Способ изменения механических свойств подвижной системы электрических приборов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

21е, 27 g Я 41 ,/:...

АВТОРСНОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

ОПИСАНИЕ способа изменения механических свойств подвижной системы электрических приборов.

К авторскому свидетельству Г. В. Брауде, заявленному

11 октября 1932 года (спр. о перв. ¹ 116924).

0 выдаче авторского свидетельства опубликовано 31 января 1935 года. (513) Струнный гальванометр, шлейфный осцилло граф и обычный гальванометр, как измерительные приборы и как модуляторы света, обладают тем недостатком, что собственный период их, определяющийся упругостью и массой их подвижных электрических систем, лежит в области звуковых частот; это ставит предел частоте регистрируемых ими процессов.

Предлагаемое изобретение для уменьшения периода собственных колебаний такого рода подвижных систем (струна, шлейф струнного осциллографа или рамка гальванометра) использует уже известный способ измерения механических параметров движущихся систем, помещенных в магнитном поле, основанный на том, что парадлельно ука анной системе присоединяю контур, оэладающий самоиндукцигй или емкостью. (..огласно предлагаемому изобретению, с целью устранения влияния собст енного активного сОпротивле ния аодьижной системы, последовательно с нею включают некоторое отрицательное сопротивление.

На чертеже фиг. 1 изображает схему устройства для осуществления предлагаемого способа; фиг. 2 — схему видоизмененного устройства; фиг. 3 и 4 — схемы проводника, замкнутого на самоиндукцию или емкость; фиг. 5 и 6 — эквивалентную электрическую схему струны, например, струнного гальвано. .етра; фиг. 6 — видоизменение схемы по фиг. 5 и фиг. 7 — кри.ыг затухания и частоты системы по фиг. 6. для уяснения сушннс;и п>едлагаемого способа рассмотрим силы, действующие иа проводник, находящийся в магнитном поле, в том случае, когда к нему присоединена самоиндукция (фиг. 3).

При движении проводника в магнитном поле в нем индуктируется электродвижущая сила, npody порциональная скорости Н- -; эта электродвижущая сила вызовет ток через самоиндукцию, приключенную к проводнику, причем напряжение на концах втой самоиндукции, пропорциональное

di скорости изменения силы тока L —, должно быть равно электро движущей силе, индуцируемой в проводнике. Таким образом, через самоиндукцию, а следовательно и через проводник пройдет ток, скорость изменения которого пропорциональна скорости проводника; сам же ток будет пропорционален перемещению проводника. Or взаимодействия этого тока с магнитным полем в проводнике возникнет пропорциональная перемещению пондремоторная сила, которая, склады злясь с упругой силой, возникающей при перемещении в системе, составленной из таких проводников, и также пропорциональной атому перемещению, будет увеличивать собственную частоту системы (уменьшать ее период).

11ростейшей системой такого рода является струна струнного гальванометра.

Повышение собственной частоты струны всего на 30 — 40 / дает возможность устранить искажения, появляющиеся при звукозаписи, посредством струнного осциллографа; повышение частоты н несколько раз дает возможность применить струну в качестве м< щного модулятора света при оптической телефонии, а повышение собственной частоты струны в десятки рав дает возможность применить ее в качестве мощного модулятора света в телевидении (осуществить телевидение на большом экране).

В дальнейшем исследование проведено на примере струны, причем полученные выводны могут быть легко распространены и на другие подвижные электрические системы, помещанныа в постоянное магнитное поле.

Несмотря на справедливость изложенных выше соображений, их совершенно недостаточно для осуществления существенного ьозд йствия на собственный период струнного резонатора. Оказывается необходимым более глубокое теоретическое рассмотренна этого вопроса.

Автором было показано (Журнал прикладной физики, том 6, вып. 6, 1929 г.), что струна в магнитном поле представляег собой для переменного тока сопроти>-ление, зависящее от частоты, причем постоянная часть еа сопротивления, не зависящая от частоты, представляет собой ее собственное омичаское сопротивление, переменная же ее часть имеет максимум при резонансе с основной частотой струны и вообще изменяется частотой по своей величине и фазе так же, как сопротивление параллельного колебательного контура. Сопротивление при резонансе в случае равномерного магнитного поля выражается следующей формулой

4lНз 2 î f $ где l — длина струны; Н вЂ” сила магнитного поля, p — плотность материала струны, f — площадь поперечного сечения, р — затухание струны.

Эквивалентная электрическая схема струны может быть таким образом представлена в виде параллельного колеба>ельного контура, соединенного последовательно с собсгьенньм омическим сопротивланием струны (фиг. 5). Исходя из приьеденного выше выражения для величины соп„>отивлания струны (переменной ее части) при резонансе, можно вычислить посгоянныа экьивалентной эл ктрич ской схемы струны.

У сгруны длины l, площади поперечного сечения f, плотности Р, с коэфициентом затухания р, натянутой силой P и помещенной в магнитное поле силой Н сопротивление при резонансе

4l Нз тРР fP собственная частота затухание где L — эквивалентная самоиндукция струны, С вЂ” эквивал нтная емкость струны и г — coII, >отиьлениа, эквиьалентноа потерям энергии стр ны у при колебаниях (иа имеет никакого отношения к собственному омическому сопротивлению R струны).

Из этих уравнений получается следующее

ыражение эквивалентных электрических посгоянных струны через ее механические т1остоянные и силу магнитн>го поля

Очевидно, что при приключении к сх»t, изображенной на фиг 5, некоторой саяоиндукции LI (фиг. 6) собственная частота всей сх мы уьеличится. Весь ьопрос в степени это.о увеличения. При омичсском сопротивлении R струны такой величины, что им можно пренебречь по срзь еьию с величинами реакти.,ных сопротивлавий эквивалентной схемы струны, собственная часгота струны может повышаться приключением к ней самоиндукции в любой степени вплоть до бесконечности (при LI — — 0). Наоборот при омическом сопротивлении R такой еличины, что ао сравнению с ним можно пренебречь реактивными сопротивлениями эквиьалан;ной схемы струны, приключение к н и самовндукции любой величины не изменит существенно собственной частоты струны.

Таким образом, для того, чтобы посредством приключения к струна самоиндукции существенно увеличить собсгвенную частоту колебания струны, необходимо, чтобы струна об. адала возможно меньшим собственным омическим сопротивлением и одновр менно возможно большими реанявными сопротивлениями. В употребляющихся осциллографах это условие обычно не соблюдено и поэтому изменить сущасгьенно их собствен ый период указанным выше методом в большей части невозможно. Принимая ьо вгимание, что емкостное сопротивление стру ы об >атно а. оиозционально плотиосги струны О, а омическое сип >отньлениа и;>ям > пропо;цио,а ь1 и уде;ьному сопрогиьлению струны з, необходимо материал для струны ьыб;ать такой, чтобы произведение его плотности на удельно сопротивление было наименьшим. Такими материалами являются, например, алюминий, дюралюминий, серебро.

Если струну, облада>ощую таким омическим сопротивлением н массой, поместить в магнитное поле такой силы, что уже нельзя будет пренебречь ее реактивными сопротивлениями по сравнению с омичаским, то период собственных колеоаний струны уже может быть существенно изменен.

Легко, однако, видаюсь, что величина этого изменения ограничена, так как приключение к системе бесконечно малой самоиндукции в случае, когда омичаское сопротивление явля:тся конечной величиной, ие вызоьет увеличения частоты системы до бесконечности, а, наоборот, уменьшит еа частоту, уьеличив только ее затухание. >аким образом, при уменьшении величины самоиндукции, приключенной к системе, собственная частота ее будет в начале расти н затем, достигнув при некоторой ьеличине самоиндукции максимума, начнет уменьшаться, причем ззтухани системы будет неп,>ерыьно расти

Величина гамоиндукции, приключанньй к системе для ув лич ння ее соостненной частоты, им, ет оптимум.

Все вышесказанное мо>кво вывести из дифаранциально о у>>ав..ения системы, откуда можно также ьн..слить оптимальную величин> самоиндукции, величину возможного увеличе.>ия частоты и получающееся при втом затухание системы.

Написав уравнения Кирхг»фа для схемы, изображенной на фиг. 6, и, пренебрегая r, в виду незначительносги величины затухания струны, получаем следующе диференциальное ура.пение:

Д31 у г L4 - I. и>/ R

dt3+R dt>+ LC >t + LC

С>ответст ующее втому диференциальному уравне»ию ха:,>актеристическое урав»ение 3-й степени

L4+L R

L хз+Рхз+ — — —, х+ — =0

LC LC трудно поддается аналитическому исследованию, но из него во всяком случае легко вытекают все вышеописанные выводы; кроме того, вычисляя комплексные корни этого уравнения для различных значений папам тров схемы, можно графич ски исследоьагь поведение системы. На прилагаемом графике (фиг. 7) представлена зависимость собственной частоты (мнимая часть комплексного корня) и затухания (вещественная часть комплексного корня) струны из алюминия длиной 9 см, диаметром 0,2 мм, с собственной круговой частотой 5200, помещенной в магнитное пол в 15000 Н, обладающей следующими эквивалентными электрическими постоянными:

6.10 — H; C = 6.10 — 4 E; R = 0 1

2000 пренебрегаем) в зависимости от величины приключенной к ней самоиндукции Еь Из графика видно, что частота сг, уны д. Йстьительно, изменяясь с изменением Lь достигает при некотором оптимальном значе»ии

L, 0,04 1. максимальной »еличины в 20400, преьышающей собстве»ную частоту струны почти в

4 раз >. Ho при этом затухание струны резко возрастает таким образом, что повышать частоту струны больше чем в 2 — 3раза не имеет смысла. Там же на графике пунктиром нанесена кривая изменения частоты струны в том случае, если бы у струны»е было совсем собственно>о омического сопротивления.

