Rezonanța este unul dintre cele mai comune fenomene fizice din natură. Fenomenul de rezonanță poate fi observat în sisteme mecanice, electrice și chiar termice. Fără rezonanță, nu am avea radio, televiziune, muzică și chiar leagăne de teren de joacă, ca să nu mai vorbim de cele mai eficiente sisteme de diagnostic utilizate în medicina modernă. Unul dintre cele mai interesante și utile tipuri de rezonanță dintr-un circuit electric este rezonanța de tensiune.
Elementele unui circuit rezonant
Fenomenul de rezonanță poate apărea în așa-numitul circuit RLC care conține următoarele componente:
- R - rezistențe. Aceste dispozitive, legate de așa-numitele elemente active ale circuitului electric, transformă energia electrică în energie termică. Cu alte cuvinte, elimină energia din circuit și o transformă în căldură.
- L - inductanță. Inductanța încircuite electrice - analog de masă sau inerție în sistemele mecanice. Această componentă nu este foarte vizibilă în circuitul electric până când nu încercați să-i faceți unele modificări. În mecanică, de exemplu, o astfel de schimbare este o schimbare a vitezei. Într-un circuit electric, o schimbare a curentului. Dacă se întâmplă din orice motiv, inductanța contracarează această schimbare în modul circuit.
- C este o desemnare pentru condensatori, care sunt dispozitive care stochează energie electrică în același mod în care arcuri stocează energia mecanică. Un inductor concentrează și stochează energia magnetică, în timp ce un condensator concentrează sarcina și, prin urmare, stochează energia electrică.
Conceptul unui circuit rezonant
Elementele cheie ale unui circuit rezonant sunt inductanța (L) și capacitatea (C). Rezistorul tinde să atenueze oscilațiile, astfel încât elimină energia din circuit. Când luăm în considerare procesele care au loc într-un circuit oscilator, îl ignorăm temporar, dar trebuie amintit că, la fel ca forța de frecare în sistemele mecanice, rezistența electrică a circuitelor nu poate fi eliminată.
Rezonanța tensiunii și rezonanța curentă
În funcție de modul în care sunt conectate elementele cheie, circuitul rezonant poate fi în serie și paralel. Atunci când un circuit oscilator în serie este conectat la o sursă de tensiune cu o frecvență a semnalului care coincide cu frecvența naturală, în anumite condiții, are loc rezonanța tensiunii în acesta. Rezonanța într-un circuit electric cu conectat în paralelelementele reactive se numesc rezonanță curentă.
Frecvența naturală a circuitului rezonant
Putem face sistemul să oscileze la frecvența sa naturală. Pentru a face acest lucru, mai întâi trebuie să încărcați condensatorul, așa cum se arată în figura de sus din stânga. Când se face acest lucru, cheia este mutată în poziția afișată în aceeași figură din dreapta.
La momentul „0”, toată energia electrică este stocată în condensator, iar curentul din circuit este zero (figura de mai jos). Rețineți că placa de sus a condensatorului este încărcată pozitiv, în timp ce placa de jos este încărcată negativ. Nu putem vedea oscilațiile electronilor din circuit, dar putem măsura curentul cu un ampermetru și putem folosi un osciloscop pentru a urmări natura curentului în funcție de timp. Rețineți că T din graficul nostru este timpul necesar pentru a finaliza o oscilație, care în inginerie electrică este numită „perioada de oscilație”.
Curentul curge în sensul acelor de ceasornic (imaginea de mai jos). Energia este transferată de la condensator la inductor. La prima vedere, poate părea ciudat că o inductanță conține energie, dar aceasta este similară cu energia cinetică conținută într-o masă în mișcare.
Fluxul de energie revine înapoi la condensator, dar rețineți că polaritatea condensatorului a fost acum inversată. Cu alte cuvinte, placa de jos are acum o sarcină pozitivă, iar placa de sus o sarcină negativă (Figurajos).
Acum, sistemul este complet inversat și energia începe să curgă din condensator înapoi în inductor (figura de mai jos). Drept urmare, energia revine complet la punctul de pornire și este gata să pornească din nou ciclul.
Frecvența de oscilație poate fi aproximată după cum urmează:
F=1/2π(LC)0, 5,
unde: F - frecvență, L - inductanță, C - capacitate.
