Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 11 клас>> Фізика: Автоколивання. Генератор незатухаючих коливань на транзисторі

АВТОКОЛИВАННЯ. ГЕНЕРАТОР НЕЗАТУХАЮЧИХ КОЛИВАНЬ НА ТРАНЗИСТОРІ

АВТОКОЛИВАННЯ. МАЯТНИК ГОДИННИКА

У попередньому параграфі розповідалося про те, що незатухаючі вимушені коливання одержують у разі дії на тіло, яке може здійснювати вільні коливання, періодичної зовнішньої сили. Проте трапляються випадки, коли для одержання незатухаючих коливань зовнішня сила не обов'язково повинна діяти безперервно. Характерним прикладом таких коливань є звичайна гойдалка (мал. 2.17). Проаналізувавши коливання гойдалки, можна зрозуміти, як діють так звані автоколивальні системи.

Якщо гойдалку вивести зі стану рівноваги і відпустити, то вона здійснить певну кількість затухаючих коливань і зупиниться.

Щоб гойдалка здійснювала незатухаючі коливання, потрібно поповнювати втрати енергії. Отже, треба мати зовнішнє джерело енергії. Однак підштовхувати гойдалку слід не в довільні моменти часу, а узгоджувати з коливаннями, які здійснює сама гойдалка. Так, у зображеному на мал. 2.17

випадку гойдалку потрібно підштовхувати тоді, коли вона починає рухатися від людини.

Тепер можна дійти висновку щодо умов виникнення автоколивань:
1)  потрібна система, в якій можливі вільні коливання (у розглянутому випадку це сама гойдалка);
2)  для поповнення втрат енергії у системі необхідне зовнішнє джерело енергії (у розглянутому випадку це людина);
3)  має бути пристрій, який передає енергію від зовнішнього джерела до коливальної системи (рука людини);                             
4)  треба узгоджувати роботу передавального пристрою з коливаннями системи (у випадку з гойдалкою людина спостерігає за рухом гойдалки і в потрібні моменти підштовхує її).

Остання умова дістала назву здійснення зворотного зв 'язку.

Автоколивання будь-якої природи можуть існувати лише у разі дотримання всіх зазначених умов. На мал. 2.18 наведено схему автоколивальної системи, за якою працюють, наприклад, годинникові механізми і генератори незатухаючих електромагнітних коливань.

Мал. 2.19 ілюструє годинниковий механізм з маятником.

Такий годинник у 1657 р. винайшов Хрістіан Гюйгенс. У ній автоколивальній системі коливання здійснює маятник. Джерелом енергії є гиря, піднята на певну висоту. З маятником зв'язаний анкер ab, який і здійснює зворотний зв'язок, тобто керує поповненням енергії, що втрачається внаслідок тертя в маятнику. Передає енергію від гирі до маятника зубчасте колесо, що своїми зубцями через анкер підштовхує маятник двічі за період. Розберіться самостійно, як діє маятниковий механізм годинника і стисло опишіть процеси, які при цьому відбуваються. Правильність ваших міркувань можете перевірити, проконсультувавшись з учителем.

ГЕНЕРАТОРИ НЕЗАТУХАЮЧИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ КОЛИВАНЬ. ВИКОРИСТАННЯ ВИСОКОЧАСТОТНИХ СТРУМІВ

Розглядаючи механічні коливання, ми дізнались про так звані автоколивальні системи, загальну схему яких наведено на мал. 2.18. За допомогою автоколивальних систем  можна  одержувати  електромагнітні коливання в широкому діапазоні частот. Низькочастотні струми, звичайно, простіше одержувати обертанням рамок з провідників в однорідних магнітних полях, але високочастотні коливання, які використовують у радіотехніці, телебаченні, радіолокації, в деяких інших галузях техніки, медицині, одержати таким способам неможливо.

Вище було з'ясовано, що за певних умов у коливальних контурах можуть відбуватися електромагнітні коливання. Проте такі коливання швидко затухають і припиняються, тому їх не можна використати для практичних потреб. У техніці треба мати незатухаючі коливання високої частоти. Як же їх добути?

Для добування незатухаючих електромагнітних коливань потрібні: коливальний контур, джерело постійного струму, вимикач (ключ) і пристрій, що керує роботою вимикача (ключа).

Щоб легше було спостерігати явища, які відбуваються під час одержання електромагнітних коливань в автоколивальних системах, можна вибрати такі параметри коливального контуру, щоб коливання були досить повільними. Це дасть змогу спостерігати за змінами напруги на обкладках конденсатора за допомогою вольтметра (мал.3.16).

