【原】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

2. 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

3. 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