რხევადი წრე არის მოწყობილობა, რომელიც შექმნილია ელექტრომაგნიტური რხევების წარმოქმნის (შექმნისთვის). დაარსებიდან დღემდე, იგი გამოიყენება მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ბევრ სფეროში: ყოველდღიური ცხოვრებიდან დაწყებული უზარმაზარი ქარხნებით, რომლებიც აწარმოებენ მრავალფეროვან პროდუქტს.
რისგან არის დამზადებული?
რხევადი წრე შედგება კოჭისა და კონდენსატორისგან. გარდა ამისა, ის ასევე შეიძლება შეიცავდეს რეზისტორს (ელემენტი ცვლადი წინააღმდეგობით). ინდუქტორი (ან სოლენოიდი, როგორც მას ზოგჯერ უწოდებენ) არის ღერო, რომელზედაც დახვეულია გრაგნილის რამდენიმე ფენა, რომელიც, როგორც წესი, არის სპილენძის მავთული. სწორედ ეს ელემენტი ქმნის რხევებს რხევების წრეში. შუაში მდებარე ღეროს ხშირად ჩოკს ან ბირთვს უწოდებენ, კოჭს კი ზოგჯერ სოლენოიდს.
რხევადი წრედის ხვეული რხევა მხოლოდ მაშინ, როდესაც არის შენახული მუხტი. როდესაც მასში დენი გადის, ის აგროვებს მუხტს, რომელსაც ძაბვის ვარდნის შემთხვევაში აწვდის წრედს.
კოჭის მავთულები ჩვეულებრივ აქვთ ძალიან მცირე წინააღმდეგობა, რომელიც ყოველთვის რჩება მუდმივი. რხევადი წრედის წრეში ძალიან ხშირად ხდება ძაბვისა და დენის ცვლილება. ეს ცვლილება ექვემდებარება გარკვეულ მათემატიკურ კანონებს:
-
U=U0cos(w(t-t0), სადაც
U არის მიმდინარე ძაბვა t დროის წერტილი, U0 - ძაბვა დროს t0, w - სიხშირე ელექტრომაგნიტური რხევები.
სქემის კიდევ ერთი განუყოფელი კომპონენტია ელექტრული კონდენსატორი. ეს არის ელემენტი, რომელიც შედგება ორი ფირფიტისგან, რომლებიც გამოყოფილია დიელექტრიკით. ამ შემთხვევაში, ფირფიტებს შორის ფენის სისქე მათ ზომებზე ნაკლებია. ეს დიზაინი საშუალებას გაძლევთ დააგროვოთ ელექტრული მუხტი დიელექტრიკზე, რომელიც შემდეგ შეიძლება გადავიდეს წრედში.
განსხვავება კონდენსატორსა და ბატარეას შორის არის ის, რომ არ ხდება ნივთიერებების ტრანსფორმაცია ელექტრული დენის მოქმედებით, არამედ მუხტის პირდაპირი დაგროვება ელექტრულ ველში. ამრიგად, კონდენსატორის დახმარებით შესაძლებელია საკმარისად დიდი მუხტის დაგროვება, რომელიც შეიძლება ერთდროულად გადაიცეს. ამ შემთხვევაში, დენის სიძლიერე წრეში მნიშვნელოვნად იზრდება.
ასევე, რხევითი წრე შედგება კიდევ ერთი ელემენტისგან: რეზისტორისგან. ამ ელემენტს აქვს წინააღმდეგობა და შექმნილია წრეში დენის და ძაბვის გასაკონტროლებლად. თუ რეზისტორის წინააღმდეგობა გაიზარდა მუდმივ ძაბვაზე, მაშინ დენის სიძლიერე შემცირდება კანონის მიხედვითომა:
-
I=U/R, სადაც
I არის დენი, U არის ძაბვა, R არის წინააღმდეგობა.
ინდუქტორი
მოდით უფრო დეტალურად განვიხილოთ ინდუქტორის ყველა დახვეწილობა და უკეთ გავიგოთ მისი ფუნქცია რხევის წრეში. როგორც უკვე ვთქვით, ამ ელემენტის წინააღმდეგობა ნულისკენ მიისწრაფვის. ამრიგად, DC წრედთან დაკავშირებისას მოკლე ჩართვა მოხდება. თუმცა, თუ კოჭს აერთებთ AC წრეს, ის გამართულად მუშაობს. ეს საშუალებას გაძლევთ დაასკვნათ, რომ ელემენტი იძლევა წინააღმდეგობას ალტერნატიული დენის მიმართ.
მაგრამ რატომ ხდება ეს და როგორ წარმოიქმნება წინააღმდეგობა ალტერნატიული დენით? ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად უნდა მივმართოთ ისეთ ფენომენს, როგორიცაა თვითინდუქცია. როდესაც დენი გადის კოჭში, მასში წარმოიქმნება ელექტრომოძრავი ძალა (EMF), რომელიც ქმნის დაბრკოლებას დენის შეცვლაში. ამ ძალის სიდიდე დამოკიდებულია ორ ფაქტორზე: კოჭის ინდუქციურობაზე და დენის სიძლიერის წარმოებულზე დროის მიმართ. მათემატიკურად, ეს დამოკიდებულება გამოიხატება განტოლებით:
-
E=-LI'(t), სადაც
E არის EMF მნიშვნელობა, L არის კოჭის ინდუქციურობის მნიშვნელობა (თითოეული კოჭისთვის ის განსხვავებულია და დამოკიდებულია გრაგნილის ხვეულების რაოდენობაზე და მათ სისქეზე), I'(t) - დენის სიმტკიცის წარმოებული დროზე (დენის სიძლიერის ცვლილების სიჩქარე).
პირდაპირი დენის სიძლიერე არ იცვლება დროთა განმავლობაში, ამიტომ არ არსებობს წინააღმდეგობა, როდესაც მას ექვემდებარება.
მაგრამ ალტერნატიული დენით, მისი ყველა პარამეტრი მუდმივად იცვლება სინუსოიდური ან კოსინუსური კანონის მიხედვით,შედეგად, წარმოიქმნება EMF, რომელიც ხელს უშლის ამ ცვლილებებს. ასეთ წინააღმდეგობას ინდუქციური ეწოდება და გამოითვლება ფორმულით:
- XL =wL
დენი სოლენოიდში წრფივად იზრდება და მცირდება სხვადასხვა კანონების მიხედვით. ეს ნიშნავს, რომ თუ თქვენ შეწყვეტთ კოჭის მიმდინარე მიწოდებას, ის გააგრძელებს მიკროსქემის დატენვას გარკვეული დროის განმავლობაში. და თუ ამავდროულად მიმდინარე მიწოდება მკვეთრად შეწყდა, მაშინ მოხდება შოკი იმის გამო, რომ მუხტი შეეცდება განაწილდეს და გამოვიდეს კოჭიდან. ეს სერიოზული პრობლემაა სამრეწველო წარმოებაში. ასეთი ეფექტი (თუმცა მთლიანად არ არის დაკავშირებული რხევის წრესთან) შეიძლება შეინიშნოს, მაგალითად, შტეფსელის ამოღებისას. ამავდროულად, ნაპერწკალი ხტება, რომელიც ასეთი მასშტაბით არ ძალუძს ადამიანს ზიანი მიაყენოს. ეს გამოწვეულია იმით, რომ მაგნიტური ველი არ ქრება მაშინვე, არამედ თანდათან იშლება, რაც იწვევს დენებს სხვა გამტარებში. სამრეწველო მასშტაბით, დენის სიმძლავრე ბევრჯერ აღემატება 220 ვოლტს, რომელსაც ჩვენ შევეჩვიეთ, ასე რომ, როდესაც წრე წყვეტს წარმოებას, შეიძლება წარმოიშვას ისეთი სიძლიერის ნაპერწკლები, რომლებიც დიდ ზიანს აყენებენ როგორც მცენარეს, ასევე ადამიანს.
ხვეული არის საფუძველი იმისა, რისგან შედგება რხევითი წრე. სერიებში სოლენოიდების ინდუქციები ემატება. შემდეგი, ჩვენ უფრო დეტალურად განვიხილავთ ამ ელემენტის სტრუქტურის ყველა დახვეწილობას.
რა არის ინდუქციურობა?
