Контур электрический: Колебательный контур — что это такое? Формулы и схемы - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Колебательный контур — что это такое? Формулы и схемы

Покажем, как применять знание физики в жизни

Начать учиться

Сегодня нас ждёт увлекательный эксперимент: мы перейдём от этапа «вообще не понимаю, что это» к «надо же, как всё просто и логично» всего за одну статью. Не верите? Мы вам обещаем! Мы поговорим о колебательных контурах, электромагнитных волнах и том, как мы встречаемся с этими понятиями в обычной жизни.

Колебания

Начнём обсуждение этой темы с колебаний. В обычной жизни мы часто слышим это слово: «цветок колеблется на ветру», «я не могу принять решение, колеблюсь», «температура воздуха колеблется в диапазоне…». Но что такое колебания в физике?

Колебания — повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия.

Попробуйте привести несколько примеров такого движения. Верно, к колебаниям можно отнести движение стрелки, вращение качели, качание маятника часов.

Колебания бывают вынужденными и свободными.

Вынужденные колебания — это колебания, происходящие под действием внешней периодически меняющейся силы.
Посадите свою маленькую сестрёнку или братишку на качели: раскачивая их, вы станете той самой внешней силой, под действием которой качели движутся, совершая при этом вынужденные колебания.
Свободные колебания — это колебания, происходящие под действием внутренних сил в колебательной системе.
Груз колеблется на нити или пружине — вот самый распространённый пример свободных колебаний. Такие колебания всегда затухающие, потому что ни у одной системы нет бесконечного запаса энергии для такого движения: рано или поздно колебание прекратится.

Что может совершать свободные колебания? Математический (груз + нить) и пружинный (груз + пружина) маятники, а также электромагнитные волны.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Электромагнитные волны

В курсе школьной физики 8-го класса вы изучали отдельно главы про электричество и магнетизм, и только в 9–10-х классах узнали, что такое разделение не совсем верно. Дело в том, что электричество и магнетизм — две стороны одной монеты, они не могут существовать друг без друга. Движущееся электрическое поле порождает магнитное, а движущееся магнитное поле порождает электрическое. Эти поля распространяются в пространстве одновременно и, что удивительно, в разных плоскостях. Взгляните на рисунок!

Электромагнитные волны — это распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.

Вихревым электрическим полем называется поле, силовые линии которого представляют собой замкнутые линии.

В разрезе этой темы стоит запомнить две фамилии: Максвелл и Герц. Вот увидите, как сойдёт с ума от счастья учитель физики, когда вы их назовёте. 😅 Джеймс Максвелл описал основные положения электромагнитной теории, а Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн опытным путём.

К электромагнитным волнам относятся радио, Wi-Fi и даже свет. Более подробно об этом можно прочесть в нашей статье.

Что такое колебательный контур?

Колебательный контур — это устройство, в котором могут происходить свободные электромагнитные колебания.

Также можно сказать, что колебательный контур — это электрическая цепь, работа которой порождает электромагнитное поле.

Но зачем кому-то создавать такие колебания?

Колебательные контуры — неотъемлемая часть многих производственных процессов. С их помощью изготавливают радиоприёмники, генераторы сигналов, блоки измерения частоты, контроллеры частоты напряжения на двигателях.

Возможно, вам может показаться, что это устройство давно устарело и используется в каких-то непонятных вещах, но стоит понимать, что без них не было бы возможно создание домофона, электромагнитов, различных датчиков, с которыми мы встречаемся ежедневно.

Колебательный контур состоит из двух компонентов: катушки и конденсатора, и выглядит вот так:

Катушка индуктивности (или соленоид) — это стержень с несколькими слоями обмотки медной проволокой. Именно он создаёт колебания в колебательном контуре. Стержень, находящийся в середине катушки, называется дроссель, или сердечник.

Катушка способна создавать колебания, только если есть электрический заряд. Она обладает низким сопротивлением.

Конденсатор — это элемент, способный накопить в себе большое количество электрического заряда. Он состоит из двух обкладок, между которыми находится диэлектрик (вещество, не проводящее электрический ток).

В чём его отличие от обычного аккумулятора? В аккумуляторе происходит превращение механической, химической, световой и других энергий в электрическую, в конденсаторе же накапливается заряд, который он может отдать весь сразу.

Часто в электрическую цепь колебательного контура подключают ещё один элемент — резистор, который обладает сопротивлением и контролирует силу тока и напряжение в цепи.

Виды колебательных контуров

По типу соединения колебательные контуры можно разделить на последовательный и параллельный.

Колебательный контур, схема последовательного соединенияКолебательный контур, схема параллельного соединения

Также физики выделяют особый тип контура — идеальный.

Идеальный колебательный контур — контур, сопротивление которого отсутствует, порождая при этом незатухающие свободные электромагнитные колебания.

