Tlumené elektrické oscilace. Vlastní oscilace

Snímek 6

Generátor vysokofrekvenčních elektromagnetických kmitů

e K B C L Lsv

Snímek 7

Analogie mezi mechanickými a elektromagnetickými vlastními oscilacemi

Snímek 8

1. Pokud je kondenzátor oscilačního obvodu nabitý, objeví se v obvodu tlumené oscilace. 2. Aby oscilace nevyhasly, je nutné kompenzovat energetické ztráty pro každou periodu oscilace. 3. Energii můžete doplnit dobitím kondenzátoru. 4. Chcete-li to provést, musíte obvod pravidelně připojovat ke zdroji konstantního napětí. 5. Kondenzátor by měl být ke zdroji připojen pouze v těch časových intervalech, kdy je deska připojená na „+“ pól zdroje nabitá „+“ a deska připojená na „-“ pól je nabitá „-“. 6. Netlumené oscilace se v obvodu vytvoří pouze v případě, že je zdroj připojen k obvodu v těch časových intervalech, kdy je možný přenos energie. 7. K tomu je nutné zajistit automatický provoz spínače nebo tranzistoru.

Snímek 9

Jak vytvořit netlumené oscilace v obvodu:

Snímek 10

Tranzistorový obvod

Snímek 11

Provoz tranzistorového generátoru

1. Aby v obvodu vznikl proud a dobil obvodový kondenzátor při oscilacích, je nutné opatřit základnu potenciálem „-“ vzhledem k emitoru a v těch časových intervalech, kdy horní deska kondenzátoru je nabitá „+“ a spodní deska „-“. To odpovídá zavřenému klíči. 2. Aby se kompenzovala ztráta oscilační energie v obvodu, musí napětí na přechodu emitoru periodicky měnit znaménko přesně v souladu s kolísáním napětí v obvodu. 3. Je potřeba zpětná vazba.

Volné elektromagnetické oscilace ve skutečném oscilačním obvodu jsou vždy tlumeny. Aby byly netlumené, je nutné vytvořit zařízení, které by kompenzovalo energetické ztráty při každém úplném kmitání v obvodu. Takzvaný samooscilace- netlumené oscilace udržované v systému v důsledku trvalý externí zdroj energie a systém jej sám řídí a zajišťuje konzistentní dodávku energie v určitých porcích ve správný čas.

Každý samooscilační systém se skládá z následujících čtyř částí (obr. 1): 1) oscilačního systému; 2) zdroj energie, jehož prostřednictvím jsou kompenzovány ztráty; 3) ventil - nějaký prvek, který reguluje tok energie do oscilačního systému v určitých částech ve správný okamžik; 4) zpětná vazba - řízení chodu ventilu v důsledku procesů v samotném oscilačním systému.

Tranzistorový generátor je příkladem samooscilačního systému. Obrázek 2 ukazuje zjednodušené schéma takového generátoru, ve kterém tranzistor hraje roli „ventilu“. Oscilační obvod je připojen ke zdroji proudu v sérii s tranzistorem. Emitorový přechod tranzistoru přes cívku L SV je indukčně připojen k oscilačnímu obvodu. Tato cívka se nazývá zpětnovazební cívka.

1. Zdroj energie, který udržuje netlumené oscilace (v tranzistorovém generátoru se jedná o zdroj konstantního napětí).
2. Oscilační systém je ta část samokmitajícího systému, ve které dochází přímo k oscilacím (v generátoru na bázi tranzistoru se jedná o oscilační obvod).
3. Zařízení, které reguluje přívod energie ze zdroje do oscilačního systému je ventil (v uvažovaném generátoru hraje roli ventilu tranzistor).
4. Zařízení poskytující zpětnou vazbu, pomocí které oscilační systém ovládá ventil (v tranzistorovém generátoru je indukční vazba cívky obvodu s cívkou v obvodu emitor-báze).

Tranzistorový generátor vytváří nepřetržité oscilace různých frekvencí. Bez takových systémů by neexistovala žádná moderní rádiová komunikace, žádná televize, žádné počítače.

Vstupenka číslo 10

1.Statický studuje podmínky rovnováhy těles.

Druhy rovnováhy

Stabilní rovnováha. Pokud je těleso vyjmuto ze stabilní rovnováhy, objeví se síla, která jej vrátí do rovnovážné polohy. Stabilní rovnováha odpovídá minimální hodnotě potenciální energie

Nestabilní rovnováha. Pokud je těleso vyjmuto z nestabilní rovnováhy, vzniká síla, která těleso z rovnovážné polohy vytahuje. Nestabilní rovnováha odpovídá maximální hodnotě potenciální energie.

Lhostejná rovnováha. Když je těleso vyjmuto ze stavu indiferentní rovnováhy, nevznikají žádné další síly. Příklad: míč na rovině.

Moment síly. Pravidlo okamžiků

Moment síly M (N m) – fyzikální veličina, jejíž modul je roven součinu modulu síly a ramene síly

M = F d .

Rameno moci d(M)– nejkratší vzdálenost mezi osou otáčení a linií působení síly. Tito. z bodu rotace klesá kolmice na linii působení síly. V případě potřeby prodlužte šňůru.

Znamení okamžiků. Pokud síla způsobí, že se těleso otáčí ve směru hodinových ručiček, pak je takový moment považován za kladný:

Pokud síla způsobí otáčení těla proti směru hodinových ručiček, pak je točivý moment záporný.

Těleso je v rovnováze, když jsou splněny dvě podmínky najednou.

1. Součet sil působících na těleso je nulový.

2. Pravidlo okamžiků: těleso s pevnou osou otáčení je v rovnováze, pokud je algebraický součet momentů všech sil působících na těleso vzhledem k této ose roven nule:

Nebo: součet momentů sil způsobujících rotaci tělesa ve směru hodinových ručiček se rovná součtu momentů sil způsobujících rotaci tělesa proti směru hodinových ručiček:

Jednoduché mechanismy- zařízení sloužící k přeměně síly. Patří mezi ně brána, nakloněná rovina, páka, klín a bloky.
« Zlaté pravidlo mechaniky" Při použití jednoduchých mechanismů nabíráme na síle, ale ztrácíme na vzdálenosti (nebo naopak – např. katapult). Jednoduché mechanismy neposkytují výhody v práci, protože to by odporovalo zákonu zachování energie.

Mechanický věčný stroj produkující energii Z ničeho, je nemožné.

Těžiště těla– bod, vůči němuž je tíhový moment všech bodů tělesa roven nule. V případě rovnoměrného tíhového pole se těžiště shoduje s těžištěm).

2 . Střídavý proud. Odpor v obvodu střídavého proudu.

Vynucené elektromagnetické oscilace v elektrickém obvodu jsou střídavý elektrický proud.

§ Střídavý elektrický proud je proud, jehož síla a směr se periodicky mění.

Nejpoužívanější je harmonický střídavý proud, což jsou vynucené elektrické oscilace vyskytující se v obvodech pod vlivem napětí, které se harmonicky mění s frekvencí. ω podle zákona sinusového nebo kosinusového:

u=Hm⋅hřích ωt nebo u=Hm⋅cos ωt ,

Kde u- okamžitá hodnota napětí, U m je amplituda napětí, ω je cyklická frekvence kmitů. Pokud se napětí mění s frekvencí ω, pak se proud v obvodu bude měnit se stejnou frekvencí, ale kolísání proudu nemusí být nutně ve fázi s kolísáním napětí. Proto v obecném případě

i=já m⋅hřích( ωt+φ ) ,

kde φ je fázový rozdíl (posun) mezi kolísáním proudu a napětí. Princip výroby střídavého proudu je založen na jevu elektromagnetické indukce - indukci elektromotorické síly v pravoúhlém obvodu (drátěném rámu) umístěném v rovnoměrném rotujícím magnetickém poli.

Střídavý proud zajišťuje chod elektromotorů ve strojích v závodech a továrnách, napájí svítidla v našich bytech i venku, chladničky a vysavače, topné spotřebiče atd. Frekvence kolísání napětí v síti je 50 Hz. Stejnou frekvenci kmitání má střídavý proud. To znamená, že během 1 s proud změní svůj směr 50krát. Frekvence 50 Hz je akceptována pro průmyslový proud v mnoha zemích po celém světě. V USA je frekvence průmyslového proudu 60 Hz.

