Затухающие электрические колебания. Автоколебания

Слайд 6

Генератор высокочастотных электромагнитных колебаний

э К Б С L Lсв

Слайд 7

Аналогия между механическими и электромагнитными автоколебаниями

Слайд 8

1.Если конденсатор колебательного контура зарядить, то в контуре возникнут затухающие колебания. 2.Чтобы колебания не затухали, нужно компенсировать потери энергии на каждый период колебаний. 3.Пополнять энергию можно, подзаряжая конденсатор. 4.Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения. 5.Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединённая к «+» полюсу источника пластина заряжена «+», а присоединенная к «-» полюсу – «-». 6.В контуре незатухающие колебания установятся лишь при условии, что источник будет подключаться к контуру в те интервалы времени, когда возможна передача энергии. 7. Для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа или транзистора.

Слайд 9

Как создать незатухающие колебания в контуре:

Слайд 10

Схема транзистора

Слайд 11

Работа генератора на транзисторе

1.Чтобы в цепи возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе «-» относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена «+», а нижняя – «-». Это соответствует замкнутому ключу. 2. Для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно переодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения в контуре. 3. Необходима обратная связь.

Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Для того чтобы они были незатухающими, нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре. Широко применимы так называемые автоколебания - незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени.

Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей (рис. 1): 1) колебательная система; 2) источник энергии, за счет которого компенсируются потери; 3) клапан - некоторый элемент, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужный момент; 4) обратная связь - управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.

Генератор на транзисторе - пример автоколебательной системы. На рисунке 2 приведена упрощенная схема такого генератора, в котором роль "клапана" играет транзистор. Колебательный контур подключен к источнику тока последовательно с транзистором. Эмиттерный переход транзистора через катушку L св индуктивно связан с колебательным контуром. Эту катушку называют катушкой обратной связи.

1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).
2. Колебательная система - та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).
3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, - клапан (в рассмотренном генераторе роль клапана выполняет транзистор).
4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе предусмотрена индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер - база).

В генераторе на транзисторе вырабатываются незатухающие колебания различных частот. Без таких систем не было бы ни современной радиосвязи, ни телевидения, ни ЭВМ.

Билет № 10

1.Статика изучает условия равновесия тел.

Виды равновесия

Устойчивое равновесие . Если тело вывести из устойчивого равновесия, то появляется сила, возвращающая его в положение рав­новесия. Устойчивому равновесию соответствует минимальное значение потенциальной энергии

Неустойчивое равновесие . Если тело вывес­ти из неустойчивого равновесия, то возни­кает сила, удаляющая тело от положения равновесия. Неустойчивому равновесию соответствует максимальное значение потенциальной энергии.

Безразличное равновесие. При выведении тела из состояния безразличного равновесия дополнительных сил не возникает. Пример: шар на плоскости.

Момент силы. Правило моментов

Момент силы М (Н· м) – физическая величина, модуль которой равен произведению модуля силы на плечо силы

М = F· d .

Плечо силы d (M) – кратчайшее расстояние между осью вращения и линией действия силы. Т.е. из точки вращения опускается перпендикуляр на линию действия силы. При необходимости линию продлить.

Знаки моментов. Если сила вызывает вращение тела по ча­совой стрелке, то такой момент считают положительным:

Если сила вызывает вращение тела против часовой стрелки, в таком случае момент отрицательный.

Тело находится в равновесии при выполнении сразу двух условий.

1. Сумма сил, действующих на тело, равна нулю.

2. Правило моментов : тело, имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех приложенных к телу сил относительно этой оси равна нулю:

Или: сумма моментов сил, вызывающих вращение тела по часовой стрелке, равна сумме моментов сил, вызывающих вращение тела против часовой стрелки:

Простые механизмы – приспособления, служащие для преобразования силы. К ним относятся ворот, наклонная плоскость, рычаг, клин и блоки.
«Золотое правило механики ». При использовании простых механизмов мы выигрываем в силе, но проигрываем в расстоянии (или наоборот - например, катапульта). Выигрыша в работе простые механизмы не дают, т.к. это противоречило бы закону сохранения энергии.

Механический вечный двигатель, производящий энергию из ничего , невозможен.

Центр тяжести тела – точка, относительно которой момент сил тяжести всех точек тела равен нулю. В случае однородного поля силы тяжести центр тяжести совпадает с центром масс).

2 . Переменный ток. Сопротивления в цепи переменного тока.

Вынужденные электромагнитные колебания в электрической цепи представляют собой переменный электрический ток .

§ Переменный электрический ток - это ток, сила и направление которого периодически меняются.

Наибольшее распространение получил гармонический переменный ток, представляющий собой вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, гармонически меняющегося с частотой ω по закону синуса или косинуса:

u =U m ⋅sinωt или u =U m ⋅cosωt ,

где u – мгновенное значение напряжения, U m – амплитуда напряжения, ω – циклическая частота колебаний. Если напряжение меняется с частотой ω, то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой, но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае

i =I m ⋅sin(ωt +φ ) ,

где φ – разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения. Принцип получения переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции - индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п. Частота колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний имеет и сила переменного тока. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США частота промышленного тока 60 Гц.

