ข่าว

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณใส่ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเข้าไปในวงจร?มีอะไรเจ๋งๆ และมันสำคัญจริงๆ
คุณสามารถสร้างตัวเหนี่ยวนำได้หลายประเภท แต่ประเภทที่พบบ่อยที่สุดคือขดลวดทรงกระบอกหรือโซลินอยด์
เมื่อกระแสไหลผ่านวงแรก มันจะสร้างสนามแม่เหล็กที่ไหลผ่านวงอื่น สนามแม่เหล็กจะไม่มีผลใดๆ เว้นแต่แอมพลิจูดจะเปลี่ยนแปลง สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไปจะสร้างสนามไฟฟ้าในวงจรอื่น ทิศทาง ของสนามไฟฟ้านี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าเหมือนกับแบตเตอรี่
ในที่สุด เรามีอุปกรณ์ที่มีความต่างศักย์เป็นสัดส่วนกับอัตราเวลาของการเปลี่ยนแปลงของกระแส (เนื่องจากกระแสสร้างสนามแม่เหล็ก) ซึ่งสามารถเขียนได้เป็น:
มีสองสิ่งที่ต้องชี้ให้เห็นในสมการนี้ ประการแรก L คือการเหนี่ยวนำ ขึ้นอยู่กับรูปทรงของโซลินอยด์เท่านั้น (หรือรูปร่างใดก็ตามที่คุณมี) และค่าของมันจะวัดในรูปแบบของเฮนรี่ ประการที่สอง มีเครื่องหมายลบ เครื่องหมายซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงของศักย์ในตัวเหนี่ยวนำนั้นตรงกันข้ามกับการเปลี่ยนแปลงของกระแส
ตัวเหนี่ยวนำมีพฤติกรรมอย่างไรในวงจร?ถ้าคุณมีกระแสคงที่ ก็จะไม่มีการเปลี่ยนแปลง (กระแสตรง) ดังนั้นจึงไม่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างตัวเหนี่ยวนำ - มันจะทำหน้าที่เหมือนกับว่ามันไม่มีอยู่ด้วยซ้ำถ้ามี กระแสไฟฟ้าความถี่สูง (วงจรไฟฟ้ากระแสสลับ) จะมีความต่างศักย์ไฟฟ้าข้ามตัวเหนี่ยวนำมาก
ในทำนองเดียวกัน มีการกำหนดค่าตัวเก็บประจุที่แตกต่างกันมากมาย รูปร่างที่ง่ายที่สุดใช้แผ่นสื่อกระแสไฟฟ้าแบบขนานสองแผ่น แต่ละแผ่นมีประจุ (แต่ประจุสุทธิเป็นศูนย์)
ประจุบนเพลตเหล่านี้จะสร้างสนามไฟฟ้าภายในตัวเก็บประจุ เนื่องจากสนามไฟฟ้า ศักย์ไฟฟ้าระหว่างเพลตจึงต้องเปลี่ยนแปลงเช่นกัน ค่าของความต่างศักย์นี้ขึ้นอยู่กับปริมาณประจุ ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างตัวเก็บประจุสามารถเป็นได้ เขียนเป็น:
โดยที่ C คือค่าความจุในหน่วยฟารัด ซึ่งขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าทางกายภาพของอุปกรณ์ด้วย
