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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Circuito oscillatorio. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Radioamatore principiante Il dispositivo e lo schema del circuito oscillatorio più semplice sono mostrati in Fig.1. Come puoi vedere, è costituito da una bobina L e un condensatore C, che formano un circuito elettrico chiuso. In determinate condizioni, possono verificarsi oscillazioni elettriche nel circuito. Pertanto, è chiamato circuito oscillatorio. Hai mai osservato un fenomeno del genere: al momento dello spegnimento di una lampada di illuminazione elettrica, appare una scintilla tra i contatti di apertura dell'interruttore. Se accidentalmente si collegano le strisce della batteria di una torcia elettrica (cosa da evitare), nel momento in cui sono separate, salta anche una piccola scintilla tra di loro. E nelle centrali elettriche, nelle fabbriche in cui i circuiti elettrici sono interrotti da interruttori, attraverso i quali scorrono correnti molto grandi, le scintille possono essere così significative che devono essere prese misure affinché non danneggino la persona che accende la corrente. Perché si generano queste scintille?
Dalla prima conversazione, sai già che esiste un campo magnetico attorno a un conduttore che trasporta corrente, che può essere rappresentato come linee di forza magnetiche chiuse che penetrano nello spazio circostante (Fig. 2). Per rilevare questo campo, se è costante, puoi utilizzare l'ago magnetico della bussola. Se un conduttore è scollegato da una sorgente di corrente, il suo campo magnetico che scompare, dissipandosi nello spazio, indurrà correnti in altri conduttori. La corrente è indotta nel conduttore che ha creato questo campo magnetico. E poiché si trova nello spessore delle sue stesse linee di forza magnetiche, in esso verrà indotta una corrente più forte che in qualsiasi altro conduttore. La direzione di questa corrente sarà la stessa che era al momento della rottura del conduttore. In altre parole, il campo magnetico che scompare manterrà la corrente che lo ha creato fino a quando non scomparirà da solo, cioè l'energia in esso contenuta sarà completamente consumata. Di conseguenza, la corrente nel conduttore scorre anche dopo lo spegnimento della sorgente di corrente, ma, ovviamente, non per molto: una frazione trascurabile di secondo.
Ma in un circuito aperto il movimento degli elettroni è impossibile, obietterete. Sì. Ma dopo l'apertura del circuito elettrico, la corrente può fluire per un certo tempo attraverso lo spazio d'aria tra le estremità disconnesse del conduttore, tra i contatti di un interruttore o di un interruttore. Questa corrente attraverso l'aria forma una scintilla elettrica. Questo fenomeno si chiama autoinduzione, e la forza elettrica (da non confondere con l'induzione, di cui abbiamo parlato nella prima conversazione), che, sotto l'azione di un campo magnetico evanescente, mantiene in essa una corrente, è la forza elettromotrice di autoinduzione o, in breve, fem. autoinduzione. Più emf. autoinduzione, tanto più significativa può essere la scintilla al punto di interrompere il circuito elettrico. Il fenomeno dell'autoinduzione si osserva non solo quando la corrente viene interrotta, ma anche quando viene attivata la corrente. Nello spazio che circonda il conduttore, si genera immediatamente un campo magnetico quando viene attivata la corrente. All'inizio è più debole, ma poi si intensifica molto rapidamente. L'aumento del campo magnetico della corrente eccita anche la corrente di autoinduzione, ma questa corrente è diretta verso la corrente principale. La corrente di autoinduzione impedisce l'aumento istantaneo della corrente principale e la crescita del campo magnetico. Tuttavia, dopo un breve periodo di tempo, la corrente principale e il conduttore