Oszillatorschaltung

Perfekter Kondensator und Spule. Wie die Schwingungen entstehen, bei denen sich die Elektronen bewegen, wenn das Magnetfeld der Spule zunimmt und verschwindet.

Ein Schwingkreis ist ein geschlossener Stromkreis, der aus einer Spule und einem Kondensator besteht. Bezeichnen wir die Induktivität der Spule mit dem Buchstaben L und die elektrische Kapazität des Kondensators mit dem Buchstaben C. Ein Schwingkreis ist das einfachste elektrische System, in dem freie harmonische elektromagnetische Schwingungen auftreten können.

Zu einem echten Schwingkreis gehören natürlich immer nicht nur eine Kapazität C und eine Induktivität L, sondern auch Verbindungsdrähte, die sicherlich einen aktiven Widerstand R haben, den Widerstand lassen wir aber aus dem Rahmen dieses Artikels raus, man kann mehr darüber erfahren im Abschnitt über den Gütefaktor des Schwingsystems. Wir betrachten also eine ideale Oszillatorschaltung und beginnen mit einem Kondensator.

Nehmen wir an, es gibt einen perfekten Kondensator. Laden wir es von der Batterie auf eine Spannung U0 auf, das heißt, wir erzeugen eine Potentialdifferenz U0 zwischen seinen Platten, so dass es auf der oberen Platte zu „+“ und auf der unteren zu „-“ wird, wie es normalerweise angezeigt wird.

Was bedeutet das? Das bedeutet, dass wir mit Hilfe einer externen Kraftquelle einen bestimmten Teil der negativen Ladung Q0 (bestehend aus Elektronen) von der oberen Platte des Kondensators auf seine untere Platte bewegen. Dadurch entsteht auf der unteren Platte des Kondensators ein Überschuss an negativer Ladung, und auf der oberen Platte fehlt genau diese Menge an negativer Ladung, was zu einem Überschuss an positiver Ladung führt. Schließlich war der Kondensator zunächst nicht geladen, was bedeutet, dass die Ladung mit dem gleichen Vorzeichen auf beiden Platten absolut gleich war.

So, geladener Kondensator, die obere Platte ist relativ zur unteren Platte positiv geladen (weil Elektronen fehlen), und die untere Platte ist relativ zur oberen negativ geladen. Für andere Objekte ist der Kondensator im Prinzip elektrisch neutral, aber in seinem Dielektrikum gibt es ein elektrisches Feld, durch das die entgegengesetzten Ladungen auf den gegenüberliegenden Platten interagieren, d. h. sie neigen dazu, sich gegenseitig anzuziehen, aber das Dielektrikum ist seiner Natur nach lässt dies nicht zu. In diesem Moment ist die Energie des Kondensators maximal und beträgt ECm.

Nehmen wir nun einen idealen Induktor. Der Pfad besteht aus einem Draht, der überhaupt keinen elektrischen Widerstand aufweist, d. h. er verfügt über die perfekte Fähigkeit, elektrische Ladung weiterzuleiten, ohne sie zu beeinträchtigen. Lassen Sie uns die Spule parallel zum neu geladenen Kondensator schalten.

Was wird passieren? Die Ladungen auf den Platten des Kondensators interagieren nach wie vor und neigen dazu, sich gegenseitig anzuziehen. Die Elektronen von der unteren Platte neigen dazu, zur oberen zurückzukehren, weil sie von dort beim Laden des Kondensators mit Gewalt zur unteren Platte gezogen wurden .Das Ladungssystem neigt dazu, in einen Zustand des elektrischen Gleichgewichts zurückzukehren, und dann wird eine Spule angebracht – ein spiralförmig verdrillter Draht mit Induktivität (die Fähigkeit, zu verhindern, dass der Strom durch ein Magnetfeld verändert wird, wenn dieser Strom durch ihn fließt). !

Elektronen von der unteren Platte strömen durch den Spulendraht zur oberen Platte des Kondensators (man kann sagen, dass gleichzeitig die positive Ladung zur unteren Platte strömt), aber sie können nicht sofort dorthin gleiten.

Warum? Weil die Spule eine Induktivität hat und die Elektronen, die sich durch sie bewegen, bereits Ströme sind, und weil Strom bedeutet, dass um sie herum ein Magnetfeld vorhanden sein muss. Je mehr Elektronen in die Spule eindringen, desto größer wird der Strom und desto größer wird das Magnetfeld um die Spule herum erscheint.

Wenn alle Elektronen von der Bodenplatte des Kondensators in die Spule eingedrungen sind – der Strom in ihr erreicht ihr Maximum Im, ist das Magnetfeld um sie herum das größte, das diese Menge an bewegter Ladung in ihrem Leiter erzeugen kann. Zu diesem Zeitpunkt ist der Kondensator vollständig entladen, die Energie des elektrischen Feldes im Dielektrikum zwischen seinen Platten ist gleich Null EC0, aber die gesamte Energie ist jetzt im Magnetfeld der Spule ELm enthalten.

Und dann beginnt das Magnetfeld der Spule abzunehmen, weil es nichts gibt, was es stützt, weil keine Elektronen mehr in die Spule hinein und aus ihr heraus fließen, es keinen Strom gibt und das verschwindende Magnetfeld um die Spule herum ein elektrisches Wirbelfeld erzeugt in seinem Draht, der die Elektronen weiter zum oberen Plattenkondensator drückt, wo sie so eifrig waren.Und in dem Moment, als sich alle Elektronen auf der oberen Platte des Kondensators befanden, wurde das Magnetfeld der Spule gleich Null EL0. Und nun wird der Kondensator in die entgegengesetzte Richtung aufgeladen wie am Anfang.

Die obere Platte des Kondensators ist nun negativ geladen und die untere Platte ist positiv geladen. Die Spule ist immer noch verbunden, ihr Draht bietet immer noch einen freien Weg für den Elektronenfluss, aber die Potentialdifferenz zwischen den Platten des Kondensators wird wieder realisiert, wenn auch mit entgegengesetztem Vorzeichen zum Original.

Und die Elektronen strömen wieder in die Spule, der Strom wird maximal, aber da er jetzt in die entgegengesetzte Richtung gerichtet ist, entsteht das Magnetfeld in die entgegengesetzte Richtung, und wenn alle Elektronen zur Spule zurückkehren (während sie sich nach unten bewegen) , das Magnetfeld baut sich nicht mehr auf, nun beginnt es abzunehmen und die Elektronen werden weiter gedrückt – zur unteren Platte des Kondensators.

Und in dem Moment, als das Magnetfeld der Spule gleich Null wurde, verschwand es vollständig – die obere Platte des Kondensators ist im Verhältnis zur unteren wieder positiv geladen. Der Zustand des Kondensators ist ähnlich wie am Anfang. Es trat ein vollständiger Zyklus einer Schwingung auf. Und so weiter und so weiter. Die Periode dieser Schwingungen kann in Abhängigkeit von der Induktivität der Spule und der Kapazität des Kondensators mit der Thomson-Formel ermittelt werden: