что представляет собой колебательный контур
Колебательный LC контур: принцип действия, расчет, определение
Сегодня нас интересует простейший колебательный контур, его принцип работы и применение.
За полезной информацией по другим темам переходите на наш телеграм-канал.
Колебания – процесс, повторяющийся во времени, характеризуется изменением параметров системы около точки равновесия.
По определению колебательный контур (или LC-контур) – это электрическая цепь, в которой происходят свободные электромагнитные колебания.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.
Принцип действия колебательного контура
Давайте рассмотрим пример, когда сначала мы заряжаем конденсатор и замыкаем цепь. После этого в цепи начинает течь синусоидальный электрический ток. Конденсатор разряжается через катушку. В катушке при протекании через нее тока возникает ЭДС самоиндукции, направленная в сторону, противоположную току конденсатора.
Разрядившись окончательно, конденсатор благодаря энергии ЭДС катушки, которая в этот момент будет максимальна, начнет заряжаться вновь, но только в обратной полярности.
Колебания, которые происходят в контуре – свободные затухающие колебания. То есть без дополнительной подачи энергии колебания в любом реальном колебательном контуре рано или поздно прекратятся, как и любые колебания в природе.
Это обусловлено тем, что контур состоит из реальных материалов (конденсатор, катушка, провода), обладающих таким свойством, как электрическое сопротивление, и потери энергии в реальном колебательном контуре неизбежны. В противном случае это нехитрое устройство могло бы стать вечным двигателем, существование которого, как известно, невозможно.
Еще одна важная характеристика LC-контура – добротность Q. Добротность определяет амплитуду резонанса и показывает, во сколько раз запасы энергии в контуре превышают потери энергии за один период колебаний. Чем выше добротность системы, тем медленнее будут затухать колебания.
Резонанс LC-контура
Электромагнитные колебания в LC-контуре происходят с определенной частотой, которая называется резонансной Подробнее про резонанс – в нашей отдельной статье. Частоту колебаний можно менять, варьируя такие параметры контура, как емкость конденсатора C, индуктивность катушки L, сопротивление резистора R (для LCR-контура).
Как рассчитать резонансную частоту колебательного контура? Очень просто! Приведем окончательную формулу:
Применение колебательного контура
Колебательный контур широко применяется на практике. На его основе строятся частотные фильтры, без него не обходится ни один радиоприемник или генератор сигналов определенной частоты.
Если вы не знаете, как подступиться к расчету LC-контура или на это совершенно нет времени, обратитесь в профессиональный студенческий сервис. Качественная и быстрая помощь в решении любых задач не заставит себя ждать!
Что называется колебательным контуром
Обновлено: 15 Июня 2021
Типичным примером свободных колебаний являются пружинные механизмы или математический маятник. Однако в результате многочисленных опытов удалось настроить подобные системы не только в механических установках, но и в электрических цепях. К таким цепям относится колебательный контур.
Что такое колебательный контур, из каких элементов состоит
Колебательный контур является простейшей системой, для которой характерно образование свободных электромагнитны колебаний.
Колебательный контур представляет собой электрическую сеть. В состав замкнутого контура входят следующие компоненты:
В цепи образуются свободные затухающие колебания электромагнитного характера. В зависимости от силы сопротивления резистора определяется скорость затухания колебаний.
Идеальным колебательным контуром называют колебательный контур с полным отсутствием электрического сопротивления. Для такой системы характерны незатухающие свободные электромагнитные колебания.
Области применения резонансных контуров достаточно широки. Они необходимы для изготовления полосовых и режекторных фильтров в усилителях, радиоприемниках и устройствах автоматики.
Колебательные контуры являются компонентами блоков измерения частоты, которые устанавливаются на самолетах марки Ил-62М, Ил-76 и Ту-154М. С их помощью контролируется постоянная частота напряжения на генераторе при изменениях количества оборотов двигателя.
Виды колебательных контуров
Последовательным колебательным контуром называют цепь, в состав которой входит катушка индуктивности и конденсатор, соединенные последовательно. Идеальный последовательный колебательный контур характеризуется несколькими величинами:
На рисунке изображен идеальный последовательный контур.
В отличие от вышеуказанного идеального колебательного контура реальный последовательный контур обладает сопротивлением потерь катушки и конденсатора. Сумма величин этих сопротивлений обозначается буквой R.
Характеристиками параллельного идеального колебательного контура, как и в первом случае, являются индуктивность и емкость. На рисунке представлена схема такой цепи.
В реальном колебательном контуре катушка за счет наличия проводниковой намотки обладает неким сопротивлением потерь, как и конденсатор. Емкостные потери небольшие, что позволяет не учитывать их во многих расчетах.
Закон сохранения энергии в колебательном контуре, формула
\(W = WC(t) + WL(t) = const\)
В этом случае наблюдается нулевое значение энергии магнитного поля в катушке индуктивности, то есть ток равен нулю.
Для того чтобы весь объем электрической энергии трансформировался в энергию магнитного поля, необходимо иметь в контуре ток \(I\) максимального значения. Данное отношение описывается формулой:
Тогда энергия электрического поля и заряд на конденсаторе будут равны нулю.
При таких условиях можно вывести следующее соотношение:
Период колебаний, от чего зависит
Определить периодичность свободных колебаний в условиях колебательного контура можно с помощью формулы Томпсона. Уравнение выглядит следующим образом:
Явление резонанса тока в колебательном контуре
Электромагнитные колебания в колебательном контуре характеризует определенная частота. Данная величина называется резонансом.
Частота колебаний зависит от нескольких параметров колебательного контура:
Формула для расчета частоты колебаний выглядит следующим образом:
Преобразование разных типов энергии с помощью колебательного контура нашло применение в разных областях электротехники и механики. Подобные дисциплины изучают студенты высших и профессиональных учебных заведений, чтобы потом применять их для реализации разнообразных инженерных проектов. Оперативную и компетентную помощь в процессе обучения можно получить на портале Феникс.Хелп.
Колебательный контур принцип работы
Из чего он состоит?
Колебательный контур состоит из катушки и конденсатора. В нём может присутствовать резистор (элемент с переменным сопротивлением).
Катушка колебательного контура создаёт колебания только при наличии запасённого заряда. При прохождении через неё тока она накапливает заряд, который затем отдаёт в цепь, если напряжение падает.
Провода катушки обычно имеют очень маленькое сопротивление, которое всегда остаётся постоянным. В цепи колебательного контура очень часто происходит изменение напряжения и силы тока. Это изменение подчиняется определённым математическим законам:
Другим неотъемлемым компонентом контура является электрический конденсатор. Это элемент, состоящий из двух обкладок, которые разделены между собой диэлектриком. При этом толщина слоя между обкладками меньше их размеров. Такая конструкция позволяет накапливать на диэлектрике электрический заряд, который потом можно отдать в цепь.
Отличие конденсатора от аккумулятора в том, что в нём не происходит превращения веществ под действием электрического тока, а происходит непосредственное накопление заряда в электрическом поле. Таким образом, с помощью конденсатора можно накопить достаточно большой заряд, отдавать который можно весь сразу. При этом сила тока в цепи сильно возрастает.
Также колебательный контур состоит из ещё одного элемента: резистора. Этот элемент обладает сопротивлением и предназначен для контролирования силы тока и напряжения в цепи. Если при постоянном напряжении увеличивать сопротивление резистора, то сила тока будет уменьшаться по закону Ома:
Катушка индуктивности
Давайте подробнее рассмотрим все тонкости работы катушки индуктивности и лучше поймём её функцию в колебательном контуре. Как мы уже говорили, сопротивление этого элемента стремится к нулю. Таким образом, при подключении к цепи постоянного тока произошло бы короткое замыкание. Однако если подключать катушку в цепь переменного тока, она работает исправно. Это позволяет сделать вывод о том, что элемент оказывает сопротивление переменному току.
Но почему это происходит и как возникает сопротивление при переменном токе? Для ответа на этот вопрос нам нужно обратиться к такому явлению, как самоиндукция. При прохождении тока по катушке в ней возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая создаёт препятствие изменению тока. Величина этой силы зависит от двух факторов: индуктивности катушки и производной силы тока по времени. Математически эта зависимость выражается через уравнение:
Сила постоянного тока со временем не изменяется, поэтому сопротивления при его воздействии не возникает.
Но при переменном токе все его параметры постоянно изменяются по синусоидальному или косинусоидальному закону, вследствие чего возникает ЭДС, препятствующая этим изменениям. Такое сопротивление называют индукционным и вычисляют по формуле:
Что такое индуктивность?
Коэффициент индуктивности зависит от многих факторов: от геометрии соленоида, от магнитных характеристик сердечника и от количества мотков проволоки. Ещё одно свойство этого показателя в том, что он всегда положителен, потому что переменные, от которых она зависит, не могут быть отрицательными.
Индуктивность также можно определить как свойство проводника с током накапливать энергию в магнитном поле. Она измеряется в Генри (названа в честь американского учёного Джозефа Генри).
Кроме соленоида колебательный контур состоит из конденсатора, о котором пойдёт речь далее.
Электрический конденсатор
Ёмкость колебательного контура определяется ёмкостью электрического конденсатора. О его внешнем виде было написано выше. Теперь разберём физику процессов, которые протекают в нём.