superano la corrente di autoinduzione in arrivo e raggiungono il valore massimo, il campo magnetico rimane invariato e l'autoinduzione si interrompe. Il fenomeno dell'autoinduzione può essere paragonato al fenomeno dell'inerzia. Le slitte, ad esempio, sono difficili da spostare. Ma quando prendono velocità, fanno scorta di energia cinetica - l'energia del movimento, non possono essere fermati all'istante. Dopo la frenata, continuano a scivolare fino a quando l'energia di movimento immagazzinata non viene esaurita per vincere l'attrito sulla neve. Tutti i conduttori hanno la stessa autoinduttanza? Non! Più lungo è il conduttore, maggiore è l'autoinduzione. In un conduttore avvolto in una bobina, il fenomeno dell'autoinduzione è più pronunciato rispetto a un conduttore rettilineo, poiché il campo magnetico di ogni giro della bobina induce corrente non solo in questo giro, ma anche nelle spire vicine di questa bobina. Più lungo è il filo nella bobina, più lunga sarà la corrente di autoinduzione al suo interno dopo lo spegnimento della corrente principale. E, al contrario, ci vorranno tempi più lunghi per accendere la corrente principale, in modo che la corrente nel circuito salga a un certo valore e si stabilisca un campo magnetico di intensità costante. Ricorda: la proprietà dei conduttori di influenzare la corrente in un circuito quando il suo valore cambia è chiamata induttanza e le bobine in cui questa proprietà si manifesta più fortemente sono chiamate bobine di autoinduzione o induttanza. Maggiore è il numero di spire e le dimensioni della bobina, maggiore è la sua induttanza, più significativa è la sua influenza sulla corrente nel circuito elettrico; Catene. Pertanto, la bobina impedisce sia l'aumento che la diminuzione della corrente nel circuito elettrico. Se si trova in un circuito a corrente continua, la sua influenza si avverte solo quando la corrente viene attivata e disattivata. In un circuito di corrente alternata, dove la corrente e il suo campo magnetico cambiano continuamente, la fem. L'autoinduttanza della bobina funziona finché scorre corrente. Questo fenomeno elettrico viene utilizzato nel primo elemento del circuito oscillante del ricevitore: la bobina.
Il secondo elemento del circuito oscillatorio del ricevitore è l '"accumulatore" di cariche elettriche: un condensatore. Il condensatore più semplice è costituito da due conduttori di corrente elettrica, possono essere due piastre metalliche, chiamate piastre del condensatore, separate da un non conduttore di corrente elettrica: un dielettrico, come l'aria o la carta. Hai già usato un tale condensatore durante gli esperimenti con un semplice ricevitore. Maggiore è l'area delle piastre del condensatore e più vicine si trovano l'una all'altra, maggiore è la capacità elettrica di questo dispositivo. Se una sorgente di corrente continua è collegata alle piastre del condensatore (Fig. 3, a), nel circuito risultante apparirà una corrente a breve termine e il condensatore verrà caricato a una tensione uguale alla tensione della sorgente di corrente. Potresti chiedere: perché appare una corrente in un circuito in cui è presente un dielettrico? Quando colleghiamo una sorgente di corrente costante al condensatore, gli elettroni liberi nei conduttori del circuito risultante iniziano a muoversi verso il polo positivo della sorgente di corrente, formando un flusso di elettroni a breve termine in tutto il circuito. Di conseguenza, la piastra del condensatore, che è collegata al polo positivo della sorgente di corrente, si esaurisce di elettroni liberi e si carica positivamente, mentre l'altra si arricchisce di elettroni liberi e, quindi, si carica negativamente. Non appena il condensatore viene caricato, la corrente a breve termine nel circuito, chiamata corrente di carica del condensatore, si interrompe. Se la fonte di corrente è disconnessa dal