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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Circuit oscillant. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Radioamateur débutant Le dispositif et le schéma du circuit oscillant le plus simple sont illustrés à la Fig.1. Comme vous pouvez le voir, il se compose d'une bobine L et d'un condensateur C, formant un circuit électrique fermé. Dans certaines conditions, des oscillations électriques peuvent survenir et exister dans le circuit. C'est pourquoi on l'appelle un circuit oscillant. Avez-vous déjà observé un tel phénomène : au moment de couper l'alimentation d'une lampe d'éclairage électrique, une étincelle apparaît entre les contacts d'ouverture de l'interrupteur. Si vous connectez accidentellement les bandes de batterie d'une lampe de poche électrique (ce qui devrait être évité), au moment où elles sont séparées, une petite étincelle saute également entre elles. Et dans les centrales électriques, dans les usines où les interrupteurs coupent les circuits électriques traversés par de très gros courants, les étincelles peuvent être si importantes qu'il faut prendre des mesures pour qu'elles ne nuisent pas à la personne qui allume le courant. Pourquoi ces étincelles sont-elles générées ?
Dès la première conversation, vous savez déjà qu'il existe un champ magnétique autour d'un conducteur porteur de courant, qui peut être représenté par des lignes de force magnétiques fermées pénétrant dans l'espace environnant (Fig. 2). Pour détecter ce champ, s'il est constant, vous pouvez utiliser l'aiguille aimantée de la boussole. Si le conducteur est déconnecté de la source de courant, son champ magnétique disparaissant, se dissipant dans l'espace, induira des courants dans d'autres conducteurs. Le courant est induit dans le conducteur qui a créé ce champ magnétique. Et puisqu'il est au plus épais de ses propres lignes de force magnétiques, un courant plus fort y sera induit que dans tout autre conducteur. La direction de ce courant sera la même qu'au moment de la rupture du conducteur. En d'autres termes, un champ magnétique qui disparaît maintiendra le courant qui l'a créé jusqu'à ce qu'il disparaisse lui-même, c'est-à-dire que l'énergie qu'il contient ne soit pas complètement épuisée. Par conséquent, le courant dans le conducteur circule également après la mise hors tension de la source de courant, mais, bien sûr, pas pour longtemps - une fraction de seconde négligeable.
Mais dans un circuit ouvert, le mouvement des électrons est impossible, objecterez-vous. Oui c'est le cas. Mais après l'ouverture du circuit, le courant électrique peut circuler pendant un certain temps à travers l'entrefer entre les extrémités déconnectées du conducteur, entre les contacts de l'interrupteur ou de l'interrupteur à couteau. Ce courant dans l'air forme une étincelle électrique. Ce phénomène s'appelle l'auto-induction, et la force électrique (ne pas confondre avec l'induction, dont nous avons parlé dans la première conversation), qui, sous l'influence d'un champ magnétique évanescent, y maintient un courant, est la force électromotrice force d'auto-induction ou, en bref, emf. auto-induction. Plus il y a de f.e.m. d'auto-induction, plus l'étincelle peut être importante au point de couper le circuit électrique. Le phénomène d'auto-induction est observé non seulement lorsque le courant est coupé, mais également lorsque le courant est allumé. Dans l'espace entourant le conducteur, un champ magnétique apparaît immédiatement lorsque le courant est activé. Au début, il est plus faible, mais ensuite il s'intensifie très rapidement. Le champ magnétique croissant du courant excite également le courant d'auto-induction, mais ce courant est dirigé vers le courant principal. Le courant d'auto-induction empêche l'augmentation instantanée du courant principal et la croissance du champ magnétique. Cependant, après une courte période de temps, le courant principal et le conducteur surmontent le