Электроника:Эксперименты/Электрические цепи переменного тока/Колебательный контур

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Колебательный контур[1]

Оборудование и материалы

  • Осциллограф
  • Неполяризованные конденсаторы (от 0,1 мкФ до 10 мкФ) в ассортименте
  • Понижающий силовой трансформатор (120 В / 6 В)
  • Резисторы 10 кОм
  • Шестивольтовая батарея

Силовой трансформатор используется просто как индуктор, с подключённой только одной обмоткой. Неиспользуемую обмотку следует оставить разомкнутой. Также можно использовать простой однообмоточный индуктор с железным сердечником (иногда известный как дроссель), но такие индукторы труднее достать, чем силовые трансформаторы.

Ссылки по теме

  • «Уроки по электрическим цепям», том 2 «Переменный ток», глава 6: «Резонанс»

Цели эксперимента

Научиться …

  • … сборке резонансного контура
  • … определить влияние размера конденсатора на резонансную частоту
  • … создавать антирезонанс

Принципиальная схема

Рис. 1. Схематическая диаграмма: колебательный контур (катушка индуктивности + конденсатор).
Рис. 1. Схематическая диаграмма: колебательный контур (катушка индуктивности + конденсатор).

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: колебательный контур (катушка индуктивности + конденсатор).
Рис. 2. Иллюстрация: колебательный контур (катушка индуктивности + конденсатор).

Ход эксперимента

Если катушку индуктивности и конденсатор соединить параллельно друг другу, а затем на короткое время подать питание от источника постоянного напряжения, возникнут колебания при обмене энергией от конденсатора к катушке индуктивности и наоборот. Эти колебания можно наблюдать с помощью осциллографа, подключённого параллельно цепи индуктор/конденсатор. Параллельные индукторно-конденсаторные цепи обычно называют колебательными цепями.

Важное примечание: я не рекомендую использовать ПК /звуковую карту в качестве осциллографа для этого эксперимента, потому что катушка индуктивности может генерировать очень высокое напряжение, когда батарея отключена (так называемая индуктивная отдача). Эти высокие напряжения наверняка повредят вход звуковой карты и, возможно, другие детали компьютера.

Собственная частота колебательного контура, называемая резонансной частотой, определяется размером катушки индуктивности и размером конденсатора в соответствии со следующим уравнением:

Рис. 3. Формула для резонансной частоты.
Рис. 3. Формула для резонансной частоты.

Многие небольшие силовые трансформаторы имеют индуктивность первичной обмотки (на 120 вольт) примерно 1 Гн. Используйте эту цифру в качестве приблизительной оценки индуктивности вашей цепи для расчёта ожидаемой частоты колебаний.

В идеале колебания, создаваемые ёмкостным контуром, продолжаются бесконечно. Реально колебания будут затухать по амплитуде в течение нескольких циклов из-за резистивных и магнитных потерь индуктора. Катушки индуктивности с высокой добротностью, конечно, будут производить более длительные колебания, чем катушки индуктивности с низкой добротностью.

Попробуйте изменить номиналы конденсаторов и обратите внимание на их влияние на частоту колебаний. Вы также можете заметить изменения в продолжительности колебаний из-за размера конденсатора. Поскольку вы знаете, как рассчитать резонансную частоту по индуктивности и ёмкости, можете ли вы найти способ рассчитать индуктивность катушки по известным значениям ёмкости цепи (измеряемой ёмкостным измерителем) и резонансной частоты (измеряемой осциллографом)?

Сопротивление может быть преднамеренно добавлено в цепь – последовательно или параллельно – специально для демпфирования колебаний. Этот эффект сопротивления, демпфирующего колебания контура резервуара, известен как антирезонанс. Это аналогично действию амортизатора, который гасит подпрыгивание автомобиля после наезда на «лежачего полицейского».

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Рис. 4. Колебательный контур (катушка индуктивности + конденсатор) с отмеченными узлами.
Рис. 4. Колебательный контур (катушка индуктивности + конденсатор) с отмеченными узлами.

RШум помещается в схему для демпфирования колебаний и создания более реалистичной симуляции. Более низкое значение рассеяния R вызывает более продолжительные колебания, поскольку рассеивается меньше энергии. Исключение этого резистора из цепи приводит к бесконечным колебаниям.

Список связей (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

Список связей SPICE

tank circuit with loss * колебательный контур с потерями
l1 1 0 1 ic=0
rstray 1 2 1000
c1 2 0 0.1u ic=6
.tran 0.1m 20m uic
.plot tran v(1,0)
.end

См.также

Внешние ссылки