Багницкий В. Е.
Обратные связи в физических явлениях.
(Продолжение книги: «Новая физика электронных приборов»)
Владивосток
2014 г.
Содержание.
Введение |
5 |
1. Закон Ньютона-Рихмана. |
7 |
1.1. Закон Ньютона-Рихмана. Направление процесса: остывание тела. |
8 |
1.2. Закон Ньютона-Рихмана. Направление процесса: нагрев тела. |
10 |
2. Закон релаксации электрического заряда. |
14 |
2.1. Закон релаксации электрического заряда. Направление процесса: заряд. |
14 |
2.2. Закон релаксации электрического заряда. Направление процесса: разряд. |
16 |
3. Закон о самоиндукции. |
18 |
3.1. Закон самоиндукции. Направление процесса: нарастание магнитного поля. |
19 |
3.2. Закон самоиндукции. Направление процесса: спад магнитного поля. |
21 |
4. Особенности процесса релаксации. |
24 |
4.1. Дифференциальное уравнение процесса релаксации. |
24 |
4.2. Интегратор – модель процесса релаксации. |
25 |
4.3. Теория линейной обратной связи. |
30 |
4.3.1. Уравнение обратной связи для линейной функции. ООС. |
31 |
4.4. Теория накопительной обратной связи. |
31 |
4.4.1. Накопительная ПОС. Экспоненциальный рост. |
32 |
4.4.2. Накопительная ООС. Экспоненциальный спад. |
35 |
5. Анализ вывода уравнений для трёх релаксаций: тепловой, электрической и магнитной. |
38 |
5.1. Вывод уравнения Ньютона-Рихмана. |
38 |
5.2. Вывод уравнения для электрической релаксации (заряд и разряд конденсатора). |
41 |
5.3. Вывод уравнения для магнитной релаксации (спад и нарастание тока катушке). |
42 |
6. Систематизация физических законов. Иерархия для трёх релаксаций: тепловой, электрической и магнитной. |
47 |
6.1. Электромагнитные колебания. Формула Томсона для колебательного контура. |
49 |
7. Иерархия энергий. |
52 |
7.1. Построение физики по правилам НООС.
|
52 |
7.2. Физические законы для систем электрического и теплового зарядов. |
56 |
7.2.1. Электрический ток.
|
56 |
7.2.2. Параметр электрического сопротивления.
|
57 |
7.2.3. Тепловой ток ( мощность).
|
57 |
7.2.4. Температура или тепловое напряжение.
|
58 |
7.2.5. Второе определение теплового тока.
|
59 |
7.2.6. Параметр теплового сопротивления.
|
59 |
7.2.7. Параметр тепловой ёмкости. |
60 |
7.2.8. Флуктуационный ток – это ток энергии 4-го уровня.
|
60 |
7.2.9. Составной термо-электрический потенциал (СТЭП).
|
61 |
7.2.10. Сопротивление флуктуационному току.
|
62 |
7.3. Блок-схема для формул основных физических законов.
|
63 |
7.4. Как работает закон сохранения энергий.
|
67 |
7.5. Механическая иерархия энергий. Механический эквивалент тепла. |
70 |
7.6. Закон сохранения и преобразования энергий. Интегральный и дифференциальный процессы. |
73 |
8. Механическая иерархия энергий. НООС в механике.
|
75 |
8.1. НООС в механике: вывод 2-го закона Ньютона.
|
75 |
8.2. Уравнение для гармонического осциллятора в механической системе.
|
78 |
9. Время равно эфиру.
|
79 |
9.1. Гипотеза: эфир как субстанции 1-го уровня.
|
79 |
|
|
10. Вечное движение. |
82 |
10.1. Вечное движение в механике. |
82 |
10.2. Вечное псевдо-движение в магнетизме. |
84 |
11. Физическая модель мира: кинематограф. |
86 |
11.1. Роль памяти в физике.