courant d'auto-induction entrant et atteignent sa valeur maximale, le champ magnétique devient inchangé et l'auto-induction s'arrête. Le phénomène d'auto-induction peut être comparé au phénomène d'inertie. Les traîneaux, par exemple, sont difficiles à déplacer. Mais lorsqu'ils prennent de la vitesse, ils font le plein d'énergie cinétique - l'énergie du mouvement, ils ne peuvent pas être arrêtés instantanément. Après le freinage, ils continuent de glisser jusqu'à ce que l'énergie stockée du mouvement soit épuisée pour surmonter le frottement sur la neige. Tous les conducteurs ont-ils la même self-inductance ? Pas! Plus le conducteur est long, plus l'auto-induction est importante. Dans un conducteur enroulé en bobine, le phénomène d'auto-induction est plus prononcé que dans un conducteur rectiligne, puisque le champ magnétique de chaque spire de la bobine induit du courant non seulement dans cette spire, mais également dans les spires voisines de cette bobine. Plus le fil dans la bobine est long, plus le courant d'auto-induction existera longtemps après la coupure du courant principal. Et, au contraire, il faudra plus de temps pour activer le courant principal, de sorte que le courant dans le circuit monte à une certaine valeur et qu'un champ magnétique d'intensité constante s'établisse. Rappelez-vous: la propriété des conducteurs d'influencer le courant dans le circuit lorsque sa valeur change est appelée inductance, et les bobines dans lesquelles cette propriété est la plus prononcée sont des bobines d'auto-induction ou d'inductance. Plus le nombre de spires et les dimensions de la bobine sont grands, plus son inductance est grande, plus son influence sur le courant dans l'électrique est grande ; Chaînes. Ainsi, la bobine empêche à la fois l'augmentation et la diminution du courant dans le circuit électrique. S'il se trouve dans un circuit à courant continu, son influence n'affecte que l'activation et la désactivation du courant. Dans un circuit à courant alternatif, où le courant et son champ magnétique changent constamment, emf. L'auto-induction de la bobine est active tant que le courant circule. Il s'agit d'un phénomène électrique et est utilisé dans le premier élément du circuit oscillant du récepteur - la bobine.
Le deuxième élément du circuit oscillant du récepteur est "l'accumulateur" de charges électriques - un condensateur. Le condensateur le plus simple est constitué de deux conducteurs de courant électrique, il peut s'agir de deux plaques métalliques, appelées plaques de condensateur, séparées par un non-conducteur de courant électrique - un diélectrique, tel que l'air ou le papier. Vous avez déjà utilisé un tel condensateur lors d'expériences avec un récepteur simple. Plus la surface des plaques de condensateur est grande et plus elles sont proches les unes des autres, plus la capacité électrique de cet appareil est grande. Si une source de courant continu est connectée aux plaques du condensateur (Fig.3, a), un courant à court terme apparaîtra dans le circuit résultant et le condensateur sera chargé à une tension égale à la tension de la source de courant. Vous vous demandez peut-être : pourquoi un courant apparaît-il dans un circuit où il y a un diélectrique ? Lorsque nous connectons une source de courant constant au condensateur, les électrons libres dans les conducteurs du circuit résultant commencent à se déplacer vers le pôle positif de la source de courant, formant un flux d'électrons à court terme dans tout le circuit. En conséquence, la plaque du condensateur, qui est connectée au pôle positif de la source de courant, est appauvrie en électrons libres et est chargée positivement, tandis que l'autre est enrichie en électrons libres, et, par conséquent, est chargée négativement. Dès que le condensateur est chargé, le courant à court terme dans le circuit, appelé courant de charge du condensateur, s'arrête. Si la source de courant est déconnectée du condensateur, le condensateur sera chargé (Fig. 