condensatore, il condensatore verrà caricato (Fig. 3, b). Il dielettrico impedisce il trasferimento degli elettroni in eccesso da una piastra all'altra. Non ci sarà corrente tra le armature del condensatore, ma corrente accumulata. L'energia elettrica sarà concentrata nel lobo elettrico del dielettrico. Ma non appena le piastre di un condensatore carico sono collegate da un conduttore (Fig. 3, c), gli elettroni “in eccesso” della piastra caricata negativamente passeranno attraverso questo conduttore ad un'altra piastra, dove mancano, e il condensatore verrà dimesso. In questo caso, nel circuito risultante si forma anche una corrente a breve termine, chiamata corrente di scarica del condensatore. Se la capacità del condensatore è grande ed è caricata a una tensione significativa, il momento della scarica è accompagnato dalla comparsa di una scintilla significativa e di un crepitio. La proprietà di un condensatore di accumulare cariche elettriche e scaricarsi attraverso i conduttori ad esso collegati viene proprio sfruttata nel circuito oscillatorio di un ricevitore radio. E ora, giovane Amico, ricorda un normale swing. Puoi oscillare su di loro in modo che "ti tolga il respiro". Cosa bisogna fare per questo? Prima spingi per portare l'altalena fuori riposo, quindi applica una certa forza, ma sempre solo a tempo con le loro oscillazioni. Senza troppe difficoltà, puoi ottenere forti oscillazioni di oscillazione: ottieni grandi ampiezze di oscillazione. Anche un bambino piccolo può far oscillare un adulto su un'altalena se applica abilmente la sua forza. Avendo oscillato più forte l'oscillazione per ottenere grandi ampiezze di oscillazioni, smetteremo di spingerle. Cosa accadrà dopo? A causa dell'energia immagazzinata, oscillano liberamente per un po' di tempo, l'ampiezza delle loro oscillazioni diminuisce gradualmente, come si suol dire, le oscillazioni si esauriscono e, infine, l'oscillazione si interrompe. Con le oscillazioni libere di un'oscillazione, così come un pendolo sospeso liberamente, l'energia potenziale accumulata si trasforma in cinetica - l'energia del movimento, che nel punto più alto si trasforma nuovamente in potenziale e dopo una frazione di secondo - di nuovo in cinetico. E così via fino a quando l'intera scorta di energia è esaurita per vincere l'attrito delle corde nei punti in cui l'altalena è sospesa e la resistenza dell'aria. Con una quantità arbitrariamente grande di energia, le oscillazioni libere sono sempre smorzate: ad ogni oscillazione, la loro ampiezza diminuisce e le oscillazioni gradualmente si estingueranno completamente - la pace si instaura. Ma il periodo (il periodo di tempo durante il quale si verifica un'oscillazione), e quindi la frequenza delle oscillazioni, rimangono costanti. Tuttavia, se l'oscillazione è costantemente spinta nel tempo con le sue oscillazioni B, reintegrando così l'energia persa per superare le varie forze frenanti, le oscillazioni non saranno smorzate. Queste non sono più vibrazioni libere, ma forzate. Dureranno fino a quando la forza di spinta esterna cesserà di agire. Ho menzionato qui le oscillazioni perché i fenomeni fisici che si verificano in un tale sistema oscillatorio meccanico sono molto simili a quelli in un circuito oscillatorio elettrico. Affinché si verifichino oscillazioni elettriche nel circuito, è necessario fornire energia che "spinga" gli elettroni. Questo può essere fatto caricando, ad esempio, il suo condensatore. Interrompiamo l'interruttore B nel circuito oscillatorio e colleghiamo la sorgente CC alle piastre del suo condensatore, come mostrato in Fig. 4 sopra. Il condensatore verrà caricato alla tensione della batteria B. Quindi scolleghiamo la batteria dal condensatore e chiudiamo il circuito con l'interruttore C. I fenomeni che si verificheranno ora nel circuito sono mostrati graficamente in Fig. 4 di seguito.
