Resonanca je eden najpogostejših fizičnih pojavov v naravi. Pojav resonance lahko opazimo v mehanskih, električnih in celo toplotnih sistemih. Brez resonance ne bi imeli radia, televizije, glasbe in celo gugalnic za igrišča, da ne omenjamo najučinkovitejših diagnostičnih sistemov, ki se uporabljajo v sodobni medicini. Ena izmed najbolj zanimivih in uporabnih vrst resonance v električnem tokokrogu je napetostna resonanca.
Elementi resonančnega vezja
Fenomen resonance se lahko pojavi v tako imenovanem vezju RLC, ki vsebuje naslednje komponente:
- R - upori. Te naprave, povezane s tako imenovanimi aktivnimi elementi električnega tokokroga, pretvarjajo električno energijo v toplotno energijo. Z drugimi besedami, odstranijo energijo iz vezja in jo pretvorijo v toploto.
- L - induktivnost. Induktivnost velektrična vezja - analog mase ali vztrajnosti v mehanskih sistemih. Ta komponenta ni zelo opazna v električnem tokokrogu, dokler ne poskusite narediti nekaj sprememb. V mehaniki je na primer taka sprememba sprememba hitrosti. V električnem tokokrogu sprememba toka. Če se to zgodi iz kakršnega koli razloga, induktivnost prepreči to spremembo v načinu vezja.
- C je oznaka za kondenzatorje, ki so naprave, ki shranjujejo električno energijo na enak način kot vzmeti shranjujejo mehansko energijo. Induktor koncentrira in shranjuje magnetno energijo, kondenzator pa koncentrira naboj in s tem shranjuje električno energijo.
Koncept resonančnega vezja
Ključna elementa resonančnega vezja sta induktivnost (L) in kapacitivnost (C). Upor nagiba k dušenju nihanj, zato odstranjuje energijo iz vezja. Ko razmišljamo o procesih, ki se dogajajo v nihajnem krogu, ga začasno zanemarimo, vendar je treba spomniti, da tako kot sila trenja v mehanskih sistemih ni mogoče odpraviti električnega upora v vezjih.
Napetostna resonanca in tokovna resonanca
Odvisno od tega, kako so ključni elementi povezani, je resonančno vezje lahko serijsko in vzporedno. Ko je serijsko nihajno vezje priključeno na vir napetosti s frekvenco signala, ki sovpada z lastno frekvenco, pod določenimi pogoji pride v njem napetostna resonanca. Resonanca v električnem tokokrogu z vzporedno povezanimreaktivni elementi se imenujejo tokovna resonanca.
Naravna frekvenca resonančnega kroga
Sistem lahko naredimo, da niha na svoji naravni frekvenci. Če želite to narediti, morate najprej napolniti kondenzator, kot je prikazano na zgornji sliki na levi. Ko je to storjeno, se ključ premakne na položaj, prikazan na isti sliki na desni.
V času "0" je vsa električna energija shranjena v kondenzatorju, tok v vezju pa je nič (slika spodaj). Upoštevajte, da je zgornja plošča kondenzatorja pozitivno nabita, spodnja pa negativno. Ne moremo videti nihanja elektronov v vezju, lahko pa izmerimo tok z ampermetrom in uporabimo osciloskop za sledenje narave toka glede na čas. Upoštevajte, da je T na našem grafu čas, potreben za dokončanje enega nihanja, ki se v elektrotehniki imenuje "obdobje nihanja".
Tok teče v smeri urinega kazalca (slika spodaj). Energija se prenaša s kondenzatorja na induktor. Na prvi pogled se morda zdi nenavadno, da induktivnost vsebuje energijo, vendar je to podobno kinetični energiji, ki jo vsebuje premikajoča se masa.
Energijski tok se vrne nazaj v kondenzator, vendar upoštevajte, da je polarnost kondenzatorja zdaj obrnjena. Z drugimi besedami, spodnja plošča ima zdaj pozitiven naboj, zgornja pa negativni naboj (slikaspodaj).
Zdaj je sistem popolnoma obrnjen in energija začne teči iz kondenzatorja nazaj v induktor (slika spodaj). Posledično se energija popolnoma vrne na začetno točko in je pripravljena za ponovni začetek cikla.
