Что такое открытый колебательный контур
§ 49. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн
Как мы уже знаем, электромагнитная волна образуется в результате взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Изменение одного поля приводит к появлению другого.
В § 12 и 17 говорилось, что, чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля. И в свою очередь, чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция.
Следовательно, для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. Именно при этом условии напряженность электрического поля 
и индукция магнитного поля 
будут меняться быстро.
Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Циклическая частота колебаний
будет тем больше, чем меньше индуктивность L и емкость С контура.
Открытый колебательный контур
Однако большая частота электромагнитных колебаний еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. В обычном контуре, какой изображен на рисунке 4.3 (его можно назвать закрытым), почти все магнитное поле сосредоточено внутри катушки, а электрическое — внутри конденсатора. Вдали от контура электромагнитного поля практически нет. Такой контур очень слабо излучает электромагнитные волны.
Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал простое устройство, которое в его честь было названо вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.
К открытому контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора (рис. 7.2), уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число витков в катушке. В конце концов получится просто прямой провод. Это и есть открытый колебательный контур. Емкость и индуктивность вибратора Герца малы. Потому соответствующая им частота колебаний весьма велика.
В открытом контуре заряды не сосредоточены на его концах, а распределены по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока неодинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума. (Напомним, что в обычных цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент времени одинакова.) Электромагнитное поле охватывает все пространство вблизи контура.
Для возбуждения колебаний в таком контуре во времена Герца поступали так. Провод разрезали посредине с таким расчетом, чтобы оставался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым (рис. 7.3). Обе части проводника заряжали до высокой разности потенциалов. Когда разность потенциалов превышала некоторое предельное значение, проскакивала искра (рис. 7.4), цепь замыкалась, и в открытом контуре возникали колебания.
Колебания в открытом контуре затухают по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у контура активного сопротивления; во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжают от источника до наступления пробоя искрового промежутка, и все повторяется сначала.
В настоящее время для получения незатухающих колебаний в открытом колебательном контуре его связывают индуктивно с колебательным контуром генератора на транзисторе или генератора другого типа.
Открытый колебательный контур. Антенны
Электромагнитные колебания, возникшие в замкнутом контуре, в окружающее его пространство практически не излучаются. Для этих целей примеряется открытый колебательный контур, который называется антенной или вибратором.
Если раздвигать пластины конденсатора, интенсивность излучения электромагнитных волн в окружающее пространство будет возрастать, а замкнутый колебательный контур превратится в открытый.
Емкость открытого колебательного контура образована двумя длинными проводами, отходящими от концов катушки. По всей длине любого провода распределено огромное количество элементарных индуктивностей и емкостей. Полученный колебательный контур называется симметричной полуволновой антенной или симметричным полуволновым вибратором. Антенна состоит из двух одинаковых половин, поэтому она симметричная. Полуволновой она называется потому, что резонанс на частоте сигнала будет в ней в том случае, если длина L будет равна половине длины волны принимаемого или передаваемого сигнала.
При появлении в ней колебаний электрического тока вокруг антенны будут образовываться переменные магнитное и электрическое поля, создающие в совокупности электромагнитное поле. Это поле распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Частота колебаний электромагнитного поля соответствует частоте колебаний тока в антенне, а дальность его излучения зависит от амплитуды переменного тока в антенне, т. е. от мощности электрических колебаний в антенне.
Широкое распространение имеет несимметричный вибратор. Он представляет собой одну половину симметричной антенны, а другая заменена шасси приемника, корпусом радиостанции, корпусом автомобиля или противовесом.
Ток максимален в основании несимметричной антенны, а на конце равен нулю. Напряжение максимально на конце, а в основании равно нулю.
Эта антенна еще называется четвертьволновой потому что резонанс будет в том случае если ее длина будет равна четверти длины волны принимаемого сигнала.
Распространение радиоволн
Электромагнитными волнами или радиоволнами называется совокупность электрических и магнитных полей распространяющихся в пространстве.
Радиоволны делятся на диапазоны:
ДВ- до 100 кГц, 30-100 кГц;
СВ- 100 кГц-1500 кГц;
КВ- 6 мГц- 30 мГц;
УКВ- свыше 30 мГц.
Электромагнитные волны распространяются со скоростью, близкой к скорости света (С=300000 км/сек).
В отличие от звуковых электромагнитные волны могут распространяться и в безвоздушном пространстве, например в космосе. При этом они теряют часть своей энергии и постепенно затухают. Степень затухания и величина расстояния, «пройденного» электромагнитными волнами, в значительной степени зависят от длины волны.
Длиной электромагнитной волны λ называют расстояние, на которое она распространяется за период Т одного колебания тока в антенне, т. е. λ=СТ.
Зная длину волны, можно определить частоту колебаний тока в антенне: f= C/λ.
На практике для перевода частоты колебаний в длину волны и длины волны в частоту удобно пользоваться следующими формулами:
При подстановке в эти соотношения длины волны в метрах частота будет измеряться в мегагерцах.
В однородной среде радиоволны распространяются прямолинейно. Однако атмосфера — неоднородная среда. На разных расстояниях от передающей радиостанции давление, температура, плотность, влажность и другие параметры атмосферы различны.
Под действием солнечных и космических излучений из атомов газов, входящих в состав атмосферы, выделяются свободные электроны, а атомы превращаются в положительные ионы. Этот процесс называют ионизацией. Больше всего ионов содержится в верхнем слое атмосферы — ионосфере, находящейся на расстоянии 50. 80 км от поверхности Земли. Скорость распространения радиоволн в средах с разными электрическими свойствами неодинакова. Это приводит к тому, что при переходе из одной среды в другую они преломляются, т. е. изменяется направление распространения радиоволн.
Радиоволны, излучаемые антенной, распространяются вдоль земной поверхности (поверхностные волны) и под углом к горизонту (пространственные волны).
Поверхностные радиоволны хорошо огибают предметы, если размеры последних меньше длины волны. При приеме сигналов радиостанций, работающих в длинноволновом диапазоне, в основном используется энергия поверхностных волн. Но энергия длинных поверхностных волн поглощается поверхностью Земли, поэтому по мере удаления от станции громкость приема ее передач уменьшается вплоть до полного исчезновения. Для увеличения дальности действия такой радиостанции повышают мощность ее передатчика.
Средние волны хуже огибают различные неровности земной поверхности и сильнее ею поглощаются. В связи с этим при одинаковых мощностях передатчиков расстояние, на котором осуществляется уверенный прием передач длинноволновой радиостанции, больше, чем средневолновой.
Основным достоинством поверхностных радиоволн является то, что в пределах их действия обеспечивается устойчивая радиосвязь.
Не вся энергия электромагнитных волн, излучаемых антенной радиостанции, переносится поверхностными радиоволнами, часть ее создает пространственные радиоволны, которые, достигнув слоя ионосферы, преломляются в сторону Земли. Степень преломления зависит от плотности ионизированных атомов газа, угла падения пространственной волны и ее длины: чем длиннее радиоволна, тем сильнее она преломляется.
Пространственные радиоволны длинноволнового диапазона преломляются в нижних слоях ионосферы, и направление их распространения в этих слоях изменяется настолько, что они снова направляются к Земле, как бы отразившись от ионосферы. Пространственные радиоволны могут попасть в зону, куда не доходят поверхностные радиоволны. Благодаря этому можно слушать передачи радиостанции, работающей в ДВ диапазоне, в районе, которого не достигают поверхностные радиоволны. Между зонами приема поверхностных и пространственных радиоволн находится зона, в которой прием сигнала работающей радиостанции отсутствует. Ее называют «мертвой» зоной, или зоной молчания.
Пространственные радиоволны СВ диапазона глубже проникают в ионосферу, чем длинные волны, и вследствие этого происходит их более сильное затухание. Днем оно настолько значительное, что радиосвязь в СВ диапазоне можно осуществлять лишь с помощью поверхностных волн. С заходом солнца ионизация атомов газа уменьшается, ослабляется и затухание пространственных волн. Вот почему ночью СВ диапазон почти полностью «забит» работающими радиостанциями, а днем в этом диапазоне слышны лишь близко расположенные или мощные радиостанции.
Поверхностные волны коротковолнового диапазона затухают интенсивнее, чем средние волны. Поэтому радиосвязь с пунктами, расположенными на больших расстояниях, осуществляется на KB с помощью пространственных волн, благодаря их многократному преломлению в ионосфере. Проникнув в ионосферу, короткие волны могут пройти в ней значительное расстояние без заметного затухания и вернуться обратно на Землю за тысячи километров от радиостанции или, обогнув Землю, быть принятыми в месте расположения радиостанции. Недостатком коротких волн является наличие зон молчания. Кроме того, непостоянство свойств ионосферы в течение суток (например, вследствие изменения солнечной активности), времен года не оставляет неизменной степень преломления пространственной радиоволны. Это приводит к изменению границ зоны приема пространственной волны и зоны молчания. При работе на KB наблюдаются также «замирания» радиоволн: громкость радиопередачи уменьшается и может даже полностью исчезнуть.
Через некоторое время она снова появляется и увеличивается до уровня нормальной.
Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы, а проходят через нее. Поэтому радиосвязь на УКВ возможна только с помощью поверхностных волн.
Можно считать, что УКВ вблизи земной поверхности распространяются прямолинейно, т. е. в пределах прямой видимости. Однако неоднородность атмосферы приводит к тому, что УКВ распространяются несколько дальше прямой видимости. В некоторых случаях радиоволны, излучаемые под малым углом к горизонту, преломляются так, что снова попадают на Землю, отражаются от нее, затем, отразившись от нижних слоев атмосферы, опять попадают на Землю и т. д.
Область, в которой происходит описанное явление, образует так называемый волноводный канал. Дальность радиосвязи в таком случае может в десятки раз превышать дальность прямой видимости. Этим явлением объясняются случаи сверхдальнего приема радио и телепередач.
Чтобы увеличить дальность радиосвязи на УКВ, необходимо увеличить дальность прямой видимости. Для этого передающую и приемную антенны устанавливают как можно выше. Так как УКВ более сильно затухают в атмосфере, для увеличения расстояния их распространения следует увеличивать мощность передатчика.
Дальность радиопередач можно значительно увеличить, используя искусственные спутники Земли, которые принимают УКВ, усиливают их и снова излучают на Землю.
Основы электроакустики
Электромагнитные волны должны быть достаточно интенсивными для того, чтобы можно было их наблюдать в эксперименте. Нетрудно понять, что электромагнитные волны будут тем интенсивнее, чем быстрее меняется положение зарядов, излучающих эти волны. Действительно, в таком случае электрическое поле вблизи зарядов меняется с большей скоростью и порождает большее магнитное поле; оно, в свою очередь, меняется столь же быстро и порождает большее электрическое поле, и т. д. В частности, интенсивные электромагнитные волны порождаются высокочастотными электромагнитными колебаниями. 
