Masalah dapat terjadi pada rangkaian listrik, serta pada sistem mekanis seperti beban pada pegas atau pendulum. getaran bebas.
Getaran elektromagnetikdisebut perubahan periodik yang saling berhubungan dalam muatan, arus dan tegangan.
Bebasosilasi adalah osilasi yang terjadi tanpa pengaruh eksternal karena akumulasi energi pada awalnya.
Dipaksadisebut osilasi dalam suatu rangkaian di bawah pengaruh gaya gerak listrik periodik eksternal
Osilasi elektromagnetik gratis – ini adalah perubahan besaran elektromagnetik yang berulang secara berkala (Q- muatan listrik,SAYA– kekuatan saat ini,kamu– beda potensial) yang terjadi tanpa konsumsi energi dari sumber eksternal.
Yang paling sederhana sistem listrik, yang mampu melakukan getaran bebas, adalah rangkaian RLC serial atau rangkaian osilasi.
Rangkaian osilasi –adalah sistem yang terdiri dari kapasitor yang dihubungkan secara seriC, induktorL dan konduktor dengan hambatanR
Pertimbangkan rangkaian osilasi tertutup yang terdiri dari induktansi L dan kontainer DENGAN.
Untuk membangkitkan osilasi pada rangkaian ini, perlu untuk memberikan sejumlah muatan ke kapasitor dari sumber ε . Ketika kuncinya K berada pada posisi 1, kapasitor diisi tegangan. Setelah kunci dialihkan ke posisi 2, proses pengosongan kapasitor melalui resistor dimulai R dan induktor L. Pada kondisi tertentu proses ini bisa berosilasi
Osilasi elektromagnetik bebas dapat diamati pada layar osiloskop.
Terlihat dari grafik osilasi yang diperoleh pada osiloskop, osilasi elektromagnetik bebas adalah kabur, yaitu amplitudonya menurun seiring waktu. Hal ini terjadi karena sebagian energi listrik pada resistansi aktif R diubah menjadi energi dalam. konduktor (konduktor memanas ketika melewatinya arus listrik).
Mari kita perhatikan bagaimana osilasi terjadi pada rangkaian osilasi dan perubahan energi apa yang terjadi. Pertama-tama mari kita perhatikan kasus ketika tidak ada kehilangan energi elektromagnetik dalam rangkaian ( R = 0).
Jika kapasitor diisi dengan tegangan U 0, maka pada saat awal t 1 = 0, nilai amplitudo tegangan U 0 dan muatan q 0 = CU 0 akan ditetapkan pada pelat kapasitor.
Energi total W sistem sama dengan energi Medan listrik Kami:
Jika rangkaian ditutup, arus mulai mengalir. Sebuah ggl muncul di sirkuit. induksi diri
Karena induksi diri dalam kumparan, kapasitor tidak langsung habis, tetapi secara bertahap (karena, menurut aturan Lenz, arus induksi yang dihasilkan dengan medan magnetnya melawan perubahan fluks magnet yang menyebabkannya. Artinya, medan magnet medan arus induksi tidak memungkinkan fluks magnet arus meningkat secara instan dalam rangkaian). Dalam hal ini, arus meningkat secara bertahap, mencapai nilai maksimum I 0 pada waktu t 2 = T/4, dan muatan pada kapasitor menjadi nol.
Ketika kapasitor dilepaskan, energi medan listrik berkurang, tetapi pada saat yang sama energinya meningkat Medan gaya. Energi total rangkaian setelah kapasitor habis sama dengan energi medan magnet W m:
Pada saat berikutnya, arus mengalir ke arah yang sama, berkurang menjadi nol, yang menyebabkan kapasitor diisi ulang. Arus tidak berhenti seketika setelah kapasitor habis karena induksi sendiri (sekarang medan magnet arus induksi mencegah fluks magnet arus dalam rangkaian berkurang seketika). Pada saat t 3 =T/2, muatan kapasitor kembali maksimum dan sama dengan muatan awal q = q 0, tegangan juga sama dengan semula U = U 0, dan arus dalam rangkaian adalah nol saya = 0.
Kemudian kapasitor dilepaskan kembali, arus mengalir melalui induktansi dengan arah yang berlawanan. Setelah selang waktu T, sistem kembali ke keadaan semula. Osilasi lengkap berakhir dan proses berulang.
Grafik perubahan muatan dan kuat arus selama osilasi elektromagnetik bebas pada rangkaian menunjukkan bahwa fluktuasi kuat arus tertinggal dari fluktuasi muatan sebesar π/2.
Pada setiap saat energi totalnya adalah:
Dengan osilasi bebas, terjadi transformasi energi listrik secara periodik W e, disimpan dalam kapasitor, menjadi energi magnet W m kumparan dan sebaliknya. Jika tidak ada energi yang hilang pada rangkaian osilasi, maka energi elektromagnetik total sistem tetap konstan.
Getaran listrik bebas mirip dengan getaran mekanis. Gambar tersebut menunjukkan grafik perubahan muatan Q(T) kapasitor dan bias X(T) memuat dari posisi kesetimbangan, serta grafik arus SAYA(T) dan kecepatan memuat υ( T) untuk satu periode osilasi.
Dengan tidak adanya redaman, osilasi bebas dalam rangkaian listrik terjadi harmonis, yaitu terjadi menurut hukum
Q(T) = Q 0 cos(ω T + φ 0)
Pilihan L Dan C rangkaian osilasi hanya menentukan frekuensi alami getaran bebas dan periode osilasi - rumus Thompson
Amplitudo Q 0 dan fase awal φ 0 ditentukan kondisi awal , yaitu cara sistem keluar dari keseimbangan.
Untuk fluktuasi muatan, tegangan dan arus diperoleh rumus sebagai berikut:
Untuk kapasitor:
Q(T) = Q 0 karenaω 0 T
kamu(T) = kamu 0 karenaω 0 T
Untuk induktor:
Saya(T) = SAYA 0 cos(ω 0 T+ π/2)
kamu(T) = kamu 0 cos(ω 0 T + π)
Mari kita ingat ciri-ciri utama gerak osilasi:
Q 0, kamu 0 , SAYA 0 - amplitudo– modul nilai tertinggi besarnya yang berfluktuasi
T - periode– periode waktu minimum setelah proses diulangi sepenuhnya
ν - Frekuensi– jumlah osilasi per satuan waktu
ω - Frekuensi siklik– jumlah osilasi dalam 2n detik
φ - fase osilasi- besaran di bawah tanda kosinus (sinus) dan mencirikan keadaan sistem pada suatu waktu.
Rangkaian osilasi.
J. Henry (1842) - menetapkan sifat osilasi dari pelepasan kapasitor (menemukan EMC).
Osilasi elektromagnetik (EMO) adalah perubahan periodik muatan, arus dan tegangan yang terjadi pada suatu rangkaian listrik.
Jenis getaran elektromagnetik:
1. EMC Gratis - osilasi yang terjadi di bawah pengaruh kekuatan internal(kabur).
2. EMC Paksa - osilasi dalam suatu rangkaian di bawah pengaruh gaya gerak listrik eksternal yang berubah secara berkala (tidak teredam).
1. Osilasi elektromagnetik gratis.
Sistem kelistrikan paling sederhana yang mampu melakukan osilasi bebas adalah rangkaian osilasi.
Rangkaian osilasi adalah rangkaian yang terdiri dari kumparan dan kapasitor yang dihubungkan secara seri.
L – induktansi kumparan [H]
C – kapasitansi kapasitor [F]
Osilasi elektromagnetik bebas muncul di rangkaian osilasi setelah satu pasokan energi. Hal ini dapat dilakukan, misalnya dengan mengisi kapasitor dari suatu sumber.
Karena Jika pelat kapasitor dihubung pendek ke kumparan, kapasitor akan mulai mengeluarkan muatan. Arus ini akan menimbulkan medan magnet pada kumparan.
Ketika arus meningkat dan tegangan melintasi kapasitor menurun, energi medan listrik WE diubah menjadi energi medan magnet kumparan WM.