หากกระแสไฟฟ้าเข้าสู่ตัวเก็บประจุ ค่าประจุบนบอร์ดจะเปลี่ยนไป หากมีกระแสไฟฟ้าคงที่ (หรือความถี่ต่ำ) กระแสไฟฟ้าจะยังคงเพิ่มประจุให้กับเพลตเพื่อเพิ่มศักยภาพ ดังนั้นเมื่อเวลาผ่านไป ศักยภาพก็จะเกิดขึ้นในที่สุด เป็นเหมือนวงจรเปิดและแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ (หรือแหล่งจ่ายไฟ) หากคุณมีกระแสไฟฟ้าความถี่สูงประจุจะถูกเพิ่มและนำออกจากแผ่นในตัวเก็บประจุและไม่มีประจุ การสะสมตัวเก็บประจุจะทำงานเสมือนไม่มีอยู่ด้วยซ้ำ
สมมติว่าเราเริ่มต้นด้วยตัวเก็บประจุที่มีประจุแล้วเชื่อมต่อกับตัวเหนี่ยวนำ (ไม่มีความต้านทานในวงจรเนื่องจากฉันใช้สายไฟที่สมบูรณ์แบบ) ลองนึกถึงช่วงเวลาที่ทั้งสองเชื่อมต่อกัน สมมติว่ามีสวิตช์ฉันก็สามารถวาดได้ แผนภาพต่อไปนี้
นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้น ประการแรก ไม่มีกระแสไฟฟ้า (เนื่องจากสวิตช์เปิดอยู่) เมื่อปิดสวิตช์แล้ว จะมีกระแสไฟหากไม่มีความต้านทาน กระแสนี้จะกระโดดไปสู่ค่าอนันต์ อย่างไรก็ตาม กระแสที่เพิ่มขึ้นอย่างมากนี้หมายความว่า ศักยภาพที่เกิดขึ้นทั่วตัวเหนี่ยวนำจะเปลี่ยนไป ณ จุดหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงที่อาจเกิดขึ้นในตัวเหนี่ยวนำจะมากกว่าการเปลี่ยนแปลงของตัวเก็บประจุ (เนื่องจากตัวเก็บประจุจะสูญเสียประจุเมื่อกระแสไหล) จากนั้นกระแสจะย้อนกลับและชาร์จตัวเก็บประจุใหม่ . กระบวนการนี้จะยังคงทำซ้ำต่อไปเนื่องจากไม่มีการต่อต้าน
มันถูกเรียกว่าวงจร LC เพราะมีตัวเหนี่ยวนำ (L) และตัวเก็บประจุ (C) ฉันคิดว่าสิ่งนี้ชัดเจน การเปลี่ยนแปลงที่อาจเกิดขึ้นรอบๆ วงจรทั้งหมดต้องเป็นศูนย์ (เพราะว่าเป็นวงจร) เพื่อที่ฉันจะได้เขียนได้:
ทั้ง Q และ I มีการเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา มีความเชื่อมโยงระหว่าง Q และ I เพราะกระแสคืออัตราเวลาที่การเปลี่ยนแปลงของประจุออกจากตัวเก็บประจุ
ตอนนี้ผมมีสมการเชิงอนุพันธ์อันดับสองของตัวแปรประจุ สมการนี้แก้ได้ไม่ยาก จริงๆ แล้วผมเดาคำตอบได้
ซึ่งแทบจะเหมือนกับคำตอบของมวลบนสปริง (ยกเว้นในกรณีนี้ ตำแหน่งจะเปลี่ยนไป ไม่ใช่ประจุ) แต่เดี๋ยวก่อน! เราไม่จำเป็นต้องเดาคำตอบอีกต่อไป คุณยังสามารถใช้การคำนวณเชิงตัวเลขเพื่อ แก้ปัญหานี้ ขอเริ่มต้นด้วยค่าต่อไปนี้:
เพื่อแก้ไขปัญหานี้เป็นตัวเลข ฉันจะแบ่งปัญหาออกเป็นขั้นตอนเล็กๆ น้อยๆ ในแต่ละขั้นตอน ฉันจะ:
ฉันคิดว่ามันค่อนข้างเจ๋ง ยิ่งไปกว่านั้น คุณสามารถวัดคาบการแกว่งของวงจรได้ (ใช้เมาส์เพื่อเลื่อนและค้นหาค่าเวลา) จากนั้นใช้วิธีการต่อไปนี้เพื่อเปรียบเทียบกับความถี่เชิงมุมที่คาดหวัง:
แน่นอนว่าคุณสามารถเปลี่ยนแปลงเนื้อหาบางส่วนในโปรแกรมและดูว่าเกิดอะไรขึ้น คุณจะไม่ทำลายสิ่งใด ๆ อย่างถาวร
โมเดลข้างต้นไม่สมจริง วงจรจริง (โดยเฉพาะสายไฟยาวในตัวเหนี่ยวนำ) มีความต้านทาน หากฉันต้องการรวมตัวต้านทานนี้ในโมเดลของฉัน วงจรจะมีลักษณะดังนี้:
สิ่งนี้จะเปลี่ยนสมการลูปแรงดันไฟฟ้า ตอนนี้จะมีคำศัพท์สำหรับค่าการตกคร่อมของตัวต้านทานที่อาจเกิดขึ้นด้วย
ฉันสามารถใช้การเชื่อมต่อระหว่างประจุและกระแสได้อีกครั้งเพื่อให้ได้สมการเชิงอนุพันธ์ต่อไปนี้:
หลังจากเพิ่มตัวต้านทานแล้ว นี่จะกลายเป็นสมการที่ยากขึ้น และเราไม่สามารถ "เดา" วิธีแก้ปัญหาได้ อย่างไรก็ตาม การแก้ไขการคำนวณตัวเลขข้างต้นเพื่อแก้ปัญหานี้ไม่ควรยากเกินไป ที่จริงแล้ว การเปลี่ยนแปลงเพียงอย่างเดียว คือเส้นที่คำนวณอนุพันธ์อันดับสองของประจุ ฉันเพิ่มคำลงไปเพื่ออธิบายความต้านทาน (แต่ไม่ใช่ลำดับแรก) เมื่อใช้ตัวต้านทาน 3 โอห์ม ฉันจะได้ผลลัพธ์ดังต่อไปนี้ (กดปุ่มเล่นอีกครั้งเพื่อเรียกใช้)
ใช่ คุณยังสามารถเปลี่ยนค่าของ C และ L ได้ แต่ต้องระวัง หากค่าดังกล่าวต่ำเกินไป ความถี่จะสูงมาก และคุณต้องเปลี่ยนขนาดของขั้นตอนเวลาให้เป็นค่าที่น้อยลง
เมื่อคุณสร้างแบบจำลอง (ผ่านการวิเคราะห์หรือวิธีการเชิงตัวเลข) บางครั้งคุณอาจไม่รู้จริงๆ ว่ามันถูกกฎหมายหรือเป็นของปลอมโดยสิ้นเชิง วิธีหนึ่งในการทดสอบแบบจำลองคือการเปรียบเทียบกับข้อมูลจริง ให้เราทำสิ่งนี้ นี่คือของฉัน การตั้งค่า
วิธีการทำงานมีดังนี้ อันดับแรก ฉันใช้แบตเตอรี่ประเภท D สามก้อนเพื่อชาร์จตัวเก็บประจุ ฉันสามารถบอกได้ว่าเมื่อใดที่ตัวเก็บประจุชาร์จใกล้เต็มโดยดูที่แรงดันไฟฟ้าที่คร่อมตัวเก็บประจุ จากนั้น ถอดแบตเตอรี่ออกแล้วปิดสวิตช์เพื่อ คายประจุตัวเก็บประจุผ่านตัวเหนี่ยวนำ ตัวต้านทานเป็นเพียงส่วนหนึ่งของลวด - ฉันไม่มีตัวต้านทานแยกต่างหาก
ฉันลองใช้ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำหลายแบบรวมกัน และในที่สุดก็ได้ผล ในกรณีนี้ ฉันใช้ตัวเก็บประจุ 5 μF และหม้อแปลงเก่าที่ดูไม่ดีเป็นตัวเหนี่ยวนำของฉัน (ไม่ได้แสดงไว้ด้านบน) ฉันไม่แน่ใจเกี่ยวกับค่าของ ตัวเหนี่ยวนำ ดังนั้นฉันแค่ประมาณความถี่มุมและใช้ค่าความจุที่ฉันรู้จักเพื่อแก้ค่าตัวเหนี่ยวนำของเฮนรี่ 13.6 สำหรับความต้านทาน ฉันพยายามวัดค่านี้ด้วยโอห์มมิเตอร์ แต่การใช้ค่า 715 โอห์มในแบบจำลองของฉันดูเหมือนว่าจะได้ผล ดีที่สุด.