Так как обкладки конденсатора сделаны из проводника, то по ним может течь электрический ток. Однако между двумя пластинами есть препятствие: диэлектрик (им может быть воздух, дерево или другой материал с высоким сопротивлением. Благодаря тому что заряд не может перейти от одного конца провода к другому, происходит накопление его на обкладках конденсатора. Тем самым возрастает мощность магнитного и электрического полей вокруг него. Таким образом, при прекращении поступления заряда вся электроэнергия, скопившаяся на обкладках, начинает передаваться в цепь.
Каждый конденсатор имеет номинальное напряжение, оптимальное для его работы. Если долго эксплуатировать этот элемент при напряжении выше номинального, срок его службы значительно сокращается. Конденсатор колебательного контура постоянно подвержен влиянию токов, и поэтому при его выборе следует быть предельно внимательным.
Кроме обычных конденсаторов, о которых шла речь, есть также ионисторы. Это более сложный элемент: его можно описать как нечто среднее между аккумулятором и конденсатором. Как правило, диэлектриком в ионисторе служат органические вещества, между которыми находится электролит. Вместе они создают двойной электрический слой, который и позволяет накапливать в этой конструкции в разы больше энергии, чем в традиционном конденсаторе.
Что такое ёмкость конденсатора?
Ёмкость конденсатора представляет собой отношение заряда конденсатора к напряжению, под которым он находится. Посчитать эту величину можно очень просто с помощью математической формулы:
Зависимость ёмкости конденсатора от расстояния между обкладками объясняется явлением электростатической индукции: чем меньше расстояние между пластинами, тем сильнее они влияют друг на друга (по закону Кулона), тем больше заряд обкладок и меньше напряжение. А при уменьшении напряжения увеличивается значение ёмкости, так как её также можно описать следующей формулой:
Резистор
Сопротивление этого элемента зависит также от температуры, поэтому следует быть внимательным к его работе в цепи, так как при прохождении тока он нагревается.
Сопротивление резистора измеряется в Омах, а его значение можно вычислить по формуле:
Как связать параметры контура?
Теперь мы вплотную подошли к физике работы колебательного контура. Со временем заряд на обкладках конденсатора изменяется согласно дифференциальному уравнению второго порядка.
Если решить это уравнение, из него следует несколько интересных формул, описывающих процессы, протекающие в контуре. Например, циклическую частоту можно выразить через ёмкость и индуктивность.
Добротность
Добротность контура вычисляется по формуле:
Что такое идеальный колебательный контур
Для лучшего понимания процессов в этой системе физики придумали так называемый идеальный колебательный контур. Это математическая модель, представляющая цепь как систему с нулевым сопротивлением. В ней возникают незатухающие гармонические колебания. Такая модель позволяет получить формулы приближённого вычисления параметров контура.
Такие упрощения существенно ускоряют расчёты и позволяют оценить характеристики цепи с заданными показателями.
Как это работает?
Весь цикл работы колебательного контура можно разделить на две части.
Цикл повторяется до тех пор, пока на конденсаторе будет заряд. В идеальном колебательном контуре этот процесс происходит бесконечно, а в реальном неизбежны потери энергии из-за различных факторов: нагрева, который происходит из-за существования сопротивления в цепи (джоулевое тепло), и тому подобное.
Варианты конструкции контура
Кроме простых цепей «катушка-конденсатор» и «катушка-резистор-конденсатор», существуют и другие варианты, использующие в качестве основы колебательный контур. Это, например, параллельный контур, который отличается тем, что существует как элемент электрической цепи (потому как, существуй он отдельно, то являлся бы последовательной цепью, о которой и шла речь в статье).
Также существуют и другие виды конструкции, включающие разные электротехнические компоненты. Например, можно подключать в сеть транзистор, который будет размыкать и замыкать цепь с частотой, равной частотой колебаний в контуре. Таким образом, в системе установятся незатухающие колебания.
Где применяется колебательный контур?
Катушка индуктивности сама по себе может использоваться как элемент трасформатора: две катушки с разным числом обмоток могут передавать с помощью электромагнитного поля свой заряд. Но так как характеристики соленоидов различаются, то и показатели тока в двух цепях, к которым подключены эти две индуктивности, будут различаться. Таким образом можно преобразовывать ток с напряжением в 220 вольт в ток с напряжением в 12 вольт.
