Колебательный контур. Часть 2

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок

Свойство конденсатора накапливать электрические заряды и разряжаться через подключенные к нему проводники как раз и используется в колебательном контуре радиоприемника.

А теперь, юный друг, вспомни обыкновенные качели. На них можно раскачиваться так, что «дух захватывает». Что для этого надо сделать? Сначала подтолкнуть, чтобы вывести качели из положения покоя, а затем прикладывать некоторую силу, но обязательно только в такт с их колебаниями. Без особого труда можно добиться сильных размахов качелей — получить большие амплитуды колебаний. Даже маленький мальчик может раскачать на качелях взрослого человека, если будет прикладывать свою силу умеючи. Раскачав качели посильнее, чтобы добиться больших амплитуд колебаний, перестанем подталкивать их. Что произойдет дальше? За счет запасенной энергии они некоторое время свободно качаются, амплитуда их колебаний постепенно убывает, как говорят, колебания затухают, и, наконец, качели останавливаются.

При свободных колебаниях качелей, так же как свободно подвешенного маятника, запасенная — потенциальная — энергия переходит в кинетическую — энергию движения, которая в крайней верхней точке вновь переходит в потенциальную, а через долю секунды — опять в кинетическую. И так до тех пор, дока не израсходуется весь запас энергии на преодоление трения веревок в местах подвеса качелей и сопротивления воздуха. При сколь угодно большом запасе энергии свободные колебания всегда являются затухающими: с каждым колебанием их амплитуда уменьшается и колебания постепенно совсем затухают — наступает покой. Но период (отрезок времени, в течение которого происходит одно колебание), а значит, и частота колебаний остаются постоянными.

Однако, если качели все время подталкивать в такт с их колебаниями и тем самым пополнять потери энергии, расходуемой на преодоление различных тормозящих сил, колебания станут незатухающими. Это уже не свободные, а вынужденные колебания. Они будут длиться до тех пор, пока не перестанет действовать внешняя подталкивающая сила.

Я вспомнил здесь о качелях потому, что физические явления, происходящие в такой механической колебательной системе, очень схожи с явлениями в электрическом колебательном контуре. Чтобы в контуре возникли электрические колебания, ему надо сообщить энергию, которая «подтолкнула» бы электроны. Это можно сделать, зарядив, например, его конденсатор.

Разорвем выключателем В колебательный контур и подключим к обкладкам его конденсатора источник постоянного тока, как показано на рис. 43 вверху. Конденсатор зарядится до напряжения батареи Б. Затем отключим батарею от конденсатора, а контур замкнем выключателем В. Явления, которые теперь будут происходить в контуре, изображены графически на рис. 43 внизу.

При замыкании контура выключателем верхняя обкладка конденсатора имеет положительный заряд, а нижняя — отрицательный (рис. 43, а). В этот момент, отмеченный на графике точкой Оу тока в контуре нет, а вся энергия, накопленная конденсатором, сосредоточена в электрическом поле между его обкладками. Но конденсатор замкнут на катушку, через которую он начнет разряжаться. В катушке появляется ток, а вокруг ее витков — магнитное ноле. К моменту полного разряда конденсатора (рис. 43, 6), отмеченному на графике цифрой 1, когда напряжение на его обкладках упадет до нуля, ток в катушке и энергия магнитного поля достигнут наибольших значений. Казалось бы, что в этот момент ток в контуре должен был прекратиться. Этого, однако, не произойдет, так как от действия э.д.с. самоиндукции, стремящейся поддержать ток, движение электронов в контуре будет продолжаться. Но только до тех пор, пока не израсходуется вся энергия магнитного поля. В катушке в это время будет течь убывающий по величине, но первоначального направления индуцированный ток.

