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无线电电子与电气工程百科全书 振荡电路。 无线电电子电气工程百科全书
最简单的振荡电路的装置和原理图如图1所示。 如您所见，它由一个线圈 L 和一个电容器 C 组成，形成一个闭合电路。 在某些条件下，电路中会出现并存在电振荡。 因此，它被称为振荡电路。 你有没有观察过这样的现象：在关闭电灯电源的瞬间，开关的分闸触点之间会出现火花。 如果不小心连接了手电筒的电池条（应该避免），在它们分开的那一刻，它们之间也会跳出一个小火花。 在发电厂和工厂中，在开关断开有非常大电流流过的电路的工厂中，火花可能非常严重，因此必须采取措施，以免它们伤害接通电流的人。 为什么会产生这些火花？
从第一次对话中，您已经知道载流导体周围存在磁场，可以将其描述为穿透周围空间的闭合磁力线（图 2）。 要检测这个磁场，如果它是恒定的，可以使用罗盘的磁针。 如果导体与电流源断开连接，则其消失的磁场在空间中消散，将在其他导体中感应出电流。 在产生该磁场的导体中感应出电流。 而且由于它自身的磁力线非常厚，因此在其中感应出比任何其他导体都强的电流。 该电流的方向将与断开导体时的方向相同。 换句话说，消失的磁场将维持产生它的电流，直到它自己消失，即其中包含的能量没有完全用完。 因此，在电流源关闭后，导体中的电流也会流动，但当然不会持续很长时间 - 可以忽略不计的几分之一秒。
但在开路中，电子的运动是不可能的，你会反对。 是的。 但电路打开后，电流可以流过导体断开端之间、开关或开关触点之间的气隙一段时间。 通过空气的电流形成电火花。 这种现象称为自感应，而在消失的磁场的影响下，在其中保持电流的电力（不要与我们在第一次谈话中谈到的感应混淆）是电动势自我感应的力量，简而言之，电动势。 自我感应。 e.m.f 越多。 自感应，火花在电路断开点的影响越大。 自感现象不仅在电流关断时观察到，而且在电流导通时也观察到。 在导体周围的空间中，当电流打开时立即产生磁场。 起初它较弱，但随后迅速增强。 电流的不断增加的磁场也会激发自感应电流，但该电流指向主电流。 自感电流防止了主电流的瞬时增加和磁场的增长。 但是，经过很短的时间，主电流和导体克服了迎面而来的自感电流并达到最大值，磁场不变，自感停止。 自感现象可以与惯性现象相提并论。 例如，雪橇很难让步。 但是当它们获得速度时，它们会储存动能——运动的能量，它们不能立即停止。 刹车后，它们继续滑动，直到用完储存的运动能量来克服雪上的摩擦。 所有导体是否具有相同的自感？ 不是！ 导体越长，自感应越大。 在绕成线圈的导体中，自感现象比在直导体中更明显，因为线圈每一匝的磁场不仅在这一匝中感应电流，而且在该线圈的相邻匝中感应电流。 线圈中的导线越长，关闭主电流后，其内部存在的自感电流就越长。 并且相反，接通主电流需要更长的时间，使电路中的电流上升到一定值，建立一个恒定强度的磁场。 请记住：导体在其值发生变化时影响电路中电流的特性称为电感，而这种特性最明显的线圈是自感或电感线圈。 线圈的匝数和尺寸越大，其电感越大，对电中电流的影响也越大； 链。 因此，线圈可以防止电路中电流的增加和减少。 如果是在直流电路中，其影响仅在电流接通和断开时产生。 在交流电路中，电流及其磁场不断变化，电动势。 只要有电流流动，线圈的自感就会工作。 这是一种电现象，用于接收器振荡电路的第一个元件 - 线圈。
接收器振荡电路的第二个元件是电荷的“蓄能器”——电容器。 最简单的电容器由两个电流导体组成，它可以是两个金属板，称为电容器板，由非电流导体隔开 - 电介质，例如空气或纸。 在简单接收器的实验中，您已经使用过这样的电容器。 电容器极板的面积越大，彼此之间的距离越近，这个器件的电容就越大。 如果将直流电源连接到电容器极板（图 3，a），则结果电路中将出现短期电流，电容器将被充电至等于电流源电压的电压。 你可能会问：为什么有电介质的电路中会出现电流？ 当我们将恒流源连接到电容器时，所得电路的导体中的自由电子开始向电流源的正极移动，从而在整个电路中形成电子的短期流动。 结果，连接到电流源正极的电容器极板的自由电子被耗尽并带正电，而另一个电容器极板的自由电子富集，因此带负电。 一旦电容器充电，电路中的短期电流，称为电容器充电电流，就会停止。 如果电流源与电容器断开，电容器将被充电（图 3，b）。 电介质可防止多余的电子从一个板转移到另一块板。 电容器极板之间不会有电流，而是累积电流。 电能将集中在电介质的电瓣中。 但值得将带电电容器的极板与导体连接起来（图 3，c），带负电的极板的“多余”电子将通过该导体到达另一个极板，而它们在此处缺失，并且电容器将出院。 在这种情况下，所得电路中也会出现短期电流，称为电容器放电电流。 如果电容器的电容量很大，并且充电到很大的电压，则放电的瞬间会伴随着明显的火花和噼啪声的出现。 电容器通过与其相连的导体积累电荷和放电的特性被精确地用于无线电接收器的振荡电路中。 现在，年轻的朋友，记住一个普通的秋千。 你可以在它们身上摆动，这样“它会让你屏息”。 为此需要做些什么？ 首先推动使挥杆脱离静止状态，然后施加一些力，但始终只与它们的摆动同步。 没有太多困难，您可以实现强烈的摆动 - 获得大振幅的摆动。 即使是一个小男孩，如果他熟练地运用他的力量，他也可以在秋千上荡秋千。 更用力地挥动秋千，为了实现大幅度的摆动，我们将停止推动它们。 接下来会发生什么？ 由于储存的能量，它们自由摆动了一段时间，它们的振荡幅度逐渐减小，正如他们所说，振荡消失，最后，摆动停止。 随着摆动的自由振荡，以及自由悬挂的钟摆，储存的势能变成动能——运动的能量，在最高点再次变成势能，在几分之一秒后再次变成动力学。 以此类推，直到全部能量供应用完以克服绳索在秋千悬挂处的摩擦和空气阻力。 在任意大的能量下，自由振荡总是被阻尼：随着每一次振荡，它们的幅度减小，并且振荡逐渐完全消失——和平开始了。 但是周期（发生一次振荡的时间长度）以及因此的振荡频率保持不变。 但是，如果摆动 B 不断地被推动，从而补充克服各种制动力所花费的能量损失，则摆动将变得无阻尼。 这些不再是自由的，而是强制的振荡。 它们将持续到外部推力停止作用为止。 我在这里提到摆动是因为在这种机械振荡系统中发生的物理现象与电子振荡电路中的物理现象非常相似。 为了在电路中产生电振荡，必须给予它“推动”电子的能量。 这可以通过对其电容器进行充电来实现。 让我们将开关 B 断开到振荡电路中，并将直流电源连接到其电容器的极板，如上图 4 所示。 电容器将被充电至电池 B 的电压。然后我们将电池与电容器断开，并用开关 C 闭合电路。电路中现在将出现的现象如下图 4 所示。