Quando il circuito è chiuso da un interruttore, la piastra superiore del condensatore ha una carica positiva e quella inferiore ha una carica negativa (Fig. 4, a). In questo momento, segnato sul grafico dal punto O, non c'è corrente nel circuito e tutta l'energia accumulata dal condensatore è concentrata nel campo elettrico tra le sue piastre. Ma il condensatore è chiuso alla bobina, attraverso la quale inizierà a scaricarsi. Nella bobina appare una corrente e attorno ai suoi giri appare un campo magnetico. Quando il condensatore è completamente scarico (Fig. 4, b), contrassegnato sul grafico dal numero 1, quando la tensione sulle sue piastre scende a zero, la corrente nella bobina e l'energia del campo magnetico raggiungerà i valori più alti. Sembrerebbe che in questo momento la corrente nel circuito dovrebbe essersi fermata. Questo, però, non accadrà, poiché dall'azione della fem. autoinduzione, cercando di mantenere la corrente, il movimento degli elettroni nel circuito continuerà. Ma solo fino a quando tutta l'energia del campo magnetico è esaurita. Nella bobina in questo momento, scorrerà una corrente indotta di intensità decrescente, ma della direzione originale. Al momento segnato sul grafico dal numero 2, quando l'energia del campo magnetico è esaurita, il condensatore verrà nuovamente caricato, solo ora c'è una carica positiva sulla sua piastra inferiore e una carica negativa su quella superiore uno (Fig. 4, c). Ora gli elettroni inizieranno a invertire il movimento nella direzione dalla piastra superiore attraverso la bobina alla piastra inferiore del condensatore. All'istante 3 (Fig. 4, d) il condensatore si scaricherà e il campo magnetico della bobina raggiungerà il suo valore massimo. E ancora, fem. l'autoinduzione "guida" gli elettroni attraverso il filo della bobina, ricaricando così il condensatore. Al tempo 4 (Fig. 4e) lo stato degli elettroni nel circuito sarà lo stesso del tempo iniziale 0. Un'oscillazione completa è terminata. Naturalmente, il condensatore carico verrà nuovamente scaricato nella bobina, ricaricato e si verificherà il secondo, seguito dal terzo, quarto, ecc. fluttuazioni. In altre parole, nel circuito apparirà una corrente elettrica alternata, oscillazioni elettriche. Ma questo processo oscillatorio nel circuito non è infinito. Continua finché tutta l'energia ricevuta dal condensatore dalla batteria non viene spesa per superare la resistenza del filo della bobina del circuito. Tali oscillazioni nel circuito B sono libere, quindi smorzate. Qual è la frequenza delle vibrazioni degli elettroni nel circuito? Per comprendere più a fondo la questione, ti consiglio di eseguire un esperimento del genere con un semplice pendolo. Una palla modellata in plastilina lunga 100 cm è sospesa su un filo o un altro carico con una massa (peso) di 20-40 g (in Fig. 5, la lunghezza del pendolo è indicata dalla lettera latina l). Togli il pendolo dalla sua posizione di equilibrio e, utilizzando un orologio con la lancetta dei secondi, conta quante oscillazioni complete fa in 1 minuto. Circa 30. Pertanto, la frequenza di oscillazione di questo pendolo è di 0,5 Hz e il periodo è di 2 s. Durante il periodo, l'energia potenziale del pendolo si trasforma due volte in energia cinetica e l'energia cinetica in energia potenziale. Accorciare il filo della metà. La frequenza del pendolo aumenterà di circa una volta e mezza e il periodo di oscillazione diminuirà della stessa quantità.