Pada saat kapasitor benar-benar habis, arus dalam kumparan dan energi medan magnet mencapai nilai maksimumnya.
| t =0 | ||||
 |  |
Jika rangkaiannya nyata, maka energinya hilang medan elektromagnetik tidak dapat dihindari, karena sebagian energi medan elektromagnetik diubah menjadi energi dalam konduktor, dielektrik, dan juga dilepaskan dalam bentuk panas Joule pada beban aktif. Akibatnya, osilasi elektromagnetik bebas muncul di rangkaian nyata, yang teredam. Osilasi elektromagnetik paksa Arus listrik bolak-balik adalah EMC paksa (tidak teredam). Agar osilasi tidak teredam, gaya eksternal yang bervariasi secara periodik harus bekerja pada benda yang berosilasi. Peran kekuatan eksternal melakukan E.M.S. dari sumber eksternal - generator arus bolak-balik yang beroperasi di pembangkit listrik. Osilasi elektromagnetik paksa memastikan pengoperasian motor listrik pada mesin di pabrik dan pabrik, mereka mengoperasikan peralatan listrik dan sistem penerangan. Tindakan variabel eksternal E.M.S. mampu memulihkan energi yang hilang, menciptakan dan mempertahankan osilasi elektromagnetik yang tidak teredam. Ciri-ciri getaran elektromagnetik : Periode adalah waktu terjadinya satu kali getaran penuh. |
T bergantung pada:
Di Rusia, frekuensi AC 
RESONANSI ARUS, RESONANSI PARALEL
Resonansi arus, resonansi paralel - terjadi ketika generator dibebani dengan induktansi dan kapasitansi yang dihubungkan secara paralel, mis. ketika generator dihidupkan di luar rangkaian (Gbr. 1 a). Rangkaian osilasi itu sendiri, jika dilihat secara abstrak dari generator, tetap harus dibayangkan sebagai rangkaian seri L dan C. Jangan berasumsi bahwa pada rangkaian resonansi arus, generator dan rangkaian tersebut dihubungkan satu sama lain secara paralel.
Keseluruhan rangkaian secara keseluruhan merupakan tahanan beban untuk generator dan juga generator
Gambar 1 - Skema dan kurva resonansi untuk resonansi arus
Terhubung secara seri, seperti yang selalu terjadi pada rangkaian tertutup.
Kondisi untuk memperoleh resonansi arus sama dengan resonansi tegangan: f = f 0 atau x L = x C. Namun, berdasarkan sifat-sifatnya, resonansi arus dalam banyak hal berlawanan dengan resonansi tegangan. Dalam hal ini tegangan pada kumparan dan kapasitor sama dengan tegangan pada generator. Pada resonansi, resistansi rangkaian antara titik percabangan menjadi maksimum, dan arus generator menjadi minimal. Resistansi total (ekuivalen) rangkaian generator pada resonansi arus R e dapat dihitung menggunakan salah satu rumus berikut
Dimana L dan C dalam henry dan farad, dan R e, p dan r dalam ohm.
Resistansi R e, disebut resistansi resonansi, murni aktif dan oleh karena itu, ketika arus beresonansi, tidak ada pergeseran fasa antara tegangan generator dan arusnya.
Pada (Gbr. 1 b) untuk resonansi arus, perubahan impedansi rangkaian z dan arus generator I ditunjukkan ketika frekuensi generator f berubah.
Dalam rangkaian itu sendiri, selama resonansi, terjadi osilasi yang kuat dan oleh karena itu arus di dalam rangkaian jauh lebih besar daripada arus generator. Arus dalam induktansi dan kapasitansi I L dan I C dapat dianggap sebagai arus pada cabang-cabang atau sebagai arus osilasi tak teredam dalam rangkaian yang didukung oleh generator. Sehubungan dengan tegangan U, arus dalam kumparan tertinggal sebesar 90°, dan arus dalam kapasitor mendahului tegangan ini sebesar 90°, yaitu, arus-arus tersebut keluar fasa sebesar 180° relatif terhadap satu sama lain. Karena adanya resistansi aktif, yang terkonsentrasi terutama pada kumparan, arus I L dan IC sebenarnya mempunyai pergeseran fasa sedikit kurang dari 180° dan arus I L sedikit lebih kecil dari IC. Oleh karena itu, menurut hukum pertama Kirchhoff, untuk percabangan poin yang bisa kita tulis
Semakin rendah resistansi aktif pada rangkaian, maka selisih I C dan I L semakin kecil, arus generator semakin rendah dan resistansi rangkaian semakin besar. Hal ini cukup dimengerti. Arus yang berasal dari generator mengisi kembali energi dalam rangkaian, mengkompensasi hilangnya resistansi aktif. Ketika resistansi aktif berkurang, kehilangan energi di dalamnya berkurang dan generator menghabiskan lebih sedikit energi untuk mempertahankan osilasi yang tidak teredam.
Jika rangkaian ideal, maka osilasi yang dimulai akan terus berlanjut tanpa redaman dan tidak diperlukan energi dari generator untuk mempertahankannya. Arus generator akan menjadi nol dan resistansi rangkaian akan menjadi tak terhingga.
Daya aktif yang dikonsumsi oleh generator dapat dihitung sebagai
atau sebagai rugi-rugi daya pada resistansi aktif rangkaian
Dimana Ik adalah arus dalam rangkaian, sama dengan I L atau I C.
Resonansi arus, serta resonansi tegangan, ditandai dengan terjadinya osilasi kuat pada rangkaian dengan pengeluaran daya generator yang tidak signifikan.
Fenomena resonansi pada rangkaian paralel sangat dipengaruhi oleh resistansi internal R i generator suplai. Jika resistansi ini kecil, maka tegangan pada terminal generator, dan oleh karena itu pada rangkaian, sedikit berbeda dari ggl generator dan amplitudonya hampir konstan, meskipun ada perubahan arus ketika frekuensi berubah. Memang U = E - IR i, tetapi karena R i kecil, maka rugi-rugi tegangan di dalam generator IR i juga tidak signifikan dan U = E.
Resistansi total rangkaian dalam hal ini kira-kira sama hanya dengan resistansi rangkaian. Pada resonansi, arus generator meningkat pesat dan arus generator menurun tajam. Kurva perubahan saat ini pada (Gbr. 1 b) berhubungan dengan kasus seperti itu.
Keteguhan amplitudo tegangan pada rangkaian juga dijelaskan dengan rumus U = I * z. Untuk kasus resonansi, z besar, tetapi nilai I kecil, dan jika tidak ada resonansi, maka z berkurang, tetapi I bertambah dan hasil kali I*z kira-kira tetap sama.
Seperti dapat dilihat, dengan Ri generator yang kecil, rangkaian paralel tidak memiliki sifat resonansi terhadap tegangan: pada resonansi, tegangan pada rangkaian hampir tidak meningkat. Arus IL dan IC tidak akan meningkat secara nyata. Akibatnya, dengan Ri generator yang kecil, rangkaian tidak memiliki sifat resonansi terhadap arus pada kumparan dan kapasitor.
Dalam rangkaian radio, rangkaian paralel biasanya ditenagai oleh generator dengan resistansi internal yang tinggi, yang perannya dimainkan oleh tabung elektron atau perangkat semikonduktor. Jika resistansi internal generator jauh lebih besar daripada resistansi rangkaian r, maka rangkaian paralel memperoleh sifat resonansi yang nyata.
Dalam hal ini, resistansi total rangkaian kira-kira sama dengan satu Ri dan hampir konstan seiring dengan perubahan frekuensi. Arus yang saya berikan pada rangkaian juga amplitudonya hampir konstan:
Namun kemudian tegangan pada rangkaian U = I * z bila perubahan frekuensi akan mengikuti perubahan resistansi rangkaian z, yaitu. pada resonansi, U akan meningkat tajam. Arus I L dan I C akan meningkat. Jadi, dengan R i generator yang besar, kurva perubahan z (Gbr. 1 b) juga secara kasar akan menunjukkan pada skala lain perubahan tegangan pada rangkaian U dan perubahan arus I L dan I C. In (Gbr. 2) kurva serupa ditunjukkan bersama dengan grafik arus generator, yaitu pada kasus ini hampir tidak berubah.
Gambar 2 - Kurva resonansi rangkaian paralel dengan resistansi internal generator yang besar
Penerapan utama resonansi arus dalam teknik radio adalah penciptaan resistansi tinggi terhadap arus frekuensi tertentu pada osilator tabung dan amplifier. frekuensi tinggi
Rangkaian osilasi LC
Rangkaian osilasi adalah rangkaian listrik yang osilasinya dapat terjadi pada frekuensi yang ditentukan oleh parameter rangkaian.
Rangkaian osilasi paling sederhana terdiri dari kapasitor dan induktor yang dihubungkan secara paralel atau seri.
Kapasitor C adalah elemen reaktif. Memiliki kemampuan mengakumulasi dan melepaskan energi listrik.
- Induktor L adalah elemen reaktif. Memiliki kemampuan mengakumulasi dan melepaskan energi magnet.
Osilasi listrik bebas pada rangkaian paralel.
Sifat dasar induktansi:
Arus yang mengalir dalam induktor menciptakan medan magnet dengan energi.
- Perubahan arus pada suatu kumparan menyebabkan perubahan fluks magnet pada lilitannya sehingga menimbulkan EMF di dalamnya yang mencegah perubahan arus dan fluks magnet.
Periode osilasi bebas rangkaian LC dapat digambarkan sebagai berikut:
Jika sebuah kapasitor berkapasitas C diisi dengan tegangan U, maka energi potensial muatannya adalah 
.
Jika Anda menghubungkan induktor L secara paralel ke kapasitor bermuatan, arus pelepasannya akan mengalir melalui rangkaian, menciptakan medan magnet pada kumparan.
Fluks magnet yang bertambah dari nol akan menimbulkan EMF dengan arah yang berlawanan dengan arus pada kumparan, yang akan mencegah kenaikan arus dalam rangkaian, sehingga kapasitor tidak akan langsung lepas, tetapi setelah beberapa waktu t1, yaitu ditentukan oleh induktansi kumparan dan kapasitansi kapasitor berdasarkan t1 = .
Setelah waktu t1, ketika kapasitor dikosongkan hingga nol, arus dalam kumparan dan energi magnet akan maksimum.
Energi magnet yang dikumpulkan oleh kumparan pada saat ini adalah .
Dalam pertimbangan ideal, dengan tidak adanya rugi-rugi sama sekali dalam rangkaian, E C akan sama dengan E L . Dengan demikian, Energi listrik Kapasitor akan diubah menjadi energi magnet kumparan.
Perubahan (penurunan) fluks magnet akumulasi energi kumparan akan menimbulkan EMF di dalamnya, yang akan meneruskan arus searah dan proses pengisian kapasitor dengan arus induksi akan dimulai. Menurun dari maksimum ke nol seiring waktu t2 = t1 akan mengisi ulang kapasitor dari nol ke nilai negatif maksimum (-U).
Jadi energi magnet kumparan akan diubah menjadi energi listrik kapasitor.
Interval yang dijelaskan t1 dan t2 akan menjadi setengah periode osilasi lengkap dalam rangkaian.
Di babak kedua, prosesnya serupa, hanya kapasitor yang akan dilepaskan dari nilai negatif, dan arus dan fluks magnet mengubah arah. Energi magnet akan kembali terakumulasi dalam kumparan selama waktu t3, mengubah polaritas kutub.
Selama Babak final osilasi (t4), akumulasi energi magnet kumparan akan mengisi kapasitor ke nilai awal U (tanpa adanya rugi-rugi) dan proses osilasi akan berulang.
Pada kenyataannya, dengan adanya rugi-rugi energi pada resistansi aktif konduktor, rugi-rugi fasa dan magnet, osilasi akan teredam amplitudonya.
Waktu t1 + t2 + t3 + t4 adalah periode osilasi 
.
Frekuensi osilasi bebas rangkaian ƒ = 1 / T
Frekuensi osilasi bebas adalah frekuensi resonansi rangkaian di mana reaktansi induktansi X L =2πfL sama dengan reaktansi kapasitansi X C =1/(2πfC).
Arus listrik bolak-balik
u=Um⋅sinωt atau u=Um⋅cosωt ,
i=Im⋅sin(ωt+φc) ,
alternator
e=Em⋅sinω⋅t,
i=eR=B⋅S⋅ωR⋅sinω⋅t=Im⋅sinω⋅t,
*Prinsip operasi
α=ω⋅t=2π⋅ν⋅t,
Φ(t)=B⋅S⋅cosα=B⋅S⋅cosω⋅t.
u=Um⋅sinω⋅t.(1)
i=uR=UmR⋅sinω⋅t=Im⋅sinω⋅t,(2)
Dilambangkan dengan huruf I.
Dilambangkan dengan huruf U.
Saya=Im2√,U=Um2√.
P=U⋅I=I2⋅R=U2R.
*Derivasi rumus
⟨P⟩=Um⋅Im2.
⟨P⟩=I2m2⋅R=U2m2R.(4)
dan bandingkan dengan persamaan (4):
I2m2⋅R=I2⋅R,I=Im2√,
U2m2R=U2R,U=Um2√.
Arus listrik bolak-balik
DI DALAM sistem mekanis osilasi paksa muncul ketika gaya periodik eksternal bekerja padanya. Demikian pula, osilasi elektromagnetik paksa dalam rangkaian listrik terjadi di bawah pengaruh EMF eksternal yang bervariasi secara berkala atau tegangan yang bervariasi secara eksternal.
Osilasi elektromagnetik paksa dalam suatu rangkaian listrik mewakili arus listrik bolak-balik.
Arus listrik bolak-balik adalah arus yang kekuatan dan arahnya berubah secara berkala.
Di masa depan, kita akan mempelajari osilasi listrik paksa yang terjadi pada rangkaian di bawah pengaruh tegangan yang bervariasi secara harmonis dengan frekuensi menurut hukum sinusoidal atau kosinus:
u=Um⋅sinωt atau u=Um⋅cosωt ,
dimana u adalah nilai tegangan sesaat, U m adalah amplitudo tegangan, ω adalah frekuensi osilasi siklik. Jika tegangan berubah dengan frekuensi ω, maka arus pada rangkaian akan berubah dengan frekuensi yang sama, tetapi fluktuasi arus tidak harus sefasa dengan fluktuasi tegangan. Oleh karena itu, dalam kasus umum
i=Im⋅sin(ωt+φc) ,
dimana φ c adalah beda fasa (pergeseran) antara fluktuasi arus dan tegangan.
Berdasarkan hal tersebut, kita dapat memberikan definisi sebagai berikut:
Arus bolak-balik adalah arus listrik yang berubah terhadap waktu menurut hukum harmonik.
Arus bolak-balik memastikan pengoperasian motor listrik pada peralatan mesin di pabrik dan pabrik, dan tenaga Petir di apartemen kami dan di jalan, lemari es dan penyedot debu, perangkat pemanas dan seterusnya. Frekuensi fluktuasi tegangan pada jaringan adalah 50 Hz. Arus bolak-balik mempunyai frekuensi osilasi yang sama. Artinya dalam waktu 1 s arus akan berubah arah sebanyak 50 kali. Frekuensi 50 Hz diterima untuk arus industri di banyak negara di dunia. Di AS, frekuensi arus industri adalah 60 Hz.
alternator
Sebagian besar listrik dunia saat ini dihasilkan oleh generator arus bolak-balik, yang menciptakan osilasi harmonik.
Generator arus bolak-balik adalah perangkat listrik yang dirancang untuk mengubah energi mekanik menjadi energi arus bolak-balik.
emf yang diinduksi generator berubah menurut hukum sinusoidal
e=Em⋅sinω⋅t,
dimana Em=B⋅S⋅ω adalah nilai amplitudo (maksimum) EMF. Ketika dihubungkan ke terminal rangka beban dengan resistansi R, arus bolak-balik akan mengalir melaluinya. Menurut hukum Ohm untuk suatu bagian rangkaian, arus dalam beban
i=eR=B⋅S⋅ωR⋅sinω⋅t=Im⋅sinω⋅t,
dimana Im=B⋅S⋅ωR adalah nilai amplitudo arus.
Bagian utama dari generator adalah (Gbr. 1):
induktor - elektromagnet atau magnet permanen yang menciptakan medan magnet;
angker - belitan di mana EMF bolak-balik diinduksi;
komutator dengan sikat adalah perangkat yang arusnya dihilangkan atau disuplai ke bagian yang berputar.
Bagian generator yang diam disebut stator, dan bagian yang bergerak disebut rotor. Tergantung pada desain generator, jangkarnya dapat berupa rotor atau stator. Saat menerima arus bolak-balik kekuatan tinggi jangkar biasanya dibuat stasioner untuk menyederhanakan rangkaian transmisi arus ke jaringan industri.
Pada pembangkit listrik tenaga air modern, air memutar poros generator listrik dengan frekuensi 1-2 putaran per detik. Dengan demikian, jika jangkar generator hanya mempunyai satu rangka (belitan), maka akan diperoleh arus bolak-balik dengan frekuensi 1-2 Hz. Oleh karena itu, untuk memperoleh arus bolak-balik dengan frekuensi industri 50 Hz, jangkar harus memuat beberapa belitan yang memungkinkan peningkatan frekuensi arus yang dihasilkan. Untuk turbin uap yang rotornya berputar sangat cepat, digunakan jangkar dengan satu belitan. Dalam hal ini, frekuensi putaran rotor bertepatan dengan frekuensi arus bolak-balik, yaitu. rotor harus menghasilkan 50 rps.
Generator bertenaga kuat menghasilkan tegangan 15-20 kV dan memiliki efisiensi 97-98%.
Dari sejarah. Awalnya, Faraday hanya mendeteksi arus yang hampir tidak terlihat pada kumparan ketika magnet bergerak di dekatnya. “Apa gunanya ini?” - mereka bertanya padanya. Faraday menjawab: “Apa gunanya bayi yang baru lahir?” Sedikit lebih dari setengah abad telah berlalu dan, seperti yang dikatakan fisikawan Amerika R. Feynman, “bayi baru lahir yang tidak berguna berubah menjadi pahlawan ajaib dan mengubah muka bumi dengan cara yang bahkan tidak dapat dibayangkan oleh ayahnya yang sombong.”
*Prinsip operasi
Prinsip pengoperasian generator arus bolak-balik didasarkan pada fenomena induksi elektromagnetik.
Misalkan suatu kerangka penghantar dengan luas S berputar dengan kecepatan sudut mengelilingi sumbu yang terletak pada bidang tegak lurus terhadap medan magnet seragam induksi B⃗ (lihat Gambar 1).
