15. Свойства отрицательной обратной связи: «Следствие» управляет «причиной».
15.1. Физические явления, где «Следствие» управляет «причиной».
Предположим, что у нас имеется усилитель с блоком сумматора на входе.
Рис. 15.1. Усилитель с блоком сумматора на входе.
Включим на один вход отрицательную обратную связь, а остальные входы заземлим. На рис 15.2. показана схема с отрицательной обратной связью и заземлёнными входами.
Рис. 15.2. Схема усилителя с отрицательной обратной связью и заземлёнными входами.
Схему на рисунке 15.2. можно упростить и она будет выглядеть такой как на рисунке 15.3.
Рис. 15.3. Схема усилителя с отрицательной обратной связью с возможностью управления входным сигналом со стороны выходного сигнала.
В усилителе на рисунке 15.3. есть возможность изменять выходной сигнал y. Входной сигнал x можно только измерить.
Опишем вход x:
1. Сигнал на входе x является причиной.
2. Нет возможности управления со стороны входа x.
Опишем вход y:
1. Сигнал на входе y является следствием.
2. Есть возможность управления со стороны входа y.
При подаче сигнала на выход y, на входе x автоматически, согласно закону об обратной связи, появляется соответствующий по уровню сигнал. Таким образом «следствие» создаёт свою «причину».
Определение: системой управляемой по выходу называется система, в которой сигнал на выходе управляет сигналом на входе. В такой системе «следствие» управляет «своей причиной».
Такое явление происходит во всех трёх системах релаксации.
Рис. 15.4. Схема усилителя с отрицательной обратной связью с возможностью управления входным сигналом со стороны выходного сигнала. Магнитная релаксация.
1. Для магнитной релаксации: электрический ток, как следствие создаёт свою причину – магнитное поле. (см. рис. 15.4.)
(15.01)
Рис. 15.5. Схема усилителя с отрицательной обратной связью с возможностью управления входным сигналом со стороны выходного сигнала. Электрическая релаксация.
2. Для электрической релаксации: тепловой ток, как следствие создаёт свою причину – электрический заряд. (см. рис. 15.5.)
Для примера, если конденсатор расположить в вакууме, а затем нагреть одну из пластин, то возникнет тепловой ток, и термоэлектронная эмиссия, которая зарядит холодную пластину отрицательно, по отношению к нагретой пластине.
(15.02)
Благодаря тому, что тепловой ток может управлять изменением электрического заряда, возможно электронное управление (ЭУ), которое получило своё развитие в электронике.
Рис. 15.6. Схема усилителя с отрицательной обратной связью с возможностью управления входным сигналом со стороны выходного сигнала. Тепловая релаксация.
3. Для тепловой релаксации: диффузионный ток, как следствие создаёт свою причину – тепловой заряд. (см. рис. 15.6.)
Для примера можно рассмотреть опыт Гей-Люссака.
В книге Д. В. Сивухина Физика том 2, Термодинамика и молекулярная физика, в § 19 на странице 68 приведено описание опыта Гей-Люссака:
«
Первый опыт, позволяющий в принципе дать приближенный ответ на этот вопрос, был поставлен Гей-Люссаком, хотя сам Гей-Люссак не уяснил его значение и не сделал из него надлежащих выводов. Два медных сосуда А и В одинаковых объемов (рис. 17) были соединены трубкой с краном С. Сосуд А был наполнен воздухом, сосуд В — откачан. При открытии крана С воздух из А устремлялся в В. Гей- Люссак наблюдал, что температура воздуха в А несколько понижалась, а в В — повышалась. Такое изменение температуры объясняется тем, что воздух в А при расширении совершал работу и на это затрачивал часть своей внутренней энергии.
При достижении теплового равновесия между сосудами А и В в них устанавливалась одна и та же температура, равная первоначальной температуре воздуха в сосуде А. Какой вывод следует сделать из результата опыта? Весь воздух был заключен в жесткую оболочку, состоящую из стенок сосудов А и В и соединительной трубки. Внешняя работа не производилась. Тепло из окружающей среды, если и подводилось, то за время опыта было пренебрежимо мало.
»
Из опыта Гей-Люссака мы можем наблюдать воздействие на систему диффузионной энергии.
Если взять два медных сосуда: один с газом под высоким давлением (сосуд А), а второй сосуд с газом под низким давлением (сосуд В), а затем соединить их через трубку, открыв кран, то произойдет перемещение газа, что приведёт к уравниванию давления газа в сосудах. При этом сосуд А охладится, а сосуд В нагреется. Этот процесс соответствует системе с накопительной отрицательной обратной связью:
(15.03)
Здесь dG – флуктуационный (или диффузионный) ток.
dE – тепловой заряд (тепловая энергия) измеряемый в джоулях.