Электроника шаг за шагом [Практическая энциклопедия юного радиолюбителя]

Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая из конденсатора С_к, катушки L_к и резистора R_к (Р-96;1). Правда, резистора как такового в контуре не бывает, и R_к отображает собственное сопротивление контура, в которое входит сопротивление катушки, потери энергии в конденсаторе, другие виды потерь и затрат. До сих пор мы встречали контур в роли резонансного фильтра в цепи переменных токов. А теперь извлечем его оттуда и посмотрим, что произойдет, если отделить контур от всех других электрических цепей и передать ему порцию энергии, например зарядив конденсатор (Р-96;2,3) до напряжения U_c.

Р-96

А произойдет, скорее всего, вот что. Конденсатор сразу же начнет разряжаться через катушку L_к, в контуре пойдет ток I_к, вокруг катушки появится магнитное поле. Когда разряд конденсатора закончится, ток в цепи не прекратится, его будет поддерживать э.д.с. самоиндукции, которую создаст убывающее магнитное поле катушки. Для пустого разрядившегося конденсатора это будет зарядный ток, он зарядит конденсатор, но уже, конечно, в обратной полярности. И когда катушка завершит свою деятельность, когда ее магнитное поле исчезнет и перестанет действовать э.д.с. самоиндукции, ток в цепи все равно не прекратится, его будет создавать разряжающийся конденсатор. Но это уже ток обратного направления, поскольку противоположна и полярность напряжения на конденсаторе (Р-96;4).

И снова все пойдет по знакомому сценарию. Конденсатор разрядился, но ток поддерживает катушка. Магнитное поле катушки исчезает, конденсатор вновь оказался заряженным. Конденсатор разрядился, но ток поддерживает катушка. Магнитное поле катушки исчезло, а конденсатор вновь оказался заряженным. И так цикл за циклом будет заряжаться и разряжаться конденсатор, нарастать и убывать магнитное поле катушки, меняться ток в контуре, напряжение на конденсаторе и катушке. Будут происходить электромагнитные (иногда для краткости говорят «электрические») колебания в контуре.

Т-167. Частота свободных колебаний в контуре определяется его индуктивностью и емкостью. Эти электрические колебания в контуре относятся к огромному классу процессов, имя которому свободные колебания (Т-91). У электрических колебаний те же главные приметы и повадки, что и, скажем, у колебаний маятника или струны, хотя, конечно, в колебания вовлечены совсем иные физические процессы. Как и в любой колебательной системе, в контуре есть два накопителя энергии — электрическое поле конденсатора и магнитное поле катушки. Накопители эти действуют не каждый сам по себе, они взаимосвязаны: когда магнитное поле убывает, то э.д.с. самоиндукции заряжает конденсатор, а когда конденсатор разряжается, то в цепи идет ток, который запасает энергию в магнитном поле катушки. Именно обмен энергией между двумя ее накопителями — конденсатором и катушкой — и приводит к колебаниям, к изменению тока в контуре, напряжений на его элементах.

Частота свободных электрических колебаний в контуре зависит от его параметров — индуктивности L_к и емкости С_к, так же как частота свободных механических колебаний струны зависит от ее массы и гибкости (Т-92). Чем больше емкость конденсатора С_к и индуктивность катушки L_к, тем медленнее они накапливают и отдают энергию, тем медленнее происходит обмен энергией между этими накопителями, тем ниже частота свободных электрических колебаний (Р-96;5,6). Причем частота переменного напряжения и переменного тока в контуре автоматически устанавливается именно такой, чтобы конденсатор и катушка получали одинаковые порции энергии. То есть частота получается такой, что емкостное сопротивление х_с и индуктивное x_L на этой частоте одинаковы. Из условия равенства сопротивлений х_L = x_с легко найти точное значение частоты свободных колебаний — она получается такой же, как резонансная частота контура f_peз (Р-58;1). Логичнее, пожалуй, сказать — резонансная частота f_peз равна частоте свободных колебаний f_к.

Очень удобно, что частота свободных колебаний зависит от индуктивности и емкости контура. Это значит, что, изменяя L_к или С_к, можно менять частоту переменного напряжения, которую будет давать контур. Если, конечно, он пройдет на роль электронного генератора. Именно «если пройдет»: пока этому мешает одно прискорбное обстоятельство, характерное для всех колебательных систем, — неизбежное затухание колебаний.

Т-168. Чем выше добротность контура, тем медленнее затухают колебания. Свободные электрические колебания затухают в контуре постепенно, энергия, первоначально полученная конденсатором, постепенно теряется на сопротивлении R_к, превращается в тепло. При этом постепенно уменьшается амплитуда переменного тока, переменные напряжения на катушке и конденсаторе.