Rezonans jest jednym z najczęstszych zjawisk fizycznych występujących w przyrodzie. Zjawisko rezonansu można zaobserwować w układach mechanicznych, elektrycznych, a nawet cieplnych. Bez rezonansu nie byłoby radia, telewizji, muzyki, a nawet huśtawek na placu zabaw, nie mówiąc już o najskuteczniejszych systemach diagnostycznych stosowanych we współczesnej medycynie. Jednym z najciekawszych i najbardziej użytecznych rodzajów rezonansu w obwodzie elektrycznym jest rezonans napięciowy.
Elementy obwodu rezonansowego
Zjawisko rezonansu może wystąpić w tzw. obwodzie RLC zawierającym następujące elementy:
- R - rezystory. Urządzenia te, związane z tzw. aktywnymi elementami obwodu elektrycznego, zamieniają energię elektryczną na energię cieplną. Innymi słowy, usuwają energię z obwodu i przekształcają ją w ciepło.
- L - indukcyjność. Indukcyjność wobwody elektryczne - analogi masy lub bezwładności w układach mechanicznych. Ten element nie jest zbyt widoczny w obwodzie elektrycznym, dopóki nie spróbujesz wprowadzić w nim pewnych zmian. Na przykład w mechanice taka zmiana jest zmianą prędkości. W obwodzie elektrycznym zmiana prądu. Jeśli tak się stanie z jakiegokolwiek powodu, indukcyjność przeciwdziała tej zmianie w trybie obwodu.
- C to oznaczenie kondensatorów, które są urządzeniami, które przechowują energię elektryczną w taki sam sposób, w jaki sprężyny przechowują energię mechaniczną. Cewka indukcyjna skupia i przechowuje energię magnetyczną, podczas gdy kondensator koncentruje ładunek, a tym samym przechowuje energię elektryczną.
Koncepcja obwodu rezonansowego
Kluczowymi elementami obwodu rezonansowego są indukcyjność (L) i pojemność (C). Rezystor ma tendencję do tłumienia oscylacji, więc usuwa energię z obwodu. Rozważając procesy zachodzące w obwodzie oscylacyjnym, chwilowo je ignorujemy, należy jednak pamiętać, że podobnie jak siła tarcia w układach mechanicznych, oporność elektryczna w obwodach nie może być wyeliminowana.
Rezonans napięcia i rezonans prądu
W zależności od tego, jak połączone są kluczowe elementy, obwód rezonansowy może być szeregowy i równoległy. Gdy szeregowy obwód oscylacyjny jest podłączony do źródła napięcia o częstotliwości sygnału zgodnej z częstotliwością własną, w określonych warunkach pojawia się w nim rezonans napięciowy. Rezonans w obwodzie elektrycznym połączonym równolegleelementy reaktywne nazywamy rezonansem prądowym.
Częstotliwość naturalna obwodu rezonansowego
Możemy sprawić, by system oscylował z naturalną częstotliwością. Aby to zrobić, musisz najpierw naładować kondensator, jak pokazano na górnym rysunku po lewej stronie. Gdy to zrobisz, klucz zostanie przesunięty do pozycji pokazanej na tym samym rysunku po prawej stronie.
W czasie „0” cała energia elektryczna jest magazynowana w kondensatorze, a prąd w obwodzie wynosi zero (rysunek poniżej). Zauważ, że górna płyta kondensatora jest naładowana dodatnio, podczas gdy dolna płyta jest naładowana ujemnie. Nie widzimy oscylacji elektronów w obwodzie, ale możemy zmierzyć prąd amperomierzem i użyć oscyloskopu do śledzenia natury prądu w funkcji czasu. Zauważ, że T na naszym wykresie jest czasem wymaganym do wykonania jednej oscylacji, która w elektrotechnice nazywana jest "okresem oscylacji".
Prąd płynie zgodnie z ruchem wskazówek zegara (zdjęcie poniżej). Energia jest przekazywana z kondensatora do cewki indukcyjnej. Na pierwszy rzut oka może wydawać się dziwne, że indukcyjność zawiera energię, ale jest ona podobna do energii kinetycznej zawartej w poruszającej się masie.
Przepływ energii wraca z powrotem do kondensatora, ale zauważ, że polaryzacja kondensatora została odwrócona. Innymi słowy, dolna płyta ma teraz ładunek dodatni, a górna ładunek ujemny (rysunekna dole).
Teraz system jest całkowicie odwrócony i energia zaczyna płynąć z kondensatora z powrotem do cewki indukcyjnej (rysunek poniżej). W rezultacie energia całkowicie powraca do punktu początkowego i jest gotowa do ponownego rozpoczęcia cyklu.
Częstotliwość oscylacji można przybliżyć w następujący sposób:
F=1/2π(LC)0, 5,
gdzie: F - częstotliwość, L - indukcyjność, C - pojemność.
Proces rozważany w tym przykładzie odzwierciedla fizyczną istotę rezonansu naprężeń.
Badanie rezonansu naprężenia
W rzeczywistych obwodach LC zawsze występuje niewielka rezystancja, co zmniejsza wzrost amplitudy prądu z każdym cyklem. Po kilku cyklach prąd spada do zera. Efekt ten nazywany jest „sinusoidalnym tłumieniem sygnału”. Szybkość, z jaką prąd zanika do zera, zależy od wielkości rezystancji w obwodzie. Jednak rezystancja nie zmienia częstotliwości drgań obwodu rezonansowego. Jeśli rezystancja jest wystarczająco wysoka, w obwodzie nie wystąpią w ogóle oscylacje sinusoidalne.
Oczywiście tam, gdzie występuje naturalna częstotliwość oscylacji, istnieje możliwość wzbudzenia procesu rezonansowego. Robimy to, włączając szeregowo zasilacz prądu przemiennego (AC), jak pokazano na rysunku po lewej stronie. Termin „zmienny” oznacza, że napięcie wyjściowe źródła waha się z pewnymczęstotliwość. Jeżeli częstotliwość zasilania jest zgodna z częstotliwością drgań własnych obwodu, pojawia się rezonans napięcia.
Warunki wystąpienia
Teraz rozważymy warunki wystąpienia rezonansu naprężeń. Jak widać na ostatnim obrazku, wprowadziliśmy rezystor do pętli. W przypadku braku rezystora w obwodzie prąd w obwodzie rezonansowym wzrośnie do pewnej maksymalnej wartości określonej przez parametry elementów obwodu i moc źródła zasilania. Zwiększenie rezystancji rezystora w obwodzie rezonansowym zwiększa tendencję do zaniku prądu w obwodzie, ale nie wpływa na częstotliwość drgań rezonansowych. Z reguły tryb rezonansu napięciowego nie występuje, jeśli rezystancja obwodu rezonansowego spełnia warunek R=2(L/C)0,5.
Wykorzystywanie rezonansu napięciowego do przesyłania sygnałów radiowych
Zjawisko rezonansu naprężeń to nie tylko ciekawe zjawisko fizyczne. Odgrywa wyjątkową rolę w technologii komunikacji bezprzewodowej - radio, telewizja, telefonia komórkowa. Nadajniki używane do bezprzewodowego przesyłania informacji z konieczności zawierają obwody zaprojektowane tak, aby rezonować z określoną częstotliwością dla każdego urządzenia, zwaną częstotliwością nośną. Po podłączeniu anteny nadawczej do nadajnika emituje fale elektromagnetyczne o częstotliwości nośnej.
Antena na drugim końcu ścieżki transceivera odbiera ten sygnał i podaje go do obwodu odbiorczego, zaprojektowanego do rezonansu na częstotliwości nośnej. Oczywiście antena odbiera wiele sygnałów w różnychczęstotliwości, nie wspominając o hałasie w tle. Ze względu na obecność obwodu rezonansowego na wejściu urządzenia odbiorczego, dostrojonego do częstotliwości nośnej obwodu rezonansowego, odbiornik wybiera jedyną prawidłową częstotliwość, eliminując wszystkie niepotrzebne.
Po wykryciu sygnału radiowego z modulacją amplitudy (AM), wyodrębniony z niego sygnał o niskiej częstotliwości (LF) jest wzmacniany i podawany do urządzenia odtwarzającego dźwięk. Jest to najprostsza forma transmisji radiowej i jest bardzo wrażliwa na hałas i zakłócenia.
W celu poprawy jakości odbieranych informacji opracowano i z powodzeniem stosuje się inne, bardziej zaawansowane metody transmisji sygnału radiowego, które również opierają się na wykorzystaniu strojonych systemów rezonansowych.
Modulacja częstotliwości lub radio FM rozwiązuje wiele problemów związanych z transmisją radiową AM, ale odbywa się to kosztem znacznej komplikacji systemu transmisji. W radiu FM dźwięki systemowe w torze elektronicznym zamieniane są na niewielkie zmiany częstotliwości nośnej. Urządzenie, które przeprowadza tę konwersję, nazywa się „modulatorem” i jest używane z nadajnikiem.
W związku z tym do odbiornika należy dodać demodulator, aby przekonwertować sygnał z powrotem do postaci, która może być odtwarzana przez głośnik.
Więcej przykładów wykorzystania rezonansu napięcia
Rezonans napięciowy jako podstawowa zasada jest również osadzony w obwodach wielu filtrów szeroko stosowanych w elektrotechnice w celu wyeliminowania szkodliwych i niepotrzebnych sygnałów,wygładzanie tętnień i generowanie sygnałów sinusoidalnych.
