Oscilátorový obvod
Perfektní kondenzátor a cívka. Jak dochází k oscilacím, kde se elektrony pohybují, když se magnetické pole cívky zvětšuje a mizí.
Oscilační obvod je uzavřený elektrický obvod skládající se z cívky a kondenzátoru. Indukčnost cívky označme písmenem L a elektrickou kapacitu kondenzátoru písmenem C. Oscilační obvod je nejjednodušší z elektrických soustav, ve kterých může docházet k volným harmonickým elektromagnetickým oscilacím.
Skutečný oscilační obvod samozřejmě vždy obsahuje nejen kapacitu C a indukčnost L, ale také propojovací vodiče, které mají jistě aktivní odpor R, ale odpor nechme mimo rámec tohoto článku, můžete se o něm dozvědět v části o faktoru kvality vibračního systému. Zvažujeme tedy ideální obvod oscilátoru a začneme s kondenzátorem.
Řekněme, že existuje dokonalý kondenzátor. Nabijme ji z baterie na napětí U0, to znamená, že mezi jejími deskami vytvoříme potenciálový rozdíl U0 tak, aby se stal „+“ na horní desce a „-“ na spodní, jak se obvykle uvádí.
Co to znamená? To znamená, že pomocí zdroje vnějších sil přesuneme určitou část záporného náboje Q0 (skládajícího se z elektronů) z horní desky kondenzátoru na jeho spodní desku. V důsledku toho se na spodní desce kondenzátoru objeví přebytek záporného náboje a horní desce bude chybět přesně takové množství záporného náboje, což znamená přebytek kladného náboje. Koneckonců zpočátku nebyl kondenzátor nabitý, což znamená, že náboj stejného znaménka na obou jeho deskách byl naprosto stejný.
Tak, nabitý kondenzátor, horní deska je kladně nabitá (protože chybí elektrony) vzhledem ke spodní desce a spodní deska je záporně nabitá vzhledem k horní. V zásadě platí, že pro jiné předměty je kondenzátor elektricky neutrální, ale uvnitř jeho dielektrika existuje elektrické pole, jehož prostřednictvím vzájemně působí opačné náboje na protilehlých deskách, totiž mají tendenci se navzájem přitahovat, ale dielektrikum je ze své podstaty , nedovoluje, aby se to stalo. V tomto okamžiku je energie kondenzátoru maximální a rovná se ECm.
Nyní si vezmeme ideální induktor. Dráha je vyrobena z drátu, který nemá vůbec žádný elektrický odpor, to znamená, že má dokonalou schopnost předat elektrický náboj, aniž by do něj zasahoval. Zapojme cívku paralelně s nově nabitým kondenzátorem.
Co se bude dít? Náboje na deskách kondenzátoru, jako předtím, interagují, mají tendenci se navzájem přitahovat, — elektrony ze spodní desky mají tendenci se vracet na horní, protože odtud byly při nabíjení kondenzátoru silou taženy ke spodní .Systém nábojů má tendenci se vracet do stavu elektrické rovnováhy a pak je připojena cívka – drát stočený do spirály, který má indukčnost (schopnost zabránit změně proudu magnetickým polem, když jím proud prochází) !
Elektrony ze spodní desky se řítí drátem cívky na horní desku kondenzátoru (dá se říci, že současně kladný náboj spěchá na spodní desku), ale nemohou tam okamžitě sklouznout.
Proč? Protože cívka má indukčnost a elektrony, které se přes ni pohybují, jsou již proudy, a protože proud znamená, že kolem ní musí být magnetické pole. Takže čím více elektronů vstoupí do cívky, tím větší bude proud a tím větší bude magnetické pole kolem cívky se objeví.
Když všechny elektrony ze spodní desky kondenzátoru vstoupí do cívky – proud v ní bude na maximu Im, bude magnetické pole kolem ní největší, jaké může toto množství pohybujícího se náboje vytvořit, když je v jejím vodiči. V tomto okamžiku je kondenzátor zcela vybitý, energie elektrického pole v dielektriku mezi jeho deskami je rovna nule EC0, ale všechna tato energie je nyní obsažena v magnetickém poli cívky ELm.
A pak se magnetické pole cívky začne zmenšovat, protože tu není nic, co by ho podporovalo, protože do cívky a z cívky už neproudí žádné elektrony, není tam žádný proud a mizející magnetické pole kolem cívky vytváří vířivé elektrické pole. ve svém drátu, který tlačí elektrony dále k horní desce kondenzátoru, kde byli tak dychtiví.A v okamžiku, kdy byly všechny elektrony na horní desce kondenzátoru, se magnetické pole cívky rovnalo nule EL0. A nyní se kondenzátor nabíjí v opačném směru, než byl nabíjen na samém začátku.
Horní deska kondenzátoru je nyní nabitá záporně a spodní deska je nabitá kladně. Cívka je stále připojena, její drát stále poskytuje volnou cestu pro proudění elektronů, ale potenciálový rozdíl mezi deskami kondenzátoru je opět realizován, i když ve znaménku opačném k originálu.
A elektrony se znovu vrhnou do cívky, proud se stane maximálním, ale protože je nyní nasměrován opačným směrem, magnetické pole se vytvoří v opačném směru, a když se všechny elektrony vrátí do cívky (jak se pohybují dolů) , magnetické pole se již nehromadí, nyní se začíná snižovat a elektrony jsou tlačeny dále - ke spodní desce kondenzátoru.
A v okamžiku, kdy se magnetické pole cívky rovnalo nule, úplně zmizelo, — horní deska kondenzátoru je opět kladně nabitá vzhledem ke spodní. Stav kondenzátoru je podobný tomu, jaký byl na začátku. Došlo k úplnému cyklu jedné oscilace. A tak dále a tak dále .. Periodu těchto kmitů v závislosti na indukčnosti cívky a na kapacitě kondenzátoru zjistíme pomocí Thomsonova vzorce:
