2.Генератори незатухаючих електромагнітних коливань. Використання високочастотних струмів

Розглядаючи механічні коливання, ми дізнались про так звані автоколивальні системи, загальну схему яких наведено на мал. 2.18. За допомогою автоколивальних систем  можна  одержувати  електромагнітні коливання в широкому діапазоні частот. Низькочастотні струми, звичайно, простіше одержувати обертанням рамок з провідників в однорідних магнітних полях, але високочастотні коливання, які використовують у радіотехніці, телебаченні, радіолокації, в деяких інших галузях техніки, медицині, одержати таким способам неможливо. Вище було з'ясовано, що за певних умов у коливальних контурах можуть відбуватися електромагнітні коливання. Проте такі коливання швидко затухають і припиняються, тому їх не можна використати для практичних потреб. У техніці треба мати незатухаючі коливання високої частоти. Як же їх добути? Для добування незатухаючих електромагнітних коливань потрібні: коливальний контур, джерело постійного струму, вимикач (ключ) і пристрій, що керує роботою вимикача (ключа). Щоб легше було спостерігати явища, які відбуваються під час одержання електромагнітних коливань в автоколивальних системах, можна вибрати такі параметри коливального контуру, щоб коливання були досить повільними. Це дасть змогу спостерігати за змінами напруги на обкладках конденсатора за допомогою вольтметра (мал.3.16).

Увімкнемо за допомогою вимикача (кнопки Кн) джерело живлення. Вольтметр покаже напругу на обкладках конденсатора. Вимкнемо джерело (відпустимо кнопку): вольтметр покаже наявність затухаючих коливань У коливальному контурі. Тепер періодично вмикатимемо джерело живлення, але незатухаючі коливання не виникнуть. Вони з'являться лише тоді, коли ми джерело живлення вмикатимемо в такт із коливаннями, що відбуваються в контурі. Для добування незатухаючих електромагнітних коливань потрібні коливальний контур, джерело постійного струму, вимикач (ключ) і пристрій, що керує роботою вимикача (ключа). Все це входить до складу автоколивальної системи. Коли ж вмикати джерело? Очевидно, це слід робити в ті моменти, коли верхня (на схемі) обкладка конденсатора заряджена позитивно. А якщо вона заряджена негативно, то джерело має бути вимкнене. Проте в такому пристрої з технічного боку не з'ясоване ще одне питання: здійснення зворотного зв'язку. У розглянутому досліді зворотний зв'язок здійснювали ми самі: спостерігали за змінами напруги на обкладках конденсатора й у відповідні моменти часу вмикали джерело живлення. Проте треба знайти способи автоматичного здійснення зворотного зв'язку.

Складаємо електричне коло за схемою, зображеною на мал. 3.17. Тут до попереднього добавлено електромагнітне поляризоване реле Р з контактами КР, приєднане до котушки L₁, що має індуктивний зв'язок з котушкою L коливального контура. Коли в коливальному контурі виникають коливання, то в колі «котушка зв'язку L₁ — обмотка реле» виникає індукційний струм. Рухомий контакт реле починає коливатися, замикаючи у відповідні моменти часу провідники, що йдуть від джерела живлення до коливального контура. У розглянутому випадку контакти реле повинні замикатись лише у ті моменти, коли верхня (на схемі) обкладка конденсатора заряджена позитивно — саме у цей час конденсатор і підзарядиться, поповняться втрати енергії в контурі . Щоб з'ясувати принцип дії генератора, за допомогою кнопки увімкнемо джерело живлення. При цьому конденсатор заряджається і після відпускання кнопки в контурі виникають коливання. Спрацьовує зворотний зв'язок і коливання стають незатухаючими. Проте, навіть коли виконуються всі зазначені вище дії, незатухаючі коливання можуть і не виникнути. Чому?

Це зумовлено, мабуть, тим, що контакти реле замикаються не тоді, коли потрібно. Щоб виправити це, у нашому досліді досить поміняти місцями провідники, що йдуть до котушки зворотного зв'язку. Коли під час виконання досліду незатухаючі коливання виникають відразу, то і в цьому разі варто впевнитись, що це не завжди так, помінявши місцями провідники, що йдуть до котушки зворотного зв'язку. Незатухаючі коливання ми одержали, але ж електромагнітне реле не може вмикати джерело живлення з великими частотами. Тому треба використовувати автоматичні вимикачі, які працюють практично безінерційно. Такими вимикачами можуть бути електронні лампи, транзистори, тунельні діоди та інші прилади. Найпростішим за будовою і за принципом дії генератором незатухаючих електро-магнітних коливань є генератор на транзисторі (чи на електронній лампі), схему якого наведено на мал.3.18. Якщо всі деталі залишити такими, як і в попередньому досліді, то генератор даватиме також повільні електромагнітні коливання, але роль реле тут виконуватиме транзистор. Щоб запустити такий генератор, потрібно замкнути провідником емітер і колектор транзистора, як показано на схемі штриховою лінією. Конденсатор при цьому зарядиться і в разі відпускання провідника виникнуть незатухаючі коливання. Якщо коливання не виникнуть, то, як і в попередньому випадку, треба помшяти місцями провідники, що йдуть до котушки зворотного зв'язку. Слід звернути увагу на таку деталь у роботі розглянутого найпростішого генератора. Щоб збудити коливання, ми закорочували колектор і емітер транзистора. Це робиться для того, щоб вивести систему зі стану рівноваги (зарядити конденсатор). Таке явище можна спостерігати в багатьох автоколивальних системах. Так, годинник "ходики" не працюватиме доти, доки його маятник не дістане зовнішній поштовх. Щоб збудити коливання, які дає генератор, необхідно вивести коливну систему зі стану рівноваги, наприклад, зарядити конденсатор, закоротивши контакти реле чи транзистора.

Як уже зазначалось, для багатьох галузей техніки, потрібні коливання високої частоти. Зрозуміло, що в автогенераторах для одержання високочастотних коливань слід використовувати коливальні контури з меншими індуктивностями та ємностями. Найширше застосовують високочастотні електромагнітні коливання в різних галузях радіоелектроніки. Проте їх з високою ефективністю можна використовувати і в інших галузях. Розглянемо деякі приклади.

У 1935 р. вчений у галузі високочастотної техніки Валентин Петрович Вологдін (1881 — 1935) розробив метод поверхневого гартування металів з використанням струмів високої частоти. Високочастотні струми мають чимало важливих і цікавих властивостей. Такі струми досить добре випромінюються в навколишній простір, що дає змогу використати їх для радіозв'язку. Високочастотне нагрівання широко застосовують у харчовій промисловості. За дот помогою високочастотних струмів швидко нагріваються продукти при консервуванні. При цьому мікроорганізми гинуть і продукти можуть зберігатися тривалий час. Такими струмами можна нагрівати також різні ділянки організму людини при лікуванні деяких захворювань — це так звана діатермія. Для цього використовують коливання з частотами порядку мільйона герц. Перевага такого способу перед іншими полягає в тому, що він дає змогу прогрівати і внутрішні тканини, а не лише поверхню тіла. Високочастотними струмами можна нагрівати і зварювати пластмаси, швидко сушити деревину, яка йде на виготовлення відповідних деталей. Для одержання коливань з усе більшою частотою необхідно зменшувати індуктивність і ємність коливальних контурів. Особливо ефективним є високочастотне зварювання, яке дає змогу автоматизувати значну кількість виробництв. Часто застосовують високочастотне плавлення металів у вакуумних печах для забезпечення належної чистоти металів і сплавів. Високочастотне нагрівання деталей забезпечило автоматизацію виготовлення багатьох деталей і пристосувань, зокрема підшипників, яких раніше гартували упродовж тривалого часу у спеціальних печах. Властивість високочастотних струмів поширюватись по поверхні металів (поверхневий ефект) дає змогу гартувати лише поверхню деталей, залишаючи їх всередині ковкими і здатними витримувати ударні навантаження.

ЗАПИТАННЯ

1. Які умови портрібно забезпечити, щоб гойдалка коливалася безперервно, не змінюючи амплітуду коливань?

2. Яке значення зворотного зв'язку в автоколивальних системах?

3. Поясніть дію маятникового годинника.

4. Чому вільні коливання в коливальному контурі затухають?

5. Які складові повинна мати установка для добування незатухаючих електромагнітних коливань? 6. Яку роль в установці відіграє ключ?

7. Навіщо в генераторі коливань потрібен зворотний зв'язок?

8. Які частини є обов'язковими у найпростішому генераторі з використанням транзистора? 9. Які застосування високочастотних електромагнітних коливань вам відомі?

ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ

1.  Напишіть рівняння гармонічного коливання тіла, якщо амплітуда коливання 0,2 м, а частота 2 Гц.

2.  Коливання вантажу масою 1 кг на пружині описується рівнянням x = 0,1sin(wt + ^π₂). Визначте: а) амплітуду коливання; б) частоту; в) колову частоту; г) період; д) початкову фазу коливання.