К моменту времени, отмеченному на графике цифрой 2, когда энергия магнитного поля израсходуется, конденсатор вновь окажется заряженным, только теперь на его нижней обкладке — положительный заряд, а на верхней — отрицательный (рис. 43, в). Теперь электроны начнут обратное движение — в направлении от верхней обкладки через катушку к нижней обкладке конденсатора. К моменту 3 (рис. 43, г) конденсатор разрядится, а магнитное поле катушки достигнет наибольшего значения. И опять э.д.с. самоиндукции «погонит» по проводу катушки электроны, перезаряжая тем самым конденсатор.

Рис. 43. Электрические колебания в контуре.

В момент времени 4 (рис. 43, д) будет такое же состояние электронов в контуре, как в первоначальный момент 0. Закончилось одно полное колебание. Естественно, что заряженный конденсатор вновь будет разряжаться на катушку, перезаряжаться и произойдут второе, за ним третье, четвертое и т. д. колебания. Другими словами, в контуре возникнет переменный электрический ток, электрические колебания. Но этот колебательный процесс в контуре не бесконечен. Он продолжается до тех пор, пока вся энергия, полученная конденсатором от батареи, не израсходуется на преодоление сопротивления провода катушки контура. Такие колебания в контуре являются свободными и, следовательно, затухающими.

Какова частота этих колебаний электронов в контуре? Чтобы полнее разобраться в этом вопросе, советую провести такой опыт с простейшим маятником. Подвесь на нитке, длиной 100 см шарик, слепленный из пластилина, или иной груз массой (весом) в 20—40 г (на рис. 44 длина маятника обозначена латинской буквой l). Выведи маятник из положения равновесия и, пользуясь часами с секундной стрелкой, сосчитай, сколько полных колебаний он делает за 1 мин. Примерно 30. Следовательно, частота колебаний этого маятника равна 0,5 Гц, а период — 2 с. За период потенциальная энергия маятника дважды переходит в кинетическую, а кинетическая в потенциальную. Укороти нить наполовину. Частота маятника увеличится примерно в полтора раза и во столько же раз уменьшится период колебаний.

Рис. 44. Графики колебаний простейшего маятника.

Этот опыт позволяет сделать вывод: с уменьшением длины маятника частота его собственных колебаний увеличивается, а период пропорционально уменьшается.

Изменяя длину подвески маятника, добейся, чтобы его частота колебаний была 1 Гц. Это должно быть при длине нити около 25 см. В этом случае период колебаний маятника будет равен 1 с. Каким бы ты ни пытался создать первоначальный размах маятника, частота его колебаний будет неизменной. Но стоит только укоротить или удлинить нитку, как частота колебаний сразу изменится. При одной и той же длине нитки всегда будет одна и та же частота колебаний. Это собственная частота колебаний маятника. Получить заданную частоту колебаний можно путем подбора длины нити.

Колебания нитяного маятника являются затухающими. Они могут стать незатухающими только в том случае, если маятник в такт с его колебаниями слегка подталкивать, компенсируя таким образом ту энергию, которую он затрачивает на преодоление сопротивления, оказываемого ему воздухом, энергию трения, земного притяжения.

Электрический колебательный контур тоже обладает собственной частотой. Собственная частота колебаний зависит, во-первых, от индуктивности катушки. Чем больше число витков и диаметр катушки, тем больше ее индуктивность, тем больше будет продолжительность периода каждого колебания. Собственная частота колебаний в контуре будет соответственно меньше. И, наоборот, с уменьшением индуктивности катушки сократится период колебаний — возрастет собственная частота колебаний в контуре.

Частота колебаний в контуре зависит, во-вторых, от емкости конденсатора. Чем больше емкость, тем больший заряд может накопить конденсатор, тем больше потребуется времени для его перезарядки, а это уменьшит частоту колебаний в контуре. С уменьшением емкости конденсатора частота колебаний в контуре возрастает. Таким образом, собственную частоту затухающих колебаний в контуре можно регулировать изменением индуктивности катушки или емкости конденсатора.

Но в электрическом контуре, как и в механической колебательной системе, можно получить и незатухающие, т. е. вынужденные колебания, если при каждом колебании пополнять контур дополнительными порциями электрической энергии от какого-либо источника переменного тока.