3, b). Le transfert d'électrons en excès d'une plaque à l'autre est empêché par un diélectrique. Il n'y aura pas de courant entre les plaques du condensateur, mais accumulé par celui-ci. l'énergie électrique sera concentrée dans la fraction électrique du diélectrique a. Mais cela vaut la peine de connecter les plaques d'un condensateur chargé avec un conducteur (Fig. 3, c), les électrons "en excès" de la plaque chargée négativement passeront à travers ce conducteur vers une autre plaque, où ils manquent, et le condensateur être déchargé. Dans ce cas, un courant de courte durée se produit également dans le circuit résultant, appelé courant de décharge du condensateur. Si la capacité du condensateur est grande et qu'il est chargé à une tension importante, le moment de la décharge s'accompagne de l'apparition d'une étincelle et d'un crépitement importants. La propriété d'un condensateur d'accumuler des charges électriques et de se décharger à travers les conducteurs qui lui sont connectés est précisément utilisée dans le circuit oscillant d'un récepteur radio. Et maintenant, jeune Ami, souviens-toi d'une balançoire ordinaire. Vous pouvez vous balancer dessus pour "vous couper le souffle". Que faut-il faire pour cela ? Poussez d'abord pour faire sortir la balançoire du repos, puis appliquez une certaine force, mais toujours uniquement au rythme de leurs oscillations. Sans trop de difficulté, vous pouvez réaliser de fortes balançoires - obtenir de grandes amplitudes d'oscillation. Même un petit garçon peut balancer un adulte sur une balançoire s'il applique habilement sa force. Après avoir balancé la balançoire plus fort, afin d'obtenir de grandes amplitudes d'oscillations, nous arrêterons de les pousser. Que va-t-il se passer ensuite? En raison de l'énergie stockée, ils oscillent librement pendant un certain temps, l'amplitude de leurs oscillations diminue progressivement, comme on dit, les oscillations s'éteignent et, finalement, l'oscillation s'arrête. Avec les oscillations libres d'une balançoire, ainsi qu'un pendule librement suspendu, l'énergie - potentielle - stockée se transforme en cinétique - l'énergie du mouvement, qui au point le plus élevé se transforme à nouveau en potentiel, et après une fraction de seconde - à nouveau en cinétique. Et ainsi de suite jusqu'à ce que toute l'énergie fournie soit épuisée pour surmonter le frottement des cordes aux endroits où la balançoire est suspendue et la résistance de l'air. Avec une quantité d'énergie arbitrairement grande, les oscillations libres sont toujours amorties : à chaque oscillation, leur amplitude diminue et les oscillations s'éteignent progressivement complètement - la paix s'installe. Mais la période (la durée pendant laquelle une oscillation se produit), et donc la fréquence des oscillations, reste constante. Cependant, si la balançoire est constamment poussée dans le temps avec ses oscillations B, reconstituant ainsi les pertes d'énergie dépensées pour surmonter diverses forces de freinage, les oscillations deviendront non amorties. Ce ne sont plus des oscillations libres, mais forcées. Ils dureront jusqu'à ce que la force de poussée externe cesse d'agir. J'ai mentionné les oscillations ici parce que les phénomènes physiques qui se produisent dans un tel système oscillant mécanique sont très similaires à ceux d'un circuit oscillant électrique. Pour que des oscillations électriques se produisent dans le circuit, il faut lui donner de l'énergie qui « pousserait » les électrons. Cela peut être fait en chargeant, par exemple, son condensateur. Cassons l'interrupteur B dans le circuit oscillant et connectons la source CC aux plaques de son condensateur, comme illustré à la Fig. 4 ci-dessus. Le condensateur sera chargé à la tension de la batterie B. Ensuite, nous déconnectons la batterie du condensateur et fermons le circuit avec l'interrupteur C. Les phénomènes qui vont maintenant se produire dans le circuit sont illustrés graphiquement sur la Fig. 4 ci-dessous.
