ВВЕДЕНИЕ.
Доброго всем времени суток. Статья будет не сильно длинной . Из основного постараюсь ничего не забыть.
Начнем пожалуй. Всё приведенное будем рассматривать в цепи переменного тока.
I
Катушка – дроссель - индуктивность – соленоид : все мы знаем что катушка обладает двумя видами сопротивлений : активное –омическое определяемое самим материалом из которого изготовлен проводник его сечением и протяженностью , и индуктивное (магнитное) определяемое количеством создаваемого магнитного поля. Омическое сопротивление может меняться в основном только от температуры материала, а вот индуктивное от большего количества факторов : тут у нас материал и объем сердечника , чем больше магнитная проницаемость сердечника тем больше индуктивность и соответственно больше сопротивление катушки . длинна самого проводника – в частности количество витков ,чем больше витков тем больше сопротивление , диаметр катушки , чем больше диаметр тем больше сопротивление , частота самой цепи , чем больше частота тем больше сопротивление. в общем катушка это электромагнитный маховик оказывающий сильное сопротивление при выводе его из уже некого занятого положения .
Теперь о втором важном компоненте. Конденсатор – ёмкость : обладает в основном только одним видом сопротивления емкостным , омическое и индуктивное в конденсаторе или очень малы что ими пренебрегают, или их попросту нет. Емкостное сопротивление же зависит от двух факторов – частоты цепи чем она больше тем меньше сопротивление и самой емкости, чем она больше тем меньше сопротивление . конденсатор является полной противоположностью катушки , хотя тоже представляет собой сопротивление.
Еще немаловажно что как катушка так и конденсатор сдвигают косинус фи на четверть периода , это явление еще называют сдвиг фаз, то есть сдвигается ток относительно напряжения в периоде , от конденсатора вперёд на 90 градусов , от катушки назад на 90 градусов .Из всего вышесказанного выходит , что оба компонента являются сопротивлениями , хоть не совсем обычными но сопротивлениями.
II
Идем дальше .
Эти компоненты являются неотъемлемой частью очень интересного устройства «колебательного контура» хотя колебательный контур может состоять только из двух индуктивностей , но пока будем рассматривать стандартный , если так можно сказать , колебательный контур , состоящий из индуктивности и емкости . существует три вида контуров: последовательный , параллельный и самый редкий смешанный последовательно-параллельный. Используются колебательные контура как фильтры для отделения частот и как усилители мощности когда контур удается настроить в резонанс. В зависимости от соединения в колебательном контуре идет усиление мощности за счет напряжения в последовательном , за счет тока в параллельном , в смешанном усиление происходит как за счет напряжения так и за счет тока, но при этом его сложнее рассчитать и настроить. Каждый колебательный контур имеет общее сопротивление состоящее из трех видов: активное –которое никуда не исчезает , индуктивное и емкостное , каждое из которых может как преобладать так и отсутствовать в зависимости от цели или настройки самого контура.
Из всего разнообразия рассмотрим самый распространенный – параллельный колебательный контур , да еще тот который настроен на резонанс.
III
К слову сказать , мной было перечитано не мало литературы в этом направлении. Как современной с кучей формул так и старой с понятным изложением вопросов . В общем перечитал всё что смог найти. Список некоторых книжек. «Учебник физики 11 класса» Мякишев , Буховцев 2010г. , «учебник физики 11 класса» Мякишев , Синяков 2010г. , массовая радио библиотека 134 выпуск «резонанс» Греков 1952г. , «курс физики» третья часть Соколов 1945г. , «электричество и его применения» Грец третье издание 1913г. , «электричество и его применения» Клод-Освальд 1910г. .
IV
Вот мы и подобрались к самому интересному , устройству « параллельного резонансного колебательного контура»
Что нам вообще известно о резонансе ? Только в общих чертах без кучи формул и расчетов затухающих и незатухающих колебаний в цепи. Определение резонанса во всей литературе если обобщить сводится к одному : резонанс – это резкое увеличение напряжения или тока в контуре при совпадении внешней (питающей) и внутренней в самом контуре частот , резонанс тем сильнее чем меньше сопротивление цепи.
Почему именно параллельный резонанс ? Наверное потому , что его описывают как анти резонанс и наблюдаются интересные закономерности.
Что у нас происходит при последовательном включении емкости и индуктивности , и настройке контура ? Напряжение и ток в цепи питания остается неизменным , а в резонансной цепи напряжение становится больше . больше на столько на сколько больше добротность контура - в два , десять , и даже сто раз.