Questa esperienza ci permette di concludere: al diminuire della lunghezza del pendolo, la frequenza delle sue oscillazioni naturali aumenta e il periodo diminuisce proporzionalmente. Modificando la lunghezza della sospensione del pendolo, assicurarsi che la sua frequenza di oscillazione sia 1 Hz. Questo dovrebbe essere con una lunghezza del filo di circa 25 cm In questo caso, il periodo di oscillazione del pendolo sarà pari a 1 s. Indipendentemente da come si tenta di creare l'oscillazione iniziale del pendolo, la frequenza delle sue oscillazioni rimarrà invariata. Ma basta accorciare o allungare il filo, poiché la frequenza di oscillazione cambierà immediatamente. Con la stessa lunghezza del filo, ci sarà sempre la stessa frequenza di oscillazione. Questa è la frequenza naturale del pendolo. È possibile ottenere una data frequenza di oscillazione selezionando la lunghezza del filo. Le oscillazioni del pendolo del filo sono smorzate. Possono diventare non smorzati solo se il pendolo viene leggermente spinto nel tempo con le sue oscillazioni, compensando così l'energia che spende per vincere la resistenza esercitata dall'aria, l'energia di attrito, la gravità terrestre. Anche un circuito oscillatorio elettrico ha una propria frequenza. La frequenza di oscillazione naturale dipende, in primo luogo, dall'induttanza della bobina. Maggiore è il numero di spire e il diametro della bobina, maggiore è la sua induttanza, maggiore sarà la durata del periodo di ciascuna oscillazione. La frequenza naturale delle oscillazioni nel circuito sarà corrispondentemente inferiore. E, al contrario, con una diminuzione dell'induttanza della bobina, il periodo di oscillazione sarà ridotto: la frequenza naturale di oscillazione nel circuito aumenterà. La frequenza delle oscillazioni nel circuito dipende, in secondo luogo, dalla capacità del condensatore. Maggiore è la capacità, maggiore è la carica che il condensatore può accumulare, maggiore è il tempo necessario per ricaricarlo e ciò ridurrà la frequenza delle oscillazioni nel circuito. Con una diminuzione della capacità del condensatore, aumenta la frequenza delle oscillazioni e il circuito. Pertanto, la frequenza naturale delle oscillazioni smorzate nel circuito può essere controllata modificando l'induttanza della bobina o la capacità del condensatore. Ma in un circuito elettrico, oltre che in un sistema oscillatorio meccanico, si possono ottenere anche quelli non smorzati, cioè oscillazioni forzate, se ad ogni oscillazione il circuito viene rifornito con porzioni aggiuntive di energia elettrica da qualsiasi fonte di corrente alternata. In che modo, allora, le oscillazioni elettriche non smorzate vengono eccitate e mantenute nel circuito del ricevitore? Corrente ad alta frequenza eccitata nell'antenna. Questa corrente informa il circuito della carica iniziale e mantiene anche le oscillazioni ritmiche degli elettroni nel circuito. Tuttavia, le oscillazioni non smorzate più forti nel circuito del ricevitore si verificano solo al momento della risonanza della frequenza naturale del circuito con la frequenza della corrente nell'antenna. Cosa significa? Le persone della vecchia generazione affermano che a San Pietroburgo il ponte egiziano è crollato a causa dei soldati che camminavano al passo. E potrebbe accadere, a quanto pare, in tali circostanze. Tutti i soldati camminavano ritmicamente attraverso il ponte. Il ponte iniziò a oscillare da questo - a oscillare. Per una coincidenza, la frequenza naturale del ponte coincideva con la frequenza dei passi dei soldati, come si suol dire, il ponte cadde in risonanza. Il ritmo dell'edificio ha informato il ponte sempre più porzioni di energia. Di conseguenza, il ponte ondeggiò così tanto che crollò: la coerenza del sistema militare ha danneggiato il ponte. Se non ci fosse risonanza della frequenza di oscillazione naturale del ponte con la frequenza di passo dei soldati, al ponte non sarebbe successo nulla. Pertanto, a proposito, quando i soldati passano su ponti deboli, è consuetudine dare il comando di "tagliare una gamba". Ed ecco l'esperienza. Vai a uno strumento musicale a corde e grida "a" ad alta voce: una delle corde risuonerà. Quello che è in risonanza con la frequenza di questo suono vibrerà più forte delle altre corde - risponderà al suono. Un'altra esperienza - con i pendoli. Allunga una corda sottile orizzontalmente. Legate lo stesso pendolo fatto di filo e plastilina (Fig. 6). Lancia un altro pendolo simile sopra la corda, ma con un filo più lungo. La lunghezza della sospensione di questo pendolo può essere modificata tirando a mano l'estremità libera del filo. Porta questo pendolo in movimento oscillatorio. In questo caso, anche il primo pendolo inizierà ad oscillare, ma con un'ampiezza minore. Senza interrompere le oscillazioni del secondo pendolo, ridurre gradualmente la lunghezza della sua sospensione: l'ampiezza delle oscillazioni del primo pendolo aumenterà. In questo esperimento, che illustra la risonanza delle vibrazioni meccaniche, il primo pendolo è il ricevitore delle vibrazioni eccitate dal secondo pendolo. Il motivo che costringe il primo pendolo ad oscillare sono le oscillazioni periodiche dell'estensione con una frequenza uguale alla frequenza di oscillazione del secondo pendolo. Le oscillazioni forzate del primo pendolo avranno un'ampiezza massima solo quando la sua frequenza naturale coincide con la frequenza di oscillazione del secondo pendolo.