რხევადი წრედის კოჭის ინდუქციურობა არის ინდივიდუალური მაჩვენებელი, რომელიც რიცხობრივად უდრის ელექტრომამოძრავებელ ძალას (ვოლტებში), რომელიც ჩნდება წრედში, როდესაცდენის ცვლილება 1 A-ით 1 წამში. თუ სოლენოიდი დაკავშირებულია DC წრედთან, მაშინ მისი ინდუქციურობა აღწერს მაგნიტური ველის ენერგიას, რომელიც წარმოიქმნება ამ დენით ფორმულის მიხედვით:
-
W=(LI2)/2, სადაც
W არის მაგნიტური ველის ენერგია.
ინდუქციურობის ფაქტორი დამოკიდებულია ბევრ ფაქტორზე: სოლენოიდის გეომეტრიაზე, ბირთვის მაგნიტურ მახასიათებლებზე და მავთულის ხვეულების რაოდენობაზე. ამ ინდიკატორის კიდევ ერთი თვისებაა ის, რომ ის ყოველთვის დადებითია, რადგან ცვლადები, რომლებზეც ის დამოკიდებულია, არ შეიძლება იყოს უარყოფითი.
ინდუქციურობა ასევე შეიძლება განისაზღვროს, როგორც დენის გამტარის თვისება მაგნიტურ ველში ენერგიის შესანახად. იგი იზომება ჰენრიში (ამერიკელი მეცნიერის ჯოზეფ ჰენრის სახელობის).
სოლენოიდის გარდა, რხევითი წრე შედგება კონდენსატორისგან, რომელიც მოგვიანებით იქნება განხილული.
ელექტრული კონდენსატორი
რხევადი წრედის ტევადობა განისაზღვრება ელექტრული კონდენსატორის ტევადობით. მისი გარეგნობის შესახებ ზემოთ ეწერა. ახლა გავაანალიზოთ მასში მიმდინარე პროცესების ფიზიკა.
ვინაიდან კონდენსატორის ფირფიტები დამზადებულია გამტარისგან, მათში ელექტრული დენი გადის. თუმცა, ორ ფირფიტას შორის არის დაბრკოლება: დიელექტრიკი (შეიძლება იყოს ჰაერი, ხის ან სხვა მაღალი წინააღმდეგობის მქონე მასალა. იმის გამო, რომ მუხტი მავთულის ერთი ბოლოდან მეორეზე ვერ გადადის, ის გროვდება კონდენსატორის ფირფიტები.ეს ზრდის მის ირგვლივ მაგნიტური და ელექტრული ველების ძალას.ფირფიტებზე დაგროვილი ელექტროენერგია იწყებს გადატანას წრედში.
თითოეულ კონდენსატორს აქვს ძაბვის ნიშანი, რომელიც ოპტიმალურია მისი მუშაობისთვის. თუ ეს ელემენტი დიდი ხნის განმავლობაში მუშაობს ნომინალურ ძაბვაზე მაღალი ძაბვით, მისი მომსახურების ვადა მნიშვნელოვნად მცირდება. რხევითი მიკროსქემის კონდენსატორზე მუდმივად მოქმედებს დენები და, შესაბამისად, მისი არჩევისას უკიდურესად ფრთხილად უნდა იყოთ.
ჩვეულებრივი კონდენსატორების გარდა, რომლებიც განვიხილეთ, არის იონისტორებიც. ეს უფრო რთული ელემენტია: ის შეიძლება შეფასდეს, როგორც ბატარეისა და კონდენსატორის ჯვარი. როგორც წესი, ორგანული ნივთიერებები ასრულებენ დიელექტრიკის ფუნქციას იონისტორში, რომელთა შორის არის ელექტროლიტი. ისინი ერთად ქმნიან ორმაგ ელექტრულ ფენას, რაც საშუალებას გაძლევთ დაგროვოთ ამ დიზაინში ბევრჯერ მეტი ენერგია, ვიდრე ტრადიციულ კონდენსატორში.
რა არის კონდენსატორის ტევადობა?
კონდენსატორის ტევადობა არის კონდენსატორის დამუხტვის თანაფარდობა იმ ძაბვასთან, რომლის ქვეშაც ის მდებარეობს. თქვენ შეგიძლიათ გამოთვალოთ ეს მნიშვნელობა ძალიან მარტივად მათემატიკური ფორმულის გამოყენებით:
-
C=(e0S)/d, სადაც
e0 არის დიელექტრიკული მასალის ნებადართულობა (ცხრილის მნიშვნელობა), S - კონდენსატორის ფირფიტების ფართობი, d - მანძილი ფირფიტებს შორის.
კონდენსატორის ტევადობის დამოკიდებულება ფირფიტებს შორის მანძილზე აიხსნება ელექტროსტატიკური ინდუქციის ფენომენით: რაც უფრო მცირეა მანძილი ფირფიტებს შორის, მით უფრო ძლიერად მოქმედებენ ისინი ერთმანეთზე (კულონის კანონის მიხედვით). უფრო დიდია ფირფიტების მუხტი და უფრო დაბალია ძაბვა. და როგორც ძაბვა იკლებსტევადობის მნიშვნელობა იზრდება, რადგან ის ასევე შეიძლება აღწერილი იყოს შემდეგი ფორმულით:
-
C=q/U, სადაც
q არის მუხტი კულონებში.
ამ რაოდენობის ერთეულებზე ღირს საუბარი. ტევადობა იზომება ფარადებში. 1 ფარადი არის საკმარისად დიდი მნიშვნელობა, რომ არსებულ კონდენსატორებს (მაგრამ არა იონისტორებს) აქვთ ტევადობა, რომელიც იზომება პიკოფარადებში (ერთი ტრილიონი ფარადი).
რეზისტორი
რხევის წრეში დენი ასევე დამოკიდებულია წრედის წინაღობაზე. და გარდა აღწერილი ორი ელემენტისა, რომლებიც ქმნიან რხევის წრეს (კოჭები, კონდენსატორები), ასევე არის მესამე - რეზისტორი. ის პასუხისმგებელია წინააღმდეგობის შექმნაზე. რეზისტორი განსხვავდება სხვა ელემენტებისგან იმით, რომ მას აქვს დიდი წინააღმდეგობა, რომელიც შეიძლება შეიცვალოს ზოგიერთ მოდელში. რხევის წრეში ის ასრულებს მაგნიტური ველის სიმძლავრის რეგულატორის ფუნქციას. თქვენ შეგიძლიათ დააკავშიროთ რამდენიმე რეზისტორი სერიულად ან პარალელურად, რითაც გაზრდით მიკროსქემის წინააღმდეგობას.
ამ ელემენტის წინააღმდეგობა ასევე დამოკიდებულია ტემპერატურაზე, ამიტომ ფრთხილად უნდა იყოთ მის მუშაობაზე წრეში, რადგან ის თბება დენის გავლისას.
რეზისტორების წინააღმდეგობა იზომება Ohms-ში და მისი მნიშვნელობა შეიძლება გამოითვალოს ფორმულით:
-
R=(pl)/S, სადაც
p არის რეზისტორული მასალის წინაღობა (იზომება (Ohmmm2)/მ);
l - რეზისტორების სიგრძე (მეტრებში);
S - განყოფილების ფართობი (კვადრატულ მილიმეტრებში).
როგორ დავაკავშიროთ ბილიკის პარამეტრები?
ახლა მივუახლოვდით ფიზიკასრხევითი წრედის მუშაობა. დროთა განმავლობაში, კონდენსატორის ფირფიტებზე მუხტი იცვლება მეორე რიგის დიფერენციალური განტოლების მიხედვით.
თუ ამ განტოლებას ამოხსნით, მისგან გამომდინარეობს რამდენიმე საინტერესო ფორმულა, რომლებიც აღწერს წრედში მიმდინარე პროცესებს. მაგალითად, ციკლური სიხშირე შეიძლება გამოისახოს ტევადობისა და ინდუქციურობის მიხედვით.
თუმცა, უმარტივესი ფორმულა, რომელიც საშუალებას გაძლევთ გამოთვალოთ მრავალი უცნობი სიდიდე, არის ტომსონის ფორმულა (ინგლისელი ფიზიკოსის უილიამ ტომსონის სახელის მიხედვით, რომელმაც იგი გამოიტანა 1853 წელს):
-
T=2p(LC)1/2.
T - ელექტრომაგნიტური რხევების პერიოდი, L და C - შესაბამისად, რხევითი წრედის კოჭის ინდუქციურობა და მიკროსქემის ელემენტების ტევადობა, p - რიცხვი pi.
Q ფაქტორი
არის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი მნიშვნელობა, რომელიც ახასიათებს მიკროსქემის მუშაობას - ხარისხის ფაქტორი. იმისათვის, რომ გავიგოთ რა არის ეს, უნდა მივმართოთ ისეთ პროცესს, როგორიცაა რეზონანსი. ეს არის ფენომენი, რომლის დროსაც ამპლიტუდა ხდება მაქსიმალური იმ ძალის მუდმივი მნიშვნელობით, რომელიც მხარს უჭერს ამ რხევას. რეზონანსი შეიძლება აიხსნას მარტივი მაგალითით: თუ დაიწყებთ საქანელას მისი სიხშირის დარტყმაზე, მაშინ ის აჩქარდება და მისი „ამპლიტუდა“გაიზრდება. და თუ დროზე დააყენებთ, ისინი შეანელებენ. რეზონანსის დროს, ბევრი ენერგია ხშირად იფანტება. იმისათვის, რომ შეძლონ დანაკარგების სიდიდის გამოთვლა, მათ მიიღეს ისეთი პარამეტრი, როგორიცაა ხარისხის ფაქტორი. ეს არის თანაფარდობა თანაფარდობის ტოლიენერგია სისტემაში ერთ ციკლში წრეში წარმოქმნილ დანაკარგებამდე.
წრის ხარისხის კოეფიციენტი გამოითვლება ფორმულით:
-
Q=(w0W)/P, სადაც
w0 - რეზონანსული ციკლური რხევის სიხშირე;
W - ენერგია შენახული რხევის სისტემაში;
P - დენის გაფრქვევა.
ეს პარამეტრი არის უგანზომილებიანი მნიშვნელობა, რადგან ის რეალურად აჩვენებს ენერგიის შენახულ და დახარჯულ თანაფარდობას.
რა არის იდეალური რხევითი წრე
ამ სისტემაში მიმდინარე პროცესების უკეთ გასაგებად, ფიზიკოსებმა მოიგონეს ეგრეთ წოდებული იდეალური რხევითი წრე. ეს არის მათემატიკური მოდელი, რომელიც წარმოადგენს წრეს, როგორც სისტემას ნულოვანი წინააღმდეგობით. ის აწარმოებს შეუფერხებელ ჰარმონიულ რხევებს. ასეთი მოდელი შესაძლებელს ხდის კონტურის პარამეტრების სავარაუდო გაანგარიშების ფორმულების მოპოვებას. ერთ-ერთი ასეთი პარამეტრია მთლიანი ენერგია:
W=(LI2)/2.
ასეთი გამარტივებები მნიშვნელოვნად აჩქარებს გამოთვლებს და შესაძლებელს ხდის მიკროსქემის მახასიათებლების შეფასებას მოცემული ინდიკატორებით.
როგორ მუშაობს?
რხევადი წრედის მთელი ციკლი შეიძლება დაიყოს ორ ნაწილად. ახლა ჩვენ დეტალურად გავაანალიზებთ თითოეულ ნაწილში მიმდინარე პროცესებს.
- პირველი ფაზა: დადებითად დამუხტული კონდენსატორის ფირფიტა იწყებს გამონადენს, აწვდის დენს წრედს. ამ მომენტში, დენი გადადის დადებითი მუხტიდან უარყოფითზე, გადის კოჭში. შედეგად, წრედში ხდება ელექტრომაგნიტური რხევები. დენი გადისკოჭა, მიდის მეორე ფირფიტაზე და დადებითად მუხტავს მას (პირველი ფირფიტა, საიდანაც დენი მიედინებოდა, უარყოფითად არის დამუხტული).
- მეორე ეტაპი: ხდება საპირისპირო პროცესი. დენი გადადის დადებითი ფირფიტიდან (რომელიც თავიდანვე უარყოფითი იყო) უარყოფითზე, ისევ გადის ხვეულში. და ყველა ბრალდება თავის ადგილზე დგება.
ციკლი მეორდება მანამ, სანამ კონდენსატორზე დამუხტვაა. იდეალურ რხევად წრეში ეს პროცესი უსასრულოდ გრძელდება, მაგრამ რეალურში ენერგიის დანაკარგები გარდაუვალია სხვადასხვა ფაქტორების გამო: გათბობა, რომელიც წარმოიქმნება წრედში წინააღმდეგობის არსებობის გამო (ჯოულის სითბო) და სხვა.
კონტურის დიზაინის ვარიანტები
უბრალო "კოჭა-კონდენსატორის" და "სპირალი-რეზისტორი-კონდენსატორის" სქემების გარდა, არსებობს სხვა ვარიანტები, რომლებიც საფუძვლად იყენებენ რხევის წრეს. ეს, მაგალითად, არის პარალელური წრე, რომელიც განსხვავდება იმით, რომ არსებობს როგორც ელექტრული წრედის ელემენტი (რადგან ცალკე რომ არსებობდეს, ეს იქნებოდა სერიული წრე, რომელიც განხილული იყო სტატიაში).
არსებობს ასევე სხვა ტიპის დიზაინი, რომელიც მოიცავს სხვადასხვა ელექტრო კომპონენტებს. მაგალითად, შეგიძლიათ დაუკავშიროთ ტრანზისტორი ქსელს, რომელიც გახსნის და დახურავს წრედს წრედში რხევის სიხშირის ტოლი სიხშირით. ამგვარად, სისტემაში დამკვიდრდება დაუცველი რხევები.
სად გამოიყენება რხევითი წრე?
სქემის კომპონენტების ყველაზე ნაცნობი გამოყენება ელექტრომაგნიტებია. ისინი, თავის მხრივ, გამოიყენება ინტერკომებში, ელექტროძრავებში,სენსორები და ბევრ სხვა არც თუ ისე ჩვეულებრივ ზონაში. კიდევ ერთი აპლიკაცია არის რხევის გენერატორი. სინამდვილეში, მიკროსქემის ეს გამოყენება ჩვენთვის ძალიან ნაცნობია: ამ ფორმით იგი გამოიყენება მიკროტალღურ ღუმელში ტალღების შესაქმნელად და მობილურ და რადიო კომუნიკაციებში ინფორმაციის გადასაცემად მანძილზე. ეს ყველაფერი განპირობებულია იმით, რომ ელექტრომაგნიტური ტალღების რხევების დაშიფვრა შესაძლებელია ისე, რომ შესაძლებელი გახდეს ინფორმაციის გადაცემა დიდ დისტანციებზე.
თავად ინდუქტორი შეიძლება გამოვიყენოთ როგორც ტრანსფორმატორის ელემენტი: ორ ხვეულს სხვადასხვა რაოდენობის გრაგნილით შეუძლია გადაიტანოს თავისი მუხტი ელექტრომაგნიტური ველის გამოყენებით. მაგრამ ვინაიდან სოლენოიდების მახასიათებლები განსხვავებულია, დენის ინდიკატორები ორ წრეში, რომლებთანაც დაკავშირებულია ეს ორი ინდუქტორი, განსხვავდება. ამრიგად, შესაძლებელია, ვთქვათ, 220 ვოლტიანი ძაბვის მქონე დენის გადაქცევა 12 ვოლტ ძაბვის დენად.
დასკვნა
ჩვენ დეტალურად გავაანალიზეთ რხევითი წრედის და მისი თითოეული ნაწილის მუშაობის პრინციპი ცალ-ცალკე. ჩვენ გავიგეთ, რომ რხევითი წრე არის მოწყობილობა, რომელიც შექმნილია ელექტრომაგნიტური ტალღების შესაქმნელად. თუმცა, ეს მხოლოდ ამ ერთი შეხედვით მარტივი ელემენტების რთული მექანიკის საფუძვლებია. თქვენ შეგიძლიათ გაიგოთ მეტი მიკროსქემის და მისი კომპონენტების სირთულეების შესახებ სპეციალიზებული ლიტერატურიდან.