Dengan rotasi bingkai yang seragam, sudut α antara arah vektor induksi medan magnet B⃗ dan garis normal bidang bingkai n⃗ berubah terhadap waktu menurut hukum linier. Jika pada waktu t = 0 sudut α 0 = 0 (lihat Gambar 1), maka
α=ω⋅t=2π⋅ν⋅t,
dimana ω adalah kecepatan sudut rotasi bingkai, ν adalah frekuensi rotasinya.
Dalam hal ini fluks magnet yang melewati bingkai akan berubah sebagai berikut
Φ(t)=B⋅S⋅cosα=B⋅S⋅cosω⋅t.
Kemudian, menurut hukum Faraday, ggl induksi terjadi
e=−Φ′(t)=B⋅S⋅ω⋅sinω⋅t=Em⋅sinω⋅t.
Kami menekankan bahwa arus dalam rangkaian mengalir dalam satu arah selama setengah putaran bingkai, dan kemudian berubah arah ke arah sebaliknya, yang juga tetap tidak berubah selama setengah putaran berikutnya.
Nilai RMS arus dan tegangan
Biarkan sumber arus menciptakan tegangan harmonik bolak-balik
u=Um⋅sinω⋅t.(1)
Menurut hukum Ohm, kuat arus pada suatu bagian rangkaian yang hanya berisi resistor resistansi R yang dihubungkan ke sumber ini juga berubah terhadap waktu menurut hukum sinusoidal:
i=uR=UmR⋅sinω⋅t=Im⋅sinω⋅t,(2)
dimana Im = UmR. Seperti yang bisa kita lihat, kekuatan arus dalam rangkaian seperti itu juga berubah seiring waktu menurut hukum sinusoidal. Besaran U m, I m disebut nilai amplitudo tegangan dan arus. Nilai tegangan u dan arus i yang bergantung pada waktu disebut sesaat.
Selain besaran-besaran tersebut, satu lagi ciri arus bolak-balik digunakan: nilai efektif (efektif) arus dan tegangan.
Nilai efektif (efektif) arus bolak-balik adalah kekuatan arus searah yang, melewati suatu rangkaian, melepaskan jumlah panas yang sama per satuan waktu dengan arus bolak-balik tertentu.
Dilambangkan dengan huruf I.
Nilai efektif (efektif) tegangan arus bolak-balik adalah tegangan arus searah yang, melewati suatu rangkaian, melepaskan jumlah panas yang sama per satuan waktu dengan arus bolak-balik tertentu.
Dilambangkan dengan huruf U.
Nilai efektif (I, U) dan amplitudo (I m, U m) saling berhubungan melalui hubungan berikut:
Saya=Im2√,U=Um2√.
Jadi, ekspresi untuk menghitung daya yang dikonsumsi dalam rangkaian arus searah tetap berlaku untuk arus bolak-balik jika kita menggunakan nilai efektif arus dan tegangan di dalamnya:
P=U⋅I=I2⋅R=U2R.
Perlu dicatat bahwa hukum Ohm untuk rangkaian arus bolak-balik yang hanya berisi resistor dengan resistansi R dipenuhi baik untuk amplitudo dan efektif, serta untuk nilai tegangan dan arus sesaat, karena osilasinya berada dalam fase. .
*Derivasi rumus
Mengetahui nilai sesaat u dan i, kita dapat menghitung daya sesaat
Yang, tidak seperti rangkaian DC, berubah seiring waktu. Dengan mempertimbangkan persamaan (1) dan (2), kami menulis ulang ekspresi daya sesaat pada resistor dalam bentuk
p=Um⋅Im⋅sin2ω⋅t=Um⋅Im⋅1−cos2ω⋅t2=Um⋅Im2−Um⋅Im2⋅cos2ω⋅t.
Suku pertama tidak bergantung pada waktu. Suku kedua P 2 adalah fungsi kosinus dari dua kali lipat sudut dan nilai rata-ratanya selama periode osilasi adalah nol (Gbr. 2, temukan jumlah luas bangun yang dipilih, dengan memperhatikan tanda-tandanya).
Oleh karena itu, nilai rata-rata daya arus listrik bolak-balik selama periode tersebut adalah sama dengan
⟨P⟩=Um⋅Im2.
Kemudian, dengan memperhatikan hukum Ohm (Im=UmR), diperoleh:
⟨P⟩=I2m2⋅R=U2m2R.(4)
Untuk menentukan nilai efektif, perlu membandingkan daya (jumlah panas per satuan waktu) arus bolak-balik dan arus searah. Mari kita tuliskan persamaan untuk menghitung daya DC
dan bandingkan dengan persamaan (4):
I2m2⋅R=I2⋅R,I=Im2√,
U2m2R=U2R,U=Um2√.
Resonansi tegangan dan resonansi arus
Fenomena resonansi. Suatu rangkaian listrik yang mengandung induktansi dan kapasitansi dapat berfungsi sebagai rangkaian osilasi, dimana terjadi proses osilasi energi listrik, berpindah dari induktansi ke kapasitansi dan sebaliknya. Dalam rangkaian osilasi ideal, osilasi ini tidak akan teredam. Saat menghubungkan rangkaian osilasi ke sumber arus bolak-balik, frekuensi sudut sumber tersebut? mungkin sama dengan frekuensi sudut? 0, dari mana energi listrik berosilasi di sirkuit. Dalam hal ini apakah terjadi fenomena resonansi, yaitu apakah frekuensi getaran bebasnya bertepatan? 0 timbul dalam sistem fisik apa pun, dengan frekuensi osilasi paksa yang diberikan ke sistem ini oleh gaya eksternal.
Resonansi dalam suatu rangkaian listrik dapat dicapai dengan tiga cara: dengan mengubah frekuensi sudut? sumber arus bolak-balik, induktansi L atau kapasitansi C. Perbedaan dibuat antara resonansi bila dihubungkan secara seri L dan C - resonansi tegangan dan ketika mereka dihubungkan secara paralel - resonansi arus. Frekuensi sudut? 0 di mana resonansi terjadi disebut resonansi, atau frekuensi alami osilasi rangkaian resonansi.
Resonansi tegangan. Pada resonansi tegangan (Gbr. 196, a) reaktansi induktif X L sama dengan reaktansi kapasitif X c dan resistansi total Z menjadi sama dengan resistansi aktif R:
Z = ?(R 2 + [? 0 L - 1/(? 0 C)] 2 ) = R
Dalam hal ini, tegangan pada induktansi U L dan kapasitansi U c adalah sama dan berada dalam antifase (Gbr. 196, b), oleh karena itu, ketika ditambahkan, keduanya saling mengimbangi. Jika resistansi aktif rangkaian R kecil, arus dalam rangkaian meningkat tajam, karena reaktansi rangkaian X = X L -X s menjadi sama dengan nol. Dalam hal ini, arus I sefasa dengan tegangan U dan I=U/R. Peningkatan tajam arus dalam rangkaian selama resonansi tegangan menyebabkan peningkatan tegangan yang sama U L dan U c , dan nilainya bisa berkali-kali lipat lebih tinggi daripada tegangan U dari sumber yang memberi makan rangkaian.
Frekuensi sudut?0 di mana kondisi resonansi terjadi ditentukan dari persamaan ? o L = 1/(? 0 C).
Beras. 196. Skema (a) dan diagram vektor (b) suatu rangkaian listrik yang mengandung R, L dan C, dengan resonansi tegangan
Dari sini kita punya
? o = 1/?(LC) (74)
Jika Anda mengubah frekuensi sudut dengan lancar? sumber, maka resistansi total Z mula-mula mulai berkurang, mencapai nilai terendah pada resonansi tegangan (at? o), dan kemudian meningkat (Gbr. 197, a). Sesuai dengan ini, arus I dalam rangkaian mula-mula meningkat, mencapai nilai tertinggi pada resonansi, dan kemudian menurun.
Resonansi arus. Resonansi arus dapat terjadi ketika induktansi dan kapasitansi dihubungkan secara paralel (Gbr. 198, a). Dalam kasus ideal, ketika tidak ada resistansi aktif pada cabang paralel (R 1 = R 2 = 0), kondisi resonansi arus adalah persamaan reaktansi dari cabang yang mengandung induktansi dan kapasitansi, yaitu. ? o L = 1/(? o C). Karena dalam hal ini konduktivitas aktif G = 0, arus pada bagian tidak bercabang
sirkuit pada resonansi Saya=kamu?(G 2 +(BL -BC) 2)= 0. Nilai arus pada cabang I 1 dan I 2 akan sama (Gbr. 198, b), tetapi arus akan bergeser fasa sebesar 180° (arus IL dalam induktansi tertinggal fasa dari tegangan U sebesar 90°, dan arus dalam kapasitansi I c mendahului tegangan U sebesar 90°). Akibatnya, rangkaian resonansi seperti itu mewakili hambatan yang sangat besar terhadap arus I dan energi listrik tidak masuk ke rangkaian dari sumbernya. Pada saat yang sama, arus I L dan I c mengalir di dalam rangkaian, yaitu terjadi proses pertukaran energi yang terus menerus di dalam rangkaian. Energi ini berpindah dari induktansi ke kapasitansi dan sebaliknya.
Sebagai berikut dari rumus (74), dengan mengubah nilai kapasitansi C atau induktansi L, apakah frekuensi osilasi dapat diubah? 0 energi listrik dan arus dalam rangkaian, yaitu menyesuaikan rangkaian dengan frekuensi yang diperlukan. Jika tidak ada hambatan aktif pada cabang-cabang yang memuat induktansi dan kapasitansi, proses osilasi energi ini akan berlanjut tanpa batas waktu, yaitu osilasi energi dan arus I L dan I s yang tidak teredam akan timbul dalam rangkaian. Namun induktor dan kapasitor nyata selalu menyerap energi listrik (karena adanya resistansi kawat aktif pada kumparan dan terjadinya
Beras. 197. Ketergantungan arus I dan impedansi Z pada? untuk rangkaian AC serial (a) dan paralel (b).
Beras. 198. Diagram listrik(a) dan diagram vektor (b dan c) untuk resonansi arus
dalam kapasitor arus bias yang memanaskan dielektrik), oleh karena itu, ketika arus beresonansi, sebagian energi listrik memasuki rangkaian nyata dari sumber dan sebagian arus I mengalir melalui bagian rangkaian yang tidak bercabang.
Kondisi resonansi pada rangkaian resonansi nyata yang mengandung resistansi aktif R 1 dan R 2 , akan ada persamaan konduktivitas reaktif B L = B C cabang yang mencakup induktansi dan kapasitansi.
Dari Gambar. 198, c maka arus I pada bagian rangkaian tidak bercabang sefasa dengan tegangan U, karena arus reaktif 1 L dan I c sama, tetapi berlawanan fasa, sehingga jumlah vektornya adalah sama dengan nol.
Bagaimana jika frekuensi pada rangkaian paralel yang ditinjau diubah? tentang sumber arus bolak-balik, maka resistansi total rangkaian mulai meningkat, mencapai nilai tertinggi pada resonansi, dan kemudian menurun (lihat Gambar 197, b). Sesuai dengan ini, arus I mulai berkurang, mencapai nilai terendah I min = I a pada resonansi, dan kemudian meningkat.
Dalam rangkaian osilasi nyata yang mengandung resistansi aktif, setiap fluktuasi arus disertai dengan kehilangan energi. Akibatnya, energi yang dialirkan ke sirkuit dikonsumsi cukup cepat dan fluktuasi arus berangsur-angsur hilang. Untuk mendapatkan osilasi yang tidak teredam, perlu untuk terus-menerus mengisi kembali kehilangan energi pada resistansi aktif, yaitu, rangkaian seperti itu harus dihubungkan ke sumber arus bolak-balik dengan frekuensi yang sesuai? 0 .
Fenomena resonansi tegangan dan arus serta rangkaian osilasi telah banyak digunakan dalam teknik radio dan instalasi frekuensi tinggi. Dengan menggunakan rangkaian osilasi, kami memperoleh arus frekuensi tinggi di berbagai perangkat radio dan generator frekuensi tinggi. Sirkuit osilasi - elemen penting penerima radio mana pun. Ini memastikan selektivitasnya, yaitu kemampuan untuk membedakan sinyal dari stasiun radio tertentu dari sinyal radio dengan panjang gelombang berbeda (yaitu frekuensi berbeda) yang dikirim oleh stasiun radio berbeda.
1. Osilasi elektromagnetik bebas.
2. Pelepasan kapasitor aperiodik. Konstanta waktu. Mengisi kapasitor.
3. Impuls listrik dan arus impuls.
4. Elektroterapi pulsa.
5. Konsep dasar dan rumus.
6. Tugas.
14.1. Osilasi elektromagnetik gratis
Dalam fisika fluktuasi adalah proses yang berbeda dalam berbagai tingkat pengulangan.
Getaran elektromagnetik- ini adalah perubahan berulang dalam besaran listrik dan magnet: muatan, arus, tegangan, serta medan listrik dan magnet.
Osilasi seperti itu terjadi, misalnya, pada rangkaian tertutup yang mengandung kapasitor dan induktor (rangkaian osilasi).
Osilasi yang tidak teredam
Mari kita perhatikan rangkaian osilasi ideal yang tidak memiliki resistansi aktif (Gbr. 14.1).
Jika Anda mengisi kapasitor dari jaringan tegangan konstan (U c), mengatur kunci K ke posisi “1”, dan kemudian memindahkan kunci K ke posisi “2”, kapasitor akan mulai mengalir melalui induktor, dan di sirkuit
Beras. 14.1. Rangkaian osilasi ideal (C - kapasitansi kapasitor, L - induktansi kumparan)
arus yang meningkat akan muncul Saya(memaksa variabel menunjukkan saat ini huruf kecil huruf i).
Dalam hal ini, ggl muncul di kumparan. induksi diri E = -L*di/dt (lihat rumus 10.15). Pada rangkaian ideal (R = 0) ggl. sama dengan tegangan pada pelat kapasitor U = q/C (lihat rumus 10.16). Menyamakan E dan U, kita peroleh
Periode osilasi bebas ditentukan dengan rumus Thompson: T = 2π/ω 0 = 2π√LC. (14.6)
Beras. 14.2. Ketergantungan muatan, tegangan dan arus terhadap waktu dalam rangkaian osilasi ideal (osilasi tak teredam)
Energi medan listrik kapasitor W el dan energi medan magnet kumparan W m berubah secara berkala terhadap waktu:
Energi total (W) osilasi elektromagnetik adalah jumlah dari kedua energi tersebut. Karena dalam rangkaian ideal tidak ada rugi-rugi yang terkait dengan pelepasan panas, energi total getaran bebas kekal:
Osilasi teredam
Dalam kondisi normal, semua konduktor memiliki resistensi aktif. Oleh karena itu, osilasi bebas pada rangkaian nyata teredam. Pada Gambar 14.3, resistansi aktif konduktor diwakili oleh resistor R.
Dengan adanya ggl resistensi aktif. induksi diri sama dengan jumlah tegangan pada pelat resistor dan kapasitor:
Setelah memindahkan semua suku ke ruas kiri dan membaginya dengan induktansi
Beras. 14.3. Rangkaian osilasi nyata
kumparan (L) kita memperoleh persamaan diferensial osilasi bebas pada rangkaian nyata:
Grafik fluktuasi tersebut ditunjukkan pada Gambar. 14.4.
Ciri-ciri redamannya adalah penurunan redaman logaritmikλ = βТ з = 2πβ/ω з, dimana Т з dan ω з masing-masing adalah periode dan frekuensi osilasi teredam.
Beras. 14.4. Ketergantungan muatan terhadap waktu dalam rangkaian osilasi nyata (osilasi teredam)
14.2. Pelepasan kapasitor aperiodik. Konstanta waktu. Mengisi kapasitor
Proses aperiodik juga muncul dalam kasus yang lebih sederhana. Jika, misalnya, kapasitor bermuatan dihubungkan ke resistor (Gbr. 14.5) atau kapasitor tak bermuatan dihubungkan ke sumber tegangan konstan (Gbr. 14.6), maka setelah sakelar ditutup, tidak akan terjadi osilasi.
Pelepasan kapasitor dengan muatan awal di antara pelat q max terjadi menurut hukum eksponensial:
dimana τ = RC disebut konstan waktu.
Tegangan pada pelat kapasitor berubah menurut hukum yang sama:
Beras. 14.5. Mengosongkan kapasitor melalui resistor
Beras. 14.6. Mengisi kapasitor dari jaringan DC dengan resistansi internal r
Saat mengisi daya dari jaringan DC, tegangan pada pelat kapasitor meningkat sesuai hukum
dimana τ = rC disebut juga konstan waktu(r - resistansi jaringan internal).
14.3. Impuls listrik dan arus impuls
Impuls listrik - perubahan jangka pendek dalam tegangan atau arus listrik dengan latar belakang beberapa nilai konstan.
Impuls dibagi menjadi dua kelompok:
1) pulsa video- impuls listrik arus atau tegangan searah;
2) pulsa radio- osilasi elektromagnetik termodulasi.
Pulsa video berbagai bentuk dan contoh pulsa radio ditunjukkan pada Gambar. 14.7.
Beras. 14.7. Impuls listrik
Dalam fisiologi, istilah “impuls listrik” mengacu secara khusus pada impuls video, yang karakteristiknya sangat penting. Untuk mengurangi kemungkinan kesalahan dalam pengukuran, disepakati untuk mengidentifikasi titik waktu di mana parameternya memiliki nilai 0,1U maks dan 0,9U maks (0,1I maks dan 0,9I maks). Melalui momen-momen waktu inilah ciri-ciri impuls diungkapkan.
Gambar 14.8. Karakteristik pulsa (a) dan arus pulsa (b)
Arus pulsa- urutan periodik pulsa identik.
Karakteristik pulsa individu dan arus pulsa ditunjukkan pada Gambar. 14.8.
Gambar tersebut menunjukkan:
14.4. Elektroterapi berdenyut
Terapi tidur listrik- metode efek terapeutik pada struktur otak. Untuk prosedur ini, persegi panjang digunakan
pulsa dengan frekuensi 5-160 pulsa/s dan durasi 0,2-0,5 ms. Kekuatan arus pulsa adalah 1-8 mA.
Elektroanalgesia transkranial- metode pengaruh terapeutik pada kulit kepala dengan arus berdenyut yang menyebabkan pereda nyeri atau penurunan intensitas nyeri. Mode eksposur ditunjukkan pada Gambar. 14.9.
Beras. 14.9. Jenis utama arus pulsa yang digunakan dalam elektroanalgesia transkranial:
a) pulsa persegi panjang dengan tegangan hingga 10 V, frekuensi 60-100 pulsa/s, durasi 3,5-4 ms, mengikuti paket 20-50 pulsa;
b) pulsa persegi panjang dengan siklus kerja konstan (b) dan variabel (c) dengan durasi 0,15-0,5 ms, tegangan hingga 20 V, diikuti dengan frekuensi
Pemilihan parameter (frekuensi, durasi, siklus kerja, amplitudo) dilakukan secara individual untuk setiap pasien.
Terapi diadinamik kegunaan pulsa setengah sinus
(Gbr. 14.10).
Arus Bernard adalah arus diadinamik - pulsa dengan trailing edge berbentuk eksponensial, frekuensi arus ini adalah 50-100 Hz. Jaringan tubuh yang bersemangat dengan cepat beradaptasi dengan arus tersebut.
Stimulasi listrik- metode penggunaan obat arus pulsa untuk mengembalikan aktivitas organ dan jaringan yang kehilangan fungsi normal. Efek terapeutik disebabkan oleh efek fisiologis yang diberikan pada jaringan tubuh.
Beras. 14.10. Jenis utama arus diadinamik:
a) arus kontinu setengah gelombang dengan frekuensi 50 Hz;
b) arus kontinu gelombang penuh dengan frekuensi 100 Hz;
c) arus ritmis setengah gelombang - arus setengah gelombang terputus-putus, yang pengirimannya bergantian dengan jeda dengan durasi yang sama
d) arus dimodulasi oleh periode dengan durasi yang berbeda
ma pulsa dengan kemiringan depan yang tinggi. Dalam hal ini, perpindahan ion yang cepat terjadi dari posisi stabilnya, yang memiliki efek iritasi yang signifikan pada jaringan yang mudah terangsang (saraf, otot). Efek iritasi ini sebanding dengan laju perubahan arus, yaitu. di/dt.
Jenis utama arus pulsa yang digunakan dalam metode ini ditunjukkan pada Gambar. 14.11.
Beras. 14.11. Jenis utama arus pulsa yang digunakan untuk stimulasi listrik:
A) D.C. dengan interupsi;
b) arus pulsa persegi panjang;
c) arus pulsa berbentuk eksponensial;
d) arus pulsa berbentuk segitiga runcing
Efek iritasi dari arus berdenyut sangat dipengaruhi oleh curamnya tanjakan tepi depan.
Elektropunktur- efek terapeutik arus berdenyut dan bolak-balik ke titik aktif biologis (BAP). Menurut konsep modern, titik-titik tersebut adalah area jaringan yang terisolasi secara morfofungsional yang terletak di jaringan lemak subkutan. Mereka telah meningkatkan konduktivitas listrik terhadap kulit di sekitarnya. Tindakan perangkat untuk mencari BAP dan mempengaruhinya didasarkan pada properti ini (Gbr. 14.12).
Beras. 14.12. Perangkat elektropunktur
Tegangan operasi alat pengukur tidak melebihi 2 V.
Pengukuran dilakukan sebagai berikut: pasien memegang elektroda netral di tangannya, dan operator menggunakan probe elektroda pengukur area kecil (elektroda titik) untuk menguji BAP. Telah ditunjukkan secara eksperimental bahwa kekuatan arus yang mengalir dalam rangkaian pengukuran bergantung pada tekanan elektroda probe pada permukaan kulit (Gbr. 14.13).
Oleh karena itu, selalu ada sebaran nilai terukur. Selain itu juga elastisitas, ketebalan, kadar air kulit berbagai bidang tubuh berbeda untuk orang yang berbeda, sehingga tidak mungkin untuk memperkenalkan standar tunggal. Perlu diperhatikan secara khusus mekanisme stimulasi listrik
Beras. 14.13. Ketergantungan arus pada tekanan probe pada kulit
BAT perlu ketat dasar ilmiah. Perbandingan yang benar dengan konsep neurofisiologis diperlukan.
14.5. Konsep dan rumus dasar
Akhir meja
14.6. Tugas
1. Kapasitor dengan jarak antar pelat yang bervariasi digunakan sebagai sensor informasi medis dan biologis. Tentukan perbandingan perubahan frekuensi terhadap frekuensi osilasi alami pada suatu rangkaian yang dilengkapi kapasitor tersebut, jika jarak antar pelat berkurang 1 mm. Jarak awalnya adalah 1 cm.
2.
Rangkaian osilasi peralatan untuk diatermi terapeutik terdiri dari induktor dan kapasitor dengan kapasitansi
C = 30 F. Tentukan induktansi kumparan jika frekuensi generator 1 MHz.
3. Sebuah kapasitor dengan kapasitas C = 25 pF, diisi dengan beda potensial U = 20 V, dilepaskan melalui kumparan nyata dengan hambatan R = 10 Ohm dan induktansi L = 4 H. Temukan penurunan redaman logaritmik λ.
Larutan
Sistem ini merupakan rangkaian osilasi nyata. Koefisien atenuasi β = R/(2L) = 20/(4x10 -6) = 5x10 6 1/s. Penurunan redaman logaritmik
4. Fibrilasi ventrikel jantung terdiri dari kontraksi yang kacau. Arus jangka pendek yang besar melewati daerah jantung merangsang sel-sel miokard, dan ritme kontraksi ventrikel yang normal dapat dipulihkan. Perangkat yang sesuai disebut defibrilator. Ini adalah kapasitor yang diisi dengan tegangan yang signifikan dan kemudian dibuang melalui elektroda yang dipasang ke tubuh pasien di area jantung. Tentukan nilai arus maksimum selama kerja defibrilator, jika diberi tegangan U = 5 kV, dan hambatan suatu bagian tubuh manusia adalah 500 Ohm.
Larutan
Saya = U/R = 5000/500 = 10 A. Menjawab: Saya = 10 A.
Baru pada akhir zaman kita umat manusia mencapai penemuan dan pengembangan listrik dan sampai pada kesimpulan tentang keberadaannya gelombang elektromagnetik. Hertz yang agung adalah orang pertama yang secara teoritis mendukung keberadaan gelombang semacam itu. Dan orang pertama yang menemukan gelombang ini (yang dipancarkan oleh pelepasan petir) adalah rekan senegaranya Popov. Dia menemukan perangkat - pendeteksi petir, yang merekam osilasi elektromagnetik kuat yang dipancarkan oleh pelepasan petir.
Beberapa saat kemudian dan hampir bersamaan dengan Marconi dari Italia, dia menyadari bahwa gelombang elektromagnetik dapat digunakan untuk transmisi jarak jauh informasi berguna. Sedangkan eksperimen Popov A.S. transmisi informasi menggunakan gelombang elektromagnetik mempunyai karakter yang unik, Markoy yang giat mengorganisir seluruh cabang industri, yang untuk pertama kalinya mulai memproduksi peralatan komunikasi listrik berdasarkan transmisi dan penerimaan gelombang elektromagnetik.
Penemuan gelombang elektromagnetik saja sudah membenarkan pengorbanan ilmu pengetahuan bagi seluruh keberadaan umat manusia! Para reformis Rusia saat ini, yang telah menjadikan ilmu pengetahuan dan pendidikan kita sebagai makanan kelaparan, harus mengingat hal ini.
Gelombang elektromagnetik adalah pergerakan perubahan medan listrik dan magnet di ruang angkasa dengan kecepatan cahaya. Pencipta pertama teori osilasi elektromagnetik mencoba membangun analogi antara keduanya getaran elektromagnetik dan getaran mekanis dan akustik. Mereka percaya bahwa ruang angkasa dipenuhi dengan zat tertentu - eter. Liying kemudian menyadari bahwa tidak diperlukan perantara untuk perambatan gelombang elektromagnetik.
Meskipun demikian, kata sukses “eter” tetap ada dalam kehidupan kita sehari-hari. Namun, sekarang hal ini mencirikan keberadaan ruang yang dipenuhi gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh berbagai sumber - terutama stasiun radio yang mentransmisikan ucapan, musik, gambar televisi, sinyal waktu, dll.
Osilasi elektromagnetik dihasilkan oleh sinyal listrik. Setiap konduktor yang menerima sinyal listrik frekuensi tinggi menjadi antena yang memancarkan gelombang elektromagnetik ke ruang angkasa (eter). Pengoperasian perangkat pemancar radio didasarkan pada hal ini.
Konduktor yang sama, yang terletak di ruang angkasa dengan gelombang elektromagnetik, menjadi antena penerima radio - EMF diinduksi padanya dalam bentuk banyak sinyal arus bolak-balik. Jika antena penerima terletak di sebelah antena pemancar (hal ini terkadang terjadi), maka EMF yang diinduksi dapat mencapai puluhan volt. Namun bila stasiun radio terletak ratusan dan ribuan kilometer dari penerima, ukurannya kecil – berkisar dari beberapa mikrovolt hingga puluhan milivolt. Tugas penerima adalah memilih dari kumpulan sinyal dari berbagai stasiun radio dan sumber interferensi sinyal-sinyal yang Anda perlukan, memperkuatnya dan mengubahnya menjadi getaran suara yang dipancarkan oleh loudspeaker atau headphone.
Kita tahu bahwa panjang gelombang elektromagnetik bisa sangat berbeda. Melihat skala gelombang elektromagnetik yang menunjukkan panjang gelombang dan frekuensi berbagai radiasi, kami membedakan 7 rentang: radiasi frekuensi rendah, radiasi radio, sinar inframerah, cahaya tampak, sinar ultraviolet, sinar-X dan radiasi gamma.
- Gelombang frekuensi rendah. Sumber radiasi: arus frekuensi tinggi, generator arus bolak-balik, mobil listrik. Mereka digunakan untuk peleburan dan pengerasan logam, produksi magnet permanen, dan dalam industri listrik.
- Gelombang radio berasal dari antena stasiun radio dan televisi, ponsel, radar, dll. Mereka digunakan dalam komunikasi radio, televisi, dan radar.
- Gelombang inframerah dipancarkan oleh semua benda yang dipanaskan. Aplikasi: peleburan, pemotongan, pengelasan logam tahan api menggunakan laser, fotografi dalam kabut dan kegelapan, pengeringan kayu, buah-buahan dan beri, perangkat penglihatan malam.
- Radiasi yang terlihat. Sumber - Matahari, listrik dan Lampu pijar, busur listrik, laser. Berlaku: pencahayaan, efek foto, holografi.
- Radiasi ultraviolet. Sumber: Matahari, luar angkasa, lampu listrik, laser. Dapat membunuh bakteri patogen. Digunakan untuk mengeraskan organisme hidup.
- radiasi sinar-X.
Osilasi elektromagnetik disebut perubahan periodik (atau hampir periodik) yang saling terkait dalam muatan, arus, dan kekuatan medan listrik dan magnet. Perambatan osilasi elektromagnetik di ruang angkasa terjadi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Di antara berbagai fenomena fisik, osilasi dan gelombang elektromagnetik menempati tempat khusus. Hampir semua teknik elektro, teknik radio, dan optik didasarkan pada konsep-konsep ini.
18.1. GETARAN ELEKTROMAGNETIK GRATIS
Osilasi elektromagnetik bebas (alami) adalah osilasi yang terjadi tanpa pengaruh eksternal karena akumulasi energi pada awalnya.
Pertimbangkan rangkaian osilasi tertutup yang terdiri dari sebuah induktor L dan kapasitor DENGAN(Gbr. 18.1), yang dilengkapi dengan kunci KE dibebankan dari sumber ε dan kemudian dibuang ke induktor. Dalam hal ini, ggl muncul di sirkuit. induksi diri, yang akan sama dengan tegangan pada pelat kapasitor. Dengan menggunakan rumus (17.14), kita menulis:
Diketahui (18.2) adalah persamaan diferensial osilasi harmonik, solusinya [lihat. (7.6)] memiliki bentuk:
18.2. ARUS Bolak-balik
Dalam arti luas, arus bolak-balik adalah arus apa pun yang berubah seiring waktu. Namun, istilah “arus bolak-balik” lebih sering diterapkan pada arus yang berubah seiring waktu menurut hukum harmonik. Arus bolak-balik dapat dianggap sebagai osilasi elektromagnetik paksa.
Mari kita bayangkan tiga rantai berbeda (Gbr. 18.4, a-18.6, a), yang masing-masingnya diterapkan tegangan AC:
18.3. RESISTENSI TOTAL PADA RANGKAIAN AC. RESONANSI TEGANGAN
Mari kita bayangkan sebuah rangkaian di mana resistor, induktor, dan kapasitor dihubungkan secara seri (Gbr. 18.7). Tegangan terminal a, B rangkaian yang dibuat oleh sumber luar masih dinyatakan dengan ketergantungan (18.22) dengan amplitudo Umaks.
Pada rangkaian seri, arus pada semua bagiannya sama, tetapi tegangannya berbeda. Seperti dapat dilihat dari 14.2, secara umum, arus dalam rangkaian dan tegangan tidak berubah dalam fasa yang sama, oleh karena itu
Dalam kondisi ini, resistansi total yang dimiliki rangkaian Z nilai terkecil, setara R(diberikan R, L Dan DENGAN), dan arus mencapai nilai terbesarnya. Diagram vektor untuk resonansi tegangan pada rangkaian ditunjukkan pada Gambar. 18.9. Jika Lω >1/(ССО), maka tgcp >0 dan φ >0, kekuatan arus tertinggal satu fasa dengan tegangan yang diberikan (lihat Gambar 18.8). Dengan Leo<1/(Ссо) имеем tgcp <0 и φ <0. Сила тока опережает по фазе напряжение.
Diagram vektor untuk kasus ini ditunjukkan pada Gambar. 18.10.
18.4. RESISTENSI TOTAL (IMPEDANSI) JARINGAN TUBUH. DASAR FISIK RHEOGRAFI
Jaringan tubuh tidak hanya menghantarkan arus searah, tetapi juga arus bolak-balik. Tidak ada sistem di dalam tubuh yang serupa dengan kumparan induktansi, sehingga induktansinya mendekati nol. Membran biologis dan, akibatnya, seluruh tubuh memiliki sifat kapasitif, oleh karena itu impedansi jaringan tubuh hanya ditentukan oleh resistensi ohmik dan kapasitif. Kehadiran elemen kapasitif dalam sistem biologis dikonfirmasi oleh fakta bahwa kekuatan arus melebihi tegangan yang diberikan dalam fase. Mari kita sajikan beberapa nilai sudut pergeseran fasa yang diperoleh pada frekuensi 1 kHz untuk berbagai objek biologis (Tabel 18.1).
Tabel 18.1
Sifat ohmik dan kapasitif jaringan biologis dapat dimodelkan menggunakan rangkaian listrik yang setara. Mari kita lihat beberapa di antaranya (Gbr. 18.11).
Untuk rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar. 18.11, a, ketergantungan frekuensi impedansi dapat diperoleh dari (18.36) di L= 0:
Ketergantungan frekuensi impedansi memungkinkan kita menilai kelangsungan hidup jaringan tubuh, yang penting diketahui untuk transplantasi jaringan dan organ. Mari kita ilustrasikan hal ini secara grafis (Gbr. 18.12). Di Sini 1 - kurva untuk jaringan sehat, normal, 2 - untuk orang mati, dibunuh dengan cara direbus dalam air. Pada jaringan mati, membran - “kapasitor hidup” - dihancurkan, dan jaringan hanya memiliki hambatan ohmik.
Perbedaan ketergantungan frekuensi impedansi diperoleh pada kasus jaringan sehat dan jaringan sakit.
Seperti dapat dilihat pada (18.38), sudut fasa antara arus dan tegangan juga dapat memberikan informasi tentang sifat kapasitif jaringan.
Impedansi jaringan dan organ juga bergantung pada keadaan fisiologisnya. Jadi, ketika pembuluh darah terisi, impedansinya berubah tergantung pada keadaan aktivitas kardiovaskular.
Metode diagnostik yang didasarkan pada pencatatan perubahan impedansi jaringan selama aktivitas jantung disebut reografi (impedansi plethysmography).
Dengan menggunakan metode ini, diperoleh rheogram otak (rheo-ensefalogram), hati (reokardiogram), pembuluh darah besar, paru-paru, hati dan anggota badan. Pengukuran biasanya dilakukan pada frekuensi 30 kHz.
18.5. PULSA LISTRIK DAN ARUS PULSA
Impuls listrik adalah perubahan tegangan atau arus listrik dalam jangka pendek.
Secara teknologi, pulsa dibagi menjadi dua kelompok besar: pulsa video dan radio.
Pulsa video- Ini adalah pulsa listrik dengan arus atau tegangan yang memiliki komponen konstan selain nol. Jadi, pulsa video sebagian besar mempunyai satu polaritas. Bentuk pulsa video adalah (Gbr. 18.13):
a) persegi panjang;
b) gigi gergaji;
c) trapesium;
18.6. LULUS PULSA PERSEGI PANJANG MELALUI SIRKUIT LINEAR. RANTAI YANG MEMBEDAKAN DAN MENGINTEGRASIKAN
Ketika arus bolak-balik melewati rangkaian listrik yang terdiri dari resistor, induktor, dan kapasitor, bentuk sinyal harmonik dipertahankan: arus listrik sinusoidal sesuai dengan sinyal harmonik eksternal ini. Jadi, ada hubungan linier antara arus dan tegangan dan rangkaian itu sendiri disebut linier. Adanya elemen-elemen pada rangkaian seperti tabung vakum, dioda semikonduktor, transistor akan membentuk rangkaian nonlinier.
Rangkaian linier tidak mendistorsi bentuk tegangan harmonik, namun mengubah bentuk sinyal pulsa.
Dalam pengobatan praktis, hal ini penting untuk diingat karena dua alasan utama.
Pertama, ketika menghilangkan sinyal listrik untuk tujuan diagnostik (lihat 14.5) dari objek biologis, kemungkinan distorsi bentuknya pada rangkaian listrik pengukur harus diperhitungkan.
18.7. KONSEP TEORI MAXWELL. BIAS SAAT INI
Meringkas hasil percobaan H.K. Disinggung tentang pengaruh arus listrik pada jarum magnet, eksperimen Faraday pada induksi elektromagnetik dan fakta lainnya, Maxwell menciptakan teori medan elektromagnetik dalam kerangka fisika klasik.
Teori Maxwell didasarkan pada dua prinsip.
1. Setiap medan listrik bolak-balik menghasilkan medan magnet pusaran. Maxwell menyebut medan listrik bolak-balik sebagai arus perpindahan karena, seperti arus biasa, ia menghasilkan medan magnet.
Untuk menemukan ekspresi kekuatan arus bias, perhatikan aliran arus bolak-balik melalui rangkaian di mana kapasitor dengan dielektrik dihubungkan (Gbr. 18.22). Kapasitor tidak mengganggu aliran arus, yang terlihat dari nyala bola lampu. Dalam konduktor, ini adalah arus konduksi biasa 1 jalan, disebabkan oleh perubahan muatan pada pelat kapasitor. Kita dapat berasumsi bahwa arus konduksi berlanjut pada kapasitor dengan arus perpindahan 1 cm, dan
1 A.A. Eikhenwald adalah kepala departemen fisika pertama di Kursus Wanita Tinggi di Moskow, yang menjadi dasar pendirian sejumlah universitas Moskow, termasuk Universitas Kedokteran Rusia.
Dalam percobaan Eichenwald, piringan dielektrik 1 (Gbr. 18.23) terletak di antara pelat dua kapasitor datar 2 Dan 3. Kuat medan listrik di dalamnya diarahkan ke arah yang berlawanan. Ketika piringan berputar pada porosnya 4 Terjadi perubahan polarisasi dielektrik pada ruang antar kapasitor. Ini menghasilkan medan magnet, ditentukan menggunakan jarum indikator magnet khusus.
Mengganti ekspresi kekuatan arus perpindahan (18.51) ke dalam hukum arus total (16.46), kita memperoleh Persamaan pertama Maxwell:
yang menghubungkan laju perubahan fluks magnet yang melalui suatu permukaan dan sirkulasi vektor kuat medan listrik yang timbul pada waktu yang bersamaan. Sirkulasi dilakukan sepanjang kontur tempat permukaan berada.
Dari ketentuan utama teori Maxwell yang diberikan di atas, maka kemunculan medan apa pun, listrik atau magnet, di suatu titik di ruang angkasa memerlukan seluruh rangkaian transformasi timbal balik: medan listrik bolak-balik menghasilkan medan magnet (pada Gambar 18.24, A ditampilkan Ε dan garis intensitas medan magnet yang dihasilkan, disediakan dE/dt > 0), perubahan medan magnet menghasilkan medan listrik (pada Gambar 18.24, B H dan garis medan medan listrik yang dihasilkan digambarkan pada kondisi dH/dt > 0), dst. Perbedaan tanda persamaan Maxwell (18.53) dan (18.54) menentukan perbedaan arah panah pada garis Η Dan Ε gambar-gambar ini.
18.8. GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Saling terbentuknya medan listrik dan magnet mengarah pada konsep tersebut gelombang elektromagnetik- propagasi medan elektromagnetik tunggal di ruang angkasa.
Mari kita jelaskan ini. Biarkan tegangan meningkat pada titik x 1 dielektrik (Gbr. 18.25) E 1 Medan listrik. Dalam hal ini, timbul medan magnet pusaran, yang intensitasnya H 2 di titik x 2 diarahkan menjauhi pembaca (lih. Gambar 18.24, a). Kenaikan H 2 menimbulkan pusaran medan listrik, di titik x 2 vektor kuat medan tersebut tegak lurus sumbu OH(lih. Gambar 18.24, b), dll. Jika perubahan Ε atau N akan dipertahankan pada suatu titik tertentu karena adanya energi dari suatu sumber, maka gelombang elektromagnetik akan terus merambat di ruang angkasa.
Mari kita tunjukkan bahwa sifat gelombang dari perambatan medan elektromagnetik mengikuti persamaan Maxwell (18.53) dan (18.54). Kami akan menganggap media sebagai dielektrik; oleh karena itu, arus konduksi adalah nol. Fluks magnet yang melalui suatu luas tertentu S terletak tegak lurus terhadap garis DI DALAM, adalah sama dengan:
1 Persamaan Maxwell ditulis dalam turunan parsial, karena kedepannya perlu dilakukan diferensiasi terhadap koordinat.
Persamaan serupa dapat diperoleh untuk kekuatan medan magnet:
18.9. SKALA GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK. KLASIFIKASI INTERVAL FREKUENSI YANG DITERIMA DALAM PENGOBATAN
Dari teori Maxwell dapat disimpulkan bahwa berbagai gelombang elektromagnetik, termasuk cahaya, mempunyai sifat yang sama. Dalam hal ini, disarankan untuk menyajikan semua jenis gelombang elektromagnetik dalam bentuk skala tunggal (Gbr. 18.27).
Seluruh skala secara konvensional dibagi menjadi enam rentang: gelombang radio(panjang, sedang dan pendek), inframerah, tampak, ultraviolet
komersial, x-rayDanradiasi gamma. Klasifikasi ini ditentukan oleh mekanisme pembentukan gelombang, atau oleh kemampuan seseorang untuk melihatnya secara visual.
Gelombang radio disebabkan oleh arus bolak-balik pada konduktor dan aliran elektron (pemancar makro). Radiasi inframerah, sinar tampak, dan ultraviolet berasal dari atom, molekul, dan partikel bermuatan cepat (pemancar mikro). Radiasi sinar-X terjadi selama proses intra-atom, radiasi berasal dari nuklir.
Beberapa rentang tumpang tindih karena gelombang dengan panjang yang sama dapat dihasilkan melalui proses yang berbeda. Dengan demikian, radiasi ultraviolet dengan panjang gelombang terpendek tumpang tindih dengan sinar-X dengan panjang gelombang panjang.
Dalam hal ini, wilayah perbatasan gelombang infra merah dan gelombang radio sangat khas. Sebelum tahun 1922 terdapat kesenjangan antara rentang tersebut. Radiasi dengan panjang gelombang terpendek dari celah yang tidak terisi ini berasal dari atom molekul (radiasi dari benda yang dipanaskan), dan radiasi dengan panjang gelombang terpanjang dipancarkan oleh vibrator Hertz makroskopis. Fisikawan Rusia A.A. Glagoleva-Arkadyeva 1 mengusulkan untuk melewatkan percikan api melalui campuran sejumlah besar serbuk logam kecil dalam minyak. Dalam hal ini, dimungkinkan untuk memperoleh berbagai gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 82 mikron atau lebih. Jangkauan gelombang inframerah dan radio ditutup.
Saat ini, tidak ada yang terkejut bahwa gelombang milimeter pun dapat dihasilkan tidak hanya melalui sarana rekayasa radio, tetapi juga melalui transisi molekuler. Sebuah bagian telah muncul - radiospektroskopi, yang mempelajari penyerapan dan emisi gelombang radio oleh berbagai zat. Dalam kedokteran, pembagian konvensional osilasi elektromagnetik ke dalam rentang frekuensi berikut diterima (Tabel 18.2).
Tabel 18.2
1 Alexandra Andreevna Glagoleva-Arkadyeva adalah kepala pertama Departemen Fisika di Institut Medis Moskow ke-2 (sekarang Universitas Kedokteran Rusia).
Akhir tabel. 18.2
Peralatan elektronik fisioterapi frekuensi rendah dan suara sering disebut frekuensi rendah. Peralatan elektronik dari semua frekuensi lainnya disebut konsep umum frekuensi tinggi.