Колебательные системы

Колебательные системы служат для создания электрических колебаний, их усиления, излучения электромагнитной энергии в пространство и выделения колебаний определенной частоты при приеме.

В радиотехнических устройствах в качестве такой системы исполь­зуется колебательный контур, представляющий собой замкнутую электрическую цепь, состоящую из конденсатора С и катушки индуктивности L.

Рассмотрим работу идеального колебательного контура, т. е. контура, в котором отсутствуют потери энергии.

При подключении контура (рис. а) к источнику постоян­ного тока конденсатор С заряжается. Через некоторое время напряжение на его пластинах становится максимальным U_мах, равным напряжению на зажимах источника тока. При этом вся энергия Е=С U²_мах : 2, запасенная контуром, оказывается сосредоточенной в электрическом поле конденсатора.

При отключении колебательного контура от источника тока конденсатор разряжается. В контуре появляется разрядный ток i, а вокруг витков катушки индуктивности L возникает магнитное поле (рис. б). Процесс разряда конденсатора происходит не мгновенно благодаря возникновению ЭДС самоиндукции ка­тушки. Чем больше индуктивность катушки и емкость конден­сатора, тем дольше происходит разряд. Через некоторое время конденсатор полностью разряжается, и напряжение на нем ста­новится равным нулю, а ток в катушке достигает максимального значения. В магнитном поле катушки запасается энергия Ем = L I²_мах : 2.

Процесс ге­нерирования электри­ческих колебаний

Таким образом, энергия электрического поля конденсатора преобразовывается в энергию магнитного поля катушки индуктивности.

В дальнейшем, разрядный ток, достигнув максимального зна­чения, начинает уменьшаться. При этом появляется ЭДС само­индукции обратного направления, которая препятствует убыва­нию тока. Под действием этой ЭДС конденсатор заряжается. Через некоторое время ток заряда полностью прекратится, напряжение на конденсаторе становится максимальным, но с обратным зна­ком (рис. в). После этого конденсатор вновь начинает раз­ряжаться, но ток через катушку пойдет в обратном направлении (рис. г).

Колебания, которые возникают в контуре без непрерывного воздействия источника переменной ЭДС, называются свободными или собственными колебаниями. Их период Т₀ (с) и частота f₀ (Гц) зависят от величины индуктивности L (Гц) катушки и емкости С (Ф) конденсатора:

f₀ = 1: Т₀

Процессы протекающие в идеальном контуре показывают, что сво­бодные электрические колебания являются гармоническими и имеют незатухающий характер. Так как реальный контур обла­дает активным сопротивлением потерь R, свободные колебания в нем затухают с течением времени. Качество контура характе­ризуется добротностью Q, которая показывает, во сколько раз волновое (характеристическое) сопротивление контура больше сопротивления потерь R.

Чем выше добротность, тем меньше затухают свободные коле­бания в контуре. Принято считать контуры хорошими, если доброт­ность превышает 100. Добротность плохих контуров менее 20.

Для существования незатухающих колебаний в реальном кон­туре необходимо восполнять расход энергии на потери в контуре от внешнего источника переменной ЭДС. Колебания, которые совершаются в контуре при непрерывном воздействии на него источника переменной ЭДС, называются вынужденными. В том случае, если частота вынужденных колебаний совпадает с частотой свободных колебаний контура, в нем возникает явление электри­ческого резонанса. Оно характеризуется возникновением незату­хающих электрических колебаний в контуре при незначительном расходе энергии от источника тока, который необходим лишь для покрытия потерь на активном сопротивлении контура

Последовательный колебательный контур:

электрическая схема; б — векторная диаграмма напряжений; в — график изменения реактивных сопротивлений в функции частот колебаний

В зависимости от схемы подключения источника к колебатель­ному контуру различают последовательное и параллельное подклю­чение. Соответственно этому и контуры именуются последователь­ными или параллельными.

Радиоволны звуковых и инфразвуковых частот, которые по своей природе являются электромагнитными, не следует смеши­вать со звуковыми волнами, т. е. упругими механическими колеба­ниями.

Спектр электромагнитных волн охватывает частоты примерно от 10^-3 до 10²³ Гц. Радиоволны занимают частоты 3—3 10¹² Гц и разбиты на 12 диапазонов.

По способу распространения различают свободно распространяющиеся радиоволны, земные, тропосферные и ионосферные.

Практически используемый в авиации спектр частот радиоволн от 3 - 10⁴ до 3 - 10¹¹ Гц в зависимости от особенностей их распростра­нения разбит на ряд диапазонов.

Наименование волн	Длина волны, м	Диапазон частот
Длинные волны Средние волны Короткие волны Ультракороткие волны Метровые Дециметровые Сантиметровые Миллиметровые	10 000 ... 1 000 Свыше 1 000 ... 100 Свыше 100 ... 10 Свыше 10 ... 0,001 Свыше 10 ... 1 Свыше 1,0 ... 0, 1 Свыше 0,1 …0,01 Свыше 0,01 ... 0,001	30 ... 300 кГц 300 ... 3 000 кГц 3 ... 30 МГц 30…300 000 МГц 30 …300МГц 300 ... 3 000 МГц 3 000 ... 30 000 МГц 30 000 ... 300 000 МГц

Виды распространения волн:

пространственные, земные, тропосферные, ионо­сферные.

Свободно распространяющимися, или прямыми, назы­ваются радиоволны,

существующие в свободном простран­стве (в пустоте) при отсутствии каких-либо тел и пред­метов на пути распространения, которые могли бы исказить поле волны.

Земными, или поверхностными, называют радиоволны, распространяющиеся непосредственно над поверхностью земли и частично огибающие ее вследствие явления диф­ракции.

Тропосферными называют волны диапазонов частот ОВЧ, УВЧ, СВЧ распространяющиеся за счет рассеяния и отражения от локальных и слоистых неоднородностей тропосферы.

Тропосферой называют нижнюю часть атмосферы вы­сотой порядка 12 км. Тропосфера по своему состоянию, неоднородна, поэтому волна, встречая на своем пути не­однородности, рассеивается подобно лучам света в каплях дождя.

Ионосферными, или пространственными, называют волны, распространяющиеся вокруг земного шара на сколь угодно большие расстояния за счет однократного или многократного отражения от ионосферы.

Ионосферой называют верхнюю часть атмосферы в ин­тервале высот 60—20 000 км. Ионосфера представляет со­бой несколько расположенных друг над другом слоев ионизированных газов.