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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Circuito oscilatório. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Radioamador iniciante O dispositivo e o diagrama do circuito oscilatório mais simples são mostrados na Fig.1. Ele, como você pode ver, consiste em uma bobina L e um capacitor C, formando um circuito elétrico fechado. Sob certas condições, oscilações elétricas podem surgir e existir no circuito. Por isso, é chamado de circuito oscilatório. Você já observou tal fenômeno: no momento de desligar a energia de uma lâmpada de iluminação elétrica, uma faísca aparece entre os contatos de abertura do interruptor. Se você conectar acidentalmente as tiras de bateria de uma lanterna elétrica (o que deve ser evitado), no momento em que elas são separadas, uma pequena faísca também salta entre elas. E em usinas de energia, em fábricas onde os circuitos elétricos são interrompidos por interruptores, através dos quais circulam correntes muito grandes, as faíscas podem ser tão significativas que devem ser tomadas medidas para que não prejudiquem a pessoa que liga a corrente. Por que essas faíscas são geradas?
Desde a primeira conversa, você já sabe que existe um campo magnético em torno de um condutor de corrente, que pode ser representado como linhas de força magnéticas fechadas penetrando no espaço circundante (Fig. 2). Para detectar este campo, se for constante, você pode usar a agulha magnética da bússola. Se um condutor for desconectado de uma fonte de corrente, seu campo magnético desaparecendo, dissipando-se no espaço, induzirá correntes em outros condutores. A corrente é induzida no condutor que criou este campo magnético. E como está na espessura de suas próprias linhas magnéticas de força, uma corrente mais forte será induzida nele do que em qualquer outro condutor. A direção desta corrente será a mesma que era no momento da ruptura do condutor. Em outras palavras, o campo magnético que desaparece manterá a corrente que o criou até que ele próprio desapareça, ou seja, a energia contida nele é completamente consumida. Consequentemente, a corrente no condutor também flui depois que a fonte de corrente é desligada, mas, é claro, não por muito tempo - uma fração insignificante de segundo.
Mas em um circuito aberto, o movimento dos elétrons é impossível, você objetará. É sim. Mas depois que o circuito é aberto, a corrente elétrica pode fluir por algum tempo através do entreferro entre as extremidades desconectadas do condutor, entre os contatos da chave ou chave faca. Essa corrente no ar forma uma faísca elétrica. Esse fenômeno é chamado de auto-indução, e a força elétrica (não confundir com a indução, da qual falamos na primeira conversa), que, sob a ação de um campo magnético evanescente, mantém uma corrente nele, é a força eletromotriz de auto-indução ou, em suma, fem. auto-indução. Quanto mais fem. auto-indução, mais significativa a faísca pode ser no ponto de quebrar o circuito elétrico. O fenômeno da auto-indução é observado não apenas quando a corrente é desligada, mas também quando a corrente é ligada. No espaço ao redor do condutor, um campo magnético surge imediatamente quando a corrente é ligada. No início é mais fraco, mas depois se intensifica muito rapidamente. O campo magnético crescente da corrente também excita a corrente de auto-indução, mas esta corrente é direcionada para a corrente principal. A corrente de auto-indução evita o aumento instantâneo da corrente principal e o crescimento do campo magnético. No entanto, após um curto período de tempo, a corrente principal e o condutor superam a corrente de auto-indução que se aproxima e atinge seu valor máximo, o campo magnético se torna inalterado e a auto-indução para. O fenômeno da auto-indução pode ser comparado com o fenômeno da inércia. Trenós, por exemplo, são difíceis de mover. Mas quando eles ganham velocidade, eles estocam energia cinética - a energia do movimento, eles não podem ser interrompidos instantaneamente. Após a frenagem, eles continuam a deslizar até que a energia armazenada do movimento seja usada para superar o atrito na neve. Todos os condutores têm a mesma auto-indutância? Não! Quanto mais longo o condutor, maior a auto-indução. Em um condutor enrolado em uma bobina, o fenômeno de auto-indução é mais pronunciado do que em um condutor reto, pois o campo magnético de cada espira da bobina induz corrente não apenas nesta espira, mas também nas espiras vizinhas dessa bobina. Quanto mais longo for o fio na bobina, mais longa será a corrente de auto-indução depois que a corrente principal for desligada. E, pelo contrário, levará mais tempo para ligar a corrente principal, para que a corrente no circuito suba para um determinado valor e um campo magnético de força constante seja estabelecido. Lembre-se: a propriedade dos condutores de influenciar a corrente no circuito quando seu valor muda é chamada de indutância, e as bobinas nas quais essa propriedade é mais pronunciada são as bobinas de autoindução ou de indutância. Quanto maior o número de voltas e as dimensões da bobina, maior será sua indutância, maior será sua influência na corrente elétrica; correntes. Assim, a bobina evita tanto o aumento quanto a diminuição da corrente no circuito elétrico. Se estiver em um circuito de corrente contínua, sua influência afeta apenas quando a corrente é ligada e desligada. Em um circuito de corrente alternada, onde a corrente e seu campo magnético mudam constantemente, fem. A auto-indução da bobina está ativa enquanto a corrente estiver fluindo. Este é um fenômeno elétrico e é utilizado no primeiro elemento do circuito oscilatório do receptor - a bobina.
