Незнайкин. — Я очень рад встретиться опять с тобой. Наша последняя беседа оставила в моей голове такой туман, что я меньше, чем когда-либо, осмеливаюсь приступить к конструированию радиоприемника для твоей тетушки.
Любознайкин. — Это можно было предвидеть. Поэтому я сейчас покажу тебе таблицу (рис. 15), в которой приведены схемы последовательного и параллельного соединений резисторов, конденсаторов, катушек и даны определения величин для указанных случаев соединений, а также значения суммарной величины активного, индуктивного и емкостного сопротивлений.
Рис. 15. Схемы последовательного и параллельного соединения сопротивлений, индуктивностей и емкостей.
Н. — Спасибо Это, без сомнения, поможет мне навести порядок в мыслях, а то ведь я от наших занятий стал плохо спать и это начинает внушать мне беспокойство
Л. — Неужели это радио, которое…
Н. — Ну да! Целую ночь я думал о том, что может получиться в результате последовательного соединения конденсатора и катушки Но, увы, я ничего не придумал.
Л. — Это неудивительно, потому что я ничего не говорил тебе еще об одном важном явлении. Сущность этого явления состоит в том, что хотя индуктивность и емкость являются сопротивлениями. Для переменного тока, эти сопротивления имеют как бы противоположные свойства. Индуктивность со свойственной ей инерцией задерживает появление тока (рис. 16) при приложении напряжения (в этом случае говорят, что происходит сдвиг по фазе и ток отстает от напряжения). Емкость обладает противоположным свойством: ток будет наибольшим в момент, когда конденсатор разряжен и, следовательно, напряжение равно нулю, по мере того как конденсатор заряжается и напряжение на нем возрастает, ток уменьшается.
Рис. 16. Сдвиг фаз в цепи с индуктивностью: ток I отстает от напряжения U.
Н. — Да, ведь это верно! Когда мембрана выпрямлена, движется наибольшее количество воды (электронов), когда же она выгнута, движение прекращается.
Л. — Переводя на язык электротехники эту аналогию, можно сказать, что в цепи с емкостью ток смещен по фазе и опережает приложенное напряжение (рис. 17).
Рис. 17. Сдвиг фаз в цепи с емкостью: ток I опережает напряжение U.
Н. — Пусть так. Но что происходит, когда переменное напряжение приложено к емкости и индуктивности, соединенным последовательно? Я хотел бы все же уснуть сегодня ночью!
Л. — Ну, что же! В этом случае все зависит от соотношения между величинами индуктивного и емкостного сопротивлений. Если индуктивное сопротивление больше емкостного, то оно возьмет верх, и наоборот, так как емкостное сопротивление должно вычитаться из индуктивного. Ведь оно действует диаметрально противоположно.
Н. — Хорошо Позволь мне тогда задать тебе один из мучающих меня вопросов. Представь, что у меня есть конденсатор и катушка, включенные последовательно (рис. 18) Я прикладываю к ним переменное напряжение со все возрастающей частотой, что произойдет?
Рис. 18. Последовательное соединение емкости С и индуктивности L. На резонансной частоте сдвиг фаз и реактивное сопротивление уменьшаются до нуля.
Л. — Так ты же сам это знаешь очень хорошо.
Н. — Да, я знаю, что с возрастанием частоты индуктивное сопротивление увеличится, а емкостное — уменьшится. В этом случае неизбежно наступит момент, когда при некоторой частоте индуктивное и емкостное сопротивления будут одинаковыми. И так как одно должно вычитаться из другого, то общее реактивное сопротивление нашей цепи будет равно нулю?!
Л. — Ты рассуждаешь совсем неплохо. Однако ты забываешь, что простое активное сопротивление, не зависящее от частоты, останется все-таки в цепи. Но справедливо то, что при некоторой частоте емкостное и индуктивное сопротивления как бы взаимно компенсируются и в цепи в этот момент не будет сдвига фаз между напряжением и током.
КАПЛЯ, КОТОРАЯ РАЗБИВАЕТ РЕЛЬС
Н. — Значит, в этот момент сопротивление цепи достигнет минимума, а ток, следовательно, — максимума?
Л. — Конечно. Это состояние называется резонансом.
Н. — Правда, это похоже на историю с каплями воды, которые разбивают рельс?
Л. — Что ты еще выдумал?
Н. — Я где-то читал, что можно разбить стальной рельс, лежащий на двух опорах, если капать на его середину. Под ритмичным воздействием падающих капель рельс начинает вибрировать, и при определенной частоте падения капель вибрация становится такой сильной, что рельс может лопнуть.
Л. — Действительно, это пример механического резонанса. Точно так же цепь, состоящая из индуктивности и емкости, обладает собственной резонансной частотой, при которой сопротивление цепи становится очень малым, а колебания тока в ней — наибольшими. Это аналогично свойствам металлического бруска, который, обладая некоторой массой (эквивалент индуктивности) и некоторой упругостью (эквивалент емкости), имеет тоже резонансную частоту, для которой его вибрации становятся наибольшими. Первая капля создает очень слабое колебание в рельсе, вторая, попадая в нужный момент времени, увеличивает амплитуду колебаний и так далее.
Н. — Да, я теперь понимаю, что если капли падали бы немного быстрее или немного медленнее, то они не только не помогли бы колебаниям бруска, а даже помешали бы им. Но при резонансной частоте их действия складываются и брусок ломается, когда колебания становятся слишком сильными.
ВЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ?..
Л. — Вернемся теперь, если хочешь, к электричеству. Представь, что у тебя есть заряженный конденсатор и что к его выводам ты присоединяешь катушку индуктивности (рис. 19). Что произойдет?
Рис. 19. Колебательный контур.
Н. — Я это знаю очень хорошо. Еще в последней нашей беседе мы изучили разряд конденсатора через сопротивление, а ведь катушка это все равно, что сопротивление. Следовательно, конденсатор разрядится через индуктивность… и все!
Л. — Вот как опасны слишком поспешные умозаключения! Ты забываешь, мой дорогой, что индуктивное сопротивление катушки немного особое, оно аналогично инерции. Электронам также трудно начать двигаться, как^ и остановиться. Значит, в момент, когда конденсатор разрядится, поток электронов будет еще продолжаться в том же направлении и…
Н. — … конденсатор снова зарядится, вероятно, изменив полярность. Но когда он снова зарядится?…
Л. — Он снова разрядится и так далее (рис. 20).
Рис. 20. Движение электронов в колебательном контуре в течение одного периода. В случаях 1 и 3 ток равен нулю, а напряжение на конденсаторе С максимально; в случаях же 2 и 4, наоборот, ток максимален, а напряжение на конденсаторе С равно нулю.
Н. — Значит, этому не будет конца? Достаточно зарядить конденсатор один раз, чтобы он, разряжаясь на катушку индуктивности, заряжался и разряжался вечно. Это же вечное движение?!
Л. — Не увлекайся! Наша цепь имеет активное сопротивление, и поэтому ток будет ослабевать, преодолевая это сопротивление. Вследствие этого в течение каждого колебания ток будет все меньше и меньше и, наконец, прекратится совсем.
Н. — Это похоже на колебания маятника, который, будучи выведен из состояния равновесия, качается до тех пор, пока вся энергия его не иссякнет из-за сопротивления воздуха.
Л. — Это самый классический пример, который приводится во всех учебниках по радиотехнике; может быть, ты легко догадаешься, какова же будет частота колебаний, образующихся в нашей цепи?
Н. — Я думаю, что электроны достаточно ленивы и будут следовать закону затраты наименьших усилий. Поэтому они будут колебаться на резонансной частоте — частоте, при которой кажущееся сопротивление цепи имеет наименьшее значение.
Л. — Все это именно так и происходит. В цепи, состоящей из индуктивности и емкости, называемой колебательным контуром, разряд конденсатора превращается в затухающие электрические колебания (переменный ток с уменьшающейся амплитудой), частота которых равна собственной или резонансной частоте колебаний контура (рис. 21).