Как вы думаете, можно ли создать такой контур и работать с ним на практике? К сожалению, такое маловероятно. Идеальный колебательный контур — всего лишь математическая модель, допущение, с помощью которого можно вывести формулы, ускорить расчёты и оценить характеристики контура в производстве.

Характеристики колебательного контура

Главные характеристики как параллельного, так и последовательного колебательного контура:

L — индуктивность катушки;
С — электроёмкость конденсатора.

Индуктивность катушки — это показатель, который численно равен электродвижущей силе (в вольтах), возникающей в цепи при изменении силы тока на 1 А за 1 секунду.

Измеряется в генри (Гн).

Когда катушка подключена к цепи постоянного тока, то её индуктивность описывает энергию магнитного поля, которое создается этим током по формуле:

, где W — энергия магнитного поля, L — индуктивность, I — сила тока в цепи.

Индуктивность зависит от геометрических размеров контура и магнитных свойств среды (сердечника).

Электроёмкость — характеристика конденсатора, равная отношению заряда конденсатора к напряжению, под которым он находится. Измеряется в фарадах (Ф).

Электроёмкость можно вычислить по следующим формулам:

, где e₀ — диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика (табличная величина), S — площадь обкладок конденсатора, d — расстояние между пластинами.
, где q — заряд, U — напряжение в цепи.

Кстати, 1 фарад — весьма большая величина, поэтому электроёмкость конденсатора чаще всего выражается в пико- или нанофарадах.

Принцип действия колебательного контура

Итак, каким же образом работает колебательный контур? Разделим процесс на два этапа.

Первый этап	Второй этап (обратный)
Заряженная положительно пластина конденсатора начинает разряжаться. Ток поступает в электрическую цепь, протекая от положительного заряда к отрицательному через соленоид. В контуре возникают электромагнитные колебания. Ток разряда конденсатора, проходя по виткам катушки, порождает магнитное поле. В катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая мгновенной разрядке конденсатора, ток нарастает постепенно. С ростом тока разряда убывает электрическое поле в конденсаторе, но возрастает магнитное поле катушки. В момент, когда поле конденсатора исчезнет (конденсатор разрядится), магнитное поле катушки будет максимальным. Ток, пройдя через соленоид, переходит на вторую пластину и заряжает её положительно (в то время как первая обкладка, с которой шёл ток, получает отрицательный заряд).	Процесс происходит в обратном порядке: Разрядившись окончательно, конденсатор благодаря энергии ЭДС катушки, которая в этот момент будет максимальна, начнёт заряжаться вновь. По мере заряда ток ослабевает, а вместе с ним и магнитное поле. Ток проходит через катушку с положительно заряженной пластины (той, которая в начале первого этапа была заряжена отрицательно) на отрицательно заряженную. Все заряды встают на свои первоначальные места.

Первый этап

Второй этап (обратный)

Заряженная положительно пластина конденсатора начинает разряжаться.
Ток поступает в электрическую цепь, протекая от положительного заряда к отрицательному через соленоид.
В контуре возникают электромагнитные колебания.
Ток разряда конденсатора, проходя по виткам катушки, порождает магнитное поле.
В катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая мгновенной разрядке конденсатора, ток нарастает постепенно.
С ростом тока разряда убывает электрическое поле в конденсаторе, но возрастает магнитное поле катушки.
В момент, когда поле конденсатора исчезнет (конденсатор разрядится), магнитное поле катушки будет максимальным.
Ток, пройдя через соленоид, переходит на вторую пластину и заряжает её положительно (в то время как первая обкладка, с которой шёл ток, получает отрицательный заряд).

Процесс происходит в обратном порядке:

Разрядившись окончательно, конденсатор благодаря энергии ЭДС катушки, которая в этот момент будет максимальна, начнёт заряжаться вновь.
По мере заряда ток ослабевает, а вместе с ним и магнитное поле.
Ток проходит через катушку с положительно заряженной пластины (той, которая в начале первого этапа была заряжена отрицательно) на отрицательно заряженную.
Все заряды встают на свои первоначальные места.

Цикл повторяется до тех пор, пока на конденсаторе будет заряд. В идеальном колебательном контуре этот процесс происходил бы бесконечно, а в реальном неизбежны потери энергии, и колебания затухают.

Формула Томпсона

Характеристики L и С колебательного контура связаны между собой с помощью формулы Томпсона, которая описывает период свободных колебаний в LC-контуре:

, где T — период электромагнитных колебаний, L — индуктивность катушки колебательного контура, C — ёмкость конденсатора, π — число пи.

Эта формула для колебательного контура является одной из основных, обратите на неё особенное внимание!

Закон сохранения энергии в колебательном контуре

В колебаниях, как и в любом другом движении, работают законы сохранения энергии. Как именно это выражается?

Принцип работы контура основан на трансформации энергии, превращении электрической энергии в магнитную и наоборот. Тогда энергию колебательного контура можно описать так:

W = WC(t) + WL(t) = const

Когда энергия электрического поля становится максимальной, энергия магнитного поля равна нулю, что работает и в обратном направлении.

