الرنين هو واحد من الأكثر شيوعافي طبيعة الظواهر الفيزيائية. يمكن ملاحظة ظاهرة الرنين في الأنظمة الميكانيكية والكهربائية وحتى الحرارية. بدون صدى ، لن يكون لدينا راديو أو تلفزيون أو موسيقى أو حتى تقلبات في الملاعب ، ناهيك عن أنظمة التشخيص الأكثر فعالية المستخدمة في الطب الحديث. أحد أنواع الرنين الأكثر إثارة للاهتمام ومفيدة في الدائرة الكهربائية هو رنين الجهد.
عناصر الدائرة الرنانة
يمكن أن تحدث ظاهرة الرنين في ما يسمى دائرة RLC ، التي تحتوي على المكونات التالية:
- ص - المقاومات.هذه الأجهزة ، المتعلقة بما يسمى العناصر النشطة للدائرة الكهربائية ، تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية. بمعنى آخر ، يزيلون الطاقة من الدائرة ويحولونها إلى حرارة.
- L هو الحث.الحث في الدوائر الكهربائية هو تناظرية للكتلة أو الجمود في النظم الميكانيكية. هذا المكون ليس ملحوظًا جدًا في الدائرة الكهربائية حتى تحاول إجراء أي تغييرات فيه. في الميكانيكا ، على سبيل المثال ، مثل هذا التغيير هو تغيير في السرعة. في الدائرة الكهربائية - تغيير في التيار. إذا حدث لأي سبب ، فإن الحث يعترض على مثل هذا التغيير في وضع الدائرة.
- ج- التخصيص للمكثفات التيهي الأجهزة التي تخزن الطاقة الكهربائية بنفس طريقة تخزين الزنبركات للطاقة الميكانيكية. يركز الحث على الطاقة المغناطيسية ويخزنها ، بينما يركز المكثف الشحنة وبالتالي يخزن الطاقة الكهربائية.
مفهوم دارة الطنين
العناصر الرئيسية لدائرة الرنينهي الحث (L) والسعة (C). يميل المقاوم إلى ترطيب التذبذبات ، لذا فهو يزيل الطاقة من الدائرة. عند النظر في العمليات التي تحدث في الدائرة التذبذبية ، فإننا نتجاهلها مؤقتًا ، لكن يجب أن نتذكر أنه ، مثل قوة الاحتكاك في الأنظمة الميكانيكية ، لا يمكن القضاء على المقاومة الكهربائية في الدوائر.
رنين الفولتية ورنين التيارات
حسب طريقة توصيل المفتاحيمكن أن تكون عناصر دائرة الطنين تسلسلية ومتوازية. عندما يتم توصيل دارة تذبذبية تسلسلية بمصدر جهد بتردد إشارة يتزامن مع التردد الطبيعي ، في ظل ظروف معينة ، يحدث رنين جهد فيه. يسمى الرنين في الدائرة الكهربائية مع العناصر التفاعلية المتصلة المتوازية رنين التيارات.
التردد الطبيعي لدائرة الطنين
يمكننا أن نجعل النظام يتأرجح معتردد طبيعي. للقيام بذلك ، تحتاج أولاً إلى شحن المكثف كما هو موضح في الصورة اليسرى العلوية. عند القيام بذلك ، يتم نقل المفتاح إلى الموضع الموضح في نفس الشكل إلى اليمين.
في وقت "0" كل الطاقة الكهربائيةمخزنة في المكثف ، تيار الحلقة صفر (الشكل أدناه). لاحظ أن الصفيحة العلوية للمكثف مشحونة إيجابًا والقاع سالب. لا يمكننا رؤية اهتزازات الإلكترونات في الدائرة ، ولكن يمكننا قياس التيار باستخدام مقياس التيار الكهربائي ، وبمساعدة منظار الذبذبات ، تتبع طبيعة اعتماد التيار على الوقت. لاحظ أن T على الرسم البياني الخاص بنا هو الوقت المستغرق لإكمال تأرجح واحد ، وهو ما يسمى فترة التأرجح في الهندسة الكهربائية.
يتدفق التيار في اتجاه عقارب الساعة (الشكل أدناه). يتم نقل الطاقة من المكثف إلى المحرِّض. للوهلة الأولى ، قد يبدو غريباً أن الحث يحتوي على طاقة ، لكن هذا يشبه الطاقة الحركية الموجودة في كتلة متحركة.
يعود تدفق الطاقة إلى المكثف ،لكن لاحظ أن قطبية المكثف قد تغيرت الآن. وبعبارة أخرى ، فإن اللوحة السفلية مشحونة إيجابياً واللوحة العلوية مشحونة سلبياً (الصورة أدناه).