O segundo elemento do circuito oscilatório do receptor é o "acumulador" de cargas elétricas - um capacitor. O capacitor mais simples consiste em dois condutores de corrente elétrica, podem ser duas placas de metal, chamadas placas de capacitor, separadas por um não condutor de corrente elétrica - um dielétrico, como ar ou papel. Você já usou esse capacitor durante experimentos com um receptor simples. Quanto maior a área das placas do capacitor e quanto mais próximas elas estiverem localizadas, maior será a capacitância elétrica deste dispositivo. Se uma fonte de corrente contínua estiver conectada às placas do capacitor (Fig. 3, a), uma corrente de curto prazo aparecerá no circuito resultante e o capacitor será carregado com uma tensão igual à tensão da fonte de corrente. Você pode perguntar: por que uma corrente aparece em um circuito onde há um dielétrico? Quando conectamos uma fonte de corrente constante ao capacitor, os elétrons livres nos condutores do circuito resultante começam a se mover em direção ao pólo positivo da fonte de corrente, formando um fluxo de elétrons de curto prazo por todo o circuito. Como resultado, a placa do capacitor, que está conectada ao polo positivo da fonte de corrente, está esgotada em elétrons livres e é carregada positivamente, enquanto a outra é enriquecida em elétrons livres e, portanto, é carregada negativamente. Assim que o capacitor for carregado, a corrente de curto prazo no circuito, chamada de corrente de carga do capacitor, irá parar. Se a fonte de corrente estiver desconectada do capacitor, o capacitor será carregado (Fig. 3, b). A transferência do excesso de elétrons de uma placa para outra é evitada por um dielétrico. Não haverá corrente entre as placas do capacitor, mas sim acumulada por ele. a energia elétrica estará concentrada na fração elétrica do dielétrico a. Mas vale a pena conectar as placas de um capacitor carregado a um condutor (Fig. 3, c), os elétrons “excedentes” da placa carregada negativamente passarão por este condutor para outra placa, onde estão faltando, e o capacitor irá ser dispensado. Nesse caso, também ocorre uma corrente de curto prazo no circuito resultante, chamada corrente de descarga do capacitor. Se a capacitância do capacitor for grande e ele estiver carregado com uma tensão significativa, o momento de descarga será acompanhado pelo aparecimento de uma faísca significativa e estalos. A propriedade de um capacitor de acumular cargas elétricas e descarregar através dos condutores conectados a ele é precisamente utilizada no circuito oscilatório de um receptor de rádio. E agora, jovem amigo, lembre-se de um balanço comum. Você pode balançar neles de modo que "tirar o fôlego". O que precisa ser feito para isso? Primeiro empurre para tirar o balanço do repouso e depois aplique alguma força, mas sempre apenas no tempo com suas oscilações. Sem muita dificuldade, você pode obter fortes oscilações de balanço - obtenha grandes amplitudes de oscilação. Mesmo um menino pequeno pode balançar um adulto em um balanço se ele aplicar sua força com habilidade. Tendo balançado o balanço com mais força, para obter grandes amplitudes de oscilações, pararemos de empurrá-las. O que vai acontecer à seguir? Devido à energia armazenada, eles oscilam livremente por algum tempo, a amplitude de suas oscilações diminui gradualmente, como dizem, as oscilações desaparecem e, finalmente, o balanço para. Com oscilações livres de um balanço, bem como um pêndulo livremente suspenso, a energia armazenada - potencial - se transforma em cinética - a energia do movimento, que no ponto mais alto se transforma novamente em potencial e, após uma fração de segundo - novamente em cinético. E assim sucessivamente até esgotar todo o suprimento de energia para vencer o atrito das cordas nos locais onde o balanço está suspenso e a resistência do ar. Com uma quantidade arbitrariamente grande de energia, as oscilações livres são sempre amortecidas: a cada oscilação, sua amplitude diminui e as oscilações gradualmente desaparecem completamente - a paz se instala. Mas o período (o período de tempo durante o qual ocorre uma oscilação) e, portanto, a frequência das oscilações permanecem constantes. No entanto, se