Магнитная проницаемость вычисляется по формуле

М = Мо + Mr >

где М о - постоянная магнитного поля (индукционная постоянная), а jUr - относительная магнитная проницаемость, характеризующая данную среду.

. Все конструктивные параметры катущки объединяют в еданый параметр - индуктивность L, определяемую из выражения

Единицей индуктивности является генри (Гн), определяемый как

1 В- 1 с

1 Гн =

1 А

Для катущек, магнитный поток которых замьжается через сердечник по определенному пути, все постоянно действующие факторы объединяют в единый коэффициент индуктивности

Аг =

Таким образом, L = NAi, что значительно облегчает расчет катущек. В' схемах, предлагаемых далее, катущки наматывают в основном медным лакированным проводом диаметром 0,10-0,15 мм. Поэтому необходимо обеспечить прочность выводов начала и конца обмотки. В начале намотки. (соединительный провод и два-три витка) проволоку складывают вдвое и скручивают. Поверх этой скрутки натягивают трубку из лакоткани., которую прихватьгоают последующей намоткой. То же

Генератор

Ь)1/1,1/мА

XL=f(L)

при г=гкщ

6. В:Г,нГц

8 12 1ВЦмГн

Рис. 18. К определению индуктивного сопротивления катушки при приложении переменного напряжения: й - схема; б-характеристики.

самое продельюают и в конце намотки, только труоку из лакоткани привязьюают здесь к каркасу прочной крученой ниткой, чтобы витки обмотки не смещались.

Проделаем опыт, который позволит нам выяснить зависимость между f/, i и L для случая, когда к катушке приложено переменное напряжение синусоидальной формы. Намотаем катушку с индуктивностью L =8 мГн (/V°= 100 витков, макифер 163, сердечник 14x8, ПЛ 0,1 мм) и подключим ее к генератору переменного напряжения (рис. 18,в). Выход--ное напряжение генератора установим перед опытом равным 1 В (используем авометр). Измерив при различных частотах ток, протекающий через испытуемую катушку, получим следующие результаты:

Здесь наряду со значениями токов вычислены обратные им величины .-Построенные по полученным данным характеристики показывают, что между частотой и величиной, обратной току, существует линейная зависимость. Величина 1 прямо пропорциональна реактивному сопротивлению катушки Xi, поэтому можно утверждать, что реактивное сопротивление катушки также растет пропорционально частоте, т. е. Х^ ->-/.

Намотаем далее еще две катушки (jVj =150 витков и N3 = 200 витков) и измерим ток, протекающий через каждую из них (на одной и той же частоте / = 2 кГц) опять при L= 1 В. Получим следующие результаты:

. Представив полученные данные в виде графика (рис. 18, б), снова получим прямую линию. Следовательно, мы можем сделать вывод, аналогичный полученному в первой части опыта: реактивное сопротивление катушки прямо пропорционально ее индуктивности: Xj-L.Bbom круговую частоту со = 27г/,объединим обе полученные зависимости в одно уравнение:

= 2-nfL = cjL .

Таким образом, мы свели сложные для наших целей законы индукции к формуле, с помощью которой легко сможем производить расчеты.

Пример. Рассчитаем реактивное сопротивление, равное сопротивлению испытуемой катушки с L = 8 мГн на частоте 2 кГц:

X, = = 27Г- 2- 10=

В с

8- 10--- 100 Ом.

Колебательный контур - схема с особыми свойствами

Включив конденсатор и катушку параллельно, мы получим колебательный контур. Название это с первого взгляда вовсе не очевидш; для подтверждения его оправданности рассмотрим, какие электрические процессы происходят в таком контуре. Лучше всего познакомиться с ними на опыте. Подключим колебательный контур к импульсному генератору. Для наших целей в качестве импульсов можно использовать пилообразное напряжение развертки осциллографа (рис. 19,а). Катушкой индуктившсти будет служить изготовленная самостоятельно пробная катушка. В качестве конденсатора возьмем бумажный конденсатор. Смонтируем колебательный контур на эксперимег1тальной плате. При включении генератора на экране осциллографа можно наблюдать затухающий колебательный процесс (рис. 19,6). Как объяснить это явление? Конденсатор заряжается от напряжения развертки осциллографа. Разряжается он через катушку. Процессы в конденсаторе и в катушке протекают согласованно во времени. Накопив энергию электрического поля, конденсатор сам становится источником электроэнергии - в цепи потечет ток. Одновременно в катушке электрическая энергия переходит в магнитную. В процессе разряда энергия электрического поля конденсатора постепенно уменьшается до нуля, тогда как энергия магнитного поля катушки нарастает за то же время до максимального значения. Затем весь процесс протекает в обратном направлении и вновь повторяется.

а) Осциллоераф

О

0,01мпФ

8мГн

Рис. 19. К изучению процессов в электрическом колебательном контуре: а - схема € - резонансная кривая

V Генератор

б) Z.kDm 2рез \-----ft

Рис. 20. К изучению резонансных явлений в параллельном колебательном контуре: а - схема; б - резонансная кривая.

период за периодом, до тех пор, пока вся колебательная энергия полностью не потратится на тепло (джоулевы потери). Именно поэтому мы и видим на экране осциллографа затухающие колебания. Степень затухания можно изменять, вводя в цепь резистор и меняя- его сопротивление.

Свойства электрического колебательного контура исследуем в очередном опыте. Подключим к генератору переменного тока (с выходным напряжением 1,4 В) колебательный контур из пробной катущки индуктивностью L = 8 мГн и конденсатора емкостью С = 0,1 мкФ (рис. 20, в) и будем измерять протекающий через контур ток, меняя частоту от 3,6 до 8,7 кГц. Результаты измерений занесем в таблицу:

Как видно из таблицы, при некотором значении частоты (/ = 5,64 кГц) ток, протекающий через контур, будет иметь минимальное значение. Для пояснения этого свойства параллельного колебательного контура введем коэффициент Z, равный отношению приложенного переменного

напряжения U к силе тока /, т. е. Z =jj- . Нетрудно видеть, что по размерности Z представляет собой сопротивление. Это сопротивление складывается из реактивных сопротивлений конденсатора и катушки и из сопротивления потерь, например омического сопротивления катушки, и называется полным (кажущимся) сопротивлением. Таким образом, нам известны теперь три вида сопротивлений: активное (омическое), реактивное (конденсатора или катущки) и полное (кажущееся) как комбинация реактивного и активного сопротивлений. Построив по вычис-

ленным значениям Z график зависимости полного сопротивления параллельного колебательного контура от частоты (рис. 20, 6) , видим, что при частоте f = 5,64 кГц полное сопротивление достигает максимума. Подсчитав реактивные сопротивления катушки и конденсатора для данной частоты, получим

Xj = 2nfL = 6,28- 5,64 кГц- 8 мГ 283 Ом

и

1 1

Хг=-=- 5 283 Ом.

27Г/С 6,28- 5,64 кГц- 100 нФ

Итак, мы установили, что оба реактивных сопротивления равны. Следовательно, для зтого особого случая мы можем записать

Х^ =Х^ или litfL =

lirfC

Свойство колебательного контура, представленное характеристикой, приведенной на рис. 20, б, называют резонансом, а частоту, на которой проявляется это свойство, - резонансной частотой /рез* С помощью

формулы /рез =- , известной под названием формулы Том-

2?! \ L с

сона, можно вычислить резонансную частоту для любой комбинации L и С. Свойством параллельного колебательного контура иметь максимальное полное сопротивление на резонансной частоте мы будем пользоваться в дальнейшем для многих целей. Пока же упомянем только, что это свойство весьма ценно для выделения колебаний одной определенной частоты из некоторой их совокупности (для селектирования).

Для оценки остроты резонанса служит ширина полосы пропускания А/. Как и частота, ширина полосы пропускания измеряется в герцах. Полосу пропускания принято определять для уровня 0,707, т. е. считая, что значения полного сопротивления на граничных частотах этой полосы составляют 0,707 от резонансного Zpej. Итак, для А/ полагают

= 0,707.

рез

Для исследуемого нами колебательного контура ширина полосы пропускания А/ ;0,2 кГц. Ширину полосы пропускания А/ называют также абсолютной. Однако пользоваться ею можно только для оценки свойств вполне определенного колебательного контура. Получив для /рез = 5,64 кГц значение А / = 0,2 кГц, мы увидим, что для другой резо-

нансной частоты, например /рез = 40 кГ ц, значение Д / будет совсем иным. Поэтому вводят коэффициент, равный отношению абсолютной ширины полосы пропускания к резонансной частоте

рез

получая таким образом относительную ширину полосы пропускания или затухание (формульное обозначение d). В нашем примере затухание

0,2 кГц

d =-=0,035 = 3,5%.

5,64 кГц

Затухание служит мерой добротшсти колебательного контура.

Гальванические элементы как источники питания

Для работы приборов устройства дистанционного управления (передатчика и приемника) нужны соответствующие источники напряжения. Мы будем пользоваться практически только стандартными химическими источниками напряжения (гальваническими элементами), в которых химическая энергия в результате электрохимических процессов преобразуется в электрическую. На рис. 21 представлены наиболее распространенные типы гальванических элементов. Гальванические элементы подразделяют на первичные и вторичные. В первичных элементах электрическая энергия образуется в результате разложения отрицательного электрода (цинка) в электролите. В процессе работы отрицательный электрод или деполяризатор, служащий для связи ионов водорода, постепенно

Рис. 21. Внешний вид гальванических элементов: а - угольно-цинковый элемент R6 (миньон); б - кадмиево-никелевый элемент R6 (миньон); в - кадмиево-никелевый дисковый элемент; г - батарея из кадмиево-никелевых дисковых элементов.

расходуется и элемент теряет свои свойства. Отработанный элемент должен быть заменен новым.

Вторичные элементы известны под названием аккумуляторов. Аккумулятор может отдавать электрическую энергию лишь в том случае, если был предварительно заряжен. При заряде электрическая энергия преобразуется в химическую и накапливается. При разряде аккумулятора этот процесс протекает в обратном направлении: накопленная химическая энергия снова переходит в электрическую. Аккумуляторы можно многократно заряжать и разряжать.

Для начала кое-что Конструкция наиболее употребительного пер-

о первичных элементах вичного элемента, угольно-цинкового, показана

на рис. 22. Положительный электрод этого сухого элемента состоит из угольного стержня, погруженного в деполяризатор (двуокись марганца). Электролитом служит одно из обладающих поглощающей способностью веществ (пшеничная мука, древесные опилки, бумага и др.), пропитанное раствором аммиака. Цинковый корпус гальванического элемента служит одновременно и его отрицательным электродом. Корпус герметизируется смолой или парафином (откуда и название - сухой элемент), в силу чего элемент годен к работе в лю бом положении. Наряду с единичными элементами широко пользуются также целыми их батареями, представляющими собой несколько включенных совместно и смонтированных в единый блок элементов.

Элемент R6, известный под названием миньон , самый малогабаритный из выпускаемых промышленностью ГДР. При повторно-кратковременной работе его допустимый ток составляет 20 мА. Ток короткого замыкания /к.з ~6 А. Для больших нагрузок необходимо запастись бо- лее мощными элементами.

Под названием моно известен элемент R20**. Он выпускается в следующих исполнениях: обычном (/к.з 7А), накальном (/к.з 9 А) и герметичном (/к.з==18А). Элемент в накальном исполнении (называемый также приборным) отличается от элемента обычного исполнения более высокими эксплуатационными свойствами (удвоенная емкость и улучшен-

Рис. 22. Конструкция угольно-цинкового элемента.

/ - металлический колпачок (положительный электрод) ; 2 1ерметизирующая масса; 3 - электролиг(сгущениый ркствор аммиака); 4 - деполяризатор (двуокись марганца) ; 5 - угольный стержень; 6 - цинковый корпус (отрицательный :>лектрод) .

* Отечественная промышленность выпускает аналогичные элементы.

** Отечественная промышленность выпускает аналогичный ему элемент 373.

1Л

ШОм,тОм)

01 г У 2 4 10 loot,-.

Рис. 23. К изучению разряда угольно-цинкового элемента R6 в зависимости от нагрузки: а - схема; б - характеристики.

ная герметизация) и допускает повторно-кратковременный разряд при токе 180 мА.

Во многих случаях мы будем применять плоскую батарею 3R12* . При повторно-кратковременном разряде от нее можно получить ток 60 мА.

Напряжение на зажимах одной ненагруженной батареи составляет 1,55-1,75 В, при нагрузке оно падает до 1,3 1,6 В. Иными словами, напряжение в большой степени зависит от нагрузки, а также от типа элемента и степени его разряда.

Зависимость напряжения на зажимах элемента миньон от нагрузки и степени разряда элемента проследим на опыте (рис. 23, а). Нагрузим новый элемент R6 соответственно на резисторы 4,7 Ом (0,5 Вт); 22 Ом (0,25 Вт) и 150 Ом (0,25 В) и измерим напряжение на его зажимах в начале опыта, по прошествии 12 и 25 мин, а также через 1, 2,10,40 и 100 ч. По полученным значениям построим разрядные характеристики для трех разных нагрузок, проградуировав ось времени в логарифмическом масштабе (рис. 23, б). Характеристики показывают сниьную зависимость напряжения на зажимах от нагрузки и степени разряда элемента. Анализ характеристик позволяет сделать выводы, весьма важные для эксплуатации первичных элементов в приборах дистанционного управления:

1) для наиболее полного использования элементы следует по возможности меньше нагружать;

2) в случае предельных нагрузок следует переходить на иные типы элементов, обладающие большей емкостью;

3) в электронных схемах рабочее напряжение следует стабилизировать.

* Отечественная промышленность выпускает аналогичную ей 336Л.

При длительном хранении угольно-цинковый элемент вследствие саморазряда истощается и без нагрузки. Характерным признаком истощенного сухого элемента является его повыщенное внутреннее сопротивление, вследствие чего ток короткого замыкания элемента уменьшается. Определим этот ток с помощью авометра (со шкалой 6А). Если сила тока составляет 50% номинального значения и менее или во время измерения она резко падает, то это означает, что сухой элемент истощен и для работы непригоден. Измерения не должны длиться более 2 с. Значения тока короткого замыкания сухих элементов или батарей различных заводов-изготовителей отличаются друг от друга, поэтому приходится принимать в расчет лишь ориентировочные значения.

И еще один совет по применению батарей сухих элементов. Не существует элементов и батарей, абсолютно гарантированных от вытекания раствора аммиака или выхода агрессивных паров. Поэтому источники питания следует размещать в приборах так, чтобы непредвиденная утечка раствора аммиака не привела к порче прибора.

Аккумуляторы Наряду с первичными элементами все шире

меЗв ** применяются в настоящее время вторичные

элементы, что объясняется главным образом их высокими техническими свойствами. Вторичные источники напряжения подразделяются по материалам, из которых изготовлены их электроды. Для интересующих нас приборов с дистанционным управлением годятся только стандартные герметичные кадмие-во-никелевые и свинцовые аккумуляторы.

остановимся сначала на кадмиево-никелевых аккумуляторах. По сравнению с другими элементами они обладают рядом преимуществ:

- высокой механической прочностью и виброустойчивостью;

- относительно постоянным напряжением разряда в диапазоне рабочих токов;

- способностью к перезарядке в течение долгого срока службы (при точном выполнении инструкций по уходу и обслуживанию аккумуляторы могут служить до 10 лет, позволяя при этом произвести до 1000 и более зарядно-разрядных циклов); ,

- простотой обслуживания;

- благоприятными накопительными свойствами. Даже при длительном хранении аккумуляторов происходит лишь очень незначительный их саморазряд. .

Недостатками кадмиево-никелевых аккумуляторов являются:

- относительно большая масса;

- высокая по сравнению с угольно-цинковыми элементами покупная цена.

Для работы с приборами с дистанционным управлением нас интересуют в первую очередь дисковые аккумуляторы и составленные из них батареи. Конструкция кадмиево-никелевого дискового аккумулятора показана на рис. 24. Корпус такого аккумулятора, выполненный в виде чашки, является одновременно его положительным полюсом. В чашке

Рис. 24. Конструкция герметичного кадмиево-никеле-вого дискового аккумулятора.

/ - крышка; 2- контактная пружина; 3 - уплотни-тельное кольцо; 4 - никелевая проволочная сетка; 5 - чашка; 6 - положительный электрод; 7 - отрицательный электрод; 8 - диафрагма; 9 - донная прокладка.

находятся положительный электрод из гидроокиси никеля и графита, а также отрицательный электрод из окиси кадмия - и тот, и другой в форме таблеток. Электроды пропитаны электролитом, разделены мелкопористой прокладкой и запрессованы в сетчатую коробочку из никелевой проволоки. Корпус аккумулятора закрыт крышкой, отделенной от чашки изолирующим уплотнительным кольцом . С помощью контактной пружины крышка соединена с отрицательным электродом и служит отрицательным полюсом аккумулятора. Герметичный кадмиево-никелевый аккумулятор представляет собой замкнутую систему. Его нельзя открьюать и он не требует добавления электролита.

С эксплуатационными свойствами аккумуляторов, как и первичных элементов, познакомимся с помощью их разрядных характеристик. Кадмиево-никелевые аккумуляторы продают заряженными, поэтому опыт по снятию разрядной характеристики можно провести с новым аккумулятором (например, емкостью 450 мА ч). Изготовив затем зарядный прибор, мы сможем снять также и его зарядную характеристику. В соответствии со схемой, показанной на рис. 25, а, аккумулятор включается последовательно с резистором 240 Ом/0,5 Вт. Будем измерять напряжение на зажимах через каждый час, пока оно не упадет до значения 4,4 В. По полученным значениям построим разрядную характеристику, представленную на рис. 25, б. Из характеристики видно, что напряжение на зажимах при разряде аккумулятора падает гораздо медленнее, чем при разряде угольно-цинкового элемента. Наряду со способностью

0,5 Вт

6 в t,w

Рис. 25. К изучению разряда герметичной кадмиево-никелевой батареи (4,8 В/450 мА ч): а - схема; б - разрядная характеристика при токе разряда 0,5 /5.