивления Rэтот процесс будет продолжаться до тех пор, пока конденсатор не зарядится до напряжения, по величине равного начальному, но обратного по знаку. Далее конденсатор начнет разряжаться в обратном направлении, а затем снова заряжаться, и этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока цепь не будет разомкнута.
Таким образом, в рассматриваемой цепи энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля, и наоборот, т.е. в цепи происходят незатухающие периодические колебания энергии.
Угловая частота этих свободных гармонических колебаний
(11-27)
определяется индуктивностью и емкостью рассматриваемой LC– цепи.
Разряд конденсатора на R,L – цепь. При наличии в электрической
цепи активного сопротивления процесс
разряда конденсатора на индуктивность
будет отличаться от ранее рассмотренного
только тем, что он будет сопровождаться
непрерывным преобразованием электрической
энергии в тепловую (
).
Благодаря этому амплитуды тока и
напряжения с каждым полупериодом будут
уменьшаться, т.е. в цепи будет происходить
затухающий колебательный процесс
(рис.140 а), который прекратится в тот
момент, когда вся энергия будет
преобразована в тепловую.
При сопротивлении 
разряд конденсатора будет иметь
апериодический характер (рис.140 б). В
этом случае напряжение на конденсаторе
с начального момента разряда непрерывно
уменьшается, постепенно спадая до нуля,
а ток в цепи сначала увеличивается от
нуля до некоторого наибольшего значения
и затем непрерывно уменьшается до нуля.
а б
Рис. 140
Как заколебать ток. Конденсаторы и катушки
РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Основы электроники >Как заколебать ток. Конденсаторы и катушки
Начинаем с первого и самого главного блока — ГВЧ (Генератор Высокой частоты).
Как вы помните, генератор обязан преобразовать постоянный ток батарейки в переменный ток ВЧ. Для этого обычно используют транзистор и еще две детали, с которыми мы пока что не знакомы: конденсатор и катушку индуктивности.
Конденсатор — это элемент, способный накапливать в себе электрическую энергию. Конденсатор состоит из двух металлических пластин, изолированных между собой непроводящим материалом (диэлектриком). Эти пластины называют обкладками конденсатора.
Обозначение конденсатора на схеме полностью объясняет его конструкцию:
Конденсатор можно сравнить с батарейкой. Вот только, в нем нет той силы, которая перекидывает заряд в обратную сторону.
Если вспомнить нашу научно-экспериментальную установку с бутылками, то сначала (пока мы не стали вычерпывать воду из в одной бутылки в другую) ее можно было сравнить именно с конденсатором. То есть: наливаем воду в одну бутылку, вторая пуста. Пускаем воду по шлангу. Вторая бутылка — заполняется, первая — опустошается. Это происходит до тех пор, пока уровни в двух бутылках не сравняются, и ток не прекратится.
Так же и в конденсаторе. Когда он заряжен — на одной обкладке электронов больше, чем на другой. То есть, у них разные заряды, а значит — есть разность потенциалов (напряжение). Если к заряженному конденсатору подключить нагрузку, скажем, резистор — потечет ток, и через определенное время заряды двух обкладок сравняются, ток прекратится. То есть — конденсатор разрядится. Чтобы ток пошел снова, нужно опять создать разность потенциалов — то есть, зарядить конденсатор.
Вот так, в общем, все несложно.
Катушка индуктивности — это такая обычная катушка из металлической проволоки.
Можно на что угодно намотать кусок проволоки — это уже будет катушка индуктивности.
На схеме она изображается так:
Катушка обладает некоторыми полезными электрическими свойствами. Какими? Сейчас разберемся.
Итак, коль уж вспомнилась нам лабораторная установка из бутылок — давайте ее апгрейдить.
На сей раз нам понадобится водяная турбина. Честно говоря, я не пробовал ее делать, поэтому — не скажу рецепт приготовления =). Однако, если кто-то решится, и у него получится — можете поделиться с народом своим счастьем… и технологией.
