III. Вправи для учнів з ціллю закріплення отриманих знань, застосування їх на практиці

1. Запитання. Як зміниться період вільних коливань, коли конденсатор контура замінити іншим конденсатором із вдвічі меншою швидкістю заряджання?

2. Задача. Максимальний заряд на обкладках конденсатора коливального контуру q_m=10^-6 Кл. Амплітудне значення сили струму в контурі І_м=10^-3 А. Визначити період коливань. Втрати на нагрівання провідника не враховувати.

Т-?
qm=10^-6 Кл Ім=10^-3 А
Відповідь: Т=6,3*10^-3с

3. Задача. Коливальний контур повинен працювати у передавачі, який випромінює хвилі довжиною 300м. Яким має бути період його коливань? Як забезпечити цей період, якщо індуктивність котушки контура дорівнює 1мкГн?

Т-? С-?
λ=300м L=1мкГн
Відповідь: період коливань контура 1мкс; Електроємність конденсатора 0,025мкФ

4. Задача. Коливальний контур складається з конденсатора з електроємністю 400пФ і котушки індуктивності з індуктивністю 10мГн. Визначити амплітуду сили струму, якщо максимальний заряд конденсатора дорівнює 200нКл.

Ім-?
С=400пФ L=10мГн qm=200нКл
Відповідь: Ім=0,1А

IV. Домашнє завдання

§15 За підручником Мякишев, Буховцев „Фізика”,

Задача: Електричний заряд, виражений в Кулонах, змінюється з часом так: q=3.5*10^-5cos4П t. Чому дорівнюють амплітуда коливань і циклічна частота?

Задача: Коливальний контур складається з котушки з індуктивністю L=0.003Гн і плоского конденсатора ємністю С=13,4пФ. Визначте період вільних коливань у контурі. Чому дорівнює період, якщо простір між обкладками конденсатора заповнити діелектриком з діелектричною проникністю Е=4?

V. Систематизація і узагальнення нових знань

Питання до класу:

1. За яким законом під час вільних коливань змінюється заряд?

2. Які коливання називаються гармонічними?

3. Що називається амплітудою коливань?

4. Який вигляд має графік залежності заряду від часу в коливальному контурі?

5. Що таке період коливань?

6. Що таке циклічна частота?

7. Який вигляд має формула Томсона?

Використана література:

8. Мякишев, Буховцев „фізика”;

9. І. М. Кучерук, І.Т. Горбачук, П.П. Луцик „Загальний курс фізики”;

10. К. В. Корсак, „Фізика. Посібник для вступників до ВУЗів”

11 Клас Фізика Тема уроку. Автоколивання. Генератор незатухаючих коливань на транзисторі

Мета. Розкрити суть затухання електричних коливань. Дати учням поняття автоколивань. Розглянути принцип дії генератора незатухаючих електромагнітних коливань, як автоколивальної системи.

Демонстрація: незатухаючі електромагнітні коливання в генераторі на транзисторі.

Тип уроку: засвоєння нових знань.

ХІД УРОКУ

І. Актуалізація опорних знань.

Питання до класу:

1. Чи може амплітуда сили струму під час резонансу в коливальному контурі з активним опором R перевищити силу постійного струму в колі з таким самим активним опором і постійною напругою, що дорівнює амплітуді змінної напруги?

2. Чому дорівнює різниця фаз між коливаннями сили струму і напруги в умовах резонансу?

3. За якої умови резонансні властивості контуру виявляються виразніше?

ІІ. Мотивація навчальної діяльності, оголошення теми і мети уроку.

ІІІ. Сприймання навчального матеріалу.

1. Затухаючі електромагнітні коливання. Автоколивання.