Frekvenca nihanja se lahko približa na naslednji način:
F=1/2π(LC)0, 5,
kjer: F - frekvenca, L - induktivnost, C - kapacitivnost.
Proces, obravnavan v tem primeru, odraža fizično bistvo stresne resonance.
Študija stresne resonance
V resničnih LC vezjih je vedno majhna količina upora, ki zmanjša povečanje amplitude toka z vsakim ciklom. Po več ciklih se tok zmanjša na nič. Ta učinek se imenuje "sinusoidno dušenje signala". Hitrost, s katero tok pade na nič, je odvisna od količine upora v vezju. Vendar upor ne spremeni frekvence nihanja resonančnega kroga. Če je upor dovolj visok, v vezju sploh ne bo sinusoidnega nihanja.
Očitno, kjer je naravna frekvenca nihanja, obstaja možnost vzbujanja resonančnega procesa. To naredimo tako, da serijsko vključimo napajalnik izmeničnega toka (AC), kot je prikazano na sliki na levi. Izraz "spremenljiva" pomeni, da izhodna napetost vira niha z določenofrekvenco. Če se frekvenca napajalnika ujema z naravno frekvenco vezja, pride do napetostne resonance.
Pogoji pojavljanja
Sedaj bomo upoštevali pogoje za nastanek stresne resonance. Kot je prikazano na zadnji sliki, smo upor vrnili v zanko. Če v vezju ni upora, se bo tok v resonančnem vezju povečal na določeno največjo vrednost, ki jo določajo parametri elementov vezja in moč vira energije. Povečanje upora upora v resonančnem vezju poveča nagnjenost k razpadanju toka v tokokrogu, vendar ne vpliva na frekvenco resonančnih nihanj. Praviloma se način napetostne resonance ne pojavi, če upor resonančnega vezja izpolnjuje pogoj R=2(L/C)0, 5.
Uporaba napetostne resonance za prenos radijskih signalov
Fenomen stresne resonance ni le radoveden fizični pojav. Ima izjemno vlogo v tehnologiji brezžičnih komunikacij – radia, televizije, mobilne telefonije. Oddajniki, ki se uporabljajo za brezžično prenašanje informacij, nujno vsebujejo vezja, zasnovana tako, da odmevajo na določeni frekvenci za vsako napravo, imenovani nosilna frekvenca. Z oddajno anteno, priključeno na oddajnik, oddaja elektromagnetne valove na nosilni frekvenci.
Antena na drugem koncu oddajno-sprejemne poti sprejme ta signal in ga napaja v sprejemno vezje, zasnovano tako, da resonira na nosilni frekvenci. Očitno antena sprejema veliko signalov na različne načinefrekvence, da ne omenjam hrupa v ozadju. Zaradi prisotnosti resonančnega vezja na vhodu sprejemne naprave, uglašenega na nosilno frekvenco resonančnega vezja, sprejemnik izbere edino pravilno frekvenco in odstrani vse nepotrebne.
Po zaznavanju amplitudno moduliranega (AM) radijskega signala se nizkofrekvenčni signal (LF), pridobljen iz njega, ojača in dovaja v napravo za reprodukcijo zvoka. To je najpreprostejša oblika radijskega prenosa in je zelo občutljiva na šum in motnje.
Za izboljšanje kakovosti prejetih informacij so bile razvite in uspešno uporabljene druge, naprednejše metode prenosa radijskih signalov, ki prav tako temeljijo na uporabi uglašenih resonančnih sistemov.
Frekvenčna modulacija ali FM radio rešuje številne težave pri AM radijskem prenosu, vendar je to posledica velikega zapleta prenosnega sistema. V FM radiu se sistemski zvoki v elektronski poti pretvorijo v majhne spremembe nosilne frekvence. Kos opreme, ki izvaja to pretvorbo, se imenuje "modulator" in se uporablja z oddajnikom.
V skladu s tem je treba sprejemniku dodati demodulator, da pretvori signal nazaj v obliko, ki se lahko predvaja prek zvočnika.
Več primerov uporabe napetostne resonance
Napetostna resonanca kot temeljno načelo je vgrajena tudi v vezje številnih filtrov, ki se pogosto uporabljajo v elektrotehniki za odpravo škodljivih in nepotrebnih signalov,glajenje valovanja in ustvarjanje sinusnih signalov.