当电路被开关闭合时，电容器的上极板带正电荷，下极板带负电荷（图4，a）。 此时，在图上由点 O 标记，电路中没有电流，电容器积累的所有能量都集中在其极板之间的电场中。 但是电容器靠近线圈，它将开始放电。 线圈中出现电流，线圈周围出现磁场。 当电容器完全放电时（图 4，b），在图表上用数字 1 标记，当其板上的电压降至零时，电流 在线圈中，磁场的能量将达到最高值。 似乎此时电路中的电流应该已经停止。 然而，这不会发生，因为电动势的作用。 自感应，寻求维持电流，电路中电子的运动将继续。 但只有等到磁场的所有能量都用完为止。 此时在线圈中会流过大小减小但方向不变的感应电流。 到图上数字 2 标记的时间点，当磁场能量用完时，电容器会再次充电，只是现在它的下极板有正电荷，上极有负电荷一个（图 4，c）。 现在电子将开始沿从顶板通过线圈到电容器底板的方向反向运动。 到时间 3（图 4，d），电容器将放电，线圈的磁场将达到最大值。 再次，电动势。 自感应将“驱动”电子通过线圈导线，从而为电容器充电。 在时间 4（图 4，e）处，电路中的电子状态将与初始时刻 0 时相同。一次完整的振荡已经结束。 自然地，充电的电容器会再次向线圈放电，再充电，然后会发生第二次，然后是第三次、第四次，依此类推。 波动。 换句话说，电路中会出现交变电流，即电振荡。 但电路中的这种振荡过程并不是无休止的。 一直持续到电容器从电池接收到的所有能量都用完以克服电路线圈线的电阻为止。 电路中的此类振荡是自由 B 的，因此受到阻尼。 电路中这些电子振动的频率是多少？ 为了更全面地理解这个问题，我建议你用一个简单的摆进行这样的实验。 悬挂在一根线上、一个由橡皮泥模制而成的 100 厘米长的球上，或质量（重量）为 20-40 克的其他负载上（在图 5 中，摆锤的长度由拉丁字母 l 表示）。 将摆锤从平衡位置移开，使用带有秒针的时钟，计算 1 分钟内完整振动的次数。 大约为30。因此，该摆的振荡频率为0,5 Hz，周期为2 s。 在此期间，摆的势能两次转变为动能，动能转变为势能。 将线缩短一半。 摆锤的频率将增加大约一倍半，振荡周期将减少相同的量。
这一经验使我们得出结论：随着钟摆长度的减少，其自然振荡的频率会增加，而周期也会成比例地减少。 通过改变摆锤的长度，确保其振荡频率为 1 Hz。 这应该是螺纹长度约为 25 厘米。在这种情况下，摆的振荡周期将等于 1 秒。 无论您如何尝试创建钟摆的初始摆动，其振荡频率都将保持不变。 但只要缩短或延长线，因为振荡频率会立即改变。 相同的螺纹长度，总是有相同的振荡频率。 这是摆的自然频率。 通过选择螺纹的长度可以获得给定的振荡频率。 线摆的振动被阻尼。 只有当钟摆随着它的摆动而被轻微推动时，它们才能变得无阻尼，从而补偿它在克服空气施加的阻力、摩擦能量和地球重力方面所消耗的能量。 电子振荡电路也有自己的频率。 自然振荡频率首先取决于线圈的电感。 线圈的匝数和直径越大，其电感越大，每次振荡的持续时间就越长。 电路中振荡的固有频率将相应降低。 反之，随着线圈电感的减小，振荡周期会减小——电路中振荡的固有频率会增加。 其次，电路中的振荡频率取决于电容器的电容。 电容越大，电容器可以积累的电荷越多，充电所需的时间就越长，这将降低电路中的振荡频率。 随着电容器电容的减小，振荡频率和电路增加。 因此，可以通过改变线圈的电感或电容器的电容来控制电路中阻尼振荡的固有频率。 但是在电路以及机械振荡系统中，也可以获得无阻尼的，即强迫振荡，如果在每次振荡时，电路都补充有来自任何交流电源的额外部分电能。 那么，如何在接收器电路中激发和维持无阻尼电振荡？ 高频电流在天线中激发。 该电流通知电路初始电荷，它还保持电路中电子的有节奏的振荡。 然而，接收器电路中最强的无阻尼振荡仅发生在电路的固有频率与天线中的电流频率发生谐振的时刻。 