Вільні коливання, розглянуті в попередніх парагра­фах, є певною ідеалізацією. Реальний коливальний кон­тур завжди чинить певний опір електричному струмові. Тому частина наданої контуру енергії безперервно пере­творюється у внутрішню енергію проводів. Крім того, як ми пізніше дізнаємося, частина енергії випромінюється в навколишній простір. Це означає, що вільні електро­магнітні коливання в контурі практично завжди є за­тухаючими. Чим більший опір контуру, тим швидше відбуваються затухання. Якщо опір контуру дуже великий, коливання взагалі можуть і не виникнути — конденсатор розрядиться, а перезаряджання його не відбудеться.

Для технічного використання електромагнітних ко­ливань необхідно, щоб ці коливання існували тривалий час, тобто потрібно зробити їх незатухаючими. Для цього слід енергію, яку втрачає контур, увесь час попов­нювати від побічного джерела. З подібною задачею ви вже зустрічалися, коли розглядали способи отримання незатухаючих механічних коливань.

Щоб дістати незатухаючі електромагнітні коливан­ня, достатньо у коливальний контур увімкнути джерело змінної ЕРС. Ця ЕРС викликатиме в контурі вимушені коливання заряду (сили струму і напруги) з частотою, що дорівнює частоті змін ЕРС джерела. Під час вимуше­них коливань енергія підводиться до контуру безперерв­но, внаслідок чого ці коливання будуть незатухаючими. Таке джерело змінної ЕРС, яке підтримує незатухаючі електромагнітні коливання в реальному контурі, нази­вають генератором електромагнітних коливань.

Особливо важливі і широко вживані так звані елек­тромагнітні автоколивання — незатухаючі коливання, які підтримуються в коливальній системі не за рахунок періодичного зовнішнього впливу, а в результаті здат­ності коливальної системи самій регулювати надхо­дження енергії від постійного зовнішнього джерела. Такі системи називаються автоколивальними. Добре відомим вам прикладом механічної автоколивальної системи є звичайний годинник із маятником.

В автоколивальних системах незатухаючі електрич­ні коливання виникають під дією процесів, які від­буваються всередині системи, і для їх підтримання не потрібно жодних зовнішніх впливів. До складу авто­коливальних систем входить джерело енергії, достатньо енергомістке, щоб втрати енергії за кілька коливань були значно меншими за повний запас енергії джерела. У випадку електричних автоколивань таким джерелом може бути акумуляторна батарея чи інше джерело ЕРС. Це джерело періодично вмикається самою системою і в неї вводиться певна енергія, щоб скомпенсувати втрати на нагрівання провідників, що й робить коливання неза­тухаючими.

Оскільки коливання в автоколивальних системах вста­новлюються під впливом процесів, які відбуваються всередині системи, то вони виникають самодовільно (самозбудження), під дією випадкових малих впливів, які виводять систему з рівноваги. Виникаючі малі коли­вання самодовільно наростають, і врешті-решт у системі встановлюються коливання, властивості яких (частота, амплітуда, фаза тощо) визначаються властивостями самої системи і не залежать від початкових умов. Цим автоколивання принципово відрізняються від вимуше­них електромагнітних коливань, частота яких збігається з частотою зовнішньої ЕРС, а амплітуда коливань зале­жить від амплітуди цієї ЕРС.

2. Генератор незатухаючих коливань.

Електричні автоколивальні системи надзвичайно широко використовуються в сучасній техніці для отри­мання незатухаючих електромагнітних коливань висо­кої частоти. Принцип дії цих систем значною мірою збі­гається з принципом дії механічних автоколивальних систем. Електрична автоколивальна система містить коливальний контур, підсилювач коливань і джерело електричної енергії (батарею). Між коливальним конту­ром і підсилювачем має існувати зворотний зв'язок — коливання з контуру надходять у підсилювач, підси­люються за рахунок джерела енергії і повертаються назад у коливальний контур. Дуже важливо, щоб коливання, які надходять від підсилювача в контур, збігалися за фазою з коливаннями у самому контурі.

