Oscilátor

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Harmonický oscilátor s netlumenými kmity (závaží na pružině)

Oscilátor (z lat. oscillo, kmitat) je systém nebo zařízení, schopné kmitavého pohybu, při němž se hodnoty určitých parametrů (poloha, rychlost, napětí atd.) periodicky opakují. Oscilátory mohou být mechanické, elektrické aj. a dělí se na harmonické (kyvadlo, závaží na pružině), kde je průběh kmitu charakterizován sinusoidou, relaxační s nesouměrným tvarem kmitů a další.

Harmonický oscilátor[editovat | editovat zdroj]

Fyzika[editovat | editovat zdroj]

Příklad mechanického harmonického oscilátoru: Matematické kyvadlo

Ve fyzice jsou nejdůležitější harmonické oscilátory, u nichž se periodicky přeměňuje jedna forma energie v jinou a zpět. Příkladem může být matematické kyvadlo. Při vychýlení do krajní polohy se polohová energie hmotného bodu zvýší a působením gravitace se bod začne pohybovat po oblouku do rovnovážné (svislé) polohy. V rovnovážné poloze se tato polohová energie zcela přeměnila v pohybovou energii a díky ní kyvadlo vykývne do krajní polohy na druhé straně. Tam se zastaví, protože pohybová energie se zcela přeměnila v polohovou a děj se opakuje. U závaží na pružině se podobně přeměňuje polohová energie závaží v energii závěsné pružiny a naopak.

Harmonický oscilátor lze obecně popsat rovnicí harmonického pohybu, která platí pro oscilátory mechanické i elektrické:

\frac{d^2q}{dt^2}+\omega_0^2\; q(t)=0,

kde \omega_0 je vlastní (kruhová) frekvence systému. Obecné řešení má tvar:

q(t)=q_m \cos{(\omega_0 t+\phi_0)},

kde q_m je amplituda kmitů a \phi_0 je fáze v čase t=0.

Okamžitá poloha, rychlost i zrychlení hmotného bodu je dána sinusoidou, rychlost je nulová v krajních bodech, poloha a zrychlení v rovnovážném bodě. Znaménko rychlosti se mění v krajních bodech, znaménko zrychlení v rovnovážném bodě. Vlastní frekvence harmonického oscilátoru závisí pouze na jeho parametrech (u kyvadla jen na jeho délce) a je tedy přesně daná. Idealizované matematické kyvadlo nemá žádné ztráty, jeho kmity jsou netlumené a volné a nepotřebují žádnou další energii. Napro tomu reálný oscilátor má vždy nějaké ztráty a jeho kmity jsou tlumené, tj. jejich amplituda se v čase zmenšuje. Pro dosažení netlumených kmitů se oscilátoru musí přivádět energie zvenčí.

Harmonický oscilátor je důležitý i v oblasti kvantové fyziky, viz Lineární harmonický oscilátor.

Příklady harmonických oscilátorů[editovat | editovat zdroj]

Mechanické[editovat | editovat zdroj]

  • Kyvadlo
  • Torzní kyvadlo - vodorovná tyč se závažíčky na koncích, uprostřed zavěšená na pružném závěsu. Tyč se otáčí kolem závěsného bodu sem a tam.
  • Napjatá struna, která kmitá kolem klidové polohy.
  • Píšťala, v níž kmitá sloupec vzduchu
  • Zvon, gong

Elektrické[editovat | editovat zdroj]

Elektrický harmonický LC oscilátor obsahuje rezonanční obvod sestavený z cívky a kondenzátoru a jeho kmitočet je určen Thomsonovým vztahem:

f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}

V oscilátoru se proměňuje náboj kondenzátoru v energii elektromagnetického pole cívky a naopak. Vzhledem ke ztrátám je součástí oscilátoru zesilovací prvek (transistor atd.) a vlastní laděný obvod LC je obvykle zařazen do větve kladné zpětné vazby.

LC oscilátory se používají pro vysoké frekvence, LC obvod se často nahrazuje křemenným nebo keramickým výbrusem. Existuje řada různých zapojení:

Relaxační oscilátory[editovat | editovat zdroj]

Příklad elektronického oscilátoru, tzv. tranzistorový astabilní multivibrátor.

Relaxační oscilátor vykonává periodické kmity, založené na nelineárním prvku. Tyto oscilátory nemohou kmitat volně, nýbrž potřebují trvalý přísun energie. Jejich frekvence závisí na přiváděné energii a dalších parametrech, není tedy příliš stálá, zato se dá snadno měnit a synchronizovat. Příkladem elektromechanického relaxačního oscilátoru může být elektrický zvonek nebo bzučák. Při zapojení proudu elektromagnet přitahuje kotvu s kontaktem. Když ji přitáhl, kontakt se přeruší, kotva odpadne a děj se může opakovat.

V elektronice to může být pozvolné nabíjení kondenzátoru přes odpor. Když napětí kondenzátoru dosáhne určité hodnoty, otevře se nelineární prvek (výbojka, dioda, tranzistor) a kondenzátor se vybije. Kmity nemají sinusový tvar a v různých bodech obvodu mají obvykle obdélníkový nebo trojúhelníkový tvar („pila“). Používají se často v elektronice, v digitální a počítačové technice aj.

Podobné periodické procesy se často vyskytují v živých organismech, kde řídí například srdeční tep a jiné procesy. Také ve společenských vědách a v ekonomii se popisují periodické procesy, které mají převážně relaxační povahu.

Související články[editovat | editovat zdroj]