Un circuit oscillatoire est un dispositif conçu pour générer (créer) des oscillations électromagnétiques. Depuis sa création jusqu'à nos jours, il a été utilisé dans de nombreux domaines de la science et de la technologie: de la vie quotidienne aux immenses usines produisant une grande variété de produits.
De quoi est-il fait ?
Le circuit oscillatoire se compose d'une bobine et d'un condensateur. De plus, il peut également contenir une résistance (élément à résistance variable). Un inducteur (ou solénoïde, comme on l'appelle parfois) est une tige sur laquelle sont enroulées plusieurs couches d'enroulement, qui, en règle générale, est un fil de cuivre. C'est cet élément qui crée des oscillations dans le circuit oscillant. La tige au milieu est souvent appelée starter ou noyau, et la bobine est parfois appelée solénoïde.
La bobine du circuit oscillant n'oscille que lorsqu'il y a une charge stockée. Lorsque le courant le traverse, il accumule une charge qu'il transmet ensuite au circuit si la tension chute.
Les fils de la bobine ont généralement très peu de résistance, qui reste toujours constante. Dans le circuit d'un circuit oscillant, un changement de tension et de courant se produit très souvent. Ce changement est soumis à certaines lois mathématiques:
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U=U0cos(w(t-t0), où
U est la tension actuelle point dans le temps t, U0 - tension au temps t0, w - fréquence de oscillations électromagnétiques.
Un autre composant intégral du circuit est le condensateur électrique. Il s'agit d'un élément composé de deux plaques séparées par un diélectrique. Dans ce cas, l'épaisseur de la couche entre les plaques est inférieure à leurs dimensions. Cette conception vous permet d'accumuler une charge électrique sur le diélectrique, qui peut ensuite être transférée au circuit.
La différence entre un condensateur et une batterie est qu'il n'y a pas de transformation de substances sous l'action d'un courant électrique, mais une accumulation directe de charge dans un champ électrique. Ainsi, à l'aide d'un condensateur, il est possible d'accumuler une charge suffisamment importante, qui peut être donnée en une seule fois. Dans ce cas, l'intensité du courant dans le circuit augmente considérablement.
En outre, le circuit oscillant se compose d'un élément supplémentaire: une résistance. Cet élément a une résistance et est conçu pour contrôler le courant et la tension dans le circuit. Si la résistance de la résistance est augmentée à une tension constante, l'intensité du courant diminuera conformément à la loiOma:
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I=U/R, où
I est le courant, U est la tension, R est la résistance.
Inducteur
Regardons de plus près toutes les subtilités de l'inductance et comprenons mieux sa fonction dans un circuit oscillant. Comme nous l'avons déjà dit, la résistance de cet élément tend vers zéro. Ainsi, lorsqu'il est connecté à un circuit CC, un court-circuit se produirait. Cependant, si vous connectez la bobine à un circuit alternatif, cela fonctionne correctement. Cela vous permet de conclure que l'élément offre une résistance au courant alternatif.
Mais pourquoi cela se produit-il et comment la résistance survient-elle avec le courant alternatif ? Pour répondre à cette question, nous devons nous tourner vers un phénomène tel que l'auto-induction. Lorsque le courant traverse la bobine, une force électromotrice (EMF) apparaît dans celle-ci, ce qui crée un obstacle à la modification du courant. L'amplitude de cette force dépend de deux facteurs: l'inductance de la bobine et la dérivée de l'intensité du courant par rapport au temps. Mathématiquement, cette dépendance s'exprime par l'équation:
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E=-LI'(t), où
E est la valeur EMF, L est la valeur de l'inductance de la bobine (pour chaque bobine, elle est différente et dépend sur le nombre de bobines de l'enroulement et leurs épaisseurs), I'(t) - dérivée de l'intensité du courant par rapport au temps (taux de variation de l'intensité du courant).
La force du courant continu ne change pas avec le temps, il n'y a donc aucune résistance lorsqu'il y est exposé.
