Слайд 6

Генератор высокочастотных электромагнитных колебаний

э К Б С L Lсв

Слайд 7

Аналогия между механическими и электромагнитными автоколебаниями

Слайд 8

1.Если конденсатор колебательного контура зарядить, то в контуре возникнут затухающие колебания. 2.Чтобы колебания не затухали, нужно компенсировать потери энергии на каждый период колебаний. 3.Пополнять энергию можно, подзаряжая конденсатор. 4.Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения. 5.Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединённая к «+» полюсу источника пластина заряжена «+», а присоединенная к «-» полюсу – «-». 6.В контуре незатухающие колебания установятся лишь при условии, что источник будет подключаться к контуру в те интервалы времени, когда возможна передача энергии. 7. Для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа или транзистора.

Слайд 9

Как создать незатухающие колебания в контуре:

Слайд 10

Схема транзистора

Слайд 11

Работа генератора на транзисторе

1.Чтобы в цепи возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе «-» относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена «+», а нижняя – «-». Это соответствует замкнутому ключу. 2. Для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно переодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения в контуре. 3. Необходима обратная связь.

Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний (на транзисторе)

Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Для того чтобы они были незатухающими, нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре. Широко применимы так называемые автоколебания - незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени.

Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей (рис. 1): 1) колебательная система; 2) источник энергии, за счет которого компенсируются потери; 3) клапан - некоторый элемент, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужный момент; 4) обратная связь - управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.

Генератор на транзисторе - пример автоколебательной системы. На рисунке 2 приведена упрощенная схема такого генератора, в котором роль "клапана" играет транзистор. Колебательный контур подключен к источнику тока последовательно с транзистором. Эмиттерный переход транзистора через катушку L св индуктивно связан с колебательным контуром. Эту катушку называют катушкой обратной связи.

1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).
2. Колебательная система - та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).
3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, - клапан (в рассмотренном генераторе роль клапана выполняет транзистор).
4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе предусмотрена индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер - база).

В генераторе на транзисторе вырабатываются незатухающие колебания различных частот. Без таких систем не было бы ни современной радиосвязи, ни телевидения, ни ЭВМ.

Генератор на транзисторе является автогенератором электромагнитных колебаний.

Автоколебательные электромагнитные системы по описывающим их законам, аналогичны механическим автоколебательным системам. Под автоколебательной системой понимают такую систему, в которой при отсутствии внешнего периодического воздействия возникают и существуют сколь угодно долго периодические колебания.

Рационально начать изучение темы с повторения механических автоколебательных систем, так как физические основы механических и электромагнитных автоколебаний едины.

Примером механической автоколебательной системы являются маятниковые часы, модель которых изображена на рисунке 1а. В 1657 году голландский физик Христиан Гюйгенс предложил использовать изохронность колебаний маятника для создания равномерного движения стрелки на часах. Устройство, предложенное Гюйгенсом, в его главных чертах сохранилось до настоящего времени: маятник, поднятый груз, анкер и ходовое колесо (рисунок 1б). Обращаю внимание учащихся на то, что в основном маятник движется свободно, получая за период два толчка. Колебания возникают и поддерживаются самой колебательной системой, то есть являются автоколебаниями.

Рисунок 1

Анализируя работу данного механизма, выделяем основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем и объединяем их в блок-схему (рисунок 2)

Рисунок 2

Используя метод аналогий, переходим от механической автоколебательной системы к электромагнитной автоколебательной системе. Анализируем, что можно использовать в качестве источника энергии, клапана, колебательной системы в электрической цепи и как можно осуществить обратную связь между клапаном и колебательной системой. Одновременно на доске и в тетрадях заполняем таблицу 1.

Таблица 1.

Вспоминаем обозначения составляющих частей автогенератора (рисунок 3 а) и рисуем его схему (рисунок 3 б)

Рисунок 3

По данной схеме объясняем принцип работы генератора на транзисторе, подчеркнув в очередной раз, что это автоколебательная система. В момент подключения источника постоянного тока через коллекторную цепь транзистора проходит ток, заряжающий конденсатор колебательного контура. В контуре возникнут свободные электромагнитные колебания. Так как катушка колебательного контура индуктивно связана с катушкой обратной связи, то ее изменяющееся магнитное поле вызовет в катушке обратной связи переменную ЭДС такой же частоты, как и колебания в контуре. Эта ЭДС, будучи приложена к участку база – эмиттер, вызовет пульсацию тока в цепи коллектора. Так как частота этих пульсаций равна частоте электромагнитных колебаний в контуре, то они подзаряжают конденсатор контура и тем самым поддерживают постоянной амплитуду колебаний в контуре.

Собрав установку, изображенную на рисунке 4б можно продемонстрировать, что в автогенераторе без внешнего воздействия возникли электромагнитные колебания синусоидальной формы. Таким образом, в автогенераторе происходит преобразование энергии источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний.