|
87 |
11.2. Физическая модель мира. |
88 |
11.3. Выводы. |
91 |
12. Построение схем при релаксациях. Условные обозначения. |
92 |
13. Линейность процессов переноса при релаксациях. |
92 |
14. Ошибки теории единой энергии. |
95 |
14.1. Энергия магнитного поля. |
95 |
14.2. Энергия электрического поля. |
98 |
14.3. Энергия механического движения. |
100 |
15. Свойства отрицательной обратной связи: «Следствие» управляет «причиной». |
103 |
15.1. Физические явления, где «Следствие» управляет «причиной». |
103 |
16. Для чего нужны уравнения Максвелла? |
107 |
16.1. Ошибки теории Максвелла. |
107 |
16.2. Система СГС как метод фальсификации. |
112 |
17. Законы НООС как законы сохранения импульса системы. |
114 |
17.1. Закон сохранения импульса. |
114 |
17.2. Закон сохранения магнитного потока. |
115 |
17.3. Закон сохранения излучения для источника теплового тока (излучателя). |
116 |
18. Математическая задача построения иерархии энергий. |
117 |
18.1. Тепловая иерархия уровней энергий. Бесконечный ряд уровней энергий. |
117 |
18.2. Система релаксации, или система НООС. |
120 |
19. Обратные связи, возникающие в простейших электронных приборах. |
123 |
19.1. Контакт двух полупроводников, или полупроводниковый диод. |
123 |
19.2. Вывод эмиссионного уравнения. (Вывод уравнения вольт-амперной характеристики прямого тока для полупроводникового диода в зависимости от температуры. ) |
123 |
19.3. Определение для основного закона о соотношении флуктуационного и электрического тока.
|
128 |
19.4. Расчёт вольт-амперной характеристики прямого тока для полупроводникового диода.
|
129 |
19.5. Отрицательная обратная связь в уравнении вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.
|
132 |
19.6. Расчёт вольт-амперной характеристики прямого тока для электровакуумного диода с вольфрамовым катодом.
|
132 |
19.7. Две отрицательные обратные связи в уравнении вольт-амперной характеристики вакуумного диода.
|
137 |
20. Положительная и отрицательная обратные связи, в работе биполярного транзистора. |
138 |
20.1. Термоэлектроника – основа работы полупроводниковых приборов . |
138 |
20.2. Принцип работы биполярного транзистора. Схема с общей базой . |
140 |
20.3. Принцип работы транзистора. Схема с общим эмиттером. |
145 |
20.4. Исследование биполярного транзистора. Способ исследования потока тепла. |
150 |
20.5. Опыт с биполярным транзистором, показывающий положительную обратную связь. |
153 |
Заключение
|
162 |
Список литературы.
|
164 |
Приложение 1. Лабораторное исследование. Измерение вольт-амперной характеристики полупроводникового диода Д105А в зависимости от температуры. Построение математической модели. |
165 |
|
|
|
|
|
|
В физике все наши знания основываются только на аналогии; если бы сходство следствий не давало нам права заключать о тождестве их причин, что сталось бы с этой наукой? Не потребовалось ли бы отыскивать причины всех подобных явлений без исключения? Осуществимо ли это?
Что сталось бы с медициной и другими практическими отраслями физики без этого принципа аналогии? Если бы одни и те же средства, примененные в одинаковых случаях, не позволяли нам рассчитывать на одинаковый успех, как можно было бы лечить болезни? Какие выводы следовало бы делать из многочисленных данных опыта и наблюдения?
Д. Дидро. (Собрание сочинений т.7. стр 192.)
Введение.
Существуют ли обратные связи в физике (отрицательные и положительные) в физике? В каких явлениях мы можем их наблюдать?
Наука об обратных связях появилась не так давно. Её появление больше связано с развитием науки об электронных усилителях, но устройства, основанные на обратных связях известны очень давно.
Одно из таких устройств – регулятор уровня топлива в карбюраторе. Это устройство называется «поплавковая камера».
