Resonansspenning. Hva er resonans i en elektrisk krets

Resonans er en av de vanligstei naturen til fysiske fenomener. Fenomenet resonans kan observeres i mekaniske, elektriske og til og med termiske systemer. Uten resonans ville vi ikke hatt radio, fjernsyn, musikk og til og med husker på lekeplasser, for ikke å nevne de mest effektive diagnostiske systemene som brukes i moderne medisin. En av de mest interessante og nyttige typene resonans i en elektrisk krets er spenningsresonans.

Resonanskretselementer

Resonansfenomenet kan oppstå i den såkalte RLC-kretsen, som inneholder følgende komponenter:

• R - motstander.Disse enhetene, relatert til de såkalte aktive elementene i den elektriske kretsen, konverterer elektrisk energi til termisk energi. Med andre ord fjerner de energi fra kretsen og konverterer den til varme.
• L er induktansen.Induktans i elektriske kretser er analog med masse eller treghet i mekaniske systemer. Denne komponenten er ikke veldig merkbar i den elektriske kretsen før du prøver å gjøre noen endringer i den. I mekanikk, for eksempel, er en slik endring en endring i hastighet. I en elektrisk krets - en endring i strøm. Hvis det oppstår av en eller annen grunn, motvirker induktansen en slik endring i kretsmodus.
• C - betegnelse for kondensatorer somer enheter som lagrer elektrisk energi på samme måte som fjærer lagrer mekanisk energi. En induktans konsentrerer og lagrer magnetisk energi, mens en kondensator konsentrerer ladning og derved lagrer elektrisk energi.

Konseptet med en resonanskrets

Nøkkelelementene i resonanskretsener induktans (L) og kapasitans (C). Motstanden har en tendens til å dempe svingninger, så den fjerner energi fra kretsen. Når vi vurderer prosessene som skjer i oscillerende krets, ignorerer vi det midlertidig, men det må huskes at, i likhet med friksjonskraften i mekaniske systemer, kan den elektriske motstanden i kretsene ikke elimineres.

Resonans av spenninger og resonans av strømmer

Avhengig av metoden for tilkobling av nøkkelelementer i resonanskretsen kan være serielle og parallelle. Når en seriell oscillerende krets er koblet til en spenningskilde med en signalfrekvens som sammenfaller med egenfrekvensen, oppstår det under visse forhold en spenningsresonans i den. Resonans i en elektrisk krets med parallellkoblede reaktive elementer kalles resonans av strømmer.

Naturlig frekvens til resonanskretsen

Vi kan få systemet til å svinge mednaturlig frekvens. For å gjøre dette må du først lade kondensatoren som vist på bildet øverst til venstre. Når dette er gjort, flyttes nøkkelen til posisjonen vist i samme figur til høyre.

Ved tiden "0" all elektrisk energier lagret i kondensatoren, og strømmen i sløyfen er null (figur under). Merk at toppplaten på kondensatoren er positivt ladet og den nederste negativ. Vi kan ikke se vibrasjonene til elektroner i kretsen, men vi kan måle strømmen med et amperemeter, og ved hjelp av et oscilloskop spore arten av strømmens avhengighet av tid. Merk at T i grafen vår er tiden det tar å fullføre en sving, som kalles "svingperioden" i elektroteknikk.

Strømmen går med klokken (figur under).Energi overføres fra kondensatoren til induktoren. Ved første øyekast kan det virke rart at induktans inneholder energi, men dette ligner på den kinetiske energien som finnes i en masse i bevegelse.

Energistrømmen går tilbake til kondensatoren,men merk at polariteten til kondensatoren nå er endret. Med andre ord er bunnplaten nå positivt ladet og toppplaten negativt ladet (bilde under).

Nå er systemet fullstendig reversert, og energienbegynner å strømme fra kondensatoren tilbake til induktansen (figur under). Som et resultat er energien fullt tilbake til utgangspunktet og er klar til å starte syklusen igjen.

Vibrasjonsfrekvensen kan tilnærmes som følger:

• F = 1 / 2π (LC)^0,5,

hvor: F - frekvens, L - induktans, C - kapasitans.

