Un circuito oscilatorio es un dispositivo diseñado para generar (crear) oscilaciones electromagnéticas. Desde sus inicios hasta la actualidad, se ha utilizado en muchas áreas de la ciencia y la tecnología: desde la vida cotidiana hasta las grandes fábricas que producen una amplia variedad de productos.
¿De qué está hecho?
El circuito oscilatorio consta de una bobina y un condensador. Además, también puede contener una resistencia (elemento con resistencia variable). Un inductor (o solenoide, como a veces se le llama) es una varilla en la que se enrollan varias capas de bobinado, que, por regla general, es un alambre de cobre. Es este elemento el que crea oscilaciones en el circuito oscilatorio. La varilla en el medio a menudo se llama estrangulador o núcleo, y la bobina a veces se llama solenoide.
La bobina del circuito oscilatorio solo oscila cuando hay una carga almacenada. Cuando la corriente pasa a través de él, acumula una carga, que luego emite al circuito si cae el voltaje.
Los hilos de la bobina suelen tener muy poca resistencia, que siempre se mantiene constante. En el circuito de un circuito oscilante, muy a menudo ocurre un cambio en el voltaje y la corriente. Este cambio está sujeto a ciertas leyes matemáticas:
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U=U0cos(w(t-t0), donde
U es el voltaje actual punto en el tiempo t, U0 - voltaje en el tiempo t0, w - frecuencia de oscilaciones electromagnéticas.
Otro componente integral del circuito es el capacitor eléctrico. Este es un elemento que consta de dos placas, que están separadas por un dieléctrico. En este caso, el espesor de la capa entre las placas es menor que sus dimensiones. Este diseño le permite acumular una carga eléctrica en el dieléctrico, que luego se puede transferir al circuito.
La diferencia entre un capacitor y una batería es que no hay transformación de sustancias bajo la acción de una corriente eléctrica, sino una acumulación directa de carga en un campo eléctrico. Por lo tanto, con la ayuda de un condensador, es posible acumular una carga lo suficientemente grande, que se puede entregar de una vez. En este caso, la intensidad de la corriente en el circuito aumenta considerablemente.
Además, el circuito oscilatorio consta de un elemento más: una resistencia. Este elemento tiene resistencia y está diseñado para controlar la corriente y el voltaje en el circuito. Si la resistencia de la resistencia aumenta a un voltaje constante, entonces la intensidad de la corriente disminuirá de acuerdo con la leyOma:
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I=U/R, donde
I es corriente, U es voltaje, R es resistencia.
Inductor
Echemos un vistazo más de cerca a todas las sutilezas del inductor y comprendamos mejor su función en un circuito oscilatorio. Como ya hemos dicho, la resistencia de este elemento tiende a cero. Por lo tanto, cuando se conecta a un circuito de CC, se produciría un cortocircuito. Sin embargo, si conecta la bobina a un circuito de CA, funciona correctamente. Esto le permite concluir que el elemento ofrece resistencia a la corriente alterna.
¿Pero por qué sucede esto y cómo surge la resistencia con la corriente alterna? Para responder a esta pregunta, debemos recurrir a un fenómeno como la autoinducción. Cuando la corriente pasa a través de la bobina, surge una fuerza electromotriz (EMF) que crea un obstáculo para cambiar la corriente. La magnitud de esta fuerza depende de dos factores: la inductancia de la bobina y la derivada de la intensidad de la corriente con respecto al tiempo. Matemáticamente, esta dependencia se expresa mediante la ecuación:
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E=-LI'(t), donde
E es el valor de EMF, L es el valor de la inductancia de la bobina (para cada bobina es diferente y depende en el número de bobinas del devanado y sus espesores), I'(t) - derivada de la intensidad actual con respecto al tiempo (la tasa de cambio de la intensidad actual).
La intensidad de la corriente continua no cambia con el tiempo, por lo que no hay resistencia cuando se expone a ella.
Pero con la corriente alterna, todos sus parámetros cambian constantemente según una ley sinusoidal o del coseno,como resultado, surge un EMF que evita estos cambios. Tal resistencia se llama inductiva y se calcula mediante la fórmula:
- XL =wL
La corriente en el solenoide aumenta y disminuye linealmente según varias leyes. Esto significa que si detiene el suministro de corriente a la bobina, continuará cargando el circuito durante algún tiempo. Y si al mismo tiempo el suministro de corriente se interrumpe abruptamente, se producirá una descarga debido al hecho de que la carga intentará distribuirse y salir de la bobina. Este es un problema grave en la producción industrial. Tal efecto (aunque no completamente relacionado con el circuito oscilatorio) se puede observar, por ejemplo, al sacar el enchufe de la toma de corriente. Al mismo tiempo, s alta una chispa que, en tal escala, no puede dañar a una persona. Se debe a que el campo magnético no desaparece inmediatamente, sino que se disipa gradualmente, induciendo corrientes en otros conductores. A escala industrial, la intensidad de la corriente es muchas veces superior a los 220 voltios a los que estamos acostumbrados, por lo que cuando se interrumpe un circuito en producción pueden producirse chispas de tal intensidad que causan mucho daño tanto a la planta como a la persona.
Una bobina es la base de lo que consiste un circuito oscilatorio. Las inductancias de los solenoides en serie se suman. A continuación, veremos más de cerca todas las sutilezas de la estructura de este elemento.
¿Qué es la inductancia?
La inductancia de la bobina de un circuito oscilatorio es un indicador individual numéricamente igual a la fuerza electromotriz (en voltios) que se produce en el circuito cuandocambio en la corriente de 1 A en 1 segundo. Si el solenoide está conectado a un circuito de CC, entonces su inductancia describe la energía del campo magnético creado por esta corriente de acuerdo con la fórmula:
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W=(LI2)/2, donde
W es la energía del campo magnético.
El factor de inductancia depende de muchos factores: de la geometría del solenoide, de las características magnéticas del núcleo y del número de bobinas de alambre. Otra propiedad de este indicador es que siempre es positivo, ya que las variables de las que depende no pueden ser negativas.
La inductancia también se puede definir como la propiedad de un conductor que transporta corriente para almacenar energía en un campo magnético. Se mide en Henry (llamado así por el científico estadounidense Joseph Henry).
Además del solenoide, el circuito oscilatorio consta de un condensador, del que hablaremos más adelante.
Condensador eléctrico
La capacitancia del circuito oscilatorio está determinada por la capacitancia del capacitor eléctrico. Sobre su apariencia se escribió arriba. Ahora analicemos la física de los procesos que tienen lugar en él.
Dado que las placas del capacitor están hechas de un conductor, una corriente eléctrica puede fluir a través de ellas. Sin embargo, existe un obstáculo entre las dos placas: un dieléctrico (puede ser aire, madera u otro material de alta resistencia. Debido a que la carga no puede moverse de un extremo al otro del cable, se acumula en el placas de condensador Esto aumenta la potencia de los campos magnéticos y eléctricos a su alrededor.la electricidad acumulada en las placas comienza a transferirse al circuito.
Cada condensador tiene una tensión nominal óptima para su funcionamiento. Si este elemento se opera durante mucho tiempo a un voltaje superior al voltaje nominal, su vida útil se reduce significativamente. El condensador del circuito oscilatorio se ve afectado constantemente por las corrientes y, por lo tanto, al elegirlo, debe tener mucho cuidado.
Además de los capacitores habituales que se discutieron, también hay ionistores. Este es un elemento más complejo: se puede describir como un cruce entre una batería y un condensador. Como regla general, las sustancias orgánicas sirven como dieléctrico en un ionistor, entre los cuales hay un electrolito. Juntos crean una doble capa eléctrica, que te permite acumular en este diseño muchas veces más energía que en un capacitor tradicional.
¿Cuál es la capacitancia de un capacitor?
