Что такое частота в физике. Период и частота

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

Как выбрать частоту работы контроллера и скважность для пуш-пульного преобразова...

Растягиваем диапазон регулировки. Способы точно настроить....
Приемы растягивания диапазона регулировки, обеспечения точной настройки...

Полевой транзистор, КМОП микросхема, операционный усилитель. Монтаж, у...
Как правильно припаять полевой транзистор или КМОП микросхему...

Автоматическое регулирование, поддержание температуры теплоносителя от...
Усовершенствованный термостат отопительного котла, экономящий энергию....

Датчик, индикатор горения, пламени, огня, факела. Поджиг, запал, искро...
Индикатор наличия пламени, совмещенный с запалом на одном электроде...

Обратноходовый импульсный преобразователь напряжения. Силовой ключ - б...
Как сконструировать обратноходовый импульсный источник питания. Как выбрать мощн...

Микросхема 1156ЕУ3, К1156ЕУ3, КР1156ЕУ3, UC1823, UC2823, UC3823. Анало...
Описание микросхемы 1156ЕУ3 (UC1823, UC2823, UC3823) ...

Рассмотрим следующий рисунок:

На нем представлены два одинаковых маятника . Как видно из рисунка, первый маятник колеблется с большим размахом, чем второй. То есть другими словами, крайние положения которые занимает первый маятник находится на большем расстоянии друг от друга, чем у второго маятника.

Амплитуда

Амплитуда колебания – наибольшее по модулю отклонение колеблющегося тела от положения равновесия.

Обычно, для обозначения амплитуды колебаний используют букву А. Единицы измерения амплитуды совпадают с единицами измерения длины, то есть это метры, сантиметры, и т.д. В принципе, амплитуду можно записывать в единицах плоского угла, так как каждой дуге окружности будет соответствовать единственный центральный угол.

Говорят, что колеблющееся тело совершает одно полное колебание, когда оно проходит путь равный четырем амплитудам.

Период колебания

Период колебания – промежуток времени, за которое тело совершает одно полное колебание.

Период колебания обозначают буквой Т. Единицами измерения периода колебаний Т являются секунды.

Если мы подвесим два одинаковых шарика на разной длинны нитях, и приведем их в колебательное движение, мы заметим, что за одинаковые промежутки времени, они будут совершать различное число колебаний. Шарик, подвешенный на короткой нити будет совершать больше колебаний, чем шарик, подвешенный на длинной нити.

Частота колебаний

Частотой колебаний называется количество колебаний которое было совершено в единицу времени.

Частота колебаний обозначается буквой ν (читается как «ню»). Единицы частоты колебаний называются Герцами. Один герц означает одно колебание в секунду.

Период и частота колебаний связаны между собой следующим соотношением:

Частота свободных колебаний называется собственной частотой колебательной системы. Каждая система имеет свою собственную частоту колебаний.

Фаза колебаний

Существует еще такое понятие как фаза колебаний. Два маятника могут иметь одинаковую частоту колебаний, но при это они могут колебаться в разных фазах, то есть их скорости в любой момент времени будут направлены в противоположных направлениях.

Если скорости маятников в любой момент времени будут направлены одинаково, то говорят, что маятники колеблются в одинаковых фазах колебаний.

Маятники также могут колебаться с некоторой разностью фаз, в таком случае в некоторые моменты времени направление их скоростей будут совпадать, а в некоторые нет.

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.

– 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.

> Период и частота

Как найти период и частоту – определение и формула. Читайте, что такое угловая частота, цикл, частоты синусоидальных волн, единицы измерения, уравнения.

Период – продолжительность цикла повторяющегося события, а частота – количество циклов за временной промежуток.

Задача обучения

Преобразование между частотой и периодом.

Основные пункты

Регулярно повторяющееся движение – периодическое. Одно полное повторение – цикл.
Продолжительность цикла – период.
Частота отображает число циклов, осуществленное за определенный временной промежуток. Это обратная величина периода и определяется формулой f = 1/T.
Некоторые перемещения лучше всего характеризовать угловой частотой (ω). Она относится к угловому смещению за временной промежуток. Вычисляется по формуле: ω = 2πf.

Термины

Угловая частота – угловое смещение за временной промежуток.
Период – длительность одного цикла в повторяющемся событии.
Частота – соотношение количества раз (n) периодического явления за временную единицу (t): f = n/t.

Пример

Когда-то существовал викторианский трюк. Человеку нужно было вслушаться в звук мухи, воспроизвести музыкальную ноту на пианино и сказать, сколько раз летучая мышь ударила крыльями за секунду. Если это 200 раз в секунду, то частота движения – f = 200/1 с = 200 Гц. Период составляет 1/200-ю секунду: T = 1/f = (1/200) с = 0.005 с.

Период и частота

Эти термины используют для выражения повторного движения. Период – время, которое тратится на одно повторение. Один полноценный проход – цикл. Частота – количество циклов за конкретный временной промежуток (f).

Синусоидальные волны разных частот. Нижние обладают более высокими частотами, а горизонтальная ось отображает время.

Понятия выражаются в формуле: F = 1/T.

Допустим, частота сердца новорожденного составляет 120 раз в минуту, а период – половина секунды. Если вы отточите интуицию на ожидание сопряженности больших частот с короткими периодами (и наоборот), то избежите ошибок.

Единицы

Чаще всего частота рассчитывается в герцах (Гц). 1 Гц указывает на то, что событие происходит раз в секунду. Традиционная единица, применимая во вращающихся механических приборах, – обороты в минуту (об/мин). Единица периода – секунда.

Угловая частота

Частота периодического движения лучше всего передается через угловую частоту – ω. Она относится к угловому смещению на единицу времени или скорости перемены состояния синусоидальной формы волны. В виде формулы:

Колеса совершают вращение с частотой f циклов в секунду, что можно описать как ω радиан в секунду. Механическая связь позволяет линейным колебаниям поршней парового двигателя руководить колесами

у (t) = sin(θ(т)) = sin(ωt) = sin(2πft)

Угловая частота часто отображается в радианах на секунду.

Возможно, будет полезно почитать: