Превращение энергии в закрытом колебательном контуре. Частота собственных колебаний.

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 40Следующая ⇒

Для получения электромагнитных колебаний надо иметь цепь, которой энергия электрического поля могла бы превращаться в энергию магнитного поля и обратно. Такую цепь называют колебательным контуром. Она состоит из конденсатора и катушки.

Зарядим конденсатор. Вся избыточная энергия сосредоточена в конденсаторе и представляет собой энергию электрического поля

В следующий момент конденсатор начинает разряжаться. В катушке появляется э.д.с. самоиндукции, мешающая нарастанию тока. Ток достигает максимальной величины, когда конденсатор полностью разрядится. При этом электрическая энергия превратится в энергию магнитного поля

Далее ток начинает ослабевать, появляется э.д.с. самоиндукции поддерживающая его, происходит перезарядка конденсатора. Магнитная энергия превращается в электрическую энергию, но направление электрического поля будет противоположно.

Затем конденсатор опять разряжается и опять энергия электрического поля превращается в энергию магнитного поля, но направление магнитного поля противоположно предыдущему.

Затем все повторяется. Можно провести аналогично с колебаниями математического маятника, при этом электрическая энергия аналогична потенциальной, а магнитная - кинетической. В цепях, содержащих катушки возникает э.д.с. самоиндукции, мешающей изменению тока, поэтому такие цепи обладают сопротивлением, которое называется индуктивным. Индуктивное сопротивление тем больше, чем больше индуктивность цепи и быстрей меняется ток. Поэтому сопротивление индуктивное прямо пропорционально круговой или циклической частоте переменного тока и индуктивности цепи: Х_L= w L.

Если цепи содержат конденсаторы, то постоянный ток через них не проходит, это как разрыв цепи. Если ток переменный, то происходит перезарядка конденсатора и ток проходит, но чем больше емкость конденсатора и чем быстрей меняется ток, тем менее заметны в цепи конденсаторы. Таким образом емкостное сопротивление обратно пропорционально круговой или циклической частоте переменного тока и емкости цепи:

В теории колебаний доказывается, что период собственных электромагнитных колебаний, определяется из условия равенства реактивных сопротивлений конденсатора и катушки:

– формула Томсона

2. Затухание колебаний. Электрический резонанс. Автоколебательные системы.

В реальных контурах, обладающих сопротивлением, избыточная энергия постепенно теряется на тепловое действие и амплитуда колебаний постепенно уменьшается, колебания затухают. Чтобы получить незатухающие колебания, можно включить в колебательный контур источник внешней синусоидальной э.д.с., под действием которой в контуре установятся вынужденные колебания с частотой этого источника.

Будем изменять частоту внешней э.д.с. и заметим, что амплитуда вынужденных колебаний будет наибольшей при совпадении частоты вынужденных колебаний с собственной частотой контура.

Электрическим резонансом называют явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой контура. Системы, в которых генерируют незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри системы, называют автоколебательными.

Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина заряжена положительно, а к отрицательному – отрицательно. Только в этом случае конденсатор подзаряжается. В качестве безинерционного ключа используется транзистор. Катушка L₁ индуктивно связана с катушкой L колебательного контура. Поэтому напряжение на левом эмитторном переходе изменяется в соответствии с колебаниями в контуре, значит, ток через коллекторный переход изменяется в такт с этими колебаниями и подзаряжается контур нужные интервалы времени.

3. Применение токов высокой частоты.

С помощью генераторов незатухающих колебаний можно получить токи высокой частоты. Когда такой ток течет по проводнику, то внутри его возникают вихревые токи. Причем по оси проводника вихревые токи направлены навстречу основному току и ослабляет его у поверхности в сторону основного тока и усиливают его. При очень большой частоте ток практически идет только по тонкому наружному слою проводника. Это явление называют скинэффектом. Скин (кожа, в переводе с английского). Поэтому для таких токов можно заменять сплошные проводники тонкостенными трубками. Используется для поверхностной закалки деталей. Ток высоко частоты быстро разогревает деталь на поверхности, а внутри она остается холодной. Поэтому при закалке поверхность твердая, а внутри мягкая и она приобретает особые свойства - нехрупкая. Токи высокой частоты применяют в микрометалургии для плавления веществ, содержащих легкоиспаряющиеся вещества в закрытых тиглях. Для чего их помещают внутрь катушки колебательного контура. Вихревые токи быстро разогревают и расплавляют вещество в тигле. Если диэлектрик поместить между обкладками конденсатора, то его диполи поворачиваются в такт с перезарядкой конденсатора. Происходит быстрый глубинный прогрев. Это используют для сушки древесины и пищевых продуктов, для прогрева больных органов человеческого тела.

Получение переменного тока.

При движении проводника в магнитном поле, вместе с ним движутся его заряды, а на движущиеся заряды в магнитное поле действует сила Лоренца. Поэтому происходит разделение зарядов, возникает э.д.с., а при замыкании цепи - ток. Направление тока определяется по правилу правой руки: если правую руку расположить вдоль проводника так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а отогнутый большой палец показывал направление движения проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока в проводнике. При повороте рамки в магнитном поле каждая ее сторона то поднимается, то опускается, т.е. изменяется направление ее движения, а значит и направления индукционного тока в ней, определяемое по правилу правой руки. Поэтому получается переменный ток, который меняется по синусоидальному закону.

е – мгновенное значение; e_м – максимальная или амплитудная; w – круговая или циклическая частота переменного тока, она равна угловой скорости вращения рамки; n – частота.

Частота промышленного переменного тока равна 50 Гц. Это значит, что в одной секунде ток меняет сто раз свою величину и направление. Такой ток называют током низкой частоты. Электрические машины, в которых механическая энергия превращается в электрическую с помощью явления электромагнитной индукции называются индукционными генераторами.

Основные элементы индукционного генератора:

1. Индуктор, создающий магнитное поле.

2. Якорь-проводник, в котором находится э.д.с.

3. Металлические кольца и щетки для снятия тока.

На практике для снятия больших токов подвижные контакты неудобны. Поэтому якорь делают неподвижным и называют статором, а индуктор вращающимся и называют ротором. В качестве индуктора обычно служит электромагнит, для питания которого нужен сравнительно слабый срок и можно применять подвижные контакты. Укладывают 3 секции обмоток статора и получается трехфазный ток. Если для снятия тока взять кольцо разрезанное на секторы – коллектор, то при вращении рамки одна щетка всегда соединена с опускающейся стороной витка, а другая с поднимающейся. Поэтому получается ток постоянный по направлению, но пульсирующий по величине. Пульсации сглаживаются, если кольцо делится на большее число секторов. Машины постоянного тока обладают обратимостью, могут работать и как генераторы, и как электродвигатели.

Среднее значение силы переменного тока равно нулю. Поэтому вводится эффективное или действующее значение. Эффективным или действующим значением силы переменного тока называют силу такого постоянного тока, который за один период переменного тока выделяет столько тепла, сколько последний за то же время. Эффективное или действующее значение в корень из двух раз меньше амплитудного.

5. Преобразование переменного тока. Трансформатор.

Прибор для преобразования напряжения и силы переменного тока неизменной частоте называют трансформатором. Он был изобретен Яблочковым в 1876 году. Трансформатор состоит из замкнутого сердечника, выполненного из мягкой стали или феррита и двух катушек - обмоток. Первичная включается в сеть переменного тока, вторичная к потребителю. Ток в первичной обмотке создает в сердечнике магнитный поток, который наводит одинаковую э.д.с. в каждом витке обеих обмоток, поэтому э.д.с. индукции в обмотках прямо пропорциональны числу витков в них , w - число витков.

При холостом ходе трансформатора э.д.с. индукции в обмотках равна напряжению в них, а при работе трансформатора примерно равны , значит .

Т.е. напряжение в обмотках прямо пропорционально числу витков в них. Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называют коэффициентом трансформации.

Если n > 1, то w₁ > w₂ трансформатор понижающий.

Если n < 1, то w₁ < w₂ трансформатор повышающий.

При работе трансформатора в его обмотках устанавливается одинаковый магнитный поток. Но магнитный поток пропорционален числу витков и току, поэтому I₁w₁=I₂w₂. Поэтому , т.е. токи в обмотках обратно пропорциональны числу витков в них. Из всего этого можно сделать вывод: I₁U₁ = I₂U₂, т.е. мощность в обмотках примерно равны Р₁ = Р₂. Физически Р₂< Р₁, т.к. есть потери энергии. Поэтому говорят о КПД трансформатора .

⇐ Предыдущая 13 14 15 16 171819 20 21 22 Следующая ⇒