o balanço for constantemente empurrado no tempo com suas oscilações B, repondo assim as perdas de energia gastas na superação de várias forças de frenagem, as oscilações não serão amortecidas. Não são mais vibrações livres, mas forçadas. Eles durarão até que a força externa de empurrão pare de agir. Mencionei oscilações aqui porque os fenômenos físicos que ocorrem em tal sistema oscilatório mecânico são muito semelhantes aos de um circuito oscilatório elétrico. Para que as oscilações elétricas surjam no circuito, deve-se fornecer energia que “empurre” os elétrons. Isso pode ser feito carregando, por exemplo, seu capacitor. Vamos quebrar a chave B no circuito oscilatório e conectar a fonte CC às placas de seu capacitor, conforme mostrado na Fig. 4 acima. O capacitor será carregado com a tensão da bateria B. Em seguida, desconectamos a bateria do capacitor e fechamos o circuito com a chave C. Os fenômenos que agora ocorrerão no circuito são mostrados graficamente na Fig. 4 abaixo.
Quando o circuito é fechado por uma chave, a placa superior do capacitor fica com carga positiva e a inferior com carga negativa (Fig. 4, a). Neste momento, marcado no gráfico pelo ponto O, não há corrente no circuito, e toda a energia acumulada pelo capacitor está concentrada no campo elétrico entre suas placas. Mas o capacitor está fechado para a bobina, através da qual começará a descarregar. Uma corrente aparece na bobina e um campo magnético aparece em torno de suas voltas. No momento em que o capacitor está completamente descarregado (Fig. 4, b), marcado no gráfico pelo número 1, quando a tensão em suas placas cai para zero, a corrente na bobina e a energia do campo magnético atingirá os valores mais altos. Parece que neste momento a corrente no circuito deveria ter parado. Isso, porém, não acontecerá, pois a partir da ação da fem. auto-indução, buscando manter a corrente, o movimento dos elétrons no circuito continuará. Mas só até que toda a energia do campo magnético se esgote. Na bobina, neste momento, uma corrente induzida de magnitude decrescente, mas na direção original, fluirá. No ponto de tempo marcado no gráfico pelo número 2, quando a energia do campo magnético se esgotar, o capacitor estará novamente carregado, só que agora há uma carga positiva em sua placa inferior e uma carga negativa na placa superior. um (Fig. 4, c). Agora os elétrons começarão a inverter o movimento na direção da placa superior através da bobina até a placa inferior do capacitor. No tempo 3 (Fig. 4, d) o capacitor estará descarregado e o campo magnético da bobina atingirá seu valor máximo. E novamente, emf. auto-indução irá "conduzir" os elétrons através do fio da bobina, recarregando assim o capacitor. No tempo 4 (Fig. 4, e) haverá o mesmo estado dos elétrons no circuito que no momento inicial 0. Uma oscilação completa terminou. Naturalmente, o capacitor carregado será novamente descarregado na bobina, recarregado, e ocorrerá o segundo, seguido do terceiro, quarto, etc. flutuações. Em outras palavras, uma corrente elétrica alternada, oscilações elétricas, aparecerá no circuito. Mas este processo oscilatório no circuito não é infinito. Ele continua até que toda a energia recebida pelo capacitor da bateria seja utilizada para vencer a resistência do fio da bobina do circuito. Tais oscilações no circuito são livres B e, portanto, amortecidas. Qual é a frequência dessas oscilações de elétrons no circuito? Para entender melhor esse problema, aconselho você a realizar esse experimento com o pêndulo mais simples. Suspensa por um fio de 100 cm de comprimento, uma bola moldada em plasticina ou outra carga pesando (peso) 20-40 g (na Fig. 5, o comprimento do pêndulo é indicado pela letra latina l). Tire o pêndulo do equilíbrio e, usando um relógio com ponteiro de segundos, conte quantas oscilações completas ele faz em 1 minuto. Aproximadamente 30. Portanto, a frequência de oscilação deste pêndulo é de 0,5 Hz e o período é de 2 s. Durante o período, a energia potencial do pêndulo passa duas vezes para a cinética e a cinética para o potencial. Corte o fio ao meio. A frequência do pêndulo aumentará cerca de uma vez e meia e o período de oscilação diminuirá na mesma proporção.