А что происходит при параллельном включении емкости и индуктивности , и настройке контура ? Напряжение остается неизменным ток падает , а в резонансной цепи ток устанавливается в зависимости от сопротивления цепи. Но ток в хорошо настроенном контуре всегда выше внешнего тока . Если взять всем известный детекторный приемник то сигнал в нем усиливается до 2000 раз относительно сигнала на антенне .
V
В современной литературе описывается настройка резонансного контура путем подбора частоты питающей цепи , а вот допустим в книге 1910 года , описывается другой подход . и описывается удивительное свойства «сложения» токов в такой цепи.
Имеем схему параллельного контура с генератором. При разомкнутой цепи генератор работает вхолостую выдавая эдс, скажем стандартные 230 вольт , когда мы замыкаем цепь любым выключателем , в цепи устанавливается ток зависящий в данном случае от сопротивления индуктивности допустим 100 ампер при всё тех же 230 вольтах . То есть в данном случае у нас на катушке выделяется мощность 23 киловатта , но и генератор нагружается на всю эту мощность. Теперь мы начинаем подстройку параллельно включенного конденсатора . добиваемся тока через его обкладки в 20 ампер , питающий ток уменьшается на 20 ампер до 80 ампер , ток на катушке прежний. При 40 амперах на обкладках питающий ток уменьшается до 60 ампер , на катушке все те же 100 ампер. Когда ток через обкладки ёмкости достигает 100 ампер , питающий ток падает почти до нуля, но на индуктивности все те же 100 ампер. И 230 вольт никуда не делись. В итоге мы получаем что генератор нагружен всего на пару десятков или сотен ватт а на катушке мы имеем всё те же 23 киловатта мощности .
VI
Как же так ? как же закон сохранения энергии ? Но не волнуйтесь у ученых все схвачено , все эти чудеса проделывает реактивный ток…. И тут столько понаписано о нём… , даже больше чем об активном. То есть ток который был учтен счетчиком но не совершил никакой работы и был возвращен к генератору … вопрос если ток вернулся неиспользованным , что тогда посчитал счетчик ? Так же утверждается что это создаваемый магнитными полями катушек моторов , трансформаторов, в общем всеми индуктивными потребителями , ток , то есть ток обратной эдс . …Ладно.. Идем дальше - это ток который получается от сдвига фаз индуктивностями и емкостями … позвольте , но в резонансном контуре сдвиг фаз равен нулю ! так написано на 87 странице учебника по физике за 11 класс 2010 года. Тогда о каком реактивном токе в цепи может идти речь ? Ничего не понятно , а если капнуть глубже противоречий станет ещё больше. В этом же учебнике задается интересный вопрос и сразу же на него мы читаем ответ. Вопрос : откуда берется большая энергия в контуре ? ответ : установление максимального резонансного тока происходит не сразу , а постепенно . Ответ конечно же понятен ,если бы не одно большое , НО , установление резонансного тока происходит в контуре за считанные секунды или даже доли секунд , а контур может работать неделю или год , при этом не сдвигая косинуса питающей цепи и потребляя пару ватт энергии…. Вопрос : откуда дополнительная энергия в резонансном контуре ?
Что касается закона сохранения энергии тут тоже не всё так однозначно . везде описывается закон сохранения энергии для «физически изолированной системы» , но ведь колебательный контур не является изолированной системой . он связан с окружающей средой посредством магнитных полей индуктивности . То же касается и противо ЭДС , которая до 1000 раз может превосходить саму ЭДС. Ведь все помнят опыт со вспыхивающей лампочкой , так вот лампочка вспыхивает не потому что мы долгое время накачивали туда энергию от источника , а потом резко отдали её лампочке . Всё от того , что окружающая среда при резком сворачивании магнитного поля катушки пытается заполнить пустоту и создает тем самым дополнительную мощность в катушке. Поэтому любая настроенная электрическая цепь с индуктивностью всегда будет иметь дополнительную энергию. А какую это уже зависит от силы магнитного поля создаваемого катушкой , чем оно больше тем лучше . И активным сопротивлением самой цепи чем оно меньше тем лучше. Что касается частоты цепи : каждый колебательный контур имеет свою частоту и питающая цепь не обязательно должна иметь такую же частоту . Просто задающий такт импульса , должен приходится своим максимумом на начало любого импульса колебательного контура . Взгляните хотя бы на «колыбель ньютона» , разве в ней необходимо стукать шарики постоянно в такт что бы движение не прекращалось , нет , достаточно одного толчка и шарики совершают колебания определенное время , потом еще один толчок и так далее , главное попасть на момент начала колебаний иначе ритм собьется.
Из всего вышеперечисленного следует , что резонанс : это резкое возрастание энергии в колебательном контуре , при взаимной компенсации ёмкостного и индуктивного сопротивлений , независящая от внешней частоты .