La capacitancia de un capacitor es la relación entre la carga del capacitor y el voltaje bajo el cual se encuentra. Puede calcular este valor de forma muy sencilla utilizando la fórmula matemática:
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C=(e0S)/d, donde
e0 es la permitividad del material dieléctrico (valor de la tabla), S - el área de las placas del capacitor, d - la distancia entre las placas.
La dependencia de la capacitancia del capacitor con la distancia entre las placas se explica por el fenómeno de la inducción electrostática: cuanto menor es la distancia entre las placas, más fuerte se afectan entre sí (según la ley de Coulomb), el mayor es la carga de las placas y menor el voltaje. Y a medida que el voltaje disminuyeel valor de la capacitancia aumenta, ya que también se puede describir mediante la siguiente fórmula:
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C=q/U, donde
q es la carga en culombios.
Vale la pena hablar de las unidades de esta cantidad. La capacitancia se mide en faradios. 1 faradio es un valor lo suficientemente grande como para que los capacitores existentes (pero no los ionistores) tengan una capacitancia medida en picofaradios (un billón de faradios).
Resistencia
La corriente en el circuito oscilatorio también depende de la resistencia del circuito. Y además de los dos elementos descritos que componen el circuito oscilatorio (bobinas, condensadores), también hay un tercero: una resistencia. Él es responsable de crear resistencia. La resistencia se diferencia de otros elementos en que tiene una gran resistencia, que se puede cambiar en algunos modelos. En el circuito oscilatorio, realiza la función de un regulador de potencia de campo magnético. Puede conectar varias resistencias en serie o en paralelo, aumentando así la resistencia del circuito.
La resistencia de este elemento también depende de la temperatura, por lo que se debe tener cuidado con su funcionamiento en el circuito, ya que se calienta al pasar la corriente.
La resistencia del resistor se mide en ohmios y su valor se puede calcular mediante la fórmula:
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R=(pl)/S, donde
p es la resistividad del material de la resistencia (medida en (Ohmmm2)/m);
l - longitud de la resistencia (en metros);
S - área de la sección (en milímetros cuadrados).
¿Cómo vincular parámetros de ruta?
Ahora nos acercamos a la físicafuncionamiento del circuito oscilatorio. Con el tiempo, la carga en las placas del condensador cambia según una ecuación diferencial de segundo orden.
Si resuelves esta ecuación, se derivan varias fórmulas interesantes que describen los procesos que ocurren en el circuito. Por ejemplo, la frecuencia cíclica se puede expresar en términos de capacitancia e inductancia.
Sin embargo, la fórmula más simple que le permite calcular muchas cantidades desconocidas es la fórmula de Thomson (llamada así por el físico inglés William Thomson, quien la derivó en 1853):
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T=2p(LC)1/2.
T - el período de las oscilaciones electromagnéticas, L y C - respectivamente, la inductancia de la bobina del circuito oscilatorio y la capacitancia de los elementos del circuito, p - el número pi.
Factor Q
Hay otro valor importante que caracteriza el funcionamiento del circuito: el factor de calidad. Para entender qué es, uno debe recurrir a un proceso como la resonancia. Este es un fenómeno en el que la amplitud llega a ser máxima con un valor constante de la fuerza que soporta esta oscilación. La resonancia se puede explicar con un ejemplo simple: si comienza a empujar el swing al ritmo de su frecuencia, entonces se acelerará y su "amplitud" aumentará. Y si empujas fuera de tiempo, disminuirán la velocidad. En resonancia, a menudo se disipa mucha energía. Para poder calcular la magnitud de las pérdidas, idearon un parámetro como el factor de calidad. Es una razón igual a la razónenergía en el sistema a las pérdidas que ocurren en el circuito en un ciclo.
El factor de calidad del circuito se calcula mediante la fórmula:
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Q=(w0W)/P, donde
w0 - frecuencia de oscilación cíclica resonante;
W - energía almacenada en el sistema oscilatorio, P - potencia disipada.
Este parámetro es un valor adimensional, ya que en realidad muestra la proporción de energía: almacenada y gastada.
¿Qué es un circuito oscilatorio ideal?
Para una mejor comprensión de los procesos en este sistema, los físicos idearon el llamado circuito oscilatorio ideal. Este es un modelo matemático que representa un circuito como un sistema con resistencia cero. Produce oscilaciones armónicas no amortiguadas. Tal modelo permite obtener fórmulas para el cálculo aproximado de los parámetros del contorno. Uno de estos parámetros es la energía total:
W=(LI2)/2.
Estas simplificaciones aceleran significativamente los cálculos y permiten evaluar las características de un circuito con indicadores dados.
¿Cómo funciona?
Todo el ciclo del circuito oscilatorio se puede dividir en dos partes. Ahora analizaremos en detalle los procesos que ocurren en cada parte.
- Primera fase: La placa del capacitor cargada positivamente comienza a descargarse, dando corriente al circuito. En este momento, la corriente pasa de una carga positiva a una negativa, pasando por la bobina. Como resultado, se producen oscilaciones electromagnéticas en el circuito. paso de corrientebobina, va a la segunda placa y la carga positivamente (mientras que la primera placa, desde la cual fluyó la corriente, está cargada negativamente).
- Segunda fase: se realiza el proceso inverso. La corriente pasa de la placa positiva (que era negativa al principio) a la negativa, pasando nuevamente a través de la bobina. Y todos los cargos encajan.
El ciclo se repite mientras haya carga en el capacitor. En un circuito oscilatorio ideal, este proceso continúa sin fin, pero en uno real, las pérdidas de energía son inevitables debido a varios factores: el calentamiento, que se produce debido a la existencia de resistencia en el circuito (calor Joule), y similares.
Opciones de diseño de contornos
Además de los circuitos simples "bobina-condensador" y "bobina-resistencia-condensador", existen otras opciones que utilizan un circuito oscilatorio como base. Este, por ejemplo, es un circuito en paralelo, que se diferencia en que existe como elemento de un circuito eléctrico (porque, si existiera por separado, sería un circuito en serie, del cual se habló en el artículo).
También existen otros tipos de diseños que incluyen diferentes componentes eléctricos. Por ejemplo, puede conectar un transistor a la red, que abrirá y cerrará el circuito con una frecuencia igual a la frecuencia de oscilación del circuito. Así, se establecerán oscilaciones no amortiguadas en el sistema.
¿Dónde se usa un circuito oscilatorio?
La aplicación más conocida de los componentes de un circuito son los electroimanes. Ellos, a su vez, se utilizan en intercomunicadores, motores eléctricos,sensores y en muchas otras áreas no tan comunes. Otra aplicación es un generador de oscilaciones. De hecho, este uso del circuito nos resulta muy familiar: de esta forma se utiliza en microondas para crear ondas y en comunicaciones móviles y de radio para transmitir información a distancia. Todo esto se debe al hecho de que las oscilaciones de las ondas electromagnéticas pueden codificarse de tal manera que es posible transmitir información a largas distancias.
El propio inductor puede utilizarse como elemento de un transformador: dos bobinas con diferente número de devanados pueden transferir su carga mediante un campo electromagnético. Pero dado que las características de los solenoides son diferentes, los indicadores de corriente en los dos circuitos a los que están conectados estos dos inductores serán diferentes. Por lo tanto, es posible convertir una corriente con un voltaje de, digamos, 220 voltios en una corriente con un voltaje de 12 voltios.
Conclusión
Hemos analizado en detalle el principio de funcionamiento del circuito oscilatorio y cada una de sus partes por separado. Aprendimos que un circuito oscilatorio es un dispositivo diseñado para crear ondas electromagnéticas. Sin embargo, estos son solo los conceptos básicos de la compleja mecánica de estos elementos aparentemente simples. Puede obtener más información sobre las complejidades del circuito y sus componentes en la literatura especializada.