Колебания в контуре происходит с большой частотой. Конденсатор восполняет потери энергии лишь в те моменты, когда его полярность совпадает с полярностью источника. В те моменты, когда полярности противоположны, он будет разряжаться через источник. LC _ ++ _ _ +

В качестве устройства, способного осуществить такую функцию можно использовать транзистор, через который конденсатор колебательного контура будет соединен с источником тока. быстродействующий прибор пока на базу не подан сигнал – ток через транзистор не идет, конденсатор отключен от источника при подаче сигнала – ток через транзистор идет и конденсатор заряжается от источника?

В качестве устройства, способного «подать сигнал» в нужный момент, используют катушку обратной связи, один конец которой соединен с базой, а другой с эмиттером (связь индуктивная) L св. L Э Б К Мы получили систему, в которой могут вырабатываться незатухающие колебания за счет восполнения потерь энергии от источника внутри самой системы.

После зарядки конденсатора его верхняя обкладка заряжена положительно, нижняя - отрицательно Конденсатор начинает разряжаться через катушку. Ток в первой четверти периода постепенно нарастает, затем убывает, порождая переменное магнитное поле, пронизывающее витки катушки L. В катушке L св, которая индуктивно связана с катушкой контура, возникает магнитное поле, имеющее такое же направление и появляется индукционный ток, направленный от эмиттера к базе. Транзистор пропускает ток к конденсатору, в котором в это время протекает еще индукционный ток, совпадающий по направлению с первоначальным. Все потери энергии восполняются, знаки зарядов пластин меняются на противоположные L св. L Э Б - I К + -

Ток через конденсатор теперь течет в противоположном направлении, нарастая в первой четверти и убывая во второй Порождаемое током магнитное поле, пронизывает витки катушки контура, а, следовательно, и индуктивно связанной с ней катушки L св.. В катушке обратной связи возникает индукционный ток, направленный от базы к эмиттеру, в результате чего потенциал базы оказывается выше и ток к конденсатору не идет. В конденсаторе протекает только индукционный ток, совпадающий по направлению с током в начале полупериода. Конденсатор перезаряжается, знаки пластин меняются на противоположные. L св. L Э Б

«Физика - 11 класс»

Вынужденные колебания возникают под действием переменного напряжения, вырабатываемого генераторами на электростанциях.
Такие генераторы не могут создавать колебания высокой частоты, необходимые для радиосвязи? т.к. для этого потребовалась бы очень большая скорость вращения ротора.
Колебания высокой частоты получают, например, с помощью генератора на транзисторе.

Автоколебательные системы

Обычно незатухающие вынужденные колебания поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения.
Но возможны и другие способы получения незатухающих колебаний.

Например, есть система, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, с источником энергии.
Если сама система будет регулировать поступление энергии в колебательный контур для компенсации потерь энергии на резисторе, то в ней могут возникнуть незатухающие колебания .

Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри самой системы, называются автоколебательными . Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями .

Генератор на транзисторе - пример автоколебательной системы.
Он состоит из колебательного контура с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источника энергии и транзистора.

Как создать незатухающие колебания в контуре?

Чтобы электромагнитные колебания в контуре не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период.

Пополнять энергию в контуре можно, подзаряжая конденсатор.
Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения.

Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу - отрицательно.
Только в этом случае источник будет подзаряжать конденсатор, пополняя его энергию.

Если же ключ замкнуть в момент, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина имеет отрицательный заряд, а присоединенная к отрицательному полюсу - положительный, то конденсатор будет разряжаться через источник. Энергия конденсатора при этом будет убывать.

Источник постоянного напряжения постоянно подключенный к конденсатору контура, не может поддерживать в нем незатухающие колебания, так же как постоянная сила не может поддерживать механические колебания.
В течение половины периода энергия поступает в контур, а в течение следующей половины периода возвращается в источник.

В контуре незатухающие колебания установятся лишь при условии, что источник будет подключаться к контуру в те интервалы времени, когда возможна передача энергии конденсатору.
Для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа.
При высокой частоте колебаний ключ должен обладать надежным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа и используется транзистор.

Транзистор состоит из эмиттера, базы и коллектора.
Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, например дырки (полупроводник p-типа).
База имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник n-типа).

Работа генератора на транзисторе

Колебательный контур соединен последовательно с источником напряжения и транзистором так, что на эмиттер подается положительный потенциал, а на коллектор - отрицательный.
При этом переход эмиттер - база (эмиттерный переход) является прямым, а переход база - коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет.
Это соответствует разомкнутому ключу.

Чтобы в цепи контура возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе отрицательный относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя - отрицательно.
Это соответствует замкнутому ключу.

В интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена отрицательно, а нижняя - положительно, ток в цепи контура должен отсутствовать. Для этого база должна иметь положительный потенциал относительно эмиттера.

Таким образом, для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения на контуре.
Необходима обратная связь .

Здесь обратная связь - индуктивная
К эмиттерному переходу подключена катушка индуктивностью L CB , индуктивно связанная с катушкой индуктивностью L контура.
Колебания в контуре вследствие электромагнитной индукции возбуждают колебания напряжения на концах катушки, а тем самым и на эмиттерном переходе.
Если фаза колебаний напряжения на эмиттерном переходе подобрана правильно, то «толчки» тока в цепи контура действуют на контур в нужные интервалы времени, и колебания не затухают.
Напротив, амплитуда колебаний в контуре возрастает до тех пор, пока потери энергии в контуре не станут точно компенсироваться поступлением энергии от источника.
Эта амплитуда тем больше, чем больше напряжение источника.
Увеличение напряжения приводит к усилению «толчков» тока, подзаряжающего конденсатор.

Генераторы на транзисторах широко применяются не только во многих радиотехнических устройствах: радиоприемниках, передающих радиостанциях, усилителях, ЭВМ.

Основные элементы автоколебательной системы

На примере генератора на транзисторе можно выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем.

1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).

2. Колебательная система - та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).

3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему - клапан (в рассмотренном генераторе - транзистор).

4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе - индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер - база).

Примеры автоколебательных систем

Автоколебания в механических системах: часы с маятником или балансиром (колесиком с пружинкой, совершающим крутильные колебания). Источником энергии в часах служит потенциальная энергия поднятой гири или сжатой пружины.

К автоколебательным системам относятся электрический звонок с прерывателем, свисток, органные трубы и многое другое. Наше сердце и легкие также можно рассматривать как автоколебательные системы.

Содержимое:

Цель урока : формировать представление об автоколебаниях; самые разные частоты вырабатывают с помощью автоколебательных систем, без них были бы невозможны современная радиосвязь, телевидение.

Ход работы

Проверка домашнего задания методом заполнения таблицы

— На карточках, розданных учащимся, с правой стороны хаотично расположены правильные ответы; с левой стороны записаны формулы, законы, выражения величин, по изученной теме.

В течение 7 минут надо записать правильные коды ответов и сдать работу учителю.

Код ответа: 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/

Изучение нового материала

Повторение механических автоколебаний.

1. Автоколебательные системы.

Если в систему, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания,

поместить источник энергии и система сама регулировала бы подачу энергии порциями, то появятся незатухающие колебания.

Системы называются автоколебательными , если в них создаются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри системы.

Генератор на транзисторе – автоколебательная система.

2. Как создать незатухающие колебания в контуре?

Необходимо обеспечивать автоматическую работу клапана или ключа.

Клапан должен обладать большим...
быстродействием. Такую работу безынерционного клапана выполняет транзистор, который состоит из 3-х полупроводников: коллектора,

эмиттера и базы. Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда;

основные носители базы имеют противоположный знак.

3. Работа генератора на транзисторе.

На схеме видим, что колебательный контур последовательно соединен с источником напряжения, а далее расположен транзистор.

На коллектор подается отрицательный потенциал, а на эмиттер – положительный.

Переход база – коллектор является обратным (ток в цепи не идет); при этом переход эмиттер- база оказывается прямым. Что соответствует разомкнутому ключу на схемах.

Чтобы в контуре появился ток и зарядил конденсатор необходимо сообщать базе отрицательный потенциал относительно эмиттера. Это соответствует замкнутому ключу на схеме. Для компенсации потерь энергии в контуре напряжение на эмиттерном переходе

должно постоянно менять знак, для осуществления обратной связи.

В данном случае обратная связь возникает из-за индуктивной связи катушек. Одна из ник расположена в контуре, другая подключена к эмиттерному переходу.

Чтобы колебания в контуре не затухали, необходимо подбирать фазу колебаний напряжения на эмиттерном переходе так, что «толчки» тока действуют на контур в нужные интервалы времени.

От индуктивности катушки и емкости конденсатора зависит частота колебаний в контуре.

ω0=1 / QUOTE

Чем меньше индуктивность и емкость, тем больше частота колебаний

Генераторы на транзисторах широко применяются в радиотехнических устройствах, электронно – вычислительных машинах.

4. Основные элементы автоколебательной системы.

Выделим основные элементы, применяемые во многих автоколебательных системах.

Закрепление изученной темы

1. Где возникают автоколебания?

2. Чем отличаются автоколебания от свободных и вынужденных колебаний?

3. Описать роль транзистора в создании автоколебаний?

4. Что такое обратная связь и как она осуществляется в генераторе на транзисторе?

5. Выделить элементы автоколебательной системы.

Подведем итоги урока

Домашнее задание: § 36, повт. §34, № 971, 976.