Obwód oscylatora

Idealny kondensator i cewka. Jak powstają oscylacje, gdzie elektrony poruszają się, gdy pole magnetyczne cewki wzrasta i zanika.

Obwód oscylacyjny to zamknięty obwód elektryczny składający się z cewki i kondensatora. Oznaczmy indukcyjność cewki literą L, a pojemność elektryczną kondensatora literą C. Obwód oscylacyjny jest najprostszym z układów elektrycznych, w którym mogą wystąpić swobodne harmoniczne oscylacje elektromagnetyczne.

Oczywiście prawdziwy obwód oscylacyjny zawsze zawiera nie tylko pojemność C i indukcyjność L, ale także przewody łączące, które z pewnością mają aktywną rezystancję R, ale zostawmy rezystancję poza zakresem tego artykułu, możesz się o tym dowiedzieć w części dotyczącej współczynnika jakości układu wibracyjnego. Rozważamy więc idealny obwód oscylatora i zaczynamy od kondensatora.

Powiedzmy, że istnieje idealny kondensator. Naładujmy go z akumulatora do napięcia U0, to znaczy stwórzmy różnicę potencjałów U0 między jego okładkami, tak aby na górnej płytce było „+”, a na dolnej „-”, jak to zwykle wskazuje.

Co to znaczy? Oznacza to, że za pomocą źródła sił zewnętrznych przeniesiemy pewną część ładunku ujemnego Q0 (składającego się z elektronów) z górnej okładki kondensatora na jego dolną okładkę. W rezultacie nadmiar ładunku ujemnego pojawi się na dolnej płycie kondensatora, a na górnej płycie będzie brakować dokładnie takiej ilości ładunku ujemnego, co oznacza nadmiar ładunku dodatniego. Wszakże początkowo kondensator nie był naładowany, co oznacza, że ​​ładunek tego samego znaku na obu jego okładkach był absolutnie równy.

Więc, naładowany kondensator, górna płyta jest naładowana dodatnio (ponieważ brakuje elektronów) w stosunku do dolnej płytki, a dolna płyta jest naładowana ujemnie w stosunku do górnej. Zasadniczo w przypadku innych obiektów kondensator jest elektrycznie obojętny, ale wewnątrz jego dielektryka istnieje pole elektryczne, przez które oddziałują przeciwne ładunki na przeciwległych okładkach, a mianowicie mają tendencję do przyciągania się, ale dielektryk ze swej natury , nie pozwala na to. W tym momencie energia kondensatora jest maksymalna i równa się ECm.

Weźmy teraz idealny induktor. Ścieżka jest wykonana z drutu, który nie ma żadnego oporu elektrycznego, to znaczy ma doskonałą zdolność do przekazywania ładunku elektrycznego bez ingerencji w niego. Połączmy cewkę równolegle z nowo naładowanym kondensatorem.

Co się stanie? Ładunki na okładkach kondensatora, jak poprzednio, oddziałują na siebie, mają tendencję do przyciągania się, — elektrony z dolnej płyty mają tendencję do powrotu do górnej, ponieważ stamtąd zostały przeciągnięte siłą do dolnej, gdy kondensator był ładowany .Układ ładunków ma tendencję do powrotu do stanu równowagi elektrycznej, a następnie dołączana jest cewka — drut skręcony w spiralę, która ma indukcyjność (zdolność do zapobiegania zmianie prądu przez pole magnetyczne, gdy prąd przez niego przepływa). !

Elektrony z dolnej płyty pędzą przez drut cewki do górnej płyty kondensatora (można powiedzieć, że w tym samym czasie ładunek dodatni pędzi do dolnej płyty), ale nie mogą się tam natychmiast przesunąć.

Dlaczego? Ponieważ cewka ma indukcyjność, a poruszające się przez nią elektrony są już prądami, a prąd oznacza, że ​​wokół cewki musi znajdować się pole magnetyczne. Im więcej elektronów wchodzi do cewki, tym większy staje się prąd i tym większe jest pole magnetyczne wokół cewki.

Kiedy wszystkie elektrony z dolnej płyty kondensatora wejdą do cewki — prąd w niej będzie miał maksimum Im, pole magnetyczne wokół niej będzie największe, jakie może wytworzyć ta ilość poruszającego się ładunku w przewodniku. W tym momencie kondensator jest całkowicie rozładowany, energia pola elektrycznego w dielektryku między jego okładkami jest równa zeru EC0, ale cała ta energia jest teraz zawarta w polu magnetycznym cewki ELm.

A potem pole magnetyczne cewki zaczyna się zmniejszać, ponieważ nie ma nic, co by ją podtrzymywało, ponieważ nie ma już elektronów wpływających i wypływających z cewki, nie ma prądu, a zanikające pole magnetyczne wokół cewki generuje wirowe pole elektryczne w przewodzie, który popycha elektrony dalej do górnego kondensatora, gdzie były tak chętne.A w momencie, gdy wszystkie elektrony znalazły się na górnej płycie kondensatora, pole magnetyczne cewki stało się równe zeru EL0. A teraz kondensator jest ładowany w kierunku przeciwnym do tego, który był ładowany na samym początku.

Górna okładka kondensatora jest teraz naładowana ujemnie, a dolna okładka jest naładowana dodatnio. Cewka jest nadal podłączona, jej drut nadal zapewnia swobodną ścieżkę przepływu elektronów, ale różnica potencjałów między okładkami kondensatora jest ponownie realizowana, chociaż znak jest przeciwny do oryginału.

I elektrony ponownie wpadają do cewki, prąd staje się maksymalny, ale ponieważ jest teraz skierowany w przeciwnym kierunku, pole magnetyczne powstaje w przeciwnym kierunku, a kiedy wszystkie elektrony wracają do cewki (gdy poruszają się w dół) , pole magnetyczne już się nie gromadzi, teraz zaczyna się zmniejszać, a elektrony są wypychane dalej - na dolną płytkę kondensatora.

A w momencie, gdy pole magnetyczne cewki stało się równe zeru, zniknęło całkowicie, — górna płyta kondensatora jest ponownie naładowana dodatnio w stosunku do dolnej. Stan kondensatora jest zbliżony do tego, jaki był na początku. Nastąpił pełny cykl jednej oscylacji. I tak dalej, i tak dalej.. Okres tych oscylacji, zależny od indukcyjności cewki i pojemności kondensatora, można znaleźć ze wzoru Thomsona: