居家实验:关于LC阻尼振荡优美感的参数试验

居家实验:关于LC阻尼振荡优美感的参数试验

一、研究的背景

大约在4月底的时候,我尝试使用比较简单的器材进行阻尼振荡实验,其间经历过错误、“假振荡”(寄生振荡)和清晰的阻尼振荡。后来一直没有再做,尽管实验效果还能再提升和改进。

没再做的原因,是我一度寄希望于使用法拉电容做这个阻尼振荡的。这有两个原因。用法拉电容做这个实验,是希望尽量实验的器材好找,比如市面上常见的200V转18V的小变压器,用它的初级线圈当作电感线圈。但这种小变压器的线圈电阻往往比较大,在至左右,这样法拉电容能够储存多一些的电能,供长时间的振荡几次;用法拉电容做这个实验的另一个原因,是能把振荡周期拉长,便于观察。但现在看,事情并不是那么简单。

我们实际上要观察的阻尼振荡,是电路的欠阻尼情况,实际就是在解

方程,对其中一种情况即情况,得到的

其中,的图象或类似图象进行观察。因为临界阻尼、过阻尼情况振不起来,滋一下子能量消耗尽了,也没啥可观察的了。

但现在看来不实际操作,不会发现情况很复杂。过多的理论研究,自觉功力不够,所以把优美感的尝试,取名叫“参数试验”。恰好今天与河南张怀华老师讨论这个问题,就把试验的结果列在这里,不明之处仍在,我这儿只是记录,探究与认识甚少。

二、阻尼振荡之优美感与参数的选择

之所以列出这个实验的崇高感和振荡的优美感,原因是:这个实验并不是一个容易的实验,它在高中物理难于操作的实验中是榜上有名的。万一有人也在这阻滞了,或可参照。

说优美感之前,需要先交待3个特殊的东西。

  1. 大容量无极性电容的得到。这是网络上有介绍、杂志上有介绍、此前我们不知道的一个技巧。用两只铝电解电容器暂时代替一只无极性电容,如图1的接法,我用的是两只3300μF的铝电解电容器。这样接成了无极性之后,等效电容是多大?能长久使用还是硬撑一时?都没有找到答案,手上没有大挡位电容表,没法测量,但估计容值应该在正常的1650μF附近。

图1 两只电解电容代替大容量无极性电容

  1. 胆机用扼流圈。这种电感线圈电感量大但直流阻值小,分入线、出线和地线。图2这个是5H 20Ω,有3条线,红进黄出,还有一条接地线。实际对于我们的用途来说,哪进哪出都没啥影响。所谓胆机,就是电子管音响,因为它卓越的性能和音质受到发烧友的推崇。胆机用扼流图之所以分入线和出线(有人也称之为正、负,认为正接高电势点,负接低电势点,没玩过音响,不敢妄言),是从声音波形的相位、分布电容等因素考虑的。正确接线是正常的声音,错误接线将导致声音反相,直接用音箱和耳朵听,一般是听不出来的,用解析力很强的高价位的耳机可以一下子听出来。所以专业一些的音响制作者,要么有好的后级分析仪器,要么有一对好耳朵,特别是玩二手器件,缺少音质的敏感度,基本玩不了,因为从仪表上的测量来看,几乎无法分辨。(完了,又跑题了)。

图2 5H20Ω电感线圈用于电磁振荡演示

  1. ADS1115 16位ADC。这个前几天刚刚发过文章,这里就略了。

现在可以列出器材了。

  • 单个铝电解电容,容量3300μF;
  • 两只铝电解电容做成的无极性电容;
  • 单个法拉电容,容量1F;
  • 两只法拉电容负负相接做成无极性电容。
  • 小变压器220V双18V30VA原线圈作为电感;
  • 胆机扼流圈高质量电感。 然后检测振荡电压,由ADS1115负责。

实验崇高感和振荡优美感器材组合效果:

  • 只要单个的电容器,无论哪一种,与哪个线圈串联,都不能振荡,只能得到电容放电曲线;
  • 铝电解电容组合成的无极性电容串联小变压器的原线圈,能振荡,但正余弦曲线寄生在“”曲线上,只有1个振荡周期,且不明显;但若串联高质量胆机电感,效果最明显,且可以出现两个以上的振荡周期。
  • 法拉电容组合成的无极性电容串联小变压器原线圈,或串联高质量电感线圈,都不能振荡,只能见到电容放电曲线,这可能与法拉电容的原理和机制有关。

查阅资料,有部分资料认为,小变压器的矽钢片是交叉插矽钢片,电感不太大。而法拉电容的极性容易反转,因此当两只法拉电容负负串联时,得到一条电容放电曲线,很可能与极性转换有关。

从试验看,具有优美感的阻尼振荡不能使用法拉电容,无论单只还是两只串接;一个较好的选择是使用电解电容制作无极性电容,串联优质的电感线圈。

三、两条典型的实验曲线

电路图太简单,实物图也没啥,直接上实验结果吧。

使用法拉电容器两只负负串联,与胆机扼流圈构成RLC回路。放电,得不到阻尼振荡曲线,如图4。

图4 双法拉电容,串胆机扼流圈,得不到阻尼振荡曲线

两只3300μF铝电解电容器负负串联,与胆机扼流圈构成回路。放电,得到优美的阻尼振荡曲线,如图5。

图5 两铝电解电容,串胆机扼流圈,优美的阻尼振荡曲线

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