РОЗДІЛ IV.

КОЛИВАЛЬНИЙ КОНТУР І ЙОГО ЕЛЕМЕНТИ.

Електричне коло, в якому можуть виникнути коливання, називається коливальним контуром. В роботі радіопри¬ладів коливальний контур відіграє дуже важливу роль. В передавачах з його допомогою створюють електричні струми високої частоти.

В приймачах коливальний контур за­безпечує можливість приймання бажаної радіостанції без перешкод з боку інших передавачів.

Коливальний контур складається з котушки індуктивності і конденсатора (рис. 99). Таким чином, основні параметри контура — ємність і індуктивність — зо­середжені у відокремлених одна від од­ної деталях — конденсаторі і котушці.

В реальному контурі завжди, крім ємності та індуктивності, існує активний опір.

§ 31. Вільні коливання.

Для створення в контурі електричних коливань треба спочатку надати конденсатору С початковий запас енергії, тобто зарядити його. Для цього ставимо перемикач (рис. 100) в положення 1. При цьому конденсатор зарядиться до напруги U_Б , яку має батарея.

Якщо тепер поставимо перемикач в положення 2, то конденсатор ви­явиться замкненим на котушку і поч­не розряджатися.

Розглянемо процеси, які виника­ють в такому коливальному контурі при розряді конденсатора (рис. 101,а). Напруга на конденсаторі при розряді зменшується, струм у котушці через самоіндукцію зростає лише поступово. Це значить, що електричне поле конденсатора змен­шується, а магнітне поле котушки підсилюється. Інакше ка­жучи, енергія конденсатора переходить в енергію магнітного поля котушки.

Коли конденсатор буде повністю розряджений і напруга на ньо­му дорівнюватиме нулеві, вся енергія зосередиться в магнітному полі котушки і струм в контурі досягне найбільшого значення I_макс (рис. 101, б). Далі струм починає зменшуватись, що призводить до зменшення магнітного поля котушки.

Така зміна за законом Ленца створює в котушці е. р. с. самоіндукції, яка підтримує існуючий струм.

Цей струм знову заряджає конденсатор, але знак зарядів на обкладках буде протилежний у порівнянні з наданим батареєю. Відбувається перехід енергії магнітного поля котушки в енергію електричного поля конденсатора. В той момент, коли струм зменшиться до нуля, напруга на конденсаторі досягне початкової величини (рис. 101, в).

Тепер знову почнеться розряд конденсатора, але напрямок струму в котушці буде протилежний. Як і раніше, відбудуться пов­ний розряд конденсатора і зосередження енергії в магнітному полі котушки (рис. 101, г), яке з бігом часу зменшуючись, знову переза­рядить конденсатор до початкової напруги (рис. 101, д). Таким чи­ном, в контурі відбувся повний цикл електричних коливань — один період.

Далі процес коливань, розглянутий вище, почне повторюватись і міг би існувати нескінченно довго, якби реальний контур складав­ся лише з ємності і самоіндукції.

Практично коливання в контурі досить швидко затухають, бо при кожному переході енергії частина її витрачається на утворення тепла внаслідок існування активного опору дротів, втрат у діелектрику конденсатора і т. ін.

Процес вільних коливань у контурі дуже схожий на коливан­ня маятника, виведеного з стану рівноваги.

На рис. (101, а) характерні моменти електричних коливань зістав­лені з відповідними положеннями маятника.

В стані а маятник, відхилений на кут φ, має певну потенціальну енергію. Під впливом сили тяжіння маятник почне рухатись, і по­тенціальна енергія перетворюватиметься в кінетичну.

На рис. (101, б) показано маятник в той момент, коли він рухається з найбільшою швидкістю і має лише кінетичну енергію. Це від­повідає такому станові в коливальному контурі, коли вся енергія зосереджена в магнітному полі котушки.

Момент повного перезаряджання конденсатора (рис. 101, в) відповідає стану маятника в другому крайньому положенні з повним запасом потенціальної енергії.

Далі, як показано на рис. (101, г), маятник рухається вліво, а струм у контурі проходить в іншому напрямку. Закінчення циклу настає в стані д.

Коливання реального маятника, як і електричні коливання у контурі, поступово затухають внаслідок наявності тертя.

Позначимо графічно зміни напруги на конденсаторі і струму в котушці. Для цього по горизонталі відкладаємо час t, а по вертикалі — величини напруги і струму.

Подібно до того, як процес коливань маятника графічно зображається синусоїдою, зміни напруги і струму в контурі без втрат зображаються синусоїдами з однаковим періодом, зсунутими за фазою між собою на 90° (або ), як це показано на рис. 102:

і = I_макс sin(2πft) ,

u = U_макс sin (2πft + ),

де f — частота. В реальному коливальному контурі, що має активний

опір r (рис. 103) коливання струму і напруги поступово затухають (рис. 104).