Mais avec le courant alternatif, tous ses paramètres changent constamment selon une loi sinusoïdale ou cosinus,en conséquence, un champ électromagnétique apparaît qui empêche ces changements. Une telle résistance est appelée inductive et est calculée par la formule:
- XL =wL
Le courant dans le solénoïde augmente et diminue linéairement selon différentes lois. Cela signifie que si vous arrêtez l'alimentation en courant de la bobine, celle-ci continuera à charger le circuit pendant un certain temps. Et si en même temps l'alimentation en courant est brusquement interrompue, un choc se produira du fait que la charge tentera de se répartir et de sortir de la bobine. C'est un problème sérieux dans la production industrielle. Un tel effet (bien qu'il ne soit pas entièrement lié au circuit oscillant) peut être observé, par exemple, lors du retrait de la fiche de la prise. En même temps, une étincelle saute, ce qui, à une telle échelle, ne peut pas nuire à une personne. Cela est dû au fait que le champ magnétique ne disparaît pas immédiatement, mais se dissipe progressivement, induisant des courants dans d'autres conducteurs. À l'échelle industrielle, l'intensité du courant est plusieurs fois supérieure aux 220 volts auxquels nous sommes habitués. Ainsi, lorsqu'un circuit est interrompu en production, des étincelles d'une telle intensité peuvent se produire et causer beaucoup de dommages à la fois à l'usine et à la personne.
Une bobine est la base de ce qu'est un circuit oscillant. Les inductances des solénoïdes en série s'additionnent. Ensuite, nous examinerons de plus près toutes les subtilités de la structure de cet élément.
Qu'est-ce que l'inductance ?
L'inductance de la bobine d'un circuit oscillant est un indicateur individuel numériquement égal à la force électromotrice (en volts) qui se produit dans le circuit lorsquechangement de courant de 1 A en 1 seconde. Si le solénoïde est connecté à un circuit à courant continu, son inductance décrit l'énergie du champ magnétique créé par ce courant selon la formule:
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W=(LI2)/2, où
W est l'énergie du champ magnétique.
Le facteur d'inductance dépend de nombreux facteurs: de la géométrie du solénoïde, des caractéristiques magnétiques du noyau et du nombre de spires de fil. Une autre propriété de cet indicateur est qu'il est toujours positif, car les variables dont il dépend ne peuvent pas être négatives.
L'inductance peut également être définie comme la propriété d'un conducteur porteur de courant de stocker de l'énergie dans un champ magnétique. Il est mesuré en Henry (du nom du scientifique américain Joseph Henry).
En plus du solénoïde, le circuit oscillant se compose d'un condensateur, dont nous parlerons plus tard.
Condensateur électrique
La capacité du circuit oscillant est déterminée par la capacité du condensateur électrique. À propos de son apparence a été écrit ci-dessus. Analysons maintenant la physique des processus qui s'y déroulent.
Étant donné que les plaques du condensateur sont constituées d'un conducteur, un courant électrique peut les traverser. Cependant, il y a un obstacle entre les deux plaques: un diélectrique (il peut s'agir d'air, de bois ou d'un autre matériau à haute résistance. Du fait que la charge ne peut pas se déplacer d'un bout à l'autre du fil, elle s'accumule sur le plaques de condensateur, ce qui augmente la puissance des champs magnétiques et électriques qui l'entourent.l'électricité accumulée sur les plaques commence à être transférée vers le circuit.
Chaque condensateur a une tension nominale optimale pour son fonctionnement. Si cet élément est utilisé pendant une longue période à une tension supérieure à la tension nominale, sa durée de vie est considérablement réduite. Le condensateur du circuit oscillant est constamment affecté par les courants et, par conséquent, lors de son choix, vous devez être extrêmement prudent.
En plus des condensateurs habituels dont il a été question, il existe également des ionistors. Il s'agit d'un élément plus complexe: il peut être décrit comme un croisement entre une batterie et un condensateur. En règle générale, les substances organiques servent de diélectrique dans un ionistor, entre lesquels se trouve un électrolyte. Ensemble, ils créent une double couche électrique, ce qui vous permet d'accumuler dans cette conception beaucoup plus d'énergie que dans un condensateur traditionnel.