Водяная турбина состоит из лопастей, сидящих на оси. Все это находится внутри герметичного кожуха, но ось выводится наружу. При протекании воды, лопасти начинают вращаться. Такие турбины используют, например, на гидроэлектростанциях. На их оси сидят электрогенераторы.
У нас же все проще и меньше. И на ось мы посадим не мощный генератор, а просто какое-нибудь тяжелое круглое колесико, чтобы воде было трудно его вращать.
Кстати! Протекающая вода вращает турбину. Но возможно и обратное: вращающаяся турбина может вызывать ток воды. Помним об этом…
Ну, в общем, всобачим эту турбину между двумя бутылками, и нальем в левую бутылку воды. Смотрим, что происходит.
А вот что происходит. Поскольку есть разность потенциалов (то есть, давлений) — вода хочет течь из левой бутылки в правую. Но на пути — турбина! Ничего не остается, как ее крутить. Хочешь жить — умей вертеться. =)
Однако, турбина начинает крутиться не сразу, а постепенно, потому что на ее оси — тяжелое колесо, которое создает инерцию. Поэтому, сначала вода течет медленно, и постепенно, своим током разгоняет турбину. Чем быстрее крутится турбина — тем быстрее перетекает вода в правую бутылку. Перетекает, перетекает… И вот — уровни сравнялись! Казалось бы, пора остановиться. Куда там! Турбина раскрутилась до таких оборотов, что и не думает остановиться, и продолжает по инерции гнать воду из левой бутылки в правую. Однако, постепенно ее скорость снижается, и через некоторое время, она, все же, останавливается.
Но теперь уже в правой бутылке воды больше, чем в левой. И она хочет течь обратно. Турбина начинает крутиться в обратную сторону. Сначала — нехотя, потом — все быстрее и быстрее. В момент, когда уровни равны, турбина опять несется на полных оборотах, и продолжает гнать. Останавливается она, когда в левой бутылке уровень снова больше, чем в правой. Все повторяется заново.
То, что мы видим, называется простым и знакомым нам словом — «колебания».
В идеальных условиях (отсутствие трения и т.п.), этот колебательный процесс длится бесконечно. В реальности — через несколько циклов (периодов), он затухнет. То есть, уровни таки сравняются. Но не в этом суть. Главное, что мы только что познакомились с принципом работы самого распространенной в радиотехнике схемы — колебательного контура. На водяной его модели. =)
Так вот, турбина в нашей научно-экспериментальной мегаустановке — это и есть катушка индуктивности.
У катушки индуктивности, надо сказать, весьма скверный характер. Она, по русски выражаясь, «тормозит». То есть, когда ток, текущий через нее начинает увеличиваться — она всячески препятствует его увеличению. А когда ток уменьшается — она наоборот, «подгоняет» его, не давая уменьшаться. Ну чем не турбина?!
Однако, в счастливом союзе с конденсатором, катушка образует тот самый колебательный контур, без которого не смог бы работать ни один радиоприемник и передатчик.
Вот как выглядит колебательный контур:
Если зарядить конденсатор, а потом подключить к нему катушку — ток в катушке начнет мотаться туда-сюда точно так же, как вода — в турбине.
Как вы, может быть, уже догадались — именно колебательный контур мы будем использовать для преобразования постоянного тока в переменный в нашем генераторе. Однако, прежде чем преступить к преобразованию, познакомимся еще с одним элементом. Без него ничего не получится.
