Кіріспе

Электрлік "резонатор" контуры, кедергісіз индуктивті және сыйымдылық элементтерден тұрады. LC контуры, сондай-ақ резонанстық контур, резервуар контур немесе сәйкестендірілген контур деп те аталады, – L әрпімен белгіленген индуктордан және C әрпімен белгіленген конденсатордан тұратын электр контуры. Бұл контур электрлік резонатор ретінде жұмыс істей алады, бұл контурдың резонанстық жиілігінде тербеліс жасайтын энергияны сақтайтын, тербелгіштің электрлік аналогы. LC контурлары белгілі бір жиілікте сигналдарды жасау үшін немесе күрделі сигналдан белгілі бір жиілікті сигналды бөліп алу үшін қолданылады; бұл функция таспалық сүзгі деп аталады. Олар осцилляторлар, сүзгілер, тюнерлер және жиілік араластырғыштар сияқты тізбектерде қолданылатын, әсіресе радио жабдықтарындағы көптеген электрондық құрылғылардың маңызды бөліктері болып табылады. LC контуры – бұл идеалды модель, себебі ол кедергі салдарынан энергияның жоғалмайтынын болжайды. LC контурының кез келген практикалық іске асырылуы компоненттер мен қосылыс сымдарындағы кішкентай, бірақ нөлдік емес кедергінен туындайтын шығындарды қамтиды. LC контурының мақсаты әдетте минималды өшігумен тербеліс жасау болып табылады, сондықтан кедергі мүмкіндігінше төмендетіледі. Кез келген практикалық тізбекте шығындар болмаса да, физикалық түсінік пен сезімді алу үшін тізбектің осы идеалды түрін зерттеу пайдалы. Кедергіні қамтитын тізбек моделі үшін RLC тізбегін қараңыз.

Терминология

Жоғарыда сипатталған екі элементті LC схемасы индуктор-конденсатор желісінің (немесе LC желісінің) ең қарапайым түрі болып табылады. Оны көбірек индукторлар мен конденсаторлармен күрделі (жоғары реттік) LC желілерінен ажырату үшін екінші реттік LC схемасы деп те атайды. Екі реактанстан астам LC желілері бірнеше резонанстық жиілікке ие болуы мүмкін. Желінің реті – желіні сипаттайтын рационалды функцияның кешенді жиілік айнымалысы s бойынша реті. Әдетте, рет тізбектегі L және C элементтерінің санына тең болады және ешқандай жағдайда осы сандан аспайды.

Операция

Табиғи резонанстық жиілікпен тербелетін LC контуры электр энергиясын сақтай алады. Анимацияны қараңыз. Конденсатор энергияны оның пластиналары арасындағы электр өрісінде (E) сақтайды, бұл оның арасындағы кернеуге байланысты, ал индуктор энергияны магнит өрісінде (B) сақтайды, бұл оның арқылы өтетін токқа байланысты. Егер индуктор зарядталған конденсаторға қосылса, конденсатордағы кернеу индуктор арқылы ток тудырып, оның айналасында магнит өрісін қалыптастырады. Конденсатордағы кернеу заряд ток ағынымен жұмсалғанда нөлге жетеді. Осы кезде катушканың магнит өрісінде сақталған энергия катушкада кернеуді тудырады, өйткені индукторлар токтың өзгеруіне қарсы тұрады. Бұл индукцияланған кернеу ток конденсаторды бастапқы зарядқа қарама-қарсы полярлы кернеумен қайта зарядтауға итермелейді. Фарадей заңы бойынша, токқа қозғаушы күш (ЭҚК) магнит өрісінің азаюынан туындайды, сондықтан конденсаторды зарядтау үшін қажетті энергия магнит өрісінен алынады. Магнит өрісі толығымен тарағанда ток тоқтап, заряд қайтадан конденсаторда сақталады, бұрынғыдай қарама-қарсы полярлықпен. Содан кейін цикл қайта басталады, индуктор арқылы ток қарама-қарсы бағытта ағып, конденсатордың пластиналары арасында алға-артқа қозғалады. Энергия конденсатор мен индуктор арасында (егер сыртқы тізбектен толықтырылмаса) ішкі кедергі тербелістерді басып тастағанға дейін алға-артқа тербеледі. Математикалық тұрғыдан гармоникалық осциллятор деп аталатын бұл схеманың әрекеті маятниктің алға-артқа қозғалуына немесе резервуардағы судың толқуына ұқсас; осы себепті схема резервуарлық контур деп те аталады. Табиғи жиілік (яғни, жоғарыда сипатталғандай, басқа жүйелерден оқшауланғанда тербелетін жиілік) сыйымдылық және индуктивтілік шамаларымен анықталады. Көптеген қолдануларда бұл контур үлкен тізбектің бөлігі болып табылады, ол оған айнымалы ток береді, үздіксіз тербелістерді тудырады. Егер қолданылатын ток жиілігі контурдың табиғи резонанстық жиілігіне тең болса (төмендегі табиғи жиілік), резонанс пайда болады және кішкентай қозғаушы ток үлкен амплитудалы тербелісті кернеулер мен токтарды тудыра алады. Электрондық құрылғылардағы әдеттегі контурларда тербелістер өте жылдам, секундына мыңдаған немесе миллиардтаған рет болады.

Сериялы схема

LC контурдың сериялық конфигурациясында индуктор (L) және конденсатор (C) тізбектей жалғанады, мына суретте көрсетілгендей. Ашық қосқыштардағы V жалпы кернеуі – индуктордағы кернеу мен конденсатордағы кернеудің қосындысына тең. Тізбекке оң полюстен кіретін I тогы – конденсатор мен индуктор арқылы өтетін токқа тең.

Параллель схема

Индуктор (L) және конденсатор (C) мұнда көрсетілгендей параллель қосылғанда, ашық терминалдардағы V кернеуі индуктордағы және конденсатордағы кернеуге тең болады. Тізбектің оң полюсіне келіп түсетін I жалпы тогы индуктор арқылы және конденсатор арқылы өтетін токтардың қосындысына тең.

Тарих

Конденсатор мен индуктордың электр тербелістерін тудыруға қабілетті екендігіне алғашқы дәлелді 1826 жылы француз ғалымы Феликс Савари тапты. Ол Лейден құмырасын темір инеге оралған сым арқылы босатып, кейде ине бір бағытта, ал кейде кері бағытта магниттелгенін анықтады. Ол бұған сымдағы өшірілген тербеліс тогы себепті болды деп дұрыс тұжырымдады, ол иненің магниттелуін алға-артқа өзгертіп, әсер ету үшін тым әлсіз болғанша, ине кездейсоқ бағытта магниттеледі. Америка физигі Джозеф Генри 1842 жылы Саваридің тәжірибесін қайталап, тәуелсіз түрде сол қорытындыға келді. Ирландиялық ғалым Уильям Томсон (Лорд Кельвин) 1853 жылы Лейден ыдысының индуктивтілік арқылы разрядталуы тербелістік болуы керек екенін математикалық тұрғыдан көрсетті және оның резонанстық жиілігін есептеп шығарды. Британдық радио зерттеушісі Оливер Лодж ұзын сым арқылы Лейден құмыраларының үлкен батареясын босату арқылы дыбыс диапазонында резонанстық жиілігі бар күйленген тізбек құрды, ол разрядталған кезде ұшқыштан музыкалық дыбыс шығарды. 1857 жылы неміс физигі Беренд Вильгельм Федерсен айналмалы айнадағы резонанстық Лейден ыдысы тізбегінен пайда болған ұшқышты суретке түсіріп, тербелістердің көрінетін дәлелін берді. 1868 жылы шотланд физигі Джеймс Клерк Максвелл индуктивтілік және сыйымдылық тізбегіне ауыспалы ток қолданудың әсерін есептеп, жауаптың резонанстық жиілікте максималды екенін көрсетті. Электрлік резонанс қисығының алғашқы мысалын 1887 жылы неміс физигі Генрих Герц радио толқындарын ашу туралы мақаласында жариялады, ол өзінің LC резонатор детекторларынан алынатын ұшқыштың ұзындығын жиіліктің функциясы ретінде көрсетті. Күйленген тізбектер арасындағы резонанстың алғашқы демонстрацияларының бірі 1889 жылғы Лодждің «синтоникалық құмыралар» тәжірибесі болды. Ол бір-біріне жақын екі резонанстық тізбек орналастырды, олардың әрқайсысы бір айналымды индукциялық катушкаға қосылған Лейден құмырасынан тұрды. Индукциялық катушкадан жоғары кернеу бір тізбекке қолданылып, ұшқыштар мен тербелістік токтар тудырғанда, екінші тізбекте ұшқыштар тек тізбектер резонансқа келгенде ғана пайда болды. Лодж және кейбір ағылшын ғалымдары осы құбылыс үшін «синтония» терминін ұсынды, бірақ «резонанс» термині соңында қалыптасты. LC тізбектерін алғаш рет 1890 жылдары ұшқыш радио хабар таратушыларда қолданды, бұл қабылдағыш пен хабар таратушыны бірдей жиілікке күйлеуге мүмкіндік берді. Күйлеуге мүмкіндік беретін радио жүйесіне алғашқы патентті Лодж 1897 жылы алды, бірақ алғашқы практикалық жүйелерді 1900 жылы итальяндық радио пионері Гульельмо Маркони ойлап тапты.