Колебательный контур
Полезное
Смотреть что такое «Колебательный контур» в других словарях:
Колебательный контур — Колебательный контур осциллятор, представляющий собой электрическую цепь, содержащую соединённые катушку индуктивности и конденсатор. В такой цепи могут возбуждаться колебания тока (и напряжения). Колебательный контур простейшая… … Википедия
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР — электрич. цепь, содержащая катушку индуктивности L, конденсатор С и сопротивление R, в к рой могут возбуждаться электрич. колебания. Если в нек рый момент времени зарядить конденсатор до напряжения V0, то его разряд (при малом R) носит колебат.… … Физическая энциклопедия
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР — (Oscillatory circuit) электрическая цепь, состоящая из элементов, обладающих емкостью С (конденсатор), самоиндукцией L (катушка) и не слишком большим активным сопротивлением (r), напр. антенна, контур приемника и др. В К. К. могут происходить… … Морской словарь
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР — КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР, замкнутая электрическая цепь, содержащая катушку с индуктивностью L, конденсатор с емкостью С и электрическое сопротивление R, в которой могут возбуждаться электрические колебания. В колебательном контуре дважды за период… … Современная энциклопедия
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР — параллельное соединение катушки самоиндукции (1) и конденсатора (2), применяемое во многих отраслях связи для получения токов определенной (собственной) частоты. При изменении числа витков (индуктивности) катушки или емкости конденсатора… … Технический железнодорожный словарь
колебательный контур — Электрическая цепь, в которой может возникать колебательная составляющая преходящего тока. [ГОСТ Р 52002 2003] Тематики электротехника, основные понятия … Справочник технического переводчика
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР — электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных (см.) С, (см. (1)) индуктивностью L и резистора сопротивлением R. Если к К. к. подвести электрическую либо магнитную энергию путём зарядки конденсатора или возбуждения тока в катушке… … Большая политехническая энциклопедия
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР — замкнутая электрич. цепь, в к рой могут возбуждаться собств. колебания с частотой, определяемой параметрами самой цепи. Простейший К. к. содержит катушку индуктивности и конденсатор (см. рис.). Применяется в качестве резонансной системы… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Колебательный контур
Идеальный конденсатор и катушка. Как происходят колебания, куда движутся электроны, когда нарастает и исчезает магнитное поле катушки.
Безусловно, реальный колебательный контур всегда включает в себя не только емкость С и индуктивность L, но еще и соединительные провода, непременно обладающие активным сопротивлением R, но давайте оставим сопротивление за рамками данной статьи, о нем вы сможете узнать в разделе о добротности колебательной системы. Итак, рассматриваем идеальный колебательный контур, и начнем с конденсатора.
Что это значит? Это значит, что мы переместим, при помощи источника сторонних сил, некоторую порцию отрицательного заряда Q0 (состоящего из электронов), с верхней обкладки конденсатора — на нижнюю его обкладку. В итоге, на нижней обкладке конденсатора возникнет избыток отрицательного заряда, а на верхней — недостаток именно этого количества отрицательного заряда, а значит — избыток положительного. Ведь сначала то конденсатор был не заряжен, а значит заряда одинакового знака на обеих его обкладках было точно поровну.
Итак, конденсатор зарядился, верхняя обкладка зарядилась положительно (так как там недостает электронов) относительно нижней, а нижняя — отрицательно относительно верхней. В целом, для других объектов, конденсатор электрически нейтрален, однако внутри его диэлектрика существует электрическое поле, посредством которого противоположные заряды на противоположных обкладках взаимодействуют между собой, а именно — стремятся друг к другу притянуться, но диэлектрик, в силу своей природы, не дает этому произойти. В этот момент энергия конденсатора максимальна и равна ECm.
Теперь возьмем идеальную катушку индуктивности. Путь она изготовлена из такого проводника, который вовсе не обладает электрическим сопротивлением, то есть имеет идеальную способность пропускать электрический заряд, не препятствуя ему. Соединим катушку параллельно с только что заряженным конденсатором.
Электроны с нижней обкладки рванулись через провод катушки — к верхней обкладке конденсатора (можно сказать, что одновременно с этим положительный заряд устремился к нижней обкладке), но не могут мгновенно туда проскочить.
Почему? Потому что катушка обладает индуктивностью, а движущиеся через нее электроны — это уже ток, а раз ток — значит вокруг него должно быть магнитное поле. И вот, чем больше электронов входит в катушку — тем большим током они становятся, и тем большее магнитное поле вокруг катушки возникает.
Когда все электроны с нижней обкладки конденсатора окажутся внутри катушки — ток в ней будет максимальным Im, магнитное поле вокруг нее будет наибольшим, какое только способно создать это количество движущегося заряда будучи в ее проводе. В этот момент конденсатор полностью разряжен, энергия электрического поля в диэлектрике между его обкладками равно нулю EC0, но вся эта энергия сейчас заключена в магнитном поле катушки ELm.
А дальше магнитное поле катушки начинает уменьшаться, ведь его ничему поддержать, так как других электронов в катушку не втекает и не вытекает, тока нет, и исчезающее вокруг катушки магнитное поле порождает в ее проводе вихревое электрическое поле, которое толкает электроны дальше — к верхней обкладке конденсатора, куда они так стремились. И в тот момент, когда все электроны оказались на верхней обкладке конденсатора, магнитное поле катушки стало равно нулю EL0. А конденсатор теперь заряжен противоположно по отношению к тому, как был заряжен в самом начале.