Увімкнемо за допомогою вимикача (кнопки Кн) джерело живлення. Вольтметр покаже напругу на обкладках конденсатора. Вимкнемо джерело (відпустимо кнопку): вольтметр покаже наявність затухаючих коливань У коливальному контурі. Тепер періодично вмикатимемо джерело живлення, але незатухаючі коливання не виникнуть. Вони з'являться лише тоді, коли ми джерело живлення вмикатимемо в такт із коливаннями, Що відбуваються в контурі.

Для добування незатухаючих електромагнітних коливань потрібні коливальний контур, джерело постійного струму, вимикач (ключ) і пристрій, що керує роботою вимикача (ключа). Все це входить до складу автоколивальної системи

Коли ж вмикати джерело? Очевидно, це слід робити в ті моменти, коли верхня (на схемі) обкладка конденсатора заряджена позитивно. А якщо вона заряджена негативно, то джерело має бути вимкнене.

Проте в такому пристрої з технічного боку не з'ясоване ще одне питання: здійснення зворотного зв'язку. У розглянутому досліді зворотний зв'язок здійснювали ми самі: спостерігали за змінами напруги на обкладках конденсатора й у відповідні моменти часу вмикали джерело живлення. Проте треба знайти способи автоматичного здійснення зворотного зв'язку.

Складаємо електричне коло за схемою, зображеною на мал. 3.17.

Тут до попереднього добавлено електромагнітне поляризоване реле Р з контактами КР, приєднане до котушки L₁, що має індуктивний зв'язок з котушкою L коливального контура. Коли в коливальному контурі виникають коливання, то в колі «котушка зв'язку L₁ — обмотка реле» виникає індукційний струм. Рухомий контакт реле починає коливатися, замикаючи у відповідні моменти часу провідники, що йдуть від джерела живлення до коливального контура.

У розглянутому випадку контакти реле повинні замикатись лише у ті моменти, коли верхня (на схемі) обкладка конденсатора заряджена позитивно — саме у цей час конденсатор і підзарядиться, поповняться втрати енергії в контурі

Щоб з'ясувати принцип дії генератора, за допомогою кнопки увімкнемо джерело живлення. При цьому конденсатор заряджається і після відпускання кнопки в контурі виникають коливання. Спрацьовує зворотний зв'язок і коливання стають незатухаючими. Проте, навіть коли виконуються всі зазначені вище дії, незатухаючі коливання можуть і не виникнути. Чому?

Це зумовлено, мабуть, тим, що контакти реле замикаються не тоді, коли потрібно. Щоб виправити це, у нашому досліді досить поміняти місцями провідники, що йдуть до котушки зворотного зв'язку. Коли під час виконання досліду незатухаючі коливання виникають відразу, то і в цьому разі варто впевнитись, що це не завжди так, помінявши місцями провідники, що йдуть до котушки зворотного зв'язку.

Незатухаючі коливання ми одержали, але ж електромагнітне реле не може вмикати джерело живлення з великими частотами. Тому треба використовувати автоматичні вимикачі, які працюють практично безінерційно. Такими вимикачами можуть бути електронні лампи, транзистори, тунельні діоди та інші прилади.

Найпростішим за будовою і за принципом дії генератором незатухаючих електро-магнітних коливань є генератор на транзисторі (чи на електронній лампі), схему якого наведено на мал.3.18.

Якщо всі деталі залишити такими, як і в попередньому досліді, то генератор даватиме також повільні електромагнітні коливання, але роль реле тут виконуватиме транзистор.

Щоб запустити такий генератор, потрібно замкнути провідником емітер і колектор транзистора, як показано на схемі штриховою лінією. Конденсатор при цьому зарядиться і в разі відпускання провідника виникнуть незатухаючі коливання. Якщо коливання не виникнуть, то, як і в попередньому випадку, треба помшяти місцями провідники, що йдуть до котушки зворотного зв'язку.

Слід звернути увагу на таку деталь у роботі розглянутого найпростішого генератора. Щоб збудити коливання, ми закорочували колектор і емітер транзистора. Це робиться для того, щоб вивести систему зі стану рівноваги (зарядити конденсатор). Таке явище можна спостерігати в багатьох автоколивальних системах. Так, годинник "ходики" не працюватиме доти, доки його маятник не дістане зовнішній поштовх.

Щоб збудити коливання, які дає генератор, необхідно вивести коливну систему зі стану рівноваги, наприклад, зарядити конденсатор, закоротивши контакти реле чи транзистора

Як уже зазначалось, для багатьох галузей техніки, потрібні коливання високої частоти. Зрозуміло, що в автогенераторах для одержання високочастотних коливань слід використовувати коливальні контури з меншими індуктивностями та ємностями.
Найширше застосовують високочастотні електромагнітні коливання в різних галузях радіоелектроніки. Проте їх з високою ефективністю можна використовувати і в інших галузях. Розглянемо деякі приклади.