Essa experiência nos permite concluir: com a diminuição do comprimento do pêndulo, a frequência de suas oscilações naturais aumenta e o período diminui proporcionalmente. Ao alterar o comprimento da suspensão do pêndulo, certifique-se de que sua frequência de oscilação seja de 1 Hz. Este deve ser com um comprimento de fio de cerca de 25 cm, neste caso o período de oscilação do pêndulo será igual a 1 s. Não importa como você tente criar a oscilação inicial do pêndulo, a frequência de suas oscilações permanecerá inalterada. Mas basta encurtar ou alongar o fio, pois a frequência de oscilação mudará imediatamente. Com o mesmo comprimento de rosca, sempre haverá a mesma frequência de oscilação. Esta é a frequência natural do pêndulo. É possível obter uma determinada frequência de oscilação selecionando o comprimento da rosca. As oscilações do pêndulo da linha são amortecidas. Eles só podem ficar sem amortecimento se o pêndulo for levemente empurrado no tempo de suas oscilações, compensando assim a energia que ele gasta para vencer a resistência exercida pelo ar, a energia do atrito, a gravidade da terra. Um circuito oscilatório elétrico também tem sua própria frequência. A frequência de oscilação natural depende, em primeiro lugar, da indutância da bobina. Quanto maior o número de voltas e o diâmetro da bobina, quanto maior sua indutância, maior será a duração do período de cada oscilação. A frequência natural de oscilações no circuito será correspondentemente menor. E, inversamente, com uma diminuição na indutância da bobina, o período de oscilação será reduzido - a frequência natural de oscilação no circuito aumentará. A frequência das oscilações no circuito depende, em segundo lugar, da capacitância do capacitor. Quanto maior a capacitância, mais carga o capacitor pode acumular, mais tempo levará para recarregá-lo, e isso reduzirá a frequência de oscilações no circuito. Com uma diminuição na capacitância do capacitor, a frequência das oscilações e o circuito aumentam. Assim, a frequência natural das oscilações amortecidas no circuito pode ser controlada alterando a indutância da bobina ou a capacitância do capacitor. Mas em um circuito elétrico, bem como em um sistema oscilatório mecânico, também podem ser obtidos não amortecidos, ou seja, oscilações forçadas, se a cada oscilação o circuito for reabastecido com porções adicionais de energia elétrica de qualquer fonte de corrente alternada. Como, então, as oscilações elétricas não amortecidas são excitadas e mantidas no circuito receptor? Corrente de alta frequência excitada na antena. Essa corrente informa o circuito da carga inicial e também mantém as oscilações rítmicas dos elétrons no circuito. No entanto, as oscilações não amortecidas mais fortes no circuito receptor ocorrem apenas no momento da ressonância da frequência natural do circuito com a frequência da corrente na antena. O que isto significa? As pessoas da geração mais velha dizem que a ponte egípcia desmoronou em São Petersburgo por causa de soldados andando em passo. E isso poderia acontecer, aparentemente, em tais circunstâncias. Todos os soldados andavam ritmicamente pela ponte. A ponte começou a balançar a partir disso - a oscilar. Por coincidência, a frequência natural da ponte coincidiu com a frequência de passos dos soldados, como se costuma dizer, a ponte caiu em ressonância. O ritmo da construção informava a ponte cada vez mais porções de energia. Como resultado, a ponte balançou tanto que desabou: a coerência do sistema militar prejudicou a ponte. Se não houvesse ressonância da frequência de oscilação natural da ponte com a frequência de passos dos soldados, nada teria acontecido com a ponte. Portanto, a propósito, quando os soldados passam por pontes fracas, é costume dar o comando de "derrubar a perna". E aqui está a experiência. Vá até algum instrumento musical de cordas e grite bem alto "a": uma das cordas responderá, soará. A que estiver em ressonância com a frequência deste som vibrará mais fortemente do que as outras cordas - responderá