Prosessen vurdert i dette eksemplet gjenspeiler den fysiske essensen av stressresonans.

Studie av spenningsresonans

I ekte LC-kretser er det alltidliten motstand, som med hver syklus reduserer økningen i amplituden til strømmen. Etter flere sykluser synker strømmen til null. Denne effekten kalles "sinusbølgedempning". Hastigheten av strømnedgangen til null avhenger av verdien av motstanden i kretsen. Resistansen endrer imidlertid ikke frekvensen til resonanskretsen. Hvis motstanden er stor nok, vil ikke sinusformede oscillasjoner i kretsen oppstå i det hele tatt.

Åpenbart, der det er en naturlig frekvensoscillasjoner, er det en mulighet for eksitasjon av resonansprosessen. Dette gjør vi ved å koble sammen en vekselstrøm (AC) strømforsyning, som vist i figuren til venstre. Begrepet "variabel" betyr at utgangsspenningen til kilden oscillerer med en bestemt frekvens. Når frekvensen til strømforsyningen samsvarer med den naturlige frekvensen til kretsen, oppstår spenningsresonans.

Betingelser for forekomst

Nå skal vi vurdere betingelsene for forekomstenspenningsresonans. Som vist i siste figur setter vi motstanden tilbake i løkken. I fravær av en motstand i kretsen, vil strømmen i resonanskretsen øke til en viss maksimal verdi bestemt av parametrene til kretselementene og kraften til strømforsyningen. Å øke motstanden til motstanden i resonanskretsen øker tendensen til at strømmen i kretsen demper, men påvirker ikke frekvensen til resonanssvingningene. Som regel oppstår ikke spenningsresonansmodusen hvis motstanden til resonanskretsen tilfredsstiller betingelsen R = 2 (L / C)^0,5.

Bruk av spenningsresonans for å overføre radiosignaler

Fenomenet spenningsresonans er ikke baredet mest kuriøse fysiske fenomenet. Den spiller en eksklusiv rolle i teknologien for trådløs kommunikasjon - radio, TV, mobiltelefoni. Sendere som brukes til trådløs overføring av informasjon, inneholder nødvendigvis kretser designet for å gi resonans ved en bestemt frekvens for hver enhet, kalt bærefrekvensen. Med en senderantenne koblet til senderen sender den ut elektromagnetiske bølger på bærefrekvensen.

Antenne i den andre enden av sende-/mottaksbanenmottar dette signalet og mater det til en mottakskrets designet for å gi resonans ved bærefrekvensen. Tydeligvis mottar antennen mange signaler på forskjellige frekvenser, for ikke å snakke om bakgrunnsstøy. På grunn av tilstedeværelsen ved inngangen til mottakerenheten, innstilt på bærefrekvensen til resonanskretsen, velger mottakeren den eneste riktige frekvensen, og filtrerer ut alle unødvendige.

Etter å ha oppdaget den amplitudemodulerte(AM) til radiosignalet, forsterkes lavfrekvent signal (LF) som trekkes ut fra det og mates til lydgjengivelsesenheten. Denne enkleste formen for radiooverføring er svært utsatt for støy og forstyrrelser.

For å forbedre kvaliteten på mottatt informasjonandre, mer avanserte metoder for overføring av radiosignaler, som også er basert på bruk av innstilte resonanssystemer, har blitt utviklet og er vellykket brukt.

Frekvensmodulasjon eller FM-radio løser mange av deproblemer med radiooverføring med et amplitudemodulert overføringssignal, men dette oppnås på bekostning av en betydelig komplikasjon av overføringssystemet. I FM-radio konverteres systemlyder i den elektroniske banen til små endringer i bærefrekvensen. Utstyret som utfører denne konverteringen kalles en "modulator" og brukes sammen med senderen.

Følgelig må en demodulator legges til mottakeren for å konvertere signalet tilbake til en form som kan reproduseres gjennom en høyttaler.

Andre bruksområder for spenningsresonans

Spenningsresonans som et grunnleggende prinsipper også innebygd i kretsløpet til en rekke filtre som er mye brukt i elektroteknikk for å eliminere skadelige og unødvendige signaler, jevne ut krusninger og generere sinusformede signaler.