§ 73. Колебательный контур

Рассматривая случай параллельного соединения индуктивности и емкости, мы видели, что на общем участке цепи ток может быть невелик, в то время как токи в параллельных ветвях могут достигать большой величины. Если рассмотреть идеальный случай, когда активные сопротивления параллельных ветвей равны нулю, токи в них будут сдвинуты по фазе на 90° относительно приложенного напряжения. Если к тому же добиться равенства реактивных сопротивлений (x_L = х_С), то в ветвях будут протекать равные токи. Общий ток при этом будет равен нулю.

Векторная диаграмма для такого случая изображена на рис. 164.

Рис. 164. Упрощенная векторная диаграмма резонанса токов

Так как общий ток равен нулю, то подводящие провода можно отключить от источника переменного напряжения. В замкнутом контуре, образованном идеальной катушкой и конденсатором, будет протекать переменный ток.

Заряженный конденсатор, как известно, обладает запасом электрической энергии. При замыкании на катушку конденсатор начнет разряжаться и запас электрической энергии в нем будет уменьшаться. Ток разряда конденсатора, проходя по виткам катушки, создает магнитное поле. Следовательно, катушка начнет запасать магнитную энергию. Когда конденсатор полностью разрядится, его электрическая энергия станет равной нулю. В этот момент катушка будет обладать максимальным запасом магнитной энергии. Теперь сама катушка становится генератором электрического тока и начнет заряжать конденсатор. э.д.с. самоиндукции, возникающая в катушке в период нарастания магнитного поля, препятствовала протеканию тока. Теперь же, когда магнитное поле катушки будет уменьшаться, э.д.с. самоиндукции стремится поддержать ток в прежнем направлении. В момент, когда магнитная энергия катушки станет равной нулю, обкладки конденсатора окажутся заряженными противоположно тому, как они были заряжены вначале, и если активное сопротивление цепи равно нулю, то конденсатор получит первоначальный запас электрической энергии. Затем конденсатор вновь начнет разряжаться, создавая в цепи ток обратного направления, и процесс повторится.

Попеременные превращения электрической энергии в магнитную и обратно составляют основу процесса электромагнитных колебаний. Цепь, состоящая из емкости и индуктивности, в которой происходит процесс электромагнитных колебаний, называется колебательным контуром.

Частота колебаний, происходящих в колебательном контуре, определяется формулой

Эта частота называется собственной частотой колебаний контура. Период электромагнитных колебаний

Это выражение называется формулой Томсона.

Периодические колебания энергии, происходящие в колебательном контуре, могли бы продолжаться бесконечно долго в виде незатухающих колебаний, если бы отсутствовали потери I²r в самом колебательном контуре. Однако наличие активного сопротивления приводит к тому, что запас энергии контура с каждым периодом уменьшается за счет потерь на тепло в активном сопротивлении, в результате чего колебания затухают.

Таким образом, изменить частоту колебаний контура можно Двумя способами - изменением индуктивности катушки или емкости конденсатора. Тот и другой способы используются для этой цели в радиотехнике. Для поддержания незатухающих колебаний к контуру от внешнего источника (высокочастотного генератора), присоединенного к колебательному контуру, периодически подается электрическая энергия, компенсирующая потери в активном сопротивлении.

Колебательный контур является основной частью схемы любого радиоприемника и радиопередатчика.

Радиосвязь впервые была осуществлена выдающимся русским ученым А. С. Поповым (1859-1905).

А. С. Попов

Александр Степанович Попов - изобретатель беспроволочного телеграфа (радио), имеющего огромное значение для человечества. Путем упорной работы А. С. Попов добился того, что сконструированный им радиоприемник принимал радиосигналы на расстоянии нескольких километров. 25 апреля (7 мая) 1895 г. А. С. Попов демонстрировал свой радиоприемник на заседании Русского физико-химического общества. Этот день считается днем создания радио. Испытывая свой радиоприемник, А. С. Попов обнаружил экранирующее действие и отражение радиосигналов металлическими предметами. На этом принципе основана радиолокация.

А. С. Попов был профессором и директором Петербургского электротехнического института - ныне ЛЭТИ имени В. И. Ульянова (Ленина).

Заслуги А. С. Попова в изобретении радио официально были отмечены в 1900 г. присуждением ему почетного диплома и золотой медали на 4-м Всемирном электротехническом конгрессе в Париже.