Elektromagnetický oscilátor

Vypracovala: B. Horváthová

Najjednoduchším príkladom elektrického obvodu v ktorom sa premieňa elektromagnetická energia je obvod s cievkou a kondenzátorom. Základná vlastnosť cievky je jej indukčnosť L a kapacita kondenzátora C.

Obvod na obrázku voláme LC obvod, alebo oscilačný obvod. L a C sú parametre oscilačného obvodu.

Kmitanie oscilačného obvodu môžeme pozorovať pomocou osciloskopu. V oscilačnom obvode prebieha elektromagnetické kmitanie. Kondenzátor je časť obvodu, v ktorej možno sústrediť elektrickú energiu. Jej veľkosť môžeme vyjadriť vzťahom

kde Q je náboj kondenzátora a C je jeho kapacita.

Nabitý kondenzátor je zdrojom prúdu v cievke. V okolí cievky vzniká magnetické pole s magnetickou energiou

Vzájomné premeny energie kondenzátora a cievky sa prejavujú ako kmitanie oscilačného obvodu.

Z časového diagramu vyplývajú dôležité závery. Amplitúdy prúdu a napätia v oscilačnom obvode sa postupne zmenšujú. Príčinou je odpor oscilačného obvodu. Nastáva tlmenie kmitov. Vlastné kmitanie elektromagnetického oscilátora je vždy tlmené.

Zmeny napätia a prúdu v oscilačnom obvode sú harmonické, ale obe krivky sú navzájom posunuté o 1/4 periódy, fázový rozdiel je

V okamihu, keď je prúd v obvode nulový, napätie a teda aj náboj na kondenzátore sú najväčšie. Maximálnej hodnote prúdu zodpovedá nulový náboj kondenzátora. To znamená, že v elektromagnetickom oscilátore sa periodicky mení elektrická energia na magnetickú a naopak.

Na obrázku je schematické znázornenie dejov v oscilačnom obvode počas jednej periódy. v začiatočnom okamihu, keď je napätie kondenzátora najväčšie, je medzi platňami elektrické pole a jeho intenzita má najväčšiu hodnotu.

Prúd v cievke sa zvyšuje z nulovej hodnoty až na najvyššiu hodnotu, ktorú dosiahne v okamihu, keď napätie na platniach kondenzátora kleslo na nulovú hodnotu. Elektrické pole medzi doskami kondenzátora zaniklo, ale v okolí cievky vzniklo magnetické pole. Energia magnetického poľa má najväčšiu hodnotu v okamihu, keď má energia elektrického poľa nulovú hodnotu.

Keď je kondenzátor vybitý, nemôže sa prúd ďalej zvyšovať, znižuje sa a jeho zmenu sprevádza indukcia elektromotorického napätia v cievke.

Podľa Lenzovho zákona je vzniknuté napätie príčinou indukovaného prúdu, ktorý má súhlasný smer so smerom prúdu v prvej fáze deja. Kondenzátor sa postupne nabíja, napätie medzi platňami dosahuje najväčšiu hodnotu v okamihu, keď prúd klesol na nulovú hodnotu a magnetické pole zaniklo. Polarita platní kondenzátora je opačná ako v prvej fáze deja.

V druhej polovici periódy sa opísaný dej opakuje, ale s opačnými nábojmi. Za dobu kmitu T nastane stav totožný sa stavom v začiatočnom okamihu.

Analógie sa využívajú v technickej praxi nielen na teoretické riešenie konkrétnych problémov, ale aj na experimentálne štúdium. Analógie predstavujú jeden druh podobnosti fyzikálnych dejov. V súčasnosti sa touto teóriou zaoberá celý vedný odbor - teória modelov a modelovania. Podobnosť mechanických a elektromagnetických oscilátorov je iba jednou z mnohých možností, ktoré teória modelovania využíva na riešenie mnohých zložitých problémov technickej praxe.

Pomocou analogických veličín môžeme ktorýkoľvek vzťah platný pre mechanický oscilátor prepísať na analogický vzťah pre elektromagnetický oscilátor. Vzťah pre frekvenciu a periódu vlastného kmitania oscilačného obvodu odvodil v roku 1885 anglický fyzik William Thomson (lord Kelvin).