Этап	Энергия электрического поля	Энергия магнитного поля
1	Максимальна при q max:	0
2	0	Максимальна при I max::

Так как энергии достигают своего максимума с равным числовым значением, сделаем вывод:

Резонанс в LC-контуре

Обещаем, последнее на сегодня!

Помимо вышеперечисленных характеристик, есть ещё одна величина, которая описывает колебания в контуре, и это резонансная частота.

Ну, здесь всё просто. Помним, что частота колебаний и период — взаимно обратные величины, а значит:

«Ну хорошо», — скажете вы, «и в чём вообще суть?».

А вот в чём: в электрическом колебательном контуре резонанс (резкое увеличение амплитуды колебаний) происходит на определённой частоте, когда индуктивность L и ёмкость C уравновешены. Благодаря этому энергии могут свободно циркулировать между магнитным полем индуктивного элемента и электрическим полем конденсатора.

Наше сегодняшнее путешествие в мир физики было весьма увлекательным, хоть и непростым, согласны? На онлайн-курсе физики в школе Skysmart вы сможете ещё больше утвердиться в мысли, что физика — наука для жизни, а ещё подготовитесь к экзаменам и научитесь уверенно и без затруднений делать лабораторные работы.

Дарья Вишнякова

К предыдущей статье

Оптическая сила линзы

К следующей статье

Явление резонанса

Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке

На вводном уроке с методистом

Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению
Расскажем, как проходят занятия
Подберём курс

закрытый контур, электрический и комбинированный способ

Открыть палитру цветов RAL

Основные цвета RALПалитра специальных цветов

Современный полотенцесушитель со скандинавскими мотивами, лаконичная, но многофункциональная конструкция – инженеры и дизайнеры Terma продолжают удивлять оригинальными моделями.

Представляем Terma Stand 1610 мм на 400 мм – готовое решение, объединяющее в себе полотенцесушитель и стеллаж. Он безупречно впишется в стиль “техно”, “индустриал” или “лофт”. В переводе с английского “stand” означает стеллаж, что полностью соответствует дизайну модели. Обычные перекладины превращаются в места для хранения с помощью одной небольшой детали – деревянной полки серии Stand. Выбирайте один из трех пород дерева: бук, тик или дуб.

Таким образом развешивание полотенец можно комбинировать с хранением сухого и теплого текстиля на полках. Такая конфигурация удобна не только для ванных комнат, но и найдет себе применение на кухне, в прихожей, массажных салонах и саунах.

Stand может быть подключен электрическим, комбинированным способом или на закрытый контур. Если сравнивать все три варианта, безусловным преимуществом является электрическое подключение. Устройство работает автономно, независимо от наличия в доме горячей воды. Модель герметичная, не протекает и не имеет проблем с давлением, а значит, поломки, которые могут быть у водяных полотенцесушителей, в электрических версиях исключаются. В зависимости от выбранного типа подключения, подбирается терморегулятор и/или вентили, вывод которых эстетично маскируется.

оригинальный и многофункциональный дизайн;
благодаря деревянным полкам служит в качестве стеллажа;
3 варианта подключения: закрытый контур, электрический и комбинированный способ;
широкая гамма цветов палитр RAL и Terma;
экономное электропотребление.

Самое популярное покрытие этого сезона – черное матовое (9005 Soft), который достигается порошковой окраской конструкции. Он отличается отсутствием блика и устойчивостью к разводам, каплям воды и другим загрязнениям. Приобретайте модель в роскошном черном матовом покрытии на сайте Terma-online.ru, а наши специалисты помогут с комплектацией и размерами.

Цвет	черный мат
Высота, мм	1610
Ширина, мм	400
Глубина, мм	182
Тип подключения	электрический / закрытый контур / комбинированный
Блок управления	отдельно
Подключение к сети 220 В	справа, слева, скрытое, в розетку
Мин. мощность, Вт	800
Комплектация	настенные крепления
Производство	ЕС (европейский союз)
Гарантия, год	8
С низким энергопотреблением	да
Узкие	да
Срок покраски по RAL, день	60

Электрическая цепь | Схемы и примеры

Развлечения и поп-культура
География и путешествия
Здоровье и медицина
Образ жизни и социальные вопросы
Литература
Философия и религия
Политика, право и правительство
Наука
Спорт и отдых
Технология
Изобразительное искусство
Всемирная история

Этот день в истории
Викторины
Подкасты
Словарь
Биографии
Резюме
Популярные вопросы
Обзор недели
Инфографика
Демистификация
Списки
#WTFact
Товарищи
Галереи изображений
Прожектор
Форум
Один хороший факт

Развлечения и поп-культура
География и путешествия
Здоровье и медицина
Образ жизни и социальные вопросы
Литература
Философия и религия
Политика, право и правительство
Наука
Спорт и отдых
Технология
Изобразительное искусство
Всемирная история

Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
#WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
Спасение Земли
Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
SpaceNext50
Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!