Svārstību kontūrs

Svārstību kontūra elektriskā shēma

Svārstību kontūrs ir elektriskā ķēde, kura satur savā starpā savienotus kondensatoru un induktivitātes spoli. Šādā ķēdē var tikt ierosinātas un uzturētas elektriskās strāvas un sprieguma svārstības.

Svārstību kontūra darbības princips

Visvienkāršākais svārstību kontūrs ir tā saucamais noslēgtais kontūrs, kas satur tikai spoli un kondensatoru (sk. shēmu attēlā). Lai tajā varētu rasties elektriskās svārstības, kontūram ir jāpievada enerģija, ko var izdarīt, uzlādējot kondensatoru (spoli uz laiku atslēdzot un pievienojot kondensatora klājumiem līdzstrāvas avotu). Pēc tam avotu atvieno un kontūru no jauna noslēdz. Procesi, kas pēc tam norisinās kontūrā (sprieguma un strāvas izmaiņas laikā), grafiski attēloti zīmējumā.

Kondensators, kura kapacitāte ir C sākumā (grafika punktā 0) ir uzlādēts līdz spriegumam U₀. Šādā kondensatorā uzkrātā elektriskā enerģija ir

$E_{C}={\frac {CU_{0}^{2}}{2}}$

Tikko kontūru noslēdz, ķēdē caur spoli sāk plūst strāva I, radot tajā pašindukcijas elektrodzinējspēku (EDS). Strāva pakāpeniski pieaug, līdz ar to pieaug arī magnētiskais lauks ap spoli un tajā uzkrājas magnētiskā enerģija. Brīdī, kad kondensators ir pilnīgi izlādējies (tā elektriskā enerģija E_C=0 , strāva kontūrā un spolē uzkrātā magnētiskā enerģija sasniedz maksimumu (grafika punkts 1):

$E_{L}={\frac {LI_{0}^{2}}{2}}$, kur L — spoles induktivitāte, I₀ — strāvas maksimālā vērtība.

Tā kā enerģijas kondensatorā vairs nav, varētu domāt, ka strāvai ir jāizbeidzas. Tomēr tas tā nenotiek, jo pašindukcijas EDS spolē cenšas strāvu turpināt uzturēt. Tā rezultātā strāva turpina plūst tajā pašā virzienā un uzlādē kondensatoru no jauna (pārlādē to ar pretēju polaritāti). Strāvas stiprums pakāpeniski samazinās un brīdī, kad visa spoles magnētiskā enerģija ir pārgājusi kondensatora elektriskajā enerģijā (grafika punkts 2) tā kļūst vienāda ar 0. Kondensators šajā brīdī ir uzlādēts ar spriegumu −U₀. Pēc tam kondensators no jauna sāk izlādēties caur spoli, ķēdē sāk plūst pretēja virziena strāva, līdz kondensators ir atkal izlādējies (punkts 3). Pēc tam strāva samazinās, spoles enerģijai uzlādējot kondensatoru - punktā 4 viens svārstības periods ir noslēdzis un process sākas no jauna. Tādējādi kontūrā rodas elektriskās svārstības.
Ideālā kontūrā, kuram nav aktīvās pretestības, svārstības turpinātos bezgalīgi, bet reāli to ilgums ir apgriezti proporcionāls enerģijas zudumiem kontūrā (elektriskā enerģija pamazām pāriet siltumenerģijā). Šādas svārstības sauc par rimstošām svārstībām. Kontūrā var ierosināt arī nerimstošas svārstības, ja to pievieno maiņstrāvas avotam.

Kontūra pašfrekvence

Rimstošām svārstībām, kas tiek ierosinātas kontūrā, piemīt noteikta frekvence. Šo frekvenci dēvē par kontūra pašfrekvenci jeb rezonanses frekvenci. Pašfrekvenci, izteiktu hercos, var aprēķināt pēc formulas

$f={1 \over {2\pi {\sqrt {LC}}}}$, kur induktivitāte L izteikta henrijos, bet kapacitāte C - farados.

Jo lielāks ir kontūrā ietilpstošās spoles vijumu skaits un diametrs, jo lielāka ir tās induktivitāte un svārstību periods un mazāka attiecīgā kontūra pašfrekvence. Samazinoties spoles induktivitātei, pašfrekvence pieaug. Tāpat rezonanses frekvence atkarīga no kondensatora kapacitātes - lielas kapacitātes kondensatora pārlādēšanai nepieciešams vairāk laika un tas samazina kontūra frekvenci. Kapacitāti samazinot, pašfrekvence pieaug.

Kontūra noskaņošana

Kontūra pašfrekvences maiņu sauc par kontūra noskaņošanu. Kontūru var noskaņot, vai nu mainot kondensatora kapacitāti (pielietojot maiņkondensatoru), vai arī spoles induktivitāti. Induktivitāti maina dažādos veidos - viens no tiem ir divu virknē saslēgtu spoļu izmantošana, kuras ievietotas viena otrā un var mainīt savstarpējo novietojumu. Šādu ierīci sauc par variometru. Šaurākās robežās induktivitāti maina, pārvietojot spoles iekšienē feromagnētiska materiāla serdeni.

Svārstību kontūru pielietošana

Kontūrus izmanto gandrīz visās radio uztveršanas un raidīšanas ierīcēs, lai noskaņotu uztvērējus uz noteiktu frekvenci, vai arī, lai raidītu noteiktas frekvences radioviļņus. Saslēdzot kontūrus noteiktā secībā, var no frekvenču spektra izdalīt noteiktas frekvences (sk. frekvenču filtrs).

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Svārstību kontūrs.