Электромагнитные колебания создаются в хорошо знакомом нам колебательном контуре. Частота колебаний заряда и тока в контуре равна: 2 ny/LC’ С этой же частотой колеблются векторы E и B в заданной точке пространства. Таким образом, величина v, вычисляемая по формуле, будет также частотой электромагнитной волны. Чтобы увеличить частоту колебаний в контуре, нужно уменьшать ёмкость конденсатора и индуктивность катушки. Но эксперименты показали, что дело не ограничивается одной лишь высокой частотой колебаний. Для образования интенсивных электромагнитных волн существенным оказывается ещё один фактор: переменное электромагнитное поле, являющееся источником электромагнитных волн, должно занимать достаточно большую область пространства. Между тем, в обычном колебательном контуре, состоящем из конденсатора и катушки, переменное электрическое поле почти целиком сосредоточено в малой области внутри конденсатора, а переменное магнитное поле — в малой области внутри катушки. Поэтому даже при достаточно высокой частоте колебаний такой колебательный контур оказался непригоден для излучения электромагнитных волн. Как добиться увеличения области, занимаемой высокочастотным электромагнитным полем? Герц нашёл красивое и гениально простое решение — открытый колебательный контур. Возьмём обычный колебательный контур. Начнём уменьшать число витков катушки — от этого её индуктивность будет уменьшаться. Одновременно уменьшаем площадь пластин конденсатора и раздвигаем их — это приводит к уменьшению ёмкости конденсатора и к увеличению пространственной области, занимаемой электрическим полем. К чему мы придём, продолжая этот процесс? Катушка ликвидируется вовсе, превращаясь в кусок проводника. Пластины конденсатора раздвигаюся максимально далеко и оказываются на концах этого проводника. Остаётся уменьшить до предела размеры пластин — и получится самый обычный прямолинейный стержень! Это и есть открытый колебательный контур. Как видим, идея Герца об открытом колебательном контуре позволила «убить двух зайцев»:
1) ёмкость и индуктивность стержня очень малы, поэтому в нём возбуждаются колебания весь¬ма высокой частоты;
2) переменное электромагнитное поле занимает довольно большую область пространства вокруг стержня.
Поэтому такой стержень может служить источником достаточно интенсивных электромагнитных волн. Но как возбудить в стержне электромагнитные колебания? Герц разрезал стержень посередине, раздвинул половинки на небольшое расстояние (создав так называемый разрядный промежуток) и подключил их к источнику высокого напряжения. Получился излучающий вибратор Герца Когда напряжение между шариками превышало напряжение пробоя, в разрядном промежутке проскакивала искра. Во время существования искры цепь замыкалась, и в стержне возникали электромагнитные колебания — вибратор излучал электромагнитные волны. Герц регистрировал эти волны с помощью приёмного вибратора — проводника с шариками на концах разрядного промежутка. Приёмный вибратор находился поодаль, на некотором расстоянии от излучающего вибратора. Переменное электрическое поле электромагнитной волны возбуждало в приёмном вибраторе переменный ток. Если частота этого тока совпадала с собственной частотой приёмного вибратора, то возникал резонанс, и в разрядном промежутке проскакивала искра! Наличие этой искры, появляющейся на концах совершенно изолированного проводника, явилось ярким свидетельством существования электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн Для излучения электромагнитных волн заряд не обязательно должен совершать колебательное движение; главное — чтобы у заряда было ускорение. Любой заряд, движущийся с ускорением, является источником электромагнитных волн. При этом излучение будет тем интенсивнее, чем больше модуль ускорения заряда. Так, при равномерном движении по окружности (скажем, в магнитном поле) заряд имеет центростремительное ускорение и, стало быть, излучает электромагнитные волны. Быстрые электроны в газоразрядных трубках, налетая на стенки, тормозятся с очень большим по модулю ускорением; поэтому вблизи стенок регистрируется рентгеновское излучение высокой энергии (так называемое тормозное излучение). Электромагнитные волны оказались поперечными — колебания векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Рассмотрим, например, излучение заряда, совершающего гармонические колебания с часто¬той v вдоль оси Y вокруг начала координат. Во все стороны от него бегут электромагнитные волны — в частности, вдоль оси X. структура излучаемой электромагнитной волны на большом расстоянии от заряда в фиксированный момент времени. Скорость волны c направлена вдоль оси X. Векторы E и B в каждой точке оси X соверша¬ют синусоидальные колебания вдоль осей Y и Z соответственно, меняясь при этом синфазно. Кратчайший поворот вектора E к вектору B всегда совершается против часовой стрелки, если глядеть с конца вектора