ao som. Outra experiência - com pêndulos. Estique uma corda fina horizontalmente. Amarre o mesmo pêndulo feito de linha e plasticina nele (Fig. 6). Jogue outro pêndulo semelhante sobre a corda, mas com um fio mais longo. O comprimento da suspensão deste pêndulo pode ser alterado puxando a extremidade livre do fio com a mão. Coloque este pêndulo em movimento oscilatório. Nesse caso, o primeiro pêndulo também começará a oscilar, mas com uma amplitude menor. Sem interromper as oscilações do segundo pêndulo, reduza gradualmente o comprimento de sua suspensão - a amplitude das oscilações do primeiro pêndulo aumentará. Neste experimento, ilustrando a ressonância das vibrações mecânicas, o primeiro pêndulo é o receptor das vibrações excitadas pelo segundo pêndulo. A razão para forçar o primeiro pêndulo a oscilar são as oscilações periódicas da extensão com uma frequência igual à frequência de oscilação do segundo pêndulo. As oscilações forçadas do primeiro pêndulo terão amplitude máxima somente quando sua frequência natural coincidir com a frequência de oscilação do segundo pêndulo.
Tais ou fenômenos semelhantes, apenas, é claro, de "origem" elétrica também são observados no circuito oscilatório do receptor. A partir da ação das ondas de muitas estações de rádio, correntes de várias frequências são excitadas na antena receptora. De todas essas frequências, precisamos escolher apenas a frequência da estação de rádio cujas transmissões queremos ouvir. Para fazer isso, você deve escolher o número de voltas da bobina e a capacitância do capacitor do circuito oscilatório para que sua frequência natural coincida com a frequência da corrente criada na antena pelas ondas da estação de interesse para nós . Neste caso, as oscilações mais fortes serão excitadas no circuito com a frequência portadora da estação de rádio na qual está sintonizado. Esta é a sintonia do circuito receptor em ressonância com a frequência da estação transmissora. Neste caso, os sinais de outras estações não são audíveis ou são ouvidos muito fracamente, pois as oscilações excitadas por elas no circuito serão muito fracas. Assim, ao sintonizar o circuito de seu primeiro receptor em ressonância com a frequência da estação de rádio, com sua ajuda, você, por assim dizer, selecionado, destacou as flutuações de frequência apenas desta estação. Quanto melhor o circuito selecionar as oscilações desejadas da antena, quanto maior a seletividade do receptor, mais fraca será a interferência de outras estações de rádio. Até agora, falei sobre um circuito oscilatório fechado, ou seja, circuito, cuja frequência natural é determinada apenas pela indutância da bobina e pela capacitância do capacitor que a forma. No entanto, o circuito de entrada de qualquer receptor também inclui uma antena e terra. Este não é mais um circuito oscilatório fechado, mas aberto. O fato é que o fio da antena e a Terra são "placas" de um capacitor (Fig. 7), que possui uma certa capacitância elétrica. Dependendo do comprimento do fio e da altura da antena acima do solo, essa capacitância pode chegar a várias centenas de picofarads. Tal capacitor no circuito da Fig. foi mostrado com linhas tracejadas. Mas afinal, a antena e a terra também podem ser consideradas como uma bobina incompleta de uma grande bobina. Portanto, a antena e o terra, juntos, também possuem indutância. E a capacitância junto com a indutância formam um circuito oscilatório.
Tal circuito, que é um circuito oscilatório aberto, também possui sua própria frequência de oscilação. Ao incluir indutores e capacitores entre a antena e o terra, podemos alterar sua frequência natural, sintonizá-la em ressonância com as frequências de diferentes estações de rádio. Como isso é feito na prática, você já sabe. Não me engano se disser que o circuito oscilatório é o "coração" do receptor de rádio. E não apenas o rádio. Você vai se convencer disso. Por isso dei muita atenção a ele. Publicação: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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