Resonans är en av de vanligastei naturen av fysiska fenomen. Fenomenet resonans kan observeras i mekaniska, elektriska och till och med termiska system. Utan resonans skulle vi inte ha radio, tv, musik och till och med gungor på lekplatser, för att inte tala om de mest effektiva diagnostiska systemen som används i modern medicin. En av de mest intressanta och användbara typerna av resonans i en elektrisk krets är spänningsresonans.
Resonanskretselement
Resonansfenomenet kan förekomma i den så kallade RLC-kretsen, som innehåller följande komponenter:
- R - motstånd.Dessa enheter, relaterade till de så kallade aktiva elementen i den elektriska kretsen, omvandlar elektrisk energi till termisk energi. Med andra ord tar de bort energi från kretsen och omvandlar den till värme.
- L är induktansen.Induktans i elektriska kretsar är analog med massa eller tröghet i mekaniska system. Denna komponent märks inte särskilt i den elektriska kretsen förrän du försöker göra några ändringar i den. I mekanik är till exempel en sådan förändring en hastighetsförändring. I en elektrisk krets - en strömförändring. Om det uppstår av någon anledning motverkar induktansen en sådan förändring i kretsläge.
- C - beteckning för kondensatorer somär enheter som lagrar elektrisk energi på samma sätt som fjädrar lagrar mekanisk energi. En induktans koncentrerar och lagrar magnetisk energi, medan en kondensator koncentrerar laddning och därmed lagrar elektrisk energi.
Konceptet med en resonanskrets
Nyckelelementen i resonanskretsenär induktans (L) och kapacitans (C). Motståndet har en tendens att dämpa svängningar, så det tar bort energi från kretsen. När man överväger de processer som uppstår i oscillationskretsen ignorerar vi tillfälligt det, men man måste komma ihåg att, liksom friktionskraften i mekaniska system, kan det elektriska motståndet i kretsarna inte elimineras.
Resonans av spänningar och resonans av strömmar
Beroende på metoden för anslutning av nyckelelement i resonanskretsen kan vara seriella och parallella. När en seriell oscillerande krets är ansluten till en spänningskälla med en signalfrekvens som sammanfaller med den naturliga frekvensen, uppstår under vissa förhållanden en spänningsresonans i den. Resonans i en elektrisk krets med parallellkopplade reaktiva element kallas strömmarnas resonans.
Resonanskretsens naturliga frekvens
Vi kan få systemet att svänga mednaturlig frekvens. För att göra detta måste du först ladda kondensatorn enligt bilden uppe till vänster. När detta är gjort flyttas nyckeln till den position som visas i samma figur till höger.
Vid tidpunkten "0" all elektrisk energilagras i kondensatorn och strömmen i slingan är noll (figur nedan). Observera att kondensatorns topplatta är positivt laddad och botten negativ. Vi kan inte se svängningar av elektroner i kretsen, men vi kan mäta strömmen med en amperemätare och med hjälp av ett oscilloskop spåra beroendet av strömmen i tid. Observera att T i vår graf är den tid det tar att slutföra en gunga, som kallas svingperioden inom elektroteknik.
Strömmen flyter medurs (figur nedan).Energi överförs från kondensatorn till induktorn. Vid första anblicken kan det verka konstigt att induktans innehåller energi, men det liknar den kinetiska energi som finns i en rörlig massa.
Energiflödet återgår till kondensatorn,men observera att kondensatorns polaritet nu har förändrats. Med andra ord är bottenplattan nu positivt laddad och topplattan negativt laddad (bild nedan).
Nu är systemet helt omvänd och energinbörjar strömma från kondensatorn tillbaka till induktansen (figur nedan). Som ett resultat återgår energin helt till sin startpunkt och är redo att starta cykeln igen.
Vibrationsfrekvensen kan approximeras på följande sätt:
- F = 1 / 2π (LC)0,5,
där: F - frekvens, L - induktans, C - kapacitans.
Processen som beaktas i detta exempel återspeglar den fysiska kärnan i stressresonans.
Studie av spänningsresonans
Uppenbarligen, där det finns en naturlig frekvenssvängningar finns det en möjlighet att excitera en resonansprocess. Vi gör detta genom att kedja en växelström (AC), som visas i bilden till vänster. Termen "variabel" betyder att källans utspänning oscillerar vid en specifik frekvens. När strömförsörjningens frekvens matchar kretsens naturliga frekvens uppstår spänningsresonans.
Villkor för förekomst
Nu kommer vi att överväga villkoren för händelsenspänningsresonans. Som visas i den sista figuren sätter vi tillbaka motståndet i slingan. I frånvaro av ett motstånd i kretsen kommer strömmen i resonanskretsen att öka till ett visst maximivärde bestämt av parametrarna för kretselementen och strömförsörjningens effekt. Att öka motståndet hos motståndet i resonanskretsen ökar tendensen för strömmen i kretsen att bli fuktig men påverkar inte frekvensen hos resonanssvängningarna. Som regel inträffar inte spänningsresonansläget om resonanskretsens motstånd uppfyller villkoret R = 2 (L / C)0,5.
Använda spänningsresonans för att sända radiosignaler
Fenomenet spänningsresonans är inte baradet mest nyfikna fysiska fenomenet. Det spelar en exklusiv roll inom trådlös kommunikationsteknik - radio, tv, mobiltelefoni. Sändare som används för trådlös överföring av information innehåller nödvändigtvis kretsar utformade för att resonera vid en specifik frekvens för varje enhet, kallad bärfrekvens. Med en sändarantenn ansluten till sändaren avger den elektromagnetiska vågor vid bärfrekvensen.
Antenn i andra änden av sändnings- / mottagningsvägentar emot denna signal och matar den till en mottagningskrets utformad för att resonera vid bärfrekvensen. Uppenbarligen tar antennen emot många signaler vid olika frekvenser, för att inte tala om bakgrundsbrus. På grund av närvaron vid mottagningsanordningens ingång, inställd på resonanskretsens bärfrekvens, väljer mottagaren den enda korrekta frekvensen och filtrerar bort alla onödiga frekvenser.
Efter detektering av den amplitudmodulerade(AM) för radiosignalen förstärks den lågfrekventa signalen (LF) som extraheras från den och matas till ljudåtergivningsanordningen. Denna enklaste form av radioöverföring är mycket känslig för buller och störningar.
För att förbättra kvaliteten på mottagen informationutvecklat och använt framgångsrikt andra, mer avancerade metoder för radiosignalöverföring, som också baseras på användningen av avstämda resonanssystem.
Frekvensmodulering eller FM-radio löser många avproblem med radioöverföring med en amplitudmodulerad överföringssignal, men detta uppnås på bekostnad av en betydande komplikation av överföringssystemet. I FM-radio omvandlas systemljud i den elektroniska banan till små förändringar i bärfrekvensen. Utrustningen som utför denna konvertering kallas en "modulator" och används tillsammans med sändaren.
Följaktligen måste en demodulator läggas till mottagaren för att konvertera signalen tillbaka till en form som kan reproduceras genom en högtalare.
Andra användningsområden för spänningsresonans
Spänningsresonans som en grundläggande principär också inbäddat i kretsloppet för många filter som ofta används inom elektroteknik för att eliminera skadliga och onödiga signaler, jämna ut krusning och generera sinusformade signaler.