الآن يتم عكس النظام بالكامل والطاقةيبدأ التدفق من المكثف إلى المحاثة (الشكل أدناه). نتيجة لذلك ، تعود الطاقة بالكامل إلى نقطة البداية وتكون جاهزة لبدء الدورة مرة أخرى.
يمكن تقريب تردد الاهتزاز على النحو التالي:
- F = 1/2π (LC)0,5,
حيث: F - التردد ، L - الحث ، C - السعة.
تعكس العملية التي تم تناولها في هذا المثال الجوهر المادي لرنين الإجهاد.
دراسة رنين الجهد
من الواضح ، حيث يوجد تردد طبيعيالتذبذبات ، هناك احتمال لإثارة عملية الرنين. نقوم بذلك عن طريق التسلسل التعاوني لمصدر طاقة التيار المتردد (AC) ، كما هو موضح في الشكل على اليسار. المصطلح "متغير" يعني أن جهد الخرج للمصدر يتقلب بتردد معين. عندما يتطابق تردد مصدر الطاقة مع التردد الطبيعي للدائرة ، يحدث صدى للجهد.
شروط الحدوث
الآن سننظر في شروط حدوث ذلكصدى الجهد. كما هو موضح في الشكل الأخير ، أعدنا المقاوم إلى الحلقة. في حالة عدم وجود المقاوم في الدائرة ، سيزداد التيار في دائرة الطنين إلى قيمة قصوى معينة تحددها معلمات عناصر الدائرة وقوة مصدر الطاقة. تؤدي زيادة مقاومة المقاوم في دائرة الطنين إلى زيادة ميل التيار في الدائرة إلى الرطوبة ، ولكنها لا تؤثر على وتيرة اهتزازات الرنين. كقاعدة عامة ، لا يحدث وضع رنين الجهد إذا كانت مقاومة دائرة الرنين تفي بالشرط R = 2 (L / C)0,5.
استخدام صدى الجهد لنقل إشارة الراديو
ظاهرة صدى الجهد ليست فقطالظاهرة الفيزيائية الأكثر فضولاً. إنها تلعب دورًا حصريًا في تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية - الراديو والتلفزيون والهاتف الخلوي. تحتوي أجهزة الإرسال المستخدمة في الإرسال اللاسلكي للمعلومات بالضرورة على دوائر مصممة لتردد صداها عند تردد معين لكل جهاز ، يُسمى التردد الحامل. مع هوائي الإرسال المتصل بالمرسل ، فإنه يصدر موجات كهرومغناطيسية على تردد الموجة الحاملة.
الهوائي في الطرف الآخر من مسار الإرسال / الاستقباليستقبل هذه الإشارة ويغذيها لدائرة استقبال مصممة لتردد صداها عند تردد الموجة الحاملة. من الواضح أن الهوائي يلتقط العديد من الإشارات بترددات مختلفة ، ناهيك عن ضوضاء الخلفية. نظرًا لوجود مدخلات جهاز الاستقبال المضبوطة على تردد الموجة الحاملة لدائرة الطنين ، يختار المستقبل التردد الصحيح الوحيد ، مع تصفية جميع الترددات غير الضرورية.
بعد الكشف عن السعة المعدلة(AM) للإشارة الراديوية ، يتم تضخيم إشارة التردد المنخفض (LF) المستخرجة منها وتغذيتها إلى جهاز إعادة إنتاج الصوت. هذا الشكل الأبسط للإرسال اللاسلكي شديد التأثر بالضوضاء والتداخل.
لتحسين جودة المعلومات الواردةتم تطوير طرق أخرى أكثر تقدمًا لنقل الإشارات اللاسلكية ، والتي تستند أيضًا إلى استخدام أنظمة الرنين المضبوطة ، ويتم استخدامها بنجاح.
يحل تعديل التردد أو راديو FM العديد من ملفاتمشاكل الإرسال الراديوي بإشارة إرسال معدلة الاتساع ، ولكن يتم تحقيق ذلك على حساب تعقيد كبير في نظام الإرسال. في راديو FM ، يتم تحويل أصوات النظام في المسار الإلكتروني إلى تغييرات صغيرة في تردد الموجة الحاملة. يُطلق على قطعة المعدات التي تقوم بهذا التحويل اسم "مُعدِّل" وتُستخدم مع جهاز الإرسال.
وفقًا لذلك ، يجب إضافة مزيل التشكيل إلى جهاز الاستقبال لتحويل الإشارة مرة أخرى إلى شكل يمكن إعادة إنتاجه من خلال مكبر صوت.
استخدامات أخرى لرنين الجهد
صدى الجهد كمبدأ أساسيتم دمجها أيضًا في دوائر العديد من المرشحات المستخدمة على نطاق واسع في الهندسة الكهربائية للتخلص من الإشارات الضارة وغير الضرورية ، وتخفيف التموج وتوليد إشارات جيبية.