Поскольку в контуре существуют свободные колебания, то для них контур представляет только активное сопротивление, а потому напряжение на участке эмиттер – коллектор и на участке база – эмиттер должны быть сдвинуты на 180°. Чтобы продемонстрировать это учащимся, необходимо поменять местами провода, подходящие к катушке обратной связи. В этом случае колебания в генераторе не возникнут.

Второе условие работы генератора заключается в следующем: Энергия, поступающая в контур из коллекторной цепи, должна полностью восполнить необратимые преобразования в нем энергии. Это условие обеспечивается обратной связью. Чтобы убедить в этом учащихся, надо приподнять и медленно удалить катушку обратной связи от катушки контура. На экране осциллографа видно, как постепенно уменьшается амплитуда колебаний в контуре и наконец колебания исчезают.

Рисунок 4

На основании проделанных опытов сформулируем вывод, что обратная связь в генераторе автоколебаний должна удовлетворять двум условиям:

а) энергия от источника должна поступать в такт с колебаниями в контуре;

б) поступающая от источника энергия должна быть равна ее потерям в контуре.

Завершаем изучение темы рассмотрением вопроса о применении электромагнитных автоколебательных систем

Метод аналогий при изучении данной темы позволяет не только лучше усвоить суть вопроса, но и, подчеркнуть единство физических закономерностей механических и электромагнитных колебаний.

Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Для того чтобы они были незатухающими, нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре. Широко применимы так называемые автоколебания - незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени.

Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей (рис. 1): 1) колебательная система; 2) источник энергии, за счет которого компенсируются потери; 3) клапан - некоторый элемент, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужный момент; 4) обратная связь - управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.

Генератор на транзисторе - пример автоколебательной системы. На рисунке 2 приведена упрощенная схема такого генератора, в котором роль "клапана" играет транзистор. Колебательный контур подключен к источнику тока последовательно с транзистором. Эмиттерный переход транзистора через катушку L св индуктивно связан с колебательным контуром. Эту катушку называют катушкой обратной связи.

1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).
2. Колебательная система - та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).
3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, - клапан (в рассмотренном генераторе роль клапана выполняет транзистор).
4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе предусмотрена индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер - база).

В генераторе на транзисторе вырабатываются незатухающие колебания различных частот. Без таких систем не было бы ни современной радиосвязи, ни телевидения, ни ЭВМ.

Билет № 10

1.Статика изучает условия равновесия тел.

Виды равновесия

Устойчивое равновесие . Если тело вывести из устойчивого равновесия, то появляется сила, возвращающая его в положение рав­новесия. Устойчивому равновесию соответствует минимальное значение потенциальной энергии

Неустойчивое равновесие . Если тело вывес­ти из неустойчивого равновесия, то возни­кает сила, удаляющая тело от положения равновесия. Неустойчивому равновесию соответствует максимальное значение потенциальной энергии.

Безразличное равновесие. При выведении тела из состояния безразличного равновесия дополнительных сил не возникает. Пример: шар на плоскости.

Момент силы. Правило моментов

Момент силы М (Н· м) – физическая величина, модуль которой равен произведению модуля силы на плечо силы

М = F· d .

Плечо силы d (M) – кратчайшее расстояние между осью вращения и линией действия силы. Т.е. из точки вращения опускается перпендикуляр на линию действия силы. При необходимости линию продлить.

Знаки моментов. Если сила вызывает вращение тела по ча­совой стрелке, то такой момент считают положительным:

Если сила вызывает вращение тела против часовой стрелки, в таком случае момент отрицательный.

Тело находится в равновесии при выполнении сразу двух условий.

1. Сумма сил, действующих на тело, равна нулю.

2. Правило моментов : тело, имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех приложенных к телу сил относительно этой оси равна нулю:

Или: сумма моментов сил, вызывающих вращение тела по часовой стрелке, равна сумме моментов сил, вызывающих вращение тела против часовой стрелки:

Простые механизмы – приспособления, служащие для преобразования силы. К ним относятся ворот, наклонная плоскость, рычаг, клин и блоки.
«Золотое правило механики ». При использовании простых механизмов мы выигрываем в силе, но проигрываем в расстоянии (или наоборот - например, катапульта). Выигрыша в работе простые механизмы не дают, т.к. это противоречило бы закону сохранения энергии.

Механический вечный двигатель, производящий энергию из ничего , невозможен.

Центр тяжести тела – точка, относительно которой момент сил тяжести всех точек тела равен нулю. В случае однородного поля силы тяжести центр тяжести совпадает с центром масс).

2 . Переменный ток. Сопротивления в цепи переменного тока.

Вынужденные электромагнитные колебания в электрической цепи представляют собой переменный электрический ток .

§ Переменный электрический ток - это ток, сила и направление которого периодически меняются.