Procesul luat în considerare în acest exemplu reflectă esența fizică a rezonanței stresului.
Studiu de rezonanță a stresului
În circuitele LC reale, există întotdeauna o cantitate mică de rezistență, ceea ce reduce creșterea amplitudinii curentului cu fiecare ciclu. După mai multe cicluri, curentul scade la zero. Acest efect se numește „amortizare sinusoidală a semnalului”. Rata cu care curentul scade la zero depinde de cantitatea de rezistență din circuit. Cu toate acestea, rezistența nu modifică frecvența de oscilație a circuitului rezonant. Dacă rezistența este suficient de mare, nu va exista nicio oscilație sinusoidală în circuit.
Evident, acolo unde există o frecvență naturală de oscilație, există posibilitatea de excitare a procesului de rezonanță. Facem acest lucru prin includerea unei surse de alimentare cu curent alternativ (AC) în serie, așa cum se arată în figura din stânga. Termenul „variabilă” înseamnă că tensiunea de ieșire a sursei fluctuează cu un anumitfrecvență. Dacă frecvența sursei de alimentare se potrivește cu frecvența naturală a circuitului, apare rezonanța tensiunii.
Condiții de apariție
Acum vom lua în considerare condițiile pentru apariția rezonanței stresului. După cum se arată în ultima imagine, am readus rezistența în buclă. În absența unui rezistor în circuit, curentul din circuitul rezonant va crește până la o anumită valoare maximă determinată de parametrii elementelor circuitului și de puterea sursei de alimentare. Creșterea rezistenței rezistorului din circuitul rezonant crește tendința de decadere a curentului din circuit, dar nu afectează frecvența oscilațiilor rezonante. De regulă, modul de rezonanță a tensiunii nu apare dacă rezistența circuitului de rezonanță îndeplinește condiția R=2(L/C)0, 5.
Folosirea rezonanței de tensiune pentru a transmite semnale radio
Fenomenul rezonanței stresului nu este doar un fenomen fizic curios. Joacă un rol excepțional în tehnologia comunicațiilor fără fir - radio, televiziune, telefonie celulară. Transmițătoarele folosite pentru a transmite informații fără fir conțin în mod necesar circuite proiectate să rezoneze la o frecvență specifică pentru fiecare dispozitiv, numită frecvență purtătoare. Cu o antenă de transmisie conectată la transmițător, emite unde electromagnetice la o frecvență purtătoare.
Antena de la celăl alt capăt al traseului transceiver primește acest semnal și îl transmite circuitului de recepție, proiectat să rezoneze la frecvența purtătoare. Evident, antena primește multe semnale la diferitefrecvențe, ca să nu mai vorbim de zgomotul de fond. Datorită prezenței unui circuit rezonant la intrarea dispozitivului receptor, reglat la frecvența purtătoare a circuitului rezonant, receptorul selectează singura frecvență corectă, eliminând toate cele inutile.
După detectarea unui semnal radio modulat în amplitudine (AM), semnalul de joasă frecvență (LF) extras din acesta este amplificat și transmis unui dispozitiv de reproducere a sunetului. Aceasta este cea mai simplă formă de transmisie radio și este foarte sensibilă la zgomot și interferențe.
Pentru a îmbunătăți calitatea informațiilor primite, au fost dezvoltate și utilizate cu succes alte metode mai avansate de transmitere a semnalului radio, care se bazează și pe utilizarea sistemelor rezonante reglate.
Modularea în frecvență sau radioul FM rezolvă multe dintre problemele transmisiei radio AM, dar acest lucru vine cu prețul complicării considerabile a sistemului de transmisie. În radioul FM, sunetele de sistem din calea electronică sunt convertite în mici modificări ale frecvenței purtătoare. Echipamentul care face această conversie se numește „modulator” și este folosit cu transmițătorul.
În consecință, un demodulator trebuie adăugat la receptor pentru a converti semnalul înapoi într-o formă care poate fi redată prin difuzor.
Mai multe exemple de utilizare a rezonanței de tensiune
Rezonanța tensiunii ca principiu fundamental este, de asemenea, încorporată în circuitele numeroaselor filtre utilizate pe scară largă în inginerie electrică pentru a elimina semnalele dăunătoare și inutile,netezind ondulațiile și generând semnale sinusoidale.