นี่คือกราฟของแบบจำลองตัวเลขของฉันและแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ในวงจรจริง (ฉันใช้โพรบดิฟเฟอเรนเชียลเวอร์เนียร์เพื่อรับแรงดันไฟฟ้าตามฟังก์ชันของเวลา)
มันไม่ใช่ขนาดที่พอดีแต่ก็ใกล้เคียงพอสำหรับฉัน แน่นอนว่าฉันสามารถปรับพารามิเตอร์ได้เล็กน้อยเพื่อให้พอดีมากขึ้น แต่ฉันคิดว่านี่แสดงให้เห็นว่าโมเดลของฉันไม่ได้บ้า
คุณสมบัติหลักของวงจร LRC นี้คือมันมีความถี่ธรรมชาติบางส่วนที่ขึ้นอยู่กับค่าของ L และ C สมมุติว่าฉันทำอะไรที่แตกต่างออกไป จะเกิดอะไรขึ้นถ้าฉันเชื่อมต่อแหล่งจ่ายแรงดันการสั่นเข้ากับวงจร LRC นี้? ในกรณีนี้ กระแสสูงสุดในวงจรขึ้นอยู่กับความถี่ของแหล่งจ่ายแรงดันการสั่น เมื่อความถี่ของแหล่งจ่ายแรงดันและวงจร LC เท่ากัน คุณจะได้กระแสสูงสุด
หลอดที่มีอลูมิเนียมฟอยล์คือตัวเก็บประจุ และท่อที่มีลวดเป็นตัวเหนี่ยวนำ เมื่อรวมกับ (ไดโอดและหูฟัง) สิ่งเหล่านี้จะประกอบเป็นวิทยุคริสตัล ใช่ ฉันประกอบมันเข้ากับอุปกรณ์ง่ายๆ บางอย่าง (ฉันทำตามคำแนะนำบน YouTube นี้ วิดีโอ) แนวคิดพื้นฐานคือการปรับค่าของตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำเพื่อ "จูน" ไปยังสถานีวิทยุเฉพาะฉันไม่สามารถทำให้มันทำงานได้อย่างถูกต้อง - ฉันไม่คิดว่าจะมีสถานีวิทยุ AM ดีๆ อยู่แถวนี้ (หรือตัวเหนี่ยวนำของฉันเสีย) อย่างไรก็ตาม ฉันพบว่าชุดวิทยุคริสตัลเก่านี้ทำงานได้ดีกว่า
ฉันพบสถานีที่แทบจะไม่ได้ยิน ดังนั้นฉันคิดว่าวิทยุที่ฉันทำเองอาจไม่ดีพอที่จะรับสถานีได้แต่วงจรเรโซแนนซ์ RLC นี้ทำงานอย่างไร และคุณจะรับสัญญาณจากวิทยุได้อย่างไร?บางที ฉันจะบันทึกไว้ในโพสต์ในอนาคต
© 2021 Condé Nast.all สงวนลิขสิทธิ์ การใช้เว็บไซต์นี้แสดงว่าคุณยอมรับข้อตกลงผู้ใช้ นโยบายความเป็นส่วนตัว และคำชี้แจงเกี่ยวกับคุกกี้ รวมถึงสิทธิ์ความเป็นส่วนตัวในแคลิฟอร์เนียของคุณ Wired อาจได้รับส่วนหนึ่งของพันธมิตรพันธมิตรของเรากับผู้ค้าปลีก การขายจากผลิตภัณฑ์ที่ซื้อผ่านเว็บไซต์ของเรา หากไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษรจาก Condé Nast เนื้อหาบนเว็บไซต์นี้ไม่สามารถคัดลอก แจกจ่าย ส่งต่อ แคช หรือใช้อย่างอื่นได้ การเลือกโฆษณา