Lorsque le circuit est fermé par un interrupteur, la plaque supérieure du condensateur a une charge positive et la plaque inférieure a une charge négative (Fig. 4, a). A ce moment, marqué sur le graphique par le point O, il n'y a pas de courant dans le circuit, et toute l'énergie accumulée par le condensateur est concentrée dans le champ électrique entre ses armatures. Mais le condensateur est fermé à la bobine, à travers laquelle il commencera à se décharger. Un courant apparaît dans la bobine et un champ magnétique apparaît autour de ses spires. Au moment où le condensateur est complètement déchargé (Fig.4, b), marqué sur le graphique par le chiffre 1, lorsque la tension sur ses plaques tombe à zéro, le courant dans la bobine et l'énergie du champ magnétique atteindra les valeurs les plus élevées. Il semblerait qu'à ce moment le courant dans le circuit aurait dû s'arrêter. Ceci, cependant, ne se produira pas, car de l'action de la fem. auto-induction, cherchant à maintenir le courant, le mouvement des électrons dans le circuit va se poursuivre. Mais seulement jusqu'à ce que toute l'énergie du champ magnétique soit épuisée. Dans la bobine à ce moment, un courant induit d'amplitude décroissante, mais de la direction d'origine, circulera. Au moment marqué sur le graphique par le chiffre 2, lorsque l'énergie du champ magnétique est épuisée, le condensateur sera à nouveau chargé, seulement maintenant il y a une charge positive sur sa plaque inférieure et une charge négative sur la partie supérieure un (Fig. 4, c). Maintenant, les électrons commenceront à inverser le mouvement dans la direction allant de la plaque supérieure à travers la bobine à la plaque inférieure du condensateur. Au temps 3 (Fig. 4, d), le condensateur sera déchargé et le champ magnétique de la bobine atteindra sa valeur maximale. Et encore, emf. l'auto-induction "conduira" les électrons à travers le fil de la bobine, rechargeant ainsi le condensateur. Au temps 4 (Fig. 4, e), il y aura le même état d'électrons dans le circuit qu'au moment initial 0. Une oscillation complète est terminée. Naturellement, le condensateur chargé sera à nouveau déchargé dans la bobine, rechargé, et le second se produira, suivi du troisième, du quatrième, etc. fluctuation. En d'autres termes, un courant électrique alternatif, des oscillations électriques, apparaîtra dans le circuit. Mais ce processus oscillatoire dans le circuit n'est pas infini. Il continue jusqu'à ce que toute l'énergie reçue par le condensateur de la batterie soit utilisée pour surmonter la résistance du fil de bobine du circuit. De telles oscillations dans le circuit sont libres B, et donc amorties. Quelle est la fréquence de ces oscillations d'électrons dans le circuit ? Pour mieux comprendre ce problème, je vous conseille de mener une telle expérience avec le pendule le plus simple. Suspendu à un fil de 100 cm de long, une boule moulée en pâte à modeler ou une autre charge pesant (poids) 20 à 40 g (sur la Fig. 5, la longueur du pendule est indiquée par la lettre latine l). Déséquilibrez le pendule et, à l'aide d'une horloge à trotteuse, comptez le nombre d'oscillations complètes qu'il effectue en 1 minute. Environ 30. Par conséquent, la fréquence d'oscillation de ce pendule est de 0,5 Hz et la période est de 2 s. Pendant la période, l'énergie potentielle du pendule passe deux fois dans la cinétique, et la cinétique dans le potentiel. Coupez le fil en deux. La fréquence du pendule augmentera d'environ une fois et demie et la période d'oscillation diminuera du même montant.
