§ 14. Электродинамический микрофон

Определения и обозначения

Электродинамический микрофон — устройство, преобразующее звуковые колебания в электрический сигнал за счёт электромагнитной индукции. Иначе говоря, звук приводит в движение части микрофона, а это движение становится причиной появления электрического сигнала. Такое преобразование позволяет передавать звук по электрической цепи или записывать его.

Мембрана — подвижная часть микрофона, которая колеблется под действием звуковой волны. Она воспринимает изменения давления воздуха и передаёт движение другим деталям устройства. Без мембраны микрофону было бы сложнее улавливать колебания воздуха.

Катушка — проводник, свёрнутый в витки, соединённый с мембраной и движущийся в магнитном поле. Когда мембрана смещается, катушка перемещается вместе с ней. Именно в катушке возникает электрический сигнал, поэтому её движение связывает механические колебания со звуком в электрической цепи.

Индуцированная ЭДС — электродвижущая сила, возникающая в катушке при изменении магнитного потока через неё. ЭДС обозначают ε; для катушки из N витков модуль средней ЭДС можно найти по формуле ε = N|ΔΦ|/Δt. Эта величина показывает, насколько быстро меняется поток через витки и сколько витков участвует в преобразовании.

Как это устроено

Звуковая волна распространяется в воздухе как чередование областей с немного большим и меньшим давлением. Когда такая волна достигает микрофона, давление на мембрану меняется во времени, и она начинает колебаться. Частота этих колебаний связана с частотой звука: мембрана реагирует на повторяющиеся изменения давления, а не просто на присутствие воздуха.

Катушка закреплена на мембране или связана с ней так, что перемещается вместе с ней. Поэтому движение мембраны передаётся катушке, и та совершает колебания в такт звуковому воздействию. Если бы катушка не следовала за мембраной, связь между звуковой волной и будущим электрическим сигналом нарушилась бы.

Катушка находится в магнитном поле постоянного магнита. При её движении меняется положение витков относительно поля, а значит, изменяется магнитный поток, проходящий через катушку. Магнитное поле само по себе не создаёт переменный сигнал: для индукции нужно, чтобы поток через витки менялся.

По закону электромагнитной индукции изменение магнитного потока вызывает в катушке ЭДС. Когда катушка движется то в одну, то в другую сторону, направление изменения потока также меняется, поэтому ЭДС становится переменной. Если катушка подключена к замкнутой цепи, под действием ЭДС в ней течёт переменный ток.

Получившийся сигнал повторяет основные особенности движения мембраны. Частота электрических колебаний связана с частотой звука, а при большем размахе движения катушки изменение магнитного потока обычно происходит сильнее. Поэтому величина выходного сигнала в качественном приближении возрастает вместе с амплитудой колебаний, хотя точная зависимость определяется устройством микрофона и цепи.

Части электродинамического микрофона и их роль

Таблица показывает, как каждое звено участвует в преобразовании: от воздействия звука до появления сигнала. Читай её сверху вниз, прослеживая путь передачи движения и изменения магнитного потока. Если нужно найти причину возникновения ЭДС, обрати внимание на катушку и магнитное поле.

Разбор задач

1. От звука к электрическому сигналу

Условие. Опишите, как звук приводит к появлению электрического сигнала в электродинамическом микрофоне. Числовых данных нет, поэтому нужно установить последовательность причин и следствий. В ответе важно не пропустить промежуточные звенья между звуковой волной и ЭДС.

1. Звуковая волна создаёт переменное давление воздуха у микрофона. Из-за этого давления мембрана начинает колебаться с частотой звука.
2. Мембрана связана с катушкой и передаёт ей своё движение. Катушка колеблется в магнитном поле постоянного магнита.
3. При движении катушки меняется магнитный поток через витки. Это изменение вызывает индуцированную ЭДС, а в замкнутой цепи — переменный ток.

Ответ. Цепочка преобразований такова: звуковая волна — мембрана — катушка — изменение магнитного потока — индуцированная ЭДС. Если цепь замкнута, ЭДС вызывает в ней переменный ток.