У 1935 р. вчений у галузі високочастотної техніки Валентин Петрович Вологдін (1881 — 1935) розробив метод поверхневого гартування металів з використанням струмів високої частоти.

Високочастотні струми мають чимало важливих і цікавих властивостей. Такі струми досить добре випромінюються в навколишній простір, що дає змогу використати їх для радіозв'язку.

Високочастотне нагрівання широко застосовують у харчовій промисловості. За дот помогою високочастотних струмів швидко нагріваються продукти при консервуванні. При цьому мікроорганізми гинуть і продукти можуть зберігатися тривалий час.
Такими струмами можна нагрівати також різні ділянки організму людини при лікуванні деяких захворювань — це так звана діатермія. Для цього використовують коливання з частотами порядку мільйона герц. Перевага такого способу перед іншими полягає в тому, що він дає змогу прогрівати і внутрішні тканини, а не лише поверхню тіла.

Високочастотними струмами можна нагрівати і зварювати пластмаси, швидко сушити деревину, яка йде на виготовлення відповідних деталей.

Для одержання коливань з усе більшою частотою необхідно зменшувати індуктивність і ємність коливальних контурів

Високочастотні струми використовуються для високочастотного поверхневого гартування металів і їх плавлення, для нагрівання продуктів у харчовій промисловості, для діатермії — нагрівання певних ділянок організму людини при лікуванні деяких хвороб, зварювання матеріалів тощо

Особливо ефективним є високочастотне зварювання, яке дає змогу автоматизувати значну кількість виробництв.

Часто застосовують високочастотне плавлення металів у вакуумних печах для забезпечення належної чистоти металів і сплавів.

Високочастотне нагрівання деталей забезпечило автоматизацію виготовлення багатьох деталей і пристосувань, зокрема підшипників, яких раніше гартували упродовж тривалого часу у спеціальних печах.

Властивість високочастотних струмів поширюватись по поверхні металів (поверхневий ефект) дає змогу гартувати лише поверхню деталей, залишаючи їх всередині ковкими і здатними витримувати ударні навантаження.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
Мета завдання: навчитися самостійно виготовляти генератор електромагнітних коливань звукової частоти і досліджувати його роботу.

Обладнання: для складання генератора, схеми якого наведено на мал. 3.19 і 3.20, потрібні такі деталі: транзистор типу р—п—р на пластинці з трьома клемами, до яких приєднано виводи транзистора; котушку на 1000—1200 витків (з"відводом від середини); кілька (не менше двох) конденсаторів ємністю 0,25—1,0 мкФ; резистор опором 4—10 кОм; батарейку для кишенькового ліхтарика або інше джерело напруги на 1,5—6 В; телефони або трансляційний динамік, що вмикаються на вихід генератора; з'єднувальні провідники; залізне або феромагнітне осердя, яке можна вставляти в котушку.

Генератор, якщо ви його правильно складете, відразу починає працювати при вмиканні джерела живлення: в телефонах або динаміку чути звук певної висоти тону. Тепер виконайте кілька дослідів. Приєднавши до конденсатора С паралельно ще один, можете впевнитись у тому, що висота тону звуку в телефонах зменшилась — зменшилась частота коливань.Вносячи в котушку феромагнітне осердя  (збільшуєте  індуктивність  котушки), також спостерігаєте зменшення  частоти  коливань. Певне зменшення частоти коливань можна помітити також у разі піднесення до котушки феромагнітного тіла. На цьому принципі побудовано прилади для знаходження залізних предметів. За допомогою такого генератора можна виконати й інші досліди. На мал. 3.19 наведено так звану монтажну схему генератора. Спробуйте за цією схемою накреслити принципову схему, а потім порівняйте її з мал.3.20 на якому вона  зображена. Виготовлення  й  дослідження  запропонованого генератора дасть вам певні навички у створенні радіоелектронних приладів і пристроїв.

ЗАПИТАННЯ
1. Які умови портрібно забезпечити, щоб гойдалка коливалася безперервно, не змінюючи амплітуду коливань?
2. Яке значення зворотного зв'язку в автоколивальних системах?
3. Поясніть дію маятникового годинника.
4. Чому вільні коливання в коливальному контурі затухають?
5. Які складові повинна мати установка для добування незатухаючих електромагнітних коливань?
6. Яку роль в установці відіграє ключ?
7. Навіщо в генераторі коливань потрібен зворотний зв'язок?
8. Які частини є обов'язковими у найпростішому генераторі з використанням транзистора?
9. Які застосування високочастотних електромагнітних коливань вам відомі?

Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф. Савченко, Фізика, 11 клас
Вислано читачами з інтернет-сайтів  

_{Матеріали з фізики, завдання та відповіді по класам, плани конспектів уроків з фізики для 11 класу}

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.