Quelle est la capacité d'un condensateur ?
La capacité d'un condensateur est le rapport entre la charge du condensateur et la tension sous laquelle il se trouve. Vous pouvez calculer cette valeur très simplement en utilisant la formule mathématique:
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C=(e0S)/d, où
e0 est la permittivité du matériau diélectrique (valeur du tableau), S - la surface des plaques du condensateur, d - la distance entre les plaques.
La dépendance de la capacité du condensateur à la distance entre les plaques s'explique par le phénomène d'induction électrostatique: plus la distance entre les plaques est petite, plus elles s'affectent fortement (selon la loi de Coulomb), la plus la charge des plaques est élevée et plus la tension est faible. Et comme la tension diminuela valeur de la capacité augmente, car elle peut également être décrite par la formule suivante:
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C=q/U, où
q est la charge en coulombs.
Il vaut la peine de parler des unités de cette quantité. La capacité est mesurée en farads. 1 farad est une valeur suffisamment grande pour que les condensateurs existants (mais pas les ionistors) aient une capacité mesurée en picofarads (un billion de farads).
Résistance
Le courant dans le circuit oscillant dépend également de la résistance du circuit. Et en plus des deux éléments décrits qui composent le circuit oscillant (bobines, condensateurs), il y en a aussi un troisième - une résistance. Il est chargé de créer la résistance. La résistance diffère des autres éléments en ce qu'elle a une grande résistance, qui peut être modifiée dans certains modèles. Dans le circuit oscillant, il remplit la fonction d'un régulateur de puissance de champ magnétique. Vous pouvez connecter plusieurs résistances en série ou en parallèle, augmentant ainsi la résistance du circuit.
La résistance de cet élément dépend également de la température, vous devez donc faire attention à son fonctionnement dans le circuit, car il chauffe au passage du courant.
La résistance de la résistance est mesurée en Ohms et sa valeur peut être calculée à l'aide de la formule:
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R=(pl)/S, où
p est la résistivité du matériau de la résistance (mesurée en (Ohmmm2)/m);
l - longueur de la résistance (en mètres);
S - section (en millimètres carrés).
Comment lier les paramètres de chemin ?
Maintenant nous nous rapprochons de la physiquefonctionnement du circuit oscillant. Au fil du temps, la charge sur les plaques du condensateur change selon une équation différentielle du second ordre.
Si vous résolvez cette équation, plusieurs formules intéressantes en découlent, décrivant les processus se produisant dans le circuit. Par exemple, la fréquence cyclique peut être exprimée en termes de capacité et d'inductance.
Cependant, la formule la plus simple qui permet de calculer de nombreuses quantités inconnues est la formule de Thomson (du nom du physicien anglais William Thomson, qui l'a dérivée en 1853):
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T=2p(LC)1/2.
T - la période des oscillations électromagnétiques, L et C - respectivement, l'inductance de la bobine du circuit oscillant et la capacité des éléments du circuit, p - le nombre pi.
Facteur Q
Il y a une autre valeur importante qui caractérise le fonctionnement du circuit - le facteur de qualité. Afin de comprendre ce que c'est, il faut se tourner vers un processus tel que la résonance. C'est un phénomène dans lequel l'amplitude devient maximale avec une valeur constante de la force qui supporte cette oscillation. La résonance peut être expliquée par un exemple simple: si vous commencez à pousser le swing au rythme de sa fréquence, il accélérera et son "amplitude" augmentera. Et si vous poussez hors du temps, ils ralentiront. A la résonance, beaucoup d'énergie est souvent dissipée. Afin de pouvoir calculer l'ampleur des pertes, ils ont proposé un paramètre tel que le facteur de qualité. C'est un rapport égal au rapportl'énergie dans le système aux pertes se produisant dans le circuit en un cycle.
Le facteur de qualité du circuit est calculé par la formule:
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Q=(w0W)/P, où
w0 - fréquence d'oscillation cyclique de résonance;
W - énergie stockée dans le système oscillatoire;
P - puissance dissipée.
Ce paramètre est une valeur sans dimension, car il indique en fait le rapport entre l'énergie stockée et dépensée.
Qu'est-ce qu'un circuit oscillant idéal
Pour mieux comprendre les processus de ce système, les physiciens ont imaginé le circuit oscillatoire dit idéal. Il s'agit d'un modèle mathématique qui représente un circuit comme un système à résistance nulle. Il produit des oscillations harmoniques non amorties. Un tel modèle permet d'obtenir des formules pour le calcul approximatif des paramètres de contour. L'un de ces paramètres est l'énergie totale:
W=(LI2)/2.
De telles simplifications accélèrent considérablement les calculs et permettent d'évaluer les caractéristiques d'un circuit avec des indicateurs donnés.
Comment ça marche ?
L'ensemble du cycle du circuit oscillant peut être divisé en deux parties. Nous allons maintenant analyser en détail les processus se produisant dans chaque partie.
- Première phase: la plaque de condensateur chargée positivement commence à se décharger, donnant du courant au circuit. A ce moment, le courant passe d'une charge positive à une charge négative en passant par la bobine. En conséquence, des oscillations électromagnétiques se produisent dans le circuit. courant traversantbobine, va à la deuxième plaque et la charge positivement (alors que la première plaque, d'où le courant est passé, est chargée négativement).
- Deuxième phase: le processus inverse a lieu. Le courant passe de la plaque positive (qui était négative au tout début) vers la négative en repassant par la bobine. Et toutes les accusations tombent en place.
Le cycle se répète tant qu'il y a une charge sur le condensateur. Dans un circuit oscillant idéal, ce processus se poursuit sans fin, mais dans un circuit réel, les pertes d'énergie sont inévitables en raison de divers facteurs: l'échauffement, qui se produit en raison de l'existence d'une résistance dans le circuit (chaleur Joule), etc.
Options de conception de contour
Outre les simples circuits "bobine-condensateur" et "bobine-résistance-condensateur", il existe d'autres options qui utilisent un circuit oscillant comme base. Ceci, par exemple, est un circuit parallèle, qui diffère en ce qu'il existe en tant qu'élément d'un circuit électrique (car, s'il existait séparément, ce serait un circuit en série, dont il a été question dans l'article).
Il existe également d'autres types de conceptions qui incluent différents composants électriques. Par exemple, vous pouvez connecter un transistor au réseau, qui ouvrira et fermera le circuit avec une fréquence égale à la fréquence d'oscillation dans le circuit. Ainsi, des oscillations non amorties seront établies dans le système.
Où est utilisé un circuit oscillant ?
L'application la plus connue des composants de circuit est celle des électroaimants. Ils sont à leur tour utilisés dans les interphones, les moteurs électriques,capteurs et dans de nombreux autres domaines pas si ordinaires. Une autre application est un générateur d'oscillations. En fait, cette utilisation du circuit nous est très familière: sous cette forme, il est utilisé dans les micro-ondes pour créer des ondes et dans les communications mobiles et radio pour transmettre des informations à distance. Tout cela est dû au fait que les oscillations des ondes électromagnétiques peuvent être codées de telle manière qu'il devient possible de transmettre des informations sur de longues distances.
L'inducteur lui-même peut être utilisé comme élément d'un transformateur: deux bobines avec un nombre différent d'enroulements peuvent transférer leur charge à l'aide d'un champ électromagnétique. Mais comme les caractéristiques des solénoïdes sont différentes, les indicateurs de courant dans les deux circuits auxquels ces deux inducteurs sont connectés seront différents. Ainsi, il est possible de convertir un courant avec une tension de, disons, 220 volts en un courant avec une tension de 12 volts.
Conclusion
Nous avons analysé en détail le principe de fonctionnement du circuit oscillant et chacune de ses parties séparément. Nous avons appris qu'un circuit oscillant est un appareil conçu pour créer des ondes électromagnétiques. Cependant, ce ne sont que les bases de la mécanique complexe de ces éléments apparemment simples. Vous pouvez en savoir plus sur les subtilités du circuit et ses composants dans la littérature spécialisée.
