Резонансът е едно от най-често срещаните физически явления в природата. Феноменът на резонанса може да се наблюдава в механични, електрически и дори термични системи. Без резонанс нямаше да имаме радио, телевизия, музика и дори люлки за детска площадка, да не говорим за най-ефективните диагностични системи, използвани в съвременната медицина. Един от най-интересните и полезни видове резонанс в електрическа верига е резонансът на напрежението.
Елементи на резонансна верига
Феноменът на резонанс може да възникне в така наречената RLC верига, съдържаща следните компоненти:
- R - резистори. Тези устройства, свързани с така наречените активни елементи на електрическата верига, преобразуват електрическата енергия в топлинна енергия. С други думи, те премахват енергията от веригата и я преобразуват в топлина.
- L - индуктивност. Индуктивност велектрически вериги - аналог на масата или инерцията в механичните системи. Този компонент не е много забележим в електрическата верига, докато не се опитате да направите някои промени в него. В механиката, например, такава промяна е промяна в скоростта. В електрическа верига промяна в тока. Ако това се случи по някаква причина, индуктивността противодейства на тази промяна в режима на веригата.
- C е обозначение за кондензатори, които са устройства, които съхраняват електрическа енергия по същия начин, по който пружините съхраняват механична енергия. Индукторът концентрира и съхранява магнитна енергия, докато кондензаторът концентрира заряда и по този начин съхранява електрическа енергия.
Концепцията за резонансна верига
Ключовите елементи на резонансната верига са индуктивност (L) и капацитет (C). Резисторът има тенденция да гаси трептенията, така че премахва енергията от веригата. Когато разглеждаме процесите, протичащи в осцилаторната верига, ние временно го игнорираме, но трябва да се помни, че подобно на силата на триене в механичните системи, електрическото съпротивление във веригите не може да бъде елиминирано.
Резонанс на напрежението и резонанс на тока
В зависимост от това как са свързани ключовите елементи, резонансната верига може да бъде последователна и паралелна. Когато последователна осцилаторна верига е свързана към източник на напрежение с честота на сигнала, съвпадаща с собствената честота, при определени условия в нея възниква резонанс на напрежението. Резонанс в електрическа верига с паралелно свързанреактивни елементи се нарича токов резонанс.
Естествена честота на резонансната верига
Можем да накараме системата да осцилира с естествената си честота. За да направите това, първо трябва да заредите кондензатора, както е показано на горната фигура вляво. Когато това е направено, ключът се премества на позицията, показана на същата фигура вдясно.
В момент "0", цялата електрическа енергия се съхранява в кондензатора, а токът във веригата е нула (фигурата по-долу). Имайте предвид, че горната плоча на кондензатора е положително заредена, докато долната плоча е отрицателно заредена. Не можем да видим трептенията на електроните във веригата, но можем да измерим тока с амперметър и да използваме осцилоскоп, за да проследим естеството на тока спрямо времето. Обърнете внимание, че T на нашата графика е времето, необходимо за извършване на едно трептене, което в електротехниката се нарича "период на трептене".
Токът тече по посока на часовниковата стрелка (снимката по-долу). Енергията се прехвърля от кондензатора към индуктора. На пръв поглед може да изглежда странно, че индуктивността съдържа енергия, но това е подобно на кинетичната енергия, съдържаща се в движеща се маса.
Енергийният поток се връща обратно към кондензатора, но имайте предвид, че полярността на кондензатора вече е обърната. С други думи, долната плоча вече има положителен заряд, а горната - отрицателен заряд (фиготдолу).
Сега системата е напълно обърната и енергията започва да тече от кондензатора обратно в индуктора (фигура по-долу). В резултат на това енергията се връща напълно в началната си точка и е готова да започне цикъла отново.
Честотата на трептене може да бъде приблизително както следва:
F=1/2π(LC)0, 5,
където: F - честота, L - индуктивност, C - капацитет.
Процесът, разгледан в този пример, отразява физическата същност на резонанса на стреса.
Проучване на стресовия резонанс
В реални LC вериги винаги има малко съпротивление, което намалява увеличаването на амплитудата на тока с всеки цикъл. След няколко цикъла токът намалява до нула. Този ефект се нарича "синусоидално затихване на сигнала". Скоростта, с която токът намалява до нула, зависи от количеството съпротивление във веригата. Съпротивлението обаче не променя честотата на трептене на резонансната верига. Ако съпротивлението е достатъчно високо, няма да има синусоидални трептения във веригата изобщо.
Очевидно, когато има естествена честота на трептене, има възможност за възбуждане на резонансния процес. Правим това, като включваме последователно захранване с променлив ток (AC), както е показано на фигурата вляво. Терминът "променлива" означава, че изходното напрежение на източника се колебае с определеночестота. Ако честотата на захранването съвпада с естествената честота на веригата, възниква резонанс на напрежението.
Условия на възникване
Сега ще разгледаме условията за възникване на стрес резонанс. Както е показано на последната снимка, ние върнахме резистора в контура. При липса на резистор във веригата, токът в резонансната верига ще се увеличи до определена максимална стойност, определена от параметрите на елементите на веригата и мощността на източника на енергия. Увеличаването на съпротивлението на резистора в резонансната верига увеличава тенденцията за затихване на тока във веригата, но не влияе на честотата на резонансните трептения. По правило режимът на резонанс на напрежението не възниква, ако съпротивлението на резонансната верига удовлетворява условието R=2(L/C)0, 5.
Използване на резонанс на напрежението за предаване на радиосигнали
Феноменът резонанс на стреса е не само любопитен физически феномен. Той играе изключителна роля в технологията на безжичните комуникации – радио, телевизия, клетъчна телефония. Предавателите, използвани за безжично предаване на информация, задължително съдържат вериги, проектирани да резонират на специфична честота за всяко устройство, наречена носеща честота. С предавателна антена, свързана към предавателя, той излъчва електромагнитни вълни с носеща честота.
Антената в другия край на пътя на приемопредавателя приема този сигнал и го подава към приемната верига, проектирана да резонира на носещата честота. Очевидно антената получава много сигнали на различничестоти, да не говорим за фоновия шум. Поради наличието на резонансна верига на входа на приемното устройство, настроена на носещата честота на резонансната верига, приемникът избира единствената правилна честота, елиминирайки всички ненужни.
След откриване на амплитудно модулиран (AM) радиосигнал, нискочестотният сигнал (LF), извлечен от него, се усилва и се подава към устройство за възпроизвеждане на звук. Това е най-простата форма на радиопредаване и е много чувствителна към шум и смущения.
За подобряване качеството на получената информация са разработени и успешно се използват други, по-модерни методи за предаване на радиосигнал, които също се основават на използването на настроени резонансни системи.
Честотната модулация или FM радиото решава много от проблемите на AM радио предаването, но това идва с цената на значително усложняване на предавателната система. В FM радиото системните звуци в електронния път се преобразуват в малки промени в носещата честота. Частта от оборудването, която извършва това преобразуване, се нарича "модулатор" и се използва с предавателя.
Съответно към приемника трябва да се добави демодулатор, за да преобразува сигнала обратно във форма, която може да се възпроизвежда през високоговорителя.
Още примери за използване на резонанс на напрежение
Резонансът на напрежението като основен принцип също е вграден във веригата на множество филтри, широко използвани в електротехниката за елиминиране на вредни и ненужни сигнали,изглаждане на вълните и генериране на синусоидални сигнали.
