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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Circuito oscilatorio. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Radioaficionado principiante El dispositivo y el diagrama del circuito oscilatorio más simple se muestran en la Fig.1. Como puede ver, consta de una bobina L y un condensador C, formando un circuito eléctrico cerrado. Bajo ciertas condiciones, pueden surgir y existir oscilaciones eléctricas en el circuito. Por lo tanto, se llama un circuito oscilatorio. ¿Alguna vez ha observado un fenómeno de este tipo: en el momento de apagar la energía de una lámpara de iluminación eléctrica, aparece una chispa entre los contactos de apertura del interruptor? Si accidentalmente conectas las tiras de batería de una linterna eléctrica (cosa que hay que evitar), en el momento en que se separan, también salta una pequeña chispa entre ellas. Y en las centrales eléctricas, en las fábricas donde los interruptores rompen circuitos eléctricos por los que fluyen corrientes muy grandes, las chispas pueden ser tan importantes que se deben tomar medidas para que no dañen a la persona que enciende la corriente. ¿Por qué se generan estas chispas?
Desde la primera conversación, ya sabe que hay un campo magnético alrededor de un conductor que transporta corriente, que se puede representar como líneas de fuerza magnéticas cerradas que penetran en el espacio circundante (Fig. 2). Para detectar este campo, si es constante, puede utilizar la aguja magnética de la brújula. Si el conductor se desconecta de la fuente de corriente, su campo magnético que desaparece, al disiparse en el espacio, inducirá corrientes en otros conductores. La corriente se induce en el conductor que creó este campo magnético. Y puesto que está en el grueso de sus propias líneas de fuerza magnética, se inducirá en él una corriente más fuerte que en cualquier otro conductor. La dirección de esta corriente será la misma que tenía en el momento de romper el conductor. En otras palabras, un campo magnético que desaparece mantendrá la corriente que lo creó hasta que desaparezca, es decir, la energía contenida en él no se agota por completo. En consecuencia, la corriente en el conductor también fluye después de que se apaga la fuente de corriente, pero, por supuesto, no por mucho tiempo, una fracción insignificante de segundo.
Pero en un circuito abierto el movimiento de los electrones es imposible, objetarás. Sí, lo es. Pero después de abrir el circuito eléctrico, la corriente puede fluir durante algún tiempo a través del espacio de aire entre los extremos desconectados del conductor, entre los contactos de un interruptor o interruptor. Esta corriente a través del aire forma una chispa eléctrica. Este fenómeno se llama autoinducción, y la fuerza eléctrica (no confundir con la inducción, de la que hablamos en la primera conversación), que, bajo la influencia de un campo magnético que se desvanece, mantiene una corriente en él, es la electromotriz. fuerza de autoinducción o, en resumen, fem. autoinducción. Cuanto más f.e.m. autoinducción, más significativa puede ser la chispa al punto de romper el circuito eléctrico. El fenómeno de la autoinducción se observa no solo cuando se apaga la corriente, sino también cuando se enciende la corriente. En el espacio que rodea al conductor, surge un campo magnético inmediatamente cuando se enciende la corriente. Al principio es más débil, pero luego se intensifica muy rápidamente. El campo magnético creciente de la corriente también excita la corriente de autoinducción, pero esta corriente se dirige hacia la corriente principal. La corriente de autoinducción evita el aumento instantáneo de la corriente principal y el crecimiento del campo magnético. Sin embargo, después de un corto período de tiempo, la corriente principal y el conductor superan la corriente de autoinducción entrante y alcanzan su valor máximo, el campo magnético no cambia y la autoinducción se detiene. El fenómeno de la autoinducción se puede comparar con el fenómeno de la inercia. Los trineos, por ejemplo, son difíciles de mover. Pero cuando ganan velocidad, acumulan energía cinética, la energía del movimiento, no se pueden detener instantáneamente. Después de frenar, continúan deslizándose hasta que la energía de movimiento almacenada se utiliza para superar la fricción en la nieve. ¿Todos los conductores tienen la misma autoinducción? ¡No! Cuanto más largo sea el conductor, mayor será la autoinducción. En un conductor enrollado en una bobina, el fenómeno de autoinducción es más pronunciado que en un conductor recto, ya que el campo magnético de cada vuelta de la bobina induce corriente no solo en esta vuelta, sino también en las vueltas vecinas de esta bobina. Cuanto más largo sea el cable en la bobina, más tiempo existirá la corriente de autoinducción después de que se apague la corriente principal. Y, por el contrario, llevará más tiempo encender la corriente principal, de modo que la corriente en el circuito aumente hasta cierto valor y se establezca un campo magnético de fuerza constante. Recuerde: la propiedad de los conductores de influir en la corriente en un circuito cuando cambia su valor se llama inductancia, y las bobinas en las que esta propiedad se manifiesta con mayor fuerza se denominan bobinas de autoinducción o inductancia. Cuanto mayor sea el número de vueltas y las dimensiones de la bobina, mayor será su inductancia, más significativa será su influencia sobre la corriente en el circuito eléctrico; cadenas. Así, la bobina evita tanto el aumento como la disminución de corriente en el circuito eléctrico. Si está en un circuito de corriente continua, su influencia se siente sólo cuando se enciende y apaga la corriente. En un circuito de corriente alterna, donde la corriente y su campo magnético cambian continuamente, la fem. La autoinducción de la bobina está activa mientras fluye corriente. Este fenómeno eléctrico se utiliza en el primer elemento del circuito oscilante del receptor: la bobina.
