Resonansie is een van die mees algemene fisiese verskynsels in die natuur. Die verskynsel van resonansie kan in meganiese, elektriese en selfs termiese stelsels waargeneem word. Sonder resonansie sou ons nie radio-, televisie-, musiek- en selfs speelgrondswaaie hê nie, om nie eens te praat van die doeltreffendste diagnostiese stelsels wat in moderne medisyne gebruik word nie. Een van die interessantste en nuttigste tipes resonansie in 'n elektriese stroombaan is spanningsresonansie.
Elemente van 'n resonante stroombaan
Die verskynsel van resonansie kan voorkom in die sogenaamde RLC-kring wat die volgende komponente bevat:
- R - weerstande. Hierdie toestelle, wat verband hou met die sogenaamde aktiewe elemente van die elektriese stroombaan, skakel elektriese energie om in termiese energie. Met ander woorde, hulle verwyder energie uit die stroombaan en sit dit om in hitte.
- L - induktansie. Induktansie inelektriese stroombane - analoog van massa of traagheid in meganiese stelsels. Hierdie komponent is nie baie opvallend in die elektriese stroombaan totdat jy probeer om 'n paar veranderinge daaraan te maak nie. In meganika, byvoorbeeld, is so 'n verandering 'n verandering in spoed. In 'n elektriese stroombaan, 'n verandering in stroom. As dit om enige rede gebeur, werk die induktansie hierdie verandering in stroombaanmodus teë.
- C is 'n benaming vir kapasitors, wat toestelle is wat elektriese energie stoor op dieselfde manier as wat vere meganiese energie stoor. 'n Induktor konsentreer en stoor magnetiese energie, terwyl 'n kapasitor lading konsentreer en daardeur elektriese energie stoor.
Die konsep van 'n resonante stroombaan
Die sleutelelemente van 'n resonante stroombaan is induktansie (L) en kapasitansie (C). Die weerstand is geneig om ossillasies te demp, so dit verwyder energie uit die stroombaan. Wanneer die prosesse wat in 'n ossillatoriese stroombaan plaasvind, in ag geneem word, ignoreer ons dit tydelik, maar daar moet onthou word dat, soos die wrywingskrag in meganiese stelsels, elektriese weerstand in stroombane nie uitgeskakel kan word nie.
Voltage-resonansie en huidige resonansie
Afhangende van hoe die sleutelelemente verbind is, kan die resonante stroombaan in serie en parallel wees. Wanneer 'n reeks ossillatoriese stroombaan aan 'n spanningsbron gekoppel word met 'n seinfrekwensie wat saamval met die natuurlike frekwensie, vind onder sekere omstandighede spanningsresonansie daarin plaas. Resonansie in 'n elektriese stroombaan met parallel gekoppelreaktiewe elemente word huidige resonansie genoem.
Natuurlike frekwensie van die resonante stroombaan
Ons kan die stelsel teen sy natuurlike frekwensie laat ossilleer. Om dit te doen, moet jy eers die kapasitor laai, soos in die boonste figuur aan die linkerkant. Wanneer dit gedoen is, word die sleutel geskuif na die posisie wat in dieselfde figuur aan die regterkant gewys word.
Teen tyd "0", word alle elektriese energie in die kapasitor gestoor, en die stroom in die stroombaan is nul (figuur hieronder). Let daarop dat die boonste plaat van die kapasitor positief gelaai is terwyl die onderste plaat negatief gelaai is. Ons kan nie die ossillasies van die elektrone in die stroombaan sien nie, maar ons kan die stroom met 'n ammeter meet, en 'n ossilloskoop gebruik om die aard van die stroom teenoor tyd op te spoor. Let daarop dat T op ons grafiek die tyd is wat nodig is om een ossillasie te voltooi, wat in elektriese ingenieurswese die "ossillasieperiode" genoem word.
Stroom vloei kloksgewys (prent hieronder). Energie word van die kapasitor na die induktor oorgedra. Met die eerste oogopslag lyk dit dalk vreemd dat 'n induktansie energie bevat, maar dit is soortgelyk aan die kinetiese energie in 'n bewegende massa.
Die energievloei keer terug na die kapasitor, maar let op dat die polariteit van die kapasitor nou omgekeer is. Met ander woorde, die onderste plaat het nou 'n positiewe lading en die boonste plaat 'n negatiewe lading (Figuuronder).
Nou is die stelsel heeltemal omgekeer en energie begin vloei vanaf die kapasitor terug in die induktor (figuur hieronder). Gevolglik keer die energie heeltemal terug na sy beginpunt en is gereed om die siklus weer te begin.
Die ossillasiefrekwensie kan soos volg benader word:
F=1/2π(LC)0, 5,
waar: F - frekwensie, L - induktansie, C - kapasitansie.
Die proses wat in hierdie voorbeeld beskou word, weerspieël die fisiese essensie van stresresonansie.
Stresresonansiestudie
In regte LC-stroombane is daar altyd 'n klein hoeveelheid weerstand, wat die toename in stroomamplitude met elke siklus verminder. Na verskeie siklusse verminder die stroom tot nul. Hierdie effek word "sinusvormige sein demping" genoem. Die tempo waarteen die stroom tot nul verval, hang af van die hoeveelheid weerstand in die stroombaan. Die weerstand verander egter nie die ossillasiefrekwensie van die resonante stroombaan nie. As die weerstand hoog genoeg is, sal daar glad nie sinusvormige ossillasie in die stroombaan wees nie.
Natuurlik, waar daar 'n natuurlike ossillasiefrekwensie is, is daar die moontlikheid van opwekking van die resonante proses. Ons doen dit deur 'n wisselstroom (AC) kragbron in serie in te sluit, soos getoon in die figuur aan die linkerkant. Die term "veranderlike" beteken dat die uitsetspanning van die bron fluktueer met 'n sekerefrekwensie. As die frekwensie van die kragtoevoer ooreenstem met die natuurlike frekwensie van die stroombaan, vind spanningsresonansie plaas.
Voorkomsvoorwaardes
Nou sal ons die voorwaardes vir die voorkoms van stresresonansie oorweeg. Soos in die laaste prent getoon, het ons die resistor na die lus teruggekeer. In die afwesigheid van 'n weerstand in die stroombaan, sal die stroom in die resonante stroombaan toeneem tot 'n sekere maksimum waarde wat bepaal word deur die parameters van die stroombaanelemente en die krag van die kragbron. Die verhoging van die weerstand van die resistor in die resonante stroombaan verhoog die neiging vir die stroom in die stroombaan om te verval, maar beïnvloed nie die frekwensie van die resonante ossillasies nie. As 'n reël vind die spanningsresonansiemodus nie plaas as die weerstand van die resonansiekring aan die voorwaarde R=2(L/C)0, 5.
voldoen.
Gebruik spanningsresonansie om radioseine uit te stuur
Die verskynsel van stresresonansie is nie net 'n eienaardige fisiese verskynsel nie. Dit speel 'n uitsonderlike rol in die tegnologie van draadlose kommunikasie - radio, televisie, sellulêre telefonie. Senders wat gebruik word om inligting draadloos oor te dra, bevat noodwendig stroombane wat ontwerp is om teen 'n spesifieke frekwensie vir elke toestel te resoneer, wat die drafrekwensie genoem word. Met 'n uitsaaiantenna wat aan die sender gekoppel is, straal dit elektromagnetiese golwe teen 'n drafrekwensie uit.
Die antenna aan die ander kant van die transceiver-pad ontvang hierdie sein en voer dit na die ontvangstroombaan, wat ontwerp is om teen die drafrekwensie te resoneer. Dit is duidelik dat die antenna baie seine op verskillende maniere ontvangfrekwensies, om nie eens te praat van agtergrondgeraas nie. As gevolg van die teenwoordigheid van 'n resonante kring by die inset van die ontvangertoestel, ingestel op die drafrekwensie van die resonante kring, kies die ontvanger die enigste korrekte frekwensie, wat alle onnodiges uitskakel.
Na die bespeuring van 'n amplitude-gemoduleerde (AM) radiosein, word die lae frekwensiesein (LF) wat daaruit onttrek word, versterk en na 'n klankweergeeftoestel gevoer. Dit is die eenvoudigste vorm van radio-oordrag en is baie sensitief vir geraas en steurings.
Om die geh alte van ontvangde inligting te verbeter, is ander, meer gevorderde metodes van radioseinoordrag ontwikkel en word suksesvol gebruik, wat ook gebaseer is op die gebruik van ingestemde resonante stelsels.
Frekwensiemodulasie of FM-radio los baie van die probleme van AM-radio-uitsending op, maar dit kom ten koste van die uitsendingstelsel grootliks bemoeilik. In FM-radio word stelselklanke in die elektroniese pad omgeskakel in klein veranderinge in die drafrekwensie. Die stuk toerusting wat hierdie omskakeling doen, word 'n "modulator" genoem en word saam met die sender gebruik.
Gevolglik moet 'n demodulator by die ontvanger gevoeg word om die sein terug te omskep in 'n vorm wat deur die luidspreker gespeel kan word.
Nog voorbeelde van die gebruik van spanningsresonansie
Spanningsresonansie as 'n fundamentele beginsel is ook ingebed in die stroombaan van talle filters wat wyd in elektriese ingenieurswese gebruik word om skadelike en onnodige seine uit te skakel,maak rimpelings glad en genereer sinusvormige seine.
