Электрический маятник

Конденсаторы хранят энергию в виде электрического поля и электрически проявляют эту накопленную энергию как потенциал: статическое напряжение . Индукторы хранят энергию в виде магнитного поля и электрически проявляют эту накопленную энергию в виде кинетического движения электронов: ток .

Конденсаторы и катушки индуктивности - это две стороны одной реактивной монеты, они накапливают и высвобождают энергию в дополнительных режимах. Когда эти два типа реактивных компонентов напрямую соединены вместе, их взаимодополняющая тенденция к накоплению энергии приведет к необычному результату.

Если конденсатор или катушка индуктивности запускаются в заряженном состоянии, два компонента будут обмениваться энергией между собой, вперед и назад, создавая свои собственные циклы переменного напряжения и тока.

Если мы предположим, что оба компонента подвергаются внезапному приложению напряжения (скажем, от мгновенно подключенной батареи), конденсатор будет очень быстро заряжаться, а катушка индуктивности будет противодействовать изменению тока, оставляя конденсатор в заряженном состоянии, а катушка индуктивности в в разряженном состоянии.

Исходное состояние:

Конденсатор заряжен:напряжение на (+) пике; индуктор разряжен:нулевой ток.

Конденсатор начнет разряжаться, его напряжение уменьшится. Между тем, индуктор начнет накапливать «заряд» в виде магнитного поля по мере увеличения тока в цепи.

Разряд конденсатора:падение напряжения; зарядка индуктора:ток увеличивается.

Катушка индуктивности, которая все еще заряжается, будет поддерживать ток, протекающий в цепи, до тех пор, пока конденсатор не будет полностью разряжен, оставляя на нем нулевое напряжение.

Конденсатор полностью разряжен:нулевое напряжение; индуктор полностью заряжен:максимальный ток.

Катушка индуктивности будет поддерживать ток даже при отсутствии напряжения. Фактически, он будет генерировать напряжение (как батарея), чтобы поддерживать ток в том же направлении. Конденсатор, принимающий этот ток, начнет накапливать заряд противоположной полярности, как и раньше.

Зарядка конденсатора:повышение напряжения (противоположная полярность); разряд индуктора:ток уменьшается.

Когда в катушке индуктивности окончательно истощается запас энергии и электроны останавливаются, конденсатор достигает полного (по напряжению) заряда в противоположной полярности, как при запуске.

Конденсатор полностью заряжен:напряжение на (-) пике; индуктор полностью разряжен:нулевой ток.

Теперь мы находимся в состоянии, очень похожем на то, с которого мы начали:конденсатор полностью заряжен и нулевой ток в цепи. Конденсатор, как и раньше, начнет разряжаться через катушку индуктивности, вызывая увеличение тока (в направлении, противоположном предыдущему) и снижение напряжения, поскольку он истощает собственный запас энергии.

Разряд конденсатора:падение напряжения; зарядка индуктора:ток увеличивается.

В конце концов конденсатор разрядится до нуля вольт, в результате чего катушка индуктивности будет полностью заряжена полным током, протекающим через нее.

Конденсатор полностью разряжен:нулевое напряжение; индуктор полностью заряжен:пиковый (-) ток.

Индуктор, желающий поддерживать ток в том же направлении, снова будет действовать как источник, генерируя напряжение, подобное батарее, для продолжения потока. При этом конденсатор начнет заряжаться, и сила тока уменьшится.

Зарядка конденсатора:повышение напряжения; разряд индуктора:ток уменьшается.

В конце концов, конденсатор снова станет полностью заряженным, поскольку катушка индуктивности расходует все свои запасы энергии, пытаясь поддерживать ток. Напряжение снова будет на своем положительном пике, а ток - на нуле. Это завершает один полный цикл обмена энергией между конденсатором и катушкой индуктивности.

Конденсатор полностью заряжен:напряжение на (+) пике; индуктор полностью разряжен:нулевой ток.

Это колебание будет продолжаться со стабильно уменьшающейся амплитудой из-за потерь мощности из-за паразитных сопротивлений в цепи, пока процесс не остановится полностью.

В целом, это поведение похоже на поведение маятника:когда масса маятника раскачивается вперед и назад, происходит преобразование энергии из кинетической (движение) в потенциальную (высоту), аналогично тому, как энергия передается. в цепи конденсатора / индуктора вперед и назад в переменных формах тока (кинетическое движение электронов) и напряжения (потенциальная электрическая энергия).

На максимальной высоте каждого колебания маятника масса ненадолго останавливается и меняет направление. Именно в этот момент потенциальная энергия (высота) максимальна, а кинетическая энергия (движение) равна нулю.

Когда масса отклоняется в другую сторону, она быстро проходит через точку, в которой струна направлена ​​прямо вниз. В этот момент потенциальная энергия (высота) равна нулю, а кинетическая энергия (движение) максимальна. Как и в схеме, возвратно-поступательные колебания маятника будут продолжаться со стабильно затухающей амплитудой в результате трения (сопротивления) воздуха, рассеивающего энергию.

Как и в схеме, измерения положения и скорости маятника отслеживают две синусоидальные волны (сдвинутые по фазе на 90 градусов) с течением времени.

Маятник передает энергию между кинетической и потенциальной энергией, когда он колеблется от низкого к высокому.

В физике такой вид естественных синусоидальных колебаний механической системы называется простым гармоническим движением . (часто сокращенно «ШМ»). Одни и те же основополагающие принципы управляют колебаниями цепи конденсатора / индуктора и действием маятника, отсюда и сходство в действии.

Любой маятник имеет интересное свойство:его периодическое время зависит от длины струны, удерживающей массу, а не от веса самой массы. Поэтому маятник будет продолжать качаться с той же частотой, что и колебания по амплитуде. Скорость колебаний не зависит от количества запасенной в нем энергии.

То же верно и для цепи конденсатор / индуктор. Скорость колебаний строго зависит от размеров конденсатора и катушки индуктивности, а не от величины напряжения (или тока) на каждом соответствующем пике волны.

Способность такой схемы накапливать энергию в виде колебательного напряжения и тока получила название контур резервуара . . Его свойство поддерживать единственную собственную частоту независимо от того, сколько или мало энергии фактически хранится в нем, придает ему особое значение при проектировании электрических цепей.

Однако эта тенденция колебаться или резонировать , на определенной частоте не ограничивается цепями, предназначенными исключительно для этой цели. Фактически, почти любая цепь переменного тока с комбинацией емкости и индуктивности (обычно называемая «LC-цепь») будет иметь тенденцию проявлять необычные эффекты, когда частота источника питания переменного тока приближается к этой собственной частоте.

Это верно независимо от предполагаемого назначения схемы.

Если частота источника питания для цепи в точности совпадает с собственной частотой комбинации LC цепи, говорят, что цепь находится в состоянии резонанса . . Необычные эффекты будут максимальными в этом состоянии резонанса.

По этой причине нам необходимо иметь возможность предсказать, какой будет резонансная частота для различных комбинаций L и C, и знать, каковы эффекты резонанса.

ОБЗОР:

• Конденсатор и катушка индуктивности, напрямую соединенные вместе, образуют нечто, называемое баковой цепью . , который колеблется (или резонирует ) на одной конкретной частоте. На этой частоте энергия попеременно перетасовывается между конденсатором и катушкой индуктивности в виде переменного напряжения и тока, сдвинутых по фазе на 90 градусов друг с другом.
• Когда частота источника питания для цепи переменного тока точно соответствует частоте собственных колебаний этой цепи, заданной компонентами L и C, возникает условие резонанса будут достигнуты.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист "Основы радиосвязи"
• Рабочий лист резонанса