El segundo elemento del circuito oscilatorio del receptor es el "acumulador" de cargas eléctricas: un condensador. El capacitor más simple consta de dos conductores de corriente eléctrica, pueden ser dos placas de metal, llamadas placas de capacitor, separadas por un no conductor de corriente eléctrica, un dieléctrico, como aire o papel. Ya ha utilizado un condensador de este tipo durante experimentos con un receptor simple. Cuanto mayor sea el área de las placas del condensador y cuanto más cerca estén ubicadas entre sí, mayor será la capacitancia eléctrica de este dispositivo. Si se conecta una fuente de corriente continua a las placas del capacitor (Fig. 3, a), aparecerá una corriente a corto plazo en el circuito resultante y el capacitor se cargará a un voltaje igual al voltaje de la fuente de corriente. Usted puede preguntarse: ¿por qué aparece una corriente en un circuito donde hay un dieléctrico? Cuando conectamos una fuente de corriente constante al condensador, los electrones libres en los conductores del circuito resultante comienzan a moverse hacia el polo positivo de la fuente de corriente, formando un flujo de electrones a corto plazo en todo el circuito. Como resultado, la placa del condensador, que está conectada al polo positivo de la fuente de corriente, se empobrece en electrones libres y se carga positivamente, mientras que la otra se enriquece en electrones libres y, por lo tanto, se carga negativamente. Tan pronto como se cargue el capacitor, la corriente de corto plazo en el circuito, llamada corriente de carga del capacitor, se detendrá. Si la fuente de corriente se desconecta del condensador, el condensador se cargará (Fig. 3, b). El dieléctrico impide la transferencia del exceso de electrones de una placa a otra. No habrá corriente entre las placas del condensador, sino acumulada por el mismo. la energía eléctrica se concentrará en la fracción eléctrica del dieléctrico a. Pero tan pronto como las placas de un condensador cargado estén conectadas por un conductor (Fig.3, c), los electrones "sobrantes" de la placa cargada negativamente pasarán a través de este conductor a otra placa, donde faltan, y el condensador será dado de alta. En este caso, en el circuito resultante también surge una corriente de corta duración, llamada corriente de descarga del condensador. Si la capacitancia del condensador es grande y se carga a un voltaje significativo, el momento de descarga va acompañado de la aparición de una chispa significativa y un crujido. La propiedad de un capacitor de acumular cargas eléctricas y descargarse a través de los conductores conectados a él se aprovecha precisamente en el circuito oscilatorio de un receptor de radio. Y ahora, joven amigo, recuerda un columpio ordinario. Puedes balancearte sobre ellos para que "te quiten el aliento". ¿Qué hay que hacer para esto? Empuje primero para sacar el columpio del reposo y luego aplique algo de fuerza, pero siempre al compás de sus oscilaciones. Sin mucha dificultad, puede lograr fuertes cambios de balanceo: obtenga grandes amplitudes de oscilación. Incluso un niño pequeño puede balancear a un adulto en un columpio si aplica su fuerza hábilmente. Habiendo girado el columpio con más fuerza para lograr grandes amplitudes de oscilaciones, dejaremos de empujarlos. ¿Qué pasará después? Debido a la energía almacenada, se balancean libremente durante algún tiempo, la amplitud de sus oscilaciones disminuye gradualmente, como dicen, las oscilaciones se extinguen y, finalmente, la oscilación se detiene. Con oscilaciones libres de un columpio, así como un péndulo suspendido libremente, la energía potencial almacenada se convierte en cinética, la energía de movimiento, que en el punto más alto se convierte nuevamente en potencial, y después de una fracción de segundo, nuevamente en cinético. Y así sucesivamente hasta que se consuma todo el suministro de energía para vencer la fricción de las cuerdas en los lugares donde se suspende el columpio y la resistencia del aire. Con una cantidad arbitrariamente grande de energía, las oscilaciones libres siempre se amortiguan: con cada oscilación, su amplitud disminuye y las oscilaciones se extinguen gradualmente por completo: se establece la paz. Pero el período (el período de tiempo durante el cual ocurre una oscilación) y, por lo tanto, la frecuencia de las oscilaciones, permanecen constantes. Sin embargo, si el columpio es empujado constantemente al mismo