Резонанс на напреженията. Какъв е резонансът в електрическата верига

Резонансът е един от най-разпространените в природата физически явления. феномен

Елементи на резонансната верига

Явлението резонанс може да възникне в така наречената RLC-верига, която съдържа следните компоненти:

• R - резистори. Тези устройства, свързани с т.нар. Активни елементи на електрическата верига, превръщат електрическата енергия в топлинна енергия. С други думи, те премахват енергията от веригата и я превръщат в топлина.
• L е индуктивност. Индуктивността в електрическите вериги е аналог на масата или инерцията в механичните системи. Този компонент не е много забележим в електрическата верига, докато не се опитате да направите промени в него. В механиката, например, подобна промяна е промяна в скоростта. В електрическата верига текущите промени се променят. Ако по някаква причина това се случи, индуктивността противодейства на тази промяна в състоянието на веригата.
• C е предназначението на кондензаторите, които са устройства, които съхраняват електрическа енергия, подобно на запазването на пружините механична енергия. Индуктивността концентрира и запазва магнитната енергия, докато кондензаторът концентрира зареждането и по този начин съхранява електрическата енергия.

Концепцията за резонансна верига

Ключовите елементи на резонансната верига са индуктивност (L) и капацитет (C). Резисторът има тенденция да загасва трептенията, така че премахва енергията от веригата. При разглеждането на процесите, протичащи в осцилаторната верига, ние временно го игнорираме, но трябва да си припомним, че подобно на триещата сила в механичните системи, електрическото съпротивление в схемите не може да бъде елиминирано.

Резонансен резонанс и токов резонанс

В зависимост от начина, по който са свързани ключовите елементи, резонансната верига може да бъде последователна и успоредна. Когато серийна осцилаторна верига е свързана към източник на напрежение със сигнална честота, която съвпада с естествената честота, при определени условия възниква резонанс на напрежение. Резонансът в електрическа верига с паралелно свързани реактивни елементи се нарича резонанс на токове.

Естествената честота на резонансната верига

Ние можем да накараме системата да се колебае по своя собствена честота. За да направите това, първо трябва да заредите кондензатора, както е показано в горната лява част. Когато това стане, ключът се премества в положение, показано в една и съща фигура отдясно.

Във времето "0" цялата електроенергия се съхранява в кондензатора, а токът в схемата е нула (фигура по-долу). Имайте предвид, че горната плоча на кондензатора се зарежда позитивно, а долната е отрицателна. Не можем да видим колебанията на електроните във веригата, но можем да измерваме тока с амперметър и с помощта на осцилоскоп можем да проследим характера на тока спрямо времето. Обърнете внимание, че T на нашата графика е времето, необходимо за завършване на една вибрация, която в електротехниката се нарича "люлеещ се период".

Токът протича по посока на часовниковата стрелка (фигура долу). Енергията се прехвърля от кондензатора на индуктор. На пръв поглед може да изглежда странно, че индуктивността съдържа енергия, но това е подобно на кинетичната енергия, съдържаща се в движещата се маса.

Енергийният поток се връща обратно към кондензатора, но имайте предвид, че полярността на кондензатора вече се е променила. С други думи, долната плоча сега има положителен заряд, а горната плоча - отрицателен заряд (фигурата по-долу).

Сега системата се е завъртяла напълно и енергията започва да тече от кондензатора отново в индуктивността (фигурата по-долу). В резултат на това енергията напълно се връща в началната си точка и е готова отново да започне цикъла.

Честотата на трептене може да бъде сближена както следва:

• F = 1 / 2pi- (LC)^0.5,

където: F - честота, L - индуктивност, C - капацитет.

Процесът, разгледан в този пример, отразява физическата същност на стрес резонанса.

Изследване на стрес резонанс

В реално LC схеми, винаги има малко съпротивление, което с всеки цикъл намалява увеличението на амплитудата на тока. След няколко цикъла токът намалява до нула. Този ефект се нарича "отслабване на синусоидален сигнал". Скоростта на намаляване на тока до нулева стойност зависи от стойността на съпротивлението в схемата. Съпротивлението обаче не променя честотата на трептене на резонансната верига. Ако съпротивлението е достатъчно голямо, никакви синусоидални колебания във веригата няма да се появят изобщо.

Очевидно, когато има естествена честота на трептене, има възможност за възбуждане на резонансен процес. Правим това, включително серийно захранване променлив ток (AC), както е показано на илюстрацията вляво. Терминът "променлива" означава, че изходното напрежение на източника варира при определена честота. Ако честотата на източника на енергия съвпада с естествената честота на веригата, възниква резонанс на напрежението.

Условия на настъпване

Сега разглеждаме условията за появата на стрес резонанс. Както е показано на последната фигура, върнахме резистора към веригата. При липса на резистор в схемата, токът в резонансната схема ще се увеличи до определена максимална стойност, определена от параметрите на елементите на веригата и мощността на източника на енергия. Увеличаването на съпротивлението на резистора в резонансната верига увеличава тенденцията към намаляване на тока в схемата, но не влияе на честотата на резонантните трептения. По принцип режимът на резонанс на напрежение не се получава, ако съпротивлението на резонансната схема отговаря на условието R = 2 (L / C)^0.5.

Използване на напрежение резонанс за радио предаване

Феноменът на стрес резонанс е не само странен физически феномен. Той играе изключителна роля в технологиите на безжичните комуникации - радио, телевизия, клетъчна телефония. Трансмитерите, използвани за безжично предаване на информация, задължително съдържат схеми, предназначени за резониране с честота, определена за всяко устройство, наречена носеща честота. С помощта на предавателна антена, свързана към предавателя, тя излъчва електромагнитни вълни върху носещата честота.

Антената в другия край на траекторията на предаване-приемане получава този сигнал и го захранва в приемната линия, проектирана да резонира на носещата честота. Очевидно е, че антената получава много сигнали при различни честоти, да не говорим за фонов шум. Поради наличието на входа на приемник, настроен на носещата честота на резонансната верига, приемникът избира единствената правилна честота, премахвайки всички ненужни такива.

След откриване на амплитудно модулирания (AM) радиосигнал, полученият от него нискочестотен сигнал (LF) се усилва и се подава към устройството за възпроизвеждане на звук. Това е най-простата форма на радиопредаване е много чувствителна към шума и смущенията.

За подобряване на качеството на получената информация са разработени и използвани успешно други, по-напреднали методи за предаване на радиосигнали, които също се основават на използването на настроени резонансни системи.

Модулация на честотата или FM радио решава много от проблемите на радиопредаването с амплитудно модулиран предавателен сигнал, но това се постига с цената на значително усложнение на преносната система. В FM радио системата звучи в електронен път, превръщайки се в малки промени в носещата честота. Част от оборудването, което извършва това преобразуване, се нарича "модулатор" и се използва с предавателя.

Съответно към приемника трябва да се добави демодулатор, който да преобразува сигнала обратно в форма, която може да се възпроизведе през високоговорител.

Други примери за използването на напрежение резонанс

Резонансният резонанс като основен принцип е заложен и във веригата на множество филтри, широко използвани в електротехниката, за елиминиране на вредни и ненужни сигнали, изглаждане на пулсации и генериране на синусоидални сигнали.