Рис. 14. Последовательное соединение конденсаторов.
Н. — А при параллельном соединении емкости конденсаторов складываются, так как это соответствует как бы увеличению поверхности мембраны.
Л. — Правильно. Наконец-то ты понял.
Беседа пятая
Любознайкин вносит некоторую ясность в размышления Незнайкина, приводя таблицу, в которой показаны схемы последовательного и параллельного соединений резисторов, катушек и конденсаторов и даны значения активных, реактивных сопротивлений для этих случаев соединений. Затем два друга подходят к проблеме резонанса — основного явления в радиотехнике. Любознайкин обращает внимание Незнайкина на некоторые моменты, которые облегчат в дальнейшем изучение радиоцепей.
МАТЧ — ИНДУКТИВНОСТЬ ПРОТИВ ЕМКОСТИ
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.