tiempo que sus oscilaciones B, reponiendo así las pérdidas de energía gastadas en superar varias fuerzas de frenado, las oscilaciones no se amortiguarán. Ya no son oscilaciones libres, sino forzadas. Durarán hasta que la fuerza de empuje externa deje de actuar. Mencioné oscilaciones aquí porque los fenómenos físicos que ocurren en un sistema oscilatorio mecánico de este tipo son muy similares a los de un circuito oscilatorio eléctrico. Para que surjan oscilaciones eléctricas en el circuito, se le debe dar energía que "empuje" a los electrones. Esto se puede hacer cargando, por ejemplo, su condensador. Rompamos el interruptor B en el circuito oscilatorio y conectemos la fuente de CC a las placas de su capacitor, como se muestra en la Fig. 4 arriba. El capacitor se cargará al voltaje de la batería B. Luego desconectamos la batería del capacitor y cerramos el circuito con el interruptor C. Los fenómenos que ahora ocurrirán en el circuito se muestran gráficamente en la Fig. 4 a continuación.
Cuando el circuito está cerrado por un interruptor, la placa superior del capacitor tiene una carga positiva y la inferior tiene una carga negativa (Fig. 4, a). En este momento, marcado en el gráfico por el punto O, no hay corriente en el circuito y toda la energía acumulada por el condensador se concentra en el campo eléctrico entre sus placas. Pero el capacitor está cerca de la bobina, a través de la cual comenzará a descargarse. Aparece una corriente en la bobina y un campo magnético alrededor de sus vueltas. En el momento en que el capacitor está completamente descargado (Fig. 4, b), marcado en el gráfico con el número 1, cuando el voltaje en sus placas cae a cero, la corriente en la bobina y la energía del campo magnético alcanzará los valores más altos. Parecería que en este momento la corriente en el circuito debería haberse detenido. Esto, sin embargo, no sucederá, ya que por la acción de la fem. autoinducción, buscando mantener la corriente, el movimiento de electrones en el circuito continuará. Pero solo hasta que se agote toda la energía del campo magnético. En la bobina en este momento, fluirá una corriente inducida de magnitud decreciente, pero de la dirección original. Para el punto de tiempo marcado en el gráfico con el número 2, cuando la energía del campo magnético se agote, el capacitor estará nuevamente cargado, solo que ahora hay una carga positiva en su placa inferior y una carga negativa en la superior. uno (Fig. 4, c). Ahora los electrones comenzarán a invertir el movimiento en la dirección desde la placa superior a través de la bobina hasta la placa inferior del capacitor. En el tiempo 3 (Fig. 4, d) el capacitor se descargará y el campo magnético de la bobina alcanzará su valor máximo. Y de nuevo, fem. la autoinducción "conducirá" los electrones a través del cable de la bobina, recargando así el capacitor. En el momento 4 (Fig. 4, e) habrá el mismo estado de electrones en el circuito que en el momento inicial 0. Ha terminado una oscilación completa. Naturalmente, el condensador cargado se descargará nuevamente en la bobina, se recargará y ocurrirá el segundo, seguido del tercero, cuarto, etc. fluctuaciones. En otras palabras, aparecerá en el circuito una corriente eléctrica alterna, oscilaciones eléctricas. Pero este proceso oscilatorio en el circuito no es infinito. Continúa hasta que toda la energía recibida por el condensador de la batería se agota para superar la resistencia del cable de la bobina del circuito. Tales oscilaciones en el circuito son libres B y, por tanto, amortiguadas. ¿Cuál es la frecuencia de estas oscilaciones de electrones en el circuito? Para comprender mejor este problema, le aconsejo que realice un experimento de este tipo con el péndulo más simple. Suspendida de un hilo, de 100 cm de largo, una bola moldeada de plastilina u otra carga que pese (peso) entre 20 y 40 g (en la Fig. 5, la longitud del péndulo se indica con la letra latina l). Saque el péndulo del equilibrio y, utilizando un reloj con segundero, cuente cuántas oscilaciones completas realiza en 1 minuto. Aproximadamente 30. Por lo tanto, la frecuencia de oscilación de este péndulo es de 0,5 Hz y el período es de 2 s. Durante el período, la energía potencial del péndulo pasa dos veces a cinética y la cinética a potencial. Corta el hilo por la mitad. La frecuencia del péndulo aumentará aproximadamente una vez y media y el período de oscilación disminuirá en la misma cantidad.