<<—Вспомним пройденное—-Поехали дальше—>>
Как вам эта статья? | Заработало ли это устройство у вас? |
Колебательный контур. LCR, LC — контур. Катушка индуктивности, конденсатор Формула Томсона Энергия
Колебательный контур – электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых конденсатора с ёмкостью
, катушки с индуктивностью и электрического сопротивления .Идеальный колебательный контур — цепь, состоящая только из катушки индуктивности (не имеющей собственного сопротивления) и конденсатора (
-контур). Тогда в такой системе поддерживаются незатухающие электромагнитные колебания силы тока в цепи, напряжения на конденсаторе и заряда конденсатора. Давайте разберём контур и подумаем, откуда возникают колебания. Пусть изначально заряженный конденсатор помещён в описываемую нами цепь.Рис. 1. Колебательный контур
В начальный момент времени весь заряд сосредоточен на конденсаторе, на катушке тока нет (рис. 1.1). Т.к. на обкладках конденсатора внешнего поля тоже нет, то электроны с обкладок начинают «уходить» в цепь (заряд на конденсаторе начинает уменьшаться). При этом (за счёт освобождённых электронов) возрастает ток в цепи. Направление тока, в данном случае, от плюса к минусу (впрочем, как и всегда), и конденсатор представляет собой источник переменного тока для данной системы. Однако при росте тока на катушке, вследствие явления электромагнитной индукции, возникает обратный индукционный ток (
). Направление индукционного тока, согласно правилу Ленца, должно нивелировать (уменьшать) рост основного тока. Когда заряд конденсатора станет равным нулю (весь заряд стечёт), сила индукционного тока в катушке станет максимальной (рис. 1.2).Однако текущий заряд в цепи пропасть не может (закон сохранения заряда), тогда этот заряд, ушедший с одной обкладки через цепь, оказался на другой обкладке. Таким образом, происходит перезарядка конденсатора в обратную сторону (рис. 1.3). Индукционный ток на катушке уменьшается до нуля, т.к. изменение магнитного потока также стремится к нулю.
При полной зарядке конденсатора электроны начинают двигаться в обратную сторону, т.е. происходит разрядка конденсатора в обратную сторону и возникает ток, доходящий до своего максимума при полной разрядке конденсатора (рис. 1.4).
Дальнейшая обратная зарядка конденсатора приводит в систему в положение на рисунке 1.1. Такое поведение системы повторяется сколь угодно долго. Таким образом, мы получаем колебание различных параметров системы: тока в катушке, заряд на конденсаторе, напряжение на конденсаторе. В случае идеальности контура и проводов (отсутствие собственного сопротивления), эти колебания — гармонические.
Для математического описания этих параметров этой системы (в первую очередь, периода электромагнитных колебаний) вводится рассчитанная до нас формула Томсона:
(1)Неидеальным контуром является всё тот же идеальный контур, который мы рассмотрели, с одним небольшим включением: с наличием сопротивления
(-контур). Данное сопротивление может быть как сопротивлением катушки (она не идеальна), так и сопротивлением проводящих проводов. Общая логика возникновения колебаний в неидеальном контуре аналогична той, что и в идеальном. Отличие только в самих колебаниях. В случае наличия сопротивления, часть энергии будет рассеиваться в окружающую среду — сопротивление будет нагреваться, тогда энергия колебательного контура будет уменьшаться и сами колебания станут затухающими.Для работы с контурами в школе используется только общая энергетическая логика. В данном случае, считаем, что полная энергия системы в начале сосредоточена на конденсаторе и/или катушке, и описывается:
(2) (3)
Для идеального контура полная энергия системы остаётся постоянной:
(4)- где
- — полная энергия колебательной системы.
Для неидеального контура часть начальной энергии переходит в тепло, что можно описать законом Джоуля-Ленца. Тогда энергетические превращения в таком контуре можно описать:
(5)Вывод: работа с контурами достаточно сложна. Чаще всего это работа со схемами, в которых присутствуют ключи. Энергетически рассмотреть переход из начального состояния в конечное практически невозможно, тогда стоит работать с начальным и конечным положением системы. Определяем вид контура (идеальный/неидеальный) и рассмотреть энергию системы в обоих случаях. Далее, используя (4) или (5), получаем уравнение, которое можно решать.
Поделиться ссылкой:
Понравилось это:
Нравится Загрузка…