Cette expérience nous permet de conclure : avec une diminution de la longueur du pendule, la fréquence de ses oscillations naturelles augmente, et la période diminue proportionnellement. En modifiant la longueur de la suspension du pendule, assurez-vous que sa fréquence d'oscillation est de 1 Hz. Cela devrait être avec une longueur de fil d'environ 25 cm Dans ce cas, la période d'oscillation du pendule sera égale à 1 s. Peu importe comment vous essayez de créer le balancement initial du pendule, la fréquence de ses oscillations restera inchangée. Mais il suffit de raccourcir ou d'allonger le fil, car la fréquence d'oscillation changera immédiatement. Avec la même longueur de fil, il y aura toujours la même fréquence d'oscillation. C'est la fréquence propre du pendule. Il est possible d'obtenir une fréquence d'oscillation donnée en choisissant la longueur du fil. Les oscillations du pendule du fil sont amorties. Ils ne peuvent devenir non amortis que si le pendule est légèrement poussé au rythme de ses oscillations, compensant ainsi l'énergie qu'il dépense pour vaincre la résistance exercée par l'air, l'énergie de frottement, la pesanteur terrestre. Un circuit oscillant électrique a également sa propre fréquence. La fréquence propre d'oscillation dépend, en premier lieu, de l'inductance de la bobine. Plus le nombre de spires et le diamètre de la bobine sont grands, plus son inductance est grande, plus la durée de la période de chaque oscillation sera grande. La fréquence naturelle des oscillations dans le circuit sera proportionnellement inférieure. Et, inversement, avec une diminution de l'inductance de la bobine, la période d'oscillation sera réduite - la fréquence naturelle d'oscillation dans le circuit augmentera. La fréquence des oscillations dans le circuit dépend, d'autre part, de la capacité du condensateur. Plus la capacité est grande, plus le condensateur peut accumuler de charge, plus il faudra de temps pour le recharger, ce qui réduira la fréquence des oscillations dans le circuit. Avec une diminution de la capacité du condensateur, la fréquence des oscillations et le circuit augmentent. Ainsi, la fréquence naturelle des oscillations amorties dans le circuit peut être contrôlée en modifiant l'inductance de la bobine ou la capacité du condensateur. Mais dans un circuit électrique, ainsi que dans un système oscillant mécanique, on peut également en obtenir des non amortis, c'est-à-dire oscillations forcées, si à chaque oscillation le circuit est reconstitué avec des portions supplémentaires d'énergie électrique à partir de n'importe quelle source de courant alternatif. Comment, alors, les oscillations électriques non amorties sont-elles excitées et maintenues dans le circuit récepteur ? Courant haute fréquence excité dans l'antenne. Ce courant informe le circuit de la charge initiale, et il maintient également les oscillations rythmiques des électrons dans le circuit. Cependant, les oscillations non amorties les plus fortes dans le circuit récepteur ne se produisent qu'au moment de la résonance de la fréquence propre du circuit avec la fréquence du courant dans l'antenne. Qu'est-ce que ça veut dire? Les gens de l'ancienne génération disent qu'à Saint-Pétersbourg, le pont égyptien s'est effondré à cause des soldats marchant au pas. Et cela pourrait arriver, apparemment, dans de telles circonstances. Tous les soldats arpentaient le pont en rythme. Le pont a commencé à se balancer à partir de cela - à osciller. Par coïncidence, la fréquence naturelle du pont a coïncidé avec la fréquence de pas des soldats, comme on dit, le pont est tombé en résonance. Le rythme de la construction informe le pont de plus en plus de portions d'énergie. En conséquence, le pont a tellement oscillé qu'il s'est effondré : la cohérence du système militaire a nui au pont. S'il n'y avait pas eu de résonance de la fréquence naturelle du pont avec la fréquence de pas des soldats, rien ne serait arrivé au pont. Par conséquent, au fait, lorsque les soldats passent sur des ponts faibles, il est de coutume de donner l'ordre de "couper la jambe". Et voici l'expérience. Allez vers un instrument de musique à cordes et criez "a" fort : l'une des cordes résonnera. Celle qui est en résonance avec la fréquence de ce son vibrera plus fortement que les autres cordes - elle répondra au son. Une autre expérience - avec des pendules. Étirez une corde fine horizontalement. Attachez-y le même pendule fait de fil et de pâte à modeler (Fig. 6). Jetez un autre pendule similaire sur la corde, mais avec un fil plus long. La longueur de la suspension de ce pendule peut être modifiée en tirant à la main sur l'extrémité libre du fil. Amenez ce pendule en mouvement oscillatoire. Dans ce cas, le premier pendule se mettra également à osciller, mais avec une amplitude moindre. Sans arrêter les oscillations du deuxième pendule, réduisez progressivement la longueur de sa suspension - l'amplitude des oscillations du premier pendule augmentera. Dans cette expérience, illustrant la résonance des vibrations mécaniques, le premier pendule est le récepteur des vibrations excitées par le second pendule. La raison forçant le premier pendule à osciller est des oscillations périodiques du prolongement avec une fréquence égale à la fréquence d'oscillation du second pendule. Les oscillations forcées du premier pendule n'auront une amplitude maximale que lorsque sa fréquence propre coïncidera avec la fréquence d'oscillation du second pendule.
De tels phénomènes ou des phénomènes similaires, uniquement, bien sûr, d'"origine" électrique, sont également observés dans le circuit oscillant du récepteur. De l'action des ondes de nombreuses stations de radio, des courants de différentes fréquences sont excités dans l'antenne de réception. Parmi toutes ces fréquences, il suffit de choisir la fréquence de la station radio dont on veut écouter les émissions. Pour ce faire, vous devez choisir le nombre de spires de la bobine et la capacité du condensateur du circuit oscillant afin que sa fréquence propre coïncide avec la fréquence du courant créé dans l'antenne par les ondes de la station qui nous intéresse . Dans ce cas, les oscillations les plus fortes seront excitées dans le circuit avec la fréquence porteuse de la station radio sur laquelle il est syntonisé. Il s'agit de l'accord du circuit récepteur en résonance avec la fréquence de la station émettrice. Dans ce cas, les signaux des autres stations ne sont pas du tout audibles ou sont très faiblement entendus, car les oscillations excitées par elles dans le circuit seront très faibles. Ainsi, en réglant le circuit de votre premier récepteur en résonance avec la fréquence de la station de radio, avec son aide, vous avez, pour ainsi dire, sélectionné, distingué les fluctuations de fréquence de cette seule station. Plus le circuit sélectionnera les oscillations souhaitées de l'antenne, plus la sélectivité du récepteur est élevée, plus les interférences des autres stations radio seront faibles. Jusqu'à présent, je vous ai parlé d'un circuit oscillant fermé, c'est-à-dire circuit dont la fréquence propre n'est déterminée que par l'inductance de la bobine et la capacité du condensateur qui la constitue. Cependant, le circuit d'entrée de tout récepteur comprend également une antenne et une masse. Ce n'est plus un circuit oscillant fermé, mais ouvert. Le fait est que le fil d'antenne et la Terre sont des "plaques" d'un condensateur (Fig. 7), qui a une certaine capacité électrique. Selon la longueur du fil et la hauteur de l'antenne au-dessus du sol, cette capacité peut atteindre plusieurs centaines de picofarads. Un tel condensateur dans le circuit de la Fig. était représenté par des lignes pointillées. Mais après tout, l'antenne et la terre peuvent aussi être considérées comme une bobine incomplète d'une grande bobine. Par conséquent, l'antenne et la masse, prises ensemble, ont également une inductance. Et la capacité avec l'inductance forme un circuit oscillant.
Un tel circuit, qui est un circuit oscillant ouvert, possède également sa propre fréquence d'oscillation. En incluant des inductances et des condensateurs entre l'antenne et la masse, nous pouvons modifier sa fréquence naturelle, l'accorder en résonance avec les fréquences de différentes stations de radio. Comment cela se fait dans la pratique, vous le savez déjà. Je ne me tromperai pas si je dis que le circuit oscillant est le "cœur" du récepteur radio. Et pas seulement la radio. Vous en serez convaincu. C'est pourquoi j'ai accordé beaucoup d'attention à lui. Publication : N. Bolchakov, rf.atnn.ru
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