วงจรออสซิลเลเตอร์
ตัวเก็บประจุและขดลวดที่สมบูรณ์แบบ การสั่นเกิดขึ้นได้อย่างไร โดยที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เมื่อสนามแม่เหล็กของขดลวดเพิ่มขึ้นและหายไป
วงจรออสซิลเลตติ้งเป็นวงจรไฟฟ้าแบบปิดที่ประกอบด้วยขดลวดและตัวเก็บประจุ ให้เราแสดงค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดด้วยตัวอักษร L และความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุด้วยตัวอักษร C วงจรออสซิลเลเตอร์เป็นระบบไฟฟ้าที่ง่ายที่สุดที่สามารถเกิดการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบฮาร์มอนิกได้ฟรี
แน่นอนว่าวงจรการสั่นที่แท้จริงนั้นไม่ได้มีเพียงความจุ C และตัวเหนี่ยวนำ L เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการต่อสายไฟซึ่งมีความต้านทานที่ใช้งานอยู่ R อย่างแน่นอน แต่ให้ทิ้งความต้านทานไว้นอกขอบเขตของบทความนี้ คุณสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับมันได้ ในหัวข้อปัจจัยคุณภาพของระบบสั่น ดังนั้นเราจึงพิจารณาวงจรออสซิลเลเตอร์ในอุดมคติและเริ่มต้นด้วยตัวเก็บประจุ
สมมติว่ามีตัวเก็บประจุที่สมบูรณ์แบบ ให้เราชาร์จจากแบตเตอรี่เป็นแรงดันไฟฟ้า U0 นั่นคือสร้างความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น U0 ระหว่างเพลตเพื่อให้มันกลายเป็น "+" ที่เพลตบนและ "-" ที่เพลตล่างตามที่ระบุไว้ตามปกติ
มันหมายความว่าอะไร? ซึ่งหมายความว่าด้วยความช่วยเหลือของแหล่งที่มาของแรงภายนอก เราจะย้ายส่วนหนึ่งของประจุลบ Q0 (ประกอบด้วยอิเล็กตรอน) จากแผ่นด้านบนของตัวเก็บประจุไปยังแผ่นด้านล่าง เป็นผลให้ประจุลบส่วนเกินจะปรากฏที่แผ่นด้านล่างของตัวเก็บประจุ และแผ่นด้านบนจะขาดประจุลบในปริมาณนั้น ซึ่งหมายถึงประจุบวกส่วนเกิน ท้ายที่สุดตัวเก็บประจุไม่ได้ถูกชาร์จในตอนแรกซึ่งหมายความว่าประจุของเครื่องหมายเดียวกันบนแผ่นทั้งสองนั้นเท่ากันอย่างแน่นอน
ดังนั้น, ตัวเก็บประจุที่มีประจุ, แผ่นด้านบนมีประจุบวก (เนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอน) เมื่อเทียบกับแผ่นด้านล่าง และแผ่นด้านล่างมีประจุลบเมื่อเทียบกับแผ่นด้านบน โดยหลักการแล้วสำหรับวัตถุอื่น ๆ ตัวเก็บประจุจะเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่ภายในไดอิเล็กตริกมีสนามไฟฟ้าซึ่งประจุตรงข้ามบนแผ่นตรงข้ามมีปฏิสัมพันธ์กันกล่าวคือพวกมันมักจะดึงดูดซึ่งกันและกัน แต่อิเล็กทริกโดยธรรมชาติของมัน ไม่อนุญาตให้สิ่งนี้เกิดขึ้น ในขณะนี้ พลังงานของตัวเก็บประจุมีค่าสูงสุดและเท่ากับ ECm
ตอนนี้ให้เราใช้ตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติ ทางเดินทำจากเส้นลวดที่ไม่มีความต้านทานไฟฟ้าเลย นั่นคือ มีความสามารถที่สมบูรณ์แบบในการส่งผ่านประจุไฟฟ้าโดยไม่รบกวนมัน เชื่อมต่อขดลวดขนานกับตัวเก็บประจุที่ชาร์จใหม่
อะไรจะเกิดขึ้น? ประจุบนจานของตัวเก็บประจุเหมือนเมื่อก่อน โต้ตอบกัน มีแนวโน้มที่จะดึงดูดซึ่งกันและกัน — อิเล็กตรอนจากแผ่นด้านล่างมักจะกลับไปที่ด้านบน เพราะจากนั้นพวกมันจะถูกลากโดยแรงไปที่ด้านล่างเมื่อตัวเก็บประจุถูกประจุ .ระบบของประจุมีแนวโน้มที่จะกลับสู่สภาวะสมดุลทางไฟฟ้า จากนั้นจึงต่อขดลวด—ลวดที่บิดเป็นเกลียวที่มีตัวเหนี่ยวนำ (ความสามารถในการป้องกันกระแสจากการเปลี่ยนแปลงโดยสนามแม่เหล็กเมื่อกระแสนั้นผ่านเข้าไป) !
