Um circuito oscilatório é um dispositivo projetado para gerar (criar) oscilações eletromagnéticas. Desde a sua criação até os dias atuais, tem sido utilizado em muitas áreas da ciência e tecnologia: desde a vida cotidiana até grandes fábricas que produzem uma grande variedade de produtos.
Do que é feito?
O circuito oscilatório consiste em uma bobina e um capacitor. Além disso, também pode conter um resistor (elemento com resistência variável). Um indutor (ou solenóide, como às vezes é chamado) é uma haste na qual são enroladas várias camadas de enrolamento, que, via de regra, é um fio de cobre. É este elemento que cria oscilações no circuito oscilatório. A haste no meio é frequentemente chamada de estrangulamento ou núcleo, e a bobina às vezes é chamada de solenóide.
A bobina do circuito oscilatório só oscila quando há uma carga armazenada. Quando a corrente passa por ele, ele acumula uma carga, que é liberada para o circuito se a tensão cair.
Os fios da bobina geralmente têm uma resistência muito pequena, que permanece sempre constante. No circuito de um circuito oscilante, ocorre com muita frequência uma mudança na tensão e na corrente. Esta mudança está sujeita a certas leis matemáticas:
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U=U0cos(w(t-t0), onde
U é a tensão atual ponto no tempo t, U0 - tensão no tempo t0, w - frequência de oscilações eletromagnéticas.
Outro componente integral do circuito é o capacitor elétrico. Este é um elemento composto por duas placas, que são separadas por um dielétrico. Nesse caso, a espessura da camada entre as placas é menor que seus tamanhos. Esse design permite que você acumule uma carga elétrica no dielétrico, que pode ser transferida para o circuito.
A diferença entre um capacitor e uma bateria é que não há transformação de substâncias sob a ação de uma corrente elétrica, mas sim um acúmulo direto de carga em um campo elétrico. Assim, com a ajuda de um capacitor, é possível acumular uma carga suficientemente grande, que pode ser distribuída de uma só vez. Neste caso, a intensidade da corrente no circuito aumenta muito.
Além disso, o circuito oscilatório consiste em mais um elemento: um resistor. Este elemento tem resistência e é projetado para controlar a corrente e a tensão no circuito. Se a resistência do resistor for aumentada a uma tensão constante, a intensidade da corrente diminuirá de acordo com a leiOma:
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I=U/R, onde
I é a corrente, U é a tensão, R é a resistência.
Indutor
Vamos dar uma olhada em todas as sutilezas do indutor e entender melhor sua função em um circuito oscilatório. Como já dissemos, a resistência deste elemento tende a zero. Assim, quando conectado a um circuito CC, ocorreria um curto-circuito. No entanto, se você conectar a bobina a um circuito CA, ela funcionará corretamente. Isso permite concluir que o elemento oferece resistência à corrente alternada.
Mas por que isso acontece e como surge a resistência com a corrente alternada? Para responder a essa pergunta, precisamos nos voltar para um fenômeno como a auto-indução. Quando a corrente passa pela bobina, uma força eletromotriz (EMF) surge nela, o que cria um obstáculo à mudança da corrente. A magnitude dessa força depende de dois fatores: a indutância da bobina e a derivada da força da corrente em relação ao tempo. Matematicamente, essa dependência é expressa pela equação:
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E=-LI'(t), onde
E é o valor EMF, L é o valor da indutância da bobina (para cada bobina é diferente e depende no número de bobinas do enrolamento e suas espessuras), I'(t) - derivada da força da corrente em relação ao tempo (a taxa de variação da força da corrente).
A intensidade da corrente contínua não muda com o tempo, então não há resistência quando exposta a ela.
Mas com corrente alternada, todos os seus parâmetros estão mudando constantemente de acordo com uma lei senoidal ou cosseno,como resultado, surge um EMF que impede essas mudanças. Essa resistência é chamada de indutiva e é calculada pela fórmula:
- XL =wL
A corrente no solenóide aumenta e diminui linearmente de acordo com várias leis. Isso significa que, se você interromper o fornecimento de corrente à bobina, ela continuará a dar carga ao circuito por algum tempo. E se, ao mesmo tempo, o fornecimento de corrente for interrompido abruptamente, ocorrerá um choque devido ao fato de a carga tentar ser distribuída e sair da bobina. Este é um problema sério na produção industrial. Tal efeito (embora não totalmente relacionado ao circuito oscilatório) pode ser observado, por exemplo, ao retirar o plugue da tomada. Ao mesmo tempo, uma faísca s alta, que em tal escala não é capaz de prejudicar uma pessoa. Isso se deve ao fato de que o campo magnético não desaparece imediatamente, mas se dissipa gradualmente, induzindo correntes em outros condutores. Em escala industrial, a força da corrente é muitas vezes maior que os 220 volts a que estamos acostumados, portanto, quando um circuito é interrompido na produção, podem ocorrer faíscas de tal força que causam muitos danos tanto à planta quanto à pessoa.