2. Средняя индуцированная ЭДС

Условие. Катушка из 200 витков движется в магнитном поле. Поток через каждый виток изменился на 0,003 Вб за 0,02 с. Нужно найти модуль средней индуцированной ЭДС. Подчёркивание «через каждый виток» означает, что изменение потока сначала учитываем для одного витка, а затем — для всей катушки.

1. Запишем закон электромагнитной индукции для модуля средней ЭДС: ε = N|ΔΦ|/Δt. Здесь N = 200, |ΔΦ| = 0,003 Вб, Δt = 0,02 с.
2. Подставим значения: ε = 200 · 0,003/0,02. Сначала найдём изменение потока, учитываемое для всех витков: 200 · 0,003 = 0,6 Вб.
3. Разделим полученное значение на время: ε = 0,6/0,02 = 30 В. Модуль нужен, потому что вопрос не просит определить направление ЭДС.

Ответ. Модуль средней индуцированной ЭДС равен 30 В. При вычислении учтено изменение магнитного потока через каждый из 200 витков.

3. Частота и величина сигнала

Условие. В двух случаях катушка колеблется с одинаковой частотой, но во втором случае амплитуда больше. Нужно качественно сравнить частоту и величину выходного сигнала. Поскольку числа не заданы, достаточно проследить связь между параметрами колебаний и сигналом.

1. Частота катушки определяется частотой колебаний мембраны, которую возбуждает звук. Так как в обоих случаях частота одинакова, частота выходного сигнала также будет одинаковой.
2. При большей амплитуде катушка перемещается дальше от положения равновесия. Обычно это означает более заметное изменение магнитного потока через витки за время колебания.
3. По закону индукции более быстрое или значительное изменение потока приводит к большей ЭДС. Поэтому в качественном приближении амплитуда выходного сигнала будет больше во втором случае.

Ответ. Частоты выходных сигналов одинаковы, поскольку частота колебаний катушки не изменилась. Сигнал от катушки с большей амплитудой колебаний обычно имеет большую величину.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что сигнал возникает непосредственно из звуковой волны. Так думают, потому что звук и электрический сигнал относятся к одному процессу передачи информации. Но звуковая волна сначала приводит в движение мембрану и катушку, и только изменение магнитного потока вызывает ЭДС. Проверка: можешь ли ты назвать все звенья между воздухом и электрической цепью?
• Ошибка: путать мембрану и катушку. Обе детали движутся, поэтому их функции легко смешать. Мембрана воспринимает колебания воздуха, а катушка движется в магнитном поле и участвует в возникновении ЭДС. Проверка: спроси себя, какая деталь первой реагирует на давление звука.
• Ошибка: полагать, что одного магнитного поля достаточно для индукции. Это заблуждение возникает из-за того, что магнит и поле — обязательная часть микрофона. Однако ЭДС появляется при изменении магнитного потока через катушку, а неподвижная катушка в неизменном потоке не даёт такого сигнала. Проверка: укажи, что именно изменяется при движении катушки.
• Ошибка: считать, что микрофон сам создаёт звук. Путаница возникает потому, что микрофон и громкоговоритель часто используют вместе. Микрофон преобразует звук в электрический сигнал, а громкоговоритель выполняет обратное преобразование. Проверка: определи, что является входом и что — выходом устройства.

Связь с другими темами

Для объяснения работы микрофона нужны знания о магнитном поле, магнитном потоке и электромагнитной индукции: именно изменение потока создаёт ЭДС. Также полезно понимать механические колебания и звуковые волны, чтобы связать частоту звука с частотой сигнала. Преобразование движения в электрический сигнал помогает разобраться в работе других устройств, а сравнение с громкоговорителем показывает обратное направление преобразования.

Что запомнить

• Электродинамический микрофон преобразует звук в электрический сигнал.
• Звуковая волна приводит в колебания мембрану.
• Мембрана передаёт движение катушке.
• Катушка движется в магнитном поле постоянного магнита.
• Изменение магнитного потока вызывает индуцированную ЭДС.
• Частота сигнала связана с частотой звуковых колебаний.