Наибольшее распространение получил гармонический переменный ток, представляющий собой вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, гармонически меняющегося с частотой ω по закону синуса или косинуса:

u =U m ⋅sinωt или u =U m ⋅cosωt ,

где u – мгновенное значение напряжения, U m – амплитуда напряжения, ω – циклическая частота колебаний. Если напряжение меняется с частотой ω, то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой, но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае

i =I m ⋅sin(ωt +φ ) ,

где φ – разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения. Принцип получения переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции - индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п. Частота колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний имеет и сила переменного тока. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США частота промышленного тока 60 Гц.

«Физика - 11 класс»

Вынужденные колебания возникают под действием переменного напряжения, вырабатываемого генераторами на электростанциях.
Такие генераторы не могут создавать колебания высокой частоты, необходимые для радиосвязи? т.к. для этого потребовалась бы очень большая скорость вращения ротора.
Колебания высокой частоты получают, например, с помощью генератора на транзисторе.

Автоколебательные системы

Обычно незатухающие вынужденные колебания поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения.
Но возможны и другие способы получения незатухающих колебаний.

Например, есть система, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, с источником энергии.
Если сама система будет регулировать поступление энергии в колебательный контур для компенсации потерь энергии на резисторе, то в ней могут возникнуть незатухающие колебания .

Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри самой системы, называются автоколебательными . Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями .

Генератор на транзисторе - пример автоколебательной системы.
Он состоит из колебательного контура с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источника энергии и транзистора.

Как создать незатухающие колебания в контуре?

Чтобы электромагнитные колебания в контуре не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период.

Пополнять энергию в контуре можно, подзаряжая конденсатор.
Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения.

Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу - отрицательно.
Только в этом случае источник будет подзаряжать конденсатор, пополняя его энергию.

Если же ключ замкнуть в момент, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина имеет отрицательный заряд, а присоединенная к отрицательному полюсу - положительный, то конденсатор будет разряжаться через источник. Энергия конденсатора при этом будет убывать.

Источник постоянного напряжения постоянно подключенный к конденсатору контура, не может поддерживать в нем незатухающие колебания, так же как постоянная сила не может поддерживать механические колебания.
В течение половины периода энергия поступает в контур, а в течение следующей половины периода возвращается в источник.

В контуре незатухающие колебания установятся лишь при условии, что источник будет подключаться к контуру в те интервалы времени, когда возможна передача энергии конденсатору.
Для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа.
При высокой частоте колебаний ключ должен обладать надежным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа и используется транзистор.

Транзистор состоит из эмиттера, базы и коллектора.
Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, например дырки (полупроводник p-типа).
База имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник n-типа).

Работа генератора на транзисторе

Колебательный контур соединен последовательно с источником напряжения и транзистором так, что на эмиттер подается положительный потенциал, а на коллектор - отрицательный.
При этом переход эмиттер - база (эмиттерный переход) является прямым, а переход база - коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет.
Это соответствует разомкнутому ключу.

Чтобы в цепи контура возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе отрицательный относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя - отрицательно.
Это соответствует замкнутому ключу.

В интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена отрицательно, а нижняя - положительно, ток в цепи контура должен отсутствовать. Для этого база должна иметь положительный потенциал относительно эмиттера.

Таким образом, для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения на контуре.
Необходима обратная связь .

Здесь обратная связь - индуктивная
К эмиттерному переходу подключена катушка индуктивностью L CB , индуктивно связанная с катушкой индуктивностью L контура.
Колебания в контуре вследствие электромагнитной индукции возбуждают колебания напряжения на концах катушки, а тем самым и на эмиттерном переходе.
Если фаза колебаний напряжения на эмиттерном переходе подобрана правильно, то «толчки» тока в цепи контура действуют на контур в нужные интервалы времени, и колебания не затухают.
Напротив, амплитуда колебаний в контуре возрастает до тех пор, пока потери энергии в контуре не станут точно компенсироваться поступлением энергии от источника.
Эта амплитуда тем больше, чем больше напряжение источника.
Увеличение напряжения приводит к усилению «толчков» тока, подзаряжающего конденсатор.

Генераторы на транзисторах широко применяются не только во многих радиотехнических устройствах: радиоприемниках, передающих радиостанциях, усилителях, ЭВМ.

Основные элементы автоколебательной системы

На примере генератора на транзисторе можно выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем.

1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).

2. Колебательная система - та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).

3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему - клапан (в рассмотренном генераторе - транзистор).

4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе - индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер - база).

Примеры автоколебательных систем

Автоколебания в механических системах: часы с маятником или балансиром (колесиком с пружинкой, совершающим крутильные колебания). Источником энергии в часах служит потенциальная энергия поднятой гири или сжатой пружины.

К автоколебательным системам относятся электрический звонок с прерывателем, свисток, органные трубы и многое другое. Наше сердце и легкие также можно рассматривать как автоколебательные системы.