По данным автора, эксперимент подтверждает теоретический расчет не только качественно, но и по порядку получающихся количественных измен=ний частоты и затухания. 1очного количественного соьпадания и нельзя ожидать в виду того, что при построении эквивале»тиой схемы струны мы пренебрегли величиной и гармониками струны. При уч те этих последних эквивалентная система струны не могла бы быть представлена как один параллельный колебательный контур, а должна была бы представлять собой ряд последовательно -соединенных парадлельных колебательных контуров.

Из исследования характеристическнго уравнения также следует, что возможное увеличение собственной частоты струны падает вм;сте с уменьшением длины струны, например, если при длине струны в 9 см возмоi:H»å ув.личеяие частоты составляет 200 — 300%, то при длине в 2 см возможное увеличение частоты составляет уже всего 30 — 40%. Это также подтверждается экспериментом. Таким образом, описанный метод, хотя и существенно расширяет диапазон звуковых частот, записываемых струной и, таким образом, м >жет быть с усп.хом применен при звукозаписи, лля мощной модуляции света при оптической телефонии и в измерительной технике, но не в состоянии сам по себе отлалить собственный период струны в область ультразвуковых частот, что необходимо для применения его в телевидении. Сделать это вышеописанным методом возмо>кно только при омическом сопротивлении R, меньшем собственного омического сопротивления струны, чего можно достигнуть, компенсируя собственное омическое сопротивление струнй посредством обратной связи. Осуществить такую обратную связь, когорая во всем диапазоне частот компенсировала бы собственное омическое сопротивление струны R, можно, например, включив последовательно со струной активное сопротивление г (фиг. 1), с концов которого напряжение подается к входу лампового усилителя, ток с выхода которого (уснлителя) подается обратно с обратным знаком на сопротивление г. Сопротивление такой системы

r равно — „о, гд p — крутизна усилителя. При !

1 1

S= — — + — — оно будет равно — R. Это отрицаг Р тельное сопротивление таким образом полностью скомпенсирует собственное активное сопротивление R, последовательно с которым оно соединено.

Практически, понятно, скомпенсировать полностью собственное активное сопротивление струны невозможно, можно только его уменьшить. Но уменьшение его даже только в 10 раз, что вполне допускает устойчивость и амплитудная характеристика ламповых схем, позволяет, как показыьает расчет, в десятки раз повысить собственную частоту струны приключением к ней соответствующей малой самоиндукции. Таким образом открывается возможносгь использования струны, как мощного модулятора сьета в телевидении.

Однако, при уменьшении величины самоиндукции Lq, приключенной к струне, начи»ает, наконец, сказываться собственная самоиндукция струны, как провода, которая до сихпор не рассматривалась. Эта самоиндукция L, включенная последовательно с самоиндукцией Lq (фиг. 2), оказывается, наконец, больше самоиндукции L>, и тогда уже дальнейшее уменьшение величины L> не будет влиять на собственную частоту струны. Собственную самоиндукцйю струны, как провода, можно однако, свести к минимуму, если один из подводящих к струне проколов расположить параллельно струне на небольшом от нее расстоянии, образуя вместе со струной бифиляр. Таким образом, магнитное лоле подводящего провода уничтожает магнитное поле собственной самоиндукции струны.

С уменьшением величины самоиндукции Ь> станоьится все труднее подводить к струне ток н.обходимой для ее возбу>кдения величины, так как эта самоиндукция шунтирует струну. Выходом из положения является использова;ие втой самоиндукции, как вторичной обмотки понижающего трансформатора, питающего струну. Этот выход наиболее целесообразен тогда, когда источником тока является лампа, внутреннее сопротивление которой во много раз больше сопротивления струны.

Другим выходом из положения ягляется возбуждение струны, на н.-которую часть которой нанесен слой фер)oMGIHBTHolо материала, с помощью отдельно о электромагнита, в обмотке которого течет переменный ток, возбуждающий таким образом струну.

Как было у ке скаино, выводы, полученные при детальном иссл"довании стру -ы, могут бы.ь распространены и на другие лодьижпые электрические системы, помещенные в постоянное магнитное пол . Очеьидно, что и в случае шлейфа осциллографа, рамки галььаньметра и других подвижных систем материал проводников, составляющих их, н=обходимо подбирать 1аким, чтобы произведение его плотности на удельное сопротивление было наименьшим, компенсировать их омическое сопротивление посредством обратных связей и т. д.

Собственная самоиндукция этих систем (не имеющая никакого отношения к их эквизалентI:îé самоиндукции, связанной с механическими постою ным, ) может также компенсир ьаться знало. ично случаю струны, пос ..едств)M связи ее с некоторой другьй самоиндукцией, магьитное поле которой уничтожило бы магнитнье поле собств нний самьиндукции системы. сли в случае струны такой самоиндукцией можег служить подводящий проьод, то, в случае использования рамки гальванометра, можно включить особую неподвижную обмотку, магнитное поле которой

Ilpотивоположно направлено магнитному полю самоиндукции рамки. и случае шл йфа осциллографа компенсация собс;венной самоиндукции уже почти осуществлена в виду конструкции шлейфа.

1ак же, как в сл» чае струны, возбуждать колебания этих систем можно в случае необходимости посредством взаимодействия между переменным магнитным полем особого электромагнита и нан.сенным на часть подвижной системы ферромагнитным материалом.

Методом, аналогичным вышеописанному, можно не ув.личизать, но уменьшать собсгвенную частоту подвижной электрич ской системы, помещенной в постоянное магнитное лоле, увеличивая инерцию (массу) системы.

Для этого н.обходимо приключить к системе емкость.

Действительно, в случае, когда к проводнику приключ на емкость (фиг. 4), электродвижущзя сила, индуцируемая в проводнике при его дьижонии в магнит м поле, будет и:-опорциолальна скорости проьодника и силе магнитного поля, dlI т. е. будет равна Н вЂ” —. Эта электродвижущая

dt сила вызовет ток через емкость, причем напряжение на концах этой емкости будет пропор1 Г. цнонально интегралу тока, т. е. равно C ) idt, dg 1 откуда Н = — иР; Н

dt C dt2 С 12у г= CH

dt2 Через емкость, а следовательно, н через проводник пойдет ток, пропорциональный ускорению струны. От взаимодействия этого тока с ма нитным полем в проводнике возникнет пондремоторная сила гг2 у

Г= Нг = СН— также пропорциональная ускорению. Складываясь с инерционной силой (также пропорциональной ускорению), она будет увеличивать эквивалентную массу (инерцию) проводника. Система, состоящая из таких проводников, будет, таким образом, уменьшать свою собственную частоту;

Л=гко убедиться в том, что выьоды, сделанные для случая повышения собственной частоты

ñIIcr.ìû, приложимы и к случаю понижения собст; енн и частоты системы, И в этом случае для максимально о воздейгтьия на собственную частоту сисгемы (в сто ону ее пони кения), seoor х димо подбирать магериал проводника так, чтьбы прьизведепие его плотности на удельное сопротивление было наименьшим, компенсировать омическое сопротивление посредством обратной связи и т. д.

Предмет изобретения.

1. Способ изменения механических свойств подвижной системы электрических приборов, помещепной в постоянном магнитном поле, ocBIьанный на том, ч;о паралл"льно указанной си- стеме присоьдиняют контур, обладаюший само- индунцией или емкостью, отличающийся тем, что с целью устранения ьличния собственньго активного сопротивления подвижной системы последовательно с нею включают некоторое от- рицательное сопротивление.

2. Устройство для осугцествления способа по и. 1, отличающееся применением включенного пос едоьательно с подг ижьой системой пр бора активного сопротиьления, к концам кото II lo IIaралле. ь о присоединеьы ьходные и выходные зажимы катодного усилителя, парамет ы которого подобраны таким о раз<>м, что напряжение межту ко цами сопротиьления; аы о и противоположно по знаку сумме падений иапря>; ений на указанном сопротивлении и на концах ьбмотки подьижной системы изм=рительно о прибора.

3. Видоизменение устрсйстьа по п. 2, отличающееся применени:м тра. сформатора, пе:Iвичьая обмотка которо. о включена в измеряемую цепь, а вторичная, пред азначе ная для питания подьижной сист=мы измерительного прибора использоьана одноврем нно в качестве включен ной пара,лельно прибору самоиндукции, предназначен ой для поьышения собстьенной частоты

его колебаний.

Ф

Е авторскому свидетельству Г. В. Брауде ¹ 41079

O иг.1

N иг.2

Фиг.3

Ф г.7 с/фр

Фф

И

С

Ф Оз о> с

Эксперт И. А. Городипскнй

Редактор А В. Малевский

Тип.,Промполиграф". Тамбовская, 12 Бак. 2056