Изменение электрического заряда конденсатора в колебательном контуре

Изменение заряда конденсатора в колебательном контуре

Одной из самых важных частей радиопередатчика или радиоприёмника можно считать колебательный контур, который отвечает за возбуждение электрических колебаний (другое название переменных токов высокой частоты). Колебательный контур является замкнутой цепью, состоящей из электрического конденсатора, катушки индуктивности и источника питания.

Устройство электрического конденсатора и его ёмкость

Конструкция электрического конденсатора достаточна проста. Он состоит из двух металлических пластин, которые разделены изолятором. В роли изолятора может выступать слюда, бумага или даже воздушная прослойка.

Базовое свойство конденсатора — способность к накоплению электроэнергии. Это происходит благодаря тому, что на каждой из пластин скапливаются заряды только с одним знаком («плюс» или «минус»).

Единственное значимое различие между конденсаторами разных видов — их ёмкость, то есть ограничения по количеству вмещаемых зарядов. Увеличить ёмкость конденсатора можно, если увеличить площадь пластин, а также, если разместить их как можно ближе друг к другу.

Емкость конденсатора изменяется не только в соответствии с площадью пластин и расстоянием между ними, но и согласно выбранному типу диэлектрика. Так при прочих равных условиях, если в качестве диэлектрика использовалась слюда, то ёмкость будет практически в шесть раз больше той, что продемонстрирует образец с воздушным диэлектриком. Ёмкость при использовании бумажного диэлектрика будет лишь в два раза превосходить ту, что даёт воздушный вариант.

Существуют также конденсаторы переменной ёмкости. В соответствии с названием для таких разновидностей конденсаторов свойственна возможность изменения ёмкости. Конструкция такого конденсатора включает в себя статор (неподвижную пластину) и ротор (подвижную пластину). Оба элемента закреплены на оси. Поворот оси заставляет двигаться ротор увеличивая или уменьшая площадь попадания подвижной пластины между стационарными пластинами, а значит регулируя ёмкость конденсатора.

Устройство катушки индуктивности

Другая часть колебательного контура — катушка индуктивности. Внешне эта составляющая сходна с катушкой ниток, однако на основу вместо нитей намотан изолированный провод из металла. При прохождении по катушке электроэнергии, в ближайшем пространстве можно зарегистрировать возникновение магнитного поля значительной силы.

Для колебательного контура характерно соответствие индуктивного сопротивления оказываемого катушкой и ёмкостного сопротивления формируемого конденсатором.

Изменение заряда конденсатора колебательного контура

При работе колебательного контура внутри него наблюдается колебание электронов. Изначально, для возникновения колебаний требуется первичный энергетический импульс. Сформировать его можно всего лишь на долю секунды соединив конденсатор с электрической батареей.

Изменение заряда конденсатора в колебательном контуре

В этот момент конденсатор заряжается. Одна пластина насыщается избыточным количеством электронов, а на другой возникает их дефицит. Между этими разнозаряженными полюсами происходит формирование электрического поля, которое и является ёмкостью для запасания энергии, полученной от источника питания.

Как только конденсатор оказывается заряжен, избыточный объём электронов с одной пластины направляется в сторону другой, но перед этим проходит через катушку. В это мгновение внутри контура фиксируется наличие электрического тока.

Нужно отметить, что в момент колебаний не происходит прямого перехода электронов между обкладками конденсатора. Хотя ток и движется достаточно быстро (практически 300 000 км/с), перемещение электронов внутри проводников не превышает пары-тройки миллиметров в секунду. В ходе одного полупериода электроны способны преодолеть лишь небольшой промежуток пути.

Несмотря на то, что намотка катушки представляет собой проводку, изготовленную из металлической проволоки, она становится причиной сильного противодействия для потока электронов. Образуемое витками магнитное поле перенимает на себя часть той электроэнергии, которую конденсатор скопил в момент зарядки.

По этой причине, даже при полной разрядке конденсатора продолжается течение тока внутри контура. Направление движения не изменится, но продолжатся оно будет уже благодаря катушечной энергии.

Когда энергетические запасы катушки тоже иссякнут, исчезнет и её магнитное поле. В этот момент у конденсатора вновь появится заряд, полярность пластин поменяется (избыток электронов будет там, где прежде был дефицит). У вновь накопившего заряд конденсатора начнётся повторная разрядка. Ток снова будет проходить через катушку, но его направление сменится на противоположное.

Изменение заряда конденсатора в колебательном контуре

Таким образом формируются электронные колебания, которые прекратятся только когда энергетические потери не превысят количество запасённой конденсатором энергии.

Энергия тока может теряться ввиду следующих причин:

  • Нагревание проводов.

Поверхностный эффект делает уровень активного сопротивления более высоким, чем уровень сопротивления постоянному току. Под поверхностным эффектом подразумевается явление при котором движение высокочастотного тока происходит не во всём проводе, а лишь вдоль тонкого поверхностного слоя. Это приводит к сокращению площади рабочего сечения. При более высоких частотах рабочий слой ещё больше истончается и сопротивление вновь растёт.

  • Нагревание твёрдого диэлектрика.

Диэлектрики находятся под действием переменного электрического поля, что приводит к интенсивному молекулярному колебанию и взаимному трению между молекулами.

  • Отсутствие идеальной изоляции.

К сожалению, даже самые хорошие диэлектрики не позволяют избежать возникновения токов утечки.

  • Нагревание ферромагнитного сердечника.

Ферромагнитные сердечники необходимы, чтобы увеличивать индуктивность катушек.

  • Возникновение вихревых токов.

На размещённые поблизости от колебательного контура предметы из металла влияет переменное магнитное поле, ввиду чего в них образуются вихревые токи, забирающие на себя часть энергии.

  • Излучаемые контуром электромагнитные волны.
  • Потери, связанные с подключением к другим цепям.

При возрастании частоты внутри колебательного контура увеличиваются все виды потерь. При суммировании энергетических потерь из приведённого перечня окажется, что они соответствуют потерям под влиянием активного сопротивления. Соответственно по активному сопротивлению можно судить об общих энергетических потерях.

«Подзарядка» колебательного контура

Для поддержания разнонаправленных колебаний электронов, следует компенсировать энергозатраты дополнительными подзарядками конденсаторов (с подстройкой под такт работы конденсатора). Но, поскольку смена направления движения тока в колебательном контуре достигает сотен тысяч раз на протяжении лишь одной секунды, то механические устройства для такой подзарядки не годятся. К счастью существуют генераторы с радиолампами, которые обладают качествами, требуемыми для поддержания работы колебательного контура без ограничений по времени.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий

Электронщик. Ярчайший ресурс в Рунете связанный с автоматикой и электротехникой
https://metrika.yandex.ru/dashboard?id=43795739

Использование материалов сайта возможно при наличии активной ссылки на первоисточник. Связь с редакцией сайта:e-mail: bylira3@gmail.com | Google +