Esta experiencia nos permite concluir: con una disminución en la longitud del péndulo, la frecuencia de sus oscilaciones naturales aumenta y el período disminuye proporcionalmente. Al cambiar la longitud de la suspensión del péndulo, asegúrese de que su frecuencia de oscilación sea de 1 Hz. Este debe ser con una longitud de hilo de unos 25 cm, en este caso el periodo de oscilación del péndulo será igual a 1 s. No importa cómo intente crear la oscilación inicial del péndulo, la frecuencia de sus oscilaciones permanecerá sin cambios. Pero uno solo tiene que acortar o alargar el hilo, ya que la frecuencia de oscilación cambiará inmediatamente. Con la misma longitud de hilo, siempre habrá la misma frecuencia de oscilación. Esta es la frecuencia natural del péndulo. Es posible obtener una determinada frecuencia de oscilación seleccionando la longitud del hilo. Las oscilaciones del péndulo de hilo se amortiguan. Sólo pueden desamortizarse si el péndulo es empujado ligeramente al compás de sus oscilaciones, compensando así la energía que gasta al vencer la resistencia ejercida por el aire, la energía de fricción, la gravedad terrestre. Un circuito eléctrico oscilatorio también tiene su propia frecuencia. La frecuencia de oscilación natural depende, en primer lugar, de la inductancia de la bobina. Cuanto mayor sea el número de vueltas y el diámetro de la bobina, cuanto mayor sea su inductancia, mayor será la duración del período de cada oscilación. La frecuencia natural de las oscilaciones en el circuito será correspondientemente menor. Y, por el contrario, con una disminución en la inductancia de la bobina, se reducirá el período de oscilación: aumentará la frecuencia natural de oscilación en el circuito. La frecuencia de las oscilaciones en el circuito depende, en segundo lugar, de la capacitancia del capacitor. Cuanto mayor sea la capacitancia, más carga puede acumular el capacitor, más tiempo llevará recargarlo y esto reducirá la frecuencia de las oscilaciones en el circuito. Con una disminución en la capacitancia del capacitor, aumenta la frecuencia de las oscilaciones y el circuito. Así, la frecuencia natural de las oscilaciones amortiguadas en el circuito se puede controlar cambiando la inductancia de la bobina o la capacitancia del capacitor. Pero en un circuito eléctrico, así como en un sistema oscilatorio mecánico, también se pueden obtener no amortiguados, es decir. oscilaciones forzadas, si en cada oscilación el circuito se repone con porciones adicionales de energía eléctrica de cualquier fuente de corriente alterna. Entonces, ¿cómo se excitan y mantienen las oscilaciones eléctricas no amortiguadas en el circuito receptor? Corriente de alta frecuencia excitada en la antena. Esta corriente informa al circuito de la carga inicial y también mantiene las oscilaciones rítmicas de los electrones en el circuito. Sin embargo, las oscilaciones no amortiguadas más fuertes en el circuito receptor ocurren solo en el momento de resonancia de la frecuencia natural del circuito con la frecuencia de la corriente en la antena. ¿Qué significa? Las personas de la generación anterior dicen que en San Petersburgo, el puente egipcio se derrumbó por los soldados que caminaban al paso. Y podría suceder, al parecer, en tales circunstancias. Todos los soldados cruzaron rítmicamente el puente. El puente comenzó a balancearse a partir de esto, a oscilar. Por una coincidencia, la frecuencia natural del puente coincidió con la frecuencia de paso de los soldados, como dicen, el puente cayó en resonancia. El ritmo del edificio informó al puente más y más porciones de energía. Como resultado, el puente se balanceó tanto que colapsó: la coherencia del sistema militar dañó el puente. Si no hubiera resonancia de la frecuencia natural del puente con la frecuencia de paso de los soldados, nada le hubiera pasado al puente. Por lo tanto, por cierto, cuando los soldados pasan por puentes débiles, es costumbre dar la orden de "cortar la pierna". Y aquí está la experiencia. Acércate a algún instrumento musical de cuerda y grita "a" fuerte: una de las cuerdas resonará. La que está en resonancia con la frecuencia de este sonido vibrará con más fuerza que las otras cuerdas, responderá al sonido. Otra experiencia - con péndulos. Estire una cuerda delgada horizontalmente. Ate el mismo péndulo hecho de hilo y plastilina (Fig. 6). Lanza otro péndulo similar sobre la cuerda, pero con un hilo más largo. La longitud de la suspensión de este péndulo se puede cambiar tirando con la mano del extremo libre del hilo. Ponga este péndulo en movimiento oscilatorio. En este caso, el primer péndulo también comenzará a oscilar, pero con una amplitud menor. Sin detener las oscilaciones del segundo péndulo, reduzca gradualmente la longitud de su suspensión; la amplitud de las oscilaciones del primer péndulo aumentará. En este experimento, que ilustra la resonancia de las vibraciones mecánicas, el primer péndulo es el receptor de las vibraciones excitadas por el segundo péndulo. La razón que obliga al primer péndulo a oscilar son las oscilaciones periódicas de la extensión con una frecuencia igual a la frecuencia de oscilación del segundo péndulo. Las oscilaciones forzadas del primer péndulo tendrán una amplitud máxima sólo cuando su frecuencia natural coincida con la frecuencia de oscilación del segundo péndulo.
Tales o similares fenómenos, solo que, por supuesto, de "origen" eléctrico, también se observan en el circuito oscilatorio del receptor. Por la acción de las ondas de muchas estaciones de radio, se excitan corrientes de varias frecuencias en la antena receptora. De todas estas frecuencias, debemos elegir solo la frecuencia de la estación de radio cuyas transmisiones queremos escuchar. Para hacer esto, debe elegir el número de vueltas de la bobina y la capacitancia del capacitor del circuito oscilatorio para que su frecuencia natural coincida con la frecuencia de la corriente creada en la antena por las ondas de la estación que nos interesa. . En este caso, las oscilaciones más fuertes se excitarán en el circuito con la frecuencia portadora de la emisora de radio a la que está sintonizado. Esta es la sintonización del circuito receptor en resonancia con la frecuencia de la estación transmisora. En este caso, las señales de otras estaciones no son audibles en absoluto o se escuchan muy débilmente, ya que las oscilaciones provocadas por ellas en el circuito serán muy débiles. Por lo tanto, al sintonizar el circuito de su primer receptor para que resuene con la frecuencia de la estación de radio, con su ayuda, usted, por así decirlo, seleccionó, singularizó las fluctuaciones de frecuencia de solo esta estación. Cuanto mejor seleccione el circuito las oscilaciones deseadas de la antena, mayor será la selectividad del receptor, más débil será la interferencia de otras estaciones de radio. Hasta ahora les he hablado de un circuito cerrado oscilatorio, es decir circuito, cuya frecuencia natural está determinada únicamente por la inductancia de la bobina y la capacitancia del capacitor que la forma. Sin embargo, el circuito de entrada de cualquier receptor también incluye una antena y tierra. Este ya no es un circuito oscilatorio cerrado, sino abierto. El hecho es que el cable de la antena y la Tierra son "placas" de un condensador (Fig. 7), que tiene una cierta capacidad eléctrica. Según la longitud del cable y la altura de la antena sobre el suelo, esta capacitancia puede llegar a varios cientos de picofaradios. Tal capacitor en el circuito de la Fig. se mostró con líneas discontinuas. Pero después de todo, la antena y la tierra también pueden considerarse como una bobina incompleta de una gran bobina. Por lo tanto, la antena y la tierra, en conjunto, también tienen inductancia. Y la capacitancia junto con la inductancia forman un circuito oscilatorio.
Tal circuito, que es un circuito oscilatorio abierto, también tiene su propia frecuencia de oscilación. Al incluir inductores y capacitores entre la antena y tierra, podemos cambiar su frecuencia natural, sintonizarla en resonancia con las frecuencias de diferentes estaciones de radio. Cómo se hace esto en la práctica, ya lo sabes. No me equivocaré si digo que el circuito oscilatorio es el "corazón" del receptor de radio. Y no solo la radio. Estarás convencido de esto. Por eso le presté mucha atención. Publicación: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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