Uma bobina é a base do que consiste um circuito oscilatório. As indutâncias dos solenóides em série se somam. A seguir, examinaremos mais de perto todas as sutilezas da estrutura desse elemento.
O que é indutância?
A indutância da bobina de um circuito oscilatório é um indicador individual numericamente igual à força eletromotriz (em volts) que ocorre no circuito quandomudança na corrente de 1 A em 1 segundo. Se o solenóide estiver conectado a um circuito CC, sua indutância descreve a energia do campo magnético que é criado por essa corrente de acordo com a fórmula:
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W=(LI2)/2, onde
W é a energia do campo magnético.
O fator de indutância depende de muitos fatores: da geometria do solenóide, das características magnéticas do núcleo e do número de bobinas de fio. Outra propriedade deste indicador é que ele é sempre positivo, pois as variáveis das quais ele depende não podem ser negativas.
A indutância também pode ser definida como a propriedade de um condutor condutor de corrente armazenar energia em um campo magnético. É medido em Henry (em homenagem ao cientista americano Joseph Henry).
Além do solenóide, o circuito oscilatório consiste em um capacitor, que será discutido mais adiante.
Capacitor Elétrico
A capacitância do circuito oscilatório é determinada pela capacitância do capacitor elétrico. Sobre sua aparência foi escrito acima. Agora vamos analisar a física dos processos que ocorrem nele.
Como as placas do capacitor são feitas de um condutor, uma corrente elétrica pode fluir através delas. No entanto, existe um obstáculo entre as duas placas: um dielétrico (pode ser ar, madeira ou outro material de alta resistência. placas de capacitores. Isso aumenta a potência dos campos magnéticos e elétricos ao seu redor.a eletricidade acumulada nas placas começa a ser transferida para o circuito.
Cada capacitor tem uma tensão nominal ideal para sua operação. Se este elemento for operado por um longo tempo em uma tensão acima da tensão nominal, sua vida útil é significativamente reduzida. O capacitor do circuito oscilatório é constantemente afetado pelas correntes e, portanto, ao escolhê-lo, você deve ter muito cuidado.
Além dos capacitores usuais que foram discutidos, também existem ionistores. Este é um elemento mais complexo: pode ser descrito como um cruzamento entre uma bateria e um capacitor. Como regra, as substâncias orgânicas servem como dielétrico em um ionistor, entre os quais há um eletrólito. Juntos, eles criam uma dupla camada elétrica, que permite acumular neste projeto muitas vezes mais energia do que em um capacitor tradicional.
Qual é a capacitância de um capacitor?
A capacitância de um capacitor é a razão entre a carga do capacitor e a tensão sob a qual ele está localizado. Você pode calcular esse valor de maneira muito simples usando a fórmula matemática:
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C=(e0S)/d, onde
e0 é a permissividade do material dielétrico (valor da tabela), S - a área das placas do capacitor, d - a distância entre as placas.
A dependência da capacitância do capacitor na distância entre as placas é explicada pelo fenômeno da indução eletrostática: quanto menor a distância entre as placas, mais forte elas se afetam (de acordo com a lei de Coulomb), mais maior a carga das placas e menor a voltagem. E à medida que a tensão diminuio valor da capacitância aumenta, pois também pode ser descrito pela seguinte fórmula:
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C=q/U, onde
q é a carga em coulombs.
Vale a pena falar sobre as unidades dessa quantidade. A capacitância é medida em farads. 1 farad é um valor grande o suficiente para que os capacitores existentes (mas não ionistores) tenham uma capacitância medida em picofarads (um trilhão de farad).
Resistor
A corrente no circuito oscilatório também depende da resistência do circuito. E além dos dois elementos descritos que compõem o circuito oscilatório (bobinas, capacitores), há também um terceiro - um resistor. Ele é responsável por criar resistência. O resistor difere de outros elementos por possuir uma grande resistência, que pode ser alterada em alguns modelos. No circuito oscilatório, desempenha a função de regulador de potência do campo magnético. Você pode conectar vários resistores em série ou em paralelo, aumentando assim a resistência do circuito.
A resistência deste elemento também depende da temperatura, por isso deve-se ter cuidado com o seu funcionamento no circuito, pois ele aquece quando passa a corrente.
A resistência do resistor é medida em Ohms, e seu valor pode ser calculado usando a fórmula:
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R=(pl)/S, onde
p é a resistividade do material do resistor (medida em (Ohmmm2)/m);
l - comprimento do resistor (em metros);
S - área da seção (em milímetros quadrados).
Como vincular parâmetros de caminho?
Agora chegamos perto da físicafuncionamento do circuito oscilatório. Com o tempo, a carga nas placas do capacitor muda de acordo com uma equação diferencial de segunda ordem.
Se você resolver esta equação, várias fórmulas interessantes se seguem, descrevendo os processos que ocorrem no circuito. Por exemplo, a frequência cíclica pode ser expressa em termos de capacitância e indutância.
No entanto, a fórmula mais simples que permite calcular muitas quantidades desconhecidas é a fórmula de Thomson (em homenagem ao físico inglês William Thomson, que a derivou em 1853):
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T=2p(LC)1/2.
