Drgania elektryczne: rodzaje i charakterystyki, amplituda, częstotliwość i faza drgań
Oscylacje to procesy, które powtarzają się wielokrotnie lub z grubsza powtarzają się w określonych odstępach czasu. Zmienne procesy są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie i technologii.
W elektrotechnice i elektronice mają do czynienia z wieloma różnymi rodzajami oscylacji elektrycznych, tj. fluktuacje napięć i prądów. w różnych obwodach elektrycznychjak również wibracje mechaniczne, takie jak wibracje membrany mikrofonowe lub głośniki.
Charakterystyka wibracji
Oscylacje jako procesy powtarzalne charakteryzują się przede wszystkim największymi odchyleniami osiąganymi przez zmienną wartość, czyli amplituda drgań, po drugie, częstotliwość, z jaką występują powtórzenia tych samych stanów, lub częstotliwość wibracji, i po trzecie, z jakiego stanu, co faza procesu odpowiada godzinie rozpoczęcia odliczania. Ta ostatnia cecha procesu oscylacyjnego nazywana jest „fazą początkową” lub w skrócie „fazą”.
Ściśle mówiąc, pojęcia te mają zastosowanie tylko do niektórych rodzajów oscylacji, a mianowicie okresowych, a w szczególności sinusoidalny[…] Terminy: amplituda, częstotliwość i faza są jednak generalnie stosowane w powyższym znaczeniu do wszelkich wibracji w ogólności (patrz — Podstawowe parametry AC).
Charakterystyka oscylacji (amplituda, okres, częstotliwość i faza):
Rodzaje wibracji
W zależności od tego, co dzieje się z amplitudą, oscylacje różnią się:
-
stacjonarny lub nietłumiony, którego amplituda nie zmienia się w czasie;
-
amortyzowany, którego amplituda maleje w czasie;
-
wzrasta, którego amplituda rośnie z czasem;
-
modulacja amplitudy, której amplituda rośnie i maleje w czasie.
W zależności od tego, jak oscylacje są powtarzane w czasie, oscylacje różnią się:
-
okresowe, to znaczy takie, w których wszystkie stany powtarzają się dokładnie w określonych odstępach czasu;
-
w przybliżeniu okresowe, w których wszystkie stany powtarzają się tylko w przybliżeniu, na przykład tłumienie lub modulacja częstotliwościowa (tj. oscylacje, których częstotliwość stale zmienia się w pewnych granicach wokół określonej wartości).
Patrzeć -Drgania swobodne tłumione i wymuszone
W zależności od formy wyróżnia się oscylacje:
-
sinusoidalny (harmoniczny) lub zbliżony do sinusoidalnego;
-
relaksacja, której kształt znacznie różni się od sinusoidalnego.
Wreszcie, zgodnie z pochodzeniem procesu oscylacyjnego, wyróżnia się:
-
naturalne lub swobodne oscylacje, które wystąpiły w wyniku wstrząsu w systemie (lub ogólnie naruszenia równowagi systemu);
-
wymuszone, powstające w wyniku długotrwałego zewnętrznego działania oscylacyjnego na układ oraz samooscylacje występujące w układzie przy braku wpływów zewnętrznych, ze względu na zdolność samego układu do utrzymania w nim procesu oscylacyjnego.
Wibracje elektryczne — wahania prądu, napięcia, ładunku, występujące w obwodach elektrycznych, obwodach, liniach itp. Najczęstszym rodzajem wibracji elektrycznych są te zwykłe zmienny prąd elektryczny, w którym okresowo zmieniają się napięcia i prądy w obwodzie z częstotliwością 50 Hz. Takie stosunkowo powolne oscylacje są zwykle uzyskiwane za pomocą Maszyny elektryczne prądu przemiennego.
Szybkie wibracje są tworzone specjalnymi metodami, wśród których w nowoczesnych technologiach odgrywają one największą rolę generatory elektroniczne.
W zależności od częstotliwości powszechnie dzieli się drgania elektryczne na dwie grupy — niską częstotliwość, której częstotliwość jest mniejsza niż 15 000 Hz, oraz wysoką częstotliwość, której częstotliwość przekracza 15 000 Hz. Ta granica została wybrana, ponieważ wibracje poniżej 15 000 Hz wywołują wrażenie dźwięku w uchu ludzkim, podczas gdy wibracje powyżej 15 000 Hz nie są słyszalne przez ludzkie ucho.
Systemy oscylatorów — systemy, w których mogą wystąpić naturalne oscylacje.
Obwód oscylatora — obwód, w którym mogą wystąpić naturalne oscylacje elektryczne, jeśli zostanie w nim zakłócona „równowaga” elektryczna, to znaczy, jeśli powstaną w nim początkowe napięcia lub prądy.
Łańcuch — normalnie zamknięty obwód elektryczny. Jednak termin ten dotyczy również obwodów otwartych, a mianowicie anten. Aby rozróżnić te dwa typy pętli, nazywa się je odpowiednio zamkniętymi i otwartymi.Termin „kontur” ma czasem specjalne znaczenie. Obwód oscylacyjny jest często nazywany po prostu „obwodem” dla zwięzłości.
Aby w obwodzie występowały naturalne oscylacje, musi on mieć pojemność i indukcyjność, a nie zbyt dużą rezystancję. Częstotliwość drgań własnych w obwodzie będzie zależała od wartości pojemności C i indukcyjności L. Im większa pojemność i indukcyjność w obwodzie oscylacyjnym, tym mniejsza częstotliwość jego drgań własnych (więcej szczegółów znajduje się tutaj — Obwód oscylatora).
Częstotliwość drgań własnych w obwodzie określana jest w przybliżeniu przez tzw według wzoru Thomsona:
Ponieważ każdy obwód ma opór, w którym występują straty energii i uwalniane jest ciepło, naturalne oscylacje w obwodzie będą zawsze tłumione. Innymi słowy, obwód oscylacyjny powraca do "równowagi" elektrycznej w wyniku tłumionego procesu oscylacyjnego.
Jeżeli rezystancja obwodu jest bardzo duża, to jest to obwód aperiodyczny, w którym nie występują naturalne oscylacje. Początkowe napięcia i prądy powstałe w takim obwodzie zanikają bez oscylacji, ale monotonicznie. Innymi słowy, kiedy elektryczna "równowaga" zostaje zakłócona, taka pętla aperiodycznie (tj. bez oscylacji) powraca do pozycji "równowagi".
Zobacz też w tym temacie:
Obwody oscylacyjne sprzężone indukcyjnie
Oscylacje ciągłe i rezonans parametryczny