Існує багато автоколивальних систем як з електрон­ними лампами, так і з транзисторами. На мал. 2 показано спрощену схему електричної автоколивальної системи — автогенератора електромагнітних коливань

Автоколивальна система електричних коливань	Автоколивальна система механічних коливань

Мал. 2.

на транзисторі. Коливальний контур LС увімкнено до джерела постійної ЕРС послідовно з транзисто­ром. В емітер — базове коло транзистора — увімкнута котушка L_з.з., індуктивно пов'язана з коливальним контуром. Цю котушку називають котушкою зворотного зв'язку. Паралельно коливальному контуру увімкнутий електронний осцилограф для спостереження електро­магнітних коливань. Генератор живиться від джерела постійної напруги.

Працює автогенератор на транзисторі так. Під час вмикання джерела живлення через транзистор прохо­дить імпульс струму і, який заряджає конденсатор кон­туру. В результаті в коливальному контурі виникають вільні електромагнітні коливання. Змінний струм, про­ходячи котушкою контуру, індукує на кінцях котушки зворотного зв'язку змінну напругу U_с. (мал. 3, а). Ця напруга подається на емітерний перехід транзистора. Внаслідок цього через транзистор проходять імпульси сили струму, тривалість яких залежить від режиму ро­боти транзистора. На мал. 3, б показані імпульси сили струму, які тривають протягом півперіоду генеро­ваних коливань. У перший півперіод коливання, коли емітерний перехід вмикається в прохідному напрямі, в колекторному колі транзистора йде струм. Цей струм збігається за напрямом зі струмом у котушці контуру. В результаті сила струму в котушці наростає і відбу­вається підзарядка конденсатора, тобто компенсуються втрати енергії в контурі.

В наступний півперіод, коли струм у контурі змінить напрям, на емітерний перехід транзистора з котушки зворотного зв'язку подається напруга протилежного знаку. Емітерний перехід вмикається в запірному напрямі, що призводить до зникнення струму в колекторі, тобто до запирання транзистора. Коливальний контур протягом півперіоду від'єднується від джерела напруги.

У наступний півперіод процес повторюється. Таким чином, роль транзистора зводиться до вмикання і вими­кання джерела постійної напруги, за рахунок енергії якого у контурі підтримуються незатухаючі коливання. На мал. 3, в заштриховані площі пропорційні енергії, яка надходить у контур за кожен період коливань.

Може здатися, що з кожним періодом амплітуда коливань в контурі зростатиме до безмежності. Так би воно й було, якби сила струму емітера могла безмежно зростати при збільшенні напруги на емітерному перехо­ді. Проте внаслідок насичення в транзисторі амплітуда коливань не може зростати до безмежності, встано­виться цілком певне її значення для даного режиму роботи генератора. Амплітуда автоколивань повністю визначається параметрами автоколивальної системи.

Щоб коливання, які почалися в контурі після зами­кання колекторного кола, перетворилися в незатухаючі, необхідно, щоб у колі емітера коливання збігалися за фазою з коливаннями в контурі. Адже вони можуть ви­явитися і в протифазі і тоді автоколивання не виникнуть.

Частота коливань у контурі визначається індуктивністю L контуру і ємністю С конденсатора відповідно до формули Томсона:

(1)

Мал. 3.

За малих L і С частота коливань велика. Виявити коливання у генераторі (збудження генератора) можна за допомогою осцилографа, якщо подати на його вертикально відхиляючі пластини напругу з конденсатора.

Генератори незатухаючих коливань на транзисторах характеризуються великою надійністю в роботі, мають високий ККД, можуть працювати від малопотужних джерел живлення за надзвичайно низьких напруг на колекторі, дають змогу широко варіювати частоту, інтенсивність і форму коливань.

ІV. Закріплення.

Питання до класу:

1. Накресліть схему транзисторного автогенератора і поясніть принцип утворення в ньому незатухаючих коливань.

2. Яку роль віді­грає транзистор у схемі генератора?