с. В любой фиксированный момент времени распределение вдоль оси X значений модуля векторов E и B имеет вид двух синфазных синусоид, расположенных перпендикулярно друг другу в плоскостях XY и XZ соответственно. Длина волны Л — это расстояние между двумя бли¬жайшими точками оси X, в которых колебания значений поля происходят в одинаковой фазе (в частности — между двумя ближайшими максимумами поля Частота, с которой меняются значения E и B в данной точке пространства, называется частотой электромагнитной волны; она совпадает с частотой v колебаний излучающего заряда. Длина электромагнитной волны Л, её частота v и скорость распространения с связаны стандартным для всех волн соотношением: с = Лv. Эксперименты показали, что электромагнитным волнам присущи те же основные свойства, что и другим видам волновых процессов. Отражение волн. Электромагнитные волны отражаются от металлического листа — это было обнаружено ещё Герцем. Угол отражения при этом равен углу падения. Поглощение волн. Электромагнитные волны частично поглощаются при прохождении сквозь диэлектрик. Преломление волн. Электромагнитные волны меняют направление распространения при переходе из воздуха в диэлектрик (и вообще на границе двух различных диэлектриков). Интерференция волн. Герц наблюдал интерференцию двух волн: первая приходила к приёмному вибратору непосредственно от излучающего вибратора, вторая — после предварительного отражения от металлического листа. Меняя положение приёмного вибратора и фиксируя положения интерференционных максимумов, Герц измерил длину волны Л. Частота v собственных колебаний в приёмном вибраторе была Герцу известна. По формуле Герц вычислил скорость распространения электромагнитных волн и получил приближённо с
3 • 108 м/с. Именно такой результат предсказывала теория, построенная Максвеллом! Дифракция волн. Электромагнитные волны огибают препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Например, радиоволны, длина волны которых составляет несколько десятков или сотен метров, огибают дома или горы, находящиеся на пути их распространения.
Колебательный LC контур: принцип действия, расчет, определение
Сегодня нас интересует простейший колебательный контур, его принцип работы и применение.
За полезной информацией по другим темам переходите на наш телеграм-канал.
Колебания – процесс, повторяющийся во времени, характеризуется изменением параметров системы около точки равновесия.
По определению колебательный контур (или LC-контур) – это электрическая цепь, в которой происходят свободные электромагнитные колебания.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.
Принцип действия колебательного контура
Давайте рассмотрим пример, когда сначала мы заряжаем конденсатор и замыкаем цепь. После этого в цепи начинает течь синусоидальный электрический ток. Конденсатор разряжается через катушку. В катушке при протекании через нее тока возникает ЭДС самоиндукции, направленная в сторону, противоположную току конденсатора.
Разрядившись окончательно, конденсатор благодаря энергии ЭДС катушки, которая в этот момент будет максимальна, начнет заряжаться вновь, но только в обратной полярности.
Колебания, которые происходят в контуре – свободные затухающие колебания. То есть без дополнительной подачи энергии колебания в любом реальном колебательном контуре рано или поздно прекратятся, как и любые колебания в природе.
Это обусловлено тем, что контур состоит из реальных материалов (конденсатор, катушка, провода), обладающих таким свойством, как электрическое сопротивление, и потери энергии в реальном колебательном контуре неизбежны. В противном случае это нехитрое устройство могло бы стать вечным двигателем, существование которого, как известно, невозможно.
Еще одна важная характеристика LC-контура – добротность Q. Добротность определяет амплитуду резонанса и показывает, во сколько раз запасы энергии в контуре превышают потери энергии за один период колебаний. Чем выше добротность системы, тем медленнее будут затухать колебания.
Резонанс LC-контура
Электромагнитные колебания в LC-контуре происходят с определенной частотой, которая называется резонансной Подробнее про резонанс – в нашей отдельной статье. Частоту колебаний можно менять, варьируя такие параметры контура, как емкость конденсатора C, индуктивность катушки L, сопротивление резистора R (для LCR-контура).
Как рассчитать резонансную частоту колебательного контура? Очень просто! Приведем окончательную формулу:
Применение колебательного контура
Колебательный контур широко применяется на практике. На его основе строятся частотные фильтры, без него не обходится ни один радиоприемник или генератор сигналов определенной частоты.
Если вы не знаете, как подступиться к расчету LC-контура или на это совершенно нет времени, обратитесь в профессиональный студенческий сервис. Качественная и быстрая помощь в решении любых задач не заставит себя ждать!