История создания поплавковой камеры тесно связана с историей первых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
В 1867 г. компания «Отто и К°» продемонстрировала публике «кельнский моторчик», который в жесткой конкурентной борьбе с 14 подобными конструкциями выиграл состязание на экономичность.
В 1877 г. немецкому инженеру-изобретателю Николаусу Аугусту Отто был выдан патент на изобретение четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
Карбюратор — узел системы питания ДВС Отто, предназначенный для подготовки горючей смеси оптимального состава путём смешивания (карбюрации, фр. carburation) жидкого топлива с воздухом и регулирования количества её подачи в камеры сгорания двигателя.
Карбюраторы имеют разное устройство, но в некоторых из них для стабилизации уровня топлива, применяется поплавковая камера.
Рис 0.1. Карбюратор с поплавковой камерой.
Простейший карбюратор состоит из двух функциональных элементов: поплавковой камеры (10) и смесительной камеры (8).
Пояснения к рисунку 0.1. :
1 - поступление топлива;
2 – поплавковый клапан;
3 – поплавок;
4 – балансировочное отверстие;
5 – дроссельная заслонка;
6 – диффузор, или трубка Вентури;
7 – распылитель;
8 – смесительная камера карбюратора;
9 – жиклёр;
10 – поплавковая камера;
Стабилизатор уровня топлива в поплавковой камере работает на принципе системы с отрицательной обратной связью (ООС).
Для того, чтобы разобраться, опишем её работу.
Существует причина, заставляющая поплавок всплывать – это подача топлива через трубку 1.
Существует следствие – это всплывание поплавка.
Отрицательная обратная связь работает так:
1. Причина. Если уровень топлива ниже нормы, то клапан 2 находится в открытом состоянии и через трубку 1 в поплавковую камеру подаётся топливо.
2. Следствие. Уровень топлива повышается, поплавок всплывает, и клапан 2 закрывается, прекращается подача топлива, тем самым уменьшается причина.
Отрицательные обратные связи – это попытки события-следствия уменьшить своё событие-причину.
Отрицательные обратные связи существуют по той причине, что время во всех точках пространства синхронно. Поплавковая камера – классический пример ООС.
Обычно ОС можно сформулировать устно, в виде нескольких предложений, которые логически отрицают друг друга.
Если ООС – это явления, сопровождающиеся стабилизацией какого-либо параметра, то ПОС (положительные обратные связи) – это явления, которые неустойчивы, нестабильны, способные вызвать неуправляемый лавинообразный процесс. Так, например, снежные лавины, взрывы, нарастание нейтронов при ядерном распаде – это примеры ПОС.
Положительные обратные связи – это попытки события-следствия усилить своё событие-причину.
Получается, что отрицательные обратные связи – это попытки совершить путешествие в прошлое, чтобы уменьшить свою причину, а положительные обратные связи – это попытки совершить путешествие в будущее, чтобы усилить свою причину.
Время, же во всех точках пространства синхронно, путешествия во времени невозможны, потому все попытки заканчиваются обратными связями.
В физике есть много явлений, которые взаимосвязаны. Так, например, Фарадей искал способ, каким образом можно «магнитное поле превратить в электрический ток». Напрямую обратить магнитное поле в электрический ток Фарадей не смог, но обнаружил, что ток в проводнике можно получить за счёт изменения магнитного поля. Это явление электромагнитной индукции.
Есть на этот счёт возражение. Не бывает «электромагнетизма». Одно из явлений должно быть причиной, другое следствием.
Причиной электрических явлений является магнитное поле. Фарадей открыл «обратное» явление, значит: это явление было всего лишь обратной связью.
В этом и сложность раздела электродинамики, ведь магнитное поле вокруг проводника – это обратная связь: следствие вынуждено создавать свою причину.
В физике есть ещё ряд явлений, в которых присутствует обратная связь. Это процессы движения тепла, электрического заряда и магнитного заряда в пространстве, называемые релаксациями. Рассмотрим их подробнее.