В чем измеряется частота в физике. Что такое частота колебаний

Понятие частоты и периода периодического сигнала. Единицы измерения. (10+)

Частота и период сигнала. Понятие. Единицы измерения

Материал является пояснением и дополнением к статье:
Единицы измерения физических величин в радиоэлектронике
Единицы измерения и соотношения физических величин, применяемых в радиотехника.

В природе нередко встречаются периодические процессы. Это означает, что какой-то параметр, характеризующий процесс, изменяется по периодическому закону, то есть верно равенство:

Определение частоты и периода

F(t) = F(t + T) (соотношение 1), где t - время, F(t) - значение параметра в момент времени t, а T - некая константа.

Понятно, что если верно предыдущее равенство, то верно и такое:

F(t) = F(t + 2T) Так что, если T - минимальное значение константы, при котором выполнено соотношение 1, то будем называть T периодом

В радиоэлектронике мы исследуем силу тока и напряжение, так что периодическими сигналами будем считать сигналы, для напряжения или силы тока в которых верно соотношение 1.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости , чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Еще статьи

Генератор сигнала с переменной скважностью импульсов. Регулировка коэф...
Схема генератора и регулируемым коэффициентом заполнения импульсов, управляемого...

Ремонт импульсного источника питания. Отремонтировать блок питания или преобразо...

Мы повторили (собрали, наладили, настроили) резонансный фильтр высших...
Как собрать и наладить резонансный фильтр высших гармоник, чтобы на входе был ме...

Трансформатор розжига, поджига. Запальный блок. Искра, искровой разряд...
Схема самодельного трансформатора розжига, источника искр для горелки и не тольк...

Как сконструировать пуш-пульный импульсный преобразователь. В каких ситуациях пр...

Оригинальная схема генератора треугольных импульсов. Расчет. ...

Итак, прежде чем определить, в чем измеряется частота, важно понять, что же это такое? Мы не будем углубляться в сложные физические термины, но некоторые понятия из этой дисциплины нам все-таки понадобятся. Во-первых, понятие "частота" - может относиться только к какому либо периодическому процессу. То есть, это действие, которое постоянно повторяется во времени. Вращение Земли вокруг Солнца, сокращение сердца, смена дня и ночи – всё это происходит с определенной частотой. Во-вторых, свою частоту, или периодичность колебаний имеют явления, или предметы, которые нам, людям, могут казаться вполне статичными и неподвижными. Хороший пример этого – обыкновенный дневной свет. Мы не замечаем, какого либо его изменения, или мерцания, но он, всё-же, имеет свою частоту колебаний, поскольку представляет собой высокочастотные электромагнитные волны.

Единицы измерения

В чем измеряется частота, в каких единицах? Для низкочастотных процессов существуют свои, отдельные единицы. Например, в космических масштабах – галактический год (обращение Солнца вокруг центра Галактики), земной год, сутки и т.д. Понятно, что для измерения меньших величин, пользоваться такими единицами неудобно, поэтому в физике используется более универсальная величина "секунда в минус первой степени" (с -1). Возможно, вы никогда не слышали о подобной мере, и это не удивительно – она обычно применяется лишь в научной, или технической литературе.

К счастью для нас, в 1960-ом году, меру частоты колебаний назвали на честь немецкого физика Генриха Герца. Эта величина (герц, сокр. Гц) и используется нами сегодня. Обозначает она количество колебаний (импульсов, действий) совершаемых объектом в 1 секунду. По-сути, 1 Гц = 1 с -1 . Человеческое сердце, например, имеет частоту колебаний приблизительно 1 Гц, т.е. сокращается один раз в секунду. Частота процессора вашего компьютера, может быть, скажем, 1 гигагерц (1 млрд. герц) – это значит, что в нем происходит 1 миллиард каких-то действий в секунду.

Как измерить частоту?

Если говорить об измерении частот электрических колебаний, то первый прибор, с которым знаком каждый из нас – это наши собственные глаза. Благодаря тому, что наши глаза умеют измерять частоту, мы различаем цвета (напомним, что свет - это электромагнитные волны) – самые низкочастотные мы видим как красные, высокочастотные – это ближе к фиолетовому. Для измерения более низких (или более высоких частот), люди изобрели множество приборов.

Вообще, основных способов измерения частоты есть два: непосредственный подсчет импульсов в секунду, и сравнительный метод. Первый способ реализован в частотомерах (цифровых и аналоговых). Второй – в компараторах частот. Метод измерения с частотомером – проще, в то время как измерение компаратором – точнее. Одной из разновидностей сравнительного метода, является измерение частоты с помощью осциллографа (знаком нам по кабинетам физики еще со школы) и т.н. "фигур Лиссажу". Недостаток сравнительного метода – для измерения нужно два источника колебаний, и один из них должен иметь уже известную нам частоту. Надеемся, наше маленькое исследование было вам интересно!

– физическая величина, являющаяся основной характеристикой периодических процессов или процессов, происходящих по определенным закономерностям. Показывает количество полных колебаний (циклов) за единицу времени.

Колебания – физические процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые интервалы времени. Колебания, в зависимости от физической природы, бывают двух основных типов: механические, электромагнитные. Иногда выделяют еще смешанный тип, который является комбинацией основных типов.

Типы колебаний

Механические колебания - такие движения тел, при которых через равные интервалы времени координаты движущегося тела, его скорость и ускорение принимают исходные значения.

Электромагнитные - взаимосвязанные колебания магнитного и электрического полей. Возникают в различного рода электрических цепях. Проявляются периодическим изменением во времени одной из электродинамических величин: электрического заряда, силы тока, напряжения, напряженности электрического поля, индукции магнитного поля. Описываются теми же законами, что и механические колебания. Получить данный вид колебаний экспериментально можно с помощью простейшего колебательного контура, включающего в себя катушку индуктивности и конденсатор.

По характеру взаимодействия с окружающей средой колебания подразделяют

Свободные - колебания, происходящие в механической системе под действием внутренних сил системы после кратковременного воздействия внешней силы. Такие колебания называют затухающими.

Вынужденные – колебания, возникающие под действием внешних сил, изменяющихся со временем по величине и направлению. Такие колебания называют незатухающими.

Автоколебания - система изначально имеет запас потенциальной энергии, который и идет на совершение колебаний. Причем амплитуда (величина максимального отклонения от точки равновесия) не зависит от начальных условий, а определяется свойствами системы. Пример: колебательное движение маятника часов под действием тяжести гири или пружины, колебания листьев, веток деревьев под действием постоянного потока воздуха.Также определяют параметрические колебания (возникают при изменении одного из параметров системы) и случайные.

Величины, характеризующие колебания

Понятие «колебания» тесно связано с волнами. Но при колебательном движение, в отличие от волнового, отсутствует процесс переноса энергии из одной точки пространства в другую.

Основными характеристиками колебательного движения, как и волнового, являются период (Т), амплитуда (А) и частота(v иногда f ). Причем период и частота величины взаимообратные – чем больше частота, тем меньше период: Т=1/v . Период – это промежуток времени, за который совершается одно полное колебание (цикл), измеряется в секундах. Соответственно частота измеряется в (1/сек ).

Также единицей измерения частоты в международной метрической системе единиц Си с 1933 года является герц. Единица измерения названа в честь немецкого профессора физики Генриха Рудольфа Герца (1858-1894), который опытным путем, исследуя дифракцию, интерференцию, поляризацию и отражение, подтвердил существование электромагнитных волн. Доказал, что свет является разновидностью электромагнитных волн, чем обосновал существующую электромагнитную теорию света Максвелла. Также Герц занимался изучением электрических полей, возникающих вокруг движущихся тел. На основе наблюдений создал теорию, но опытного подтверждения она не получила. Исследования же внешнего фотоэффекта, проведенные Герцем, легли в основу дальнейших научных изысканий. Также для описания колебательных и волновых процессов используют циклическую частоту, фазу. Циклическая частота показывает количество полных колебаний за единицу времени, равную 2П (где П=3,14), а фаза – это величина смещения в любой, отдельно взятый, момент времени.

Нужно также отметить, что если колебания возможно описать по закону синуса или косинуса, то они являются гармоническими. Соответственно, в уравнении для математического описания обязательно присутствует функция sin или cos.

(лат. amplitude — величина) — это наибольшее отклонение колеблющегося тела от положения равновесия.

Для маятника это максимальное расстояние, на которое удаляется ша-рик от своего положения равновесия (рисунок ниже). Для колебаний с малыми амплитудами за такое расстояние можно принимать как длину дуги 01 или 02, так и длины этих отрезков.

Амплитуда колебаний измеряется в единицах длины — метрах , санти-метрах и т. д. На графике колебаний амплитуда определяется как макси-мальная (по модулю) ордината синусоидальной кривой, (см. рис. ниже).

Период колебаний.

Период колебаний — это наименьший промежуток времени, через который система, соверша-ющая колебания, снова возвращается в то же состояние, в котором она находилась в начальный момент времени, выбранный произвольно.

Другими словами, период колебаний (Т ) — это время, за которое совершается одно полное ко-лебание. Например, на рисунке ниже это время, за которое грузик маятника перемещается из крайней правой точки через точку равновесия О в крайнюю левую точку и обратно через точку О снова в крайнюю правую.

За полный период колебаний, таким образом, тело проходит путь, равный четы-рем амплитудам. Период колебаний измеряется в единицах времени — секундах , минутах и т. д. Период колебаний может быть определен по известному графику колебаний, (см. рис. ниже).

Понятие «период колебаний», строго говоря, справедливо, лишь когда значения колеблющей-ся величины точно повторяются через определенный промежуток времени, т. е. для гармоничес-ких колебаний. Однако это понятие применяется также и для случаев приблизительно повторяю-щихся величин, например, для затухающих колебаний .

Частота колебаний.

Частота колебаний — это число колебаний, совершаемых за единицу времени, например, за 1 с .

Единица частоты в СИ названа герцем (Гц ) в честь немецкого физика Г. Герца (1857-1894). Если частота колебаний (v ) равна 1 Гц , то это значит, что за каждую секунду совершается одно колебание. Частота и период колебаний связаны соотношениями:

В теории колебаний пользуются также понятием циклической , или круговой частоты ω . Она связана с обычной частотой v и периодом колебаний Т соотношениями:

.

Циклическая частота — это число колебаний, совершаемых за 2π секунд.

Время, в течение которого совершается одно полное изме­нение ЭДС, то есть один цикл колебания или один полный оборот радиуса-вектора, называется периодом колебания пере­менного тока (рисунок 1).

Рисунок 1. Период и амплитуда синусоидального колебания. Период - время одного колебания; Аплитуда - его наибольшее мгновенное значение.

Период выражают в секундах и обозначают буквой Т .

Так же используются более мелкие единицы измерения периода это миллисекунда (мс)- одна тысячная секунды и микросекунда (мкс)- одна миллионная секунды.

1 мс =0,001сек =10 -3 сек.

1 мкс=0,001 мс = 0,000001сек =10 -6 сек.

1000 мкс = 1 мс.

Число полных изменений ЭДС или число оборотов ради­уса-вектора, то есть иначе говоря, число полных циклов колеба­ний, совершаемых переменным током в течение одной секунды, называется частотой колебаний переменного тока .

Частота обо­значается буквой f и выражается в периодах в секунду или в герцах.

Одна тысяча герц называется килогерцом (кГц), а миллион герц - мегагерцом (МГц). Существует так же единица гигагерц (ГГц) равная одной тысячи мегагерц.

1000 Гц = 10 3 Гц = 1 кГц;

1000 000 Гц = 10 6 Гц = 1000 кГц = 1 МГц;

1000 000 000 Гц = 10 9 Гц = 1000 000 кГц = 1000 МГц = 1 ГГц;

Чем быстрее происходит изменение ЭДС, то есть чем бы­стрее вращается радиус-вектор, тем меньше период колебания Чем быстрее вращается радиус-вектор, тем выше частота. Таким образом, частота и период переменного тока являются величинами, обратно пропорциональными друг другу. Чем больше одна из них, тем меньше другая.

Математическая связь между периодом и частотой переменного тока и напряжения выра­жается формулами

Например, если частота тока равна 50 Гц, то период будет равен:

Т = 1/f = 1/50 = 0,02 сек.

И наоборот, если известно, что период тока равен 0,02 сек, (T=0,02 сек.), то частота будет равна:

f = 1/T=1/0,02 = 100/2 = 50 Гц

Частота переменного тока, используемого для освещения и промышленных целей, как раз и равна 50 Гц.

Частоты от 20 до 20 000 Гц называются звуковыми часто­тами. Токи в антеннах радиостанций колеблются с частотами до 1 500 000 000 Гц или, иначе говоря, до 1 500 МГц или 1,5 ГГц. Такие вы­сокие частоты называются радиочастотами или колебаниями высокой частоты.

Наконец, токи в антеннах радиолокационных станций, станций спутниковой связи, других спецсистем (например ГЛАНАСС, GPS) колеблются с частотами до 40 000 МГц (40 ГГц) и выше.

Амплитуда переменного тока

Наибольшее значение, которого достигает ЭДС или сила тока за один период, называется амплитудой ЭДС или силы переменного тока . Легко заметить, что амплитуда в масштабе равна длине радиуса-вектора. Амплитуды тока, ЭДС и напряжения обозначаются соответственно бук­вами Im, Em и Um (рисунок 1).

Угловая (циклическая) частота переменного тока.

Скорость вращения радиуса-вектора, т. е. изменение ве­личины угла поворота в течение одной секунды, называется угловой (циклической) частотой переменного тока и обозначается греческой буквой ? (оме­га). Угол поворота радиуса-вектора в любой данный момент относительно его начального положения измеряется обычно не в градусах, а в особых единицах - радианах.

Радианом называется угловая величина дуги окружности, длина которой равна радиусу этой окружности (рисунок 2). Вся окружность, составляющая 360°, равна 6,28 радиан, то есть 2.

Рисунок 2.

1рад = 360°/2

Следовательно, конец радиуса-вектора в течение одного периода пробегают путь, равный 6,28 радиан (2). Так как в тече­ние одной секунды радиус-вектор совершает число оборотов, равное частоте переменного тока f , то за одну секунду его ко­нец пробегает путь, равный 6,28 * f радиан. Это выражение, характеризующее скорость вращения радиуса-вектора, и будет угловой частотой переменного тока - ? .

? = 6,28*f = 2f

Угол поворота радиуса-вектора в любое данное мгновение относительно его начального положения называется фазой переменного тока . Фаза характеризует величину ЭДС (или тока) в данное мгновение или, как говорят, мгновенное значение ЭДС, ее направление в цепи и направление ее изменения; фаза пока­зывает, убывает ли ЭДС или возрастает.

Рисунок 3.

Полный оборот радиуса-вектора равен 360°. С началом но­вого оборота радиуса-вектора изменение ЭДС происходит в том же порядке, что и в течение первого оборота. Следова­тельно, все фазы ЭДС будут повторяться в прежнем поряд­ке. Например, фаза ЭДС при повороте радиуса-вектора на угол в 370° будет такой же, как и при повороте на 10°. В обо­их этих случаях радиус-вектор занимает одинаковое положе­ние, и, следовательно, мгновенные значения ЭДС будут в обоих этих случаях одинаковыми по фазе.