T - o período das oscilações eletromagnéticas, L e C - respectivamente, a indutância da bobina do circuito oscilatório e a capacitância dos elementos do circuito, p - o número pi.
Q fator
Há outro valor importante que caracteriza o funcionamento do circuito - o fator de qualidade. Para entender o que é, deve-se recorrer a um processo como a ressonância. Este é um fenômeno em que a amplitude se torna máxima com um valor constante da força que suporta essa oscilação. A ressonância pode ser explicada com um exemplo simples: se você começar a empurrar o swing para a batida de sua frequência, ele acelerará e sua "amplitude" aumentará. E se você sair do tempo, eles vão desacelerar. Na ressonância, muita energia é frequentemente dissipada. Para poder calcular a magnitude das perdas, eles criaram um parâmetro como o fator de qualidade. É uma razão igual à razãoenergia no sistema às perdas que ocorrem no circuito em um ciclo.
O fator de qualidade do circuito é calculado pela fórmula:
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Q=(w0W)/P, onde
w0 - frequência de oscilação cíclica ressonante;
W - energia armazenada no sistema oscilatório;
P - dissipação de potência.
Este parâmetro é um valor adimensional, pois na verdade mostra a relação entre energia: armazenada e gasta.
O que é um circuito oscilatório ideal
Para uma melhor compreensão dos processos neste sistema, os físicos criaram o chamado circuito oscilatório ideal. Este é um modelo matemático que representa um circuito como um sistema com resistência zero. Produz oscilações harmônicas não amortecidas. Tal modelo permite obter fórmulas para o cálculo aproximado dos parâmetros de contorno. Um desses parâmetros é a energia total:
W=(LI2)/2.
Tais simplificações aceleram significativamente os cálculos e permitem avaliar as características de um circuito com determinados indicadores.
Como funciona?
Todo o ciclo do circuito oscilatório pode ser dividido em duas partes. Agora vamos analisar detalhadamente os processos que ocorrem em cada parte.
- Primeira fase: A placa do capacitor carregado positivamente começa a descarregar, fornecendo corrente ao circuito. Neste momento, a corrente passa de uma carga positiva para uma negativa, passando pela bobina. Como resultado, ocorrem oscilações eletromagnéticas no circuito. corrente passandobobina, vai para a segunda placa e a carrega positivamente (enquanto a primeira placa, da qual a corrente flui, é carregada negativamente).
- Segunda fase: ocorre o processo inverso. A corrente passa da placa positiva (que era negativa no início) para a negativa, passando novamente pela bobina. E todas as cargas se encaixam.
O ciclo se repete enquanto houver carga no capacitor. Em um circuito oscilatório ideal, esse processo continua indefinidamente, mas em um real, as perdas de energia são inevitáveis devido a vários fatores: aquecimento, que ocorre devido à existência de resistência no circuito (calor Joule), e afins.
Opções de desenho de contorno
Além dos circuitos simples "bobina-capacitor" e "bobina-resistor-capacitor", existem outras opções que utilizam um circuito oscilatório como base. Este, por exemplo, é um circuito paralelo, que se diferencia por existir como elemento de um circuito elétrico (pois, se existisse separadamente, seria um circuito em série, o que foi discutido no artigo).
Há também outros tipos de projetos que incluem diferentes componentes elétricos. Por exemplo, você pode conectar um transistor à rede, que abrirá e fechará o circuito com uma frequência igual à frequência de oscilação no circuito. Assim, oscilações não amortecidas serão estabelecidas no sistema.
Onde é usado um circuito oscilatório?
A aplicação mais familiar dos componentes do circuito são os eletroímãs. Eles, por sua vez, são utilizados em interfones, motores elétricos,sensores e em muitas outras áreas não tão comuns. Outra aplicação é um gerador de oscilação. De fato, esse uso do circuito é muito familiar para nós: dessa forma ele é usado no microondas para criar ondas e nas comunicações móveis e de rádio para transmitir informações à distância. Tudo isso se deve ao fato de que as oscilações das ondas eletromagnéticas podem ser codificadas de forma que seja possível transmitir informações a longas distâncias.
O próprio indutor pode ser usado como um elemento de um transformador: duas bobinas com um número diferente de enrolamentos podem transferir sua carga usando um campo eletromagnético. Mas como as características dos solenóides são diferentes, os indicadores de corrente nos dois circuitos aos quais esses dois indutores estão conectados serão diferentes. Assim, é possível converter uma corrente com tensão de, digamos, 220 volts em uma corrente com tensão de 12 volts.
Conclusão
Analisamos detalhadamente o princípio de funcionamento do circuito oscilatório e cada uma de suas partes separadamente. Aprendemos que um circuito oscilatório é um dispositivo projetado para criar ondas eletromagnéticas. No entanto, estes são apenas o básico da mecânica complexa desses elementos aparentemente simples. Você pode aprender mais sobre as complexidades do circuito e seus componentes na literatura especializada.