Kmity v obvodu se vyskytují s vysokou frekvencí. Kondenzátor doplňuje energetické ztráty pouze v těch okamžicích, kdy se jeho polarita shoduje s polaritou zdroje. V těch okamžicích, kdy jsou polarity opačné, se vybije přes zdroj. LC _ ++ _ _ +

Jako zařízení schopné vykonávat takovou funkci lze použít tranzistor, přes který bude kondenzátor oscilačního obvodu připojen ke zdroji proudu. je vysokorychlostní zařízení, dokud není přiveden signál na bázi - tranzistorem neteče proud, při přivedení signálu se kondenzátor odpojí od zdroje - tranzistorem protéká proud a ze zdroje se nabíjí kondenzátor?

Jako zařízení schopné „dávat signál“ ve správný okamžik je použita zpětnovazební cívka, jejíž jeden konec je připojen k bázi a druhý k emitoru (indukční zapojení) L St. L E B K Získali jsme systém, ve kterém lze generovat netlumené oscilace doplňováním energetických ztrát ze zdroje v rámci samotného systému.

Po nabití kondenzátoru se jeho horní deska nabije kladně, spodní záporně.Kondenzátor se začne vybíjet přes cívku. Proud v první čtvrtině periody postupně narůstá, poté klesá, čímž se generuje střídavé magnetické pole, které proniká závity cívky L. V cívce L St, která je indukčně spojena s cívkou obvodu, se objeví magnetické pole. , mající stejný směr a objeví se indukční proud nasměrovaný z emitoru do základny. Tranzistor předává proud do kondenzátoru, ve kterém v tomto okamžiku protéká další indukční proud, shodující se ve směru s původním. Veškeré energetické ztráty se doplňují, znaky deskových nábojů se mění na opačné L St. L E B - I K + -

Proud kondenzátorem nyní protéká opačným směrem, v první čtvrtině se zvyšuje a ve druhé klesá. Magnetické pole generované proudem proniká závity cívky obvodu a tím i indukčně připojené cívky L St.. Ve zpětnovazební cívce se objevuje indukční proud směřující z báze k emitoru, v důsledku čehož je potenciál báze vyšší a proud neteče do kondenzátoru. V kondenzátoru protéká pouze indukční proud, který se shoduje ve směru s proudem na začátku půlcyklu. Kondenzátor je dobit, znaménka desek jsou obrácená. L St. L E B

« Fyzika - 11. třída"

Vynucené oscilace vznikají vlivem střídavého napětí generovaného generátory v elektrárnách.
Takové generátory nedokážou vytvářet vysokofrekvenční oscilace nezbytné pro rádiovou komunikaci? protože to by vyžadovalo velmi vysokou rychlost rotoru.
Vysokofrekvenční oscilace se získávají například pomocí tranzistorového generátoru.

Samooscilační systémy

Typicky jsou netlumené nucené oscilace udržovány v obvodu působením vnějšího periodického napětí.
Ale jsou možné i jiné způsoby, jak získat spojité oscilace.

Například existuje systém, ve kterém mohou existovat volné elektromagnetické oscilace se zdrojem energie.
Pokud systém sám reguluje tok energie do oscilačního obvodu, aby kompenzoval energetické ztráty na rezistoru, může dojít k netlumené oscilace.

Systémy, ve kterých jsou generovány netlumené oscilace díky dodávce energie ze zdroje uvnitř samotného systému, se nazývají samooscilující. Netlumené kmity, které existují v systému bez vlivu vnějších periodických sil na něj, se nazývají samooscilace.

Tranzistorový generátor je příkladem samooscilačního systému.
Skládá se z oscilačního obvodu s kondenzátorem o kapacitě C a indukční cívkou L, zdroje energie a tranzistoru.

Jak vytvořit netlumené oscilace v obvodu?

Aby nedocházelo k vyblednutí elektromagnetických kmitů v obvodu, je nutné kompenzovat energetické ztráty pro každou periodu.

Energii v obvodu můžete doplnit dobitím kondenzátoru.
Chcete-li to provést, musíte obvod pravidelně připojovat ke zdroji konstantního napětí.

Kondenzátor by měl být připojen ke zdroji pouze v těch časových intervalech, kdy je deska připojená ke kladnému pólu zdroje kladně nabitá a deska připojená k zápornému pólu záporně nabitá.
Pouze v tomto případě zdroj dobije kondenzátor a doplní jeho energii.

Pokud je spínač sepnut v době, kdy deska připojená ke kladnému pólu zdroje má záporný náboj a deska připojená k zápornému pólu kladný náboj, pak se kondenzátor vybije přes zdroj. Energie kondenzátoru se sníží.

Zdroj konstantního napětí neustále připojený k obvodovému kondenzátoru v něm nemůže podporovat trvalé kmitání, stejně jako konstantní síla nemůže podporovat mechanické kmity.
Během poloviny periody se energie dostává do okruhu a během další poloviny periody se vrací zpět ke zdroji.

Netlumené oscilace se v obvodu vytvoří pouze v případě, že je zdroj připojen k obvodu v těch časových intervalech, kdy může být energie přenesena do kondenzátoru.
K tomu je nutné zajistit automatický provoz klíče.
Při vysokých frekvencích kmitání musí mít klíč spolehlivý výkon. Jako takový spínač téměř bez setrvačnosti je použit tranzistor.

Tranzistor se skládá z emitoru, báze a kolektoru.
Emitor a kolektor mají stejné hlavní nosiče náboje, jako jsou díry (polovodič typu p).
Báze má většinu nositelů opačného znaménka, jako jsou elektrony (polovodič typu n).

Provoz tranzistorového generátoru

Oscilační obvod je zapojen do série se zdrojem napětí a tranzistorem tak, že kladný potenciál je aplikován na emitor a záporný potenciál na kolektor.
V tomto případě je přechod mezi emitorem a bází (přechod emitoru) přímý a přechod mezi bází a kolektorem (přechod kolektoru) je reverzní a v obvodu neprotéká žádný proud.
To odpovídá otevřenému klíči.

Aby v obvodovém obvodu vznikl proud a dobil obvodový kondenzátor při oscilacích, je nutné opatřit základnu záporným potenciálem vzhledem k emitoru a v těch časových intervalech, kdy je horní deska kondenzátoru nabita kladně a spodní deska je záporně nabitá.
To odpovídá uzavřenému klíči.

Během časových intervalů, kdy je horní deska kondenzátoru záporně nabitá a spodní deska kladně nabitá, by v obvodu obvodu neměl být žádný proud. K tomu musí mít báze kladný potenciál vzhledem k emitoru.

Aby se tedy kompenzovala ztráta oscilační energie v obvodu, musí napětí na přechodu emitoru periodicky měnit znaménko přesně v souladu s kolísáním napětí v obvodu.
Požadované Zpětná vazba.

Zde je zpětná vazba induktivní
Cívka o indukčnosti L CB je připojena k přechodu emitoru, indukčně připojena k cívce indukčnosti L obvodu.
Oscilace v obvodu způsobené elektromagnetickou indukcí vybudí kolísání napětí na koncích cívky, a tím na přechodu emitoru.
Pokud je správně zvolena fáze napěťových oscilací na přechodu emitoru, pak „vtípky“ proudu v obvodu působí na obvod v požadovaných časových intervalech a oscilace neutichají.
Amplituda kmitů v obvodu se naopak zvyšuje, dokud nejsou energetické ztráty v obvodu přesně kompenzovány dodávkou energie ze zdroje.
Tato amplituda je tím větší, čím vyšší je napětí zdroje.
Zvýšení napětí vede ke zvýšeným „vtipům“ proudu, který dobíjí kondenzátor.

Tranzistorové generátory jsou široce používány nejen v mnoha rádiových zařízeních: rádiové přijímače, vysílací rádiové stanice, zesilovače, počítače.

Základní prvky samooscilačního systému

Na příkladu tranzistorového generátoru můžeme vyzdvihnout hlavní prvky charakteristické pro mnoho samooscilačních systémů.

1. Zdroj energie, který udržuje netlumené oscilace (v tranzistorovém generátoru se jedná o zdroj konstantního napětí).

2. Oscilační systém je ta část samokmitajícího systému, ve které dochází přímo k oscilacím (v generátoru na bázi tranzistoru se jedná o oscilační obvod).

3. Zařízení, které reguluje přívod energie ze zdroje do oscilačního systému - ventil (v uvažovaném generátoru - tranzistor).

4. Zařízení poskytující zpětnou vazbu, pomocí které oscilační systém ovládá ventil (u tranzistorového generátoru - indukční vazba cívky obvodu s cívkou v obvodu emitor-báze).

Příklady samooscilačních soustav

Vlastní kmity v mechanických systémech: hodiny s kyvadlem nebo vyvažovačka (kolo s pružinou, která vykonává torzní kmity). Zdrojem energie v hodinkách je potenciální energie zvednutého závaží nebo stlačené pružiny.

Samooscilační systémy zahrnují elektrický zvonek s přerušovačem, píšťalu, varhanní píšťaly a mnoho dalšího. Naše srdce a plíce lze také považovat za samooscilační systémy.

Obsah:

Účel lekce: vytvořit představu o vlastních oscilacích; různé frekvence jsou generovány pomocí samooscilačních systémů; bez nich by moderní rádiová komunikace a televize nebyly možné.

Pokrok

Kontrola domácího úkolu vyplněním tabulky

— Na kartách rozdaných studentům jsou správné odpovědi náhodně umístěny na pravé straně; na levé straně jsou napsány vzorce, zákony, vyjádření veličin k probíranému tématu.

Do 7 minut je potřeba zapsat správné kódy odpovědí a odevzdat práci učiteli.

Kód odpovědi: 1- 16; 2-3; 3-11; 4-7; 5-6; 6-10; 7-13; 8-4; 9-5; 10-12; 11-14; 12-8; 13-17; 14-2; 15-9; 16-1; 17-15/

Učení nového materiálu

Opakování mechanických samokmitů.

1. Samooscilační systémy.

Pokud v systému, ve kterém mohou nastat volné elektromagnetické oscilace,

umístěte zdroj energie a systém by sám reguloval dodávku energie po částech, pak se objeví netlumené oscilace.

Systémy se nazývají samooscilující, pokud v nich vlivem dodávky energie ze zdroje uvnitř soustavy vznikají netlumené kmity.

Tranzistorový generátor je samooscilační systém.

2. Jak vytvořit netlumené oscilace v obvodu?

Je nutné zajistit automatický chod ventilu nebo klíče.

Ventil musí mít velký...
Rychlost. Tuto práci ventilu bez setrvačnosti vykonává tranzistor, který se skládá ze 3 polovodičů: kolektoru,

emitor a základna. Emitor a kolektor mají stejnou většinu nosičů náboje;

hlavní nosiče základny mají opačné znaménko.

3. Provoz generátoru pomocí tranzistoru.

Ve schématu vidíme, že oscilační obvod je zapojen do série se zdrojem napětí a pak je zde tranzistor.

Záporný potenciál je aplikován na kolektor a kladný potenciál je aplikován na emitor.

Přechod základna-kolektor je reverzní (obvodem neprotéká žádný proud); v tomto případě se přechod mezi emitorem a bází ukáže jako přímý. Což odpovídá otevřenému klíči ve schématech.

Aby se v obvodu objevil proud a nabil kondenzátor, je nutné opatřit základnu záporným potenciálem vzhledem k emitoru. To odpovídá uzavřenému klíči ve schématu. Pro kompenzaci energetických ztrát v obvodu, napětí na přechodu emitoru

musí neustále měnit znamení, aby poskytoval zpětnou vazbu.

V tomto případě dochází ke zpětné vazbě v důsledku indukční vazby cívek. Jeden z nicků je umístěn v obvodu, druhý je připojen k přechodu emitoru.

Aby nedocházelo k tlumení kmitů v obvodu, je nutné volit fázi napěťových kmitů na přechodu emitoru tak, aby proudové „srandičky“ působily na obvod v požadovaných časových intervalech.

Frekvence kmitů v obvodu závisí na indukčnosti cívky a kapacitě kondenzátoru.

ω0=1 / CITACE

Čím nižší je indukčnost a kapacita, tím vyšší je frekvence kmitů

Tranzistorové generátory jsou široce používány v rádiových zařízeních a elektronických počítačích.

4. Základní prvky samooscilačního systému.

Zdůrazněme hlavní prvky používané v mnoha samooscilačních systémech.

Upevnění probíraného tématu

1. Kde dochází k vlastním oscilacím?

2. Jak se liší vlastní oscilace od volných a vynucených oscilací?

3. Popište roli tranzistoru při vytváření vlastních oscilací?

4. Co je zpětná vazba a jak je implementována v tranzistorovém generátoru?

5. Identifikujte prvky samooscilačního systému.

Pojďme si lekci shrnout

Domácí úkol: § 36, zast. §34, č. 971, 976.