Tali o simili fenomeni, solo, ovviamente, di "origine" elettrica si osservano anche nel circuito oscillatorio del ricevitore. Dall'azione delle onde di molte stazioni radio, nell'antenna ricevente vengono eccitate correnti di varie frequenze. Tra tutte queste frequenze, dobbiamo scegliere solo la frequenza della stazione radio di cui vogliamo ascoltare le trasmissioni. Per fare ciò, dovresti scegliere il numero di giri della bobina e la capacità del condensatore del circuito oscillatorio in modo che la sua frequenza naturale coincida con la frequenza della corrente creata nell'antenna dalle onde della stazione che ci interessa . In questo caso, le oscillazioni più forti saranno eccitate nel circuito con la frequenza portante della stazione radio su cui è sintonizzata. Questa è la sintonizzazione del circuito del ricevitore in risonanza con la frequenza della stazione trasmittente. In questo caso, i segnali delle altre stazioni non sono affatto udibili o si sentono molto debolmente, poiché le oscillazioni da esse eccitate nel circuito saranno molto deboli. Pertanto, sintonizzando il circuito del tuo primo ricevitore sulla risonanza con la frequenza della stazione radio, con il suo aiuto, per così dire, selezionato, hai individuato le fluttuazioni di frequenza solo di questa stazione. Migliore sarà il circuito che selezionerà le oscillazioni desiderate dall'antenna, maggiore sarà la selettività del ricevitore, minore sarà l'interferenza di altre stazioni radio. Finora vi ho parlato di un circuito oscillatorio chiuso, cioè circuito, la cui frequenza naturale è determinata solo dall'induttanza della bobina e dalla capacità del condensatore che la forma. Tuttavia, il circuito di ingresso di qualsiasi ricevitore include anche un'antenna e una terra. Questo non è più un circuito oscillatorio chiuso, ma aperto. Il fatto è che il filo dell'antenna e la Terra sono "piastre" di un condensatore (Fig. 7), che ha una certa capacità elettrica. A seconda della lunghezza del filo e dell'altezza dell'antenna dal suolo, questa capacità può arrivare a diverse centinaia di picofarad. Un tale condensatore nel circuito di Fig. è stato mostrato con linee tratteggiate. Ma dopo tutto, l'antenna e la terra possono anche essere considerate come una bobina incompleta di una grande bobina. Pertanto, anche l'antenna e la terra, presi insieme, hanno induttanza. E la capacità insieme all'induttanza formano un circuito oscillatorio.
Un tale circuito, che è un circuito oscillatorio aperto, ha anche una propria frequenza di oscillazione. Includendo induttori e condensatori tra l'antenna e la terra, possiamo cambiarne la frequenza naturale, sintonizzarla in risonanza con le frequenze di diverse stazioni radio. Come questo viene fatto in pratica, lo sai già. Non mi sbaglio se dico che il circuito oscillatorio è il "cuore" del radioricevitore. E non solo la radio. Ne sarai convinto. Ecco perché gli ho prestato molta attenzione. Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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