这是什么意思？ 老一辈人说，在圣彼得堡，埃及的桥是被步步为营的士兵推倒的。 显然，在这种情况下，它可能会发生。 所有士兵有节奏地踱步过桥。 这座桥开始从这里摇摆 - 摆动。 巧合的是，桥的固有频率与士兵的步频重合，正如他们所说，桥陷入共振。 建筑的节奏为这座桥提供了越来越多的能量。 结果，这座桥摇晃得厉害，以至于倒塌了：军事系统的连贯性损害了这座桥。 如果桥的固有频率与士兵的步频没有共振，桥就不会发生任何事情。 因此，顺带一提，当士兵经过薄弱的桥梁时，习惯上会下达“打断腿”的命令。 这是经验。 走到一些弦乐器前，大声喊“a”：其中一根弦会响起。 与该声音的频率共振的那根琴弦会比其他琴弦振动得更强烈——它会对声音做出反应。 另一种体验 - 钟摆。 水平拉伸细绳。 将由线和橡皮泥制成的相同摆锤系在其上（图 6）。 将另一个类似的钟摆放在绳子上，但线更长。 可以通过用手拉动线的自由端来改变该摆的悬挂长度。 使这个钟摆摆动。 在这种情况下，第一个钟摆也将开始振荡，但幅度较小。 在不停止第二个摆的振荡的情况下，逐渐减少它的悬挂长度——第一个摆的振荡幅度会增加。 在这个实验中，说明机械振动的共振，第一摆是第二摆激发的振动的接收器。 迫使第一摆振荡的原因是延伸部的周期性振荡，其频率等于第二摆的振荡频率。 只有当第一摆的固有频率与第二摆的振荡频率一致时，第一摆的受迫振荡才会具有最大幅度。
在接收器的振荡电路中也观察到这种或类似的现象，当然，只是电“起源”。 在许多无线电台的电波作用下，在接收天线中激发出各种频率的电流。 从所有这些频率中，我们只需要选择我们想要收听其传输的广播电台的频率。 为此，您应该选择振荡电路的线圈匝数和电容器的电容，使其自然频率与我们感兴趣的电台的波在天线中产生的电流频率一致. 在这种情况下，将在电路中激发最强的振荡，无线电台的载波频率与其调谐的波一致。 这是将接收器电路调谐到与发射站的频率共振。 在这种情况下，其他电台的信号根本听不到或听得很微弱，因为它们在电路中激发的振荡会很微弱。 因此，通过将您的第一个接收器的电路调谐到与无线电台的频率共振，在它的帮助下，您可以选择，仅挑选出这个电台的频率波动。 电路从天线中选择所需的振荡越好，接收器的选择性越高，来自其他无线电台的干扰就越弱。 到目前为止，我已经告诉过你一个封闭的振荡电路，即电路，其固有频率仅由线圈的电感和形成它的电容器的电容决定。 然而，任何接收器的输入电路也包括天线和地。 这不再是一个封闭的，而是一个开放的振荡电路。 事实上，天线线和大地是电容器的“极板”（图 7），具有一定的电容。 根据导线的长度和天线在地面上方的高度，该电容可能高达数百皮法。 图 XNUMX 电路中的这种电容器。 用虚线表示。 但毕竟天线和地球也可以看作是一个大线圈的不完整线圈。 因此，天线和地一起，也有电感。 电容与电感一起构成一个振荡电路。
这样的电路，它是一个开路振荡电路，也有它自己的振荡频率。 通过在天线和地之间加入电感器和电容器，我们可以改变它的固有频率，将其调谐到与不同无线电台的频率共振。 这在实践中是如何完成的，你已经知道了。 如果我说振荡电路是无线电接收器的“心脏”，我不会弄错。 不仅仅是收音机。 你会对此深信不疑。 这也是我非常关注他的原因。 出版：N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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