อิเล็กตรอนจากแผ่นล่างวิ่งผ่านลวดของขดลวดไปยังแผ่นด้านบนของตัวเก็บประจุ (อาจกล่าวได้ว่าในเวลาเดียวกันประจุบวกจะวิ่งไปที่แผ่นล่าง) แต่ไม่สามารถเลื่อนไปที่นั่นได้ทันที
ทำไม เนื่องจากขดลวดมีความเหนี่ยวนำและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านมันเป็นกระแสอยู่แล้วและเนื่องจากกระแสหมายความว่าต้องมีสนามแม่เหล็กอยู่รอบ ๆ ดังนั้นยิ่งอิเล็กตรอนเข้าไปในขดลวดมากเท่าใดกระแสก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้นและสนามแม่เหล็กก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น รอบขดลวดปรากฏขึ้น
เมื่ออิเล็กตรอนทั้งหมดจากแผ่นด้านล่างของตัวเก็บประจุเข้าสู่ขดลวด กระแสในขดลวดจะอยู่ที่ค่า Im สูงสุด สนามแม่เหล็กรอบ ๆ ขดลวดจะมีค่ามากที่สุดที่ประจุเคลื่อนที่จำนวนนี้จะสร้างขึ้นได้ในขณะที่อยู่ในตัวนำ ณ จุดนี้ตัวเก็บประจุจะถูกปล่อยออกมาอย่างสมบูรณ์พลังงานของสนามไฟฟ้าในไดอิเล็กตริกระหว่างแผ่นเปลือกโลกจะเท่ากับศูนย์ EC0 แต่พลังงานทั้งหมดนี้มีอยู่ในสนามแม่เหล็กของขดลวด ELm
จากนั้นสนามแม่เหล็กของขดลวดก็เริ่มลดลงเพราะไม่มีอะไรมารองรับ เนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนไหลเข้าและออกจากขดลวดอีกต่อไป ไม่มีกระแสไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กที่หายไปรอบๆ ขดลวดจะสร้างสนามไฟฟ้าวน ในสายของมันที่ผลักอิเล็กตรอนไปยังตัวเก็บประจุแผ่นบนซึ่งพวกมันกระตือรือร้นมากและในขณะที่อิเล็กตรอนทั้งหมดอยู่บนแผ่นด้านบนของตัวเก็บประจุ สนามแม่เหล็กของขดลวดจะเท่ากับศูนย์ EL0 และตอนนี้ตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จในทิศทางตรงกันข้ามกับประจุที่จุดเริ่มต้น
ตอนนี้แผ่นบนของตัวเก็บประจุมีประจุลบและแผ่นล่างมีประจุบวก ขดลวดยังคงเชื่อมต่ออยู่ ลวดของมันยังคงให้เส้นทางอิสระสำหรับการไหลของอิเล็กตรอน แต่ความต่างศักย์ระหว่างแผ่นของตัวเก็บประจุนั้นเกิดขึ้นอีกครั้ง แม้ว่าสัญญาณจะตรงกันข้ามกับของเดิมก็ตาม
และอิเล็กตรอนพุ่งเข้าไปในขดลวดอีกครั้ง กระแสจะกลายเป็นค่าสูงสุด แต่เนื่องจากตอนนี้มันพุ่งไปในทิศทางตรงกันข้าม สนามแม่เหล็กจึงถูกสร้างขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม และเมื่ออิเล็กตรอนทั้งหมดกลับไปที่ขดลวด (ขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ลง) สนามแม่เหล็กไม่สะสมอีกต่อไป ตอนนี้มันเริ่มลดลง และอิเล็กตรอนถูกผลักต่อไป - ไปที่แผ่นล่างของตัวเก็บประจุ
และในขณะที่สนามแม่เหล็กของขดลวดกลายเป็นศูนย์มันก็หายไปอย่างสมบูรณ์ — แผ่นด้านบนของตัวเก็บประจุจะมีประจุบวกอีกครั้งเมื่อเทียบกับส่วนล่าง สภาพของคาปาซิเตอร์ก็เหมือนกับตอนเริ่มต้น เกิดการสั่นหนึ่งรอบเต็ม และอื่น ๆ .. ระยะเวลาของการแกว่งเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความเหนี่ยวนำของขดลวดและความจุของตัวเก็บประจุสามารถพบได้ในสูตรของทอมสัน:
