ю упругой деформации, но уже при отклонении в противоположную сторону. Наконец, кинетическая энергия закончилась, струна на какое-то неуловимое мгновение остановилась и затем пошла в обратную сторону, постепенно набирая скорость. Она опять по инерции проскакивает среднюю линию, приходит в точку, откуда начинала свой путь, и всё повторяется сначала. Струна будет совершать такие свободные колебания, будет двигаться туда-обратно до тех пор, пока не израсходует всю полученную в самом начале порцию энергии, например, израсходует её на то, чтобы преодолевать сопротивление воздуха.
ВК-174.Схема на предыдущем рисунке нередко встречается в реальных приборах. Это выпрямитель, он из переменного напряжения делает постоянное для питания электронных схем. Плохо, что он использует лишь один полупериод переменного тока, а второй просто пропадает. Но это дело поправимое. Здесь на рисунке приведены две схемы двухполупериодных выпрямителей. Для одной из них нужен трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки, ну а вторая схема, мостовая, обходится без этого.
Р-68. ПО МОРЯМ, по ВОЛНАМ К ПОНИМАНИЮ СПЕКТРА. В своё время математики придумали, как ток со сложной формой графика (2) представить в виде полностью эквивалентной ему (равноценной) суммы синусоидальных переменных токов (3), для которых освоены многие важные законы и правила. Такая сумма синусоидальных составляющих называется «спектр сложного тока». Спектр можно получить путём вычислений, измерений или в каких-то случаях из справочной литературы. Известно, например, что, для того чтобы получить разборчивую человеческую речь, по линиям связи нужно передать спектр синусоидальных составляющих с частотами от 200 герц до 2–3 килогерц.
Получение спектра поможет понять решение такой задачи — нужно определить площадь поверхности какого-либо моря, например Каспийского (1). Для этого на географической карте заполняем поверхность моря бумажными квадратами разной величины. Сначала крупными и средними квадратами закрываем основную поверхность моря, а затем небольшими, малыми и очень маленькими квадратиками стараемся отобразить береговые неровности. Полученный набор квадратов (2) — это своего рода спектр замысловатой поверхности водоёма. Измерив и просуммировав площадь всех квадратов, мы как раз и получим площадь поверхности моря. Точно так же электрический сигнал сложной формы представляют его спектром — эквивалентным набором синусоидальных токов разных частот.
Основа свободных колебаний — обмен энергией между двумя её накопителями, при колебаниях струны обмен между упругой деформацией и кинетической энергией. Свободные колебания весьма распространённый вид движений и в природе, и в технике. Подобно струне, совершают невидимые колебания мосты, небоскрёбы, ходит туда-обратно маятник, показывая, как потенциальная энергия поднятого над землёй тела (проще говоря, сила притяжения к Земле) переходит в кинетическую энергию, и наоборот, кинетическая энергия уходит на подъём маятника на дополнительную высоту. Открыты даже химические колебания, когда в результате определённых чередующихся реакций меняется туда-обратно концентрация определённых веществ в растворе и его окраска: красный раствор постепенно становится жёлтым, жёлтый превращается в красный, и всё это повторяется много раз.
Даже в поведении человека нередки колебания, когда есть два накопителя, два решения, между которыми приходится выбирать: идти в кино или не идти, идти или не идти, идти или не идти?
Подводя итог сказанному, мы должны отметить нечто очень важное. Свободные колебания возникают там, где есть не просто два накопителя энергии, как, например, бензиновая канистра и кофейник или падающий камень и кипящий самовар. Колебания возникают там, где есть два накопителя энергии, определённым образом связанные друг с другом, как, например, натяжение струны и движение её массы. Такие взаимосвязанные пары накопителей создаются природой или изобретателями, сумевшими найти и объединить два каких-либо физических процесса.
Т-152. В колебательном контуре происходит обмен энергией между конденсатором С и катушкой индуктивности L. Подключим к батарее на какое-то время конденсатор Ск, и он зарядится, в электрическом поле между обкладками накопится энергия, а на самих обкладках соберутся избыточные заряды. Теперь переключим конденсатор от батареи к катушке Lк, создадим, как его называют, колебательный LC-контур, и в нём сразу же начнутся свободные электрические колебания.
Это всё тот же обмен энергией между двумя её накопителями — в данном случае между конденсатором Ск и катушкой Lк. Сначала конденсатор разряжается, напряжение на обкладках падает, ток через катушку нарастает, и всё больше энергии перекачивается из электрического поля в магнитное. В какой-то момент в него переходит вся энергия, полученная конденсатором от батареи, и картина чем-то напоминает маятник, который, набрав максимальную скорость, проходит через нейтральную линию и начинает отклоняться в противоположную сторону.
ВК-175.Ещё одно схемное решение из числа тех, что неизвестные изобретатели ежегодно делают миллионами. У вас есть батарейка с постоянным напряжением 6 вольт, а аппарату нужно тоже постоянное напряжение, но 1000 вольт. Как его получить? Решение простое. Сначала с помощью транзисторного генератора превратим 6 вольт постоянного напряжения в 6 вольт переменного. Затем трансформатором повысим 6 вольт до 1000 вольт. И, наконец, выпрямим эти 1000 вольт мостовым выпрямителем.
Р-69. НЕСЛОЖНЫЕ ОБЫЧНО КОМБИНАЦИИ ОТКРЫТЫХ И ЗАКРЫТЫХ ДОРОГ. Синусоидальные составляющие сложного сигнала — это не только формулы теоретиков. Эти составляющие реально выделяют, направляют по нужным путям или, наоборот, не пропускают туда, куда не нужно. Причём такие операции производят довольно простые схемы с общим названием «фильтры». Так, например, фильтр из резистора Rн и конденсатора Сф (1) не пропускает к нагрузке Rн высокочастотные составляющие из спектра сложного сигнала. Элементы фильтра подобраны так, что этим составляющим легче пройти через конденсатор, чем через нагрузку. В другом таком же фильтре (2) ёмкость конденсатора в 10 000 раз больше, и поэтому он отводит от нагрузки ещё и низкочастотные составляющие. Теперь посмотрим на типичные фильтры выпрямителя (3, 4). Постоянная составляющая пульсирующего тока, который приходит от выпрямителя, через Rф попадает в нагрузку Rн (3), а переменным составляющим намного легче замкнуться через малое для них ёмкостное сопротивление конденсаторов Сф1 и Сф2 с достаточно большой ёмкостью. Ещё больше ослабляет переменные составляющие катушка индуктивности (дроссель) Lф (4). И,наконец, последняя схема (5) — резонансный фильтр LфкCфк, который настроен на принимаемую станцию, то есть на частоту одной из составляющих спектра сложного входного сигнала Uвх.
Ток в цепи, а вместе с ним магнитное поле катушки Lк, проскочив своё максимальное значение, начинают уменьшаться, и при этом в катушке Lк наводится э.д.с. самоиндукции, которая вновь заряжает конденсатор Ск, но уже в противоположной полярности — на той пластине конденсатора, где был «плюс», появляется и нарастает «минус», там, где был «минус», нарастает «плюс». Затем, перекачав себе всю энергию, которая была в магнитном поле катушки, конденсатор начинает разряжаться, в цепи нарастает ток обратного направления, конденсатор вновь перезаряжается, («плюс и «минус» оказываются там, где в самом начале их создала батарея), и всё повторяется сначала.
Три важных параметра характеризуют процесс свободных колебаний в контуре LкCк. Первый параметр — это период Т, время, в течение которого ток в контуре проходит все свои возможные значения, проходит полный цикл изменений. Второй параметр — частота/, число полных периодов за секунду. Единица частоты герц, сокращённо Гц, — одно полное колебание в секунду, Т = 1 с (секунда). Соответственно 50 Гц — это 50 полных колебаний в секунду (Т = 0,02 с). Если за секунду происходит 1000 полных колебаний, то их частота равна 1000 Гц = 1 кГц, если происходит 1 000 000 (1 миллион) колебаний за секунду — 1 000 000 Гц = 1 МГц, то есть 1 мегагерц. Частота колебаний в равной мере зависит от индуктивности Lк и ёмкости Ск: чем больше Lк и Ск, тем медленнее идёт обмен энергией, тем ниже частота.
Наконец, третья важная характеристика — добротность контура Q, она говорит о том, какая часть запасённой энергии теряется при каждом её перекачивании из конденсатора в катушку и обратно (Р-112). Чем выше потери, тем быстрее израсходуется энергия, запасённая при зарядке конденсатора, тем быстрее затухнут колебания. При очень больших потерях колебания даже и не начнутся — конденсатор быстро отдаст всю свою энергию, причём безвозвратно, её сразу же заберёт и превратит в тепло сопротивление потерь. Потери в контуре иногда отображают двумя условными сопротивлениями (Р-112.1) — одно Rк2 включено последовательно с катушкой, второе Rк1 включено параллельно конденсатору. Чем больше Rк1 и чем меньше Rк2, тем меньше общие потери и выше добротность Q. Часто все потери пересчитывают в одно сопротивление Rк, включая его последовательно с катушкой.
Добротность Q, кроме того, зависит и от соотношения Lк и Ск, об этом полезно помнить, когда подбираешь ёмкость и индуктивность контура: нужную частоту колебаний можно получить при разном соотношении ёмкости и индуктивности, но для получения высокой добротности желательно, чтобы